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1、硅化物薄膜在微电子学及其应用Shyam P. MurarkaRensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY 12180, USA(Received 7 February 1994; accepted 4 June 1994) 在本文讨论了金属硅化物与其他硅元素化合物的族元素导电过渡的有效性及其薄膜在微电子学中的应用。下面简要描述设备的结构、接触电阻、互连延迟(硅化物用于降低这些关键性能参数的设备和集成电路)、所需的材料特性,对于硅化物的薄膜的制备进行了简要回顾,对于外延硅化物和硅化物的稳定性进行了讨论。结果表明硅化物甚至GaAs的高导电性、低阻抗、高温稳定
2、性及耐腐蚀方面应用在微电子方面有着极大的优势。它们材料广泛、性能可靠，显示出继续应用的潜能,无论是下降的设备还是硅环形集成电路中。它们提供了生产三维器件/环形结构的可能性，并且明显的提高了异质结期间的速度。关键词:硅化物、薄膜、钴硅化物,集成电路,电子一、简介元素周期表中硅化物与其他元素硅的化合物。他们涵盖所有的化合物，这作者的最喜欢的图,所谓的硅化物周期表(图l)（1）。这些化合物的分子氧硅化物(SiO2),俗称二氧化硅,二氧化硅是地球的主要组成部分，也是硅集成电路成功的关键材料。硅的化合物与氢、碳、氮、卤素也在集成电路中扮演着重要的角色。CSi,俗称硅硬质合金,是一种潜在的高温半导体，适用
3、于硅基器件的应用程序。在本文中,限于下降的硅化物类别的所谓“金属间化合物”,材料,或多或少是金属或像图1中的heavy-lined插图所示。这些都是过渡金属硅化物。从二十世纪开始，过渡金属硅化物就受到了极大的关注。大部分研究通过1950年代步入1960年代使用粉末冶金技术生产这些材料。132个研究主要重点调查了基本属性如电阻率、高温稳定性、构建金属硅相图,硅化物晶体化学以及耐蚀性。一些硅化物具有非常高的熔点用于炉子的原材料和高温涂料,仍在研究（2）MoSi2在一些或其他的形式的应用（3）过渡金属硅化物,一般来说,金属-金属和合金这些比较低电导率是良好的电导体。使用硅化物作为导体在SiCs的可能
4、性以及硅化物薄膜的研究首先在六十年代末开始,然后当时就表示（4、5）应用(见下个定义部分)集中在使用（a）肖特基势垒和欧姆接触,(b)门和互连金属以及(c)外延导体异质结。（6）除了测量肖特基势垒高度,接触电阻和电阻，形成金属硅系统和反应扩散动力学。过去30年一直在研究工作温度、机械应力、氧化性、蚀刻特征、硅上外延生长等有关半导体集成电路稳定性的参数。（4,6-10）表1列出了用于小规模集成电路的硅化物的性能。表2列出了一度被应用的硅化物的性能，同时表2列出了硅化物薄膜电阻率以及熔点的数值，不同条件下，电阻率有着不同的范围，当半导体集成电路制造逐渐的使用较薄的薄膜时，低价态材料只适用于高纯度大
5、体积硅化物。晶界、缺陷以及杂质是薄膜高电阻的主要原因。（11）另外值得注意的是，由于增加冶金的稳定性，当接触硅时，硅含量较高的硅化物被认为是自然产生的电阻率最低的材料。因为PdSi在高温下不稳定，因此只有Pd2Si是一个例外。（12,13）在这张表上我们要排除了一些锰、铬、铁的硅化物的半导体。他们将在另一个部分讨论。综述,首先要测试这些硅化物的电气性能的有用性。紧随其后的是评估这样的硅化物在半导体集成电路的应用,硅化物稳定性、影响选择的限制,并在现有和未来的硅化物微电子学方面的新用途。这将表明,从八十年代末到九十年代初，随着微电子产业的发展从大尺寸(六十年代末最小特征尺寸10m)到亚微米尺寸的
6、大小, 在21世纪将演变成小于0.1微米特征尺寸,所需的集成电路金属化的特点也发生了变化。这些变化让位给硅化物的应用,这在过去是不可能的。2接触电阻和互连延迟微电子学图2显示了一个的横截面示意图，基本的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)硅化物用作接触硅(所谓的基区和耗尽区)和用于连接多晶硅,以后多晶硅用来降低门电路的阻力(金属氧化物半导体中部地区)。在接下来的的基本定义这样的使用介绍。2.1肖特基势垒高度和接触当金属在半导体(硅在目前的情况下)沉积或形成硅化物的势垒,称为肖特基势垒，这是电荷转移的结果,因为费米能级的存在这两个材料都必须匹配。因为材料的原因，金属和半导体之间的电荷转移
7、的结果是不平等的，进而形成势垒。理想情况下,金属半导体之间的行为差异可以预测计算。例如,图3所示为n型半导体,如果金属中的电子逸出功m大于半导体中的电子逸出功s,金属半导体整流接触。这是因为,当金属和半导体表面接触,要求费米能级相匹配的原因有两个，一方面是电子从n型半导体移动到金属电子浓度不足和半导体表面附近,导致导带弯曲。内置电势Vbi和电子流保持到平衡状态，建立了肖特基势垒从而形成肖特基势垒。另一方面,如果m小于s,半导体和金属之间形成欧姆接触而没有势垒。一个可以设想四种不同类型的势垒情况(见参考。例如11)m s,m 1019 cm-3),由电子穿越隧道障碍的接触电阻控制,Rc掺杂浓度N
8、D决定。（14） 事实上，在进行电气连接到底层器件（pn结或np结）时，高的掺杂密度、电子隧道效和接触电阻应占主导地位。硅上的硅化物的接触电阻可能成为器件总电阻的一个主要增加因素,尤其是当尺寸缩小时。（15）目前Rc值在10-7 -cm2范围内是可以接受的。在未来，最小器件正常运行的必要值应低至10-10-10-9 -cm2。2.2互连延迟尽管硅化物首先应用到半导体集成电路和器件上,（5） 尽管硅化物作为半导体接触最早应用到器件和集成电路中，但其利润随着塑造金属接触的简便化而下降。硅化物的复兴起来的利润实现制硅工艺的高阻抗的结果，硅工艺的高阻抗不仅形成MOSFET的门极，还用于这个等级的互连。
9、（7）是减少截面互连的直接结果。增加阻抗是不可取的,因为增加阻力就增加了所谓的RC时间常数，R和C分别是在门电路和器件互联水平的电容和电阻。RC越高,器件的传输速率越慢。RC时间常数可以近似看作一个简单的金属电容乘以R，对于电路和大尺寸器件来说，这是近似却也是唯一有效的:RC=LwtoxLwtox=tL2oxtox (6)这里L和W是线路的长度和宽度,ox和tox分别是氧化物介电常数和氧化硅接地层厚度。和t分别是电阻率和互连金属的厚度。因此也就是说，在垂直方向扩展,减少了t和tox,会增加RC。然而, RC只取决于线路长度L和宽度W而不是给定的t和tox。因此,减少线宽不改变RC。因为这一个缺
10、点,RC时间可以抵消小尺寸器件的速度优势。表4列出了这些最常用的硅化物和多晶硅的RC时间常数(或电路延迟)。很明显硅化物RC值远远低于多晶硅,CoSi2、TiSi2 比多晶硅有更低的价态。应指出，当器件尺寸缩小到5m以下，以上提到的简单的平板电容以外的电容变得重要，在较小尺寸下快速增大，从而影响RC值，以上成为急剧降低尺寸的重要原因。这些讨论,再一次超出了本文的讨论范围,不在这里继续讨论。读者可以参考文献11中的内容。随着器件尺寸的减少和电路复杂性的增加,相互连接的长度L继续增大。因此, 如果可以不在一个平面进行互连，通过绝缘层实现所谓多级互连方案，那么会减少L(在等式6中),因此RC和L都可
11、以有效地减少。这种类型的方法并不影响我们关于硅化物应用的讨论，除了硅/硅工艺门极和接触长度还能减小，对于这个所使用的最低阻抗的材料的设备稍微不作规定。3、所需的特征硅化物表1列出了所需硅化物的集成电路特性。不仅有材料特征如电阻率、氧化性和周边交互材料,也提供了相应的工艺要求。加工整合集成电路涉及大量的处理步骤,使材料干燥底层,湿化学物质覆盖,周围覆膜以及高温过程。通过这些流程在实际应用时，大的电性偏置和电流通过时硅化物保持能够稳定结构。硅化物早期制造成为门电路和互连器件时也受到一些高温处理。因此,门电路和硅化物器件互连必须满足表1所有的需求。直到八十年代中期,只有耐火硅化物如Ta、Ti、Mo可
12、用于这样的器件。只有最近,当传输门和互连过程的温度已经降低到900C或更低,CoSi2才被使用到互连器件中。硅化物的主要成分为硅，因此不需要通过几种早期高温过程和最终成形处理。此外,这些硅化物不需要拥有最低的电阻率。最重要的要求是非常低的接触电阻,最小的硅消耗,如果在形成硅化物时只有最小结渗透而没有横向扩散(见下文)。第八组金属硅化物很好的满足了这些条件。TiSi2虽然是特殊情况(见下文) 但大多数情况也满足这些标准。 硅化物形成过程中横向扩散与半导体交互有关的小规模的接触窗口和主导地位的扩散物种是有关系的。Ti、Ta、Mo、W与硅反应，硅侧壁的窗口扩散形成硅化物 (退火前覆盖金属)。另一方面,Co、Pt和Ni与硅在低温条件下交互反应、金属扩散,因此在该地区形成硅化物的接触硅表面,而不是在侧壁上的金属介质。在热退火时使用氮气可以有效地抑制Ti在硅中的扩散（16）。氮气沿着Ti晶界迅速扩散然后在表面形成TiN,有效减少了快速扩散路径。这种使用Ti自对准方法形成硅化物(在下一节中讨论) 退火技术用于半导体集成电路。由于电场的集中更清晰的节点在接口，硅和硅化物界面接口(在接触窗口)偏差产生是导致早期设备故障的原因。因此,硅和硅化物接口应该有相同的清晰度(相对的最初的硅表面)。如前所述中硅化物的形成,接口的清晰度主要决定金属沉积之前的硅表面清洁程度。掺杂剂(
