[반도체 공정] 배선공정(Metallization)-2. 실리사이드(Silicide)

4. 실리사이드(Silicide)

  : 단결정 Si과 metal의 compound

    Poly-Si위에 형성시킨 silicide를 polycide라고 부르기도 함

 

    소자의 소스/드레인 영역, 게이트 배선의 저항을 낮추기 위한 공정

        - Shallow Junction이 Source Drain 저항을 증가, Contact Area 감소가 Contact 저항을 증가

           , 좁은 Gate Width가 Poly Si Electrode 저항을 증가시키기 때문에 낮은 저항의 Silicide가 중요

 

         - Semi-Metal 간shottky contact 해결

 

    고온 잘 견뎌 국소 배선에 적용

    낮은 비저항, 열 안정성이 필요

 

 

1) 살리사이드(Salicide,Self Aligned Silicide)

   : Metal이 Si과만 반응하는 것을 이용하여 별도의 패턴 공정 없이 원하는 영역에 Silicide를 형성시키는 공정

     Si과 반응을 진행하지 않는 금속을 식각 등으로 제거

 

     Pre-cleaning-> Metal sputter 증착-> 1st RTA-> Un-reacted metal removal-> 2nd RTA

 

출처-  https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/silicide

 

 

 

2) Material

 

C-54 TiSi2-> CoSi2-> NiSi

갈수록 저항, 생성 온도낮음

 

 

- Ti Silicide

   : 650℃-700℃, C-49 TiSi2(Orthorhombic, 60-70 μΩ. cm),

     770℃ 이상, C-54 TiSi2(Orthorhombic, 15-25 μΩ. cm)

 

  * Silicide phase transition은 silicon diffusion에 의해 진행

 

 100nm 이하 Ti Silicide 사용 어려움

  - Silicide Bridge: Main Moving Species인 Si이 열공정을 진행하는 동안 Spacer 위의 Ti 막으로 확산, TiSi2 형성

Spacer 막의 Etch 공정으로 인한 CFx polymers가 남아 있는 경우 TiSi2의 lateral growth가 더 발생 -> Open circuit 문제 

CoSi2, NiSi 경우 Co, Ni이 Main Moving Species이므로 Bridge문제가 발생하지 않는다.

개선방법- N2 or NH3 Anneal:  N2 or NH3가 표면의 Ti와 반응해 TiN 형성함으로써 Si 확산 억제

PAI(Pre-Amorphization Ion Implant): As, Ge 등의 이온 주입을 통한 Si의 비정질화-> TiSi2의  nucleation 향상-> Grain size가 줄어듦 -> Si 확산 억제 낮은 온도의 1st RTA: 미 반응 Ti 제거 및 Si 확산 억제, 이후 2nd RTA 진행

Removal 공정 최적화- 얇게 형성된 Spacer 위의 TiSi2 식각 ATC After Treatment Cleaning): CFx polymer는 HF에서 잘 제거되지 않으므로 ATC이후 HF적용

 - Narrow line width effect(세선 효과): Poly-Si 선 폭이 감소에 따라 C49 TiSi2-> C54 TiSi2 transition을 위한 

Nuclei site(grain boundary)의 감소로 상전이에 어려움이 생겨 공정 후에도 저항이 높은 C49 TiSi2가 함께 존재

개선방법- PAI: C49 grain size를 줄여 grain boundary 증가내열합금:  3 성분계를 형성->  grain size가 줄어듦

                                                                                                                   

- Co Silicide

   : 450℃-500℃, CoSi (Cubic, ~150 uΩ. cm),

     600-750℃, CoSi2 (Cubic,  15-20 μΩ. cm)

 

    장: 가장 높은 열적 안정성 

    단: 실리콘 표면 상태에 민감

      얕은 접합 어려움- 실리콘 소모량 많기 때문

      오염 쉬움-주변에 민감하기 때문

      -> Ti/TiN capping Layer 통해 개선-Ti capping: grain boundary에 Ti가 위치해 열공정에서 CoSi2 응집 억제

          TiN capping: 고온 열공정에서 쉽게 응집 발생

          Si의 확산 억제

 

- Ni Silicide

   : 300-500℃, NiSi (Orthorhombic, 10-20 μΩ. cm),

     700℃ 이상, NiSi2 (Orthorhombic, ~35 μΩ. cm)

    

   장: 낮은 저항

        얕은 접합- 실리콘 소모량 적음

   단: 낮은 열적 안정성

 

 

- 응집(열적 안정성 문제)

   : 후속 열공정에 의해 Metal-Si bond가 끊어져 금속원자가 surface energy가 낮은 방향으로 diffusion,

      -> Metal-Si interface의 Si과 반응하여 발생

    개선방법- Capping layer PAI Low Temp ILD 공정

 

- 이상 산화 (Abnormal oxidation)

  : Silicide 형성 시 또는 후 O2 분위기의 열공정으로 인해 발생

    개선방법-  Load Lock 장치 적용해 O2 유입 방지

                  산화반응 억제- 산소가 유입되는 웨이퍼 로딩/언로딩 시 온도를 낮춤

 

 

 

*PAI

: 주입된 이온이 nucleation site를 제공해 grain size 감소

  이온 주입시 ion energy와 NiSi films의 두께는 비례

                   ion implant dosage와 NiSi films의 두께는 반 비례

              - heavy ion PAl에 의한 박막의 high free energy로 silicide nucleation 향상, 주입된 이온이 Si내로의 Ni의 확산을 제한 낮은 ion energy, 높은 Ion implant dosage일 수록 작은 grain size 형성