專利名稱：自對準金屬硅化物的形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術領域，特別涉及一種自對準金屬硅化物的形成方法。
技術背景
在半導體制造技術中，金屬硅化物由于具有較低的電阻率且和其他材料具有很 好的粘合性而被廣泛應用于源/漏接觸和柵極接觸來降低接觸電阻。高熔點的金屬與硅 發(fā)生反應而熔合形成金屬硅化物，通過一步或者多步退火工藝可以形成低電阻率的金屬 硅化物。隨著半導體工藝水平的提高，特別是在90nm及其以下技術節(jié)點，為了獲得更低 的接觸電阻，鎳及鎳的合金成為形成金屬硅化物的主要材料。
在已經(jīng)公開的申請?zhí)枮?00780015617.9的中國專利申請中公開了一種自對準金 屬硅化物的形成方法，該方法選擇鎳合金作為形成金屬硅化物的材料。圖1至圖3給出 了該方法形成自對準硅化物各階段的剖面結構示意圖。
如圖1所示，首先提供半導體基底100，所述半導體基底100內形成有多個MOS 晶體管(圖1中僅以一個MOS晶體管為例)，相鄰的MOS晶體管之間形成有隔離區(qū)110， 所述隔離區(qū)110內填充有絕緣材料；所述MOS晶體管包括形成在半導體基底100上的 柵介質層104，在所述柵介質層104上形成的柵電極103，在所述柵電極103及柵介質層 104的兩側形成的側墻105，所述柵電極103兩側半導體基底100內形成的源極101和漏 極 102。
如圖2所示，在所述半導體基底100的表面形成金屬層106，所述金屬層106覆 蓋所述源極101、漏極102、柵極103和側墻105，所述金屬層106的材料為鎳鉬合金。進 一步地，可以在金屬層106上形成保護層107，所述保護層107的材料為氮化鈦(TiN)， 用來防止金屬層106被氧化，保護層107的形成是可選的，可以被忽略。
如圖3所示，對所述半導體基底100進行退火工藝，通過退火，所述源極101、 漏極102、柵極103表面上的金屬層106材料與所述源極101、漏極102和柵極103中的 硅材料發(fā)生反應生成金屬硅化物層，分別為101a、102a> 103a。之后通過選擇性刻蝕將 沒有發(fā)生反應的金屬層106去除，使得形成的金屬硅化物層101a、102a> 103a暴露在所 述半導體基底100的表面。
上述方案中金屬層106的材料沒有選擇鎳金屬而是選擇鎳合金，其主要原因是 鎳元素活動性較高，容易發(fā)生擴散，侵入柵極氧化層104下面的溝道中，而鎳合金中的 合金元素可以有效的防止鎳元素的擴散侵入現(xiàn)象。
現(xiàn)有技術中，所述金屬層106—般是在較低功率下濺射沉積形成的，主要原因 一方面是較低功率下形成的金屬層有較好的電阻一致性(RsUniformity)和臺階覆蓋率 (step coverage)；另一方面是較低功率下，可以避免濺射過程中的離子對器件造成損傷。 但是，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在較低功率下形成的金屬層106中合金元素的分布不夠均勻，如圖5 所示，所述半導體基底100的中心區(qū)域IOOa的合金元素含量要比周邊區(qū)域低，因此，分 布在中心區(qū)域IOOa的器件會發(fā)生鎳元素擴散現(xiàn)象，降低器件的可靠性。而在濺射過程中使用較大功率雖然可以提升金屬層中心區(qū)域的合金元素含量，但是會造成金屬層的電阻 一致性和臺階覆蓋率降低，因此，需要對金屬層的形成方法進行改進。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種自對準金屬硅化物的形成方法，避免了金屬層中合金元素分 布不均勻的問題，防止了半導體基底中心區(qū)域的鎳元素擴散侵入現(xiàn)象，提高了器件的可靠性。本發(fā)明提供了一種自對準金屬硅化物的形成方法，包括如下步驟提供半導體基底，該半導體基底表面至少有一硅區(qū)域；在所述半導體基底上形成至少兩層金屬層，所述至少兩層金屬層的濺射功率隨 形成各層金屬層的次序依次增加；對所述半導體基底進行退火工藝，所述硅區(qū)域與所述至少兩層金屬層反應生成 金屬硅化物；刻蝕去除所述至少兩層金屬層中未發(fā)生反應的部分。優(yōu)選的，所述至少兩層金屬層包括第一層金屬層和第二層金屬層，所述第一層 金屬層的濺射功率為500瓦至2500瓦。所述至少兩層金屬層中的第一層金屬層的厚度占所述至少兩層金屬層總厚度的 5%至 20%。所述至少兩層金屬層中的第二層金屬層的濺射功率為3000瓦至6000瓦。所述至少兩層金屬層中的第二層金屬層的厚度占所述至少兩層金屬層總厚度的 80%至 95%。所述至少兩層金屬層的各層金屬層的材料相同，選自鎳鉬合金或鎳鈀合金。所述至少兩層金屬層的形成過程的氣氛為氬氣(Ar)。所述至少兩層金屬層形成過程中的氬氣流量隨形成各層金屬層的次序依次減 小。所述至少兩層金屬層中的第一層金屬層的形成過程中氬氣的流量為25SCCm至 IOOsccm0所述至少兩層金屬層中的第二層金屬層的形成過程中氬氣的流量為lOsccm至 20sccm。所述退火工藝為一步退火或者兩步退火。所述兩步退火包括第一步退火和第二步退火，第一步退火的溫度為280攝氏度 至350攝氏度，退火時間為3秒至60秒；第二部退火的溫度為360攝氏度至900攝氏度， 退火時間為3秒至60秒。所述一步退火僅包括上述的第一步退火。上述公開的自對準金屬硅化物的形成方法中，分多個階段形成至少兩層金屬 層，各層金屬層形成過程中使用的功率依次增大，避免了金屬層中合金元素分布不均勻 的問題，防止了半導體基底中心區(qū)域的鎳元素擴散侵入問題，提高了器件的可靠性。


圖1至圖3是現(xiàn)有技術的自對準金屬硅化物形成方法的剖面結構示意4
圖4是自對準硅化物形成過程中鎳元素擴散后的剖面結構示意圖5是現(xiàn)有技術下形成金屬層后的半導體基底的俯視圖6是本發(fā)明的一個實施例的自對準硅化物形成方法的流程示意圖7至圖12是本發(fā)明的一個實施例的自對準硅化物形成方法的剖面結構示意 圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種自對準金屬硅化物的形成方法，該方法分多個階段形成至少 兩層金屬層，各層金屬層形成過程中使用的功率依次增大，避免了金屬層中合金元素分 布不均勻的問題，防止了半導體基底中心區(qū)域的鎳元素擴散侵入問題，提高了器件的可靠性。
為使本發(fā)明的方法、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。
本發(fā)明提供了一種自對準金屬硅化物的形成方法，包括提供半導體基底，所 述半導體基底表面至少有一硅區(qū)域；在所述半導體基底上形成至少兩層金屬層，所述至 少兩層金屬層的濺射功率隨形成各層金屬層的次序依次增加；對所述半導體基底進行退 火工藝；刻蝕去除所述至少兩層金屬層。所述至少兩層金屬層可以為兩層，三層或者更 多層金屬層，下面以兩層金屬層為例對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明。
圖6給出了本發(fā)明的一個實施例的自對準硅化物形成方法的流程示意圖。本實 施例中，以形成兩層金屬層為例加以說明，在此不應過分限制本發(fā)明的保護范圍。
如圖6所示，執(zhí)行步驟Si，提供半導體基底，所述半導體基底表面至少有一硅 區(qū)域；執(zhí)行步驟S2，用第一功率在所述半導體基底上形成第一層金屬層；執(zhí)行步驟S3， 用大于第一功率的第二功率在所述半導體基底上形成第二層金屬層；執(zhí)行步驟S4，對所 述半導體基底進行退火工藝，所述硅區(qū)域與所述至少兩層金屬層反應生成金屬硅化物； 執(zhí)行步驟S5，刻蝕去除所述至少兩層金屬層中未發(fā)生反應的部分。
圖7至圖12是本發(fā)明的一個實施例的形成自對準硅化物的剖面結構示意圖。
參考圖7，提供半導體基底200，在所述半導體基底200表面至少有一硅區(qū)域。 所述半導體基底200的材質可以是單晶硅、非晶硅中的一種，所述半導體基底200的 材質也可以是硅鍺化合物，所述半導體基底200還可以是絕緣體上硅601，Silicon On Insulator)結構或硅上外延層結構。本實施例中以包含有金屬氧化物場效應晶體管的半導 體基底200為例，所述金屬氧化物場效應晶體管包括源極201、漏極202和柵極203;所 述源極201、漏極202表面為硅材料，所述柵極203表面為多晶硅材料；在所述柵極203 下方有柵極氧化層204，所述柵極氧化層204的材料可以是氧化硅；在所述柵極203兩側 形成有側墻(spacer)205，所述側墻的材料可以是氧化硅、氮化硅中的一種或者組合；在 所述半導體基底中形成有隔離區(qū)210，隔離區(qū)210的材料為絕緣介質如氧化硅、氮化硅、 碳化硅中的一種或其組合。
由于金屬硅化物的形成過程對硅表面的清潔度比較敏感，在形成金屬層之前， 可以對所述半導體基底200的表面進行清洗，去除表面殘留的污染物和氧化物，改善形 成的金屬硅化物的接觸電阻。本實施中使用配比為100 1的H2O和HF溶液對所屬半導體基底200的表面進行清洗。參考圖8，使用優(yōu)選范圍為500瓦至2500瓦的第一功率，在所述半導體基底200
的表面形成第一層金屬層206。本實施例中所述第一層金屬層206的材料為鎳鉬合金或鎳鈀合金，本實施例中 優(yōu)選鎳鉬合金。所述第一層金屬層206的厚度占金屬層總厚度的5%至20%，本實施例 中優(yōu)選為10%。所述金屬層的總厚度可以根據(jù)源極201、漏極202，柵極203表面可供消 耗的硅以及將要形成的金屬硅化物的接觸電阻來決定。本實施例中所述第一層金屬層206的形成方法為物理氣相沉積。沉積過程的氣 氛為氬氣，所述氬氣的流量為25SCCm(毫升/分鐘)至lOOsccm，本實施例中優(yōu)選的氬氣 流量為30sccm。所述第一層金屬層206的形成過程使用的功率較小，一方面保證了所述第一金 屬層206具有較好的電阻一致性和臺階覆蓋率，另一方面，較小的濺射功率避免了濺射 過程中器件受離子轟擊受到損傷。參考圖9，使用大于第一功率的第二功率，在所述半導體基底200的表面形成第
二層金屬層207。所述第二層金屬層207的材料與第一層金屬層206相同，本實施例中所述第二層 金屬層207的材料為鎳鉬合金。本實施例中以兩層金屬層為例，因此，所述第二金屬層 207的厚度為金屬層總厚度的90%。所述第二層金屬層207的形成方法為物理氣相沉積，優(yōu)選的，所述沉積過程與 形成第一層金屬層206的濺射過程在同一設備中，為原位(in-situ)沉積。形成金屬層的 功率隨形成次序而增加，所述第二功率大于形成第一層金屬層206所使用的第一功率， 優(yōu)選范圍為3000瓦至6000瓦，本實施例中優(yōu)選的第二功率為4000瓦。所述沉積過程的 氣氛為氬氣，氬氣流量隨金屬層的形成次序而減小，第二層金屬層206形成過程中所使 用氬氣的流量低于形成第一層金屬層206過程中氬氣的流量，為IOsccm至20SCCm，本實 施例中優(yōu)選的氬氣的流量為15SCCm。所述第二層金屬層207的形成過程中使用的功率較大，提高了所述半導體基底 200中心區(qū)域金屬層中合金元素的含量，從而避免了鎳元素擴散侵入柵氧化層204中造成 器件的可靠性降低。本實施例是以兩層金屬層為例，在實際中，在所述第二層金屬層207形成之 后，可以再加入一步或是多步沉積過程，形成第三層或者更多層的金屬層。后續(xù)沉積過 程所使用的功率依次增大，相應沉積過程中的氬氣流量依次減小。參考圖10，在形成所述第二層金屬層207之后，在所述半導體基底200的表面形 成保護層208。所述保護層208的材料為氮化鈦(TiN)，保護層208可以防止所述包括第一層金 屬層206和第二層金屬層207接觸空氣而被氧化。所述保護層208的形成是可選的，在 其他實施例中可以省略這一步驟。參考圖11，對所述半導體基底200進行退火工藝。所述退火工藝為一步退火或者兩步退火，本實施例中優(yōu)選為兩步退火。所述兩 步退火包括第一步退火和第二步退火，第一步退火的溫度為280攝氏度至350攝氏度，持續(xù)時間為3秒至60秒，氣氛選自氦氣、氬氣、氮氣，本實施例中優(yōu)選的氣氛為氮氣。
通過第一步退火，所述第一層金屬層206和第二層金屬層207中的金屬材料鎳與 半導體基底200中源極201、漏極202和柵極203上表面的硅或者多晶硅材料發(fā)生反應， 分別生成金屬硅化物層201a、202a> 203a,而所述半導體基底200上的側墻205、隔離區(qū) 210中的氮化硅或氧化硅材料并不發(fā)生反應，這使得在后續(xù)的處理過程中，可以通過選擇 性刻蝕去除所述未發(fā)生反應的金屬層。經(jīng)過上述退火，所述第一層金屬層206和第二層 金屬層207形成金屬層20^1。
在所述第一步退火之后再進行第二步退火。所述第二步退火的溫度高于上述第 一步退火時的溫度，為360攝氏度至900攝氏度。所述第二步退火的持續(xù)時間為3秒至 60秒，氣氛選自氦氣、氬氣、氮氣。所述第二步退火可以和第一步退火在同一退火設備 中進行，也可以在不同設備中進行。
所述第一步退火之后，所述金屬硅化物201a、202a、203a的主要生成物為 Ni2Si,電阻率較高，經(jīng)過第二步退火之后，NiJi可以進一步轉化為NiSi，而NiSi的電阻 率與Ni2Si相比較低，可以進一步降低所述金屬硅化物的接觸電阻。
參考圖12，對所述半導體基底200進行選擇性刻蝕，將所述保護層208以及金 屬層20 中沒有和硅材料發(fā)生反應的部分去除。露出所述金屬硅化物層201a、202a> 203a,完成自對準金屬硅化物的形成過程。
所述刻蝕過程為濕法刻蝕，本實施例金屬層20 的材料為鎳鉬合金，為了有效 的去除未反應的鉬，本實施例優(yōu)選的刻蝕溶液為王水，包含約40%至80%體積的硝酸、 約20%至60%體積的鹽酸。在刻蝕結束之后，將所述半導體基底200進行漂洗然后干燥 去除微量的殘留刻蝕溶液。
為了檢驗本發(fā)明所公開方案的效果，發(fā)明人進行了對比實驗。提供半導體基底 A和半導體基底B，對所述半導體基底A使用現(xiàn)有技術公開的金屬硅化物形成方法，而對 所述半導體基底B使用上述實施例公開的金屬硅化物形成方法。結果顯示，形成金屬層 后，半導體基底A的邊緣區(qū)域鉬元素的原子百分比為6.5%，而中心區(qū)域為5.57%，中心 區(qū)域鉬元素的含量明顯偏低；半導體基底B的邊緣區(qū)域鉬元素的原子百分比為6.4%，中 心區(qū)域為6.5%，鉬元素分布具有較高的一致性。而在金屬硅化物形成之后，半導體基底 A中由于鎳元素擴散侵入導致的有缺陷的器件數(shù)為觀，而半導體基底B中有缺陷的器件 數(shù)則為0。
本發(fā)明給出的實施例中以兩層金屬層為例，但在實際中，可以形成第三層或者 更多層金屬層，在此，上述實施例不應過度限制本發(fā)明。
綜上，本發(fā)明提供了一種自對準金屬硅化物的形成方法。與現(xiàn)有技術相比，本 發(fā)明分多個階段形成至少兩層金屬層，各層金屬層形成過程中使用的功率依次增大，避 免了金屬層中合金元素分布不均勻的問題，防止了半導體基底中心區(qū)域的鎳元素擴散侵 入問題，提高了器件的可靠性。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技 術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護 范圍應當以權力要求所限定的范圍為準。
權利要求
1.一種自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于，包括提供半導體基底，所述半導體基底表面至少有一硅區(qū)域；在所述半導體基底上形成至少兩層金屬層，所述至少兩層金屬層的濺射功率隨形成 各層金屬層的次序依次增加；對所述半導體基底進行退火工藝，所述硅區(qū)域與所述至少兩層金屬層反應生成金屬 硅化物；刻蝕去除所述至少兩層金屬層中未發(fā)生反應的部分。
2.根據(jù)權利要求1所述的自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于所述至少兩 層金屬層包括第一層金屬層和第二層金屬層，所述第一層金屬層的濺射功率為500瓦至 2500 瓦。
3.根據(jù)權利要求2所述自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于所述至少兩層 金屬層中的第一層金屬層的厚度占所述至少兩層金屬層總厚度的5%至20%。
4.根據(jù)權利要求2所述的自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于所述至少兩 層金屬層中的第二層金屬層的濺射功率為3000瓦至6000瓦。
5.根據(jù)權利要求4所述自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于所述至少兩層 金屬層中的第二層金屬層的厚度占所述至少兩層金屬層總厚度的80%至95%。
6.根據(jù)權利要求2或4所述的自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于所述至少 兩層金屬層的各層金屬層的材料相同，選自鎳鉬合金或鎳鈀合金。
7.根據(jù)權利要求1所述的自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于 層金屬層的形成過程的氣氛為氬氣。
8.根據(jù)權利要求7所述的自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于 層金屬層形成過程中的氬氣流量隨形成各層金屬層的次序依次減小。
9.根據(jù)權利要求8所述的自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于 層金屬層中的第一層金屬層的形成過程中氬氣的流量為25SCCm至lOOsccm。
10.根據(jù)權利要求8所述的自對準金屬硅化物的形成方法，其特征在于 層金屬層中的第二層金屬層的形成過程中氬氣的流量為IOsccm至20SCCm。
11.根據(jù)權利要求1所述的自對準金屬硅化物，其特征在于所述退火工藝包括第一 步退火和第二步退火，第一步退火的溫度為280攝氏度至350攝氏度，退火時間為3秒至 60秒；第二部退火的溫度為360攝氏度至900攝氏度，退火時間為3秒至60秒。所述至少兩 所述至少兩 所述至少兩 所述至少兩
全文摘要
一種自對準金屬硅化物的形成方法，包括提供半導體基底，所述半導體基底表面至少有一硅區(qū)域；在所述半導體基底上形成至少兩層金屬層，所述至少兩層金屬層的濺射功率隨形成各層金屬層的次序依次增加；對所述半導體基底進行退火工藝，所述硅區(qū)域與所述至少兩層金屬層反應生成金屬硅化物；刻蝕去除所述至少兩層金屬層中未發(fā)生反應的部分。本發(fā)明避免了金屬層中合金元素分布不均勻的問題，防止了半導體基底中心區(qū)域的鎳元素擴散侵入問題，提高了器件的可靠性。
文檔編號H01L21/82GK102024690SQ20091019620
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權日2009年9月23日
發(fā)明者孔祥濤, 楊瑞鵬, 聶佳相, 胡宇慧 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司