以低溫脈衝退火法生成矽化鎳
積體電路與元件的製造與未來發展面臨了許多技術挑戰，有些挑戰與材料有關，而有些則涉及製程整合。本研究以快速熱處理製程(rapid thermal processing, RTP)為例，顯示其在電晶體製造環境溫度範圍的擴充性足以解決300蚓以下的製程需求。
於65奈米技術節點以下的半導體元件製程，矽化鎳(NiSi)正成為接觸應用上的選擇材料。鎳矽間的固態反應近年已有相當廣泛的研究[1, 2]，於近期的IEDM年會發表了一些文獻，特別強調矽化鎳在縮小元件幾何尺寸、通道應變矽(strained silicon)[3]、複晶矽─鍺(poly silicon-germanium)應用以及雙金屬閘極技術發展應用上的貢獻[4]。
矽化鎳於CMOS製造流程做為接觸材料的總體整合受好幾個變數的影響，包括底材、金屬沉積[6]、離子植入[7]以及閘極介電參數。兩階段的退火順序常見於業界於鈷與鈦矽化物上的應用，而且在矽化物形成後，業界也將未反應的金屬薄膜以濕式法(wet removal)移除。至於鎳，則考慮到於單一步驟形成單矽化物相態(mono-silicide phase)的可能性，然而因為鎳為反應中的擴散元素，一階退火過程可能會在閘極堆疊(gate stack)的複晶矽層(polysilicon layer)導致過多的矽化物形成[5, 6]。
由於金屬薄膜電阻值為製程溫度的函數，所以一般可藉著片電阻(Rs in W/sq)的量測，找出矽化物反應過程中的相變化點，圖一顯示表面沉積10奈米厚度鎳(具10奈米厚氮化鈦覆蓋層)的矽晶圓，於三種不同停留時間(於最高溫停置 0、30與60秒)所獲得之數據。隨著溫度的增加，鎳與矽之間的固態反應從富鎳(Ni2Si)轉為富矽(NiSi2)的矽化物相態，而所欲求的相態為具有最低Rs數值(一般在350~550度的範圍)的單矽化物(monosilicide、矽化鎳)。在長時間停置(soak)的製程，會以較低的溫度進行矽化鎳的轉換，此種表現預期將依循主要以動力學驅動的反應機制(kinetics-driven reaction mechanism)[8]。
低溫脈衝退火
由於擴散動力(diffusion kinetics)在時間較短的退火製程裡會被抑制，而且鎳為矽化鎳反應中的擴散物種(diffusing species)，所以產生了許多方法以降低矽化物生成時的熱預算。脈衝退火(spike anneal)已經證明能降低反向線幅效應(reverse linewidth effect，Rs值隨著閘極長度縮短而降低)，反向線幅效應是在活性範圍(active areas)角落例如隔離(isolation)與間隔(spacer)區域，由不受控制以及不想要的、進入矽的鎳擴散所造成的問題[6, 9]。
矽化鎳整合的另一個挑戰為接面漏電流(junction leakage current)的增加，原因為矽化鎳與矽之間出現粗糙的介面。脈衝退火具備限制擴散的能力，從而能控制矽化物與矽介面間的形貌。當製程技術到達45奈米以下時，接面變的更淺，矽耗損(silicon consumption)的控制問題更為重要。因為目前正研究以完全矽化物閘極取代金屬閘極，為了要獲得功函數改質(work-function modifications)的好處，同時阻止鎳擴散進入閘極氧化物，(摻雜)複晶矽的鎳擴散控制成為關鍵所在[10]。
矽化鎳的熱穩定(thermal stability)可能為決定“矽化物生成”退火解決方案的最大因素[11]，多鎳矽化物Ni2Si相態的型態(morphology)與結晶(crystallography)可能影響矽化鎳相態的熱穩定，藉著合金化(alloying)[5, 12, 13]與植入技術也可能改變矽化鎳的熱穩定[7]。先前的研究曾紀錄一值得注意的發現，Ni2Si相態結晶方向的改變為峰值溫度的函數；於較高的退火溫度曾觀察到低能量(002)方向 [14]。Ni2Si的結晶方向也可能影響矽化鎳相態與下層矽材料的結晶關係(在第二個RTP步驟之後)。
由於矽化鎳(斜方晶體結構，orthorhombic crystal structure)在其中一軸呈現少見的負膨脹係數，所以在薄膜型態具備獨特的熱涵義(thermal implications)，因此預期矽化鎳薄膜上的應力效應將隨著溫度而改變，而且受矽化鎳與底材的晶向(crystallographic orientation)所控制[15]。晶粒組織預期在大於500蚓高溫的矽化鎳結塊(agglomeration, de-wetting)現象扮演一重要角色，因此，於矽化鎳形成之間或之後，相較於之前使用的接觸材料(鈷與鈦基矽化物)，元件的熱預算控制極其重要。
脈衝退火越來越使用於矽化物形成，此種退火與使用於佈植摻雜活化(implanted dopant activation)的溫度快速上升(ramp-up)與下降(ramp-down)相似，目前為超淺接面形成的常見RTP應用。圖二顯示脈衝退火的溫度走勢範例，“0秒”脈衝的命名代表於最高溫度實質上的“未停置(no soak)”狀態。由圖二退火過程溫度上升與下降部分的溫度走勢，明顯可見整個晶圓受到均勻的溫度控制。溫度走線T1到T7代表300mm直徑晶圓背面不同徑向位置的溫度紀錄。
快速熱處理製程技術的進步
於燈式快速熱處理製程(lamp based RTP)腔體以低溫處理晶圓的一個技術挑戰，為在有興趣的波長(近紅外線)收集足夠信號的能力。於溫度小於400蚓時，由高溫計(pyrometer)所收集的晶圓散發熱，會受光透過外緣圓環(edge ring)與晶圓間的製程套件/間隔的影響，此會造成晶圓溫度不正確的闡釋。
為滿足上述應用所發展的高溫計，能較舊型高溫計提供更佳的信號雜訊比性能，於本研究所使用的量測系統，則於製程環境(process ambient)與閉迴路控制策略(closed loop control scheme)做了些修正，以降低晶圓溫度測量時的光穿透影響。這兩個修正允許足夠的系統阻尼，此阻尼能於400蚓以下溫度對底材進行處理。由於製程上的需求趨向更低的溫度，所以從室溫開始即對晶圓總熱預算進行監控與控制的能力，就變的很重要。於本研究，完成了一個量測範圍寬達50 ~ 1300蚓的即時溫度量測系統，圖三顯示使用此專屬溫度量測技術，曾紀錄過相當低於250蚓的晶圓溫度。
製程監控
RTP腔體性能監控為製程監控裡的必要因素，於多鎳矽化物Ni2Si轉換為矽化鎳的過程，Rs值會在很小的溫度變化範圍急速的降低(如圖一)。Rs對溫度的敏感度經常被用來監控退火過程的穩定性，因此，變化曲線上反曲點的溫度不均勻性最好能量測，因為於反曲點會出現富鎳與單矽化物相態的混合。變化曲線上的最陡部分可充分的做為一量規，以估計一段時間內的溫度控制強健性，以及做為晶圓溫度均勻性能的可重複性指標。晶圓退火前的狀況應該穩定與一致，以可靠的評估退火系統的穩定性。前所進行的可重複性測試，係以稀釋的100比1氫氟酸溶液清潔底材(300mm P型晶圓)，移除俱生氧化層(native oxide)。清潔後的24小時之內，晶圓裝載於Applied Endura物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)設備上，於沉積10奈米厚鎳膜之前，晶圓以氬氣進行濺鍍清潔，沉積鎳之後，再沉積10奈米厚的氮化鈦層。使用圖一脈衝製程Rs與溫度的對應值，即可決定340蚓的脈衝退火條件(Rs目標值訂在20W/sq)將為理想的監控溫度，以測試RTP腔體的穩定性與性能。超過700片晶圓的連續循環進行過週期性的溫度監控。
退火之後，以四點探針技術測量晶圓上的Rs值，於每片監控晶圓進行121點的量測(晶圓邊緣保持3mm邊緣排除量)，量測結果如圖四所示。圖四的Y軸顯示每片監控晶圓的Rs值變化趨勢，圖右的輔助Y軸則代表每片晶圓與非均勻性相當的溫度(in 度, 3σ)，此值大於4度 (3σ)。於700片晶圓的處理過程，所有數據點(11片監控晶圓、每片晶圓121點、總共1331點數據)的累積溫度非均勻性小於3度 (3σ)。峰值溫度於製程期間的可重現性小於0.5度，具備此種可重現性等級的系統性能於製造未來數個世代的元件時，將滿足生產價值需求。
結論
燈式快速熱處理製程(Lamp-based RTP)技術已經改善，目前能以小於400蚓的低溫處理晶圓片，在這之前，這是頗具挑戰性的製程。低溫脈衝退火很明確的為矽化鎳製程裡一個強有力的候選技術，其證據如下：
1. 對於典型約10奈米厚的鎳膜，若與停置30秒的退火製程相比較，矽化鎳形成的起始點能利用脈衝退火延緩約50度(若與60秒soak退火製程相較，所降低的溫度能大於70度)。
2. 340度脈衝退火的製程性能監控已經獲得驗證，3度(3σ)之內的溫度控制與可重性能夠滿足300mm晶圓的生產需求。除了能描述矽化物形成的溫度效應外，低溫製程能力對關鍵製程例如高介電常數薄膜的退火以及未來元件的一些後端退火應用，亦將有所幫助。
致謝
作者感謝Applied Materials同事，Jeong Soo Byun、Emily Chiao、Tarpan Dixit、Hali Forstner、Gregg Higashi、Eun-Ha Kim、Nety Krishna與Rajesh Ramanujam所給與的實驗協助與技術討論，並感謝其他元件製造廠技術人員的貢獻。Endura與Radiance為Applied Materials註冊商標。SST-AP/Taiwan
參考文獻
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15. C. Detavernier, et al., J. Appl. Phys., 93(5), p. 2510, 2003.
作者
Sundar Ramamurthy，美國明尼蘇達大學材料科學與工程博士，目前在美國應用材料公司前端產品事業群負責快速熱處理製程技術的應用與研發，聯絡地址：Applied Materials Inc., 3050 Bowers Ave., Santa Clara, CA 9