鎳、鐿堆疊結構形成金屬矽化物及蕭特基位障調變之探討

本研究實驗所得之矽化鐿薄膜片電阻值跟矽化鎳相較高出許多，為了製 作出同時具備低片電阻與低接觸電阻的蕭特基接面，我們嘗試用鎳、鐿堆 疊結構來形成金屬矽化物。首先我們研究鎳、鐿不同厚度堆疊結構形成金 屬矽化物的熱穩定性，在N₂⁺非晶化佈植完成(能量10KeV，劑量1×10¹⁵cm^-2) 的 矽 基 板 上 ， 沉 積TiN/Ni(5nm)/Yb(15nm) 或 TiN/Ni(10nm)/Yb(10nm) 或 TiN/Ni(15nm)/Yb(5nm)三種不同的金屬堆疊，鎳與鐿的總厚度固定為20奈 米，不同溫度退火30秒並浸泡硫酸後量測其片電阻值，數據如圖4.13所示，

片電阻最低的堆疊結構是TiN/Ni(10nm)/Yb(10nm)，經500℃~800℃退火後片 電 阻 值 分 佈 在14~37Ω/square 之 間 ， 其 次 是 TiN/Ni(5nm)/Yb(15nm) ， 500℃~800℃退火後片電阻值分佈在48~79Ω/square之間。

Temperature (^oC)

400 500 600 700 800 900

Sheet Resistance (Ω/sq.)

10⁰ 縱深成份分析，其結果如圖 4.14-4.16 所示，TiN/Ni(15nm)/Yb(5nm)堆疊形 成的矽化物確實有發現較嚴重的鐿分佈在矽化鎳表面的情形；另兩種Yb 沉 積厚度在10nm 以上的堆疊結構則無此現象，此外，鎳留在表面的多寡也與 沉積的鎳厚度成正相關，對片電阻值有影響。

圖 4.14 TiN/Ni(5nm)/Yb(15nm)500℃退火後之 SIMS 縱深成份分析。

圖 4.15 TiN/Ni(10nm)/Yb(10nm)500℃退火後之 SIMS 縱深成份分析。

圖 4.16 TiN/Ni(15nm)/Yb(5nm)500℃退火後之 SIMS 縱深成份分析。

圖 4.17 為在 N2+非晶化佈植完成(能量 10KeV，劑量 1×10¹⁵cm^-2)的矽基 板上，沉積TiN/Ni(10nm)/Yb(10nm)，經 550℃退火 30 秒後之 TEM 及 EDS 分析，由於離子佈植劑量較少的關係，並未完全抑制退火時鎳原子往矽基 板擴散，導致介面有 NiSi2形成，但 Yb 在介面仍有與 Ni 相當的含量。圖 4.18 則是未經離子非晶化佈植的對照，鎳原子往矽基板擴散的情形更為嚴 重。

圖 4.17 經 N2+非晶化佈植(劑量 1×10¹⁵cm^-2)，沉積 TiN/Ni(10nm)/Yb(10nm)550℃退火 圖 4.17 30 秒後之 TEM 及 EDS 分析。

圖 4.18 未經離子非晶化佈植，沉積 TiN/Ni(10nm)/Yb(10nm)550℃退火 30 秒後之 TEM 圖 4.18 及 EDS 分析。

為了得到N₂⁺非晶化佈植後鎳、鐿堆疊形成金屬矽化物的蕭特基位障高 度，我們製作了蕭特基二極體並量測其電壓電流特性。圖4.20-4.22 為各種 金屬堆疊結構蕭特基二極體的J-V 關係圖，由表 4.6 可得知 Ni(5nm)/Yb(15nm) 的堆疊於 500℃退火後可獲得較低的蕭特基位障高度 φbn(0.55eV)，而 Ni(10nm)/Yb(10nm)堆疊於 400℃退火後雖有最低之 φbn(0.53eV)，但圖 4.13 顯示其薄膜片電阻值偏大。而由表 4.7 得知，對照組 TiN/Yb(20nm)形成的 蕭特基二極體φbn最低僅有0.35eV(700℃退火後)。由目前的實驗結果推測，

鐿若占金屬堆疊結構的厚度越厚，越能使鐿原子留在矽化鎳與矽基板之 間，故可得到較低的蕭特基位障高度φbn，但矽化物薄膜之片電阻值會相對 上升。

Voltage (V)

-2 -1 0 1 2

Current density (A/cm2 )

10^-3 10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10²

RTA 400^oC RTA 500^oC RTA 600^oC RTA 700^oC linear fit

圖 4.19 TiN/Ni(20nm)退火形成蕭特基二極體之 J-V 關係圖。

RTA temp. I_s(A) φbn(eV)

400℃ 4.8×10^-5 0.71

500℃ 4.3×10^-5 0.71

600℃ 3.6×10^-5 0.71

700℃ 4.0×10^-5 0.71

表 4.3 TiN/Ni(20nm)不同溫度退火形成蕭特基二極體之φbn比較。

Voltage (V)

-2 -1 0 1 2

Current density (A/cm2 )

10^-8

圖 4.20 TiN/Ni(15nm)/Yb(5nm)退火形成蕭特基二極體之 J-V 關係圖。

RTA temp. I_s(A) φbn(eV)

Voltage (V)

-2 -1 0 1 2

Current density (A/cm2 )

10^-6

圖 4.21 TiN/Ni(10nm)/Yb(10nm)退火形成蕭特基二極體之 J-V 關係圖。

RTA temp. I_s(A) φbn(eV)

Voltage (V)

-2 -1 0 1 2

Current density (A/cm2 )

10^-6

圖 4.22 TiN/Ni(5nm)/Yb(15nm)退火形成蕭特基二極體之 J-V 關係圖。

RTA temp. I_s(A) φbn(eV)

Voltage (V)

-2 -1 0 1 2

Current density (A/cm2 )

10^-8

第五章