鍺離子佈植對矽化鎳及其接面之影響

國立交通大學

電子工程學系 電子研究所碩士班

碩 士 論 文

鍺離子佈植對矽化鎳及其接面之影響

Impact of Ge ion implantation on the Nickel

Silicide Contacted Junction

研

究

生：洪玉仁

指 導 教 授：崔秉鉞 教授

鍺離子佈植對矽化鎳及其接面之影響

Impact of Ge ion implantation on the Nickel

Silicide Contacted Junction

研究生：洪玉仁 Student : Yu-Ren Hung

指導教授：崔秉鉞 Advisor : Bing-Yue Tsui

國立交通大學

電子工程學系 電子研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to Department of Electronics Engineering & Institute of Electronics College of Electrical and Computer Engineering

National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master In

Electronic Engineering 2007

鍺離子佈植對矽化鎳及其接面之影響

研究生:洪玉仁 指導教授:崔秉鉞 國立交通大學電子工程系 電子研究所碩士班 摘 要 矽化鎳的熱穩定性是奈米 CMOS 領域持續受到關注是的問題。本論文 提出使用 Ge 離子佈植來改善矽化鎳的熱穩定性，並且應用於 P+ N 與 N+P 淺接面，以確定此製程應用於 CMOS 的可行性。

本論文採用先形成矽化鎳再做 Ge 離子植入(Ge Implantation after silicidation, GIAS)與先做 Ge 離子植入再形成矽化鎳(Ge implantation before silicidation, GIBS)兩種製程來探討 Ge 對於矽化鎳的影響。結果顯示 GIAS 能延緩晶相轉換至 850℃，但無法抑制結塊，故熱穩定性沒有明顯的提升。 而 GIBS 製程達到晶相轉換溫度 850℃與結塊溫度 800℃的效果，其熱穩定 性比未做 Ge 佈植的矽化鎳與高了 100℃，猜測其原因為高濃度的 Ge 在矽 化鎳/矽的界面聚集，平衡了在界面上的應力，使得熱穩定性提升，除此之 外，從 TEM 圖中還可發現 Ge 離子佈植提升了矽化鎳的界面平坦度。 將 GIBS 的製程應用 P+N 與 N+P 接面，發現矽化鎳的特性在 P+N 接面 中雖提升了晶相轉換溫度，但抑制結塊的能力卻未必同時提升。特別是 N+P 接面中，Ge 抑制結塊的能力被 As 所破壞，故熱穩定性並沒有顯著的提升， 但依然保有較佳的界面平坦度，這個性質仍然有利於超淺接面的製作。 在電性上，Ge 離子植入的試片會造成鎳的拖曳現象，使得漏電流微幅 上升，雖然如此，我們仍得到一個足以應用於 CMOS 製程的低漏電接面。 本論文亦發現 Ge 離子植入可能可以降低矽基板的能隙，這將有助於降低接

Impact of Ge ion implantation on the Nickel Silicide

Contacted Junction

Student : Yu-Ren Hung Advisor : Bing-Yue Tsui

Department of Electronics Engineering

Institute of Electronics

National Chiao Tung University

ABSTRACT

The thermal stability of NiSi/Si structure is one of the important research topics in the nano CMOS area. Several methods have been proposed to improve the thermal stability of NiSi. In this thesis ,a novel method of using Ge ion implantation( Ge I/I) to improve the thermal stability of the NiSi/Si structure is proposed. High quality NiSi-contacted N+P and P+N junctions are fabricated to demonstrate the feasibility of using the Ge I/I technique in nano CMOS process.

Two kinds of Ge I/I schemes are used in this thesis to investigate the influence of Ge on NiSi , the Ge I/I After Silicidation (GIAS) and the Ge I/I Before Silicidation (GIBS). The GIAS scheme retard phase transformation to 850℃ but can not suppress agglomeration , so thermal stability is not improved obviously. The GIBS scheme can raises the phase transformation temperature to 850℃ and the agglomeration temperature to 800℃. These temperatures are 100 ℃ higher than those for the NiSi/Si structure without Ge I/I. This observation is explained by the stress balance due to high concentration Ge pile-up at the NiSi/Si interface. Transmission electron microscope inspection also reveals that the Ge I/I results in a very smooth NiSi/Si interface.

transformation temperature of NiSi is raised, the agglomeration temperature of NiSi in N+P junction is not improved due to the high concentration As dopants. Although the thermal stability of both N+P and P+N junctions can not be improved obviously by Ge I/I, the NiSi/Si interface roughness is improved. This phenomenon should be benefit to ultra-shallow junctions.

Electrical measurement indicates that the Ge I/I junctions exhibit higher leakage current at low temperature. This result is explained by the Ni diffusion and dissolution enhancement due to Ge I/I induced defects. However, acceptable NiSi-contacted N+P and P+N junctions are still obtained. It is suspected that the energy gap of Si is narrowed by the Ge I/I from the activation energy measurement. If it is true , the contact resistance between NiSi and Si could be reduced and is worthy to study furthermore.

誌 謝

隨著論文的完成，我將結束這十幾年來的求學生涯，最要感謝的 是我的爸媽，沒有你們，我想我也不可能出現在這邊寫論文，而在這 兩年研究所的生活，我相當感謝我的指導教授——崔秉鉞老師，老師 是一個太有趣的人，從他身上可以看得到對學術的嚴謹、對生活的熱 情與追求夢想的精神。思想開明，善於溝通的老師，也讓我在學業上 與生活上獲益良多。真的謝謝老師!

其次感謝漢民科技公司，尤其是 Ryan Sam and York 感謝你們除

了提供離子佈植的服務外還讓中午過去拿貨的我能飽餐一頓。感謝國 家奈米元件實驗室和交通大學奈米中心提供優良的機台設備以及管 理完善的實驗環境，尤其是在無塵室裡僅靠眼神交流的工作人員與其 他實驗室的同學們，真的在每個關鍵時刻幫了我大忙。 感謝我的實驗室伙伴們，尤其是帶我的志民學長教導我許多實驗 的技巧與態度，是我在危急時刻的苦海明燈，還有季霈學長在許多時 候給我的建議與鼓勵，振欽、振銘、勻珮、旭茹還有明錡學長實驗中 受你們幫助真的很多，尤其是在無塵室遇到都想多繞在你們身邊聊聊 天，還有超可愛的學妹們筱函、曉萱、雨蓁、孝瑜與帥氣的學弟正愷 和嘉文，實驗室有你們的加入真的太有趣了!

感謝我的大學同學們，庭偉、榮勝、偉豪、閎仁與常跟我一起吃 飯讓我不致挨餓的小龍，尤其是建宏，我這六年來的好朋友，謝謝你， 也順便謝謝你的女朋友思沛，為我這兩年生活中促成不少沒結果的姻 緣。還有來自於澎湖分佈在台灣各處的馬公高中同學們，和你們在一 起讓我感受到家鄉的那種單純與熱情。 最後再度感謝洪三遷跟黃秋乃，雖然不是什麼了不起的事情但仍 希望跟你們分享這份榮耀，我的爸媽。 2007 夏 洪玉仁

目 錄

中文摘要

………..…………I

英文摘要

………...………. II

誌謝

………...……...…IV

目錄

………..………VI

表目錄

……….VIII

圖目錄

………IX

第一章

前言

……….

1

1-1 金屬矽化物的發展 ………...………...….1 1-2 改善矽化鎳熱穩定性之方法...………...………...3 1-3 實驗動機—為何使用鍺的離子佈植………..………...4 1-4 論文架構………..………..5

第二章 試片製作及分析方法

………...

9

2-1 實驗流程………...…9 2-2 試片製作………..………...9 2-3 分析方法及原理……….12

第三章 Ge 離子佈植對 NiSi/Si 結構之影響

………...…...24 3-1 NiSi 材料分析………..….……….24 3-2 GIAS 材料分析………..24 3-3 GIBS(I)材料分析………..………25 3-4 GIBS(II)材料分析……….………26 3-5 GIBS 一次退火製程比較………..…………..27 3-6 結論………...…………..27

第四章 Ge 離子佈植對 N

+

P 接面之影響

……….….

54

4-1 簡介……….………...……54 4-2 N+P 材料分析……….………..……54 4-3 N+P 電性分析……….….….55 4-4 結論………...………..57

第五章

Ge 離子佈植對 P

+

N 接面之影響

………....

71

5-1 簡介………...………….………...……71 5-2 P+N 材料分析………...……….71 5-3 P+N 電性分析………....……...…….73 5-4 結論………...………75

第六章 結論與未來展望

………...…...…...……

93

6-1 結論………...………….…………...…93 6-2 未來展望.………..……...94

參考文獻 ………

…..………...………...………...

98

個人簡歷 ………

……..………...………..……...………...

104

表目錄

第一章

表1-1 常用矽化物之標準特性………..6

第三章

表3-1 三種不同佈植方式(GIAS GIBS( ) GIBS( ))Ⅰ Ⅱ 的結塊溫度與 晶相轉換溫度的比較………..29

第四章

表4-1 不同佈植的種類對其結塊溫度及晶相轉換溫度所造成的影 響………..58

第五章

表5-1 不同佈植的種類對其結塊溫度及晶相轉換溫度所造成的影 響………..76

第六章

表6-1 整合本章各種佈植能量與方式的 NiSi 其晶相轉換溫度與結 塊溫度的變化………..96 表6-2 各種增加 NiSi 熱穩定性方法之比較………..97

圖目錄

第一章

圖1-1 線寬效應(line width effect )與逆線寬效應(adverse line width effect)[1] ………..7 圖1-2 橋接短路示意圖[1]...8 圖1-3 經過 600℃30 秒退火形成矽化鎳，此時硼與砷的分佈[1]...8

第二章

圖2-1 先形成 NiSi 再做 Ge 離子佈植(GIAS)之製作流程...17 圖2-2 先作 Ge 離子佈植再形成 NiSi(GIBS)之製作流程…………18 圖2-3 未圖案化之 P+ N 接面製作流程………..19 圖2-4 未圖案化之 N+ P 接面製作流程………..20 圖2-5 (a)LOCOS 製作流程(b)圖案化 P+N 接面製作流程…………21 圖2-6 N+P 接面製作流程………...23

第三章

圖3-1 NiSi(未打 Ge 離子)經過 500℃~800℃退火之片電阻分析....30 圖3-2 NiSi(未打 Ge 離子) 經過 500℃~800℃30 秒退火之 XRD 分 析………..30 圖3-3 NiSi(未打 Ge 離子)做 600℃~800℃ 30 秒退火之 SEM 分 析………..31 圖3-4 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS) Ge 佈植劑量為 (a)5×1015cm-2 (b) 1×1016cm-2 能 量 為 40KeV 經 過 500℃~900℃30 秒退火之片電阻分析………...32 圖3-5 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS) Ge 佈植劑量為 (a)5×1015cm-2 (b) 1×1016cm-2 能 量 為 40KeV 經 過 500℃~900℃30秒退火之 XRD 分析………33 圖3-6 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS) Ge 佈植劑量為 (a)5×1015cm-2 (b) 1×1016cm-2 能 量 為 40KeV 經 過 500℃~900℃30秒退火之 SEM 分析………..34 圖3-7 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS)與對照組 NiSi 經過

500℃~900℃ (a)10秒 (b)30 秒退火之綜合比較…………...36 圖3-8 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS)，佈植能量 40KeV 劑

量 1×1016

cm-2經過 600 30℃ 秒退火之 SIMS 分析…………..37 圖3-9 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS)，劑量 1×1016

cm-2能量 40KeV 經過 600℃30 秒退火之 TEM 分析(a)低倍率(b)高倍 率………..38 圖3-10 先 打 Ge 離 子 佈 植 後 形 成 NiSi(GIBS) Ge 佈 植 劑 量 (a) 5×1015cm-2 (b) 1×1016cm-2能量皆為 20KeV 經過 500 ~800℃ ℃ 退火之片電阻分析………..39 圖3-11 先 打 Ge 離 子 佈 植 後 形 成 NiSi(GIBS) Ge 佈 植 劑 量 (a) 5×1015cm-2 (b) 1×1016cm-2 能 量 皆 為 20KeV 經 過 500℃~800℃30秒退火之片電阻分析………...40 圖3-12 先 打 Ge 離 子 佈 植 後 形 成 NiSi(GIBS) Ge 佈 植 劑 量 (a) 5×1015cm-2 (b) 1×1016cm-2 能 量 皆 為 20KeV 經 過 500℃~800℃30秒退火之 SEM 分析……….41 圖3-13 先 打 Ge 離 子 佈 植 後 形 成 NiSi(GIBS )Ⅰ 與 對 照 組 經 過 500℃~800℃30 秒退火之綜合比較………...43 圖3-14 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅰ Ge 佈植劑量為

1×1016cm-2能量 20KeV 經 600 30℃ 秒退火之 TEM 分析(a)低 倍率(b)高倍率……….44 圖3-15 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為 (a)1×1016cm-2(b)5×1015cm-2能量皆為 50KeV 經 500 ~900℃ ℃ 之片電阻分析………..45 圖3-16 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為 (a)1×1016cm-2(b)5×1015cm-2能量皆為 50KeV 經 500 ~900℃ ℃ 退火時間 30 秒之 XRD 分析………....46 圖3-17 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為 (a)1×1016cm-2(b)5×1015cm-2能量皆為 50KeV 經 500 ~900℃ ℃ 退火時間 30 秒之 SEM 分析………47 圖3-18 GIBS( )Ⅱ 不同劑量與對照阻(NiSi only)經過(a)10 秒(b)30 秒

退火後阻值綜合比較………..49 圖3-19 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為 1×1016cm-2能量 50KeV 經 750 30℃ 秒退火試片之 TEM 分析 (a)低倍率(b)高倍率……….50 圖3-20 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為 1×1016cm-2能量 50KeV 經 600 30℃ 秒退火之 SIMS 分析.51

圖3-21 (a)GIBS( )Ⅰ 與 (b) GIBS( )Ⅱ 作 1step NiSi 製程與 2step NiSi 製程經 30 秒退火之阻值比較……….52 圖3-22 三種 Ge 佈植方式 GIASGIBS( ) GIBS( )Ⅰ Ⅱ 佈植劑量為(a) 5×1015cm-2(b) 1×1016cm-2經過不同溫度 30 秒退火後之綜合 比較………..53

第四章

圖4-1 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 500℃~850℃ 不同時間退火形成 NiSi 之片電阻 分析……….59 圖4-2 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 500℃~850℃ 30 秒退火形成 NiSi 之 XRD……60 圖4-3 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 500℃~850℃ 30 秒退火形成 NiSi 之 SEM 分 析………...61 圖4-4 各種不同的佈植方式造成對其片電阻所造成的影響….63 圖4-5 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 600℃ 30 秒退火形成 NiSi 之 SIMS 分析…….64 圖4-6 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 600℃ 30 秒退火形成 NiSi 不同倍率之 TEM 分 析……….65 圖4-7 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再經 600℃ 30 秒退火形成 NiSi 之 AFM 分析……….66 圖4-8 做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2植入與不做 Ge 植入的試片，植 入 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火後，再做 500℃~750℃(a)30 秒(b)60 秒退火形成 N+P 接面之漏電分 析，逆偏電壓為-3V ………67 圖4-9 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入與(b)不做 Ge 離子植

入之 N+P 接面其漏電密度對 P/A 做圖，並從圖(a) (b)中 擷取其邊界漏電(Jrp)與面積漏電(Jra)參數，圖(c)(d)…...68 圖4-10 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植入 的試片，植入 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退 火後，再做 600℃ 30 秒退火形成 N+P 接面之活化能分 析……….69 圖4-11 做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入和不做 Ge 離子植入的 試片，植入 As 35KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 500℃~750℃ 30 秒 形成 N+P 接面之 n 值分 析……….70

第五章

圖5-1 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 500℃~850℃ 不同時間退火形成 NiSi 之片電阻 分析……….77 圖5-2 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 600℃~850℃ 30 秒形成 NiSi 之 XRD 分析…….78 圖5-3 做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植入， 再打 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2 經過 1050℃瞬時退火 後，再做 500℃~850℃30 秒形成 NiSi 之 SEM 分析……..79 圖5-4 各種不同的佈植方式造成對其片電阻所造成的影響...81 圖5-5 做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入，再打 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火後，再做 600℃30 秒形 成 NiSi 之 SIMS 分析………..82 圖5-6 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植 入，再打 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退 火後，再做 600℃30 秒形成 NiSi 之不同倍率 TEM 分 析……….83 圖5-7 不作 Ge 離子植入，打 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2 經過 1050℃瞬時退火後，再做 800℃ 30 秒形成 NiSi 之(a)低倍 率(b)高倍率 TEM 分析………...84 圖5-8 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植

入，再打 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 600℃30 秒形成 NiSi 之 AFM 分析………..85 圖5-9 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入與不做 Ge 離子植入的試 片，打 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 500℃~750℃(a)30 秒(b)60 秒退火形成 P+N 接 面之漏電分析，逆偏電壓為-3V……….86 圖5-10 做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入與不做 Ge 離子植入的 試片，打 BF2 + 30KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火 後，再做 500℃~750℃(a)30 秒(b)60 秒退火形成 P+N 接 面之漏電分析，逆偏電壓為-3V……….87 圖5-11 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入與(b)不做 Ge 離子植 入再植入 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2之 P+N 接面其漏電密 度對 P/A 做圖，並從圖(a) (b)中擷取其邊界漏電(Jrp)與面 積漏電(Jra)參數，圖(c)(d)………..88 圖5-12 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入與(b)不做 Ge 離子植 入再植入 BF2 + 30KeV 5×1015 cm-2之 P+N 接面其漏電密 度對 P/A 做圖，並從圖(a) (b)中擷取其邊界漏電(Jrp)與面 積漏電(Jra)參數，圖(c)(d)………..89 圖5-13 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植入 的試片，植入 BF2 + 20KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退 火後，再做 600℃ 30 秒退火形成 P+N 接面之活化能分 析……….90 圖5-14 (a)做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入(b)不做 Ge 離子植入 的試片，植入 BF2 + 30KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退 火後，再做 600℃ 30 秒退火形成 P+N 接面之活化能分 析……….91 圖5-15 做 Ge 30KeV 1×1016 cm-2離子植入和不做 Ge 離子植入的 試片，植入 BF2 + (a)20KeV (b)30KeV 5×1015 cm-2經過 1050℃瞬時退火後，再做 500℃~750℃ 30 秒 形成 P+N 接面之 n 值分析………..92

第一章

前言

1-1 金屬矽化物的發展

在近20 年內，金屬矽化物被用來提升積體電路元件的效能，而一個好 的金屬矽化物必需要下列幾項特點：(1)較低的電阻率(2)Si 的消耗率要愈少 愈好(3)較佳的熱穩定性(4)不能有線寬效應(line width effect ) [1] [3]但是沒 有一種金屬矽化物能滿足上面每種需求。 表 1-1 為一些常用的矽化物的標準特性[1]，TiSi2是最早被成功拿來使 用的金屬矽化物，但當線寬縮小時，TiSi2無法從較高電阻率的結晶相(C49) 轉成較低電阻率的結晶相(C54)，於是在 0.18μm 線寬以下便將 TiSi2換成 CoSi2[3]，在 90nm 的製程之後，CoSi2過高的 Si 消耗率與所需要的超淺接 面無法相容，於是，NiSi 便被廣泛的研究與發展成為目前最能符合需求的 金屬矽化物，主要的原因為[1-16]： (1)低電阻率： NiSi 的電阻率為 14-20µΩ-cm，僅次於 TiSi2 (2)低溫製程： NiSi 的製程溫度為 350℃~750℃，不但是溫度最低，製程的溫度區間也 比TiSi2大得許多。 (3)較低的矽消耗率： 1nm 的 Ni 僅需要 1.83nm 的 Si 來反應成 NiSi，相較於 Co 需要 3.64nm 形成 CoSi2，與 Ti 需要 2.27nm 形成 TiSi2要來得小得多，而這項優勢使得

NiSi 更相容於 0.1µm 以下的 CMOS 製程超淺接面的需求，同時也是 CoSi2

(4)無線寬效應(adverse line width effect)

圖1-1 所示，在 TiSi2的反應中，Si 為擴散源(diffusion source)，而當線

寬愈來愈小的時候，TiSi2便無法形成較低阻值的 C54 晶相，於是隨著線寬

縮小片電阻增高，稱之為線寬效應(line width effect)，相對的，NiSi 卻不會 有這種現象，反而由於Ni 在反應中為擴散源，隨著線寬愈小額外擴散進入 Si 的 Ni 愈多，造成厚度上升片電阻反而愈來愈小，於是隨著線寬縮小而片 電阻也愈小的現象即稱為逆線寬效應(adverse line width effect)，這也是為何 在0.18µm 以下， TiSi2會被取代的主因之一。

(5)沒有橋接短路效應(bridging failure)：

如圖 1-2 所示，在 TiSi2反應中，Si 為擴散源，於是在自動對準矽化製

程中(self-aligned silicide)，Si 會擴散出去而和側壁(sidewall)上的 Ti 反應成 TiSi2，而造成閘極與源極短路。對於 NiSi 而言，由於 Ni 是擴散源所以不會

在側壁反應成 NiSi，故不會有上述橋接短路的現象，能夠相容於自動對準 矽化製程

(6)較低的接觸阻抗

NiSi 的電洞能障(barrier height for hole)是三種常應用的矽化物中最低 的，因此它對於p 型的接觸阻抗最低。不僅如此，雖然 NiSi 的電子能障(barrier height for electron)是三者裡面最高的，但實驗結果顯示 NiSi 仍有較低的接 觸阻抗，其原因不明，猜測與矽化製程後 B 與 As 的再分佈有關系，如圖 1-3，在形成 NiSi 後 B 與 As 在 NiSi 與 Si 的界面中高濃度聚集，因此在尺 寸微縮愈來愈小的情況下，NiSi 擁有較低接觸阻抗的優勢也愈顯得重要。 NiSi 擁有上述優點，故 90nm 以下的製程，幾乎都是使用 NiSi 來與矽 做接觸，但是，NiSi 在高溫會產生結塊或是生成 NiSi2這種高阻值的晶相， 在高溫的熱穩定性成為NiSi 極欲解決的問題。

1-2 改善 NiSi 熱穩定性之方法

相當多的研究致力於改善 NiSi 的熱穩定性，依所閱讀的文獻共有下列 幾種方法： (1)F 離子植入[13, 17]： 利用 BF2＋離子植入後再形成NiSi，發現由於 F 離子的存在，NiSi 的製 程溫度可以提升至650℃，而晶相轉換的溫度則是提升至 750℃甚至更高， 這樣的現象可能是由於在矽化製程時，F 離子會聚集至 NiSi 與 Si 的界面， 並且存在於 NiSi 的顆粒邊界(grain boundry)，這會抑制 NiSi 顆粒的成長造 成較平整的邊界，因此也抑制了高阻值晶相NiSi2的成長。 (2)N 離子植入[18-20]： 在鍍鎳之前先做N2＋的離子佈植，再鍍鎳並退火形成NiSi，發現 N 離子 不但能抑制結塊，還能延緩 NiSi2的出現，推測有可能是因為 N2＋造成了界 面能量的改變，並且做成接面後，在電性上還可以觀察到導通電流上升及 漏電下降等特性。 (3)加入 Ti 的覆蓋層[13, 21-23]： 在鍍上 Ni 之後，隨即鍍上 Ti 的覆蓋層，這樣的作法亦能夠改善 NiSi 的熱穩定性，但改善效果較不明顯，而在鎳的鈀材中混入5%的鈦，形成的 NiSi 熱穩定性也較一般的 NiSi 效果要好，並且兩種做法都有文獻指出能夠 降低漏電流。 (4)在 NiSi 中摻入 Pt[24-28]： 摻入的方式有很多種，有加入一層Pt 的覆蓋層(capping layer)，或是夾 層(inter layer)，以及在 Ni 的鈀材中加入 5%的 Pt(Alloy)，這些方式都能夠顯 著的抑制結塊的發生，與延遲 NiSi2出現的溫度，能增加其熱穩定性達 100

℃左右, 但付出的代價是阻值會上升。這是目前最常見也最有效的作法，甚 至已經是生產線上的標準製程。

而在本論文中，我們嘗試利用 Ge 離子植入，也成功的提升了 NiSi 的 熱穩定性。

1-3 實驗動機—為何使用鍺的離子佈植

Ge 的應用相當廣泛，在早期，主要是利用 Ge 的離子植入來降低 B 穿 遂的效應(channeling effect)，進而達到超淺接面的目標[29]，而在最近，主 要的研究是集中在SiGe 這種材料上，利用沉積的方式形成 S/D，並且搭配 矽化物的製程，因此有大量的文獻在探討 Ni 在 SiGe 材料上造成的各種現 象如熱穩定性、接觸阻抗、應力等等…[30-43]。 而目前已經表的文獻中，較著名的是Mehmet C. Ozturk 等人利用選擇 性沉積的方式來成長源極/汲極(S/D) [43-48]，能夠大幅降低其接觸阻抗，主 要原因有兩個，一是是它的能隙只有Si 的一半(~0.6eV)，並且隨著 Ge 的濃 度愈高其能隙愈低，二是對B 或是 As 等雜質而言 SiGe 有較高的活化濃度。 根據接觸阻抗的公式：

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∝

×

=

D bn Si c c c

N

m

A

R

ε

φ

ρ

h

*

2

exp

我們可以發現以降低能隙及提高活化濃度這兩種特性對於降低接觸阻抗都 有很大的幫助，另外也有文獻利用這種作法改變了通道的應力，提升載子 遷移率[49]。

雖然SiGe 有上述迷人的特性，但一般而言 NiSi 在 SiGe 上的熱穩定性 較差，因為在較高溫的時候Ge 會從 Ni(SiGe)的顆粒邊界(grain boundry)擴散 出去在顆粒間聚集，使得 NiSi 與 Si 的接面相當粗糙與 NiSi 不規則的突出 (NiSi spike)造成漏電流過大[43]，故本論文利用離子植入的方式把Ge 摻入 Si 中，看是否能維持上述優異的特性，同時改善其熱穩定性，之後應用於

1-4 論文架構

本論文使用材料分析以及電性量測來探討 Ge 離子佈植對 NiSi(NiSi)及 其對其形成的接面所造成之改變與影響。 論文共分為六章。首先，在第一章說明研究背景及研究動機，接下來 的第二章詳述實驗各個試片的製備過程及分析方法，第三章利用四點探針 片電阻量測、X 光繞射分析(XRD)、穿透式電子顯微鏡(TEM)、掃瞄式電子 顯微鏡(SEM)及二次離子質譜分析等材料分析方法來對經過”Ge”離子佈植 的NiSi 做物性上的探討，第四章是將植入 Ge 的 N+P 接面做上述的物性比 較與電性上的比較， 第五章則是將植入 Ge 的 P+N 接面做物性與電性上的 比較，第六章總結上述各章，並對未來研究方向提出建議。

表1-1 常用矽化物之標準特性 Silicide Resistivity(µΩ-cm) Stable on Si up to(℃) nm of Si consumed per nm of metal Nm of resulting silicide per nm of metal Barrier height to n-Si(eV) Film stress(dyne/cm) PtSi 28-35 ~750 1.12 1.97 0.84 1×1010 TiSi2(C54) 13-16 ~900 2.27 2.51 0.58 1.5×1010 TiSi2(C49) 60-70 x 2.27 2.51 x x Co2Si ~70 x 0.91 1.47 x x CoSi 100-150 x 1.82 2.02 x x CoSi2 14-20 ~950 3.64 3.52 0.65 1.2×1010 NiSi 14-20 ~650 1.83 2.34 0.67 6×109 NiSi2 40-50 x 3.65 3.63 0.66 x WSi2 30-70 ~1000 2.53 2.58 0.67 x MoSi2 40-100 ~1000 2.56 2.59 0.64 x TaSi2 35-55 ~1000 2.21 2.41 0.59 x

圖1-2 橋接短路示意圖[1]

第二章

試片製作及分析方法

2-1 實驗流程

實驗一開始，我們使用不同的Ge 離子植入條件，觀察植入後 Ge 離子 對 NiSi 及其界面所帶來的影響，大致上分兩種，先完成 NiSi 製程再做 Ge 離子佈植的條件，稱為 GIAS(Ge Implant After Silicidation)，而另一種則是 先做完 Ge 離子佈植再完成 NiSi 製程，稱為 GIBS(Ge Implant Before Silicidation)。在能量與劑量上做改變，利用材料分析來觀察這些佈植條件 所造成的效果。 在完成 GIAS 與 GIBS 等材料分析後，我們選出了一個較佳的佈植條 件，應用於 P+N 及 N+P 接面，並搭配沒有做 Ge 離子佈植的對照組來分析 Ge 離子對於接面所造成的影響，而有圖案化的試片主要提供於電性分析， 而未圖案化的試片則提供大部份的材料分析。

2-2

試片製作

實驗的樣品是在交通大學奈米中心(NFC)及國家奈米元件實驗室(NDL) 所完成的，而Ge 離子佈植則是由漢民科技股份有限公司所提供，製程條件 詳細說明如下： (Ⅰ)GIAS(圖 2-1) 1. 將 B 摻雜，阻值為 15~25 Ω-cm 的(100)方向矽晶片用氫氟酸浸泡一 下，目的在於去除表面的原生氧化層。 2. 使用金屬物理氣相沉積系統(PVD)沉積 25nm 的 Ni。 3. 放至集結式電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)做 300℃ 1 個小時

的第一步退火，形成Ni2Si，並用硫酸去除未反應之 Ni。 4. 利用金屬快速退火爐做第二步退火，條件為 600℃30 秒，目的在於 把已反應的Ni2Si 轉成 NiSi 的晶相。 5. 送至漢民做能量為 40KeV 劑量為 5×1015cm-2或 1×1016cm-2的 Ge 離 子佈植。 6. 利用金屬快速退火爐在氮氣中做 500℃~850℃的退火，退火時間為 10 秒、30 秒、60 秒。 (Ⅱ)GIBS(圖 2-2) 1. 將 B 摻雜，阻值為 15~25 Ω-cm 的(100)方向矽晶片經過 RCA 清洗 步驟清洗後，利用乾式氧化(Dry oxide)爐管成長 20nm 的二氧化矽， 作為 Ge 離子植入的犧牲氧化層。 2. 送至漢民植入能量為 20KeV(I)/50KeV(Ⅱ)，劑量 5×1015cm-2或 1×1016cm-2的Ge 離子佈植 3. 先用氫氟酸浸泡以去除犧牲氧化層，再用金屬物理氣相沉積系統 (PVD)沉積 25nm 的 Ni 4. 放至集結式電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)做 300 1℃ 個小時 的第一步退火，形成 Ni2Si，隨即用硫酸去除未反應之 Ni 5. 利用金屬快速退火爐在氮氣中做 500℃~850℃的退火，退火時間為 10 秒、30 秒、60 秒。 (Ⅲ)未圖案化之 P+N 接面(圖 2-3) 1. 將 P 摻雜，阻值為 2~4Ω-cm 的(100)方向矽晶片經過 RCA 清洗步驟 清洗後，送至漢民作能量 30KeV 劑量 1×1016cm-2的Ge 離子佈植， 接著送至NDL 做能量 20KeV/30KeV 劑量 5×1015cm-2的BF2+離子佈 植。 2. 經過 SC2 及 SPM 清洗後，做 1050℃瞬間回火(spike annealing )，升

溫速度為 190℃/秒，目的在於活化前一個步驟植入的 B。 3. 先用氫氟酸浸泡去除原生氧化層，再用金屬物理氣相沉積系統(PVD) 沉積 25nm 的 Ni 4. 放至集結式電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)做 300 1℃ 個小時 的第一步退火，形成 Ni2Si，隨即用硫酸去除未反應之 Ni 5. 利用金屬快速退火爐做 500℃~850℃的退火 (Ⅳ)未圖案化 N+P 接面(圖 2-4) N+P 接面的製作大致流程和 P+N 接面相同，僅是一開始的晶圓換成 P 型矽晶圓(B 摻雜，阻值 15~25Ω-cm)而佈植的離子為 As+ (能量：20KeV 或 35KeV 劑量：5×1015cm-2) (Ⅴ)圖案化之 P+N 接面(圖 2-5-a 圖 2-5-b) 圖案化的部份，這次實驗是使用 LOCOS 作為製程區域隔絕，供 P+N 接面，及N+P 接面使用，圖 2-5-a 為 LOCOS 的製作流程圖，而接著圖 2-5-b 則是P+N 接面的製作流程圖，詳細說明如下： 1. P 摻雜，阻值為 2~4Ω-cm 的(100)方向矽晶片經過 RCA 清洗步驟清 洗後連續沉積SiO2(35nm)/Si3N4(150nm)薄膜。 2. 利用黃光製程定義出製程區域，接著用乾蝕刻去除 SiO2/Si3N4薄膜， 然後去除光阻。

3. 經過 RTA 清洗後，送至濕式氧化爐管(wet oxide )成長 550nm 的 SiO2

作為製程區域的隔絕。

4. 先泡 HF 去除 Si3N4 表面的氧化物，再以熱磷酸去除正面及背面的

Si3N4。

5. 經果 STD 清洗後，再送至乾式氧化爐管(dry oxide )成長 30nm 的 SiO2，這個步驟是要去除 LOCOS 制程中的白帶效應(white ribbon

6. 去除 SiO2，製程區域定義完成。 <以上為 LOCOS 製程定義製程區域> 7. 送至漢民作能量 30KeV 劑量 1×1016cm-2的 Ge 離子佈植，接著送至 NDL 做能量 20KeV/30KeV 劑量 5×1015cm-2的 BF2+離子佈植。 8. 經過 SC2 及 SPM 清洗後，做 1050℃瞬間回火(spike annealing )，升 溫速度為190℃/秒，目的在於活化前一個步驟植入的 B。 9. 先用氫氟酸浸泡去除原生氧化層，再用金屬物理氣相沉積系統(PVD) 沉積25nm 的 Ni。 10. 放至集結式電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)做 300 1℃ 個小時 的第一步退火，形成Ni2Si，隨即用硫酸去除未反應之 Ni。 11. 利用金屬快速退火爐做 500℃~850℃的退火形成 NiSi。 12. 用棉花棒沾取 HF 將晶背的原生氧化層去除，接著用熱阻絲蒸鍍系 統(Thermal Coater)鍍上 500nm 的鋁，P+N 接面製作完成。 (Ⅵ)圖案化之 N+P 接面(圖 2-6) N+P 接面的製作大致和 P+N 接面相同，僅是一開始的晶圓換成 P 型矽 晶圓(B 摻雜，阻值 15~25Ω-cm)然後經過 LOCOS 製程形成絕緣層(似圖

2-5-a)，而後佈植的離子換成 As+ (能量：20KeV 或 35KeV 劑量：5×1015cm-2)

2-3 分析方法及原理

(Ⅰ)材料分析 (A) 片電阻量測 型號：NAPSON RT-7 規格：可量之最大片電阻值≦4MΩ/□ 原理：片電阻量測所使用的是四點探針所得到的片電阻，一般對平整的薄 膜而言，公式如下：

)

1

(

T

nq

T

R

_s

μ

ρ

₌

=

所以對於相同材質而言(ρ相同)，厚度愈厚會造成阻值愈低，而 NiSi 在高 溫的情況下，有兩種主要的物理現象會發生：

(a) 晶相轉換：一般在高於750℃之後 NiSi 會轉換成 NiSi2的晶相，在

這種情況下 ρ 會從原來的14μΩ-cm 變成40~50μΩ-cm，而此時厚 度也同時增厚為原來的1.5倍，從公式看來，最後的片電阻接近為 原來的2倍左右。 (b) 結塊：結塊會造成金屬的不連續平面，電流的流動較為複雜，但 整體的趨勢還是結塊愈嚴重，片電阻值愈大。 目的：觀察其片電阻 (B)掃瞄式電子顯微鏡(SEM) 型號：Hitachi S-4700I 規格：解析度—1.5nm(at 15kV) or 2.5nm (at 1kV) 放大倍率50萬倍（限於場 地因素只能到10萬倍左右） 原理：使用電子束照射在試片表面，使其產生二次電子及反射電子，並偵 測其強度傳送至螢幕，即可得知表面的形貌及特徵。 目的：由其表面的圖像，判別是否有結塊的情形發生。 (C)X 光繞射分析(XRD) 型號：Bede D1

規格：解析度：5、12、25 arc sec 決定於 channel cut

原理：使用X-ray 照射試片表面，因晶格的光柵作用產生繞射，當反射光角 度滿足布拉格繞射公式

λ

=2dsin

θ

時，產生建設性干涉，經由繞射2

θ

角，我們可以反推其晶格間距以取得試片的結構資訊。

(D)二次離子質譜分析(SIMS) 在本次實驗中，SIMS 分析送至兩個地方，清大貴儀及閎康科技。 型號：Quadru-pole-SIMS,ATOMIKA-4500(閎康) Cameca，IMS-4f(清大貴儀) 規格：扇型磁場式質譜儀，有O2+, O*, Cs+等離子源，解析度≒10,000，質 量範圍≒280 (清大貴儀) 原理：利用一次離子撞擊固態樣品的表面，經由一次離子所傳遞來的部份 能量，會被固態樣品內部的原子接受，轉換成動能，得到足夠能量 之原子可以自由移動進而脫離樣品表面，稱為撞濺粒子，其中帶電 荷的離子稱作二次離子，便可藉由偵測二次離子來得到縱深方向的 組成分佈。 目的：做縱深分析，了解Ge 佈植後及退火後所在的位置，搭配其他的分析 來介判斷此時Ge 所扮演的角色，同時也可以判斷接面深度，探討其 漏電與接面深度之關系。 (E)穿透式電子顯微鏡(TEM) 型號：日本JEOL, JEM-2100F 規格：加速電壓：160~200KeV 放大倍率：2000~1,500,000

解析度：Point image：0.23 nm；Lattice image：0.14 nm

原理：根據電子與物質作用所產生的訊號，穿透式電子顯微鏡分析主要偵 測的資料可分為兩種：（1）擷取穿透物質的直射電子(Transmitted Electron) 或彈性散射電子 (Elastic Scattering Electron) 成像；（2）作 成電子繞射圖樣 (Diffraction Pattern, DP)，來作微細組織和晶體結構

的研究。 目的：藉由TEM 確認 NiSi 膜薄的厚度，及平整度。

(F)原子力顯微鏡(AFM)

型號：Veeco Dimension 5000 Scanning Probe Microscope (D5000) 規格：最大平面掃描範圍：150 × 150 μm2 最大高度掃描範圍：~ 6 μm 最小解析度： X-Y 平面 1.5 nm，Z 方向 0.1nm 原理：利用xy 壓電平台，使微細的探針在樣品表面來回掃瞄，並利用回饋 迴路控制探針在 z 方向上的位置，偵測探針與樣品表面之交互作用 力，而獲得表面形貌之訊息。 目的：觀測比較試片表面的平整度。 (Ⅱ)電性分析 (A)漏電分析 原理：接面的特性主要取決於下面幾個因素：離子佈植後的傷害，邊界絕 緣層的缺陷，接面深度，NiSi/Si 界面的粗糙度等，造成逆向偏壓產 生電流(reverse generation current)而反映在所量得的漏電。

方法：對於每一個條件的試片，我們量測10~15顆元件，並把漏電作統計分 佈，藉此觀察退火溫度及退火時間對接面的影響。 (B)面積漏電和邊界漏電 原理：漏電可分為兩個部份，面積漏電(IRA)與邊界漏電(IRP)關係式如下： IR= IRA + IRP=A×JRA+P×JRP A 是接面面積，P 是接面周長，JRA是面積漏電密度，JRP是邊界漏電 密度， 而 JRA和JRP的不同之處在於，邊界的接面深度與縱向的接面 深度不同而其缺陷分佈也不相同，並且JRP還多了絕緣層缺陷的漏電 機制。 方法：試片上共有四種尺寸的方型接面，皆量3顆作平均，然後對漏電與 P/A 比例作圖取線性回歸，回歸線的斜率為JRP而與Y 軸截距則為 JRA 。

(C)活化能

原理：

逆向偏壓漏電可分為擴散電流(Idiff)和逆偏產生電流(Igen)

即IR= Igen + Idiff kT E d b i diff kT E i gen g g

e

T

L

N

n

qAD

I

e

T

n

qAW

I

− −

∝

×

=

∝

×

=

3 2 2 2 3

2

τ

A 是接面面積，W 是空乏區寬度，

τ

為載子生命期，而Nb為基板濃 度 Ld為擴散長度。一般而言，在低溫時主要是由逆偏產生電流(Igen) 所主導，隨著溫度增加，在高溫時將會由擴散電流(Idiff)所主導。 方法：將不同條件的試片做40 ~200℃ ℃的變溫量測，每20℃為一個區間， 畫出Log(IR/T3) vs 1000/kT ，對其作線性回歸，求回歸線之斜率，即 為活化能。 (D)順向導通特性 原理：接面的順向電流可由下式表示： ) exp( nkT qV I_F = F IF是順向電流，VF是順向偏壓，K 是波茲曼常數，T 是絕對溫度。 n=2代表電流由順向偏壓復合電流(IREC)所主導，而 n=1代表電流由擴 散電流(IDiff)所主導，所以 n 會介於1~2之間。 方法：每種條件選取最大的尺寸，量測其順向偏壓特性，在0.2~0.7V 的範 圍取較線性的區間做線性回歸，其回歸線斜率即為n 值。

●鍍25nmNi Ni P-Si P-Si NiSi _{● 1}st_{退火：300℃ 1小時} ●去除未反應之Ni ● 2nd_{退火：600℃ 30秒} P-Si NiSi Ge ●做Ge 離子佈植 能量：40KeV 劑量：5x1015 _cm-2_/1x1016 _cm-2 P-Si NiSi ●做500℃~850℃ 10秒/30秒/60秒退火 圖 2-1 先形成 NiSi 再做 Ge 離子佈植(GIAS)之製作流程

SiO₂ ●經RCA清洗後 ●長一層20nm的犧牲氧化層 ●做Ge 離子佈植 能量：20KeV/50KeV 劑量：5x1015_cm-2_/1x1016_cm-2 ●去除犧牲氧化層 ●鍍上25nm Ni SiO₂ Ge Ni Ge P-Si P-Si Ge P-Si Ge P-Si NiSi ● 1st退火：300℃ 1小時 ●去除未反應之Ni ● 2nd_{退火：500℃~850℃ 10秒/30秒/60秒} 圖 2-2 先作 Ge 離子佈植再形成 NiSi(GIBS)之製作流程

P+_(Ge) BF₂+_(Ge) N-Si (●做Ge 離子佈植 能量：30KeV 劑量：1x1016_cm-2₎ ●做BF₂+_離子佈植 能量20KeV/30KeV 劑量：5x1015_cm-2 ●1050℃瞬間回火 ●鍍上25nm Ni ● 1st_{退火：300℃ 1小時} ●去除未反應之Ni ● 2nd_{退火：500℃~850℃ 10秒/30秒/60秒} P+_(Ge) N-Si Ni P+_(Ge) N-Si NiSi 圖 2-3 未圖案化之 P+N 接面製作流程

N+_(Ge) As+_(Ge) P-Si (●做Ge 離子佈植 能量：30KeV 劑量：1x1016_cm-2₎ ●做As+_離子佈植 能量20KeV/35 KeV劑量：5x1015_cm-2 ●1050℃瞬間回火 ●鍍上25nm Ni ● 1st_{退火：300℃ 1小時} ●去除未反應之Ni ● 2nd_{退火：500℃~850℃ 10秒/30秒/60秒} N+_(Ge) P-Si Ni N+_(Ge) P-Si NiSi 圖 2-4 未圖案化之 N+P 接面製作流程

SiO₂ N-Si Si₃N₄ N-Si N-Si SiO₂ SiO₂ N-Si ●經RCA清洗後 ●連續沉積SiO₂(35nm)/Si₃N₄(150nm) ● Litho出製程區域 ●經過乾蝕刻把Si₃N₄/SiO₂吃完 ●去除光阻 ●長SiO₂(550nm) ●泡磷酸去除上層Si₃N₄ ●泡氫氟酸去除表層SiO₂

●再長SiO₂(30nm)<white ribbon effect> ●泡氫氟酸去除SiO₂ SiO₂ Si₃N₄ SiO₂ Si₃N₄ SiO₂ SiO₂ (a) 圖 2-5 (a)LOCOS 製作流程 (b)圖案化 P+N 接面製作流程

Al P+_(Ge) P+_(Ge) P+_(Ge) N-Si SiO₂ SiO₂ (Ge )BF₂+ ●鍍上25nm Ni ● 1st_{退火：300℃ 1小時} ●去除未反應之鎳 ● 2nd_{退火：500℃~750℃ 30秒/60秒} ●用氫氟酸擦拭背面 ●背鍍鋁 N-Si SiO₂ SiO₂ N-Si SiO₂ SiO₂ Ni NiSi N-Si P+_(Ge) SiO₂ SiO₂ NiSi (●做Ge 離子佈植 能量：30KeV 劑量：1x1016_cm-2₎ ●做BF₂+_離子佈植 能量20KeV/30KeV 劑量：5x1015_cm-2 ●1050℃瞬間回火 (b) (續)圖 2-5 (a)LOCOS 製作流程 (b)圖案化 P+N 接面製作流程

Al N+_(Ge) N+_(Ge) N+_(Ge) P-Si SiO₂ SiO₂ (Ge )As+ ●鍍上25nm Ni ● 1st_{退火：300℃ 1小時} ●去除未反應之Ni ● 2nd_{退火：500℃~750℃ 30秒/60秒} ●用氫氟酸擦拭背面 ●背鍍鋁 P-Si SiO₂ SiO₂ P-Si SiO₂ SiO₂ Ni NiSi P-Si N+_(Ge) SiO₂ SiO₂ NiSi (●做Ge 離子佈植 能量：30KeV 劑量：1x1016_cm-2₎ ●做As+離子佈植 能量20KeV/35KeV 劑量：5x1015_cm-2 ●1050℃瞬間回火 圖 2-6 N+P 接面製作流程

第三章

Ge 離子佈植對 NiSi/Si 結構之影響

3-1 NiSi 材料分析

這是單純的 NiSi 試片，主要是拿來當作對照組用的。 這組試片分別作了片電阻(圖 3-1)，XRD(圖 3-2)及 SEM(圖 3-3)等分析。 由片電阻(圖 3-1)可發現，在低於 650℃(含)以下，片電阻值都相當的穩定， 反應的是沒有結塊與晶相轉換的現象，700℃時，阻值雖然沒有上升，但觀 察 SEM(圖 3-3)已經有一些微小的破洞產生，這是由於輕微結塊所造成的。 而片電阻在 750℃上升然後 800℃又微降，我們可以由 XRD 與 SEM(圖 3-2) 及(圖 3-3)發現在 750℃及 800℃同時發生了晶相轉換及結塊的現象故阻值 皆有一定程度的上升。差別在於 750℃時晶相轉換的速度稍慢，導致 NiSi 薄膜會先結塊到一定程度之後，再轉換成 NiSi2的晶相，另一方面，在 800℃ 的情況下，晶相轉換的速度較快所以會在結塊情形較不嚴重的狀況下完成 晶相轉換，故阻值略低於 750℃的條件。 整體來說，NiSi 結塊溫度約為 700℃，而晶相轉換溫度約為 750℃，這 個資料也與大部份發表過的文獻相符[1-10]。

3-2 GIAS 材料分析

GIAS 鍍 25nm 的 Ni 故反應後 NiSi 厚度約 50nm，佈植能量 40KeV，主 要的目的是把 Ge 全部打入 NiSi 裡，之後再做高溫退火觀察 Ge 離子是否會 擴散出來，可應用於 ITS(Implant Through Silicide)相關製程。

650℃(含)以下，阻值都相當穩定，在 700℃時開始發生結塊(圖 3-6)。從 XRD 的資料(圖 3-5)可以發現 GIAS 出現晶相轉換的溫度為 850℃，所以可預測的 是在 850℃之前，阻值上升的因素主要是由結塊的機制所主導。從 SEM (圖 3-6)可發現在 850℃以下溫度愈高結塊愈嚴重，並且時間愈長，片電阻值也 上升的愈多。而 850℃(含)之後的片電阻大致上是取決於晶相轉換前結塊的 程度，我們也可以在 GIAS 的數據中得到與對照組相似的現象，亦即 850℃ 的阻值會略高於 900℃的阻值，原因跟對照組 750℃阻值大於 800℃阻值相 同，由於晶相轉換在 850℃才開始出現，猜測此時其轉換速度較慢，所以會 結塊到一定程度後再轉換成 NiSi2的晶相，故阻值較高，而在 900℃的情況 下，估計晶相轉換速度會較 850℃快，所以會在結塊情形還沒那麼嚴重前便 轉換成 NiSi2的晶相，故阻值較低。從 SEM (圖 3-6-a)可觀察到 900℃試片

結塊情形較不嚴重，即為此一說法最有利的證據。 接著，我們比較 GIAS 不同劑量與對照組單純 NiSi 在熱穩定性上的差 異。觀察退火 10 秒的試片阻值(圖 3-7-a)，可以發現高劑量的試片較低劑量 試片來的穩定，並且都優於對照組，顯示 Ge 離子的植入不但提高了晶相轉 換溫度，也能夠抑制結塊的發生，尤其是高劑量的情形在 800℃仍保持阻值 穩定，但反觀 30 秒退火的試片(圖 3-7-b)可以發現隨著退火時間的增加，試 片還是發生了結塊的現象。 另外由 SIMS(圖 3-8)可以發現經由退火可把 Ge 推出 NiSi 並堆積在 NiSi/Si 界面，有機會應用於 ITS 製程。而 TEM(圖 3-9)中，可觀察到 NiSi 薄膜厚度約為 41nm 左右，而平坦度略差於 GIBS(Ⅰ)(圖 3-14),可見得在 NiSi 製程之後再打 Ge 離子對其平坦度並沒有太大的影響。

3-3 GIBS(Ⅰ) 材料分析

Ge 佈植後的峰值留在二氧化矽/矽界面，然後再做 NiSi 製程，故約有一半 的 Ge 離子會隨著犧牲氧化層一塊被去除。 這組試片分別作了片電阻(圖 3-10)，XRD(圖 3-11)，SEM(圖 3-12) 及 TEM(圖 3-14)等分析。從片電阻(圖 3-10)來看，650℃以下阻值很穩定。觀 察 SEM(圖 3-12)， 5×1015 cm-2 這個條件在 700℃發生結塊，至於高劑量 1×1016cm-2這個條件則是提升到 750℃才觀察到結塊現象，由 XRD(圖 3-11) 我們發現 GIBS(Ⅰ)的晶相轉換溫度可提升至 800℃。 接著比較 GIBS(Ⅰ)不同劑量與對照組(單純 NiSi)在熱穩定性上的差 異。由圖 3-13 退火 30 秒的試片，我們可以觀察到劑量愈高，熱穩定性愈好， 這個現象也與我們在 GIAS 所觀察到的一致，尤其是高劑量的試片的阻值在 750℃ 30 秒仍相當穩定，而晶相轉換的溫度達 800℃，比對照組提升了 50℃ 熱，所以 GIBS(I)這個條件，不但可以提升晶相轉換溫度也能夠抑制結塊。 另外從 TEM 的結果(圖 3-14)可發現 NiSi 薄膜相當平整，猜測是 Ge 佈 植時將表面打成非晶態，反應時先把非晶態區域反應完，導致 NiSi 平坦度 相當好。

3-4 GIBS(Ⅱ) 材料分析

GIBS(Ⅱ)的犧牲氧化層厚度 20nm 佈植能量 50KeV，然後再做 NiSi 製 程。主要的目的是讓 Ge 佈植後的峰值落在 NiSi/Si 的界面上。 對 GIBS(Ⅱ)，我們一共做了片電阻(圖 3-15) 、XRD(圖 3-16) 、SEM(圖 3-17) 、TEM(圖 3-19)及 SIMS(圖 3-20)等分析。從片電阻(圖 3-15)來看，750℃ 以下的阻值相當穩定，SEM(圖 3-17)與 XRD(圖 3-16)的結果也顯示沒有結 塊或晶相轉換的現象產生，到 800℃時才開始發生結塊的現象，而晶相轉換 則是出現在 850℃。可以觀察到 900℃的阻值略低於 850℃的阻值，搭配 SEM 以及 XRD 的結果，再度驗證前一節溫度夠高時 NiSi 會直接轉相而使得其

結塊的程度較不嚴重，故阻值會較低的推論。 而比較 GIBS(Ⅱ)不同劑量與對照組(單純 NiSi)的阻值變化，我們可以 發現對照組的阻值在穩定的情況下都較小一些，主要是由於製程中 PVD 晶 片與晶片間鍍的厚度不同所致，對應的是 GIBS(Ⅱ)的試片厚度較薄。我們 可以由經過退火 10 秒的試片(圖 3-18-a)中觀察出，即便厚度較薄，GIBS(Ⅱ) 的熱穩定性仍較對照組好得多，尤其是高劑量的試片，甚至可達到 850℃/10 秒鐘阻值沒有上升，整整提升了 150℃。同樣的我們可以發現劑量提高熱穩 定性也愈好。而退火 30 秒的試片(圖 3-18-b)GIBS(Ⅱ)可維持到 800℃阻值不 上升，並且提高晶相轉換溫度達 850℃，熱穩定性提高約 100℃。 從 TEM（圖 3-19）也可以觀察到即使做了 750℃/30 秒鐘的高溫退火， 界面依然相當平整。而使其熱穩定性提高的原因，猜測是 Ge 離子在界面聚 集而平衡了在界面的應力 (SIMS 圖 3-20)。 故 GIBS(Ⅱ)不但能抑制結塊的現象，也可提升晶相轉換的溫度達 850℃，並擁有相當平整的界面，這也是之後所拿來應用的最佳條件。

3-5 GIBS 一次退火 NiSi 製程比較

二次退火 NiSi 製程的優點在於第一次的退火控制所反應的 Ni 的量，故 可以利用第一次退火的時間來決定 NiSi 的厚度，並且由於第一階段溫度較 低，也可以抑制其橫向成長，而由於試片的結構是整片的，所以做一次退 火和二次退火並不會有太大的差異，在這次實驗裡也同時做了一次退火來 相互比較。 圖 2-20 為 GIBS(Ⅰ)，而圖 2-21 為 GIBS(Ⅱ)一次與二次退火的分析比 較，可以發現一次退火的熱穩定性似乎較好，猜測是製程中 Ni 的厚度與退 火溫度所造成的些微誤差所致，但這樣的結果也讓我們再度確認 GIBS 製程 確實可提升 NiSi/Si 結構的熱穩定性。

3-6 結論

表 3-1 是這次所做所有條件的綜合比較，晶相轉換溫度定義為 NiSi2所 出現的溫度，而結塊溫度則是定義為 SEM 破洞產生時的溫度。及圖 3-21 為三種不同佈植方式對阻值的影響。 由圖 3-21 搭配表 3-1 可發現 GIAS 雖然能提升晶相轉換溫度達 850℃， 但對結塊改善並不大，阻值在 750℃時還是會劣化。而 GIBS 對結塊與晶相 轉換皆有所幫助，尤其是 GIBS(Ⅱ)提升晶相轉換溫度達 850℃並且結塊溫 度也提升至 800℃，足足提升了 100℃之多，在不同劑量下，這種佈值方式 阻值都是最穩定的。反觀 GIBS( )Ⅰ 雖然也不差，提升了 50℃，但略遜於 GIBS(Ⅱ), 猜測原因有可能是因為去掉犧牲氧化層時，也同時去掉了約一半 左右的鍺離子，使得其效果有限，甚至在低劑量的時候其效果比 GIAS 還 差。從之前 TEM 的分析中，也可以發現 GIBS 的界面較平整，整體而言， GIBS 的佈植方式是較優於 GIAS。 於是我們選擇 GIBS(Ⅱ)作為之後所應用的條件，探討其優異的熱穩定 性對 P+ N(或 N+P)接面所造成的影響。

表 3-1 三種不同佈植方式(GIAS、GIBS(I)、GIBS(II))的結塊溫度與晶相轉換溫度的比較。

試片種類 NiSi only GIAS GIBS(Ⅰ GIBS( )) Ⅱ

Ge 佈植劑量(cm-2) --- 5×1015 1×1016 5×1015 1×1016 5×1015 1×1016

結塊溫度 700℃ 700℃ 700℃ 700℃ 750℃ 800℃ 800℃

500 550 600 650 700 750 800 0 5 10 15 Sh eet Resist an ce ( Ω / F

)

Temperature(O_C) NiSi only 10sec 30sec 60sec 圖 3-1 NiSi(未打 Ge 離子)經過 500℃~800℃退火之片電阻分析 30 35 40 45 50 55 60 0 200 400 600 800 1000 inte ns it y(c p s) 800o_C 700oC 750oC 600o_C 2θ(deg) NiSi(304) NiSi(112) NiSi 2(200) NiSi(211) NiSi(201) 65 70 75 101 102 103 104 105 106 107 108 109 800oC 750oC 700oC 2θ(deg) Si(400) NiSi 2(400) 600oC 圖 3-2 NiSi(未打 Ge 離子) 經過 500℃~800℃30 秒退火之 XRD 分析

600℃ 700℃

750℃ 800℃

500 550 600 650 700 750 800 850 900 0 10 20 30 40 50 60 Sh eet R esistan ce ( Ω / F

)

Temperature(O C)

GIAS (Ge :40KeV 5E15) 10sec 30sec 60sec (a) 500 550 600 650 700 750 800 850 900 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Sh eet Resi stan ce ( Ω / F

)

Temperature(O_C)

GIAS (Ge :40KeV 1E16) 10sec

30sec 60sec

1K

Ω

(b)

圖 3-4 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS) Ge 佈植劑量為(a)5×1015

cm-2

30 35 40 45 50 55 60 0 200 400 600 800 1000 NiSi(211) 900oC 800o_C 850oC 750o_C inte nsit y( cps) 2θ(deg) NiSi(304) NiSi(112) NiSi₂(200) NiSi(201) 65 70 75 101 102 103 104 105 106 107 108 109 900oC 850oC 800oC 2θ(deg) Si(400) NiSi2(400) 750oC (a) 30 35 40 45 50 55 60 0 200 400 600 800 1000 900oC 800o_C 850oC 750o_C 700oC intensity(c ps) 2θ(deg) NiSi(304) NiSi(112) 600oC NiSi 2(200) NiSi(201) NiSi(211) 65 70 75 101 102 103 104 105 106 107 108 109 800oC 750oC 700oC 2θ(deg) Si(400) NiSi 2(400) 600oC 900o_C 850o_C (a) (b)

圖 3-5 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS) Ge 佈植劑量為(a)5×1015cm-2

750℃ 800℃

600℃ 700℃

850℃ 900℃

(a)

圖 3-6 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS) Ge 佈植劑量為(a)5×1015cm-2

(b)

(續) 圖 3-6 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS) Ge 佈植劑量為(a)5×1015cm-2

(b) 1×1016cm-2能量為 40KeV 經過 500 ~900℃ ℃30 秒退火之 SEM 分析

750℃ 800℃

600℃ 700℃

500 550 600 650 700 750 800 0 5 10 15 20 25 30 NiSi only

GIAS(Ge: 40KeV 5E15) GIAS(Ge: 40KeV 1E16)

Sh eet Resi stan ce ( Ω / F

)

Temperature(O_C) (a) 500 550 600 650 700 750 800 850 900 0 10 20 30 40 50 60 70 500 550 600 650 700 750 800 850 900 0 10 20 30 40 50 60 70 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60

70 NiSi only NiSi₂

Temperature(O_C)

GIAS (Ge:40KeV 5E15)

Sh

eet Resistan

ce (

Ω /

F

)

GIAS (Ge:40KeV 1E16)

1KΩ

(b)

0

50

100

150

200

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

0

50

100

150

200

10

18

10

19

10

20

10

21

10

22

10

23

C

o

unt

s

(c

ps

)

depth(nm)

Ge

Ni

Si

Co

ncen

tratio

n(cm

-3

)

圖 3-8 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS)，佈植能量 40KeV 劑量

Pt SiO₂ NiSi Si (a) SiO₂ NiSi Si 41.2nm (b) 圖 3-9 先形成 NiSi 後打 Ge 離子佈植(GIAS)，劑量 1×1016 cm-2能量 40KeV 經過 600 30℃ 秒退火之 TEM 分析(a)低倍率(b)高倍率

500 550 600 650 700 750 800 0 10 20 30 40 50 Sh eet Resistance ( Ω / F

)

Temperature(O C) GIBS(Ge:20KeV 5E15) 10sec 30sec 60sec (a) 500 550 600 650 700 750 800 0 10 20 30 40 50 Sh eet Resistan ce ( Ω / F

)

Temperature(O_C)

GIBS (Ge 20KeV 1E16) 10sec 30sec 60sec (b) 圖 3-10 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS) Ge 佈植劑量(a) 5×1015cm-2 (b) 1×1016cm-2能量皆為 20KeV 經過 500 ~800℃ ℃退火之片電阻分析

30 35 40 45 50 55 60 0 200 400 600 800 1000 Si(200) 800oC 750oC 700o_C In ten s it y (cp s) 2θ(deg) NiSi(304) NiSi(201) 600o_C NiSi₂(200) NiSi(112) NiSi(011) 65 70 75 101 102 103 104 105 106 107 108 109 800o_C 750oC 700oC 2θ(deg) Si(400) NiSi 2(400) 600o_C (a) 30 35 40 45 50 55 60 0 200 400 600 800 1000 Si(200) 800oC 750oC 700o_C Intensity(cps) 2θ(deg) NiSi(304) 600o_C NiSi₂(200) 65 70 75 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 800oC 750oC 700oC 2θ(deg) Si(400) NiSi₂(400) 600oC (b) 圖 3-11 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS) Ge 佈植劑量(a) 5×1015 cm-2 (b) 1×1016cm-2能量皆為 20KeV 經過 500 ~800℃ ℃30 秒退火之片電阻分析

750℃ 800℃

600℃ 700℃

(a)

圖 3-12 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS) Ge 佈植劑量(a) 5×1015cm-2

750℃ 800℃

600℃ 700℃

(b)

(續) 圖 3-12 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS) Ge 佈植劑量(a) 5×1015cm-2

500 550 600 650 700 750 800 0 5 10 15 20

25 NiSi only NiSi2

GIBS(Ge:20KeV 5E15) GIBS(Ge:20KeV 1E16) annelaing time=30s Sh eet Resistan ce ( Ω / F

)

Temperature(O C) 圖 3-13 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBSⅠ) 與對照組經過 500 ~800℃ ℃ 30 秒退火之綜合比較

Pt SiO₂ NiSi Si (a) SiO₂ NiSi Si 45nm Pt (b) 圖 3-14 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS) Ge 佈植劑量為 1×1016 cm-2

500 550 600 650 700 750 800 850 900 0 10 20 30 40 50 Sheet Resistan ce ( Ω / F

)

Temperature(O_C)

GIBS(Ge:50KeV 5E15) 10sec 30sec 60sec (a) 500 550 600 650 700 750 800 850 900 0 5 10 15 20 25 30 35 150 200 250 300 350 Sh eet Resistan ce ( Ω / F

)

Temperature(O C) GIBS(Ge:50KeV 1E16) 10sec 30sec 60sec (b) 圖 3-15 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為(a)1×1016cm-2 (b)5×1015cm-2能量皆為 50KeV 經 500 ~900℃ ℃之片電阻分析

30 35 40 45 50 55 60 0 200 400 600 800 1000 900oC 800oC 850oC 750o_C Intensity(cps) 2θ(deg) NiSi(304) NiSi 2(220) NiSi 2(200) NiSi(314) 65 70 75 101 102 103 104 105 106 107 108 109 900oC 800oC 850o_C 750o_C 2θ(deg) Si(400) NiSi₂(400) (a) 30 35 40 45 50 55 60 0 200 400 600 800 1000 900oC 800oC 850oC 750oC 700oC Inten s ity(cp s) 2θ(deg) NiSi(304) NiSi₂(220) 600oC NiSi₂(200) NiSi(314) 65 70 75 101 102 103 104 105 106 107 108 109 900o_C 800o_C 850oC 750oC 700oC 2θ(deg) Si(400) NiSi₂(400) 600oC (b) 圖 3-16 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為(a)1×1016cm-2 (b)5×1015cm-2能量皆為 50KeV 經 500 ~900℃ ℃退火時間 30 秒之 XRD 分析

750℃ 800℃ 600℃ 700℃ 850℃ 900℃ (a) 圖 3-17 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為(a)1×1016 cm-2 (b)5×1015cm-2能量皆為 50KeV 經 500 ~900℃ ℃退火時間 30 秒之 SEM 分析

750℃ 800℃ 600℃ 700℃ 850℃ 900℃ (b) (續)圖 3-17 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBSⅡ Ge 佈植劑量為(a)1×10) 16cm-2 (b)5×1015cm-2能量皆為 50KeV 經 500 ~900℃ ℃退火時間 30 秒之 SEM 分析

500 550 600 650 700 750 800 850 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 NiSi only

GIBS (Ge 50KeV 5E15) GIBS (Ge 50KeV 1E16) annealing time = 10sec

Sh eet Resistan ce ( Ω / F

)

Temperature(O C) (a) 500 550 600 650 700 750 800 850 900 0 5 10 15 20 25 150 175 200

NiSi only NiSi2

GIBS (Ge 50KeV 5E15) GIBS (Ge 50KeV 1E16) annealing time = 30sec

Sh eet Resistan ce ( Ω / F

)

Temperature(O_C) (b)

圖 3-18 GIBS( )Ⅱ 不同劑量與對照阻(NiSi only)經過(a)10 秒(b)30 秒退火後阻

SiO₂ NiSi Si Pt (a) SiO₂ NiSi Si 45nm (b) 圖 3-19 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為 1×1016 cm-2

0

50

100

150

200

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

0

50

100

150

200

10

18

10

19

10

20

10

21

10

22

10

23

Count

s

(c

ps)

Depth(nm)

Ni

Co

ncen

tration

(cm

-3

)

Si

Ge

圖 3-20 先打 Ge 離子佈植後形成 NiSi(GIBS )Ⅱ Ge 佈植劑量為 1×1016 cm-2 能量 50KeV 經 600 30℃ 秒退火之 SIMS 分析

500 550 600 650 700 750 800 0 10 20 30 40 50 500 550 600 650 700 750 800 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 500 550 600 650 700 750 800 0 10 20 30 40 50 500 550 600 650 700 750 800 0 10 20 30 40 50

S

h

eet Resistance (

Ω / F

)

Temperature(

O

_C)

(Ge:20KeV 5E15) 1step 30sec

2step 30sec

S

h

eet Resistance (

Ω / F

)

Temperature(

O

_C)

(Ge:20KeV 5E15) 1step 30sec

S

h

eet Resistance (

Ω / F

)

Temperature(

O

_C)

2step 30sec

S

h

eet Resistance (

Ω / F

)

Temperature(

O

_C)

(a) 500 550 600 650 700 750 800 850 0 10 20 30 40 50 500 550 600 650 700 750 800 850 0 20 40 500 550 600 650 700 750 800 850 0 10 20 30 40 50 500 550 600 650 700 750 800 850 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Sheet Resistance (

Ω / F

)

Temperature(

O

_C)

(Ge:50KeV 5E15) 1step30sec

Sheet Resistance (

Ω / F

)

Temperature(

O

_C)

2step 30sec

Sheet Resistance (

Ω / F

)

Temperature(

O

_C)

(Ge:50KeV 1E16) 1step 30sec

Sheet Resistance (

Ω / F

)

Temperature(

O

_C)

2step 30sec (b)