多层薄膜固相反应外延.doc

Co/a-GeSi/Ti/Si多层薄膜固相反应外延生长CoSi2薄膜 摘要：研究了在Co/Ti/Si结构中加入非晶GeSi层对CoSi2/Si异质固相外延的影响，用离子束溅射方法在Si衬底上制备Co/GeSi/Ti/Si结构多层薄膜，实验表明，利用Co/GeSi/Ti/Si固相反应形成的CoSi2薄膜具有良好的外延特性和电学特性，Ti中间层和非晶GeSi中间层具有促进和改善CoSi2外延质量，减少衬底耗硅量的作用。关键词：金属硅化物；固相外延；扩散阻挡层；晶格失配。1 引言 金属硅化物作为欧姆接触、肖特基势垒接触、器件自对准接触和局部互连材料在集成电路工艺中已获得广泛应用。随着器件尺寸进入深亚微米阶段，要求制备电学、热学特性更加优良的超浅结接触。外延硅化物具有低电阻率，良好的高温稳定性，平整的金属硅化物硅界面，受到关注。具有低的体电阻率（），晶格常数与接近（：，：），室温下晶格失配率为，易于在衬底上异质外延，成为引人注目的接触金属硅化物薄膜材料。 外延薄膜的生长可以通过控制到达硅衬底上原子的浓度来实现，例如由扩散阻挡层控制、互扩散速率，或者通过控制沉积速率来控制到达硅衬底上直接参与反应的粒子流。如果在足够高的温度下，使原子的消耗率大于供给率，此时将在硅衬底上生成外延取向的。目前文献报道的制备外延薄膜的主要方法有分子束外延（）中间层调制外延（）氧化物中间层调制外延（）等技术。方法即用三元结构固相反应制备外延，是年代初出现的新方法，中间层在高温反应下和等形成扩散阻挡层控制、原子互扩散及反应速率，促进外延生长。同时层可以还原表面的自然氧化层，为反应提供清洁的界面原子还会扩散到表面，与退火环境的气氛反应生成覆盖层，减少生成物表面的被氧化。 随着集成电路的器件尺寸向深亚微米发展，要求制备量级的超浅结。但是在形成薄膜时， 要消耗才形成 。硅化物生长时过大的耗硅量将不利于超浅结的要求，可能导致结电学特性变坏，影响器件总体性能。最近有研究工作提出加入一薄层非晶，即采用多层薄膜的结构可以制备良好的外延薄膜，并减少一定的耗硅量。本工作采用加入一薄层非晶代替非晶，通过固相反应在衬底上生长，多种测试分析方法表明薄膜具有优良的电学特性和外延特性，同时对各种原子的扩散运动作了定性分析原子均匀分布在薄膜中，可以改善外延的晶格失配率。2 实 验 实验采用电阻率为的）单晶片作为衬底，经标准艺清洗后、用稀释的溶液（：）漂去表面的自然氧化层，甩干后装入多功能溅射系统，在真空条件下采用离子束溅射技术连续淀积、膜。系统本底真空为采用离子束溅射时的典型工作气压为，薄膜厚度由石英晶体振荡器在线控制。 溅射用的靶是通过导电胶将片粘固在靶上片面积约占靶的，由溅射产额换算得、原子比约为：，样品中膜厚度采用，两种，膜厚度为，膜厚度为。溅射后的样品置于国产型卤钨灯快速热退火系统中，在高纯保护下经快速热退火（）。 采用四探针电阻仪测试样品的薄层电阻，用俄歇电子能谱（）分析测试样品经退火前后的原子扩散。用射线衍射（）观察薄膜的结构和结晶情况。用卢瑟福背散射（）沟道测量技术表征薄膜的外延质量，该测量采用，测试角为。3 结果及讨论 薄膜固相反应的一般相序为，由于、的电阻率比高一个量级左右，在不考虑薄膜表面形貌对电阻影响的情况下，可以认为薄层电阻曲线进入稳定的低电阻率阶段时，薄膜中主要为相，图为（）（）结构中采用不同厚度层，在不同温度下等时退火一分钟的薄层电阻变化情况。图中可见，层厚度对最终生成的薄层电阻值影响很小。但是，层越厚，达到稳定低电阻率相的温度越高，从层时的上升到的，经高温快速退火后，薄层电阻仍然保持较低的电阻率约为。当膜厚度减小到纳米，形成的超薄薄膜约为，薄膜在经到温度范围退火后维持稳定的低电阻率，电阻率为，这说明用这种方法形成的超薄具有十分良好的热稳定性。 图为（）（）（）结构样品在气氛中经退火后的谱，谱中已经有一系列衍射峰出现，同时也有（）衍射峰的存在。谱中还存在）、（）、（）和（）的衍射峰。有文献报道，结构在气氛下退火，会在表面形成层，可以有效阻止表面的被氧化，使薄膜有更好的高温稳定性。另有不少研究报道，结构在热退火过程中较低温度阶段和、等原子发生反应，生成一些多元瞬态相，这些相可以看作扩散阻挡层控制 的互反应，促进的外延。图中的和结构可能具有扩散阻挡层的作用。图为样品经退火后的谱，系列衍射峰有所增强，其它峰有减弱趋势。具有扩散阻挡层作用的和结构继续存在。图显示，退火后的样品有非常强烈的（）、（）衍射峰，别的衍射峰很弱，这表明有明显的外延取向。同时，、多元的结构不存在，可能已经分解。图为初始层厚度（）不同的一系列样品经退火后的不同晶向衍射峰强度的比较曲线。可以看到，不论是（）、（），还是（）、（）的衍射峰，衍射强度随层厚度的变化不大。其（）和（）峰是最强峰，（）峰的强度一般为（）的，（）峰的强度为（）的。由此可见，对结构，当加入的非晶层厚度在本实验讨论范围（），退火后生成的薄膜和衬底有良好的外延趋势。 沟道谱可以测量薄膜的外延质量，界面情况以及不同原子的分布情况。图是（）（）（）样品经退火后的沟道谱和随机谱。箭头指出各种元素表面背散射能量的位置。该谱显示具有较好的外延特性，其沟道产额约为，界面处的外延质量要比近表面处好，谱上信号的边缘下降较快，表明表面及界面比较平整，形貌良好。将图中背散射各元素对应的能量峰值与元素在薄膜表面的理论能量峰值对比，、信号前沿已经偏离表面背散射能量位置，表明表面一薄层内不含、成分，、元素在表面均有信号。信号是类峰状，半峰宽较小，可以认为原子由沉积界面向表面扩散，在近表面处积累。原子的背散射谱不是单一尖峰状，而是在较宽范围内略有起伏。计算得原子分布厚度为左右，可以认为原子均匀分布在层中，并向衬底中扩散，与文献报道的原子向表面的分凝现象不同，谱显示有少量的原子存在，这是因为采用离子束溅射方法制备样品，由灯丝引入的杂质。 由于和具有相同的立方晶体结构，而为正交晶体结构，一般认为不可能在衬底上外延，和结构不会同时共存，即原子会向表面分凝，而不是以替位原子的形式存在于薄膜中。在此类实验中的浓度一般较大，而本实验的浓度相对较小，仅在的范围内，根据测试显示，原子在外延层中均匀分布，浓度很低的原子可能以替位原子的形式存在于中。由于的原子半径略大于的原子半径（：；：）原子的分布可能对外延薄膜的晶格失配率略有改善。根据测试，定义（）衍射峰对（）衍射峰值的比值为准晶格失配率。比较具有不同厚度的样品的准晶格失配率，观察其改善情况。当没有中间层时，（）（）结构的准晶格失配率为；（）（）（）结构的准晶格失配率为，（）（）（）结构的准晶格失配率为。可见随层厚度的增加，准晶格失配率略有下降。超薄结构（）（）（的准晶格失配率为。上述结果表明，随着层加厚或者层减薄，即原子浓度增加，准晶格失配率减小，可认为晶格失配率也相应减小。在本文研究的厚度范围内，外延准晶格失配率的改善约为。 测试结果显示了（）（）（）结构经图（）和图（）退火形成的外延薄膜过程中的原子深度分布。由图可知，经退火后，薄膜中形成了（）结构。在靠近表面的段，主要有、和原子存在。一部分原子从沉积界面处向外扩散，与气氛反应形成。图中没有显示原子深度分布是因为和原子对应的俄歇电子跃迁的能量峰值比较接近（）；（），不能精确区别，但表面分布显示原子的存在。段主要有、两种原子存在，浓度比约为：。在点附近，、四种原子共存，且、原子的浓度深度分布和能量峰值深度分布在此处都有一个低谷，可能有扩散阻挡层的存在，限制、互扩散速率，使扩散阻挡层附近的、原子浓度小于两边，由于原子的浓度较低，同时对原子的探测灵敏度也较低，在误差范围内不能测到原子的浓度分布。因为已探测到原子均匀分布，可认为扩散阻挡层附近为（）结构。原子可能也对扩散阻挡层有贡献。图显示，经退火后，、固相反应比较完全，、原子浓度比约为：，表明形成了均匀的（）结构。薄膜内部继续存在较明显的原子分布，但与图相比原子浓度降低，有向表面的扩散趋势，氧元素含量降到噪声水平，可以认为扩散阻挡层已经分解，、对原子向表面扩散，、原子比较均匀的分布，淀积时形成的界面对最终生成物均匀性的影响较小。 综合、和测试结果，可以认为原子在生成外延薄膜的过程中具有以下作用：（）与、（）等原子结合形成多元扩散阻挡层（例如，等结构），控制、原子互扩散速率，使薄膜外延有序生长；（）形成扩散阻挡层时结合了界面上的原子，清洁了反应界面，并且当阻挡层在高温分解时，、原子均向表面扩散，可以认为原子促进了原子向表面的扩散，有利于外延薄膜整体均匀地生长。 中间层主要具有以下两方面的作用：少量原子在外延层中均匀的分布，以替位原子或者填隙原子的形式存在，可以有效地改善的晶格失配率；生成的薄膜中的原子有一部分来自于中间层中原子的贡献，使薄膜生成过程中对衬底的消耗量有所减少。4 结 论 通过多层薄膜固相反应在（）上制备薄膜。用、等分析手段对该结构固相反应形成的薄膜组分、晶体结构和各元素的运动学情况进行了表征。实验结果证明：多层薄膜结构经快速热退火，可以在（）衬底上得到界面平整、电阻