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NiとSiの積層薄膜によって形成したシリサイドの

シート抵抗に対する熱処理温度の影響

Effect of Annealing Temperature on Sheet Resistance of

Ni Silicide Formed by Multi-layered Ni and Si Film

2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会

田村雄太1, 角嶋邦之2, 中塚理3, パールハット アヘメト1, 筒井一生2, 西山彰2, 杉井信之2, 名取研二1, 服部健雄1, 岩井洋1

1東京工業大学フロンティア研究機構, 2東工大総理工, 3名古屋大学工学部

Y. Tamura1, K. Kakushima2, , O. Nakatsuka3, P. Ahmet1, K. Tsutsui2, A. Nishiyama2, N. Sugii2, K. Natori1, T. Hattori1, H. Iwai1

1Frontier Research Center, Tokyo Tech.2IGSSE, Tokyo Tech., 3Nagoya Univ.E-mail: tamura.y.al@m.titech.ac.jp

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研究背景 ~ NiSiの特徴 ~MOSFETのSource/Drain (S/D)のコンタクトとして

Ni monosilicide (NiSi)が用いられている

NiSiの特長・低い抵抗率

・Siの消費量が少ない・350 oCでsilicide形成

問題点

・熱処理温度が600 oCを超えると凝集(agglomeration)が生じる・界面が平坦でない K. Tsutsui et al., Microelectron. Eng., 85, 2000, 2008

600 oC 700 oC

NiSi

2µm

agglomeration

NiSiはSi基板に4.0nm以上の膜厚のNiを堆積し、熱処理することで形成

試料表面で凝集が生じる

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silicide 抵抗率(µΩcm) 形成温度(oC) Si消費量(tSi/tNi)

NiSi 20 tNi>4.0nm:350~750 1.83

NiSi2 34 ~ 50tNi>4.0nm:750~850tNi<3.0nm:350~850

3.65

研究背景 ~ Ni薄膜堆積によるNiSi2の特徴 ~NiSiの問題点を解決する方法

膜厚が3.0nm以下のNiを堆積することにより得られるNiSi2

特長・350 oC付近でNiSi2が形成

・800 oC以上でも凝集が生じない・界面がほぼ平坦

T. Morimoto et al., IEEE Trans. Electron Devices, 42, 915, 1995 K. De Keyser et al., APL, 96, 173503, 2010

tNi:Niの膜厚 tSi:消費されるSiの膜厚

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研究背景 ~ Ni薄膜堆積によるNiSi2の特徴 ~

問題点

・Siの消費量が多い

・低温熱処理の段階では界面にfacetが生じる。

平坦な界面にするには800 oC以上の熱処理が必要

・Niの膜厚が3.0nm以下という制限のため、

形成するNiSi2の膜厚が制限される

20nm

850 oC

L. Knoll et al., IEEE EDL, 31, 350, 2010

平坦な界面の形成には高温熱処理が必要

500 oC Ni - 3.0nm堆積

facet

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研究目的

Ni/Si 積層構造に注目

・NiとSiの原子数の比を1:2とし、NiSi2を形成

・Si基板にNiとSiを交互に堆積

・Niに加えSiを堆積させることでSi基板からの

Si消費を抑制・積層回数を変えることでNiSi2の膜厚を制御

Si/ Ni

Si Sub

・・・

Ni/Si 積層構造

構造

特長

①シート抵抗に対する熱処理温度の影響

②熱処理によって形成したNi silicideのphase③界面の状態

研究目的Ni/Si積層構造に対して

A. Ishizaka, Y. Shiraki, Surf. Sci., 174, 671, 1986

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実験手順

洗浄(SPM and HF)スパッタにより堆積（Ar雰囲気）・ 積層 (Ni-0.5nm/Si-1.9nm)x8層 - 19.2nm・ Ni - 3.0nm・ Ni - 5.5nm

熱処理 (RTA N2雰囲気)1min

Si(1.9nm)/Ni(0.5nm)

積層-19.2nm

n-Si基板 ( 3x1015 cm-3 )

200 oC ~ 900 oC

測定

シート抵抗（4探針法）XPSTEM

n-Si(100) Sub

n-Si(100) Sub n-Si(100) Sub

Ni-3.0nmNi-5.5nm

Ni-3.0nm Ni-5.5nm

・・・

x 8 layer

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実験結果 ~ シート抵抗 ~Sh

eet r

esis

tanc

e (Ω

/sq)

Annealing temperature (oC)

0

100

200

300

400

500

0 200 400 600 800

Ni-5.5nm

Ni-3.0nm積層

・積層

・325 oCでシート抵抗減少・875 oCまで凝集が生じない

・Ni-5.5nm低抵抗だが500 oCを超えると凝集が生じる

・Ni-3.0nm

500 oCを超えても凝集が生じない

Ni-3.0nmと同様の傾向

RTA : 1 min in N2

Ni-5.5nmに対して

agglomeration

Source 温度領域 (oC)

積層 325 - 875

Ni-3.0nm 400 - 800

Ni-5.5nm 325 - 500

XPS, TEMで測定

100 300 500 700 900

8

Binding energy (eV)851853855857

Inte

nsity

(a.u

.)500 oC

NiSi2

hν=7938.57eVNi 2p3/2

実験結果 ~ XPS ~

積層、Ni-3.0nm、Ni-5.5nm Source Silicide phase

積層 NiSi2

Ni-3.0nm NiSi2

Ni-5.5nm NiSi

積層とNi-3.0nmが同様のピーク

シート抵抗とXPSの結果から、

Ni/Si積層構造でもNiSi2が形成

していると考えられる

Ni-5.5nmはNiSiのピークNi-3.0nmはNiSi2のピーク

Ni-5.5nm

Ni-3.0nm

積層

Ni

NiSi

9

積層

Binding energy (eV)851853855857

Inte

nsity

(a.u

.)

λsin80o

= 9.41nm

λsin52o

= 7.53nmλsin40o

= 6.15nmλsin30o

= 4.78nmhν=7938.57eVNi 2p3/2

角度依存性がほとんどないため、均一な膜が形成

NiSi2

500 oC

実験結果 ~ AR-XPS ~

80 o

30 o

θ積層silicide

n-Si(100) Sub

10

as deposited 500 oC annealing

10nm 10nm

Si (100)Si (100)

NiSi2

・熱処理前後で膜厚に変化がなく、Si基板の消費なし

・平坦な界面と表面

実験結果 ~ 断面TEM ~

積層

8 set ofNi/Si layers

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まとめ

Ni/Si積層構造によって形成したNi silicide

NiSi2が低温の熱処理により形成され、高温まで凝集が

生じない

低温の熱処理においても界面および表面が平坦である

均一な膜が形成している

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謝辞

本研究はNEDOの支援により実施された

ご静聴ありがとうございました