镍合金（NiPt、NiAl、NiY）硅化物固相反应及其与Si肖特基接触特性研究

论文摘要

为了适应半导体集成电路制造技术的发展,CMOS晶体管的栅极在结构上和材料上经历了一系列的演变。作为金属栅的热门候选材料之一,硅化镍（NiSi）由于在耗硅量、热预算、电阻率等方面的独特优势而被广泛研究。为了实现NiSi功函数往价带顶和导带底两个方向的调控,基于NiSi的镍合金硅化物被广泛探索。本文利用在Si（100）衬底上逐层溅射金属并退火生成合金化合物的方法系统研究了镍合金（Ni-Pt、Ni-Al、Ni-Y）固相反应的特性和镍合金硅化物/Si肖特基接触的特性。（1）.对含有Pt界面层Ni/Si固相反应特性的研究。在n-Si（100）衬底上依次溅射2nm厚度Pt层和20nm Ni层并退火,利用四探针、XRD分析物相并在不同温度下测量电流电压曲线获得表观肖特基势垒对于温度的漂移特性。实验发现该2nm厚度的Pt能够显著增加生成的NiSi物相的热稳定性,而双高斯分布能够对肖特基势垒的分布进行很好的拟合。同不含有Pt中间层的Ni/Si反应比较,500℃退火后Pt层使得势垒分布的均匀性得到明显改善,并使得在n型Si衬底上的肖特基势垒高度明显上升。（2）.对不同结构Ni-Al合金与Si固相反应特性的研究,包括了Ni/Si、Ni/Al/Si、Ni/Al/Ni/Si和Al/Ni/Si四种结构,其中Al的厚度为10nm而总的金属层厚度维持50nm。实验发现不同温度下退火之后均没有Al-Si以及Al-Ni化合物生成,而且Al的存在低温下阻碍了Ni/Si的固相反应,提升了NiSi的生成温度。研究还发现Al是合金中主导扩散的元素,退火过程中Al向硅化物薄膜外表面层扩散,在Ni完成完全硅化之后硅化物/衬底Si界面处无Al原子堆积,使得所加入的Al层无法对NiSi/Si的肖特基势垒进行有效调控。（3）.对不同含量Ni-Y合金与Si固相反应特性的研究。在p-Si（100）衬底上依次溅射不同厚度Ni-Y-Ni金属层并在最外层溅射Ti（20nm）/TiN（40nm）覆盖层。研究发现该Ti/TiN覆盖层结构可以有效保护Ni-Y合金硅化物的生成,并能在退火之后用H2SO4和H2O2混合溶液腐蚀去除。研究表明Y的加入对于Ni-Si的固相反应没有太大影响,而AES结果表明在1分钟低温退火下（450℃）Y已经扩散到了NiSi化合物薄膜的外表面并积累起来,界面不存在Y的分布,因而对于肖特基势垒没有显著调控。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镍硅化物工艺介绍
• 1.3 镍合金工艺的研究和对NiSi功函数调制研究的进展
• 1.4 本论文的研究计划
• 第二章 镍铂合金硅化反应及其与Si肖特基接触特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 样品制备工艺以及样品表征
• 2.2.1 样品制备
• 2.2.2 薄层电阻测量
• 2.2.3 X射线衍射（XRD）
• 2.2.4 俄歇电子能谱（AES）
• 2.2.5 电流-电压扫描（I-V）
• 2.3 镍铂合金硅化反应研究
• 2.4 镍铂合金硅化物与Si肖特基接触特性的研究
• 2.4.1 肖特基势垒分布函数的提出
• 2.4.2 肖特基势垒的电学分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 镍铝合金硅化反应及其与Si肖特基接触特性研究
• 3.1 已经开展的镍铝合金硅化物研究
• 3.2 镍铝合金硅化反应研究
• 3.3 镍铝合金硅化物与Si肖特基接触特性的研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 镍稀土（钇）合金硅化反应及其与Si肖特基接触特性研究
• 4.1 镍钇合金硅化反应研究
• 4.2 镍钇合金硅化物与Si肖特基接触特性的研究
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者在研究生期间发表论文目录