金属硅化物在深亚微米超大规模集成电路中的研究与应用

论文摘要

随着深亚微米超大规模集成电路的发展,芯片集成度的一再提高,工艺的特征线宽也随之减小,金属化工艺也面临了更大的挑战,同时也推动了新材料、新技术的不断进步和发展,而传统工艺中原本可以忽略的许多问题成了现在必须解决的问题。如接触电阻的增加,器件现象漏电的严重等,由此对金属化结构和互连材料提出了新的要求。结合S公司现行的BiCMOS工艺,其为实现同时完成钛硅化物欧姆接触和肖特基势垒的制作。本文从研究硅化物性能着手,试图将另外一种PtSi硅化物代替原有的TiSi2形成肖特基二极管,把PtSi和TiSi2硅化物应用到集成电路的同一IC制造中,实现工艺所需要的低接触电阻和较小漏电的肖特基二极管器件。本文研究了两种硅化物材料:PtSi和TiSi2。第一类是PtSi:在较为复杂的器件和电路中,肖特基势垒得到了广泛应用,其中应用肖特基势垒二极管最主要的原因是它能较大提高双极性晶体管的开关速度。而PtSi与其他硅化物材料相比,凭借着PtSi-Si接触良好的可靠性,成为了使用最广的硅化物材料,它与轻掺杂的n-Si衬底形成了肖特基势垒二极管;第二类硅化物是TiSi2:它拥有较低的电阻率,在深亚微米器件中,减少由于尺寸降低带来的相对接触电阻的提升。硅化物多在超大规模集成电路中使用,本文采用物理气相淀积的方法制备两类硅化物,并且研究了它们在制备过程,工艺参数调试过程中遇到的实际问题。针对Pt可能带来的沾污问题,本文从可能的污染来源和污染途径着手,并采取针对性手段,将沾污可能性降到最低。针对如何选择既适合PtSi硅化物,又适合IiSi2硅化物的扩散阻挡层问题,本文通过对两种常用扩散阻挡层（TiW薄膜和Ti/TiN薄膜）进行DOE试验对比,并参考试验结果,确定工艺所合适的最优的扩散阻挡层材料为Ti/TiN薄膜,从而获得与金属之间良好的互连。本文实现了将另外一种PtSi硅化物代替原有的TiSi2形成肖特基二极管,把PtSi和TiSi2硅化物应用到集成电路的同一IC制造中,实现工艺所需要的低接触电阻和较小漏电的肖特基二极管器件,实现了在A公司的大规模量产。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 集成电路工艺对互连薄膜的要求
• 1.2 金属硅化物薄膜的性质和机理
• 1.3 金属硅化物的应用及存在问题
• 1.3.1 应用于制作肖特基势垒二极管
• 1.3.2 应用于降低CMOS接触电阻
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第二章 金属硅化物PtSi和TiSi2的制备过程
• 2.1 应用于肖特基二极管的金属硅化物PtSi
• 2.1.1 肖特基二极管的原理
• 2.1.2 金属硅化物PtSi
• 2.2 应用于接触孔的金属硅化物TiSi2
• 2.2.1 欧姆接触
• 2.2.2 金属硅化物TiSi2
• 2.3 金属硅化物PtSi与TiSi2的制备
• 2.3.1 溅射工艺及设备
• 2.3.2 快速热退火工艺及设备
• 2.4 金属硅化物PtSi与TiSi2在同一工艺中的工艺设计
• 第三章 金属硅化物PtSi和TiSi2的工艺实验及分析测试
• 3.1 表征金属硅化物PtSi与TiSi2性能的主要参数
• 3.2 采用俄歇分析法表征金属硅化物/硅界面性能
• 3.3 金属硅化物/硅界面性能测试
• 3.3.1 肖特基二极管正向压降（VF）以及反向漏电流（Bv）测试
• 3.3.2 金-半接触孔电阻PCM性能测试
• 3.4 通过工艺程序的调试获得工艺要求的金属硅化物PtSi
• 3.4.1 淀积Pt的厚度对PtSi硅化物的影响
• 3.4.2 RTP退火对PtSi硅化物的影响
• 3.5 PtSi与TiSi2在同一工艺中的流程
• 3.5.1 TiSi2的工艺流程（掩膜版Mask1）
• 3.5.2 PtSi的工艺流程（掩膜版Mask2）
• 3.5.3 后端金属化工艺
• 3.6 硅化物在产品上的监控和表征
• 3.7 本章小结
• 第四章 硅化物应用中存在问题及DOE试验优化
• 4.1 扩散阻挡层（BARRIER LAYER）的选择
• 4.1.1 扩散阻挡层（barrier layer）
• 4.1.2 DOE实验设计
• 4.1.3 DOE试验结果
• 4.2 PtSi应用于肖特基二极管中存在问题及优化
• 4.2.1 Pt沾污失效机理
• 4.2.2 预防Pt沾污的控制方法
• 4.3 TiSi2应用于欧姆接触存在问题及优化
• 4.3.1 TiSi2的窄线宽效应
• 4.3.2 探寻解决方法
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢