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IE726 – Processos de Filmes Finos. Prof. Ioshiaki Doi FEEC-UNICAMP 05/04/2003. Capítulo 9.1 – Silicetos. O Que São Silicetos?. Formado por reação de metal (de transição ou nobre) com Si. Exemplos: TiSi 2 , TaSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , WSi 2 , PtSi 2 , etc.;
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IE726 – Processos de Filmes Finos Prof. Ioshiaki Doi FEEC-UNICAMP 05/04/2003 Capítulo 9.1 – Silicetos
O Que São Silicetos? Formado por reação de metal (de transição ou nobre) com Si. Exemplos: TiSi2, TaSi2, MoSi2, CoSi2, WSi2, PtSi2, etc.; Resistência mais baixa que o si-poli. Excelente para contato, metal de porta e resistor de filmes finos; Ponto de fusão mais alto que Al pode suportar temperaturas mais altas.
1o Material de Contato - Al • Fácil de depositar e fazer corrosão; • Resistência a temperatura pobre, devido ao baixo ponto de fusão; • Problemas de eletromigração para altas densidades de corrente; • Problemas de spiking: Al penetra no Si e forma liga, arruinando o dispositivo. Inadequado para junções rasas.
Material de Contato Seguinte: Si-Policristalino (si-poli) • Compatibilidade com processamento a altas temperaturas; • Compatibilidade de função de trabalho, não necessita de barreiras; • Excelente interface com SiO2, • Mesmo altamente dopado, alta resistividade (1000 -cm).
Porque Contato de Siliceto? • Boa estabilidade térmica; • Boa condutividade elétrica – melhor que o si-poli; • Reação de silicetação é um importante mecanismo para eliminação de óxido nativo, traps e defeitos da interface contato mais confiável.
Metais que podem formar Silicetos: • Todos os metais podem formar silicetos. Exceto os que encontram dentro das linhas cheias. • Metais dentro das linhas quebradas, formam silicetos por reação térmica a temperaturas moderadas.
Requisitos para Materiais Silicetos 1 • Baixa resistividade; • Fácil formação; • Propriedade de controle da oxidação; • Estabilidade a alta temperatura; • Superfície lisa; • Resistente a corrosão.
Requisitos para Materiais Silicetos 2 • Formação de contato estável em Si e Al; • Excelente adesão; • Baixo estresse; • Resistente a eletromigração; • Baixa resistência de contato e ohmico; • Estabilidade durante processamento a alta temperatura.
Métodos de Formação de Silicetos • Reação metalúrgica direta com o metal depositado por evaporação, sputter ou CVD: • M + xSi MSix • Co-evaporação de fontes independentes de Si e M; • Co-sputtering de alvos independentes de Si e M; • Sputtering de alvos compostos de MSix; • Deposição por CVD.
Aplicação de Silicetos • Metalização de porta (policeto) (1); • Metal de contato ohmico/barreira (tecnologia Salicide) (2); • Interconexão Local (3); • Resistores de filmes finos.
Estrutura Policeto Si-poli/siliceto • Formado depositando o metal sobre o si-poli e reagindo para formar o siliceto + si-poli: • Deposição do metal; • Recozimento para formar o siliceto; • Remoção seletiva do metal não reagido.
Policeto • Usado principalmente para redução da resistência de porta de dispositivos MOS; • Tem função de trabalho de si-poli; • Tem interface si-poli/SiO2 confiável; • Pode ser passivado por oxidação.
Processo Salicide (self-aligned silicide) • Etapas envolvidas: • Formação de espaçador lateral (óxido ou nitreto); • Deposição do metal por PVD; • Recozimento para reação de silicetação; • Remoção seletiva de metais não reagidos sem afetar o siliceto.
Recozimento para Silicetação Deposição de Ti Remoção de Ti Processo Salicide • Siliceto de Titânio auto-alinhado • Salicide – parte integrante do processo CMOS atual.
Alguns Silicetos para Contatos 1 • Ti-Si • Não reativo em reações térmicas; • TiSi (500 ºC) e TiSi2 (600 ºC); • Excelente propriedade de adesão com Si e SiO2; • Tecnologicamente importante. • W-Si • Não reativo e abrupto em reações térmicas; • 500 ºC, observa-se mistura; • 750 ºC, observa-se formação de WSi2.
Alguns Silicetos para Contatos 2 • Ni-Si • Observa mistura e reação expontânea; • Ni2Si (<300 ºC); • Ni5Si2 (400 ºC), • Ni3Si (450 ºC); • NiSi (350 – 750 ºC); • NiSi2 (750 ºC) – estável.
Alguns Silicetos para Contatos 3 • Au-Si • Reativo com mistura substancial mesmo a baixas temperaturas; • Tendência de formação de ligas, mais do que siliceto; • Observa envelhecimento • Pd-Si • Reativo em reações térmicas; • Forma PdSi a 700 ºC; • Pd2Si – rejeita dopantes (As, P, etc.) fazendo deslocar para a interface Si-siliceto, aumentando a concentração de dopante na superfície.
Alguns Silicetos para Contatos 4 • Pt-Si • Pt2Si (200-500 ºC) e PtSi (300 ºC); • Observa rejeição de dopantes; • Forma uma das barreiras mais altas resistência de contato alto. • Co-Si • Tecnologicamente importante, superior ao Ti-Si; • Ao contrário de Ti, não forma aglomerações a temperaturas altas. Temperatura de recozimento é baixo; • Formado em 2 etapas: primeira forma CoSi a 450 ºC e a segunda, CoSi2 a 700 ºC.
Rugosidade de Vários Filmes Si-poli dopado Ti sobre si-poli, 900ºC em H2 Ta sobre si-poli, 1000ºC em H2 Co-sputtering de TaSi sobre si-poli, recozido a 1000ºC
Silicetos para Aplicações ULSI • TiSi2 e CoSi2 são os mais atrativos • Dificuldades do processo Salicide de TiSi2: • Aumento da resistência do TiSi2 com diminuição da largura da linha; • Aumento de Rs do TiSi2 sobre si-poli dopado, devido a supressão da reação de siliceto; • Solução: amorfização da superfície do si-poli n+/p+ antes da deposição do Ti. Pré-amorfização aumenta nucleação do C54 e melhora a uniformidade da reação de siliceto.
Formação do TiSi2 • Recozimento em 2 etapas (650ºC e 750-800ºC) e remoção seletiva do Ti não reagido; • 2 etapas, inibe o crescimento lateral do TiSi2, por causa do TiN formado no primeiro anneal sobre a superfície do TiSi2 atual como barreira para o metal durante a segunda etapa; • 2a etapa a 800ºC: transformação C49 para C54; • C49 filme de alta resistência e C54 fase de baixa resistência; • Forma uma camada de TiSi2 uniforme de baixa resistência sobre si-poli dopado.
Siliceto de Cobalto (CoSi2) • Limitações do processo salicide de Ti: • Dimensões < 0.25 m, causa aumento da temperatura de transição C49 C54; • A diminuição da espessura do siliceto, causa aglomeração; • Reduz janela de temperatura do processo salicide de Ti.
Características do CoSi2 • A temperatura de formação do CoSi2 de fase de baixa resistência é independente da dimensão das linhas; • Portanto, processo salicide apropriado para dimensões < 0.25 m; • Processo de TiSi2 está sendo substituído por CoSi2 em tecnologias avançadas.
Características do CoSi2 • Co oxida facilmente requer camada de proteção de TiN para prevenir da oxidação e obtenção de CoSi2 uniforme; • Co depositado por sputtering, seguido de TiN, sem quebrar o vácuo; • Formação feita em 2 etapas de RTA. TiN e os metais não reagidos são removidos seletivamente após o 1o RTA. O 2o RTA transforma CoSi e CoSi2.
Espessura do TiSi2 vs. Temperatura e Tempo de RTA • Wafer: <100> p-type Si; • Deposição do metal: 200 nm de sputtering de Ti.
Estrutura do Siliceto de Titânio XRD de siliceto de titânio
Propridedades do TiSi2 e CoSi2 Resistência de Folha do TiSi2 vs. Temperatura do RTA • T > 700ºC, Rs 3 /sq, devido a transição para fase C54 de baixa resistência.
Redução das dimensões para escala menores que quarto de micron, a resistência de folha do TiSi2 aumenta consideravelmente. A dimensão decresce para valor comparável ao tamanho do grão de C54 TiSi2 ocorre falta de sítio para nucleação requer temperatura mais alta para formação do TiSi2 de fase C54.
Resistência de Folha do CoSi2 • Rs da ordem de 3 /sq para T de 700 – 950ºC.
Dependência do CoSi2 com a dimensão da linha • A vantagem comparada com o TiSi2 é bastante clara. O CoSi2 não degrada com a redução da linha para dimensões menores que 0.25 m.
Referências : 1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1 – Process Technology, Lattice Press, 1986. 2. J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, 2000. 3. S. A. Campbell; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 1996. 4. S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, 1988.