IE726 – Processos de Filmes Finos

1. IE726 – Processos de Filmes Finos Prof. Ioshiaki Doi FEEC-UNICAMP 05/04/2003 Capítulo 9.1 – Silicetos

2. 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.

3. 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.

4. 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).

5. 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.

6. Tabela de Resistividades (-cm)

7. Pontos de Fusão

8. 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.

9. Requisitos para Materiais Silicetos 1 • Baixa resistividade; • Fácil formação; • Propriedade de controle da oxidação; • Estabilidade a alta temperatura; • Superfície lisa; • Resistente a corrosão.

10. 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.

11. 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.

12. Aplicação de Silicetos • Metalização de porta (policeto)  (1); • Metal de contato ohmico/barreira (tecnologia Salicide)  (2); • Interconexão Local  (3); • Resistores de filmes finos.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Recozimento para Silicetação Deposição de Ti Remoção de Ti Processo Salicide • Siliceto de Titânio auto-alinhado • Salicide – parte integrante do processo CMOS atual.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. Espessura do TiSi2 vs. Temperatura e Tempo de RTA • Wafer: <100> p-type Si; • Deposição do metal: 200 nm de sputtering de Ti.

28. Estrutura do Siliceto de Titânio XRD de siliceto de titânio

29. 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.

30. 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.

31. Resistência de Folha do CoSi2 • Rs da ordem de 3 /sq para T de 700 – 950ºC.

32. 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.

33. 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.