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

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

2 O Que São 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.; 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.; Resistência mais baixa que o si-poli. Excelente para contato, metal de porta e resistor de filmes finos; 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. Ponto de fusão mais alto que Al pode suportar temperaturas mais altas.

3 1 o Material de Contato - Al1 o Material de Contato - Al Fácil de depositar e fazer corrosão; Fácil de depositar e fazer corrosão; Resistência a temperatura pobre, devido ao baixo ponto de fusão; Resistência a temperatura pobre, devido ao baixo ponto de fusão; Problemas de eletromigração para altas densidades de corrente; 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. 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)Material de Contato Seguinte: Si-Policristalino (si-poli) Compatibilidade com processamento a altas temperaturas; Compatibilidade com processamento a altas temperaturas; Compatibilidade de função de trabalho, não necessita de barreiras; Compatibilidade de função de trabalho, não necessita de barreiras; Excelente interface com SiO 2, Excelente interface com SiO 2, Mesmo altamente dopado, alta resistividade (1000 -cm). Mesmo altamente dopado, alta resistividade (1000 -cm).

5 Porque Contato de Siliceto?Porque Contato de Siliceto? Boa estabilidade térmica; Boa estabilidade térmica; Boa condutividade elétrica – melhor que o si-poli; 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. 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)Tabela de Resistividades ( -cm) Cu1.7 TiSi 2 13 – 16 Au2.2 CoSi Al 3.1 – 3.3 Pt-Si 28 – 35 Mo4.8 TaSi 2 35 – 45 W5.5 WSi 2 30 – 70 Ta50 MoSi Poly-Si1000

7 Pontos de FusãoPontos de Fusão Material Ponto de Fusão (ºC) Coef. Expansão Térmica (10 -6 /ºC) Si Si-poli Ti Mo W Ta TiSi TaSi WSi MoSi

8 Metais que podem formar Silicetos: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 1Requisitos para Materiais Silicetos 1 Baixa resistividade; Baixa resistividade; Fácil formação; Fácil formação; Propriedade de controle da oxidação; Propriedade de controle da oxidação; Estabilidade a alta temperatura; Estabilidade a alta temperatura; Superfície lisa; Superfície lisa; Resistente a corrosão. Resistente a corrosão.

10 Requisitos para Materiais Silicetos 2Requisitos para Materiais Silicetos 2 Formação de contato estável em Si e Al; Formação de contato estável em Si e Al; Excelente adesão; Excelente adesão; Baixo estresse; Baixo estresse; Resistente a eletromigração; Resistente a eletromigração; Baixa resistência de contato e ohmico; Baixa resistência de contato e ohmico; Estabilidade durante processamento a alta temperatura. Estabilidade durante processamento a alta temperatura.

11 Métodos de Formação de SilicetosMétodos de Formação de Silicetos Reação metalúrgica direta com o metal depositado por evaporação, sputter ou CVD: Reação metalúrgica direta com o metal depositado por evaporação, sputter ou CVD: M + xSi MSi x M + xSi MSi x Co-evaporação de fontes independentes de Si e M; Co-evaporação de fontes independentes de Si e M; Co-sputtering de alvos independentes de Si e M; Co-sputtering de alvos independentes de Si e M; Sputtering de alvos compostos de MSi x ; Sputtering de alvos compostos de MSi x ; Deposição por CVD. Deposição por CVD.

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

13 Estrutura PolicetoEstrutura 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 PolicetoPoliceto Usado principalmente para redução da resistência de porta de dispositivos MOS; Usado principalmente para redução da resistência de porta de dispositivos MOS; Tem função de trabalho de si-poli; Tem função de trabalho de si-poli; Tem interface si-poli/SiO 2 confiável; Tem interface si-poli/SiO 2 confiável; Pode ser passivado por oxidação. Pode ser passivado por oxidação.

15 Processo Salicide (self- aligned silicide)Processo Salicide (self- aligned silicide) Etapas envolvidas: 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 Processo SalicideProcesso Salicide Siliceto de Titânio auto-alinhado Siliceto de Titânio auto-alinhado Deposição de Ti Recozimento para Silicetação Remoção de Ti Salicide – parte integrante do processo CMOS atual.

17 Alguns Silicetos para Contatos 1Alguns Silicetos para Contatos 1 Ti-Si Ti-Si Não reativo em reações térmicas; Não reativo em reações térmicas; TiSi (500 ºC) e TiSi 2 (600 ºC); TiSi (500 ºC) e TiSi 2 (600 ºC); Excelente propriedade de adesão com Si e SiO 2 ; Excelente propriedade de adesão com Si e SiO 2 ; Tecnologicamente importante. Tecnologicamente importante. W-Si W-Si Não reativo e abrupto em reações térmicas; Não reativo e abrupto em reações térmicas; 500 ºC, observa-se mistura; 500 ºC, observa-se mistura; 750 ºC, observa-se formação de WSi ºC, observa-se formação de WSi 2.

18 Ni-Si Ni-Si Observa mistura e reação expontânea; Observa mistura e reação expontânea; Ni 2 Si (<300 ºC); Ni 2 Si (<300 ºC); Ni 5 Si 2 (400 ºC), Ni 5 Si 2 (400 ºC), Ni 3 Si (450 ºC); Ni 3 Si (450 ºC); NiSi (350 – 750 ºC); NiSi (350 – 750 ºC); NiSi 2 (750 ºC) – estável. NiSi 2 (750 ºC) – estável. Alguns Silicetos para Contatos 2Alguns Silicetos para Contatos 2

19 Au-SiAu-Si Reativo com mistura substancial mesmo a baixas temperaturas; Reativo com mistura substancial mesmo a baixas temperaturas; Tendência de formação de ligas, mais do que siliceto; Tendência de formação de ligas, mais do que siliceto; Observa envelhecimento Observa envelhecimento Pd-SiPd-Si Reativo em reações térmicas; Reativo em reações térmicas; Forma PdSi a 700 ºC; Forma PdSi a 700 ºC; Pd 2 Si – rejeita dopantes (As, P, etc.) fazendo deslocar para a interface Si-siliceto, aumentando a concentração de dopante na superfície. Pd 2 Si – rejeita dopantes (As, P, etc.) fazendo deslocar para a interface Si-siliceto, aumentando a concentração de dopante na superfície. Alguns Silicetos para Contatos 3Alguns Silicetos para Contatos 3

20 Pt-SiPt-Si Pt 2 Si ( ºC) e PtSi (300 ºC); Pt 2 Si ( ºC) e PtSi (300 ºC); Observa rejeição de dopantes; Observa rejeição de dopantes; Forma uma das barreiras mais altas resistência de contato alto. Forma uma das barreiras mais altas resistência de contato alto. Co-SiCo-Si Tecnologicamente importante, superior ao Ti-Si; Tecnologicamente importante, superior ao Ti-Si; Ao contrário de Ti, não forma aglomerações a temperaturas altas. Temperatura de recozimento é baixo; 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, CoSi 2 a 700 ºC. Formado em 2 etapas: primeira forma CoSi a 450 ºC e a segunda, CoSi 2 a 700 ºC. Alguns Silicetos para Contatos 4Alguns Silicetos para Contatos 4

21 Rugosidade de Vários FilmesRugosidade de Vários Filmes Si-poli dopado Ti sobre si-poli, 900ºC em H 2 Ta sobre si-poli, 1000ºC em H 2 Co-sputtering de TaSi sobre si-poli, recozido a 1000ºC

22 Silicetos para Aplicações ULSISilicetos para Aplicações ULSI TiSi 2 e CoSi 2 são os mais atrativos TiSi 2 e CoSi 2 são os mais atrativos Dificuldades do processo Salicide de TiSi 2 : Aumento da resistência do TiSi 2 com diminuição da largura da linha; Aumento de R s do TiSi 2 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 TiSi 2Formação do TiSi 2 Recozimento em 2 etapas (650ºC e ºC) e remoção seletiva do Ti não reagido; Recozimento em 2 etapas (650ºC e ºC) e remoção seletiva do Ti não reagido; 2 etapas, inibe o crescimento lateral do TiSi 2, por causa do TiN formado no primeiro anneal sobre a superfície do TiSi 2 atual como barreira para o metal durante a segunda etapa; 2 etapas, inibe o crescimento lateral do TiSi 2, por causa do TiN formado no primeiro anneal sobre a superfície do TiSi 2 atual como barreira para o metal durante a segunda etapa; 2 a etapa a 800ºC: transformação C49 para C54; 2 a etapa a 800ºC: transformação C49 para C54; C49 filme de alta resistência e C54 fase de baixa resistência; C49 filme de alta resistência e C54 fase de baixa resistência; Forma uma camada de TiSi 2 uniforme de baixa resistência sobre si-poli dopado. Forma uma camada de TiSi 2 uniforme de baixa resistência sobre si-poli dopado.

24 Siliceto de Cobalto (CoSi 2 )Siliceto de Cobalto (CoSi 2 ) Limitações do processo salicide de Ti: 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. Reduz janela de temperatura do processo salicide de Ti.

25 Características do CoSi 2Características do CoSi 2 A temperatura de formação do CoSi 2 de fase de baixa resistência é independente da dimensão das linhas; A temperatura de formação do CoSi 2 de fase de baixa resistência é independente da dimensão das linhas; Portanto, processo salicide apropriado para dimensões < 0.25 m; Portanto, processo salicide apropriado para dimensões < 0.25 m; Processo de TiSi 2 está sendo substituído por CoSi 2 em tecnologias avançadas. Processo de TiSi 2 está sendo substituído por CoSi 2 em tecnologias avançadas.

26 Co oxida facilmente requer camada de proteção de TiN para prevenir da oxidação e obtenção de CoSi 2 uniforme; Co oxida facilmente requer camada de proteção de TiN para prevenir da oxidação e obtenção de CoSi 2 uniforme; Co depositado por sputtering, seguido de TiN, sem quebrar o vácuo; 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 1 o RTA. O 2 o RTA transforma CoSi e CoSi 2. Formação feita em 2 etapas de RTA. TiN e os metais não reagidos são removidos seletivamente após o 1 o RTA. O 2 o RTA transforma CoSi e CoSi 2. Características do CoSi 2Características do CoSi 2

27 Espessura do TiSi 2 vs. Temperatura e Tempo de RTAEspessura do TiSi 2 vs. Temperatura e Tempo de RTA Wafer: p-type Si; Deposição do metal: 200 nm de sputtering de Ti.

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

29 Propridedades do TiSi 2 e CoSi 2Propridedades do TiSi 2 e CoSi 2 Resistência de Folha do TiSi 2 vs. Temperatura do RTA T > 700ºC, R s 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 TiSi 2 aumenta consideravelmente. A dimensão decresce para valor comparável ao tamanho do grão de C54 TiSi 2 ocorre falta de sítio para nucleação requer temperatura mais alta para formação do TiSi 2 de fase C54.

31 Resistência de Folha do CoSi 2Resistência de Folha do CoSi 2 R s da ordem de 3 /sq para T de 700 – 950ºC.

32 Dependência do CoSi 2 com a dimensão da linhaDependência do CoSi 2 com a dimensão da linha A vantagem comparada com o TiSi 2 é bastante clara. O CoSi 2 não degrada com a redução da linha para dimensões menores que 0.25 m.

33 1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1 – Process Technology, Lattice Press, J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, S. A. Campbell; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, Referências :


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