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

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.

Tabela de Resistividades (-cm) Cu 1.7 TiSi2 13 – 16 Au 2.2 CoSi2 14 - 20 Al 3.1 – 3.3 Pt-Si 28 – 35 Mo 4.8 TaSi2 35 – 45 W 5.5 WSi2 30 – 70 Ta 50 MoSi2 40 - 90 Poly-Si 1000

Coef. Expansão Térmica (10-6/ºC) Pontos de Fusão Material Ponto de Fusão (ºC) Coef. Expansão Térmica (10-6/ºC) Si 1420 3.0 Si-poli 1470 Ti 1670 8.5 Mo 2620 5.0 W 3410 4.5 Ta 2996 6.5 TiSi2 1540 10.5 TaSi2 2400 8.8 WSi2 2165 6.2 MoSi2 1870 8.2

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 Processo Salicide Siliceto de Titânio auto-alinhado Deposição de Ti Recozimento para Silicetação Remoção de Ti 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.