Niシリサイド電極形成過程の 高分解能断面像観察による評価

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1 Niシリサイド電極形成過程の 高分解能断面像観察による評価
一色 俊之1, 西尾 弘司1, 中村 勇2, 深田卓史3,Woo Sik Yoo3 吉本 昌弘1, 播磨弘1, 1京都工芸繊維大学大学院　工芸科学研究科 2京都工芸繊維大学 電子情報工学科 3WaferMasters Inc.

2 Introduction 金属シリサイド : 半導体工業において重要な材料 ◎ NiSi △CoSi2,TiSi2,WSi2
近年の高集積デバイスに求められる 金属シリサイドの特性 Source Drain Gate MOSFET 低抵抗　　　　 低温形成 　　 少ないSi消費量　　　　　　　 ◎ NiSi　　　△CoSi2,TiSi2,WSi2 Si Ni NiSi Ni2Si NiSi2 450K 600K 1000K temperature Resistivity: high low high orthorhombic orthorhombic cubic

3 Ni/p-Siにおけるラマンスペクトル 200℃ 225℃ 250℃ 275℃ 450℃ 300℃ 310℃ 325℃ 350℃ 400℃
290℃ NiSi NiSi 450℃ Ni2Si 400℃ 350℃ 325℃ 310℃ 300℃ 290℃ 275℃ 250℃ 225℃ 200℃ as sputtered

4 High-resolution transmission electron microscopy
Purpose and method Niシリサイド形成における 　　　　　　　　　　　　局所構造のナノレベルでの解析 シリサイド層のナノ構造 Si / シリサイド 界面の形態 相変化過程の詳細 局所的なシリサイド相の分布 High-resolution transmission electron microscopy HRTEM

5 Formation of Silicide on Si wafer
sputtering（RT） スパッタ法により10nm厚のNiをSi（001）上に 堆積 Ni 10nm p-type Si wafer 　　熱処理機構 ホットプレート型熱処理炉 10min N2雰囲気中 において 473K~723K 　　　　　　　　　で熱処理 　ホットプレート 基板 Ni-silicide p-type Si wafer

6 Sample preparation for cross-sectional TEM
基板を2mm x 3mmに切り出す Ni シリサイド Si 基板 切り出した２つの基板を エポキシ系樹脂で貼り合せる 観察点 JEM-2010SP 加速電圧 200KV Moリングで補強 　　　観察点 機械研磨 　　成形しAr+ イオンでシニング

7 Cross-section of silicide layer
Result of TEM observation 粒子状のNi層 表面に異なる物質を含む均一層 Niとシリサイドの2層構造 表面物質の減少 内部にコントラストを持つ一様な層 　欠陥コントラスト等が殆どない均一層 熱処理前後の断面観察像

8 Encroachment of Si substrate
10nm 20nm 10nm 15nm 18nm 19nm *像は垂直方向に 2倍に拡大 NiのSi基板内への拡散によってシリサイド化が進行 Ni層は550Kまでに完全に消費 シリサイド化の進行に伴いシリサイド層の厚さとSi基板の消費が徐々 に増大 550K以上でSi/シリサイド界面のラフネス急激に増大

9 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Before annealing (as sputtered)‏ Ni スパッタにより堆積されたNiは多結晶状, 粒子サイズ:　　 ～10nm Si substrate Ni Ni-Si ? 直ちに初期 界面相形成 Si Ni Si substrate 初期シリサイド相? スパッタ成膜されたNi層は多くの10nm程度の大きさの粒子により構成　 NiとSi基板の間に初期シリサイド相 シリコン基板とシリサイドの界面は平坦

10 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Annealing temp. = 498K (225oC)‏ Ni Ni2Si Si Niの不均一消費によりNi層が島状に残存 Ni層の直下に約10nm厚のシリサイド相（Ni2Si）形成 Si界面に小さなラフネスが見られるがほぼ平坦

11 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Annealing temp. = 498K (225oC)‏ Ni2Si 層の成長 Si substrate 不均一消費により　 Niは島状に Ni Ni2Si Ni Ni2Si 初期界面層 Si Ni2SiとSi基板間に初期界面相残存 Ni-Ni2Si界面は不明瞭

12 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Annealing temp. = 548K (275oC)‏ Ni2Si NiSi Si Niの拡散によりNi層は完全に消費 界面の形態変化が始まる NiSi相の形成に伴いSi基板にくぼみ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

13 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Annealing temp. = 548K (275oC) Si substrate Ni Ni2Si Ni2Si Ni2Si 界面にNiSi成長 Ni2Si NiSi NiSi NiSi Si substrate 初期界面相 初期界面相が部分的に消失し,その部 分にNiSiが中間層を挟まず直接形成 Si

14 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Annealing temp. = 573K (300oC)‏ Ni2Si NiSi NiSi Si substrate Ni2Si Ni2Si NiSi 表面にNi2Si残存 Si NiSi Si substrate 成長した均質なNiSi相が支配的となるが,Ni2SiはNiSi表面に残存 NiSiの形成に起因する起伏の激しい界面がNiSi-Si間に生じていた Ni2Siの位置は起伏の谷の部分に一致

15 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Annealing temp. = 583K (310oC) NiSi Ni2Si Ni3Si2 Si substrate NiSi Ni-リッチ　　 領域の減少 Si NiSi Si substrate より高温での熱処理によってシリサイド化が進行 Ni-リッチ領域は数ナノの大きさに減少　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

16 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Annealing temp. = 723K (450oC)‏ Si substrate NiSi 単一NiSi相 Si NiSi Si substrate Si substrate NiSiの大きさ : 幅100nm以上 ,厚さ20nm 界面の荒れは幾分緩やかに

17 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Annealing temp. = 723K (450oC)‏ Si substrate NiSi NiSi Si NiSi -Si界面 NiSiとSiの結晶格子はスムーズに接合していた ミスフィット転位が界面に周期的に生じていた

18 Summary of TEM observation
Ni 初期相 Ni2Si NiSi 各シリサイド相の分布概略図 Ni Ni Ni Ni2Si Ni2Si Ni2Si NiSi2 NiSi Si substrate NiSi NiSi NiSi NiSi NiSi Si substrate Si substrate Si substrate Si substrate Si substrate Si substrate 支配相 Ni Ni2Si NiSi (+Ni2Si)‏ NiSi NiSi Ni2Si(+NiSi) 界面の形態 平坦 ほぼ平坦 　部分的に　 ラフネス有 大きな　　　 ラフネス 大きな　　ラ スネス 　中程度の　ラフネス

19 Conclusions High resolution TEMによって様々な熱処理温度におけるシリ コン基板上のNiシリサイドの成長を観察した HRTEM での観察によってNiからNiSiへの相変移の過程を局 所的なNiシリサイド相の分布と共に解明した 相変移の際の各段階における界面の形態 もまた解明した 　 Ni2Si とSi 基板は直接接合しないが、NiSi とSi基板は直接接 合していた 550K周辺からNiSiの成長に伴って、界面のラフネスが増大　 し始め、そのラフネスはシリサイド層が完全にNiSiになると幾 分緩やかになった

20 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Si substrate NiSi Ni2Si Ni3Si2 Annealing temp. = 583K (310oC)‏ NiSi NiSi NiSi シリサイド相の分布を結晶格子像の フーリエ変換スペクトルによって解析 Si Si Si Si NiSi 相中に10nm程度の範囲の Ni2Si , Ni3Si2 各相を発見

21 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Before annealing (as sputtered)‏ Si substrate Ni スパッタにより堆積されたNiは多結晶状, 粒子サイズ: ～10nm Ni この状態は観 察されず・・・ 直ちに初期 界面相形成 Ni-Si ? Ni ← 初期シリサイド相? Si substrate Si 　初期界面相は何なのか? Ni2Si ? (この相は “核形成相”として知られている) ⇒　Not agree! 他のシリサイド もこの相の格子間隔や形成条件にあてはまらない

22 Cross-sectional HRTEM of Ni silicide
Before annealing (as sputtered)‏ Ni NiSi2 (非蛍石型構造)‏ NiSi2(非蛍石型構造)‏ Si Si(220)‏ 0.192nm 0.192nm 低温（熱処理なし）で形成 Si(220) の格子間隔0.192nmに一致するSiにエピタキシャ ルな格子面を確認. NiSi2 (非蛍石型構造) Ni 原子は Si‐Siの結合を切ることなく侵入方の位置（八面体位置）を占める Si [110]からの 原子投影図