Ｎiシリサイド電極形成にともなう 欠陥導入過程の考察

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1 Ｎiシリサイド電極形成にともなう 欠陥導入過程の考察
日本顕微鏡学会第63回学術講演会　 2007年5月20日, 朱鷺メッセ（新潟） 　Ｎiシリサイド電極形成にともなう 　　　　　　　　　　　　欠陥導入過程の考察 一色 俊之１，西尾 弘司１，溝部 誠２，中村 勇１， 深田 卓史３，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 ① MOSトランジスタの微細化：低消費電力・高速動作・生産性向上 スケーリング則に基づいた，
　　ゲート（チャネル）長短縮 　　低電圧化 　　ゲート絶縁膜の極薄化 　　etc．．．． Source Drain Gate MOSFET 低コンタクト抵抗化：シリサイド 低VD化 チャネル長：短 浅い接合 高濃度ドープ 低抵抗電極形成：Niシリサイド ソースドレインの極浅接合(Ultra Shallow Junction) 　　　　　　　　　　 高キャリア濃度化 素子製造（電極形成）に問題

3 Introduction ② 目的：断面ＴＥＭ法によるピラミッド欠陥形成過程の解明 極浅接合(USJ) 高キャリア濃度
Source Drain Gate MOSFET 極浅接合(USJ)　　 高キャリア濃度 低抵抗電極（Niシリサイド） シリサイド化反応で，電極下に欠陥が生成 （ピラミッド欠陥（スパイク欠陥）） リーク電流の発生　 × 消費電力増大，動作不良，素子破壊 リーク電流 pyramid欠陥 Ｎｉシリサイド層 目的：断面ＴＥＭ法によるピラミッド欠陥形成過程の解明

4 Niシリサイドとピラミッド欠陥 ピラミッド欠陥の構造 ＮｉＳｉ層 ・ Ｓｉと同一の結晶格子 ・ Si{111}面を境界，格子のずれ
・　Ｓｉと同一の結晶格子 ・　 Si{111}面を境界，格子のずれ ・　Ｓｉより暗いコントラスト ・　積層欠陥コントラスト(縞状)が不明瞭 ＮｉＳｉ層 {１１１} Ｓｉ {111} Si Ｓｉ基板 　△　積層欠陥　　　ダイヤモンド構造の｛１１１｝面のすべり多面体 　○　シリサイド相の貫入　　Siと整合する結晶格子 　　　　　⇒　ＮｉＳｉ２（× 蛍石型高温相　　○ 非蛍石型低温相）

5 試料作製と熱処理 Annealing systems Ni p-type Si wafer 10nm Hot-plate annealing
アクセプタイオン打ち込み Si(001) Si(001) 低キャリア濃度基板（p－） 高キャリア濃度基板（p＋） Ni p-type Si wafer 10nm Ｎｉ sputtering　(R.T) Annealing systems Hot-plate annealing 10 min wafer hot plate Ta = hot plate temperature 473K~723K 10min in N2 Ni-silicide p-type Si wafer

6 熱処理前のNiスパッタ基板 低キャリア濃度基板（p－） Ni層 無欠陥・結晶性良好 高キャリア濃度基板（p＋） Ni層
欠陥コントラスト有・結晶性不良 高濃度イオン打ち込みによる表層欠陥の残留

7 Ｎｉシリサイド形成と欠陥生成 ① 低キャリア濃度基板（p－） 高キャリア濃度基板（p＋） 残留欠陥の存在 熱処理前 残留欠陥近傍に格子歪
Ｎｉシリサイド形成と欠陥生成　① 低キャリア濃度基板（p－） 高キャリア濃度基板（p＋） 残留欠陥の存在 熱処理前 Ni2Si層の形成 残留欠陥近傍に格子歪 225℃ 275℃ ピラミッド欠陥の発生 NiSi層の形成 300℃

8 Ｎｉシリサイド形成と欠陥生成 ② 高キャリア濃度試料のみピラミッド欠陥発生 300℃付近の熱処理で発生が顕著 低キャリア濃度基板（p－）
Ｎｏｔ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ ピラミッド欠陥有 325℃ 界面ラフネス大 350℃ 400℃ NiSiの単層化 ピラミッド欠陥なし 450℃ 全温度域でピラミッド欠陥の発生なし 高キャリア濃度試料のみピラミッド欠陥発生 300℃付近の熱処理で発生が顕著

9 Si-Niシリサイド界面の HRTEM 観察
高キャリア濃度基板（p＋） Ni2Si層 NiSi2層 欠陥・格子歪 Ni層 225oC 225oC 残留欠陥 Si基板 NiSi2層 Ni2Si層 Si基板 {111}界面 熱処理前 NiSi層 275oC Si基板

10 Si-Niシリサイド界面の HRTEM 観察
高キャリア濃度基板（p＋） NiSi層 積層欠陥 {111} Si Si基板 Si基板 ピラミッド欠陥の発生初期 Annealing temp. = 573K (300oC)

11 Si-Niシリサイド界面の HRTEM 観察
高キャリア濃度基板（p＋） Ni2Si層 NiSi層 NiSi層 {111} Si {111} Si {111} Si {111} Si Si基板 Si基板 Annealing temp. = 573K (300oC) Annealing temp. = 598K (325oC)

12 ピラミッド欠陥形成の温度領域 低キャリア濃度試料 高キャリア濃度試料 基板内欠陥（残留欠陥）の存在
全温度域でピラミッド欠陥は観察されず 高キャリア濃度試料　　　基板内欠陥（残留欠陥）の存在 225℃～275℃　 シリサイド化進行と残留欠陥の一部侵食　　歪コントラスト 300℃～325℃　 ピラミッド欠陥の形成顕著　　←　Ｎｉ２ＳｉからＮｉＳｉへの相変態温度域 350℃～400℃　 界面の凹凸大きく，凹部下層に微細なピラミッド欠陥 450℃　　　　　　　ピラミッド欠陥の発生なし　　⇒　ピラミッド欠陥生成温度域を通過　 残留欠陥 Ni2Si ⇒ NiSi Ni ⇒ Ni2Si Ni2Siの成長 ⇒ 残留欠陥消滅：不完全 界面応力による歪みコントラスト 残留原因：高濃度注入？ 　　　　　　　 アニール不足？ ピラミッド欠陥形成 NiSi ～30nm ～15nm ～20nm 欠陥なし ピラミッド欠陥 界面ラフネス増大 ピラミッド欠陥形成 ：　相変態と残存欠陥の関連を示唆

13 再熱処理とピラミッド欠陥 450℃ 熱処理前 ＮｉＳｉ，ピラミッド欠陥なし 再 460℃ ＮｉＳｉ，ピラミッド欠陥なし
225℃：Ｎｉ２Ｓｉ+残留欠陥・格子歪み ＮｉＳｉ，ピラミッド欠陥なし 再 460℃ 300℃：ＮｉＳｉ（Ｎｉ２Ｓｉ）+ピラミッド欠陥 ＮｉＳｉ，ラフ凹部にピラミッド欠陥残存 相変態温度域の滞留がピラミッド欠陥生成を誘起 一度生成したピラミッド欠陥は再熱処理では消失しない

14 ま と め ピラミッド欠陥の構造 ｛１１１｝界面でSiと整合した結晶格子・同一パターン ピラミッド欠陥の生成
ま　と　め ピラミッド欠陥の構造 　　｛１１１｝界面でSiと整合した結晶格子・同一パターン 貫入シリサイド相（NiSi2　非蛍石型構造）　　 ピラミッド欠陥の生成 　　 相変態温度（300℃近傍）での滞留 イオン打ち込みの残留欠陥 　　残留欠陥 ⇒ 応力・歪集中 ⇒積層欠陥形成 ⇒ Ｎｉ拡散進行 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ⇒　ピラミッド欠陥形成　 再アニール処理 ピラミッド欠陥のアニール除去は困難 　　　　（シリサイド化進行で消失するが界面のラフネス増大） ピラミッド欠陥形成に関与 熱処理温度域の選択・残留欠陥の除去 　　　　　　　　　　　　　　　　　　⇒　ピラミッド欠陥形成を抑制