IE726 – Processos de Filmes IE726 – Processos de Filmes FinosFinos

Capítulo 9.1 – Capítulo 9.1 – Silicetos Silicetos Prof. Ioshiaki Doi

FEEC-UNICAMP05/04/2003

•O Que São Silicetos?O Que São Silicetos?

Formado por reação de metal (de Formado por reação de metal (de transição ou nobre) com Si. transição ou nobre) com Si. Exemplos: TiSiExemplos: TiSi22, TaSi, TaSi22, MoSi, MoSi22, CoSi, CoSi22, , WSiWSi22, PtSi, PtSi22, etc.; , etc.;

Resistência mais baixa que o si-poli. Resistência mais baixa que o si-poli. Excelente para contato, metal de Excelente para contato, metal de porta e resistor de filmes finos;porta e resistor de filmes finos;

Ponto de fusão mais alto que Al Ponto de fusão mais alto que Al pode suportar temperaturas mais pode suportar temperaturas mais altas.altas.

•11oo Material de Contato Material de Contato - Al- Al

Fácil de depositar e fazer corrosão;Fácil de depositar e fazer corrosão; Resistência a temperatura pobre, Resistência a temperatura pobre,

devido ao baixo ponto de fusão;devido ao baixo ponto de fusão; Problemas de eletromigração para Problemas de eletromigração para

altas densidades de corrente;altas densidades de corrente; Problemas de spiking: Al penetra no Problemas de spiking: Al penetra no

Si e forma liga, arruinando o Si e forma liga, arruinando o dispositivo. Inadequado para dispositivo. Inadequado para junções rasas.junções rasas.

•Material de Contato Material de Contato Seguinte: Si-Policristalino Seguinte: Si-Policristalino (si-poli)(si-poli)

Compatibilidade com processamento Compatibilidade com processamento a altas temperaturas;a altas temperaturas;

Compatibilidade de função de Compatibilidade de função de trabalho, não necessita de barreiras;trabalho, não necessita de barreiras;

Excelente interface com SiOExcelente interface com SiO22,,

Mesmo altamente dopado, alta Mesmo altamente dopado, alta resistividade (1000 resistividade (1000 -cm).-cm).

•Porque Contato de Porque Contato de Siliceto?Siliceto?

Boa estabilidade térmica;Boa estabilidade térmica; Boa condutividade elétrica – Boa condutividade elétrica –

melhor que o si-poli;melhor que o si-poli; Reação de silicetação é um Reação de silicetação é um

importante mecanismo para importante mecanismo para eliminação de óxido nativo, eliminação de óxido nativo, traps e defeitos da interface traps e defeitos da interface contato mais confiável.contato mais confiável.

•Tabela de Resistividades Tabela de Resistividades ((-cm)-cm)

CuCu 1.71.7 TiSiTiSi22 13 – 1613 – 16

AuAu 2.22.2 CoSiCoSi22 14 - 2014 - 20

AlAl 3.1 – 3.1 – 3.33.3

Pt-SiPt-Si 28 – 3528 – 35

MoMo 4.84.8 TaSiTaSi22 35 – 4535 – 45

WW 5.55.5 WSiWSi22 30 – 7030 – 70

TaTa 5050 MoSiMoSi22 40 - 9040 - 90

Poly-SiPoly-Si 10001000

•Pontos de FusãoPontos de Fusão

MaterialMaterial Ponto de Fusão Ponto de Fusão (ºC)(ºC)

Coef. Expansão Coef. Expansão Térmica Térmica (10(10-6-6/ºC)/ºC)

SiSi 14201420 3.03.0

Si-poliSi-poli 14701470 3.03.0

TiTi 16701670 8.58.5

MoMo 26202620 5.05.0

WW 34103410 4.54.5

TaTa 29962996 6.56.5

TiSiTiSi22 15401540 10.510.5

TaSiTaSi22 24002400 8.88.8

WSiWSi22 21652165 6.26.2

MoSiMoSi22 18701870 8.28.2

• Metais que podem formar Metais que podem formar Silicetos: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 Requisitos para Materiais Silicetos 1Silicetos 1

Baixa resistividade;Baixa resistividade; Fácil formação;Fácil formação; Propriedade de controle da Propriedade de controle da

oxidação;oxidação; Estabilidade a alta Estabilidade a alta

temperatura;temperatura; Superfície lisa;Superfície lisa; Resistente a corrosão.Resistente a corrosão.

•Requisitos para Materiais Requisitos para Materiais Silicetos 2Silicetos 2

Formação de contato estável em Si e Formação de contato estável em Si e Al;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 Estabilidade durante processamento a

alta temperatura.alta temperatura.

• Métodos de Formação de Métodos de Formação de SilicetosSilicetos

Reação metalúrgica direta com o metal Reação metalúrgica direta com o metal depositado por evaporação, sputter ou depositado por evaporação, sputter ou CVD:CVD:

M + xSi M + xSi MSi MSixx

Co-evaporação de fontes Co-evaporação de fontes independentes de Si e M;independentes de Si e M;

Co-sputtering de alvos independentes Co-sputtering de alvos independentes de Si e M;de Si e M;

Sputtering de alvos compostos de MSiSputtering de alvos compostos de MSixx;; Deposição por CVD.Deposição por CVD.

•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.

•Estrutura PolicetoEstrutura PolicetoSi-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.

•PolicetoPoliceto

Usado principalmente para redução Usado principalmente para redução da resistência de porta de da resistência de porta de dispositivos MOS;dispositivos MOS;

Tem função de trabalho de si-poli;Tem função de trabalho de si-poli; Tem interface si-poli/SiOTem interface si-poli/SiO22 confiável; confiável;

Pode ser passivado por oxidação.Pode ser passivado por oxidação.

•Processo Salicide (self-Processo Salicide (self-aligned silicide)aligned silicide)

Etapas envolvidas: Etapas envolvidas: – Formação de espaçador lateral Formação de espaçador lateral

(óxido ou nitreto);(óxido ou nitreto);– Deposição do metal por PVD;Deposição do metal por PVD;– Recozimento para reação de Recozimento para reação de

silicetação;silicetação;– Remoção seletiva de metais não Remoção seletiva de metais não

reagidos sem afetar o siliceto.reagidos sem afetar o siliceto.

•Processo SalicideProcesso Salicide• Siliceto de Titânio auto-alinhadoSiliceto de Titânio auto-alinhado

Deposição

de Ti

Recozimento para

Silicetação

Remoção de Ti

Salicide – parte integrante do processo CMOS atual.

•Alguns Silicetos para Alguns Silicetos para Contatos 1Contatos 1

• Ti-SiTi-Si Não reativo em reações térmicas;Não reativo em reações térmicas; TiSi (500 ºC) e TiSiTiSi (500 ºC) e TiSi22 (600 ºC); (600 ºC); Excelente propriedade de adesão com Excelente propriedade de adesão com

Si e SiOSi e SiO22;; Tecnologicamente importante.Tecnologicamente importante.

• W-SiW-Si Não reativo e abrupto em reações Não reativo e abrupto em reações

térmicas;térmicas; 500 ºC, observa-se mistura;500 ºC, observa-se mistura; 750 ºC, observa-se formação de WSi750 ºC, observa-se formação de WSi22..

• Ni-SiNi-Si Observa mistura e reação Observa mistura e reação

expontânea;expontânea; NiNi22Si (<300 ºC); Si (<300 ºC);

NiNi55SiSi22 (400 ºC), (400 ºC),

NiNi33Si (450 ºC);Si (450 ºC); NiSi (350 – 750 ºC);NiSi (350 – 750 ºC); NiSiNiSi22 (750 ºC) – estável. (750 ºC) – estável.

•Alguns Silicetos para Alguns Silicetos para Contatos 2Contatos 2

• Au-SiAu-Si Reativo com mistura substancial mesmo a Reativo com mistura substancial mesmo a

baixas temperaturas;baixas temperaturas; Tendência de formação de ligas, mais do Tendência de formação de ligas, mais do

que siliceto;que siliceto; Observa envelhecimentoObserva envelhecimento

• Pd-SiPd-Si Reativo em reações térmicas;Reativo em reações térmicas; Forma PdSi a 700 ºC;Forma PdSi a 700 ºC; PdPd22Si – rejeita dopantes (As, P, etc.) Si – rejeita dopantes (As, P, etc.)

fazendo deslocar para a interface Si-fazendo deslocar para a interface Si-siliceto, aumentando a concentração de siliceto, aumentando a concentração de dopante na superfície.dopante na superfície.

•Alguns Silicetos para Alguns Silicetos para Contatos 3Contatos 3

• Pt-SiPt-Si PtPt22Si (200-500 ºC) e PtSi (300 ºC);Si (200-500 ºC) e PtSi (300 ºC); Observa rejeição de dopantes;Observa rejeição de dopantes; Forma uma das barreiras mais altas Forma uma das barreiras mais altas

resistência de contato alto.resistência de contato alto.• Co-SiCo-Si

Tecnologicamente importante, superior ao Tecnologicamente importante, superior ao Ti-Si;Ti-Si;

Ao contrário de Ti, não forma Ao contrário de Ti, não forma aglomerações a temperaturas altas. aglomerações a temperaturas altas. Temperatura de recozimento é baixo;Temperatura de recozimento é baixo;

Formado em 2 etapas: primeira forma Formado em 2 etapas: primeira forma CoSi a 450 ºC e a segunda, CoSiCoSi a 450 ºC e a segunda, CoSi22 a 700 ºC. a 700 ºC.

•Alguns Silicetos para Alguns Silicetos para Contatos 4Contatos 4

•Rugosidade de Vários Rugosidade de Vários FilmesFilmes

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 Silicetos para Aplicações ULSIULSI

TiSiTiSi22 e CoSi e CoSi22 são os mais atrativos 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 TiSiFormação do TiSi22

Recozimento em 2 etapas (650ºC e 750-800ºC) Recozimento em 2 etapas (650ºC e 750-800ºC) e remoção seletiva do Ti não reagido;e remoção seletiva do Ti não reagido;

2 etapas, inibe o crescimento lateral do TiSi2 etapas, inibe o crescimento lateral do TiSi22, , por causa do TiN formado no primeiro anneal por causa do TiN formado no primeiro anneal sobre a superfície do TiSisobre a superfície do TiSi22 atual como atual como barreira para o metal durante a segunda etapa;barreira para o metal durante a segunda etapa;

22aa etapa a 800ºC: transformação C49 para C54; etapa a 800ºC: transformação C49 para C54; C49 filme de alta resistência e C54 fase de C49 filme de alta resistência e C54 fase de

baixa resistência;baixa resistência; Forma uma camada de TiSiForma uma camada de TiSi22 uniforme de baixa uniforme de baixa

resistência sobre si-poli dopado.resistência sobre si-poli dopado.

•Siliceto de Cobalto Siliceto de Cobalto (CoSi(CoSi22))

Limitações do processo salicide de Limitações do processo salicide de Ti: Ti: – Dimensões < 0.25 Dimensões < 0.25 m, causa aumento m, causa aumento

da temperatura de transição C49 da temperatura de transição C49 C54; C54;– A diminuição da espessura do siliceto, A diminuição da espessura do siliceto,

causa aglomeração;causa aglomeração;Reduz janela de temperatura do Reduz janela de temperatura do

processo salicide de Ti.processo salicide de Ti.

•Características do Características do CoSiCoSi22

A temperatura de formação do CoSiA temperatura de formação do CoSi22 de fase de baixa resistência é de fase de baixa resistência é independente da dimensão das linhas;independente da dimensão das linhas;

Portanto, processo salicide apropriado Portanto, processo salicide apropriado para dimensões < 0.25 para dimensões < 0.25 m;m;

Processo de TiSiProcesso de TiSi22 está sendo está sendo substituído por CoSisubstituído por CoSi22 em tecnologias em tecnologias avançadas.avançadas.

Co oxida facilmente Co oxida facilmente requer camada requer camada de proteção de TiN para prevenir da de proteção de TiN para prevenir da oxidação e obtenção de CoSioxidação e obtenção de CoSi22 uniforme; uniforme;

Co depositado por sputtering, seguido Co depositado por sputtering, seguido de TiN, sem quebrar o vácuo;de TiN, sem quebrar o vácuo;

Formação feita em 2 etapas de RTA. Formação feita em 2 etapas de RTA. TiN e os metais não reagidos são TiN e os metais não reagidos são removidos seletivamente após o 1removidos seletivamente após o 1oo RTA. O 2RTA. O 2oo RTA transforma CoSi e CoSi RTA transforma CoSi e CoSi22..

•Características do Características do CoSiCoSi22

•Espessura do TiSiEspessura do TiSi22 vs. vs. Temperatura e Tempo de Temperatura e Tempo de

RTARTA

Wafer: <100> p-type Si;

Deposição do metal: 200 nm de sputtering de Ti.

•Estrutura do Siliceto de Estrutura do Siliceto de TitânioTitânio

36 38 40 42 44

Titanium Silicide

C54 - (040)

C49 - (131)

1-24 - 600 °C

1-36 - 700 °C

1-44 - 800 °C

1-54 - 900 °C

C54 - (311)

1-15 - 550 °C

Inte

nsit

y (

a.u

.)

2 ( ° )

XRD de siliceto de titânio

•Propridedades do TiSiPropridedades do TiSi22 e e CoSiCoSi22

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 Resistência de Folha do CoSiCoSi22

Rs da ordem de 3 /sq para T de 700 – 950ºC.

•Dependência do CoSiDependência do CoSi22 com com a dimensão da linhaa 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.

1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the 1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1 – Process Technology, Lattice VLSI Era, Vol.1 – Process Technology, Lattice Press, 1986.Press, 1986.

2. J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon 2. J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, 2000.Modeling, Prentice Hall, 2000.

3. S. A. Campbell; The Science and Engineering of 3. S. A. Campbell; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 1996. Press, 1996.

4. S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, 1988.4. S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, 1988.

Referências :