Abstract
We investigated the silicide reaction stability between 10 nm-Col-xNix alloy films and silicon substrates with the existence of 4 nm-thick natural oxide layers. We thermally evaporated 10 nm-Col-xNix alloy films by varying $x=0.1{\sim}0.9$ on naturally oxidized single crystal and 70 nm-thick polycrystalline silicon substrates. The films structures were annealed by rapid thermal annealing (RTA) from $600^{\circ}C$ to $1100^{\circ}C$ for 40 seconds with the purpose of silicidation. After the removal of residual metallic residue with sulfuric acid, the sheet resistance, microstructure, composition, and surface roughness were investigated using a four-point probe, a field emission scanning electron microscope, a field ion bean4 an X-ray diffractometer, and an Auger electron depth profiling spectroscope, respectively, to confirm the silicide reaction. The residual stress of silicon substrate was also analyzed using a micro-Raman spectrometer We report that the silicide reaction does not occur if natural oxides are present. Metallic oxide residues may be present on a polysilicon substrate at high silicidation temperatures. Huge residual stress is possible on a single crystal silicon substrate at high temperature, and these may result in micro-pinholes. Our results imply that the natural oxide layer removal process is of importance to ensure the successful completion of the silicide process with CoNi alloy films.
코발트 니켈 합금형 실리사이드 공정에서 단결정실리콘과 다결정실리콘 기판에 자연산화막이 있는 경우 나노급 두께의 코발트 니켈 합금 금속을 증착하고 실리사이드화하는 경우의 반응 안정성을 확인하였다. 4인치 P-type(100)Si 기판 전면에 poly silicon을 입힌 기판과 single silicon 상태의 두 종류 기판을 준비하고 두께 4 nm의 자연산화막이 있는 상태에서 10 nm 코발트 니켈 합금을 니켈의 상대조성을 $10{\sim}90%$로 달리하며 열증착하였다. 통상의 600, 700, 800, 900, 1000, $1100^{\circ}C$ 각 온도에서 실리사이드화 열처리를 시행 후 잔류 합금층을 제거하고, XRD(X-ray diffraction)및 FE-SEM(Field emission scanning electron microscopy), AES(Auger electron spectroscopy)를 사용하여 실리사이드가 생겼는지 확인하였다. 마이크로라만 분석기로 실리사이드 반응시의 실리콘 층의 잔류 스트레스도 확인하였다. 자연산화막이 존재하는 경우 실리사이드 반응이 진행되지 않았고, 폴리실리콘 기판과 고온에서는 금속과 산화층의 반응잔류물이 생성되었다. 단결정 기판의 고온열처리에서는 실리사이드 반응이 없더라도 핀홀이 발생할 수 있는 정도의 열스트레스가 존재하였다. 코발트 니켈 복합실리사이드 공정에서는 자연산화막을 제거하는 공정이 필수적이었다.
