Abstract
We fabricated thermally-evaporated 10 nm-Ni/30 nm and 70 nm Poly-Si/200 nm-$SiO_2/Si$ structures to investigate the thermal stability of nickel silicides formed by rapid thermal annealing(RTA) of the temperature of $300{\sim}1100^{\circ}C$ for 40 seconds. We employed for a four-point tester, field emission scanning electron microscope(FE-SEM), transmission electron microscope(TEM), high resolution X-ray diffraction(HRIXRD), and scanning probe microscope(SPM) in order to examine the sheet resistance, in-plane microstructure, cross-sectional microstructure evolution, phase transformation, and surface roughness, respectively. The silicide on 30 nm polysilicon substrate was stable at temperature up to $900^{\circ}C$, while the one on 70 nm substrate showed the conventional $NiSi_2$ transformation temperature of $700^{\circ}C$. The HRXRD result also supported the existence of NiSi-phase up to $900^{\circ}C$ for the Ni silicide on the 30 nm polysilicon substrate. FE-SEM and TEM confirmed that 40 nm thick uniform silicide layer and island-like agglomerated silicide phase of $1{\mu}m$ pitch without residual polysilicon were formed on 30 nm polysilicon substrate at $700^{\circ}C\;and\;1000^{\circ}C$, respectively. All silicides were nonuniform and formed on top of the residual polysilicon for 70 nm polysilicon substrates. Through SPM analysis, we confirmed the surface roughness was below 17 nm, which implied the advantage on FUSI gate of CMOS process. Our results imply that we may tune the thermal stability of nickel monosilicide by reducing the height of polysilicon gate.
10nm Ni/30 nm와 70nm poly Si/200nm $SiO_2/Si(100)$ 구조로부터 니켈실리사이드의 열적안정성을 연구하기 위해서 쾌속열처리기를 이용하여 실리사이드화 온도 $300{\sim}1100^{\circ}C$에서 40초간 열처리하여 실리사이드를 제조하였다. 준비된 실리사이드의 면저항값 변화, 미세구조, 상 분석, 표면조도 변화를 각각 사점면저항측정기, FE-SEM, TEM, HRXRD, SPM을 활용하여 확인하였다. 30 nm 다결정실리콘 기판 위에 형성된 실리사이드는 $900^{\circ}C$까지 열적안정성이 있었다. 반면에 70 nm 다결정실리콘 기판 위에 형성된 실리사이드는 기존연구결과와 동일한 $700^{\circ}C$ 이상에서 고저항상인 $NiSi_2$로 상변화 하였다. HRXRD로 확인한 결과, 30 nm 두께의 기판 위에 니켈실리사이드는 $900^{\circ}C$ 고온에서도 NiSi상이 유지되다가 $1000^{\circ}C$에서 $NiSi_2$로 상변화 하였다. FE-SEM 과 TEM 관찰결과, 30 nm 두께의 다결정실리콘 기판에서는 $700^{\circ}C$의 저온처리에는 잔류 다결정실리콘 없이 매우 균일하고 평탄한 40 nm의 NiSi가 형성되었고, $1000^{\circ}C$에는 선폭 $1.0{\mu}m$급의 미로형 응집상이 생성됨을 확인하였다. 70 nm 두께의 다결정실리콘 기판에서는 불균일한 실리 사이드 형성과 잔류 다결정실리콘이 존재하였다. SPM결과에서 전체 실험구간에서의 RMS 표면조도 값도 17nm 이하로 CMOS공정의 FUSI게이트 적용의 가능성을 보여주었다. 다결정실리콘 게이트의 높이를 감소시키면 니켈실리사이드는 상안정화가 용이하며 저저항구간을 넓힐 수 있는 장점이 있었다.
