[논문]Ti-capping층이 NiSi의 열적안정성에 미치는 영향

박수진; 이근우; 김주연; 전형탁; 배규식

doi:10.3740/mrsk.2003.13.7.460

문제 정의

⁸⁾ 그러나, Ti-capping층과 NiSi 박막의 열적안정성과의 관계에 대 해서는 아직 보고된 것이 없다. 본 실험에서는 NiSi 형성시 산소친화력이 강한 Ti-capping층이 NiSi의 열적안 정성에 미치는 영향과 그 기구(mechanism)에 대하여 중점적으로 연구하였다.

가설 설정

4(a)) 표면층에 상당량의 산소가 있음에도 불구하고 NiSi가 형성되어 있으나, Ti-capping충 이 있을 때는(Fig. 5(a)), Ni과 Si의 확산이 억제되어 표 면층에는 NiSi 가 존재하지 않는다. 또한, Ni 단일막과 Til Ni 이중막 시편의 NiSi/Si 계면에서 모두 산소가 없는 것 으로 나타났으며, 결국 계면에서의 산화는 미미하기 때 문에 열적안정성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 생각된 다.

제안 방법

Ti-capping층이 NiSi/Si 계면의 거침성 (roughness)에 미 치는 영향을 알아보기 위하여 500℃에서 급속열처리한 시편의 표면을 AFM으로 관찰하였다. 이는 표면관찰을 통해 계면 거침성을 간접적으로 확인할 수 있기 때문이다.
이 최소값은 700℃까지 유지하다가 800℃ 에서 증가하기 시작하여 Ni 단일막보다는 Ti/Ni 이중막 일때 상대적으로 열적안정성이 우수한 것으로 나타났다. 그리고 비저항이 낮으면서 적은 양의 미반응 Ni과 capping layer인 얇은 Ti막은 면저항 측정시 형성된 NiSi층의 비 저항에 크게 영향을 끼치지 않는 점을 고려하여 측정하 였다.
급속열처리한 시편은 four point probe로 면저항의 변 화를 측정하였고, Ni/Si시편과 Ti/Ni/Si의 계면 거칠기를 분석하기 위하여 시편의 표면은 FESEM(field effect sca nning electron microscopy: XL30FEG)과 AFM(atomic force microscopy: Auto-probe CP)로 관찰하였다. 또한 AES(auger electron spectroscopy: PHI680)에 의해 깊이 에 따른 화학조성의 변화를 분석하였고, 형성된 화합물의 정확한 상을 확인하기 위해서 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy: VG)를 사용하였다.
급속열처리한 시편은 four point probe로 면저항의 변 화를 측정하였고, Ni/Si시편과 Ti/Ni/Si의 계면 거칠기를 분석하기 위하여 시편의 표면은 FESEM(field effect sca nning electron microscopy: XL30FEG)과 AFM(atomic force microscopy: Auto-probe CP)로 관찰하였다. 또한 AES(auger electron spectroscopy: PHI680)에 의해 깊이 에 따른 화학조성의 변화를 분석하였고, 형성된 화합물의 정확한 상을 확인하기 위해서 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy: VG)를 사용하였다.
열증발기를 사용하여 Si 기판위에 Ni 단일막 및 Ti/Ni 이중막을 증착하고 N?분위기에서 300~800℃, 100초간 급속열처리하여 니켈실리사이드를 형성한 후 Ti-capping 층이 NiSi의 열적안정성에 미치는 영향을 연구하였다. Ni 단일막인 경우 600℃에서 열적안정성을 보였으며 700℃ 에서부터 상전이와 표면에 형성된 Si grain으로 인해 면 저항이 증가하여 열적불안정성을 나타내었다.
따라서, 700℃ 에서 단일막 시편 의 면저항이 증가한 것은 Si이 표면층으로 확산하여 grain 을 형성한 것과 Ni 원자가 기판 쪽으로 확산하여 비저 항이 높은 NiSi₂가 형성되어졌기 때문이다. 온도에 따른 정확한 상분석을 하기 위해서는 XRD를 통해 분석해야 하지만 시편의 두께를 고려했을때, 이처럼 얇은 박막의 상분석은 어렵기 때문에 이를 확인하기 위해 면저항의 변 화를 보인 700℃에서 급속열처리한 Ni 단일막 시편만을 XPS로 분석하였다. 그 결과, Fig.
실리사이드가 형성될 때 금속과 Si 원자의 확산이 균 일하지 못하거나 확산속도가 너무 빠르면, 실리사이드의 두께 뿐만 아니라, 형성된 실리사이드의 조성과 상의 분 포도 균일하지 않게 되어 열적불안정성을 야기할 수 있 다. 이를 확인하기 위하여 면저항의 증가를 보이기 시작 한 700℃에서 급속열처리한 시편의 표면 미세구조를 FESEM으로 관찰하였다. Fig.

대상 데이터

기판으로는 비저항이 5~10Ω·cm인 4 inch n-type (100) Si wafer를 사용하였다. Si 기판을 10% HF 수용 액으로 10분 동안 자연산화막을 제거하고 증류수로 세 정한 후, 열증발기(thermal evaporator)에 넣어 Ni(20 nm) 또는 Ti(20 nm)/Ni(20 nm)을 증착시켰다.
Si 기판을 10% HF 수용 액으로 10분 동안 자연산화막을 제거하고 증류수로 세 정한 후, 열증발기(thermal evaporator)에 넣어 Ni(20 nm) 또는 Ti(20 nm)/Ni(20 nm)을 증착시켰다. 증착시 Ni은 99.9%, Ti는 99.99% 순도의 소스를 사용하였으며, 진공 도는 1.5×10^-5Torr로 유지하였다.

성능/효과

그리고 Ti-capping층이 있는 Ti/Ni 이중막인 경우(Fig. 5(c))도 Ni:Si 원자비가 4:6 으로 반전되었으나 분석 결과 Ni의 기판으로의 확산이 Ni 단일막에 비해서 상당히 억제되어진 것으로 나타났다.
온도에 따른 정확한 상분석을 하기 위해서는 XRD를 통해 분석해야 하지만 시편의 두께를 고려했을때, 이처럼 얇은 박막의 상분석은 어렵기 때문에 이를 확인하기 위해 면저항의 변 화를 보인 700℃에서 급속열처리한 Ni 단일막 시편만을 XPS로 분석하였다. 그 결과, Fig. 6에서 XPS 결과를 관찰하면 앞서 면저항의 변화와 AES 분석으로 유추했 었던 NiSi₂ 의 피크가 뚜렷이 나타났다. 따라서 저항이 증 가한 이유는 700℃에서 급속열처리시 NiSi에서 NiSi₂으로 상전이가 되었기 때문이다.
이는 Ti-capping층이 NiSi/Si 계면의 산화를 방지하는 것이 아니라, Ni과 Si 의 확산을 방해하여 그 결과 균일한 두께와 조성을 가진 NiSi 를 형성하였고 또한 NiSiz 와 Si grain의 형성을 억제하였기 때문이었다. 따라서 Ni 단일 막보다는 Ti-capping 층을 사용을 한 Ti/Ni 이중막일때 NiSi의 열적안정성이 우수하였음을 확인하였다.
5(a)), Ni과 Si의 확산이 억제되어 표 면층에는 NiSi 가 존재하지 않는다. 또한, Ni 단일막과 Til Ni 이중막 시편의 NiSi/Si 계면에서 모두 산소가 없는 것 으로 나타났으며, 결국 계면에서의 산화는 미미하기 때 문에 열적안정성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 생각된 다. 열처리온도시 700℃가 되면, Ni 단일막(Fig.
반도체소자의 초미세화에 따라 채널길이와 배선선폭은 0.1 μm 대로 줄어들고, 이에 따라 단채널 효과, 소스 및 드 레인에서의 기생저항 증가, 게이트에서의 RC 시간지연 증 가 등의 문제가 야기되었다. 이를 해결하기 위하여 자기 정렬 실리사이드화 공정을 통해 TiSi₂, CoSi₂ 같은 금속 실 리사이드 접촉 및 게이트 전극으로 사용하려는 노력이 진 행되고 있다.
형성된 NiSi의 두께가 20nm라 할 때 NiSi의 비저항은 14μΩ·cm로 보고되어진 비저항값과 같은 값을 나타냄 을 알 수 있다. 이 최소값은 700℃까지 유지하다가 800℃ 에서 증가하기 시작하여 Ni 단일막보다는 Ti/Ni 이중막 일때 상대적으로 열적안정성이 우수한 것으로 나타났다. 그리고 비저항이 낮으면서 적은 양의 미반응 Ni과 capping layer인 얇은 Ti막은 면저항 측정시 형성된 NiSi층의 비 저항에 크게 영향을 끼치지 않는 점을 고려하여 측정하 였다.

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