[논문]Plasma Assisted ALD 장비를 이용한 니켈 박막 증착과 Ti 캡핑 레이어에 의한 니켈 실리사이드 형성 효과

윤상원; 이우영; 양충모; 하종봉; 나경일; 조현익; 남기홍; 서화일; 이정희

Plasma Assisted ALD 장비를 이용한 니켈 박막 증착과 Ti 캡핑 레이어에 의한 니켈 실리사이드 형성 효과
Nickel Film Deposition Using Plasma Assisted ALD Equipment and Effect of Nickel Silicide Formation with Ti Capping Layer 원문보기

The NiSi is very promising candidate for the metallization in 45 nm CMOS process such as FUSI(fully silicided) gate and source/drain contact because it exhibits non-size dependent resistance, low silicon consumption and mid-gap workfunction. Ni film was first deposited by using ALD (atomic layer deposition) technique with Bis-Ni precursor and $H_2$ reactant gas at $220^{\circ}C$ with deposition rate of $1.25\;{\AA}/cycle$. The as-deposited Ni film exhibited a sheet resistance of $5\;{\Omega}/{\square}$. RTP (repaid thermal process) was then performed by varying temperature from $400^{\circ}C$ to $900^{\circ}C$ in $N_2$ ambient for the formation of NiSi. The process temperature window for the formation of low-resistance NiSi was estimated from $600^{\circ}C$ to $800^{\circ}C$ and from $700^{\circ}C$ to $800^{\circ}C$ with and without Ti capping layer. The respective sheet resistance of the films was changed to $2.5\;{\Omega}/{\square}$ and $3\;{\Omega}/{\square}$ after silicidation. This is because Ti capping layer increases reaction between Ni and Si and suppresses the oxidation and impurity incorporation into Ni film during silicidation process. The NiSi films were treated by additional thermal stress in a resistively heated furnace for test of thermal stability, showing that the film heat-treated at $800^{\circ}C$ was more stable than that at $700^{\circ}C$ due to better crystallinity.

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문제 정의

본 실험에서는 Ni 및 TaN 박막 증착을 목적으로 ALD장비를 제작하였다. Fig.

가설 설정

(b) Auger depth profile after NiSi formation without capping layer.

제안 방법

Fig. 4(a)는 ALD 증착온도 구간 확인을 위해 공정온도를 175℃부터 30CTC까지 25℃씩 상승시키며 증착한 후, 박막의 두께를 측정하였다. 공정압력은 3 Torr이며 ALD 증착 주기는 200 사이클로 고정하였다.
4(b)는 XRR, Ellipsometer로 각각 측정한 값의 비교 데이터이다. 250 A 대의 얇은 박막이기 때문에 측정 상 오차를 가지므로 두 장비의 값을 비교하여 ALD 증착 온도구간을 선정 하였다. Fig.
6(a)는 캡핑 레이어를 사용하지 않은 시료의 열처리 온도에 따른 XRD측정 결과이다. 400에서 900℃ 까지 질소분위기에서 RTP를 이용하여 열처리를 하였다. 600℃까지는 니켈실리사이드가 형성이 되지 않고, 700℃에서 니켈실리사이드가 형성되는 것을 확인하였다.
사용하여 확인하였다. 결정성 및 조성비는 XRD (X-Ray Diffraction) 와 AES (Auger Electron Spec- troscopy)로 분석 하였고, 두께 는 XRR (X-ray Reflectivity), Ellipsometer를 이용하여 측정하였다.
나노급 소자 적용을 위한 Ni 및 TaN 박막 증착용 plasma assisted ALD 장비를 개발하였다. 본 장비를 이용하여 매우 낮은 면저항을 갖는 니켈 박막을 얻었고, 1.
3은 ALD 프로 세서의한 사이클이며, Bis-Ni—purging gas (Ar)ereactant gas (H₂)epurging gas (Ar)로 구성된다. 니켈 증착 이후 RTP (rapid thermal process)장비를 사용하여 질소 분위기에서 30 sec 동안 400℃에서 900℃까지 100%:씩 증가 시키며 니켈 실리사이드 형성온도 구간을 확인 하였다. 형성된 실리사이드의 열 안정성을 확인 하기 위해 퍼니스 (furnace) 에서 질소 분위기로 30 min 동안 열처리를 하였다.
즉, Ti 캡핑 레이어가 보호막 (passivation) 역할을 한 것으로 판단된다. 따라서 Ti 캡핑 레이어를 사용함으로써 좀더 넓은 실리사이드 형성구간을 확인하였다.
이는 캡핑 레이어의 효과적인 보호막 역할에 의한 것으로 판단된다. 또한 후속 열처리를 통해 실리사이드 결정의 열적 안정성을 확인 하였다. 이러한 결과는 향후 45 nm 이 하의 CMOS 공정 에서 FUSI 게이트 및 낮은 접촉 저항을 필요로 하는 소스/드레인의 니켈 실리사이드 형성 공정에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
본 연구에서는 개발된 plasma assisted ALD 장비 를 이용하여 금속 유기 전구체인 Bis-Ni을 ALD 방식으로 증착하였으며 , 보다 폭 넓은 실리사이드 온도구간을 얻기 위해서 II 캡핑 레이어 (capping layer)를 적용하였다.
상부의 플라즈마 챔버와 하부의 반응 챔버로 구성되었다. 상부 플라즈마 챔버는 ICP (inductively coupled plasma) 타입으로 플라즈마에 의한 웨이퍼의 손상을 막기위해 반응 챔버와 분리되게 설계 되었으며, 플라즈마로 생성된 높은 에너지를 가진 분자들만이 반응챔버로 들어와 반응 하도록 설계되었다. 하부의 반응챔버에는 heater block이 있으며 여기서 반응에 필요한 열에너지를 전달한다.
4(b)와 같이 200에서 25CFC사이 에서 약200 A 두께의 박막 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 200에서 250℃사이를 ALD 공정 온도 구간으로 설정했고 실제 모든 공정은 5 Ω/□의 가장 낮은 면저항 특성을 보인 22CTC에서 진행하였다.
니켈 증착 이후 RTP (rapid thermal process)장비를 사용하여 질소 분위기에서 30 sec 동안 400℃에서 900℃까지 100%:씩 증가 시키며 니켈 실리사이드 형성온도 구간을 확인 하였다. 형성된 실리사이드의 열 안정성을 확인 하기 위해 퍼니스 (furnace) 에서 질소 분위기로 30 min 동안 열처리를 하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 6인치 p-type Si(100) 웨이퍼를 사용하였으며, 자연 산화막은 건식방법을 이용하여 제거하였고 Thermal ALD 방식으로 25 nm 두께의 니켈을 증착하였다. Fig.

데이터처리

형성된 니켈실리사이드의 전기적 특성은 Gpoint probe# 사용하여 확인하였다. 결정성 및 조성비는 XRD (X-Ray Diffraction) 와 AES (Auger Electron Spec- troscopy)로 분석 하였고, 두께 는 XRR (X-ray Reflectivity), Ellipsometer를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

공정압력은 3 Torr이며 ALD 증착 주기는 200 사이클로 고정하였다. XRR 측정 결과 증착 온도에 따라 증착된 니켈 박막은 각 공정온도에 영향을 받아 증착 두께가 달라짐을 알 수 있었다. Fig.
assisted ALD 장비를 개발하였다. 본 장비를 이용하여 매우 낮은 면저항을 갖는 니켈 박막을 얻었고, 1.25 A/cycle의 증착율을 보였다. 또한 Ti 캡핑 레이어를 적용함으로써 보다 넓은 실리사이드 형성 구간을 얻었다.
21 을 나타내었다. 사이클 변화에 따른 니켈 박막의 ALD 증착은 선형적 인 특성을 보이며 평균 1.25 A/cycle의 값을 보였다.

후속연구

또한 후속 열처리를 통해 실리사이드 결정의 열적 안정성을 확인 하였다. 이러한 결과는 향후 45 nm 이 하의 CMOS 공정 에서 FUSI 게이트 및 낮은 접촉 저항을 필요로 하는 소스/드레인의 니켈 실리사이드 형성 공정에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.

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