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.
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.
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-th...
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.
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.
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문제 정의
본 연구에서는 이러한 자연 산화막이 존재하는 경우 단결정으로 실리콘 형성된 활성화 영역과 폴리실리콘으로 구성된 게이트부를 Ni의 첨가에 따라 실리사이드의 반응을 확인하여 보고자 하였다.
새로운 코발트니켈합금박막을 이용하여 나노급 코발트 니켈 실리사이드를 개발하는데 있어서 두께 4 nm의 자연 산화막을 제거하지 않고도 실리사이드 반응이 일어날 수 있는지 확인하였다.
제안 방법
Micro-Raman SpectrometerfJobin Yuon사. Lab Ram HR model)을 사용하여 시료 표면에 Laser 초점을 맞추고 632.817 nm의 레이져가 시료에 입사하여 반사되어 나올 때의 에너지 손실을 측정하는 것으로 400-3000 까지 측정하였다[6].
그림 6. NigCog 함금박막의 단결정, 다결정 기판에서 700P와 lOOOt;에서의 실리사이드화 처리 후 실리콘의 마이크로 라만 피크변화.
상정한다. 결정 실리콘 기판e)이 자연산화막이 있는 상태에서 Coi*Nix(x=0.1 ~ 0.9)로 변화시키면서 RTA온도에 따라 실리사이드 처리하고 황산처리로 잉여금속층을 제거한 후면저항을 측정한 결과를 나타내었다.
니켈코발트 합금과 SiO2간의 계면 반응을 확인하기 위해 1(尸 torr의 진공에서 7쌍의 할로겐 램프로 구성된 RTA를 활용하여 40초간 온도를 600, 700, 800, 900, 1000, 1100℃의 6가지 조건에서 처리하였다. 열처리가 끝난 후 반응하지 않고 남은 잔류 니켈코발트 합금 소스를 제거하기 위해 황산클리닝(30% H2SO4) 70℃, 10 min) 을 실시하였다.
또한 Hitachi사의 FE-SEM(fieId emission scanning electron microscopy)로 수직단면미세구조를 확인하였다. 준비된 시편을 샘플 홀더에 수직으로 세워 장착한 후 전도성을 좋게 하기 위해 표면에 Au 코팅을 100 A 두께로 실시하였다.
또한, AES(Auger Electron Spectroscopy, Perkin-Elmer 시')를 이용하여 각 어닐링 온도의 시편에 대해 Si, Ni, Ir 의 조성변화를 스퍼터링 속도를 유지하면서 표면 부로부터 측정하여 온도에 따라 생성된 실리사이드층의 화학 조성의 정량분석을 시도하였다.
실리사이드 공정에 따른 표면조도의 변화를 확인하기 위해 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscope: SPM, PSIA CP)을 이용하여 5x 5 pm2 범위를 콘택 모드로 스캔 분석하여 root mean square(rms)를 측정함으로써 정량화하였다.
측정하였다. 열처리 후 산세공정을 거친 시편을 10 m X 10 mm 크기로 가공하여 측정하였다. 측정된 자료는 JCPDS 파일을 이용하여 결정하였다.
열처리가 끝난 후 반응하지 않고 남은 잔류 니켈코발트 합금 소스를 제거하기 위해 황산클리닝(30% H2SO4) 70℃, 10 min) 을 실시하였다.
완성된 시편에 대해 4 point probe# 사용하여 면저항을 측정하고, AES depth profiling에 의하여 시편 표면으로부터의 깊이에 따른 조성의 변화를 조사하였다. 표면으로부터의 측정깊이는 30-40 nm 깊이까지 측정하였다.
9) 합금 소스를 준비하였다. 이 합금 소스를 이용하여 열증착기를 써서 미리 준비된 단결정과 다결정 실리콘 기판 전면에 합금 소스를 텅스텐 발열체에 넣어 열증 착을 하였다. 증착두께는 금속층이 30 nm 이 되도록 증착하였으며 오차는 ±10% 내로 조정하였다.
준비된 시편을 샘플 홀더에 수직으로 세워 장착한 후 전도성을 좋게 하기 위해 표면에 Au 코팅을 100 A 두께로 실시하였다. 이렇게 준비한 시편의 수직단면 미세구조를 관찰하기 위해서 20 kV, 가속전압을 사용하여 배율 X10000와 ><30000에서 시편의 단면을 관찰하였다.
확인하였다. 준비된 시편을 샘플 홀더에 수직으로 세워 장착한 후 전도성을 좋게 하기 위해 표면에 Au 코팅을 100 A 두께로 실시하였다. 이렇게 준비한 시편의 수직단면 미세구조를 관찰하기 위해서 20 kV, 가속전압을 사용하여 배율 X10000와 ><30000에서 시편의 단면을 관찰하였다.
열처리 후 산세공정을 거친 시편을 10 m X 10 mm 크기로 가공하여 측정하였다. 측정된 자료는 JCPDS 파일을 이용하여 결정하였다.
대상 데이터
4인치 p-type(100)Si 기판을 준비하여 LPCVC를 이용하여 Poly-Si를 700 A 올린 기판과 아무 처리도 하지 않은 sin잉e-Si 기판을 준비하였다. 기판위에 40 A의 산화막이 형성한 후 산화막의 두께는 ellipsometer# 이용하여 확인하였다.
성능/효과
단결정의 (a), (b)인 경우에는 측정오차 때문에 표면 부의 잔류물이 남아있는 정도를 볼 수는 없었으나 1000 ℃ 가 되면 실리콘이 안정화 되는 표면효과가 700℃에서는 2 ran 정도이다가 4 nm로 상대적으로 커짐을 알 수 있다. 따라서 정성적으로 고온 실리사이드처리에 의해서는 표면 반응 부산물이 더 많이 잔존한다고 예상된다.
단결정 실리콘 기판의 경우인 (a) NigCog조성박막, (b) Nio.sCoos, (c) NgCom는 Ni의 상대 조성 증가에 따른 변화를 크게 보이지 않으나 모구 동일하게 약 0.1 ㎛크기의 잔류물이 다수 발견되는 특징이 있었다. 이는 크리닝의 문제로 보이며, 실리사이드 반응이 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정위치로 금속층이 우선 응집하고 실리사이드 반응이 진행됨을 보이고 있다.
8> (e) NiosCOo.5, (f) NioMog의 Ni증가에 따른 경우는 비교적 비슷하게 동일크기와 밀도의 앞서 보인 반응 잔류물이 모두 보이고 있으나, 핀홀은 없어서 다결정 기판의 경우 고온에서 잔류응력은 상대적으로 작은 것이 예상되었다.
2. 실리사이드 반응에 의해서 자연산화막 위에는 반응부산물과 단결정기판인 경우 스트레스에 의해 마이크로급 핀홀이 생길 수 있었다.
3. 주로 니켈계 반응부산물이 형성되는 것으로 판단되며 표면 조도는 100 nm이하로 유지가 가능하였다.
4. 복합실리사이드공정에 의한 하부 실리콘 기판의 국부적인 잔류응력은 IO, 정도로 클 수 있었다.
72 nm로 고온으로 되면 증가하는 경향이 있었다. 실험한 전체 조성 범위에서는 고온에서 실리사이드 공정을 하더라도 rms값이 모두 100 nm 이하로써 매우 평탄한 모습을 보이고 있다.
(a)에는 단결정 기판은, (b)에는 다결정 기판은 조성의 변화와 70CTC와 1000℃에서 처리한 경우를 보였다. 조성별, 온도별로 주요 실리콘 외에 특이한 물질이 잔류함을 알 수 없었으나, 특정조건에서 Ni”Si26, Ni31Si12, NiaSi 등 Co계 보다는 Ni계 준안정 실리사이드 가 표면에 잔류함을 보이고 있다.
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