[논문]나노급 CMOSFET을 위한 니켈-코발트 합금을 이용한 니켈-실리사이드의 열안정성 개선

박기영; 정순연; 한인식; 장잉잉; 종준; 이세광; 이가원; 왕진석; 이희덕

doi:10.4313/jkem.2008.21.1.018

문제 정의

본 논문에서는 니켈-실리사이드의 열 안정성을 확보하기 위해 코발트가 10 % 포함된 니켈-코발트 (Ni-C。) 합금을 사용하여 열 안정성 및 면저항과 계면특성을 개선시키고자 하였다. 또한 새로운 적층 구조인 실리사이드 (Ni/Ni-Co)를 제안하여 비교 분석하였으며, 니켈-코발트 합금을 이용한 실리사이드가 nano-scale CMOS 기술에 적용 가능함을 확언 하였다.
본 논문에서는 니켈-코발트 합금 구조를 제안하여 니켈 단일구조와 니켈-실리사이드의 특성과 열 안정성에 대하여 비교 분석하였다. 니켈-코발트 합금을 이용한 구조 (니켈-코발트 합금, 니켈/니켈- 코발트 합금)가 니켈 단일구조와 다층구조인 니켈/ 코발트 보다 우수한 열 안정성을 나타냄을 확인하였다' 특히 FE-SEM 분석을 통하여 니켈/니켈- 코발트 합금의 적층구조를 적용하면서 단일 구조의 니켈-코발트 합금보다 열 안정성뿐만 아니라계면 특성까지 개선되어졌다는 것을 확인 할 수 있었고 XRD 분석을 통하여 후속 열처리 과정에서도 면저항이 큰 다이-실리사이드로의 상변이가 일어나지 않는 것을 확인 하였다.

제안 방법

공정 순서는 그림 1과 같다. 금속 박막을 증착하기 전에 D・I water로 희석시킨 HF 용액 (HF : D ■ I water = 1 : 100)에서 30초간 자연 산화막을 식각하고 RF magnetron sputter를 사용하여 기본 진공도 (base pressure) 및 증착 진공도 (working pressure)를 각각 5 x 10’ 및 3>< 10-3 Torr 에서 Ni (10 nm)을 증착 하였다.
또한 증착된 금속 박막의 두께와 형성된 실리사이드의 두께' 및 계면 특성을 확인하기 위해 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy, 한국 기초 과학 지원 연구원 전주 분소, 모델명 S-4700) 을 이용하여 확인하였다. 급속 열처리 후, 열 안정성 확인을 위한 후속공정 열처리 후의 두께와 계면특성 분석도 관찰하였다. 또한 니켈-실리사이드의 후속 공정 열처리 전후의 상변이 (phase shift) 를 관찰하기 위하여 XRD (X-ray Diffraction)* 이용하여 분석하였다.
급속 열처리 후, 열 안정성 확인을 위한 후속공정 열처리 후의 두께와 계면특성 분석도 관찰하였다. 또한 니켈-실리사이드의 후속 공정 열처리 전후의 상변이 (phase shift) 를 관찰하기 위하여 XRD (X-ray Diffraction)* 이용하여 분석하였다.
또한 증착된 금속 박막의 두께와 형성된 실리사이드의 두께' 및 계면 특성을 확인하기 위해 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy, 한국 기초 과학 지원 연구원 전주 분소, 모델명 S-4700) 을 이용하여 확인하였다. 급속 열처리 후, 열 안정성 확인을 위한 후속공정 열처리 후의 두께와 계면특성 분석도 관찰하였다.
안정된 니켈-실리사이드 형성을 위해 급속 열처리 (RTP: Rapid Thermal Process)를 기본 진공도 3 X 10-2 Ton에서 400 〜 700 °C, 30초간 실시하였으며, 실리사이드 형성 후 반응하지 않은 금속은 H₂SO₄ : H₂O₂ (4 : 1) 용액에서 선택적으로 식각 하였다. 열 안정성 (thermal stability) 분석을 위하여 실리사이드가 가장 형성이 잘된 RTP 500 °C 조건에서의 시편을 고 순도 질소 (N₂, 99.
안정된 니켈-실리사이드 형성을 위해 급속 열처리 (RTP: Rapid Thermal Process)를 기본 진공도 3 X 10-2 Ton에서 400 〜 700 °C, 30초간 실시하였으며, 실리사이드 형성 후 반응하지 않은 금속은 H₂SO₄ : H₂O₂ (4 : 1) 용액에서 선택적으로 식각 하였다. 열 안정성 (thermal stability) 분석을 위하여 실리사이드가 가장 형성이 잘된 RTP 500 °C 조건에서의 시편을 고 순도 질소 (N₂, 99.99 %) 분위기에서 고온 열처리 (furnace anneal)를 600 〜 700 °C 에서 30 분간 열처리하였다.
제작된 시편의 특성을 측정한 방법과 분석에 대해 열거하면 니켈-실리사이드 형성 후 면저항 측정은 FPP (Four-Point Probe)를 이용하여 급속 열처리 온도에 따른 실리사이드의 면저항과 후속 열처리 후 실리사이드의 면저항을 측정하였다. 또한 증착된 금속 박막의 두께와 형성된 실리사이드의 두께' 및 계면 특성을 확인하기 위해 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy, 한국 기초 과학 지원 연구원 전주 분소, 모델명 S-4700) 을 이용하여 확인하였다.
타겟 표면의 산화막과 불순물을 제거하기 위해 증착 전에 충분한 pre-sputtering를 200 W에서 5 분간 실행한 후 main-sputtering를 각각 실행하였다. 안정된 니켈-실리사이드 형성을 위해 급속 열처리 (RTP: Rapid Thermal Process)를 기본 진공도 3 X 10-2 Ton에서 400 〜 700 °C, 30초간 실시하였으며, 실리사이드 형성 후 반응하지 않은 금속은 H₂SO₄ : H₂O₂ (4 : 1) 용액에서 선택적으로 식각 하였다.

대상 데이터

본 실험을 위하여 p-type의 실리콘 웨이퍼를 사용하였고 공정 순서는 그림 1과 같다. 금속 박막을 증착하기 전에 D・I water로 희석시킨 HF 용액 (HF : D ■ I water = 1 : 100)에서 30초간 자연 산화막을 식각하고 RF magnetron sputter를 사용하여 기본 진공도 (base pressure) 및 증착 진공도 (working pressure)를 각각 5 x 10’ 및 3>< 10-3 Torr 에서 Ni (10 nm)을 증착 하였다.

성능/효과

그러 나 니 켈 단일구조에 서 의 면저항은 600 °C 이상부터 급격히 증가 하는 것을 확인 할 수 있었고 니켈/코발트 구조와 니켈-코발드 합금을 사용한구조에서는 열처리로인한 특성의 변화는 나타나지 않았다. 면저항 데이터는 실리사이드의 두께와 매우 밀접한 관계를 가지고 있기 때문에 형성된 니켈실리사이드의 정확한 두께를 확인하기 위하여 FE-SEM을 통해 확인한 단면 이미지를 그림 3에 나타내었다.
분석을 그림 6에 나타내었다. 급속 열처리 후 모든 시편에서 모노-실리사이드(mono-silicide: NiSi) 로 상변이가 된 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 단일구조인 니켈인 경우 후속 공정 열처리를 한 후 면저항이 큰 다이-실리사이드로 상변이가 진행된 것을 알 수 있고 이 결과로 인해 면저항이 증가 하는 것을 확인 할 수 있었다.
대하여 비교 분석하였다. 니켈-코발트 합금을 이용한 구조 (니켈-코발트 합금, 니켈/니켈- 코발트 합금)가 니켈 단일구조와 다층구조인 니켈/ 코발트 보다 우수한 열 안정성을 나타냄을 확인하였다' 특히 FE-SEM 분석을 통하여 니켈/니켈- 코발트 합금의 적층구조를 적용하면서 단일 구조의 니켈-코발트 합금보다 열 안정성뿐만 아니라계면 특성까지 개선되어졌다는 것을 확인 할 수 있었고 XRD 분석을 통하여 후속 열처리 과정에서도 면저항이 큰 다이-실리사이드로의 상변이가 일어나지 않는 것을 확인 하였다. 이러한 결과를 통해 니켈-코발트 합금을 이용한 니켈-실리사이드는 얕은 접합과 고른 계면특성을 보이고 있기 때문에 nano-scale CMOSFET기술에 적용 가능하다고 할 수 있다.
후속 열처리 후 단면사진을 그림 5에 나타내었다. 니켈의 경우 후속 열처리 후 표면의 상태는 매끄럽고 좋기는 하나 응집 현상이 많이 발생하였고 니켈/코발트의 경우도 응집현상이 발생한 것을 확인 하였다. 반면에 니켈-코발트 합금인 경우에는 실리사이드 층의 단절 현상 및 응집 현상을 관찰 할 수 없었다.
면저항 데이터는 실리사이드의 두께와 매우 밀접한 관계를 가지고 있기 때문에 형성된 니켈실리사이드의 정확한 두께를 확인하기 위하여 FE-SEM을 통해 확인한 단면 이미지를 그림 3에 나타내었다. 단면 확인 결과 모든 구조에서 균일하고 얇은 두께의 실리사이드가 형성이 된 것을 확인 할 수 있었다.
확인할 수 있었다. 단일구조인 니켈의 경우 600 °C 이후 급격히 면저항이 증가하였으며 니켈/ 코발트 구조에서도 700 °C에서 면저항이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 니켈-코발트 합금을 사용한 구조에서는 후속 공정 열처리 과정에서도 면저항의 특성이 크게 바뀌지 않는 것을 확인하였다.
따라서 니켈-코발트 합금을 이용한 실리사이드는 니켈 단일구조나 적층 구조에 비해 매우 우수한 열 안정성을 가지고 있다고 할 수 있다. 더욱이 니켈-코발트 합금을 이용한 니켈-실리사이드에서는 열 안정성뿐만 아니라 얇은 접합 그리고 니켈/니켈-코발트 합금의 적층 구조를 사용하여 계면 특성까지 향상시킬 수 있다는 것을 확인 하였다.
니켈-코발트 합금을 이용한 구조 (니켈-코발트 합금, 니켈/니켈- 코발트 합금)가 니켈 단일구조와 다층구조인 니켈/ 코발트 보다 우수한 열 안정성을 나타냄을 확인하였다' 특히 FE-SEM 분석을 통하여 니켈/니켈- 코발트 합금의 적층구조를 적용하면서 단일 구조의 니켈-코발트 합금보다 열 안정성뿐만 아니라계면 특성까지 개선되어졌다는 것을 확인 할 수 있었고 XRD 분석을 통하여 후속 열처리 과정에서도 면저항이 큰 다이-실리사이드로의 상변이가 일어나지 않는 것을 확인 하였다. 이러한 결과를 통해 니켈-코발트 합금을 이용한 니켈-실리사이드는 얕은 접합과 고른 계면특성을 보이고 있기 때문에 nano-scale CMOSFET기술에 적용 가능하다고 할 수 있다.
이러한 계면 열화를 줄이기 위해 제안한 니켈/ 니켈-코발트 합금구조를 통하여 균일한 계면 특성과 얕은 두께의 실리사이드를 형성 시킬 수 있었으며 얕은 접합에서의 고른 계면 특성은 소스/드레인 접합의 적용에 적합하다고 할 수 있다.
단일구조인 니켈의 경우 600 °C 이후 급격히 면저항이 증가하였으며 니켈/ 코발트 구조에서도 700 °C에서 면저항이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 니켈-코발트 합금을 사용한 구조에서는 후속 공정 열처리 과정에서도 면저항의 특성이 크게 바뀌지 않는 것을 확인하였다. 후속 열처리 후 단면사진을 그림 5에 나타내었다.
급속 열처리 후 모든 시편에서 모노-실리사이드(mono-silicide: NiSi) 로 상변이가 된 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 단일구조인 니켈인 경우 후속 공정 열처리를 한 후 면저항이 큰 다이-실리사이드로 상변이가 진행된 것을 알 수 있고 이 결과로 인해 면저항이 증가 하는 것을 확인 할 수 있었다. 반면에 후속 공정 열처리 후에도 니켈-코발트 합금을 사용한 구조에서는 실리사이드의 결합이 모노-실 리사이드로 형성됨을 알 수 있었다.

후속연구

계면특성을 개선시키고자 하였다. 또한 새로운 적층 구조인 실리사이드 (Ni/Ni-Co)를 제안하여 비교 분석하였으며, 니켈-코발트 합금을 이용한 실리사이드가 nano-scale CMOS 기술에 적용 가능함을 확언 하였다.

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