The effect of TiN and a-Si interlayers on the thermal stability of $CoSi_2/poly-Si$ gate electrode structure and a low-temperature stress hump phenomenon observed during in-situ stress-temperature measurement of Ni on Si substrate have been studied.
The $CoSi_2$ was formed by a reactive metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) by using cyclopentadienyl dicarbonyl cobalt, $Co(η^5-C_5H_5)(CO)_2$ precursor at 650℃. The TiN interlayer effectively suppressed the interdiffusion of the Co and Si atoms between $CoSi_2$ and poly-Si substrate so that the thermal stability of the structure could be improved significantly up to 1000℃. Without an interlayer, $CoSi_2$ on poly-Si substrate started to thermally degrade from 900℃ due to grain boundry grooving and agglomeration caused by interdiffusion of Co and Si atoms. After an extended annealing of $CoSi_2$ with the TiN interlayer at 1000℃ for 60min, $CoSi_2$ layer was grown under the TiN film and some of the $CoSi_2$ grains were grown by penetrating through the TiN interlayer, which is presumably due to the diffusion of Co atoms from $CoSi_2$ through the weakest part of the coulmnar TiN structure and reformation of $CoSi_2$ under the TiN film. Although the microstructure of the sample with TiN interlayer has been modified significantly after annealing at 1000℃ for 60min, the $CoSi_2$ layer is still continuous with a sandwich-like structure, which is responsible for its low sheet resistance. Amorphous Si interlayer also improved the thermal stability of the $CoSi_2$, even though such improvement is not as great as the effect of the TiN interlayer. Interfacial native oxide layer between $CoSi_2$ and poly-Si played an important role in suppressing the interdiffusion of Co and si atoms like the TiN interlayer.
In-situ stress-temperature behavior of sputter-deposited Ni thin film on a (001) Si substrate has been investigated with a special emphasis on the tensile stress hump phenomenon observed at a low temperature at approximately 140℃ in conjunction with the phase formation sequence. We found that the tensile stress build-up resulted from thickening of an amorphous Ni-Si intermixing layer caused by predominant in-diffusion of Ni atoms into Si substrate leaving Kirkendall vacancies at the interface in the temperature range of 100 ~ 140℃. The tensile stress was thereafter relaxed due to the formation of Ni2Si as the first phase at temperatures above 140℃. $NiSi_2$ phase and an interfacial oxide layer were not observed in this study. The TiN capped wafer has shown a minimized stress hump at a low temperature with the least overall variation during the stress-temperature measurement due to the rigidity of the TiN film.
TiN 및 a-Si interlayer에 의한 reactive MOCVD $CoSi_2$ 의 열안정성 향상과 Ni/Si 고상반응에서 나타나는 저온 응력증가(low-temperature stress hump) 현상에 대하여 연구하였다.
$CoSi_2$ 형성을 위하여 MOCVD precursor는 Cyclopentadienyl dicarbonyl cobalt, $Co(η^5-C_5H_5)(CO)_2$ 를 사용하였으며, 기판은 gate용 poly-Si blanket wafer를 이용하였다. Sputtered TiN 박막을 poly-Si과 MOCVD $CoSi_2$ 의 중간층으로 이용할 경우 열안정성을 1000℃ 까지 향상시킬 수 있었다. Interlayer가 없는 경우 900℃에서부터 grain boundry grooving에 의한 agglomeration이 발생되어 면저항이 증가하는 것에 비하여 크게 개선되는데, 이는 TiN 박막이 N2 stuffing에 상관없이 Co와 Si의 상호확산을 고온까지 효과적으로 방지하기 때문이다. TiN interlayer를 사용한 MOCVD $CoSi_2$ 의 열화과정을 1000℃ 60분간의 가혹한 열처리후 분석한 결과 columnar 구조를 가지는 TiN 박막의 diffusion pipe와 같은 빈 공간을 통하여 Co와 Si이 확산되어 TiN 박막 밑에서도 $CoSi_2$ 가 생성되고 TiN 박막 내부에도 일부 $CoSi_2$ 가 형성되며, 원래의 $CoSi_2$ 층도 grooving이 상당히 진행된 형태로 나타났다. 그러나 여전히 연속적인 막을 형성하고 있었고 interlayer가 없는 시편 대비 월등히 낮은 면저항을 유지하였다. A-Si을 interlayer로 이용할 경우 TiN interlayer 보다는 효과가 떨어지나 $CoSi_2$ 의 열안정성이 역시 크게 개선되었다. 이는 poly-Si과 a-Si간 계면에 존재하는 불연속 자연산화막이 TiN과 같은 확산방지막 역할을 했기 때문으로 밝혀졌다.
Ni/Si의 in-situ stress-temperature 측정 시 100℃ ~ 140℃의 온도구간에서 나타나는 니켈 실리사이드 특유의 저온 인장응력 증가(stress hump) 현상 규명을 위한 실험결과, 이는 실리사이드 반응과는 무관하며 as-dep 상태부터 Ni과 Si의 계면에 존재하는 비정질 Ni-Si 층을 통한 Ni 원자의 Si 기판으로의 확산에 의한 것임을 밝혔으며, 이를 모델로서 제시하였다. Ni 박막과 Si 기판의 고상반응에 의한 Ni silicidation 시 나타나는 상 생성 순서는 온도에 따라 140℃ 부근에서 $Ni_2Si$ 가 첫 번째 상으로 생성되며, 이후 약 210℃에서 $Ni_2Si$ 로부터 NiSi 로의 상전이가 일어나기 시작하여 240℃에서 완료된다. 여러 연구자들에 의해 보고된 바와 같은 피라미드 형태의 epitaxial $Ni_2Si$ 는 500℃까지의 온도구간에서는 발견되지 않았으며, 이는 본 실험에서 사용한 undoped (001)Si 기판과 더불어 계면에 어떠한 산화막과 같은 확산방지막이 없었기 때문으로 판단된다. Ni/Si 고상반응에 의한 Ni silicide 형성 시 안정하고 균일한 NiSi 막을 얻기 위해서 RTP 온도는 400℃ 이상이어야 하며 500℃, 30초 조건에서 capping layer에 상관없는 가장 안정한 NiSi를 얻을 수 있었다. TiN capping을 한 경우 열안정성이 가장 우수하였으며, 600℃ ~800℃까지 면저항이 증가하지 않는 특성을 확보할 수 있었다.
