鉑矽化物於矽碳磊晶層上生成行為及其熱穩定性之探討

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林依頻(Yi-Ping Lin) 查詢紙本館藏

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材料科學與工程研究所

論文名稱

鉑矽化物於矽碳磊晶層上生成行為及其熱穩定性之探討
(Effects of Platinum Silicide Formation on Si1-yCy Epitaxial Layers and Thermal Stability)

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摘要(中)

在互補式金氧半電晶體元件尺寸日益縮小的趨勢下，自我對準金屬矽化物製程相關技術也日漸重要。近幾年來矽碳磊晶層被認為是未來極具潛力的汲極/源極材料，而要成功的整合矽碳磊晶層到標準元件製程流程裡，可靠的金半接觸對於矽碳磊晶層在汲極/源極的應用是必要的。鉑矽化物因具有較低的蕭基能障，可應用於蕭基電晶體上，但也同樣遇到熱穩定性較不佳的問題。因此，本研究嘗試使用矽碳磊晶層來改善鉑矽化物之熱穩定性，進一步探討鉑矽化物形成於矽碳磊晶層上之生成行為影響。研究發現鉑矽化物系統中有不可避免之原生氧化層存在，而鉑矽化物的生成必頇透過氧化層中的孔洞來進行反應。在有添加碳的系統中發現，碳原子不但降低PtSi相生成的速率也提高了鉑矽化物的熱穩定性。另外，添加碳也使PtSi較不易產生結塊的情形，同時也寬化了鉑矽化物的製程溫度窗。另一方面，有添加碳原子的試片即使經過長時間的退火其也均還保持相當良好的熱穩定性。
近幾年來，通道應變工程已成為最具潛力的技術。而其中，矽碳磊晶層之熱穩定的研究逐漸成為一研究的課題。因此，本研究中嘗試利用晶格應變技術分析矽碳磊晶層試片在經過退火過後其應變分佈的情況。研究發現矽碳磊晶層試片在剛開始退火階段其應變會增加，在退火800℃時矽碳磊晶層中碳原子濃度會增加0.1％，藉由應變晶格分析觀察到退火過後之矽碳磊晶層中應變強度愈靠近試片表面的地方愈大，推測是由於較慢成長之矽碳磊晶層中空孔較多使得位在間隙位置上的碳原子會佔據在取代位置上，導致碳原子濃度增加及應變的強度增加。另外當退火溫度再增高至900℃時應變會被釋放，推測是由於碳析出形成含有碳之間隙化合物所造成。

摘要(英)

Strain　engineering　is　commonly　used　for　improving　the　performance　of　metal-oxide-semiconductor　(MOS)　devices.　For　example,　n-channel　MOS　(NMOS)　devices　with　silicon-carbon　　(Si1-yCy)　grown　in　the　source　and　drain　(S/D)　regions　as　uniaxial　compressive　stressors　for　the　channel　can　achieve　significant　drive　current　improvements.　However,　successfully　integrating　Si1-yCy　epilayers　into　a　standard　device　process　flow　requires　reliable　metal-silicide　contacts　in　the　Si1-yCy　S/D　regions.　Pt　silicide　formed　on　p-type　silicon　has　a　low　Schottky　barrier　height,　which　useful　as　Schottky　transistors.　However,　Pt　silicide　has　poor　thermal　stability.　In　this　study,　the　reaction　between　Pt　and　Si1-yCy　epilayers　with　an　interfacial　oxide　layer　was　investigated.　Pt　silicide　has　inevitable　oxide　layer,　which　as　a　diffusion　barrier　layer.　During　the　silicidation,　Pt　atoms　diffused　to　react　with　Si　through　the　oxide　pinholes.　C　atoms　play　a　critical　role　in　Pt　silicide　microstructure　and　reaction.　The　presence　of　C　atoms　retards　the　growth　kinetics　of　PtSi　and　significantly　enhances　the　thermal　stability　of　PtSi　thin　films.　In　addition,　C　atoms　suppressed　PtSi　agglomeration　and　widened　the　process　window　of　low-resistivity　PtSi　silicides.　On　the　other　hand,　the　thermal　stability　of　Pt　silicides　in　the　Pt/Si1-yCy　samples　was　found　to　be　significantly　improved,　even　after　long-time　annealing　at　800　℃.　
In　recently　years,　channel　strain　has　been　becoming　a　promise　technique.　Strain　distribution　with　different　depth　of　annealed　Si1-yCy　epilayers　using　lattice　strain　analysis　were　investigated　in　this　study.　At　the　initial　stage　of　annealing,　the　strain　of　Si1-yCy　epilayers　increased.　The　Cs　increased　0.001　in　the　Si1-y2Cy2　epilayers　sample　annealed　at　800　℃.　Lattice　strain　analysis　was　performed　using　high-resolution　transmission　electron　microscopy　(HRTEM)　and　diffractograms　obtained　by　fast　Fourier　transform　of　HRTEM　images.　The　magnitude　of　compressive　strain　was　larger　towards　Si1-y2Cy2　epilayers　sample　surface.　It　speculates　that　C　atoms　at　interstitial　sites　were　incorporated　into　substitutional　sites　after　annealing,　resulting　in　Cs　and　strain　increment.　In　addition,　no　strain　relief　by　the　introduction　of　misfit　dislocations　was　detectible　in　the　Si1-y2Cy2　epilayers　sample　after　annealing　900℃,　possibility　due　to　the　formation　of　carbon-containing　interstitial　complexes.

關鍵字(中)

★ 矽化物
★ 矽碳磊晶層
★ 熱穩定性
★ 鉑

關鍵字(英)

★ Platinum
★ Silicide
★ Epi-SiC
★ Thermal Stability

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iv
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 x
第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 矽碳磊晶層異質結構之介紹 2
1.2.1 材料基本特性 2
1.2.2 互補式金氧半導體通道應變之應用 5
1.3 金屬矽化物 8
1.3.1 自我校準金屬矽化物製程技術發展 8
1.3.2金屬矽化物的選擇 10
1.3.3 鈦/矽系統 10
1.3.4 鈷/矽系統 11
1.3.5 鎳/矽系統 15
1.3.6 鉑/矽系統 17
參考文獻 20
第二章實驗方法 26
2.1 四點探針（four point probe） 26
2.2 高解析X光繞射儀（high resolution X-ray diffractometer, HRXRD） 27
2.3 穿透式電子顯微鏡（transmission electron microscopy, TEM） 28
2.4 X光光電子能譜儀（X-ray photoelectron spectrometer, XPS） 28
2.5 二次離子質譜儀（secondary ion mass spectrometry, SIMS） 29
2.6 拉曼光譜儀（Raman spectroscopy） 29
第三章熱退火處理之矽碳磊晶層異質結構之應變分析 31
3.1 研究動機 31
3.2 研究方法 32
3.3 結果與討論 33
3.4 結論 43
參考文獻 44
第四章鉑矽化物於矽碳磊晶層上生成行為之探討 46
4.1 研究動機 46
4.2 實驗方法 47
4.3結果與討論 48
4.4 結論 57
參考文獻 58
第五章總結 60
5.1熱退火處理之矽碳磊晶層異質結構之應變分析 60
5.2鉑矽化物於矽碳磊晶層上生成行為之探討 60
第六章未來研究 62
參考文獻 64

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指導教授

李勝偉(Sheng-Wei Lee)

審核日期

2011-7-25

推文