非晶矽雙層結構用於自動校準鈦及鈷之矽化技術與一種用於金屬/半導體接觸的新計測方法

Abstract

本篇論文仔細地分析非晶矽雙層結構用於自動校準鈦及鈷之矽化技術，並發展完成 自動校準鈦及鈷矽化的製程窗口。在此製程窗口內，鈦及鈷能夠完全反應成二矽化 鈦及二矽化鈷，並保有選擇性蝕刻之特性。分析內部及外部氧雜質分佈，本文提出 了非晶矽╱鈦雙層製程中抑制橫向矽化物成長的反應機構。此外，本文亦提出了蕭 基二極體及歐姆接觸均能適用的界面層模式及計測方法。經由研製完成之蕭基二極 體的分析，本文的方法能預測同時製造完成之歐姆接觸的品質，同時能模擬熱矽化 反應對於金屬╱半導體接觸之效應。 論文的第一部份提出了一種利用非晶矽雙層結構完成自動校準鈦及鈷矽化的技術。 藉片阻測量，歐傑電子能譜，掃瞄式電子顯微鏡，及Ｘ射線繞射等方法，文中對製 程之抗氧性及自動校準特性進行完整的分析。首先，研究非晶矽及金屬鈦或鈷的厚 度對氧雜質分佈與矽化物形成的影響，並提出厚度與第一次燒結溫度的最佳化條件 ，以符合自動校準矽化技術中所需選擇性蝕刻的要求。此外，經由實驗的方法，本 文提出選擇最佳化製程參數之簡單又實用的規則。藉此，在不增加製程複雜度之下 ，可用製造具有良好自動校準特性且能複製性的矽化物。 論文的第二部份，討論鈦與二氧化矽之反應對橫向矽化物成長的影響。由於鈦中氧 雜質的影響，鈦在矽基片上的燒結特性與鈦的厚度有很大的關連性，同時由二氧化 矽內部釋出氧雜質與其分佈會明顯地影響鈦與二氧化矽之反應。因此，本文利用氧 雜質能阻止矽原子移動的特性，解釋發生在非晶矽╱鈦雙層製程中抑制橫向矽化物 成長的現象。由於外部環境中的氧雜質能被非晶矽層阻隔，非晶矽與鈦的反應迫使 內部雜質阻塞能提供矽原子移動的通道，致使橫向矽化物成長不發生。除此以外， 本文提出的反應機構亦能一致地解釋同一時刻處理的單層鈦製程所產生之嚴重橫向 矽化物成長現象。因此，藉氧雜質效應，本文提供了一個解釋橫向矽化成長的新反 應機構，並且提出一個利用非晶矽雙層結構來解決橫向矽化物成長問題的簡單方法 。 另外，本文亦致力於金屬╱半導體介面效應的研究，其中包括界面狀態的主要種類 與能隙內的密度分佈，及非理想的電流－電壓特性及歐姆接觸退化現象之理論模式 與計測方法，同時熱平衡蕭基能障大小亦利用界面層物理參數加以清楚地表示。根 據理論的計算，當界面狀態的密度很大時，界面接觸電阻變得與基座及接觸金屬之 種類無關。此外，藉蕭基二極體之界面物理參數的粹取，與製程有關的參數對熱平 衡蕭基能障及界面接觸電阻的影響能有效地加予評估。過去的研究一直未將高攙雜 質效應對歐姆接觸影響加以適當的考慮。本文將雜質能帶與能帶邊緣延伸至禁帶的 現象加入理論穿透電流的計算，使得歐姆接觸電阻更能被準確地模擬。因此，本文 提供了一個能評估特定製程與預測歐姆接觸特性的新計測方法。 最後，本文利用發展出來的理論模式與計測法，將熱矽化反應對鈦╱矽接觸特性之 影響進行仔細的研究。根據分析結果，顯示熱處理效應對蕭基二極體特性之影響可 用金屬工作函數，界面層電容，主要介面狀態的種類與密度分佈清楚地表達出來。 此外，界面接觸電阻對退火溫度的變化亦可歸因於矽化物形成後所造成熱平衡蕭基 能障與表面雜質濃度的改變。根據所知，這是首度能將矽化作用所引起之歐姆接觸 的退化現象與界面狀態的物理特性加予連結，同時能夠利用蕭基二極體電流－電壓 特性中所粹取出的相關物理參數加以模擬，並予以適當的解釋。