硅化物接触与自对准整合

Silicide Contacts and Self-Aligned Integration也称 Salicide、自对准硅化

把材料相、硅消耗与选择性反应放进同一接触工艺窗口。

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约 1 分钟

硅化物既要降低接入电阻，又不能过度吃掉浅结、桥接栅源漏或在后续加热中变成高阻相；不是金属越厚、退火越久越好。

系统理解

约 2 分钟

沉积金属与暴露硅发生固相反应，可在源漏或多晶硅表面形成导电硅化物；侧墙和隔离区没有相同的硅供源，配合选择性去除剩余金属实现自对准。工艺窗口还取决于相变、主扩散物种、硅库存、界面掺杂以及后续热预算。评价时需要区分硅化物薄膜自身电阻率和硅化物—硅界面的比接触电阻率，不能只用一个片阻数字判断整合成功。

在欧姆接触计量之后，把材料反应和工艺窗口落实到MOL接触。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
硅化物体电阻率ρ	—	薄膜内部输运指标，Ω·cm
硅消耗厚度xSi	—	反应从原硅区域消耗的厚度
相组成与热预算	—	决定薄膜连续性、片阻与后续稳定性

常见误区

硅化物薄膜片阻低，就代表界面接触电阻一定低。
硅化只增加导电层厚度，不消耗原来的硅。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

材料与指标

定义

薄膜导电与界面注入是两个指标

硅化物薄膜的体电阻率影响横向接入电阻，硅化物—硅界面的比接触电阻率影响跨界面注入；低片阻不能单独证明界面已形成低阻接触。^{1, 2}

成立条件 分别报告Ω·cm、Ω/□和Ω·cm²，避免把三种量混用。

自对准流程

机制

自对准依赖硅供源和侧墙隔离

金属覆盖整个结构后，只在能够得到硅供源的区域形成目标硅化物；栅侧墙和隔离区配合后续去金属步骤，使硅化层无需再用一套独立对准图形逐一圈定。^{1, 3}

成立条件 以典型平面salicide概念说明；封帽金属栅不要求像多晶硅栅那样硅化。

机制

去除未反应金属是解除短接的必要步骤

刚沉积的连续金属可能把栅与源漏暂时连在一起；反应后必须选择性去除不应保留的金属或覆盖层，同时保住目标硅化物，才得到隔离的低阻端子。^{1, 3}

成立条件 具体材料可能形成氮化物等覆盖层；不把某一种清洗配方推广为通用方案。

库存与几何

边界

反应会从浅结或薄硅层中取走硅

原位反应形成硅化物时，部分硅来自原先的源漏或薄硅层，界面因此向硅内推进。可消耗的硅库存必须与结深和结构厚度一起检查，不能只按目标硅化层片阻选金属厚度。^{1, 3}

成立条件 单独沉积化合物与由基底反应供硅的库存条件不同；本条针对后者。

机制

主扩散物种决定反应前沿的运动方式

不同硅化物的主扩散物种不同，反应界面生长方向也不同；例如NiSi形成时主要是Ni迁移，而TiSi₂形成时主要是Si迁移。它们对侧向反应的影响不能用一套固定示意方向替代。^{1, 4}

成立条件 比较常见硅化反应机制；前沿位置还受实际几何与相组成影响。

公式

厚度预算要同时列出产物和被消耗的硅

用材料反应厚度比例估算时，应分别求硅化物产物厚度和硅消耗厚度；两者不是同一数值。完全反应比例还不能代替有限退火时间下的动力学计算。¹

x_{\mathrm{Si}}=2.27t_{\mathrm{Ti}},\qquad x_{\mathrm{TiSi}_2}=2.51t_{\mathrm{Ti}}

$x_{\mathrm{Si}}$: 被消耗的硅厚度单位 nm
$x_{\mathrm{TiSi}_2}$: 形成的TiSi₂厚度单位 nm
$t_{\mathrm{Ti}}$: 实际参与反应的Ti厚度单位 nm

成立条件 下式仅使用表11.4的Ti→TiSi₂厚度比例，平面反应、全部Ti用于TiSi₂，不形成竞争产物。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设20.0 nm Ti全部参与平面TiSi₂反应，采用表中2.27与2.51的厚度比例。硅消耗和产物厚度分别是多少？若只允许消耗40.0 nm硅，完全反应Ti厚度上限是多少？

已知

每1 nm Ti消耗2.27 nm Si、形成2.51 nm TiSi₂
忽略氮化、氧化等竞争反应与体积应力修正
40.0 nm是教学库存假设，不是工艺规范

步骤

xSi = 2.27×20.0 = 45.4 nm先求被消耗的原硅库存。
xTiSi₂ = 2.51×20.0 = 50.2 nm分别计算形成的产物厚度。
tTi,max = 40.0/2.27 = 17.6 nm把硅消耗上限反算为参与反应的Ti厚度上限。

结果 20.0 nm Ti完全反应消耗45.4 nm Si并形成50.2 nm TiSi₂；40.0 nm库存约束对应Ti上限17.6 nm。

目标导电层厚度与浅硅库存必须一起做预算。

适用边界 不是沉积或退火配方；实际相组成、竞争反应、粗糙度和局部穿刺还需验证。

相与热预算

机制

退火的目标包含相选择而不只是完成反应

同一金属—硅体系可以形成不同化学计量或晶体结构的相，其电阻率不同；温度与时间必须同时保证目标相形成并限制不希望的继续反应。不能只以是否已经生成硅化物作为工艺终点。^{1, 5}

成立条件 具体形成温度依材料、膜厚、衬底和加热路径而变，不给统一温度处方。

边界

TiSi₂的C49和C54具有不同片阻潜力

在常见TiSi₂流程中，先形成的C49相电阻率高于目标低阻C54相；相变退火是降低电阻的重要一步，但其温度窗口还必须服从浅结和其他材料的热预算。¹

成立条件 是TiSi₂的相选择示例，不把C49/C54名称套给NiSi或CoSi₂。

关联

选材料要联合比较接触、片阻和热稳定性

材料取舍同时受到薄膜电阻、n/p界面注入、硅消耗及后续热稳定性约束；某种硅化物在一个节点有较低形成温度，不代表可以忽略后续加热可能改变其相组成。^{1, 4}

成立条件 采用具体结构和完整工艺热历程比较，不按单个材料排名推断普遍最优。

界面与验证

机制

硅化反应还会重分配界面掺杂

移动的硅化物—硅界面可能重新分配杂质，导致硅化物内部与界面附近浓度不同；接触性能取决于反应后界面附近的电活性分布，不能只读取反应前的总注入剂量。^{1, 4}

成立条件 分配、迁移和活化依杂质及相而变；不宣称任何杂质都完全被排回硅中。

公式

均匀连续薄膜的片阻随厚度反比

对电阻率与厚度均匀、连续的硅化物薄膜，Rsh=ρ/t。相组成改变或膜层不连续时，只增加名义厚度不能保证继续服从同一个ρ；片阻也不等同于跨界面的比接触电阻率。^{1, 4}

R_{\mathrm{sh}}=\frac{\rho}{t}

$R_{\mathrm{sh}}$: 薄膜片电阻单位 Ω/□
$\rho$: 薄膜体电阻率单位 Ω·cm
$t$: 连续均匀薄膜厚度单位 cm

成立条件 采用面内均匀导电模型，排除显著尺寸散射、空洞和局部断裂。

增长模型

公式

线性—抛物模型需要匹配主导步骤

在简化的一维反应—扩散模型中，硅化物厚度随时间可在界面反应受限的近线性区与穿膜扩散受限的近平方根区之间转变；参数不能直接沿用热氧化值。¹

\frac{x_s^2}{B}+\frac{x_s}{B/A}=t+\tau

$x_s$: 形成的硅化物厚度单位 μm
$B$: 该硅化反应的抛物速率常数单位 μm²/min
$B/A$: 该硅化反应的线性速率常数单位 μm/min
$t$: 反应时间单位 min
$\tau$: 非零初始厚度的等效时间偏移单位 min

成立条件 材料和相固定、平面一维近似；晶界快扩散、应力、多相及有限金属库存可能使简化模型失效。

出处

5 本教材 · 21 处引用

1
Integrated Circuit Fabrication: Science and Technology
James D. Plummer, Peter B. Griffin · 2023 prepublication version · 2023
- §11.4.1–11.4.2，表11.4，第 534–539 页 支持：薄膜导电与界面注入是两个指标
- §11.4.2图11.29，第 539–541 页 支持：自对准依赖硅供源和侧墙隔离
- §11.4.2图11.29后流程，第 540–541 页 支持：去除未反应金属是解除短接的必要步骤
- §11.4.2表11.4及反应讨论，第 539–541 页 支持：反应会从浅结或薄硅层中取走硅
- §11.4.2图11.30及主扩散物种列表，第 541–542 页 支持：主扩散物种决定反应前沿的运动方式
- §11.4.2表11.4与完全反应例题，第 539、543–544 页 支持：厚度预算要同时列出产物和被消耗的硅
- §11.4.2表11.4与相变讨论，第 539–541 页 支持：退火的目标包含相选择而不只是完成反应
- §11.4.2表11.4与C49/C54讨论，第 539–540 页 支持：TiSi₂的C49和C54具有不同片阻潜力
- §11.4.1–11.4.2，表11.3–11.4，第 535–542 页 支持：选材料要联合比较接触、片阻和热稳定性
- §11.4.2图11.32及掺杂掺入讨论，第 544–545 页 支持：硅化反应还会重分配界面掺杂
- §11.4.2薄膜片阻计算，第 540–541 页 支持：均匀连续薄膜的片阻随厚度反比
- §11.4.2式11.16–11.18，第 542–544 页 支持：线性—抛物模型需要匹配主导步骤
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2
Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits
Chenming C. Hu · 2010
- §4.21图4-43–4-45、式4.21.8，第 142–144 页 支持：薄膜导电与界面注入是两个指标
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3
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- MOSFET源漏设计，图59及salicide讨论，电子重排版无固定印刷页 支持：自对准依赖硅供源和侧墙隔离
- MOSFET源漏设计的salicide流程，电子重排版无固定印刷页 支持：去除未反应金属是解除短接的必要步骤
- MOSFET源漏设计，图59后的界面凹入说明，电子重排版无固定印刷页 支持：反应会从浅结或薄硅层中取走硅
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4
DC and RF Characterization of NiSi Schottky Barrier MOSFETs with Dopant Segregation
Christoph Johannes Urban · 2010
- §3.2，式3.1，第 22 页 支持：主扩散物种决定反应前沿的运动方式
- §3.1–3.2，表3.1及图3.2，第 21–23 页 支持：选材料要联合比较接触、片阻和热稳定性
- §3.3，图3.5，第 25–26 页 支持：硅化反应还会重分配界面掺杂
- §3.2，图3.2，第 23 页 支持：均匀连续薄膜的片阻随厚度反比
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5
芯片制造：半导体工艺与设备
陈译、陈铖颖、张宏怡
- §4.2.3退火工艺，原生电子版无稳定印刷页码 支持：退火的目标包含相选择而不只是完成反应
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常见误区

材料与指标

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自对准流程

#自对准依赖硅供源和侧墙隔离

#去除未反应金属是解除短接的必要步骤

库存与几何

#反应会从浅结或薄硅层中取走硅

#主扩散物种决定反应前沿的运动方式

#厚度预算要同时列出产物和被消耗的硅

已知

步骤

相与热预算

#退火的目标包含相选择而不只是完成反应

#TiSi₂的C49和C54具有不同片阻潜力

#选材料要联合比较接触、片阻和热稳定性

界面与验证

#硅化反应还会重分配界面掺杂

#均匀连续薄膜的片阻随厚度反比

增长模型

#线性—抛物模型需要匹配主导步骤

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