Cobalt silicidation at sidewall spacer edge of Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs) with post annealing treatment for capacitor forming process has been investigated as a function of dopant species. Cobalt silicidation of nMOSFET with n-type Lightly Doped Drain (LDD) and pMOSFET with p-type LDD produces a well-developed cobalt silicide with its lateral growth underneath the sidewall spacer. In case of pMOSFET with n-type LDD, however, a void is formed at the sidewall spacer edge with no lateral growth of cobalt silicide. The void formation seems to be due to a retarded silicidation process at the LDD region during the first Rapid Thermal Annealing (RTA) for the reaction of Co with Si, resulting in cobalt mono silicide at the LDD region. The subsequent second RTA converts the cobalt monosilicide into cobalt disilicide with the consumption of Si atoms from the Si substrate, producing the void at the sidewall spacer edge in the Si region. The void formed at the sidewall spacer edge serves as a resistance in the current-voltage characteristics of the pMOSFET device.
We fabricated thermal evaporated 10 nm-$Ni_xCo_{1-x}$ (x=0.2, 0.5 and 0.8) /(poly)Si films to form nanothick cobalt nickel composite silicides by a rapid thermal annealing at $700{\sim}1100^{\circ}C$ for 40 seconds. A field emission scanning electron microscope and a micro-Raman spectrometer were employed for microstructure and silicon residual stress characterization, respectively. We observed self-aligned micro-pinholes on single crystal silicon substrates silicidized at $1100^{\circ}C$. Raman silicon peak shift indicates that the residual tensile strain of $10^{-3}$ in single crystal silicon substrates existed after the silicide process. We propose thermal stress from silicide exothermic reaction and high temperature silicidation annealing may cause the pinholes. Those pinholes are expected to be avoided by lowering the silicidation temperature. Our results imply that we may use our newly proposed composite silicides to induce the appropriate strained layer in silicion substrates.
Dopants implanted in silicon substrate affect the reaction between cobalt and silicon substrate. Phosphorous, unlike boron and arsenic, suppressing the reaction between cobalt and silicon induces CoSi formation during a low temperature thermal treatment instead of CoSi₂formation. The CoSi layer should move to the silicon substrate to fill the vacant volume that is generated in the silicon substrate due to the silicon out-diffusion into the cobalt/CoSi interface. The movement of CoSi at gate sidewall spacer region is suppressed by a cohesion between gate oxide and CoSi layers, resulting in a void formation at the gate sidewall spacer edge.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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v.39
no.10
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pp.25-34
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2002
In this paper, silicidation induced Schottky contact area was obtained using the current voltage(I-V) characteristics of shallow cobalt silicided p+-n and n+-p junctions. In reverse bias region, Poole-Frenkel barrier lowering influenced predominantly the reverse leakage current, masking thereby the effect of Schottky contact formation. However, Schottky contact was conclusively shown to be the root cause of the modified I-V behavior of n+-p junction in the forward bias region. The increase of leakage current in silicided n+-p diodes is consistent with the formation of Schottky contact via cobalt slicide penetrating into the p-substrate or near to the junction area and generating trap sites. The increase of reverse leakage current is proven to be attributed to the penetration of silicide into depletion region in case of the perimeter intensive n+-p junction. In case of the area intensive n+-p junction, the silicide penetrated near to the depletion region. There is no formation of Schottky contact in case of the p+-n junction where no increase in the leakage current is monitored. The Schottky contact amounting to less than 0.01% of the total junction was extracted by simultaneous characterization of forward and reverse characteristics of silicided n+-p diode.
Journal of the Korean institute of surface engineering
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v.32
no.3
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pp.389-392
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1999
We employed cobalt-disilicide for high-speed logic devices. We prepared stable and low resistant $CoSi_2$ through typical fabrication process including wet cleaning and rapid thermal process (RTP). We sputtered 15nm thick cobalt on the wafer and performed RTP annealing 2 times to obtain 60nm thick $CoSi_2$. We observed spherical shape voids with diameter of 40nm in the surface and inside $CoSi_2$ layers. The voids resulted in taking over abnormal junction leakage current and contact resistance values. We report that the voids in $CoSi_2$ layers are resulted from surface pits during the ion implantation previous to deposit cobalt layer. Silicide reaction rate around pits was enhanced due to Gibbs-Thompson effects and the volume expansion of the silicidation of the flat active regime trapped dimples. We confirmed that keeping the buffer oxide layer during ion implantation and annealing the silicon surface after ion implantation were required to prevent void defects in CoSi$_2$ layers.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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v.40
no.12
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pp.1-9
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2003
In this paper, a novel Ni silicide technology with Cobalt interlayer and Titanium Nitride(TiN) capping layer for sub 100 nm CMOS technologies is presented, and the device parameters are characterized. The thermal stability of hi silicide is improved a lot by applying co-interlayer at Ni/Si interface. TiN capping layer is also applied to prevent the abnormal oxidation of NiSi and to provide a smooth silicidc interface. The proposed NiSi structure showed almost same electrical properties such as little variation of sheet resistance, leakage current and drive current even after the post silicidation furnace annealing at $700^{\circ}C$ for 30 min. Therefore, it is confirmed that high thermal robust Ni silicide for the nano CMOS device is achieved by newly proposed Co/Ni/TiN structure.
Journal of the Korean institute of surface engineering
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v.38
no.3
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pp.89-94
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2005
We investigate the reaction stability of cobalt and nickel with side-wall materials of $SiO_2\;and\;Si_3N_4$. We deposited 15nm-Co and 15nm-Ni on $SiO_2(200nm)/p-type$ Si(100) and $Si_3N_4(70 nm)/p-type$ Si(100). The samples were annealed at the temperatures of $700\~1100^{\circ}C$ for 40 seconds with a rapid thermal annealer. The sheet resistance, shape, and composition of the residual materials were investigated with a 4-points probe, a field emission scanning electron microscopy, and an AES depth profiling, respectively. Samples of annealed above $1000^{\circ}C$ showed the agglomeration of residual metals with maze shape and revealed extremely high sheet resistance. The Auger depth profiling showed that the $SiO_2$ substrates had no residual metallic scums after $H_2SO_4$ cleaning while $Si_3N_4$ substrates showed some metallic residuals. Therefore, the $SiO_2$ spacer may be appropriate than $Si_3N_4$ for newly proposed Co/Ni composite salicide process.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.8
no.1
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pp.25-32
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2007
We investigated the silicide reaction stability between 10 nm-Col-xNix alloy films and silicon substrates with the existence of 4 nm-thick natural oxide layers. We thermally evaporated 10 nm-Col-xNix alloy films by varying $x=0.1{\sim}0.9$ on naturally oxidized single crystal and 70 nm-thick polycrystalline silicon substrates. The films structures were annealed by rapid thermal annealing (RTA) from $600^{\circ}C$ to $1100^{\circ}C$ for 40 seconds with the purpose of silicidation. After the removal of residual metallic residue with sulfuric acid, the sheet resistance, microstructure, composition, and surface roughness were investigated using a four-point probe, a field emission scanning electron microscope, a field ion bean4 an X-ray diffractometer, and an Auger electron depth profiling spectroscope, respectively, to confirm the silicide reaction. The residual stress of silicon substrate was also analyzed using a micro-Raman spectrometer We report that the silicide reaction does not occur if natural oxides are present. Metallic oxide residues may be present on a polysilicon substrate at high silicidation temperatures. Huge residual stress is possible on a single crystal silicon substrate at high temperature, and these may result in micro-pinholes. Our results imply that the natural oxide layer removal process is of importance to ensure the successful completion of the silicide process with CoNi alloy films.
The silicide layer used as a diffusion barrier in microelectronics is typically required to be below 50 nm-thick and, the same time, the silicides also need to have low contact resistance without agglomeration at high processing temperatures. We fabricated Si(100)/15 nm-Ni/15 nm-Co samples with a thermal evaporator, and annealed the samples for 40 seconds at temperatures ranging from $700^{\circ}C$ to $1100^{\circ}C$ using rapid thermal annealing. We investigated microstructural and compositional changes during annealing using transmission electron microscopy and auger electron spectroscopy. Sheet resistance of the annealed sample stack was measured with a four point probe. The sheet resistance measurements for our proposed Co/Ni composite silicide was below 8 $\Omega$/sq. even after annealing $1100^{\circ}C$, while conventional nickel-monosilicide showed abrupt phase transformation at $700^{\circ}C$. Microstructure and auger depth profiling showed that the silicides in our sample consisted of intermixed phases of $CoNiSi_{x}$ and NiSi. It was noticed that NiSi grew rapidly at the silicon interface with increasing annealing temperature without transforming into $NiSi_2$. Our results imply that Co/Ni composite silicide should have excellent high temperature stability even in post-silicidation processes.
The formation mechanism of the epitaxial cobalt silicide from Co/Ti/OOO) Si structure has been investigated. The transition temperature of CoSi to CoSi, was found to increase with increasing the Ti interlayer thickness, which may be owing to the occupation of the tetrahedral sites by Ti atoms in the CoSi crystal structure as well as the blocking effect of the Ti interlayer on the diffusion of Co. Also, the Co- Ti-O ternary compound formed at the metal! Si interface at the begining of silicidation, which seems to play an important role in epitaxial growth of Co silicide. The final layer structures obtained after a rapid thermal annealing of the Cot Ti/( 100) Si bi-layer structure turned out to be Ti oxide/Co- Ti-Si/epi-$CoSi_2$/OOO)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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