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日本顕微鏡学会第63回学術講演会 2007年5月20日, 朱鷺メッセ（新潟）
Ｎiシリサイド電極形成にともなう
欠陥導入過程の考察
一色 俊之１，西尾 弘司１，溝部 誠２，中村 勇１，
深田 卓史３，吉本 昌弘１，播磨 弘１
１京都工芸繊維大学大学院
工芸科学研究科
２京都工芸繊維大学 電子情報工学科
３WaferMasters Inc.
Introduction ①
MOSトランジスタの微細化：低消費電力・高速動作・生産性向上
スケーリング則に基づいた，
低コンタクト抵抗化：シリサイド
Gate
Source
Drain
低VD化
チャネル長：短
高濃度ドープ
MOSFET
ゲート（チャネル）長短縮
低電圧化
ゲート絶縁膜の極薄化
etc．．．．
浅い接合
低抵抗電極形成：Niシリサイド
ソースドレインの極浅接合(Ultra Shallow Junction)
高キャリア濃度化
素子製造（電極形成）に問題
Introduction ②
Gate
Source
Drain
リーク電流
MOSFET
pyramid欠陥
極浅接合(USJ)
高キャリア濃度
低抵抗電極（Niシリサイド）
シリサイド化反応で，電極下に欠陥が生成
（ピラミッド欠陥（スパイク欠陥））
リーク電流の発生
× 消費電力増大，動作不良，素子破壊
Ｎｉシリサイド層
目的：断面ＴＥＭ法によるピラミッド欠陥形成過程の解明
Niシリサイドとピラミッド欠陥
ＮｉＳｉ層
ピラミッド欠陥の構造
・ Ｓｉと同一の結晶格子
・ Si{111}面を境界，格子のずれ
・ Ｓｉより暗いコントラスト
・ 積層欠陥コントラスト(縞状)が不明瞭
Ｓｉ基板
△ 積層欠陥
ダイヤモンド構造の｛１１１｝面のすべり多面体
○ シリサイド相の貫入 Siと整合する結晶格子
⇒ ＮｉＳｉ２（× 蛍石型高温相 ○ 非蛍石型低温相）
試料作製と熱処理
アクセプタイオン打ち込み
Si(001)
Si(001)
低キャリア濃度基板（p－）
高キャリア濃度基板（p＋）
Ｎｉ sputtering (R.T)
Annealing systems
Ni
10nm
p-type Si wafer
473K~723K
Ni-silicide
Hot-plate annealing
10 min
hot plate
10min in N2
wafer
p-type Si wafer
Ta = hot plate temperature
熱処理前のNiスパッタ基板
低キャリア濃度基板（p－）
Ni層
無欠陥・結晶性良好
高キャリア濃度基板（p＋）
Ni層
欠陥コントラスト有・結晶性不良
高濃度イオン打ち込みによる表層欠陥の残留
Ｎｉシリサイド形成と欠陥生成 ①
低キャリア濃度基板（p－）
高キャリア濃度基板（p＋）
残留欠陥の存在
熱処理前
Ni2Si層の形成
残留欠陥近傍に格子歪
225℃
275℃
NiSi層の形成
ピラミッド欠陥の発生
300℃
Ｎｉシリサイド形成と欠陥生成 ②
低キャリア濃度基板（p－）
高キャリア濃度基板（p＋）
ピラミッド欠陥有
325℃
界面ラフネス大
Ｎｏｔ ｏｂｓｅｒｖｅｄ
Ｎｏｔ ｏｂｓｅｒｖｅｄ
350℃
400℃
NiSiの単層化
ピラミッド欠陥なし
450℃
全温度域でピラミッド欠陥の発生なし
• 高キャリア濃度試料のみピラミッド欠陥発生
• 300℃付近の熱処理で発生が顕著
Si-Niシリサイド界面の HRTEM 観察
Ni2Si層
高キャリア濃度基板（p＋）
NiSi2層
欠陥・格子歪
Ni層
NiSi2層
225oC
残留欠陥
Si基板
Ni2Si層
Si基板
{111}界面
熱処理前
NiSi層
275oC
Si基板
Si-Niシリサイド界面の HRTEM 観察
高キャリア濃度基板（p＋）
NiSi層
Si基板
Si基板
Annealing temp.
= 573K
(300oC)
ピラミッド欠陥の発生初期
Si-Niシリサイド界面の HRTEM 観察
高キャリア濃度基板（p＋）
Ni2Si層
NiSi層
NiSi層
Si基板
Si基板
Annealing temp.
= 573K
(300oC)
Annealing temp.
= 598K
(325oC)
ピラミッド欠陥形成の温度領域
• 低キャリア濃度試料
– 全温度域でピラミッド欠陥は観察されず
• 高キャリア濃度試料
–
–
–
–
基板内欠陥（残留欠陥）の存在
225℃～275℃ シリサイド化進行と残留欠陥の一部侵食 歪コントラスト
300℃～325℃ ピラミッド欠陥の形成顕著 ← Ｎｉ２ＳｉからＮｉＳｉへの相変態温度域
350℃～400℃ 界面の凹凸大きく，凹部下層に微細なピラミッド欠陥
450℃
ピラミッド欠陥の発生なし ⇒ ピラミッド欠陥生成温度域を通過
Ni ⇒ Ni2Si
残留欠陥
残留原因：高濃度注入？
アニール不足？
Ni2Siの成長 ⇒ 残留欠陥消滅：不完全
Ni2Si ⇒ NiSi
～15nm
界面応力による歪みコントラスト
界面ラフネス増大
～20nm
NiSi
ピラミッド欠陥形成
ピラミッド欠陥
～30nm
欠陥なし
ピラミッド欠陥形成 ： 相変態と残存欠陥の関連を示唆
再熱処理とピラミッド欠陥
450℃
熱処理前
ＮｉＳｉ，ピラミッド欠陥なし
再
460℃
225℃：Ｎｉ２Ｓｉ+残留欠陥・格子歪み
ＮｉＳｉ，ピラミッド欠陥なし
再
300℃：ＮｉＳｉ（Ｎｉ２Ｓｉ）+ピラミッド欠陥
460℃
ＮｉＳｉ，ラフ凹部にピラミッド欠陥残存
相変態温度域の滞留がピラミッド欠陥生成を誘起
一度生成したピラミッド欠陥は再熱処理では消失しない
ま と め
• ピラミッド欠陥の構造
｛１１１｝界面でSiと整合した結晶格子・同一パターン
• 貫入シリサイド相（NiSi2 非蛍石型構造）
• ピラミッド欠陥の生成
相変態温度（300℃近傍）での滞留
イオン打ち込みの残留欠陥
ピラミッド欠陥形成に関与
残留欠陥 ⇒ 応力・歪集中 ⇒積層欠陥形成 ⇒ Ｎｉ拡散進行
⇒ ピラミッド欠陥形成
• 再アニール処理
ピラミッド欠陥のアニール除去は困難
（シリサイド化進行で消失するが界面のラフネス増大）
熱処理温度域の選択・残留欠陥の除去
⇒ ピラミッド欠陥形成を抑制