硅化物

某些金属（如锂、钙、镁、铁、铬等）和某些非金属（如硼等）与硅形成的二元化合物。一般是晶体，有金属光泽，硬而有高熔点。一种金属或非金属能生成多种硅化物。如铁能生FeSi、FeSi2、Fe2Si5、Fe3Si2、Fe5Si3等。可由金属（或非金属）氧化物或金属硅酸盐用硅在电炉中还原而得。金属硅化物以其优异的高温抗氧化性和导电、传热性获得广泛的应用。

金属硅化物简介

金属硅化物特别是电热元件材料(MoSi2),已实现了工业化生产和应用。40年代初就已提出MoSi2等金属硅化物可以作为高温结构材料使用的建议。从80年代末开始,首先在美国对结构用硅化物进行了广泛而深入的研究和开发工作,随后引起了世界各国材料工作者极大的注意。近10年来已成为高温结构金属间化合物研究的最新热点。

功能硅化物的应用

电热元件用硅化物：金属硅化物作为电热元件是其最早的应用之一。一般,金属硅化物中含硅量愈低熔点愈高,但其抗氧化性下降。因此,通常选用熔点虽低但抗氧化性好的二硅化物制造发热体。

高温抗氧化涂层用硅化物：钼上MoSi2涂层显著的抗氧化能力及其自愈合特性已导致广泛研究大量其它MeSi2型二元硅化物和更复杂的硅化物,以作所有难熔金属及其合金和石墨材料包括碳/碳复合材料的抗氧化涂层。

已知,涂层的厚度与使用时间呈抛物线关系,而使用温度对涂层厚度的影响比时间还要敏感。进一步研究发现,硅化物涂层的寿命主要受控于涂层系统中元素的互扩散能力和涂层缺陷。这方面,目前一是通过合金化对涂层硅化物进行改性以得到具有更好的抗氧化性能的多元复合氧化物保护膜;二是利用梯度复合来改善涂层在热循环使用过程中产生的发状裂纹缺陷。

集成电路栅极薄膜用硅化物：随着集成电路集成度的提高,对其栅极和互连线材料的耐热性要求也在不断提高。传统的多晶硅及铝材料已不能满足要求;难熔金属W、Mo虽具有良好的导电性和高熔点,但它们不抗氧化致使集成电路的制备温度受到限制。于是难熔金属硅化物因具有低的电阻率和高的稳定性而受到重视。这方面最受人注目的4种硅化物是TiSi2、TaSi2、MoSi2和WSi2,其中TaSi2是最稳定的,其电阻率低于WSi2和MoSi2。同时,使用TaSi2作为集成电路栅极和互连线的金属化有其独到的优点,即TaSi2在干氧中不会被氧化,随着超微细粒工艺的出现,对高温稳定性的要求或许有所降低,那么其它硅化物也会变得有用。

集成电路中的金属硅化物[2]

钛硅化物TiSi2：钛硅化物TiSi2因具有工艺简单、高温稳定性好等优点，被最早广泛应用于0.25微米以上MOS技术。其工艺是首先采用诸如物理溅射等方法将Ti金属沉积在晶片上，然后经过稍低温度的第一次退火（600～700℃），得到高阻的中间相C49，然后再经过温度稍高的第二次退火（800～900℃）使C49相转变成最终需要的低阻C54相。

对于钛硅化物而言，最大的挑战在TiSi2的线宽效应。即TiSi2电阻会随着线宽或接触面积的减小而增加。原因是当线宽变得过窄时，从C49相到C54相的相变过程会由原先的二维模式转变成一维模式，这使得相变的温度和时间将大大增加。而过高的退火温度会使主要的扩散元素Si扩散加剧而造成漏电甚至短路的问题。因此随着MOS尺寸的不断变小，会出现TiSi2相变不充分而使接触电阻增加的现象。

钴硅化物CoSi2：钴硅化物作为钛硅化物的替代品最先被应用于从0.18微米到90纳米技术节点，其主要原因在于它在该尺寸条件下没有出现线宽效应。另外，钴硅化物形成过程中的退火温度相比于钛硅化物有所降低，有利于工艺热预算的降低。同时由于桥通(bridge)造成的漏电和短路也得到改善。

虽然在90纳米及其以上尺寸，从高阻的 CoSi到低阻的CoSi2的成核过程还十分迅速，在CoSi2相变过程中没有出现线宽效应。但当技术向前推进到45纳米以下时，这种相变成核过程会受到极大的限制，因此线宽效应将会出现。另外，随着有源区掺杂深度不断变浅，钴硅化物形成过程中对表面高掺杂硅的过度消耗也变得不能满足先进制程的要求。MOS进入45纳米以后，由于短沟道效应(short channel effect)的影响对硅化物过程中热预算提出了更高的要求。CoSi2的第二次退火温度通常还在700℃以上，因此必须寻找更具热预算优势的替代品。

镍硅化物NiSi：对于45纳米及其以下技术节点的半导体制程，镍硅化物（NiSi）正成为接触应用上的选择材料。相对于之前的钛钴硅化物而言, 镍硅化物具有一系列独特的优势。镍硅化物仍然沿用之前硅化物类似的两步退火工艺，但是退火温度有了明显降低(<600oC), 这样就大大减少对器件已形成的超浅结的破坏。从扩散动力学的角度来说，较短的退火时间可以有效地抑制离子扩散。因此，尖峰退火（spike anneal）越来越被用于镍硅化物的第一次退火过程。该退火只有升降温过程而没有保温过程，因此能大大限制已掺杂离子在硅化物形成过程中的扩散。

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