（微电子学与固体电子学专业论文）ni基全硅化物金属栅工艺、特性及表征技术研究.pdf

摘要 随着c m o s 器件尺寸的不断变小 一方面由于通过s i 0 2 或s i o n 栅介质的 隧穿电流呈数量级的增大 s i 0 2 和s i o n 栅介质需要被具有更高介电常数 高后 的介质所取代 另一方面 由于多晶硅栅存在着耗尽效应以及与高七栅介质的兼 容性问题 如费米能级钉扎和迁移率降级效应 多晶硅栅需要被具有更高电导率 的金属栅所取代 全硅化物 f u s i 金属栅具有功函数调制范围大 与c m o s 工艺兼容性好等优点 而被认为是很有发展前景的一种金属栅技术 本论文对 n if u s im o s 电容的工艺 电学性能 功函数调制 s i s i 0 2 界面特性以及电学 表征技术进行了研究 获得了以下研究结果 1 m o s 电容测量理论和分析 通过研究交流频率和电容面积对m o s 电容 测量结果的影响 发现当氧化层漏电比较大时 如超薄栅氧情形 必须使用三 元或四元等效电路模型 减小电容面积可以有效地减小损耗因子d 得到准确的 电容 电压 c v 特性曲线 2 预注入多晶硅n if u s i 金属栅 首先 论文研究了三种不同厚度的氧化 层上通过溅射a s i 和金属n i 进行固相反应形成n if u s i 金属栅的工艺及特性 形成的n i s i 栅电极的功函数为4 4 0e v 其次 论文研究了多晶硅中离子注入和 激活尖峰退火对s i 0 2 栅介质上n if u s i 栅功函数和s i 0 2 s i 1 0 0 界面特性的影响 用高频c v 和光照高频c v 测量了s i 0 2 s i 界面态密度 多晶硅中离子注入a s 或b 后 全硅化退火后m o s 电容的平带电压分别往负或正方向移动 a s 掺杂 多晶硅还原性退火后容易分层或剥离 未掺杂多晶硅热稳定性好 还原性气体退 火前后功函数分别是4 7 5e v 和4 7 4e v 从光照高频c v 曲线提取的界面态密 度和从高频c v 结合光照高频c v 曲线提取的界面态密度吻合较好 在还原性 退火前 a s 和b 离子注入后尖峰退火的n if u s im o s 电容 界面态在价带上大 致o 6 3 0 7 4e v 处存在特征峰值 强度从5 7 1 0 1 2 到1 2 x 1 0 1 3c m 2 e v 这种界 面态与s i 0 2 s i 1 0 0 界面的s i 原子悬挂键对应的n 缺陷有关 还原性气氛退火 可消除这种界面缺陷 3 n i 稀土金属合金f u s i 金属栅 研究了n i 稀土金属合金法制备f u s i 金 属栅工艺以及h o e r 合金对栅电极薄层电阻和功函数的影响 随h o 浓度从o 增加到1 0 和3 0 形成的f u s i 金属栅的薄层电阻从1 4 剑s q 分别增加到1 8 甜s q 和3 1 刚s q 平带电压从一0 3 1v 减小到 0 5 0v 和 o 5 8v 这可归因于h o i i i 元素引起的功函数降低 随e r 浓度从0 增加到l o 和3 2 形成的硅化物的 薄层电阻从1 4 蹴q 分别增加到2 1 剑s q 和4 9 剑s q 1 0 厚度百分比的e r 可以 大致减小功函数o 1 7e v 关键词 全硅化物金属栅 功函数 平带电压 界面态 c v 中图分类号 t n 3 0 4 t n 3 0 5 t n 3 8 6 a b s t r a c t 1 1 l et l m n e l i n gc u r r e n tm r o u g hs i 0 2o rs i o ni i l c r e a s e se x p o n e n t i a l l y 弱t l l e d i m e n s i o no fc o m p l e m e n t a 眵m e t a l 0 x i d e s 锄i c o n d u c t o r c m o s d e v i c e si ss c a l i n g a sar e s u l t s i 0 2o rs i o ns h o u l db er e p l a c e db yh i g h j g a t ed i e l e c 仃i c h o e v e r t h e c o n v e n t i o m lp o i y s ig a t eh a sm 锄yp r o b l e m s s u c ha sp o l y s id e p l e t i o ne 艉c t s a n d 龇 i i i l c o i n p a t i b i l 时 析t l lh i g l l k d i e l e c t r i c s f e m i l e v e l p i i l i n g a n d c h a 玛e c 撕e r i n d u c e dm o b i l i t yd e 笋a d a t i o n p o l y s ig a t em u s tb er 印l a c e db ym 砌 g a t e 谢廿ll l i g h e rc o n d u c t a n c e f i l l l ys i l i c i d e d f u s dm e t a lg a t eh 弱b e e ni n v e s t i g a t e d e x t e n s i v e l yd l l et 0i t sl a r g ew o r k 如n c t i o n w f m o d u l a t i o nm g ea n de x c e l l e m c o m p a t i b i l 毋谢t l lt l l ec o n v e n t i o i l a lc m o sf i e l de 虢c t 仃锄s i s t o rp r o c e s s 1 1 1 i sp a p e r i n v e s t i g a t e st l l ef a b r i c a t i o np r 0 c e s s e l e c t r i cp e r f 0 姗肌c e w fm o d u l a t i o l l s i 0 2 s i r f k e 的pp r o p e n i e s a n de l e c t r i c a lc h a r a c t 耐z a t i o no ff u s im e t a lg a t e dm o s c a p a c i t o r c a p a c i t a n c e v o l t a g e c v m e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n da n a l y s i s b yi n v e s t i g a t i i l g t h ee 琢 c t so fm e a s u r e m e n tf k q u e n c ya i l dc 印a c i t o ra r e ao nc vm e a s u r e m e n tr e s u l t s t l l r e eo rf o u re l e m e n te q u i v a l e mc i r c u i tm o d e lm u s tb eu s e d w h e nt l l eo x i d el e a l a g e c u n e n ti sl a 喀e f o rc x 锄p l e i i lu l 舰 n g a t eo x i d e t h er e d u c t i o no fc 印a c i t o r a r e a c a nd e c r e a s ed i s s i p a t i o nf a c t o rd 锄dt h e r e f o r eo b t a i nr e l i a b l ec vc h a r a c t e r i s t i c c u r v e s p 渺d o p i n ge f f e c t s o nn if u s im e t a lg a t e f i r s t t h et h e s i si n v e s t i g a t e dt h e f a b r i c a t i o np r o c e s sa i l dc h 踟m t e r i s t i c so fn if u s im e t a lg a t ef 0 姗e d 舶ms o l i d r e a c t i o no fa s ia n dn ib ys p u 骶r i n go nt l l r e ed i 疏r e n ts i 0 2m i c l 1 1 e s s t h ew fo ft h e f u s im e t a lg a t ei s4 4 0e vt h e n t h et l l e s i s i i l v e s t 谵a t e d n l ee 舵c t so fi o n i n l p l a n t a t i o na n ds p i k ea c t i v a t i o na 1 1 n e a lo nt l l ew f m o d u l a t i o no fp r e d o p e dn if u s i m e t a lg a t ee l e c 仃0 d e so ns i 0 2d i e l e 嘶c s 锄dt i l ef u s ig a t e ds i 0 2 s i 1o o i n t e 血c e 仃 啦p r o p e r t i e s t h ei n t e r f a c e 仃印p r o p e r t i e sw e r em e a s u r e db yu s i n gh i 曲 f k q u e n c y c va n dp h o t o i l i c1 1 i g h f 托q u e n c yc vm e a s u r e m e n t s a r e r 如l l ys i l i c i d a t i o na r m e a l m en a t b a n dv o l 魄e 巧动o fm en if u s ig a t e dm o s c 印a c i t o rs h i r sn e g a t i v e l yo r p o s i t i v e l yf o ra s d o p e do rb d o p e dc a s e r e s p e c t i v e l y a s d o p e dn if u s ig a t em a y d e l 锄i n a t eo rp e e lo 行m e rf o 咖吨g 觞a i l n e a j f g a u n d o p e dn i s if u s ig a t eh 硒 9 0 0 dt 1 1 e n i l a ls t a b i l i 戗a n di t sw fb e f o r ea n da 能rf g ai s4 7 5e v 肌d4 7 4e v v r e s p e c t i v e l y i n t e r f 如e 仃a pd e n s i t r bc a l c u l a t e df b m 坨p h o t o i l i ch i 曲一f b q u e n c y c vc u r v e si si ng o o da 伊e e m e n t 讵mt h a tc a l c u l a t e d 舶mt h eh i 曲一仔e q u e n c y 锄1 d p h o t o 血ch i 曲一舶q u e n c yc vc u n e s b e f o r ef g a ac h a r a c t e r i s t i c 仇p e a km g i n g 舶m5 7 1 0 1 2t 01 2 1 0 1 3 c m 2 e v 1w a so b s e n e da ta p p r o x i m a t e l y0 6 3 o 7 4e v a b o v et h ev a l e n c eb a n de d g ef o ra s d o p e da n db d o p e dn if u s ig a t e dc a p a c i t o r s w h i c hr e c e i v e das p i k ea c t i v a t i o na 珈1 e a la f t e ri o ni m p l a n t a t i o n mc h a r a c t e r i s t i c p e a kw l i c hm a yb er e l a t e dt 0p 6d e f e c t sa tt h es i 0 2 s i 10 0 i n t e r f a c e c o u l db e e l i m i n a t e da r e rf g a n i r e f u s im e t a lg a t e t h e 1 e s i si n v e s t i g a t e dm em r e e a m l r e m e t a la l l o y i n g e 妇f c c t so nm es h e e tr e s i s t a i l c e n l ew fm o d u l a t i o no fn i i 也 f u s ig a t ee l e c n o d e s 触 t h e 仳c k n c s sp e r c e n t a g co fh 0i i lm en i h o i n c r e a s e s 纳mot 01 3 a n d3 0 m e s h e c tr e s i s t 觚c eo fm es i l i c i d ei n c 陀蟠e s 如m1 4f y s qt 01 8 v s qa i l d3 1 倒s q a n d t i l e 斥芎s t l i rd e c r c 邪e s 五旧m o 3 lt 0 0 5 0a n d o 5 8vn l c 斥曰s 1 1 i nc a nb ea 晡b u t e d t 0m e 研d e c r e a s ed u et 0h o a s 也e 廿1 i c l i l e s sp e r c e n 协g eo fe ri i l 也en i e r i n c r e a s e sf r o m0t o10 a i l d3 2 t l l es h e e tr e s i s t 觚c eo ft h es i l i c i d ei l l c r e a s e sf r o m 1 4 剑s qt 02 1 剑s qa n d4 9 剑s q t h ew f i sr e d u c e da p p r o x i m a t e l y0 1 7e vd u et 0 t h e1 0 e r c k n e s s p e r c e n t a 寥i nm en i e r k e yw b r d s 如1 1 ys i l i c i d e d f u s i m e t 2 l lg a t e 0 r kf h n c t i o n w f f l a t b a l l d v o l 魄e i n t e 血c e 仃a p c a p a c i t a i l c e v o l t a g e c v c h i n e s el i b r a 呵c l a s s i f i c a t i o nc o d e t n 3 0 4 t n 3 0 5 t n 3 8 6 v i 1 1m o s f e t 原理 第一章绪论 m o s f e t 由源 栅 漏和衬底组成 如图1 1 所示是一个简单的n m o s f e t 示意图 l e c t r i c 图1 11 1 m o s f e t 示意图 州o s f e t 漏端施加偏压 利用栅电压控制源到沟道的电子流动 栅电极控 制沟道电场 当施加正偏压 硅表面反型 形成了从源到漏的电流通道 晶体管 有很多重要参数表征它的性能 漏电流易描述了沟道电流 分为线性区和饱和 区 线性区电流 l 物巳 巧 1 1 饱和区电流 厶 羞物q 巧 2 譬物 1 2 因此增大m o s f e t 饱和电流的方法有 1 增大载流子迁移率 如使用应变硅等新型材料作为沟道 2 采用金属栅电极和高后介质增大反型层电荷密度 1 2 多晶硅栅耗尽效应 如图1 2 中所示 l 一多晶硅 s i 0 2 p s im o s f e t 反型工作时 多晶硅和s i 0 2 界面处产生了一个耗尽区 宽度 部分栅电压降落在多晶硅耗尽区上 导致 栅介质上的电压减小 耗尽区引起反型栅介质等效电学厚度增加 2 肋丁 氏 肋丁 3 1 3 其中 鼢是硅的相对介电常数1 1 9 鼬d 2 是二氧化硅的相对介电常数3 9 肋堤 等效氧化层厚度 多晶硅发生耗尽效应时 反型栅介质等效电学厚度e d 瓦妇增加 导致反型栅电容减小 m o s f e t 驱动电流减小 随着c m o s 器件尺寸的缩小 栅 介质厚度越来越小 多晶硅耗尽效应的相对影响变得越来越大 如图1 3 中所示 1 多晶硅掺杂浓度越低 反型栅电容越小 耗尽效应越明显 增加多晶硅的 掺杂浓度 可以减小耗尽层宽度 但是 掺杂浓度的提高受到杂质固溶度和热预 算的限制 对掺b 多晶硅 b 掺杂浓度过高还容易发生b 穿通s i 0 2 进入沟道的现象 g e c e i e v f l l p o l yd e p i e t i o n e f x 图1 2 多晶硅耗尽能带图 图1 3 多晶硅耗尽效应引起反型栅电容越小 其中多晶硅掺杂浓度依次是1 1 0 2 0 c m 3 1 5 1 0 2 0c i l l 3 和3 1 0 2 0c m 3 2 1 3 高忌栅介质 在过去的四十年里 主要通过物理尺寸的缩小改进c m o s 器件性能 特别是 栅氧化层和结深随栅长一起缩小 以避免物理尺寸缩小带来的短沟道效应 每三 年一个技术节点 栅氧化层厚度缩小1 2 栅氧化层厚度减小导致栅隧穿电流增 加 2 栅氧化层厚度低于3 5 胁时 厚度每减小o 4 o 51 1 l n 直接隧穿电流增加 1 0 0 倍 4 51 1 i i l 节点工艺及以下时 栅等效氧化层厚度小于1 0m 使用s i o n 作为 栅介质 漏电流会极其大 导致很大的静态功耗 因此 使用具有高介电常数 高 七 介质作为栅介质 这是因为 栅介质的等效氧化层厚度和介电常数成反比 2 肋r 导 瓦洲 肋r 竺生 瓦励一i 毛动一i 1 3 死神墙是高七介质的物理厚度 锄辔枞是其介电常数 对于一个给定的栅介质厚度 更高的介电常数可以得到更低的等效氧化层厚度 因此 使用高榭料取代s i o n 可以得到更大的电容 对于给定的栅介质厚度 h 瑾高价质和金属栅可以把栅 电流减小几个数量级 但是高价质和传统的多晶硅栅电极存在兼容性问题 尤其是以下两个问题 高卿多晶硅界面高缺陷引起的费米能级钉扎效应和器件的低迁移率 1 4 多晶硅 i i 追h k 费米能级钉扎效应 如图1 4 所示 多晶硅 h f 0 2 界面发生费米能级钉扎 费米能级钉扎在多晶 硅导带下面 3 如图1 5 a 中 随着a l d 周期数增加 n 和p 多晶硅栅的 v f b 会集 3 起始区表明随着亚原子层h f 0 2 表面覆盖率的增加 v f b 的变化 如 图1 5 b 所示 一旦完整的表面覆盖完成 v m 保持常数 3 费米能级钉扎 会引起m o s f e t 高的阈值电压 3 如图1 6 所示 多晶硅和高七界面缺陷的形 成很可能是引起费米能级钉扎的原因 4 图1 4h 幻2 费米能级钉扎位置 3 一0 望o o 三0 已o 0 o 2 0510152 02 5 v f b 巾p 牵 q f c o x 卜巡兰篓f 1 4 5 ah f o i 撑o fh f 0 2c y c i e so n2 3 as i 0 2撑o fh f 0 2c y c i e s 图1 5 a v f b 和a l dh f 0 2 周期数 b v f b 和a l dh f 0 2 周期数 吲问i l n t e r f a e 蓬 岫n k i 图1 6 多晶硅和h i 曲一k 界面缺陷的示意图 1 5 多晶硅 高足栅堆垛沟道迁移率降级效应 高枷介质由偶极子组成 这是高枷介质有很大介电常数的原因 高瑚介 质极化引起了表面声子 如图1 7 a 表面声子耦合到反型层沟道 严重影响了 沟道迁移率 从而降低了晶体管的开关速度 使用金属栅取代多晶硅栅可以解决 这个问题 4 金属作为导体 可以提供1 0 2 2c m 3 量级的载流子 比多晶硅高1 0 0 倍 如图1 7 b 金属栅有效地屏蔽和减小表面声子耦合到反型层沟道 从而 改进了沟道迁移率 晶体管沟道电流平稳流动 4 如图1 8 所示 使用金属栅显 著改进了高瑚介质的沟道迁移率 5 更重要的是 金属栅和高栅介质可以减小 界面缺陷 使用金属栅和高七栅介质同样可以解决费米能级钉扎问题 4 4 一田 一o 一一 c q i 一 ci cl i p 0 l y 8 l l i e o ng a 章e h l g h 戈d i e l e c l r i c c h a n n e l 图1 7 a 传统多晶硅栅的电子密度不能屏蔽表面声子耦合到反型层沟道 影 响到沟道载流子的流动 m e t a lg a t e h l g h 一 d i e l e c t r i c e h a n n e l 图1 7 b 金属栅电极有很大量的电子密度可以屏蔽表面声子耦合到反型层沟 道 沟道电流平稳流动 1 n v e r s el o d e l l n g t 2 5c c h a n n e i m o b 川t y s i s i 0 2 p o i y s i s i h i g h k m e t a l 毛裔百r s i h i g h k p o i y s l 0 0 5 1 1 5 e f f b c t i v ev e r t i c a if i e i d m v c m 图1 8 使用金属栅显著改进了高啪介质的沟道迁移率 5 狮 啪 湖 湖 枷 枷 o 1 1一价 季eo一 芝ilcio至i o e一一cococ乱 omt 1 6 金属栅集成方案 高尼栅介质 金属栅要求三种新材料的引入 即高尼栅介质 n m o s 金属栅 功 函数约4 2e v p m o s 金属栅 功函数约5 2e v 这就是两种功函数和一种栅 介质集成方案 栅后加工集成方案 4 另外一种高k 金属栅的替代方案 栅先 加工集成方案不需要两种金属栅 而是淀积两种不同栅介质 n m o s 采用h f 基介 质和一种电正性更强的介质 例如镧氧化物 p m o s 采用h 馑介质和一种电负性 更强的介质 例如a l 基氧化物 4 介质中内建偶极子独立的调制器件的阈值电 压 而和栅电极的功函数无关 这两种集成方案对不同材料 集成方案和大规模 制造设备提出了较高要求 1 6 1 栅后加工集成方案 如图1 9 所示 4 栅后加工集成方案是一低温工艺 因为金属栅电极在源漏 激活退火后淀积 金属栅没有经过高温退火 在栅后加工集成方案里 高礴膜 先与多晶硅淀积 然后 经过标准工艺流程直到自对准工艺和双应力衬垫形成 n m o s 和p m o s 的多晶硅栅同时进行选择性腐蚀 然后淀积金属栅和填充金属 h j g h m o b i i i t y v p m d d e p a n dc m p p o i yt r i 喜n c he t c h p m e t a i n m e t a i m e t a lf i 图1 9 栅后加工集成方案 6 l i t h o e t c h m e l a ic m p 此结构中 金属栅淀积要求完整的台阶覆盖 并且没有高砌民伤 一次光刻用来 移除首先淀积的金属栅 这取决于是n m o s 还是p m o s 金属栅更容易刻蚀 栅后 加工工艺具有低温集成的各种优势 但是它面临着填充结构的问题 金属填充步 骤要求无空洞或缝隙填充 最后化学机械抛光移除过量金属 接着是标准的工艺 流程 第二层金属间介质层和接触刻蚀 1 6 2 栅先加工集成方案 如图1 1 0 所示 4 栅先加工集成方案艺除了高价质和金属栅的插入外 其 余是标准的c m o s 工艺 为了避免高温热处理对金属功函数的影响 n m o s 和 p m o s 器件淀积同一种具有禁带中线功函数且热稳定性较好的薄金属层 阈值电 压通过偶极子工程调节 即通过在栅介质里不同偶极子的建立来实现 首先是 h f 基介质淀积 然后淀积介质覆盖层 进行高温退火 介质覆盖层和h f 0 2 混合 反应 形成了偶极子 从而调制了阈值电压 一般地说 对于h 馑高七栅介质 电正性的元素调制阈值电压往导带方向移动 电负性的元素调制阈值电压往价带 方向移动 光刻去除p m o s 区域淀积的介质覆盖层 而后 淀积p m o s 介质覆盖 层 接着去除n m o s 区域的此介质覆盖层 因为阈值电压通过各自的介质覆盖层 来调制 因此一种金属同时作为n m o s 和p m o s 的金属栅 然后淀积多晶硅 h i g h m o b i i 耐 p o i y e r罂j 竺竺三一 m e t a i g a l e d e p o s i t i o n l a y e rd e p o s i t i o n p m e t a i n m e t a i 豳i i i i i i i i i i i i l t h o 图1 1 0 栅先加工集成方案 1 6 3 全硅化物金属栅集成方案 全硅化物 f u s i 金属栅集成方案和传统的c m o s 工艺流程很相似 因此同 7 复杂的栅后加工工艺和栅先加工工艺相比 有很多优势 如低的薄层电阻 与传 统的c m o s 工艺流程良好的工艺兼容性 容易干法刻蚀 容易和其它材料接触 目前报道了许多f u s i 金属栅集成方案 其中部分方法使用了化学机械抛光 下 图是一个典型的f u s i 金属栅集成方案 6 使用传统的前端工艺流程 包括多晶 硅栅定义和光刻 扩展区离子注入 侧墙形成 源漏离子注入 硅化物接触和氧 化物钝化层 之后是f u s i 金属栅的特有步骤 包括 1 化学机械抛光平坦化钝 化覆盖层 2 去除多晶硅栅上的覆盖层 和3 淀积足够厚度的金属 在4 0 晰0 0 o c 下退火形成f u s i 1 7n i 全硅化物金属栅 6 c a pr e m o v a lf o l l o w e db yf u s i 图1 1 lf u s i 金属栅工艺 表1 1 示出了不同硅化物的比较 从表1 1 可看出 7 n i s i 相比于t i s i 2 c o s i 2 其电阻率较低 n i s i 的形成温度最低 所消耗的s i 体积最少 n i s i 基本没有窄线宽 效应 也不易桥连失效 所以 n i s i 是目前最主流的f u s i 金属栅 第一个f u s i 金属栅晶体管是t a v e l 等报道的未掺杂多晶硅上形成的c o s i 2 金 属栅 8 体c o s i 2 的功函数在硅的禁带中线附近 随后 n i 硅化物 h f 硅化物 9 p t 硅化物 1 0 和t i 硅化物 1 1 等金属栅器件陆续被报道 q i n 等第一个阐明多晶硅 中的掺杂剂影响全硅化后的功函数 1 2 他们发现n 和矿多晶硅和n i 全硅化后得 到两个不同的功函数 第一个使用普通掺杂剂调节功函数的f u s i 栅晶体管在文 献 1 3 1 4 中阐明 研究者发现多晶硅中预掺a s p 和b 等杂质最终可以得到适合 n m o s 和p m o s 的阈值电压 如前文所 阈值电压控制 特别是低阈值电压高性能器件 是一个很大的挑 图 战 实现带边功函数也是f u s i 金属栅的重要问题 未掺杂的n i s i 栅功函数在禁带 中线附近 目前提出了许多方法来调制f u s i 金属栅的功函数 6 1 在栅硅化前 多晶硅栅中预注入i l 和p 掺杂剂 2 改变f u s i 的组分 特别是 n i 与其它金属 的合金 例如 p m o s 采用p t 和g e n m o s 采用砧 3 使用不同的硅化物相 4 在栅介质和f u s i 之间插入超薄覆盖层 5 底部界面工程 6 沟道预注入 表1 1 不同硅化物的比较 s 川c i d e t h i n f m s i n t e r i n g s t a b i eo nr e a c t i o nn m o f s in mo fb a r r i e r r e s i s t i v i t yt e m p s iu p t ow n h a la tc o n s u m e d 怕s u i t i n gh e i g h t t o l p q c m l c t c i c j p e rn m o f s i i i c i d e n s i e v m e 臼 p e rn m o f m e t a i p t s i2 8 3 52 5 0 4 0 0 7 5 02 5 01 1 21 9 70 8 4 下i s f c s 4 11 3 一 67 0 0 9 0 0 9 0 04 5 02 2 725 1o 5 8 t i s i 2 c 4 9 6 0 7 05 0 0 7 0 02 2 72 5 1 c 0 2 s i 7 03 0 0 5 0 00 9 11 4 7 c o s i1 0 0 1 5 04 0 0 6 0 01 8 22 0 2 c o s l 1 4 2 06 0 0 8 0 0 9 5 04 0 035 43s 206 5 n s i1 4 2 04 0 0 6 0 0 6 s 018 323 4 n i s i 2 4 0 5 06 0 0 8 0 03 6 53 6 30 6 6 w s i 3 0 7 0 1 0 0 0h 1 0 0 05 0 025 325 8o6 7 m o s i 2 4 0 一1 0 08 0 0 1 0 0 0 1 0 0 05 0 02 5 62 5 90 6 4 t a s l 23 5 5 58 0 0 10 0 0 1 0 0 0 5 0 02 2 1 2 4 1o 5 9 调节n if u s i 金属栅功函数的主要方法有掺杂剂 p a s s b b 的注入 引入可与栅介质反应的元素 镧族元素 灿 相控制 合金技术 n p t 等 1 5 图1 1 2 示出了n i 硅化物的物相对于功函数调制的影响 1 5 在s i 0 2 栅介质上 n i 硅化物的物相对于功函数只有较弱的调制作用 但在h f s i x o v 栅介质上 富n i 硅化物有较高的功函数 n i 硅化物的物相对于功函数有4 0 0m e v 的调制 图1 1 3 示出了在全硅化前多晶硅中离子注入和尖峰退火激活掺杂剂对功函 数的调制作用 1 5 对于n i s s i 0 2 栅堆垛 掺杂剂a s p b 对功函数有很大的调 制作用 但是对于富n i 硅化物 s i 0 2 和n i s 沁f s i o n 栅堆垛 掺杂剂a s p b 对功 函数只有很微弱的调制作用 目前人们认为掺杂剂对功函数的调制主要可归因于 掺杂剂堆积对界面偶极子的调制 掺杂剂堆积主要是由于尖峰退火时的扩散和硅 化时的杂质分凝 又称 雪梨 效应 然而如图1 1 4 所示 1 5 富n i 的硅化物也 会发生掺杂剂堆积 但却没有发现其有功函数调制作用 与n i s i s i o n 相比 n i s m f s i o n 没有显著的掺杂剂功函数调制效应 这表明n i s i 在h f s i 0 n 可能发生 了费米能级钉扎现象 如图1 1 5 所示 不同方法引入镧族元素 1 作为介质覆盖层 2 在全硅化 前多晶硅预注入和激活退火 3 在金属淀积时与n i 合金或共溅射 可以得到适 9 图1 1 2n i 硅化物的相对于n if u s i 金属栅的功函数的影响 5 z o 乏5 0 0o0 u u 些4 8 0 v v o4 6 0 景4 4 0 o 罢4 2 0嚣4 2 0 山 4 0 0 s i 0 2 h f s i o n n p i s 1 2n i 3 1 s 1 1 2 笛n i 9 葑翟 递 b 镌穗 n i s i 人1 黔群 m 叫 雒 图1 1 3 掺杂剂对n if u s i 金属栅的功函数的影响 d e p t h n m 图1 1 4a s 掺杂的a n i s i 和b n i 2 s i f u s i s i 0 2 界面 1 0 2 3 10 2 1 10 1 9 10 1 7 05 01o o15 0 d e p t h n m f u s i 金属栅的s i m s 分布表明a s 堆积在 合n m o s 的低功函数 1 5 使用上述所有方法 都可以在栅电极 介质界面处 一 i c3 一面一co j cmqcoo一 eo 一co m与cmocoq 发现大量的镧元素 富金属 n i 或p t 基 硅化物的功函数高 适合p m o s 在全 硅化前预注入a l 并激活退火也可以得到高功函数 进一步的研究表明 镧元素和 栅介质反应 改变了栅介质 从而实现了功函数的调制 对于p m o s 同样地a l 的引入改变了栅介质 舢是氧化态 和富n if u s i 或者nf u s i 栅可以得到适合 p m o s 的高功函数 5 2 0 5 0 0 4 8 0 4 6 0 4 4 0 4 2 0 4 0 0 3 8 0 图1 1 5 不同方法引入镧族元素得到适合n m o s 的低功函数 a l 的注入和激活退 火 富n if u s i 或者nf u s i 得到适合p m o s 的高功函数 然而 目前f u s i 金属栅功函数调节范围不够大 其费米能级没有充分调节 到硅的导带边或价带边 此外 f u s i 金属栅工艺还存在着以下挑战 金属和多 晶硅的厚度比和退火温度 时间等都有比较严格的要求 栅长缩小后 n i 容易 从侧墙等周边扩散到多晶硅上 导致n i 的过量 形成富n i 的硅化物 全硅化退 火后 栅的体积膨胀 引起了应力 为了更好地调节f u s i 金属栅功函数 本论 文细致研究了预注入多晶硅n if u s i 金属栅和n i 稀土金属合金f u s i 金属栅工艺 及其特性 1 8 本论文内容安排 本论文各章内容安排如下 第二章介绍了样品的制备和测试方法 包括硅片清洗 离子束溅射 四探针 薄层电阻测量 x 射线衍射术 拉曼散射和电容 电压测量等内容 第三章介绍了m o s 电容测量理论和分析 讨论了二元等效串联和并联电路 模型 三元等效电路模型 四元等效电路模型 面积对测量电容的影响 介绍了 本论文中主要采用的电容测量方法 一 o k 5 o 嚣山 第四章研究了n i a s i 制备f u s i 金属栅的工艺和预注入多晶硅n if u s i 金属 栅m o s 电容工艺 研究了离子注入和激活尖峰退火对s i 0 2 栅介质上n if u s i 栅 功函数和s i 0 2 s i 界面特性的影响 研究了用高频c v 结合光照高频c v 测量 m o s 结构界面态密度 第五章研究了n i 稀土金属合金金属栅m o s 电容工艺 h o e r 合金对栅电 极薄层电阻 功函数和s i 0 2 s i 界面特性的影响 第七章总结 1 2 第二章全硅化物金属栅样品的制备和测试方法 在介绍实验结果之前 本章先介绍全硅化物金属栅样品制备手段以及样品测 试表征方法等两部分内容 2 1 样品结构的制备 2 1 1 硅片清洗过程 本实验中的硅片采用以下方法清洗 1 第一步 有机物沾污的清除 硅片表面的有机物沾污来源包括环境中的有 机蒸汽 存储容易引入杂质 以及光刻胶的残留物等 其去处方法为将硅片置入 以1 1 配比的h 2 s 0 4 h 2 0 2 混合液 煮沸1 0 分钟 再用去离子水冲洗1 0 分钟 2 第二步 弓苌用标准r c a 清洗工艺 1 号液清洗 n h 4 0 h h 2 0 2 h 2 0 以1 2 5 到l 2 7 配比混合 将硅片置入清洗液 中加热至7 8 0o c 1 0 分钟 再用去离子水冲洗1 0 分钟 这一步骤的主要作用是去 除硅片表面的颗粒 并可氧化并去除其表面的少量有机物和金属原子污染 其中 氨水作为腐蚀剂 双氧水作为硅片刻蚀剂 其作用机制如下 溶液中的双氧水可 将硅片氧化使其表面生成一薄氧化层 而碱性氨水可将生成的氧化层腐蚀溶解 使得吸附于氧化层上的颗粒得到去除 2 号液清洗 h c l h 2 0 2 h 2 0 l 2 6 到1 2 8 配比混合 将硅片置入清洗液中加 热至7 0 8 0o c 1 0 分钟 再用去离子水冲洗1 0 分钟 这一步骤的主要作用是溶解碱 金属离子以及不溶解于氨水的 o h 3 m g o h 2 以及z n o h 2 其作用机制如 下 由盐酸提供的氯离子与金属离子发生络合反应 生成的络合物溶解于水中 从而将金属离子去除 3 第三步 自然氧化层去除 不论硅片置于空气中或水中 其表面都会迅速生成一自然化层 n a t i v e o x i d e 其厚度通常为o 6 眦 这一氧化层导致的问题包括使得其接触电阻增大 成为金属杂质源 以及使硅片表面难以生成硅化物等 其去除方法如下 用去离 子水以约为1 5 0 的比例将氢氟酸稀释后 将硅片置于其中漂洗1 2 分钟 2 1 2 离子束溅射 金属硅化物是本文主要的研究对象 在集成电路工业中 制备金属硅化物一 1 3 般是通过物理气相淀积 p h y s i c a lv a p o u rd e p o s i t i o n 简称p v d 在硅片上淀积一 层金属 再退火使之反应生成硅化物薄膜 p v d 最基本的两种方法是蒸发和溅 射 溅射主要是一个物理过程 而非化学过程 本文主要使用离子束溅射设备沉 积薄膜 如图2 1 在离子束溅射过程中 高能粒子撞击高纯度的靶材料固体平 板 按物理过程撞击出原子 这些被撞击出的原子穿过真空 最后淀积在硅片上 图2 1 离子束溅射系统概图 如图2 2 本文使用离子束溅射设备的工作原理如下 当氩气原子流通入离 子源后 在热灯丝阴极和阳极之间产生直流辉光放电 放电所需电子由热灯丝阴 极提供 辉光放电形成的等离子体充满于离子源内 由等离子体壳层将其与灯丝 阳极 室壁和屏栅隔开 等离子体通常在系统中处于最高的正电位 其电位取决 于离子和电子从等离子区损失的速率 大约比阳极高5 1 0 v 在屏栅与加速栅之 间加有负偏压 可由等离子区经二者栅格吸出离子并加速之 由离子源吸出的离 子被中和以克服彼此之间的库仑斥力 保持束流不至于散开 离子束溅射设备的 加速系统和电势图如图2 3 a 和 b 1 6 等离子区中的离子电势最高 比 阳极电势高几个伏特 加速栅电势是 3 0 3v 阳极电势是1 0 0 0v 等离子区和加 速栅的电势差降1 3 0 3v 等离子区中的离子加速越过等离子区和加速栅 离子 越过加速栅后 电势升高到近地电势 设备电势 离子减速经过 3 0 3e v 的势垒 等离子区电势和近地电势间电势差是圪 1 0 0 0v 因此 离子共获得了1 0 0 0e v 的电势能 电压比r 吲阼 o 7 7 比1 小 可以阻止中和电子回流 r 又不能太小 以控制离子束的束发散角q l 疙不会过大 1 6 样品淀积之后送入快速热退火 r r a 系统 r t p 3 0 0 北京 进行退火 该退火系统包括一个有进 出气口半密闭长方扁平的石英样品腔以及腔体外上下 密排两组卤钨灯加热源 退火时 石英腔先通3 分钟高纯氮气 等待气流稳定后 即可打开加热源 样品以7 5 1 2 5o c s 的速率迅速升至预定的工艺温度并在该温 1 4 s c r e e n g r i d 罢 罢 山 图2 2 离子束溅射设备 叫t s 卜 i 口叶t a1 d i s t a n c e x 图2 3 b 加速系统电势变化图 1 5 度状态下保持预设的退火时间 6 0s 1 2 0s 之后关闭加热源让样品迅速冷却至 较低温度 1 0 0 2 0 0o c 完成退火 与炉管退火相比 觚a 工艺的优点是热均 匀度较好且减小了工艺所需的热预算 本论文实验中 温度根据不同需要设定在 2 0 0 9 0 0o c 不等 所使用的高纯氮气气流纯度为9 9 9 9 9 2 2 样品测试表征方法 2 2 1 薄层电阻和四探针 在金属薄膜和半导体材料的电阻率测量中 薄层电阻 s h e e tr e s i 始i n c e 是 一个重要的测试量 如图2 4 所示 一段长度为三 宽度为形 厚度为 电阻率 为p 的导电体 电流从左端流向右端 总电阻定义如下 r 坐 l 2 1 么f 其中 彳为截面积 假定长度 和宽度 形 相等 r 丝 旦 丝 旦 彳f f 三 那么三可以被形代替 代入之后得到 2 2 图2 4 一段长方体形导体 长度为三 宽度为形 厚度为f 薄层电阻的概念特别适用于厚度f 很小的薄膜样品 它实际上描述了电流在 平面内传输时薄膜样品的导电能力 从定义式 2 2 可以看出 薄层电阻和样品材 料电阻率成正比 和厚度成反比 薄层电阻的单位是例s q 在样品厚度已知的情 况下 测得样品的薄层电阻 就相当于得到了样品的电阻率 图2 5 四探针测试示意图 1 6 测量薄膜材料薄层电阻 通常使用四探针法 如图2 5 所示 四根金属探针 排列成一直线 压在薄膜样品上 探针间距相等 记为s 在外面的两根探针之 间施加已知的电流值 j 可测得里面的探针之间形成的电势差 矿 这样避免 了要对接触电阻进行处理 假如薄膜是均匀的 而且厚度足够薄 酬2 薄膜的方块电阻的电阻率与四探针的电流和电压的关系是 r 旦 三 坐兰4 5 3 2 竺 2 3 th j 21 l 由薄层电阻可以求得样品的电阻率 薄膜生长在衬底上 当衬底为绝缘介质或者与薄膜电学隔离 如p n 结 时 衬底对薄层电阻测量没有影响