Ni基全硅化物金属栅工艺、特性及表征技术研究

论文摘要

随着CMOS器件尺寸的不断变小,一方面由于通过SiO2或SiON栅介质的隧穿电流呈数量级的增大,SiO2和SiON栅介质需要被具有更高介电常数（高k）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k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（FUSI）金属栅具有功函数调制范围大、与CMOS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Ni FUSI MOS电容的工艺、电学性能、功函数调制、Si/SiO2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.MOS电容测量理论和分析。通过研究交流频率和电容面积对MOS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Ni FUSI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-Si和金属Ni进行固相反应形成Ni FUSI金属栅的工艺及特性,形成的NiSi栅电极的功函数为4.40 eV。其次,论文研究了多晶硅中离子注入和激活尖峰退火对SiO2栅介质上Ni FUSI栅功函数和SiO2/Si（100）界面特性的影响,用高频C-V和光照高频C-V测量了SiO2/Si界面态密度。多晶硅中离子注入As或B后,全硅化退火后MOS电容的平带电压分别往负或正方向移动。As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4.75 eV和4.74 eV。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,As和B离子注入后尖峰退火的Ni FUSI MOS电容,界面态在价带上大致0.63～0.74 eV处存在特征峰值,强度从5.7×1012到1.2×1013cm-2eV-1,这种界面态与SiO2/Si（100）界面的Si原子悬挂键对应的Pb缺陷有关。还原性气氛退火可消除这种界面缺陷。3.Ni稀土金属合金FUSI金属栅。研究了Ni稀土金属合金法制备FUSI金属栅工艺以及Ho、Er合金对栅电极薄层电阻和功函数的影响。随Ho浓度从0%增加到10%和30%,形成的FUSI金属栅的薄层电阻从1.4Ω/sq分别增加到1.8Ω/sq和3.1Ω/sq,平带电压从-0.31 V减小到-0.50 V和-0.58 V,这可归因于Ho元素引起的功函数降低。随Er浓度从0%增加到10%和32%,形成的硅化物的薄层电阻从1.4Ω/sq分别增加到2.1Ω/sq和4.9Ω/sq。10%厚度百分比的Er可以大致减小功函数0.17 eV。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MOSFET原理
• 1.2 多晶硅栅耗尽效应
• 1.3 高k栅介质
• 1.4 多晶硅/High-k费米能级钉扎效应
• 1.5 多晶硅/高k栅堆垛沟道迁移率降级效应
• 1.6 金属栅集成方案
• 1.6.1 栅后加工集成方案
• 1.6.2 栅先加工集成方案
• 1.6.3 全硅化物金属栅集成方案
• 1.7 Ni全硅化物金属栅
• 1.8 本论文内容安排
• 第二章 全硅化物金属栅样品的制备和测试方法
• 2.1 样品结构的制备
• 2.1.1 硅片清洗过程
• 2.1.2 离子束溅射
• 2.2 样品测试表征方法
• 2.2.1 薄层电阻和四探针
• 2.2.2 X射线衍射术
• 2.2.3 拉曼散射
• 2.2.4 高频C-V特性测量线路
• 2.2.5 准静态C-V特性测量线路
• 第三章 MOS电容测量理论和分析
• 3.1 MOS电容测量模型理论
• 3.1.1 电容的二元等效电路模型
• 3.1.2 电容的三元等效电路模型
• 3.1.3 电容的四元等效电路模型
• 3.2 Ni/a-Si全硅化物金属栅MOS电容测量
• 3.2.1 样品的制备与测试
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 面积对测量电容的影响
• 3.3.1 样品的制备与测试
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 预注入多晶硅Ni全硅化物金属栅
• 4.1 非晶硅上Ni全硅化物金属栅的制备及其功函数的测量
• 4.1.1 样品的制备与测试
• 4.1.2 结果与讨论
• 4.2 预注入多晶硅上Ni全硅化物金属栅的制备和表征
• 4.2.1 样品的制备与测试
• 4.2.2 Ni全硅化物相的识别
• 4.2.3 光照高频电容电压测量
• 4.2.4 功函数调制和平带电压偏移
• 4.2.5 还原性气体退火前后Ni全硅化物栅MOS电容变化
• 4.2.6 界面态密度提取方法
• 2界面态密度'>4.2.7 Ni全硅化物栅MOS电容Si/SiO₂界面态密度
• 4.3 本章小结
• 第五章 Ni稀土金属合金全硅化物金属栅
• 5.1 样品的制备与测试
• 5.2 结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的相关论文