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TiN基金属栅特性研究

作　者: 王晓荣
导　师: 蒋玉龙
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: TiN 金属栅铝钽镱功函数 C-V
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 38次
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内容摘要

随着CMOS集成电路器件尺寸的不断变小,高k栅介质的使用已成为必然。但由于多晶硅栅存在耗尽、硼穿通和与高k栅介质的不兼容(如费米能级钉扎和沟道载流子迁移率退化效应)等问题,多晶硅栅需要被具有更高电导率的金属栅所取代。TiN由于具有良好的热稳定性、较低的电阻率、较高的功函数(适合直接用来作p-MOSFETs栅极材料)及功函数可调等优点而被认为是很有发展前景的一种金属栅材料。为了满足n-MOSFETs对栅极功函数的要求,必须采取可行的方法来调制TiN金属栅极的有效功函数,使其接近si的导带底。基于此,本文研究了TiN薄膜的制备工艺、TiN金属栅的相关特性和热退火处理对Al/TiN/SiO2/p-Si结构、TiN/Ta/TiN/SiO2/p-Si结构及TiN/Yb/TiN/SiO2/p-Si结构金属栅有效功函数的调制效应。TiN制备工艺及其作为金属栅材料的特性研究：研究了用PVD法制备TiN薄膜时各工艺条件对TiN薄膜电阻率等特性的影响,发现：直流溅射比射频溅射法更适合制备高质量的TiN薄膜；当直流溅射功率为200 W、退火温度在600℃～700℃之间时,TiN薄膜电阻率比较低。以TiN/SiO2/p-Si结构研究TiN金属栅的功函数,发现：TiN本身功函数比较高,在5.0 eV左右,且随着热预算的增加,栅极有效功函数略微有所降低。热退火处理对Al/TiN/SiO2/p-Si结构金属栅有效功函数的调制：由于TiN本身功函数较高,仅适合做p-MOSFETs的栅极材料,而Al由于功函数低、电阻率低等特点而被考虑用来调制TiN金属栅的功函数。研究发现,短时间高温热退火处理后Al/TiN栅极功函数反而有所增加,但是随着退火时间的增加,M/TiN栅极功函数又进一步减小至4.4 eV。分析表明,界面处Al的存在状态将直接影响栅极功函数的调制方向,当界面Al-Si-O偶极子起主要作用时将调制栅极有效功函数向Si的价带方向移动,而当AI单质与Si02直接接触而起主要作用时将调制栅极功函数向Si的导带方向移动。研究也表明界而处Al的引入并没有引起界面态密度的增加。热退火处理对TiN/Ta/TiN/SiO2/p-Si或TiN/Yb/TiN/SiO2/p-Si结构金属栅有效功函数的调制：为了更进一步调低TiN金属栅的功函数,论文尝试在TiN中引入低功函数金属元素钽(Ta)和镱(Yb)。研究证明,热退火处理后,Ta和Yb可以有效降低栅极功函数。TiN(Ta)的栅极功函数被调制到4.4 eV,而TiN(Yb)的栅极功函数则被调制到4.1 eV,从而十分接近Si的导带底!进一步的实验还表明,TiN(Yb)金属栅结构的热稳定性也很好,器件的EOT、未因Yb的引入而受到影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
第一章绪论  8-20
  1.1 引言  8-9
  1.2 CMOS栅极材料的要求  9-10
  1.3 金属栅取代多晶硅栅的原因  10-15
  1.4 金属栅材料的选择  15-16
  1.5 有关TiN金属栅的一些研究进展及相关的功函数调制方法  16-19
  1.6 本论文内容安排  19-20
第二章 TiN金属栅样品的制备和测试方法  20-30
  2.1 样品制备工艺简介  20-21
  2.2 样品测试方法及原理  21-30
    2.2.1 四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻的原理  21-23
    2.2.2 X射线衍射用于物相分析的原理  23-24
    2.2.3 双频方法处理以消除频率弥散  24-25
    2.2.4 用准静态技术测量硅-二氧化硅界面态密度分布  25-28
    2.2.5 二次离子质谱(SIMS)法测量元素分布  28
    2.2.6 俄歇电子能谱(AES)法测量元素分布  28-30
第三章 TiN制备工艺及其作为金属栅材料的特性研究  30-42
  3.1 TiN制备工艺的研究  30-36
    3.1.1 溅射功率对成膜特性的影响  30-32
    3.1.2 溅射时N_2/Ar比对成膜特性的影响  32-33
    3.1.3 溅射时腔体气压对成膜特性的影响  33
    3.1.4 热退火对薄膜特性的影响  33-36
    3.1.5 直流溅射和射频溅射对成膜特性的影响  36
  3.2 TiN作为金属栅材料的一些特性研究  36-40
    3.2.1 样品的制备与测试  37
    3.2.2 结果与讨论  37-40
  3.3 本章小结  40-42
第四章热退火处理对Al/TiN/SiO_2/p-Si结构金属栅有效功函数的调制  42-54
  4.1 样品的制备与测试  42-43
  4.2 结果与讨论  43-53
  4.3 本章小结  53-54
第五章热退火处理对TiN(Yb)及TN(Ta)金属栅有效功函数的调制  54-60
  5.1 样品的制备与测试  54-55
  5.2 实验结果与分析  55-59
  5.3 本章小结  59-60
第六章结论  60-61
参考文献  61-66
致谢  66-67
硕士期间研究成果  67-68

TiN基金属栅特性研究

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