Ni基全硅化物金屬柵工藝、特性及表征技術(shù)研究.pdf

1、隨著CMOS器件尺寸的不斷變小,一方面由于通過SiO2或SiON柵介質(zhì)的隧穿電流呈數(shù)量級(jí)的增大,SiO2和SiON柵介質(zhì)需要被具有更高介電常數(shù)(高k)的介質(zhì)所取代,另一方面,由于多晶硅柵存在著耗盡效應(yīng)以及與高k柵介質(zhì)的兼容性問題,如費(fèi)米能級(jí)釘扎和遷移率降級(jí)效應(yīng),多晶硅柵需要被具有更高電導(dǎo)率的金屬柵所取代。全硅化物(FUSI)金屬柵具有功函數(shù)調(diào)制范圍大、與CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn),而被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的一種金屬柵技術(shù)。本論文對(duì)Ni F

2、USI MOS電容的工藝、電學(xué)性能、功函數(shù)調(diào)制、Si/SiO2界面特性以及電學(xué)表征技術(shù)進(jìn)行了研究,獲得了以下研究結(jié)果:
　　 1.MOS電容測(cè)量理論和分析。通過研究交流頻率和電容面積對(duì)MOS電容測(cè)量結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化層漏電比較大時(shí)(如超薄柵氧情形),必須使用三元或四元等效電路模型；減小電容面積可以有效地減小損耗因子D,得到準(zhǔn)確的電容-電壓(C-V)特性曲線。
　　 2.預(yù)注入多晶硅Ni FUSI金屬柵。首先,論文研究

3、了三種不同厚度的氧化層上通過濺射a-Si和金屬Ni進(jìn)行固相反應(yīng)形成Ni FUSI金屬柵的工藝及特性,形成的NiSi柵電極的功函數(shù)為4.40 eV。其次,論文研究了多晶硅中離子注入和激活尖峰退火對(duì)SiO2柵介質(zhì)上Ni FUSI柵功函數(shù)和SiO2/Si(100)界面特性的影響,用高頻C-V和光照高頻C-V測(cè)量了SiO2/Si界面態(tài)密度。多晶硅中離子注入As或B后,全硅化退火后MOS電容的平帶電壓分別往負(fù)或正方向移動(dòng)。As摻雜多晶硅還原性退火

4、后容易分層或剝離。未摻雜多晶硅熱穩(wěn)定性好,還原性氣體退火前后功函數(shù)分別是4.75 eV和4.74 eV。從光照高頻C-V曲線提取的界面態(tài)密度和從高頻C-V結(jié)合光照高頻C-V曲線提取的界面態(tài)密度吻合較好。在還原性退火前,As和B離子注入后尖峰退火的Ni FUSI MOS電容,界面態(tài)在價(jià)帶上大致0.63～0.74 eV處存在特征峰值,強(qiáng)度從5.7×1012到1.2×1013 cm-2eV-1,這種界面態(tài)與SiO2/Si(100)界面的Si原

5、子懸掛鍵對(duì)應(yīng)的Pb缺陷有關(guān)。還原性氣氛退火可消除這種界面缺陷。
　　 3.Ni稀土金屬合金FUSI金屬柵。研究了Ni稀土金屬合金法制備FUSI金屬柵工藝以及Ho、Er合金對(duì)柵電極薄層電阻和功函數(shù)的影響。隨Ho濃度從0％增加到10％和30％,形成的FUSI金屬柵的薄層電阻從1.4Ω/sq分別增加到1.8Ω/sq和3.1Ω/sq,平帶電壓從-0.31 V減小到-0.50 V和-0.58 V,這可歸因于Ho元素引起的功函數(shù)降低。隨Er