CN101877311A - 一种有效调节TiN金属栅功函数的方法 - Google Patents

一种有效调节TiN金属栅功函数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体为一种有效调制TiN金属栅功函数的方法。该方法包括在已经形成栅介质层的样品上进行光刻，形成图形，然后淀积TiN做金属性栅极，再在TiN薄膜上淀积Yb，最后在Yb上淀积TiN薄膜作覆盖层防止Yb被氧化；再对样品进行光刻胶剥离处理，最终形成具有一定图形的TiN/Yb/TiN/栅介质层/衬底Si结构样品，然后对样品进行快速热退火，在热的作用下，TiN/Yb/TiN叠层结构将发生一定变化，使得栅极的功函数发生相应变化。该方法通过Yb的引入实现TiN金属栅功函数的有效调制，使其对应的费米能级能够接近衬底硅的导带底，同时又具有工艺简单的优点。

Description

一种有效调节TiN金属栅功函数的方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种有效调节TiN金属栅功函数的方法。
背景技术
在CMOS集成电路工艺中，随着器件尺寸的不断缩小要求栅介质厚度不断减薄，而栅极漏电流则随着栅介质厚度的减薄呈指数增大，这就使得高K介质材料的使用成为必然。而传统的多晶硅栅电极由于多晶硅耗尽效应、硼穿通、与高K介质存在不兼容性（如费米能级钉扎）等问题而会被金属性栅电极材料来替代。目前已经有大量关于金属栅方面的方案正在被广泛研究。
TiN由于具有较低的电阻率、较稳定的化学特性（热稳定和抗蚀性好）、较高的功函数（4.7eV~5.2eV之间)等优点被广泛研究，而且已经被验证很适合直接用来做PMOS栅电极的材料。在CMOS工艺中希望TiN能同时做PMOS和NMOS的栅极，所以就要考虑怎样调制TiN栅极的功函数往硅的导带方向移动，以满足NMOS对栅电极的要求。实质上就是需要在TiN中引入一种功函数相对比较低的材料以降低TiN栅电极的功函数，使其对应的费米能级往衬底Si的导带底移动。而稀土元素Yb由于具有非常低的功函数（2.6eV）原则上是可以被用来作为调制TiN栅电极功函数的材料的，但Yb原子属于较重的原子且极易氧化，能否顺利实现功函数的调制则有待深入试验。Yb向TiN中的引入可以通过离子注入技术实现，但此种方法效率低、成本高，不适宜大规模生产。如果能通过多层膜淀积外加后期适当热处理的方法实现功函数的有效调制，则可以以简单、低廉、高效的工艺为大规模生产提供参考。为了使Yb在热处理过程中能有效在TiN中进行扩散，需要Yb和栅介质层间的TiN薄膜厚度不能太厚；同时为了防止Yb氧化，在多层膜淀积时需要在Yb层之上覆盖一定厚度的覆盖层。
发明内容
本发明的目的在于提出一种效率高、成本低的有效调制TiN金属栅功函数的方法。
本发明提出有效调制TiN金属栅功函数的方法，是通过多层膜淀积技术将Yb引入到TiN金属栅电极薄膜中，再利用后继适当热退火处理导致TiN/栅介质界面接触特性发生变化，从而有效的调节TiN金属栅电极功函数到衬底Si的导带底。发明的具体内容包括：在衬底硅上生长完所需厚度的栅介质层后用正胶对样品进行光刻；光刻之后，在淀积TiN薄膜之前用氧气等离子体对样品进行反应离子刻蚀（RIE），以去除掉图形处残留的正胶底膜；之后在已经光刻好的图形上淀积一定厚度的TiN薄膜；接着在TiN薄膜上淀积一定厚度的Yb；随后再在Yb薄膜上淀积一定厚度的TiN薄膜作为覆盖层。三层薄膜顺次淀积好之后，对样品进行去胶处理（把样品放在丙酮中用超声波振荡剥离光刻胶，即liftoff工艺），此时形成TiN/Yb/TiN/栅介质层/衬底Si结构。之后分别对各组MOS结构样品进行不同温度、不同时间的退火，来考察TiN/Yb/TiN金属栅叠层结构在热的效应下发生的变化。最后通过C-V测试来提取栅极的功函数。
本发明的具体操作步骤如下：
1.采用常规集成电路工艺获得无图形的栅介质/单晶硅衬底结构样品。
2.用正胶光刻版对样品进行光刻。
3.样品装入PVD腔体内前，用反应离子刻蚀（即RIE）的方法对样品用氧气进行打底膜处理，以去除图形区域残留的正胶。
4.使用PVD的方法在已经光刻好图形的样品上依次淀积相应厚度的第一层TiN薄膜、Yb薄膜、第二层TiN薄膜，形成TiN/Yb/TiN/栅介质/Si衬底结构；其中优选，第一层TiN薄膜厚度为5—50纳米，Yb薄膜厚度为10—30纳米，第二层TiN薄膜厚度为20—50纳米。
5.对已经淀积好各层薄膜的样品进行去胶处理，具体就是把样品放在丙酮内用超声波进行振荡（也叫liftoff），使得图形以外的正胶以及正胶上的金属薄膜被去除，只保留图形处的金属薄膜做栅电极。
6.根据需要对各组样品进行快速热退火处理，使得金属薄膜结构发生变化；热退火处理温度为300—900℃，时间为5秒—100分钟；优选的热退火处理温度为400—700℃，时间为1—10分钟。
7.对样品背面用氢氟酸（HF）进行去除氧化层处理，之后用PVD方法淀积金属铝电极，以便于和Si衬底形成欧姆接触，消除C-V测试中串联电阻的影响。
8.对各组样品进行C-V测试，从中提取出栅极功函数。
本发明方法通过多层膜淀积外加后期适当热处理，实现功函数的有效调制，工艺简单、低廉、高效，可为大规模生产提供参考。
附图说明
图1是本发明实例方法制作的TiN/Yb/TiN/栅介质/p-SiMOS结构剖面示意图。
图2为本实例样品中相同退火时间（1分钟），相同退火温度（700℃）、相同工艺条件生长的TiN/Yb/TiN叠层栅极结构和纯TiN栅极结构高频C-V特性曲线的比较。
图3为本实例样品中不同栅极结构和不同退火条件下其功函数比较。
图4（a）为本实例中几组相同退火时间（1分钟）、不同退火温度样品的高频C-V特性曲线比较，以衡量其对栅极等效氧化层厚度的影响。
图4（b）为本实例中几组相同退火温度（600℃）、不同退火时间样品的高频C-V特性曲线比较，以衡量其对栅极等效氧化层厚度的影响。
具体实施方式
下面通过具体事例来进一步描述本发明：
1.标准P型器件级衬底Si（100）片，电阻率6～10Ω·cm，杂质浓度为1.2～2.4E15/cm3，经标准RCA清洗工艺后，用浓度为2%的氢氟酸稀释溶液去除硅片表面的本征氧化层。
2.干法热氧化分别生长10nm、20nm、30nm高质量的二氧化硅。
3.用正胶光刻版对样品进行光刻，在栅介质层上形成面积为的图形。
4.用反应离子刻蚀（即RIE）的方法将样品用氧气进行打底膜处理，以去除图形区域残留的正胶，氧气流量为20sccm，功率为75W，时间为45s，气压为4Pa。
5.使用PVD的方法在已经光刻好图形的样品上依次淀积10nmTiN薄膜、20nm镱薄膜、30nmTiN薄膜，形成TiN/Yb/TiN/SiO2/Si结构，结构如图1所示。
6.对已经淀积好各层薄膜的样品进行去胶处理，具体就是把样品放在丙酮内用超声波进行振荡（也叫liftoff），使得图形以外的正胶以及正胶上的金属薄膜被去除，只保留图形处的金属薄膜。
7.对各组样品分别进行不同时间（分别为15s、1min、5min、10min，温度都固定在600℃）以及不同温度（400℃、500℃、600℃、700℃，时间都是1min）的快速热退火处理，使得金属薄膜结构发生一定的变化。
8.对样品背面用氢氟酸（HF）进行去除氧化层处理，之后用PVD方法淀积200nm铝做背电极，和衬底Si形成欧姆接触，以消除C-V测试中串联电阻的影响。
9.用Agilent4294A阻抗分析仪对各组样品进行了C-V测试，从中提取出各组样品的栅极功函数，进而进行比较来衡量Yb对TiN金属栅功函数的调制作用。
10.平带电压比较
图2示出了经高温700℃/1min退火后，TiN栅极结构样品以及TiN/Yb/TiN栅极结构样品高频（700kHz）C-V特性曲线的比较。从图中可以看出经过高温退火后，TiN/Yb/TiN栅极结构样品平带电压往负的方向有较大偏移，移动了0.9V。
11.栅极功函数的比较
根据MOS电容模型理论，平带电压可以表示为：
Figure 550978DEST_PATH_IMAGE002
     （1）。
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为氧化层固定电荷密度，Wm、Ws分别为栅极和沉底Si功函数，
Figure 730287DEST_PATH_IMAGE004
为氧化层相对介电常数，
Figure 940164DEST_PATH_IMAGE005
为真空介电常数，EOT为等效氧化层厚度。
根据公式（1）可以提取出栅极功函数Wm，从图3中我们可以看出，和单一TiN栅极结构样品比较（栅极功函数为5.03eV），经600℃/10min退火，TiN/Yb/TiN/栅介质层/衬底Si结构样品其栅极功函数下降了约1eV，为4.02eV。金属栅功函数的变化应该主要是由于热退火的作用导致Yb扩散到TiN/栅介质层界面处而造成的。因此，通过控制相关工艺条件就可以实现Yb对TiN金属栅功函数的有效调制，进而满足NMOS对栅极功函数的要求。
12.等效氧化层厚度提取
根据积累区电容大小，利用公式（2）通过计算可以求得栅极等效氧化层厚度：
Figure 583635DEST_PATH_IMAGE006
     （2）。
此处
Figure 856484DEST_PATH_IMAGE007
为相对介电常数，
Figure 585406DEST_PATH_IMAGE009
为真空介电常数，
Figure 601903DEST_PATH_IMAGE010
为MOS结构图形面积，
Figure 99881DEST_PATH_IMAGE012
为介质厚度，
Figure 809211DEST_PATH_IMAGE013
为积累区电容。当
Figure 759849DEST_PATH_IMAGE007
取SiO2的相对介电常数为3.9时，此时
Figure 580038DEST_PATH_IMAGE014
对应即为栅极等效氧化层厚度。从图4（a）和（b）可以看出，经不同温度不同时间退火后，TiN/Yb/TiN/栅介质层/衬底Si结构样品栅极等效氧化层厚度几乎没有什么变化，说明Yb的引入并未对栅极等效氧化层厚度产生影响，满足NMOS对栅极材料的要求。

Claims (4)

1.一种有效调制TiN金属栅功函数的方法，其特征在于：在已经光刻好的具有栅介质层的图形样品上淀积第一层TiN薄膜作金属栅电极，接着在这层TiN薄膜上淀积镱薄膜，然后再在镱薄膜上面淀积第二层TiN薄膜作覆盖层，最后进行光刻胶剥离处理，形成具有一定图形的TiN/Yb/TiN/栅介质层/衬底Si结构样品；之后对样品进行热退火处理。
2.根据权利要求1所述的有效调制TiN金属栅功函数的方法，其特征在于所述第一层TiN薄膜的厚度为5—50纳米，所述镱薄膜厚度为10—30纳米，所述第二层TiN薄膜的厚度为20—50纳米。
3.根据权利要求1所述的有效调制TiN金属栅功函数的方法，其特征在于所述热退火处理温度为300℃—900℃，时间为5秒钟—100分钟。
4.根据权利要求1所述的有效调制TiN金属栅功函数的方法，其特征在于所述热退火处理温度为400℃—700℃，时间为1分钟—10分钟。
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