一种有效调节ＴｉＮ金属栅功函数的方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，具体涉及。
技术介绍
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. 7e疒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PM0S栅电 极的材料。在CMOS工艺中希望TiN能同时做PM0S和NM0S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NM0S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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术提出有效调制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。专利技术的具体内容包括在 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M0S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。本专利技术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°C，时间为5秒一100分钟；优选的热退火处理温度为400—700°C， 时间为1 一 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。本专利技术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是本专利技术实例方法制作的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°C)、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°C)、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。具体实施例方式下面通过具体事例来进一步描述本专利技术1.标准P型器件级衬底Si(100)片，电阻率6 10 Q 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1.77><10"^ 2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lOnmTiN薄膜、20nm镱薄 膜、30nmTiN薄膜，形成TiN/Yb/TiN/Si02/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、lmin、5min、10min，温度都固定在 600°C)以及不同温度(400°c、50(rc、60(rc、70(rc，时间都是lmin)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°C /lmin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M0S电容模型理论，平带电压可以表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓荣，蒋玉龙，茹国平，屈新萍，李炳宗，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]