臭氧对不同材料体系的功函数影响差异

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Update time : 2026-04-02

臭氧对不同材料体系的功函数影响差异


一、工艺参数对功函数影响的敏感度

材料体系臭氧处理后的典型变化机理应用影响
TiN (常用作PMOS功函数金属或阻挡层)功函数增加 (向P型移动,通常增加约50~200mV)表层氧化形成TiON;氧原子扩散至TiN晶界,增加金属电负性;界面偶极子增强。适用于PMOS的Vt调整,但过度处理会导致Vt过高或可靠性下降(正偏压温度不稳定性,PBTI)。
TiAl / TiAlC (常用作NMOS功函数金属)功函数增加 (向P型移动,抵消了Al的N型特性)臭氧优先氧化Al,形成Al2O3Al2O3;导致金属层中的Al含量相对降低,减少了Al向HfO₂界面扩散形成氧空位偶极子的能力,使得功函数从理想的~4.1eV回升至4.3~4.4eV。对NMOS不利,可能导致Vt过高。需严格控制臭氧剂量。
TaN (常用作扩散阻挡层)功函数轻微增加或稳定TaN化学稳定性高于TiN,臭氧氧化速率较慢。但长时间处理仍会形成TaOxNyTaOxNy,导致功函数不稳定。作为底层时,其氧化状态会影响上层功函数层的调控效果。

臭氧对不同材料体系的功函数影响差异

二、臭氧处理的效果高度依赖于以下工艺条件

1.臭氧浓度与气体配比:

通常采用O2/O3混合气体,臭氧浓度(如50~300 g/Nm³)越高,氧化势越强,功函数偏移越显著。

纯臭氧比臭氧/氧气混合物的氧化效率高数倍。

2.处理温度:

低温(RT~150°C):臭氧主要作用于金属表面外层(<1nm),形成自限制性氧化层,功函数变化可控(通常<100mV)。

高温(>250°C):氧原子向金属内部扩散,穿透晶界,导致体材料氧化,功函数变化大(>200mV)且均匀性变差。

3.处理时间与等离子体辅助:

热臭氧(Thermal O₃)通常为饱和反应,时间影响较小(几秒至几分钟)。

若采用远程等离子体臭氧(含氧自由基),反应活性剧增,对功函数的冲击更大,但均匀性更好。


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