臭氧处理影响金属栅极功函数的物理机制

臭氧处理影响金属栅极功函数的物理机制

臭氧处理对金属栅极功函数的影响主要通过以下几种物理/化学机制实现：

1. 界面氧掺入与偶极子形成

金属栅极（如TiN）与高k介质（HfO₂）的界面处存在固有的氧空位（VOVO）和界面偶极子。臭氧处理会在界面引入活性氧原子。

氧填补氧空位：氧原子扩散至HfO₂晶格或界面层，改变界面处的固定电荷密度。

偶极子层调制：氧的引入会改变金属/高k界面的电子能带弯曲。通常，额外的氧会导致界面形成负电性偶极子，使得金属栅极的有效功函数向高值方向移动（即对于NMOS的TiAl等材料，可能使功函数增大，不利于NMOS的阈值降低）。

2. 金属薄膜的氧化与成分改变

对于作为功函数调节层的金属薄膜（如TiN、TaN、TiAl），臭氧处理会导致：

表面氧化：在原子层沉积（ALD）或物理气相沉积（PVD）金属后，臭氧处理会使金属表面形成一层薄薄的金属氧化物（如TiOxTiOx、TaOxTaOx、AlOxAlOx）。

氮损失：在TiN薄膜中，臭氧处理可能导致表层氮被氧置换，形成TiON。氧的引入会降低TiN的金属性，增加其肖特基势垒高度，从而使功函数升高（P型行为增强）。

3. 对后续沉积的衬底效应

在多层金属栅极堆叠（如“阻挡层+功函数层+填充层”）工艺中，臭氧处理作为中间步骤：

改变了底层金属（如TiN阻挡层）的表面化学态，会影响上层功函数金属（如TiAl、Al）的形核与扩散行为。

若臭氧处理过于强烈，氧会沿着晶界扩散，在后序高温退火（如源漏激活退火）中引发氧渗透，导致高k介质界面层（IL）增厚，间接改变栅极堆叠的电容等效厚度（CET）和功函数。