Hf基高k薄膜的选择性去除  2012/3/1

 

摘要   本文对HfO₂和HfSixOy薄膜与热氧化物TEOS和Si之间具有最大蚀刻选择比的湿法蚀刻剂的最佳配比进行了实验设计论证,并在生产环境中实现了理想的蚀刻速率。

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为打开器件的终端用户市场,并为其提供关键价值,不断提高产品的性能一直是半导体工业的发展要素,而材料革新成为实现最终挑战的必要条件。随着传统的栅氧化层等比缩小到20A以下,在栅极使用新型高K介质薄膜可以解决日益严重的电流泄漏问题。高k薄膜,如HfO₂和HfSixOy要求使用先进的选择性蚀刻剂才能进行适当的工艺合成。本文详细论述了用于高k薄膜的先进的选择性蚀刻剂的开发和测试方法。

根据摩尔定律,每18-24个月晶体管的平均栅面积要下降50%。为了保持晶体管的性能,就不能使栅电容下降。晶体管的栅电容可用下式表示：

式中A为晶体管的栅面积,k为介电常数,t为栅介质的厚度。随着栅面积的缩小,通过降低栅介质的厚度可以使电容(以及相应的晶体管性能)保持不变。

但此时栅介质膜变得很薄,漏电流成为功耗的主要根源,并最终加速了芯片的加热。这就迫使我们使用更复杂和更昂贵的芯片冷却硬件。此外,漏电流将会缩短便携式产品,如笔记本电脑中电池的寿命或更换周期。

根据以上方程,随着栅面积的缩小,通过把已有的介质替换为具有高介电常数的介质可以使电容保持不变。在过去的45年中,我们使用的栅介质材料为SiO₂或氮化SiO₂。HfO₂的介电常数约为25,是热SiO₂介电常数的6倍还多。通过把SiO₂替换为较厚的HfO₂或HfSixOy 膜可以保持晶体管的性能。

完成淀积之后,必须把晶体管源、漏区的高k介质材料去除。去除工艺不能对下层的Si造成任何损伤,也尽量不要对场隔离氧化物造成的损伤。目前最有前景的干法蚀刻结果表明,HfO₂/Si和HfO₂/SiO₂的蚀刻选择比要小于等于1。然而采用湿法蚀刻在去除HfO₂薄膜时不会损伤下层的硅。几种高k湿法蚀刻剂均测不到硅蚀刻速率,包括了上面提到的那些。

稀释水溶性氢氟酸(HF)溶液可腐蚀HfO₂。遗憾的是,使用稀释水溶性HF蚀刻剂,HfO₂与热生长TOX的蚀刻选择比约为1：10,HfO₂/TEOS的蚀刻选择比约为1：100。把水替换为非水溶性溶剂,如酒精,将改进蚀刻选择比。已报导过HfO₂/TOX的蚀刻选择比达到3：1以及HfO₂/TEOS的蚀刻选择比达到1：1的结果。可惜由于具有易燃性,酒精基化学品做高k蚀刻剂的可用性受到了限制。

使用的淀积方法以及淀积后的退火方法,都将极大地影响高k膜的腐蚀特性。IC制造工艺将采用原子层淀积(ALD)或金属有机化学汽相淀积(MOCVD)技术生长高k薄膜。淀积之后,高k薄膜将在N₂环境中退火,典型的退火温度为1000℃。

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