集成電路制造工藝中的偽柵去除技術(shù)介紹

本文介紹了集成電路制造工藝中的偽柵去除技術(shù)，分別討論了高介電常數(shù)柵極工藝、先柵極工藝和后柵極工藝對比，并詳解了偽柵去除工藝。

高介電常數(shù)金屬柵極工藝

隨著CMOS集成電路特征尺寸的持續(xù)縮小，等效柵氧厚度成為影響晶體管性能的關(guān)鍵因素。然而，柵氧厚度的減小極限受到隧穿漏電效應(yīng)的限制，當(dāng)氧化硅層薄至2nm以下時，隧穿漏電現(xiàn)象變得顯著，且隨厚度減小呈指數(shù)級增長，使得1nm以下的柵氧厚度變得不切實(shí)際。

為了克服這一挑戰(zhàn)，英特爾公司在45nm節(jié)點(diǎn)引入了高k技術(shù)，其他公司則在32nm或28nm節(jié)點(diǎn)跟進(jìn)。

高介電常數(shù)柵介電層技術(shù)（HK）與金屬柵極技術(shù)（MG）的結(jié)合成為當(dāng)前邏輯電路的主流趨勢。盡管兩者本無必然聯(lián)系，但高k柵介電層帶來的高電場強(qiáng)度要求柵極材料具有更好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，因此金屬柵極成為理想選擇。金屬柵極可以顯著減小柵極耗盡效應(yīng)，提升晶體管性能。

先柵極工藝和后柵極工藝對比

在CMOS集成電路制造中，“硅柵自對準(zhǔn)”工藝占據(jù)主導(dǎo)地位。該工藝首先形成柵介電層和柵極（通常為多晶硅），然后進(jìn)行源極和漏極的離子摻雜。由于柵極結(jié)構(gòu)的阻擋作用，離子摻雜自動與硅柵對準(zhǔn)。后續(xù)的高溫退火工藝用于激活摻雜離子。

然而，金屬柵極在“硅柵自對準(zhǔn)”工藝中面臨諸多挑戰(zhàn)，如閾值電壓變化等。為解決這些問題，業(yè)界采用了多晶硅偽柵技術(shù)。

在離子摻雜和退火等關(guān)鍵步驟完成后，通過化學(xué)氣相生長填充氧化硅膜，并采用化學(xué)機(jī)械研磨工藝進(jìn)行平坦化，使偽柵暴露出來。隨后，去除多晶硅偽柵，并使用功函數(shù)金屬和柵極金屬填充形成金屬柵。這一過程被稱為后柵極工藝流程。

后柵極工藝流程增加了偽柵去除和金屬填充等核心步驟。偽柵去除工藝要求在不損傷溝道的情況下完全去除偽柵材料。而金屬填充則面臨高深寬比的挑戰(zhàn)，需要采用先進(jìn)的填充技術(shù)和材料以確保金屬柵的完整性和可靠性。

盡管后柵極工藝成本較高且工藝復(fù)雜，但長期以來被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高介電常數(shù)柵介電層與金屬柵極（HKMG）結(jié)合的必要方案。然而，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些公司（如IBM）正在研發(fā)無需后柵極工藝的替代方案。例如，通過采用特定的介電材料（如硅酸鉿）和柵極材料匹配，可以在高溫下保持熱動力學(xué)穩(wěn)定，從而簡化工藝流程并降低成本。

此外，先柵極工藝也在不斷發(fā)展中。盡管先柵極工藝中的“金屬柵”實(shí)際上只是在柵介電層上增加了一層高熔點(diǎn)金屬，但仍需要多晶硅柵極來實(shí)現(xiàn)“硅柵自對準(zhǔn)”的其他工序。隨著材料科學(xué)和工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來可能會有更多創(chuàng)新的解決方案出現(xiàn)，以進(jìn)一步簡化CMOS集成電路的制造工藝并提升性能。

偽柵去除工藝詳解

在CMOS集成電路的后柵極工藝中，偽柵去除是一個至關(guān)重要的步驟。目前，業(yè)界主要采用三種偽柵去除工藝：濕法蝕刻、干法結(jié)合濕法蝕刻以及純干法蝕刻。

1、濕法蝕刻工藝

濕法蝕刻通常使用四甲基氫氧化銨等化學(xué)溶液來去除多晶硅偽柵。這種方法能夠避免干法蝕刻可能帶來的等離子體損傷。然而，由于離子注入過程中部分摻雜離子不可避免地會進(jìn)入偽柵上半部分，導(dǎo)致濕法蝕刻率對摻雜多晶硅非常敏感。特別是當(dāng)偽柵中摻雜了硼元素時，四甲基氫氧化銨在其上的蝕刻率會大幅降低，從而限制了濕法蝕刻的單獨(dú)使用。

2、干法結(jié)合濕法蝕刻工藝

為了克服濕法蝕刻和干法蝕刻各自的局限性，業(yè)界開發(fā)了干法結(jié)合濕法蝕刻的工藝。該工藝首先使用干法蝕刻去除偽柵上部的摻雜多晶硅層，以減少濕法蝕刻時的敏感性和不均勻性。隨后，采用濕法蝕刻去除剩余的未摻雜多晶硅。這種方法結(jié)合了干法和濕法的優(yōu)點(diǎn)，既避免了等離子體損傷，又提高了蝕刻的均勻性和可控性。然而，由于濕法蝕刻的各向同性特性，這種方法通常只適用于同時去除N型和P型偽柵。在后續(xù)的功函數(shù)金屬填充工藝中，仍需要重新定義圖形并去除不需要的功函數(shù)金屬，因此整體工藝流程并未得到顯著簡化。

3、純干法蝕刻工藝

純干法蝕刻工藝是一種更為先進(jìn)和靈活的偽柵去除方法。該工藝首先去除偽柵表面覆蓋的原生氧化硅層，通常采用碳氟氣體進(jìn)行蝕刻。在去除原生氧化硅的同時，盡量減少蝕刻表面副產(chǎn)物的殘留。接下來的偽柵主蝕刻步驟則采用HBr與O2的混合氣體，在電感耦合蝕刻反應(yīng)腔體中進(jìn)行。硅與溴反應(yīng)形成弱揮發(fā)性的溴化硅副產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)較高的多晶硅對氧化硅的選擇比。在去除偽柵多晶硅的同時，蝕刻會停止在高介電常數(shù)柵氧化層的保護(hù)層上，且對層間介質(zhì)層的損傷較小。

為了進(jìn)一步提高純干法蝕刻的效率和可控性，業(yè)界引入了同步脈沖等離子體工藝。

該工藝通過控制等離子體的開關(guān)時間和占空比，降低等離子體中的電子溫度，從而減輕高能粒子注入溝道區(qū)所帶來的風(fēng)險。同步脈沖等離子體蝕刻能夠減少HBr的過度解離，降低等離子體中的氫離子濃度，進(jìn)而減少被電場加速注入溝道的氫離子數(shù)量。這不僅提高了偽柵去除的均勻性和可控性，還有效改善了NBTI（負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性）等可靠性問題。

在偽柵去除工藝中，物理性能的考慮對于確保工藝的高效性和器件的可靠性至關(guān)重要。其中，鍵能差異和電子溫度對蝕刻過程有著顯著影響。

1、鍵能差異與蝕刻選擇比

由于Si-O鍵的鍵能（460kJ/mol-1）遠(yuǎn)高于Si-Si鍵的鍵能（176kJ/mol-1），這導(dǎo)致在蝕刻過程中，氧化硅層相對于多晶硅層具有更高的穩(wěn)定性。極低的電子溫度，如同步脈沖偽柵去除蝕刻工藝所提供的，能夠顯著降低對氧化硅層間介電層的蝕刻率。這種降低的蝕刻率使得偽柵和層間介電層之間的蝕刻選擇比上升，有助于在去除偽柵的同時保護(hù)層間介電層不受損傷。

2、層間介電層消耗與金屬柵高度

同步脈沖蝕刻工藝的優(yōu)勢在于，它能夠在蝕刻過程中顯著減少層間介電層的消耗。通過優(yōu)化蝕刻條件，層間介電層的消耗從50?減少到20?。這種減少的消耗將明顯提高金屬柵的高度，進(jìn)而降低金屬柵的電阻。這對于提高器件的性能和可靠性至關(guān)重要。

3、蝕刻氣體的選擇

在偽柵去除工藝中，蝕刻氣體的選擇同樣是一個關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的HBr氣體在與多晶硅柵反應(yīng)時，會形成難以揮發(fā)的副產(chǎn)物，這增加了去除的難度。為了達(dá)到去除的目的，通常需要增加偏置功率，但這可能導(dǎo)致離子轟擊增強(qiáng)，對器件造成損傷。為了克服這一問題，業(yè)界開始探索使用氫氣作為蝕刻氣體。

氫氣分子在源功率的作用下解離為氫原子，這些氫原子與硅反應(yīng)形成硅烷（SiH?）。硅烷具有較低的沸點(diǎn)，因此其氣化性遠(yuǎn)大于溴化硅（SiBr?）。這意味著在蝕刻過程中，硅烷副產(chǎn)物更容易被去除，無需使用偏置功率即可達(dá)到清潔的蝕刻表面。實(shí)驗(yàn)證明，采用無偏置功率氫氣等離子體的偽柵去除工藝對偽柵底部的高k材料保護(hù)層具有更高的選擇比和更少的損傷。從器件性能角度看，這種工藝能夠大幅降低金屬柵極漏電，相比其他工藝可降低50%。