探索未来半导体制造的新材料:工艺的革命

2008-08-14 10:36:08来源: 半导体国际

     通过不断的比较材料特性,来寻找适合ALD和CVD使用的高k和金属材料前驱物。对于32nm技术节点来讲,材料的挥发性,输运方式以及纯度等问题变得至关重要。

    Intel和IBM同时宣布使用铪基材料作为栅极高k绝缘介质,加速了CMOS制造工艺的革命。在传统等比例缩小的基础上,新材料的使用对于维持摩尔定律发挥了越来越重要的作用。随着信息存储和获取量的大幅提升,对于更高k值材料的需求也不断升温,这些材料遍布从氧化铝到稀有金属中任何可用的元素。新材料的使用对于材料生长技术提出了严峻的挑战,同时由于这些元素的前驱物分子具有与众不同的特性,使得其硅片表面的输运变得愈发困难,并且其分解反应复杂程度也提高了许多。

    本文探讨了新型材料在不同领域的应用,包括:栅极介质、金属栅、电容、电极、阻挡层和籽晶材料以及金属互连材料。针对化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)两项技术,着重研究了未来可能出现的新材料。从前驱物的研发、材料沉积到大规模生产中的各个方面进行了讨论。有些前驱物分子采用了创新科技来改变其化学性质和组分,从而实现其硅片上的输运。最终用户、研究机构以及工业界能够在研发初期达成共识,是保证整个创新过程沿正确方向前进的重要条件。    

    向45nm技术节点推进

    2007年1月,随着采用45nm工艺微处理器的发布,标志着在CMOS制造工艺中引入新材料的时代正式到来。新发布的微处理器率先采用了铪基高k介电材料和新型栅极金属电极材料,共同改善处理器中晶体管的性能。这个转变标志着半导体工业已经开始选用周期表中的非核心元素,即硅、氧、氮和碳以外的元素。一般认为单纯依靠等比例缩小已经不足以满足硅器件性能的持续增长。创新来自引入元素周期表中的新元素,这已经成为驱动器件性能提高的主要动力。

    当然,这种转变不是一夜之间发生的。早在2002年之前,就已经开始研究可以代替二氧化硅和氮氧化合物的栅极绝缘材料。1999年的国际半导体技术蓝图(ITRS)已经提到了向IC制造工艺中引入新材料的想法。业界已经很清楚地认识到:当栅氧厚度小于2nm时,漏电流将大幅提高,高介电常数材料由于可以允许更厚的栅介电材料,从而降低漏电流,并成为必需。Wallace和Wilk1表示关于选择恰当的高k材料,满足介电常数、热力学稳定性、栅极电极兼容和界面层稳定性等生产上的要求。Scholm和Haeni更加深入地在元素周期表中搜索具有热力学稳定性的可替代氮氧化物的栅介质材料;这些材料是由铪、锆以及稀有金属化合物组成的。 

    新材料的开发并不仅局限于高k栅介质和金属栅材料。潜在的应用领域还包括:电容介质材料、互连层、金属接触材料。对于那些从事化学和材料科学的技术人员来讲,现在正是一个发展的黄金时期。元素周期表3(图1)展示了学术界、原始设备制造商(OEM)、独立器件制造商(IDM)以及材料工艺商之间相互合作,在不同阶段对于新材料的探索过程。我们不能过分强调这种合作的重要性,因为新材料的开发过程需要每一个合作者的大量投入。

    在半导体工艺中引入新材料,需要一系列具有恰当特性的新型分子先驱物。CVD和ALD都是可行的材料沉积方法。对于平坦表面,ALD技术可以在很大范围内实现原子尺度且厚度均匀的薄膜沉积;对于非平坦结构,可以获得良好的台阶覆盖。因此,伴随特征尺寸的缩小,ALD技术变得越来越受人青睐。随着3D晶体管的问世,对于薄膜厚度均匀性和台阶覆盖率要求的提高,使得ALD成为一项必需的技术,并且推动着新型分子前驱物的使用。对于适用于ALD技术的分子前驱物,有如下要求:

    ■在沉积温度下保持热稳定

    ■具有可挥发性,输运温度下最好可以>50mT

    ■能够经过恰当的化学反应,最终形成氧化物、氮化物、碳化物或者分解成金属

    ■在满足工艺要求的前提下,成本要可以接受

    不同类型的半导体Fab对于ALD技术的接受程度各不相同,其中以DRAM厂商最为推崇。大部分电容材料,例如:Al2O3、HfO2和ZrO2,首选ALD技术。对于栅介质材料,ALD技术刚刚开始采用,而对于闪存技术,目前还未采用这项技术。

    大部分材料供应商正在设计新型的分子前驱物,可以应用于新材料的沉积或者替代那些已有的在应用上存在局限的前驱物。一个具体的例子便是铪氧化物、铪硅化物以及HfSiON材料的应用。ALD中通常使用氯化铪,四(二甲胺基)铪(TDMAH)、四(乙基甲胺基)铪(TEMAH)作为前驱物。薄膜沉积工艺过程中,这些分子共同完成材料沉积,而氨基化合物在高温下热稳定性差,通常要求气体输送及材料沉积过程的温度低于300℃。化学家和材料工程师共同开发4-6了新型非氨基化合物前驱物,可以实现高纯度的材料沉积(图2和3),在温度高达450℃时,展现了理想的自限制沉积特性。

    研究人员已经开始扩展在周期表中的搜寻,以寻找更高k值的材料,例如:氧化锆、硅酸盐、掺杂稀土元素的铪和锆的氧化物,以及稀土元素自身的氧化物。研究的目标并不仅仅局限于开发理想的ALD前驱物,而是更好的理解诸如界面稳定性和后续工艺对栅氧一致性的影响之类的问题。目前,在ALD和CVD技术通过直接液体注入,使用三(异丙基环戊二烯)化镧和ZrD-04(图2)沉积锆酸镧的工艺中,出现了一些我们刚刚提到的问题。预计在32nm技术节点上,将采用这些稀土元素的氧化物。适用于CVD/ALD技术的稀土元素前驱物一般分成几类:stericallyhinderedalkoxides,β-diketonates,β-ketoiminates,取代cyclopentadienyls,trissilylamides,amidinates和pyrazolates.

    随着前驱物系统复杂度的提高,材料的挥发性和热稳定性变成一个核心问题。前驱物从气态(例如硅烷)到液态(例如TEOS),再到低挥发性的固态(例如稀土分子)的转变,并不是完美无缺的。直接液体注入(DLI)和溶

    剂蒸发技术开始逐渐升温。当然,这种转变必然要求开发高纯度低杂质含量的前驱物。

    位于供应链上的不同阶段的研究人员都在尝试各种手段寻找适合的金属栅电极材料。Intel和IBM对外宣称将在45nm技术节点开始使用新型的金属栅电极材料。32nm技术节点将会继续延续这一趋势,第二代金属栅电极材料,例如钌、铂以及金属氮化物和金属碳化物过渡层,有可能应用于实际。不管使用什么材料,这些材料都要能够承受例如退火工艺所使用的1000℃高温。同时,ALD中用于沉积钴、镍及其硅化物的前驱物也开始引起人们的重视。

    钌、铂、钴、镍以及其它贵金属的挥发性前驱物都由不同类型的cyclopentadienyls、carobonyls和amidinates配合基组成。如果未获得期望的特性,将引入新的功能团或者对已有的功能团进行改性。图4为前驱物开发的一个实例,研制出了具有高气体分压的液态前驱物。如图5所示:新开发的钌前驱物挥发性很高,具有理想的热稳定性。以金属钌为中心,在其上直接键合了烃基基团,有助于ALD工艺。

    材料供应商不可能“埋头单干”,而是寻求与OEM和IDM在开发过程的初级便达成共识。不同研究机构之间的合作有助于对新材料基本特性的探索和理解。

    由于新兴前驱物分子更为复杂,同时对于可行性以及原材料的成本的考虑,使得新分子与传统前驱物相比,并不具备经济效益上的优势。只有在特征尺寸的不断减小,对性能要求不断提升时,才能有效地利用这些新型的前驱物。在一切情况下,拥有成本模型将促使开发者与用户来评估新材料所产生的价值。毋庸置疑,处于材料供应链上不同阶段的公司(从研发到大规模生产),其技术储备和创新解决方案都将可以促进整个领域的技术发展。
 

关键字:半导体制造  工艺

编辑:梁朝斌 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/packing/200808/article_22006.html
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