TW202325894A - 用於移除矽的蝕刻組成物及使用其移除矽的方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一種用於移除矽的蝕刻組成物,包括:1至5.5 wt%的四級銨鹽;20至95.5 wt%的醇胺化合物; 1至40 wt%的醯胺化合物;以及餘量的水。此外,本揭露更提供使用前述蝕刻組成物移除矽的方法。
Description
本揭露提供一種用於移除矽的蝕刻組成物及使用其移除矽的方法,尤指一種相對於矽化合物、高功函數材料或高k材料可展現高的矽蝕刻選擇性的蝕刻組成物及使用其移除矽的方法。
濕蝕刻製程為製備半導體裝置常用的製程之一,其需選擇性的移除部分材料。舉例來說,於高k金屬閘極電晶體的製程上,會使用蝕刻組成物移除多晶矽閘極,而再以金屬閘極取代。由於多晶矽閘極周圍形成有其他絕緣材料(例如,二氧化矽、氮化矽、碳化矽或氮化碳矽),故於蝕刻過程中必須確保高的矽蝕刻選擇性。倘若矽蝕刻選擇性差時,於移除矽的過程中,可能會造成周圍的絕緣材料損耗或被移除,導致所產生的半導體裝置產生缺陷,造成半導體裝置的電性不佳或產率降低。
有鑑於此,目前急需發展一種移除矽的蝕刻組成物及使用其移除矽的方法,其可展現極佳的矽蝕刻選擇性,而可廣泛應用於半導體裝置的濕蝕刻製程上。
本揭露的目的在於提供一種用於移除矽的蝕刻組成物及使用其移除矽的方法。具體而言,相對於矽化合物、高功函數材料或高k材料,本揭露的蝕刻組成物對於矽具有高的蝕刻選擇性。
本揭露的用於移除矽的蝕刻組成物,包括:1至5.5 wt%的四級銨鹽;20至95.5 wt%的醇胺化合物; 1至40 wt%的醯胺化合物;以及餘量的水。更具體而言,本揭露的蝕刻組成物為一種用於移除非晶矽、單晶矽、多晶矽或其組合的蝕刻組成物。
於本揭露中,藉由添加適量的四級銨鹽,可有效抑制或延緩矽化合物(例如二氧化矽、氮化矽、碳化矽或氮化碳矽)、高功函數材料(例如氮化鈦氮化鉭、釕或鉬)或高k材料(例如二氧化鉿、二氧化鈦或二氧化鋯)的蝕刻速率,但對於矽(例如,非晶矽、單晶矽或多晶矽)能展現良好的蝕刻速率。
於一實施例中,四級銨鹽可如下式(I)所示:
N(R
1)
4 +X
-(I)
其中,每一R
1可各自獨立為經取代或未經取代的烷基、或經取代或未經取代的芳基;X
-可為F
-、Cl
-、Br
-、I
-, HSO
4 -、R
2COO
-、或OH
-;以及R
2可為氫或取代或未經取代的烷基。
於一實施例中,每一R
1可各自獨立為經取代或未經取代的烷基、或經取代或未經取代的芳基。於一實施例中,每一R
1可各自獨立為未經取代的烷基、經芳基取代的烷基、經羥基取代的烷基、未經取代的芳基、或經烷基取代的芳基。於一實施例中,每一R
1可各自獨立為經取代或未經取代的C
1-5烷基、或經取代或未經取代的C
6-10芳基。於一實施例中,每一R
1可各自獨立為未經取代的C
1-5烷基、經C
6-10芳基取代的C
1-5烷基、經羥基取代的C
1-5烷基、未經取代的C
6-10芳基或經C
1-5烷基取代的C
6-10芳基。於一實施例中,每一R
1可各自獨立為甲基、乙基、丙基、丁基、經羥基取代的甲基、經羥基取代的乙基、經羥基取代的丙基、經羥基取代的丁基、經苯基取代的甲基、經苯基取代的乙基、經苯基取代的丙基或經苯基取代的丁基。其中,每一R
1可相同或不同。
於一實施例中,X
-可為F
-、Cl
-、Br
-、I
-, HSO
4 -、R
2COO
-、或OH
-,其中R
2可為氫或取代或未經取代的烷基。於一實施例中,X
-可為F
-、Cl
-、Br
-、I
-, HSO
4 -、R
2COO
-、或OH
-,其中R
2可為氫或取代或未經取代的C
1-5烷基。於一實施例中,X
-可為F
-、Cl
-、Br
-、I
-, HSO
4 -、R
2COO
-、或OH
-,其中R
2可為氫。於一實施例中,X
-可OH
-。
於一實施例中,四級銨鹽的具體例子包括,但不限於:四甲基氫氧化銨(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAH)、四乙基氫氧化銨(tetraethylammonium hydroxide, TEAH)、四丙基氫氧化銨(tetrapropylammonium hydroxide, TPAH)、四丁基氫氧化銨(tetrabutylammonium hydroxide, TBAH)、苄基三甲基氫氧化銨(benzyltrimethylammonium hydroxide)、三乙基甲基氫氧化銨(triethylmethylammonium hydroxide)、 氫氧化膽鹼(choline hydroxide)及其組合。前述的四級銨鹽可單獨使用或兩種以上合併使用。
於一實施例中,四級銨鹽的含量可為1至5.5 wt%,例如,可為1至5.25 wt%、1至5 wt%、1至4.75 wt%、1至4.5 wt%、1至4.25 wt%、1至4 wt%、1至3.75 wt%、1至3.5 wt%、1至3.25 wt%、1至3 wt%、1.25至3 wt%、1.5至3 wt%、1.75至3 wt%、2至3 wt%、2至2.9 wt%、2.1至2.9 wt%、2.1至2.8 wt%、2.2至2.8 wt%、2.2至2.7 wt%或2.25至2.66 wt%。
於一實施例中,醇胺化合物可為C
2-4醇胺化合物。
於一實施例中,醇胺化合物的具體例子包括,但不限於:單乙醇胺(monoethanolamine, MEA)、2-甲胺乙醇(2-methylaminoethanol, NMEA)、N, N-二甲基乙醇胺(N,N-dimethyl ethanol amine)、二乙醇胺(diethanolamine)、三乙醇胺(triethanolamine)、異丙醇胺(iso-propanolamine)、2-胺-2-甲基-1-丙醇(2-amino-2-methyl-1-propanol)及其組合。前述的醇胺化合物可單獨使用或兩種以上合併使用。
於一實施例中,醇胺化合物的含量可為20至95.5 wt%,例如,可為20至92.5 wt%、20至90 wt%、20至87.5 wt%、20至85 wt%、20至82.5 wt%、20至80 wt%、20至77.5 wt%、20至75 wt%、20至72.5 wt%、20至70 wt%、20至67.5 wt%、20至65 wt%、20至62.5 wt%、20至60 wt%、20至57.5 wt%、20至55 wt%、20至52.5 wt%、20至50 wt%、22.5至50 wt%、24.6至50 wt%或24.6至49.2 wt%。
於一實施例中,醯胺化合物的具體例子包括,但不限於:甲醯胺(formamide)、乙醯胺(ethanamide)、碳醯胺(carbamide)、N-甲基甲醯胺(N-methylformamide, NMF)、N-甲基乙醯胺(N-methylacetamide)、N,N-二乙基甲醯胺(N,N-diethylformamide)、1,3-二甲基脲(1,3-dimethylurea)、羥乙基吡咯烷酮(N-(2-hydroxyethyl)-2-pyrrolidone)、二甲基甲醯胺(dimethylformamide, DMF)、二甲基乙醯胺(dimethylacetamide, DMAC)及其組合。前述的醯胺化合物可單獨使用或兩種以上合併使用。
於一實施例中,醯胺化合物的含量可為1至40 wt%,例如,1至37.5 wt%、1至35 wt%、1至32.5 wt%、1至30 wt%、2至30 wt%、2至27.5 wt%、3至27.5 wt%、3至25 wt%、4至25 wt%、5至25 wt%、5至22.5 wt%、5至20 wt%、5至17.5 wt%、5至15 wt%、5至12.5 wt%或5至10 wt%。
於一實施例中,蝕刻組成物可選擇性的更包括一極性有機溶劑。於一實施例中,蝕刻組成物可選擇性的更包括一可溶性極性有機溶劑。在此,所謂的「極性有機溶劑」是指於1KHz及25°C的量測條件下,介電常數大於或等於15的有機溶劑。此外,所謂的「可溶性」極性有機溶劑是指於常溫常壓下,大於或等於0.1 g的極性有機溶劑可溶於100 ml的水中。
於一實施例中,極性有機溶劑可選自由醇類溶劑、酮類溶劑、醚類溶劑、呋喃類溶劑、碸類溶劑、酯類溶劑、醇醚類溶劑及其組合所組成之群組。
於一實施例中,極性有機溶劑的具體例子包括,但不限於:乙二醇(ethylene glycol, EG)、1,2-丙二醇(1,2-propanediol)、1,3-丙二醇(1,3-propanediol, PG)、甘油(glycerol)、1,4-丁二醇(1,4-butanediol, BDO)、季戊四醇(pentaerythritol, PENTA)、1,6-己二醇(1,6-hexanediol, 1,6-HDO)、雙季戊四醇(dipentaerythritol, DiPE)、苯二酚(benzenediol)、N-甲基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone, NMP)、N-乙基吡咯烷酮 (N-ethyl-2-pyrrolidone, NEP)、丙二醇甲醚(propylene glycol methyl ether, PGME)、二乙二醇丁醚(butyl diglycol, BDG)、四氫呋喃(tetrahydrofuran, THF)、環丁碸(sulfolane, SFL)、二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide, DMSO)、丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycol methyl ether acetate, PGMEA)、γ-丁內酯(γ-butyrolactone, GBL)、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate, EC)、及其組合。前述的極性有機溶劑可單獨使用或兩種以上合併使用。
於一實施例中,極性有機溶劑的含量可為0至27.5 wt%。當極性有機溶劑的含量為0 wt%時,是指蝕刻組成物中不特意添加極性有機溶劑。當蝕刻組成物中添加有極性有機溶劑時,極性有機溶劑的含量可為,例如,0.1至27.5 wt%、0.1至25 wt%、0.1至22.5 wt%、0.1至20 wt%、1至20 wt%、2至20 wt%、3至20 wt%、4至20 wt%、5至20 wt%、6至20 wt%、7至20 wt%、8至20 wt%、9至20 wt%或10至20 wt%。
於一實施例中,蝕刻組成物可選擇性的更包括一非極性有機溶劑。於一實施例中,蝕刻組成物可選擇性的更包括一可溶性非極性有機溶劑。在此,所謂的「非極性有機溶劑」是指於1KHz及25°C的量測條件下,介電常數小於15的有機溶劑。此外,所謂的「可溶性」非極性有機溶劑是指於常溫常壓下,大於或等於0.1 g的非極性有機溶劑可溶於100 ml的水中。藉由添加適量的非極性有機溶劑可降低接觸角或提高潤濕性。然而,非極性有機溶劑的使用並非必須,可依照蝕刻製程的需求(例如,待蝕刻產品的種類或結構)來決定。
於一實施例中,非極性有機溶劑可選自由烷類溶劑、芳香烴溶劑、長碳鏈醇類溶劑、醇醚類溶劑、及其組合所組成之群組。
於一實施例中,非極性有機溶劑的具體例子包括,但不限於:苯、甲苯、乙醚、1,4-二噁烷(1,4-dioxane)、氯仿、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、1-壬醇、正癸醇、十一烷醇、月桂醇、異辛醇、二乙二醇二甲醚(diethylene glycol dimethyl ether)、二乙二醇二乙醚(diethylene glycol diethyl ether, DEGDEE)、二乙二醇乙基甲醚(diethylene glycol ethyl methyl ether)、三乙二醇二甲醚(triethylene glycol dimethyl ether)、四乙二醇二甲醚(tetraethylene glycol dimethyl ether)、二乙二醇乙醚(diethylene glycol monoethyl ether)、二乙二醇己基醚(diethylene glycol monohexyl ether)及其組合。前述的非極性有機溶劑可單獨使用或兩種以上合併使用。
於一實施例中,非極性有機溶劑的含量可為0至25 wt%。當非極性有機溶劑的含量為0 wt%時,是指蝕刻組成物中不特意添加非極性有機溶劑。當蝕刻組成物中添加有非極性有機溶劑時,非極性有機溶劑的含量可為,例如,可為0.1至25 wt%、1至25 wt%、2至25 wt%、3至25 wt%、4至25 wt%、5至25 wt%、6至25 wt%、7至25 wt%、8至25 wt%、9至25 wt%或10至25 wt%。然而,本揭露並不僅限於此,非極性有機溶劑的添加量也可超過25 wt%,端看需求而定。
於一實施例中,蝕刻組成物可選擇性的更包括一介面活性劑。
於一實施例中,介面活性劑可選自由氟素陰離子界面活性劑、氟素非離子界面活性劑、氟素兩性界面活性劑、烴類陰離子界面活性劑及其組合所組成之群組。
於一實施例中,介面活性劑的具體例子包括,但不限於:Surfanol SE、Surfanol AD-01、Enoric-BS-24、Dynol 604、Dynol 607、FC-4430、FC-4434及其組合。前述的介面活性劑可單獨使用或兩種以上合併使用。
於一實施例中,介面活性劑的含量可為0至0.5 wt%。當介面活性劑的含量為0 wt%時,是指蝕刻組成物中不特意添加介面活性劑。當蝕刻組成物中添加有介面活性劑時,介面活性劑的含量可為,例如,0.01至0.5 wt%、0.01至0.4 wt%、0.01至0.3 wt%、0.01至0.2 wt%、0.05至0.2 wt%、0.05至0.15 wt%、0.75至0.15 wt%或0.75至1.25 wt%。
本揭露更提供一種以前述蝕刻組成物來移除矽的方法,包括下列步驟:提供一待蝕刻基材,其中待蝕刻基材包括一矽層;以及以前述的蝕刻組成物蝕刻待蝕刻基材,以移除矽層的至少一部分。
於一實施例中,矽層可為非晶矽層、單晶矽層、多晶矽層或其組合。
於一實施例中,待蝕刻基材可更包括一矽化合物層,且矽層相對於矽化合物層的蝕刻選擇性可大於或等於7000。其中,矽化合物層可為二氧化矽層、氮化矽層、碳化矽層、氮化碳矽層或其組合。於一實施例中,矽化合物層可為二氧化矽層。
於一實施例中,矽層相對於矽化合物層的蝕刻選擇性可大於或等於10000、大於或等於20000、大於或等於30000、大於或等於40000、大於或等於50000或大於或等於60000。
其中,矽層相對於矽化合物層的蝕刻選擇性可以下列式(1)來計算:
矽層相對於矽化合物層的蝕刻選擇性 = 矽層的蝕刻速率/矽化合物層的蝕刻速率 (1)。
於一實施例中,待蝕刻基材可更包括一功函數材料層或高k材料層,且矽層相對於功函數材料層或高k材料層的蝕刻選擇性可大於或等於1000。其中,功函數材料層可為氮化鈦層、氮化鉭層或其組合。高k材料層可為二氧化鉿層、二氧化鈦層、二氧化鋯層或其組合。於一實施例中,功函數材料層可為氮化鈦層。
於一實施例中,矽層相對於功函數材料層或高k材料層的蝕刻選擇性可大於或等於3000、大於或等於5000、大於或等於7000、大於或等於10000、大於或等於15000、大於或等於20000、大於或等於25000、大於或等於30000、大於或等於35000、大於或等於40000、大於或等於45000、大於或等於50000、大於或等於55000、或大於或等於60000。
其中,矽層相對於高k材料層的蝕刻選擇性可以下列式(2)來計算;矽層相對於功函數材料層的蝕刻選擇性可以下列式(3)來計算:
矽層相對於高k材料層的蝕刻選擇性 = 矽層的蝕刻速率/高k材料層的蝕刻速率 (2)。
矽層相對於功函數材料層的蝕刻選擇性 = 矽層的蝕刻速率/功函數材料層的蝕刻速率 (3)。
於一實施例中,蝕刻組成物可於30至90°C下蝕刻待蝕刻基材,例如可於35至90°C、40至90°C、45至90°C、50至90°C、50至85°C、55至85°C、55至80°C、60至75°C或65至75°C,但本揭露並不僅限於此。於本揭露中,蝕刻的溫度或時間可根據製程需要(例如:待蝕刻基材的結構或矽層的厚度)進行調整。
於本揭露中,蝕刻速率可以下列式(4)來計算:
蝕刻速率 = (目標基材蝕刻前的厚度-蝕刻後的厚度)/蝕刻時間 (4)。
於一實施例中,本揭露的移除矽的方法可用於高k金屬閘極電晶體的製程上。更具體而言,本揭露的移除矽的方法可用於高k金屬閘極電晶體的製程上,以移除作為假性閘極的矽層。
於本揭露中,“烷基”一詞是指直鏈或支鏈的碳氫基團,包括1-12個碳原子(例如,C
1-C
10、C
1-C
8或C
1-C
5)。例如,甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、異丁基和叔丁基。
於本揭露中,“芳基”一詞是指6-碳單環、10-碳雙環、14-碳三環的芳香環系統。芳基的例子包括苯基、萘基和蒽基。
此外,除非特別指明,化合物中的烷基或芳基包括經取代或未經取代的基團。可能的取代基包括,但不限於烷基、環烷基、鹵素、烷氧基、烯基、雜環烷基、芳基、雜芳基、胺基、羧基或羥基,但烷基不會被烷基取代。
本揭露的其他新穎特徵,當配合圖示進行以下詳細描述後將會更加顯著。
以下提供本揭露的不同實施例。這些實施例是用於說明本揭露的技術內容,而非用於限制本揭露的權利範圍。一實施例的一特徵可透過合適的修飾、置換、組合、分離以應用於其他實施例。
應注意的是,在本文中,除了特別指明者之外,具備「一」元件不限於具備單一的該元件,而可具備一或更多的該元件。
在本文中,除了特別指明者之外,所謂的特徵A”或” 特徵B,是指A單獨存在或B單獨存在;所謂的特徵A”及/或”特徵B,是指A單獨存在、B單獨存在、或A與B同時存在;所謂的特徵A”及”特徵B、特徵A”與”特徵B、或特徵A”且”特徵B,是指A與B同時存在;所謂的”包括”、”包含”、”具有”、”含有”,是指”包括但不限於此”。
如本文所使用且除非另有說明,否則術語「約」或「大約」意思指普通熟習此項技術者所測定之特定值的可接受之誤差,其部分取決於量測或測定該值之方式。在某些實施例中,術語”約”或”大約”意思指在1、2、3或4個標準差範圍內。在某些實施例中,術語”約”及”大約”意思指在給定值或範圍之±20%之內、±15%之內、±10%之內、±9%之內、±8%之內、±7%之內、±6%之內、±5%之內、±4%之內、±3%之內、±2%之內、±1%之內、±0.5%之內、±0.05%之內或更低。在此給定的數量為大約的數量,亦即在沒有特定說明“約”、“大約”、“實質上”、“大致上”的情況下,仍可隱含“約”、“大約”、“實質上”、“大致上”的含義。此外,用語“範圍為第一數值至第二數值”、“範圍介於第一數值至第二數值之間”表示所述範圍包含第一數值、第二數值以及它們之間的其它數值。
此外,本揭露不同實施例的特徵可相互組合而形成另一實施例。
於以下實施例及比較例中,是將目標基材(厚度為5000 Å的多晶矽基材、厚度為1000 Å的二氧化矽(SiO
2)基材、及厚度為100 Å的氮化鈦(TiN)基材)浸泡於已加熱的蝕刻組成物中,以磁石進行攪拌,並蝕刻一預定時間。其中,實施例與比較例的蝕刻組成物的成分及含量如下表1至10中所示。在此,多晶矽基材以加熱至70°C的蝕刻組成物,浸泡1或2分鐘;二氧化矽基材及氮化鈦基材則是以加熱至70°C的蝕刻組成物,浸泡120分鐘。
量測蝕刻前及蝕刻後的目標基材的厚度,並以上述式(4)來計算蝕刻速率。此外,以上述式(1)來計算多晶矽基材(即,矽層)相對於二氧化矽基材(即,矽化合物層)的蝕刻選擇性,且以上述式(3)來計算多晶矽基材(即,矽層)相對於氮化鈦基材(即,功函數材料層)的蝕刻選擇性。計算結果列於下表1至10中。
接觸角的測量
接觸角量測: 將實施例與比較例的蝕刻組成物以 3 μL 液滴接觸於目標基材表面(Poly-Si, SiO
2)後,開始計時 10 s,並以接觸角測量儀(Theta T200-basic)測量,並進行三重複實驗。經軟體統計(Attension)後,取得接觸角平均值。
測試例1
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表1中。
表1
比較例1-1 | 實施例1-1 | 實施例1-2 | 實施例1-3 | 實施例1-4 | 比較例1-2 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 0.5 | TMAH 1 | TMAH 2.5 | TMAH 4 | TMAH 5.5 | TMAH 6.5 |
介面活性劑 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | -- | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 |
水 | 55.4 | 54.9 | 53.4 | 21.4 | 50.4 | 49.4 |
醇胺化合物 | NMEA 20 | NMEA 20 | NMEA 20 | NMEA 24.6 | NMEA 20 | NMEA 20 |
極性有機溶劑 | EG 20 | EG 20 | EG 20 | EG 15 | EG 20 | EG 20 |
醯胺化合物 | NMF 4 | NMF 4 | NMF 4 | NMF 25 | NMF 4 | NMF 4 |
非極性有機溶劑 | -- | -- | -- | 1-己醇 10 | -- | -- |
Poly-Si蝕刻速率 (Å/min) | 1458 | 1400 | 1817 | 980 | 1873 | 2885 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.51 | 0.2 | 0.195 | 0.071 | 0.18 | 0.6 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 2858 | 7000 | 9317 | 13802 | 10405 | 4808 |
TiN蝕刻速率 (Å/min) | -- | -- | -- | 0.007 | -- | -- |
Poly-Si / TiN選擇性 | -- | -- | -- | 140000 | -- | -- |
如表1的結果所示,相較於比較例1-1及1-2的蝕刻組成物,實施例1-1至1-4的蝕刻組成物其二氧化矽蝕刻速率均小於0.2 Å/min,且多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性為7000以上。此結果顯示,蝕刻組成物中四級銨鹽的含量較佳介於1至5.5 wt%之間。此外,實施例1-3的蝕刻組成物也具有極佳的氮化鈦蝕刻速率及多晶矽相對於氮化鈦的蝕刻選擇性。
測試例2
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表2中。
表2
比較例2-1 | 實施例2-1 | 實施例2-2 | 實施例2-3 | 實施例2-4 | 比較例2-2 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 |
介面活性劑 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 |
水 | 46.9 | 46.65 | 38.05 | 28.05 | 18.05 | 15.55 |
醇胺化合物 | NMEA 40 | NMEA 40 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 |
極性有機溶劑 | EG 10 | EG 10 | EG 15 | EG 15 | EG 15 | EG 15 |
醯胺化合物 | NMF 0.75 | NMF 1 | NMF 20 | NMF 30 | NMF 40 | NMF 42.5 |
Poly-Si蝕刻速率 (Å/min) | 2160 | 2100 | 1836 | 1512 | 1394 | 342 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.59 | 0.26 | 0.22 | 0.09 | 0.13 | 0.103 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 3661 | 8076 | 8345 | 16800 | 10723 | 3320 |
如表2的結果所示,相較於比較例2-1及2-2的蝕刻組成物,實施例2-1至2-4的蝕刻組成物其二氧化矽蝕刻速率均小於0.3 Å/min,且多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性為7000以上。此結果顯示,蝕刻組成物中醯胺化合物的含量較佳介於1至40 wt%之間。
測試例3
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表3中。
表3
比較例3-1 | 實施例3-1 | 實施例3-2 | 實施例3-3 | 實施例3-4 | 比較例3-2 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | 氫氧化膽鹼 2.66 | 氫氧化膽鹼 1 | 氫氧化膽鹼 1 |
介面活性劑 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.50 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 |
水 | 53.65 | 52.65 | 23.45 | 15.84 | 1.9 | 1.9 |
醇胺化合物 | MEA 19 | MEA 20 | NMEA 49.2 | MEA 70 | NMEA 95.5 | MEA 97 |
極性有機溶劑 | EG 15 | EG 15 | EG 15 | EG 10 | EG 0.5 | -- |
醯胺化合物 | NMF 10 | NMF 10 | NMF 10 | NMF 1 | NMF 1 | -- |
Poly-Si蝕刻速率 (Å/min) | 1697 | 2250 | 1471 | 2306 | 1133 | 590 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.28 | 0.11 | 0.054 | 0.19 | 0.023 | 0.11 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 6060 | 23181 | 27240 | 12136 | 49260 | 5363 |
TiN蝕刻速率(Å/min) | -- | -- | -- | 0.073 | 0.02 | -- |
Poly-Si / TiN選擇性 | -- | -- | -- | 31589 | 56650 | -- |
如表3的結果所示,相較於比較例3-1及3-2的蝕刻組成物,實施例3-1至3-4的蝕刻組成物其二氧化矽蝕刻速率均小於0.2 Å/min,且多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性為7000以上。此結果顯示,蝕刻組成物中醇胺化合物的含量較佳介於20至95.5 wt%之間。此外,實施例3-3及3-4的蝕刻組成物也具有極佳的氮化鈦蝕刻速率及多晶矽相對於氮化鈦的蝕刻選擇性。
測試例4
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表4中。
表4
實施例4-1 | 實施例4-2 | |
成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | 氫氧化膽鹼 2.66 |
介面活性劑 | FC-4434 0.1 | FC-4434 0.1 |
水 | 53.65 | 47.64 |
醇胺化合物 | NMEA 20 | NMEA 24.6 |
極性有機溶劑 | EG 20 | EG 15 |
醯胺化合物 | NMF 4 | NMF 10 |
Poly-Si 蝕刻速率 (Å/min) | 1817 | 2599 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.195 | 0.098 |
Poly-Si / SiO 2 選擇性 | 9317 | 26520 |
如表4的結果所示,使用不同於TMAH的四級銨鹽,例如:氫氧化膽鹼,亦可達到高的多晶矽蝕刻速率及低的二氧化矽蝕刻速率,且可展現極佳的多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性。
測試例5
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表5中。
表5
實施例5-1 | 實施例5-2 | 實施例5-3 | 實施例5-4 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | 氫氧化膽鹼 2.66 | TMAH 2.25 |
介面活性劑 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 |
水 | 48.05 | 53.05 | 47.64 | 53.05 |
醇胺化合物 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 |
極性有機溶劑 | EG 15 | EG 10 | EG 15 | EG 10 |
醯胺化合物 | 乙醯胺 10 | 乙醯胺 10 | 乙醯胺 10 | N,N-二乙基甲醯胺 10 |
Poly-Si蝕刻速率 (Å/min) | 3302 | 2262 | 2599 | 2069 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.079 | 0.13 | 0.098 | 0.29 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 41797 | 17400 | 26520 | 7134 |
如表5的結果所示,使用不同於NMF的醯胺化合物,例如:乙醯胺或N,N-二乙基甲醯胺,亦可達到高的多晶矽蝕刻速率及低的二氧化矽蝕刻速率,且可展現極佳的多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性。
測試例6
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表6中。
表6
實施例6-1 | 實施例6-2 | 實施例6-3 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 |
介面活性劑 | FC-4434 0.1 | FC-4434 0.1 | FC-4434 0.1 |
水 | 52.65 | 23.45 | 48.45 |
醇胺化合物 | MEA 20 | NMEA 49.2 | 2-胺-2-甲基-1-丙醇 29.2 |
極性有機溶劑 | EG 15 | EG 15 | EG 10 |
醯胺化合物 | NMF 10 | NMF 10 | NMF 10 |
Poly-Si蝕刻速率 (Å/min) | 2250 | 1471 | 1473 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.11 | 0.054 | 0.025 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 23181 | 27240 | 58920 |
如表6的結果所示,使用不同於NMEA的醇胺化合物,例如:MEA或2-胺-2-甲基-1-丙醇,亦可達到高的多晶矽蝕刻速率及低的二氧化矽蝕刻速率,且可展現極佳的多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性。
測試例7
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表7中。
表7
實施例7-1 | 實施例7-2 | 實施例7-3 | 實施例7-4 | 實施例7-5 | 比較例7-1 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 |
介面活性劑 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 |
水 | 47.65 | 37.65 | 53.65 | 48.65 | 46.15 | 44.65 |
醇胺化合物 | NMEA 40 | NMEA 40 | NMEA 20 | NMEA 20 | NMEA 20 | NMEA 20 |
極性有機溶劑 | -- | EG 10 | EG 20 | EG 25 | EG 27.5 | EG 29 |
醯胺化合物 | NMF 10 | NMF 10 | NMF 4 | NMF 4 | NMF 4 | NMF 4 |
Poly-Si 蝕刻速率 (Å/min) | 1794 | 1535 | 1817 | 1749 | 1624 | 1938 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.08 | 0.066 | 0.195 | 0.248 | 0.108 | 0.31 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 22425 | 23275 | 9317 | 7052 | 15037 | 6251 |
如表7的結果所示,相較於比較例7-1的蝕刻組成物,實施例7-1至7-5的蝕刻組成物其二氧化矽蝕刻速率均小於0.25 Å/min,且多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性為7000以上。此結果顯示,蝕刻組成物中極性有機溶劑的含量較佳介於0至27.5 wt%之間。
測試例8
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表8中。
表8
實施例8-1 | 實施例8-2 | 實施例8-3 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 |
介面活性劑 | FC-4434 0.2 | FC-4434 0.1 | FC-4434 0.1 |
水 | 47.95 | 38.05 | 23.05 |
醇胺化合物 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 |
極性有機溶劑 | EG 15 | EG 15 | EG 15 |
非極性有機溶劑 | -- | 1-己醇 10 | 1-己醇 25 |
醯胺化合物 | NMF 10 | NMF 10 | NMF 10 |
Poly-Si蝕刻速率 (Å/min) | 2187 | 1665 | 2446 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.13 | 0.03 | 0.19 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 16823 | 55500 | 12873 |
TiN蝕刻速率 (Å/min) | -- | -- | 0.03 |
Poly-Si / TiN選擇性 | -- | -- | 81533 |
Poly-Si接觸角 (度) | 17.45 | <3 | 10.3 |
SiO 2接觸角 (度) | 14.81 | <3 | 10.5 |
如表8的結果所示,無論是否添加非極性有機溶劑,均可達到高的多晶矽蝕刻速率及低的二氧化矽蝕刻速率,且可展現極佳的多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性。此外,相較於實施例8-1的未添加非極性有機溶劑的蝕刻組成物,實施例8-2及8-3的添加有非極性有機溶劑的蝕刻組成物,可降低接觸角,提升蝕刻組成物的滲透性、潤濕性,進而可適用於細微的半導體結構。
測試例9
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表9中。
表9
比較例9-1 | 比較例9-2 | 比較例9-3 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 |
介面活性劑 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 | FC-4434 0.10 |
水 | 53.05 | 43.05 | 45.75 |
醇胺化合物 | NMEA 24.6 | NMEA 24.6 | NMEA 36.9 |
極性有機溶劑 | EG 10 | EG 20 | EG 10 |
含氮化合物 | 1-甲基咪唑 10 | 1-甲基咪唑 10 | 1-甲基咪唑 5 |
Poly-Si蝕刻速率 (Å/min) | 1919 | 1656 | 1975 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.51 | 0.48 | 0.44 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 3762 | 3450 | 4488 |
如表9的結果所示,當蝕刻組成物中的醯胺化合物置換成其他含氮化合物(例如,1-甲基咪唑),則無法達到理想的二氧化矽蝕刻速率及多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性。
測試例10
蝕刻組成物的成分及比例、蝕刻速率及蝕刻選擇性列於下表10中。
表10
實施例10-1 | 實施例10-2 | 實施例10-3 | |
成分 wt% | 成分 wt% | 成分 wt% | |
四級銨鹽 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 | TMAH 2.25 |
介面活性劑 | FC-4434 0.1 | FC-4434 0.1 | FC-4434 0.1 |
水 | 28.45 | 28.45 | 18.45 |
醇胺化合物 | NMEA 49.2 | NMEA 49.2 | NMEA 49.2 |
極性有機溶劑 | EG 15 | EG 10 | EG 20 |
醯胺化合物 | NMF 5 | NMF 10 | NMF 10 |
Poly-Si蝕刻速率 (Å/min) | 1501 | 1736 | 1979 |
SiO 2蝕刻速率 (Å/min) | 0.025 | 0.014 | 0.0021 |
Poly-Si / SiO 2選擇性 | 60040 | 124000 | 942380 |
如表10的結果所示,當蝕刻組成物中四級銨鹽的含量約為2.25 wt%、介面活性劑的含量約為0.1 wt%、醇胺化合物的含量約為49.2 wt%、極性有機溶劑的含量約為10至20wt%、而醯胺化合物的含量約為5至10 wt%時,多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性可超過60000。
上述表1至10的結果顯示,本揭露的蝕刻組成物可展現極佳的多晶矽相對於二氧化矽的蝕刻選擇性,且可展現極佳的多晶矽相對於氮化鈦的蝕刻選擇性。據此,本揭露的蝕刻組成物可應用於電子產品或半導體裝置的製作上。舉例來說,本揭露的蝕刻組成物可用於高k金屬閘極電晶體的製備上。
圖1A至圖1D為本揭露一實施例的高k金屬閘極電晶體的製備流程剖面示意圖。
如圖1A所示,首先提供一傳統電晶體,包括:一p型矽層11;n型矽層12a, 12b,分別做為源極及汲極;一間隔層15,設於p型矽層11上,其中間隔層15的材料為矽化合物,例如為氮化矽或氮化碳矽;一閘極絕緣層13,設於p型矽層11上且設於n型矽層12a, 12b間,其中閘極絕緣層13的材料為矽化合物,例如為二氧化矽;一假性閘極14,設於閘極絕緣層13上,且假性閘極14的材料為多晶矽。
如圖1B所示,使用本揭露的蝕刻組成物移除假性閘極14。由於假性閘極14的材料為多晶矽,而本揭露的蝕刻組成物具有極佳的多晶矽相對於矽化合物的蝕刻選擇性,故可有效移除假性閘極14的多晶矽,而保留閘極絕緣層13及間隔層15的矽化合物材料(例如氮化矽、氮化碳矽或二氧化矽)。
如圖1C所示,於間隔層15的孔洞中沉積一高k材料(例如,HfO
2、TiO
2、ZrO
2或其他),而形成一高k材料層16。接著,形成一功函數材料層17於高k材料層16上,功函數材料層17的材料包括氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、釕(Ru)、鉬(Mo)等,但不以此為限。而後,如圖1D所示,再於功函數材料層17上形成一金屬閘極18,其材料可為鈦、鋁、或其他適合金屬或金屬合金。經由前述製程後,則可完成一高k金屬閘極電晶體。
雖然本揭露提供了相關實施例,但是應當理解,在不背離下文要求保護的本公開的精神和範圍的情況下,可以做出許多其他可能的修改和變化。
11:p型矽層
12a, 12b:n型矽層
13:閘極絕緣層
14:假性閘極
15:間隔層
16:高k材料層
17:功函數材料層
18:金屬閘極
圖1A至圖1D為本揭露一實施例的高k金屬閘極電晶體的製備流程剖面示意圖。
無。
11:p型矽層
12a,12b:n型矽層
13:閘極絕緣層
15:間隔層
16:高k材料層
17:功函數材料層
18:金屬閘極
Claims (20)
- 一種用於移除矽的蝕刻組成物,包括: 1至5.5 wt%的四級銨鹽; 20至95.5 wt%的醇胺化合物; 1至40 wt%的醯胺化合物;以及 餘量的水。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,其中該四級銨鹽如下式(I)所示: N(R 1) 4 +X -(I) 其中,每一R 1各自獨立為經取代或未經取代的烷基、或經取代或未經取代的芳基; X -為F -、Cl -、Br -、I -, HSO 4 -、R 2COO -、或OH -;以及 R 2為氫或取代或未經取代的烷基。
- 如請求項2所述的蝕刻組成物,其中每一R 1各自獨立為經取代或未經取代的C 1-5烷基、或經取代或未經取代的C 6-10芳基。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,其中該四級銨鹽選自由四甲基氫氧化銨(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAH)、四乙基氫氧化銨(tetraethylammonium hydroxide, TEAH)、四丙基氫氧化銨(tetrapropylammonium hydroxide, TPAH)、四丁基氫氧化銨(tetrabutylammonium hydroxide, TBAH)、苄基三甲基氫氧化銨(benzyltrimethylammonium hydroxide)、三乙基甲基氫氧化銨(triethylmethylammonium hydroxide)、 氫氧化膽鹼(choline hydroxide)及其組合所組成之群組。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,其中該醇胺化合物為C 2-4醇胺化合物。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,其中該醇胺化合物選自由、單乙醇胺(monoethanolamine, MEA)、2-甲胺乙醇(2-methylaminoethanol, NMEA)、N, N-二甲基乙醇胺(N,N-dimethyl ethanol amine)、二乙醇胺(diethanolamine)、三乙醇胺(triethanolamine)、異丙醇胺(iso-propanolamine)、2-胺-2-甲基-1-丙醇(2-amino-2-methyl-1-propanol)及其組合所組成之群組。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,其中該醯胺化合物選自由甲醯胺(formamide)、乙醯胺(ethanamide)、碳醯胺(carbamide)、N-甲基甲醯胺(N-methylformamide, NMF)、N-甲基乙醯胺(N-methylacetamide)、N,N-二乙基甲醯胺(N,N-diethylformamide)、1,3-二甲基脲(1,3-dimethylurea)、羥乙基吡咯烷酮(N-(2-hydroxyethyl)-2-pyrrolidone)、二甲基甲醯胺(dimethylformamide, DMF)、二甲基乙醯胺(dimethylacetamide, DMAC)及其組合所組成之群組。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,更包括:0至27.5 wt%的極性有機溶劑。
- 如請求項8所述的蝕刻組成物,其中該極性有機溶劑選自由醇類溶劑、酮類溶劑、醚類溶劑、呋喃類溶劑、碸類溶劑、酯類溶劑、醇醚類溶劑及其組合所組成之群組。
- 如請求項8所述的蝕刻組成物,其中該極性有機溶劑選自由乙二醇(ethylene glycol, EG)、1,2-丙二醇(1,2-propanediol)、1,3-丙二醇(1,3-propanediol, PG)、甘油(glycerol)、1,4-丁二醇(1,4-butanediol, BDO)、季戊四醇(pentaerythritol, PENTA)、1,6-己二醇(1,6-hexanediol, 1,6-HDO)、雙季戊四醇(dipentaerythritol, DiPE)、苯二酚(benzenediol)、N-甲基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone, NMP)、N-乙基吡咯烷酮 (N-ethyl-2-pyrrolidone, NEP)、丙二醇甲醚(propylene glycol methyl ether, PGME)、二乙二醇丁醚(butyl diglycol, BDG)、四氫呋喃(tetrahydrofuran, THF)、環丁碸(sulfolane, SFL)、二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide, DMSO)、丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycol methyl ether acetate, PGMEA)、γ-丁內酯(γ-butyrolactone, GBL)、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate, EC)、及其組合所組成之群組。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,更包括:一非極性有機溶劑。
- 如請求項11所述的蝕刻組成物,其中該非極性有機溶劑選自由烷類溶劑、芳香烴溶劑、長碳鏈醇類溶劑、醇醚類溶劑、及其組合所組成之群組。
- 如請求項11所述的蝕刻組成物,其中該非極性有機溶劑選自由苯、甲苯、乙醚、1,4-二噁烷(1,4-dioxane)、氯仿、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、1-壬醇、正癸醇、十一烷醇、月桂醇、異辛醇、二乙二醇二甲醚(diethylene glycol dimethyl ether)、二乙二醇二乙醚(diethylene glycol diethyl ether, DEGDEE)、二乙二醇乙基甲醚(diethylene glycol ethyl methyl ether)、三乙二醇二甲醚(triethylene glycol dimethyl ether)、四乙二醇二甲醚(tetraethylene glycol dimethyl ether)、二乙二醇乙醚(diethylene glycol monoethyl ether)、二乙二醇己基醚(diethylene glycol monohexyl ether)及其組合所組成之群組。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,更包括:0至0.5 wt%的介面活性劑。
- 如請求項14所述的蝕刻組成物,其中該介面活性劑選自由氟素陰離子界面活性劑、氟素非離子界面活性劑、氟素兩性界面活性劑、烴類陰離子界面活性劑及其組合所組成之群組。
- 如請求項1所述的蝕刻組成物,其中該矽為非晶矽、單晶矽、多晶矽或其組合。
- 一種移除矽的方法,包括下列步驟: 提供一待蝕刻基材,其中該待蝕刻基材包括一矽層;以及 以如請求項1至16任一項所述的蝕刻組成物蝕刻該待蝕刻基材,以移除該矽層的至少一部分。
- 如請求項17所述的方法,其中該待蝕刻基材更包括一矽化合物層,且該矽層相對於該矽化合物層的蝕刻選擇性大於或等於7000。
- 如請求項17所述的方法,其中該待蝕刻基材更包括一功函數材料層或一高k材料層,且該矽層相對於該功函數材料層或該高k材料層的蝕刻選擇性大於或等於1000。
- 如請求項17所述的方法,其是用於高k金屬閘極電晶體的製程上,且該矽層為一假性閘極。
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