原创 BST薄膜的湿法化学刻蚀工艺对于热电红外探测器的应用

引言

铁电材料已被广泛研究，用于下一代集成动态存取存储器（DRAM）和非冷却红外焦平面阵列（UFPA）。在众多的铁电体中，（Ba，Sr）TiO3（BST）薄膜由于其优良的性能，包括高介电常数、低介电损耗、小泄漏电流和与成分相关的库里温，被认为是应用铁电材料的主要候选材料之一。为了实现涉及BST薄膜的高度集成的硅基微电子器件，应开发BST薄膜的蚀刻技术。该蚀刻工艺，如电感耦合等离子体[4]、反应离子蚀刻、离子束蚀刻和湿式化学蚀刻，已被用于BST薄膜器件的生产。虽然干式蚀刻工艺可以实现一个各向异性的蚀刻轮廓。困难在于存在等离子体诱导损伤，需要专门的设备。与干蚀刻相比，湿化学蚀刻对大多数半导体器件的制备是经济高效的。

实验

我们对BST薄膜进行了光刻处理。首先，将正极光刻胶（AZ5214E型）涂覆在薄膜上。其次，通过掩模对准器和曝光系统（ABM、掩模对齐器和曝光系统）将图案从掩模转移到光刻胶上。第三，用显影剂溶液去除暴露的光刻胶。然后在115◦C下的热板上烘烤薄膜30 min。最后，用各种蚀刻剂来蚀刻薄膜。用丙酮剥离了成品样品上的光刻胶。

采用x射线衍射（XRD，D/MAX-IIIC）（λ=1.5406 Kα）在35 KV、25 mA和10 Kα/min的扫描速度下分析了BST薄膜的晶体结构。利用原子力显微镜（AFM，岛津SPM-9500J3）分析了薄膜的表面形貌。用扫描电镜（NOVA Nano SEM400）观察了薄膜的微观结构。采用能量色散光谱法（EDS）对薄膜表面的化学成分进行了评价。（江苏英思特半导体科技有限公司）

结果和讨论

图1显示了用各种蚀刻剂蚀刻的BST薄膜的金相图。对于图1a中纯HF蚀刻的样品，观察到严重的锯齿状蚀刻边缘，有一些黄色残留。如图1b和图1c所示，不能仅通过硝酸或过氧化氢去除蚀刻区域的BST膜，且蚀刻速率难以控制。图1d所示的薄膜采用HF/HNO3/H2O2/H2O进行蚀刻，体积比为1：25：50：20。BST薄膜的金相图表面光滑，无残留物，蚀刻边缘清晰，线性度好。在这种情况下，确定BST薄膜的蚀刻率约为37 nm/s。同时，通过侧蚀刻比计算出（W-w）/2D的绝对值。（江苏英思特半导体科技有限公司）

图2显示了用EDS扫描电镜蚀刻前后BST膜的表面形貌和化学成分。图2a中的SEM图显示了未蚀刻的结果因此，BST薄膜的侧向蚀刻比为10：1，说明使用HF/HNO3/H2O2/H2O蚀刻剂的畸变非常小。BST薄膜致密，无裂纹、无孔。在蚀刻前检测到BST的所有成分，如图2b所示。在图2c中，HF蚀刻的BST膜显示，不仅去除了BST膜，而且蚀刻了二氧化硅层。如图2d所示，Ba、Sr和Ti的强度与未蚀刻的强度几乎相同。说明BST膜不能被硝酸蚀刻。在图2e中，Ba和Sr的强度减小，而Ti的强度稍弱。这表明，BST薄膜也不能仅仅用过氧化氢来蚀刻。（江苏英思特半导体科技有限公司）

图1.用不同蚀刻剂蚀刻的BST薄膜的金属曲线图

图2.在700◦C下退火的BST薄膜的SEM和EDS分析

结论

成功制备了8个×8阵列的Au/Ni/Cr/BST/Pt/Ti红外探测器。利用发射技术获得了良好的电极图案。采用HF/HNO3/H2O2/H2O以体积比为1：25：50：20成功蚀刻BST铁电薄膜。BST薄膜的蚀刻率和侧向蚀刻率分别约为37 nm/s和10：1。通过后退火恢复了蚀刻的BST薄膜的结晶度和光滑度。通过改善薄膜和电极的微观形态，可以预期获得良好的电学性能。（江苏英思特半导体科技有限公司）