《炬丰科技-半导体工艺》准原子层蚀刻的硅氮化物

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：准原子层蚀刻的硅氮化物

作者：炬丰科技

编号：JFKJ-21-727

摘要

该技术具有较高的潜力，并已在多个领域展现出显著的应用前景。
相较于现有材料如氧化物和硅类物质而言，
目前关于氮化硅原子层蚀刻的研究报道尚显不足。
本研究中，在一个商业化的等离子体处理系统中对氮化硅材料进行了自限性蚀刻工艺的探索。
本研究涉及两个连续的操作步骤：
首先，在氢离子诱导下的表面处理工艺被实施；
随后，在氟离子消解层的去除非晶氧化物修饰。
此外，
作者还通过实验验证了该工艺在各向异性方面的特性，
并指出其对于氧化物的选择度可达100以上。
尽管在单个循环周期内达到完全饱和的致密膜形成速度方面仍存在明显差距，
但通过自限性蚀刻技术的应用，
我们成功将原子层状沉积的优势得以实现，
包括消除等密度偏倚效应以及显著提升对氧化物的选择度。

介绍

氮化硅通常被用作间隔件、垫片或裁切截止层，并且也可以作为自准位多层刻蚀所需的牺牲性轴心使用。此外，在线路前端设计中常被用作硬掩模或栅极隔离结构。碳氟化合物化学主要用于通过在氧化物及硅等材料上进行有选择性氮化处理来实现功能特性需求。

该研究展示了DHF处理可以通过氢等离子体表面改性和氟化等离子体去除非致害层来实现。其中，在第一步中采用氢等离子体对表面进行改性，在第二步中利用氟化等离子体去除已形成的第一层保护膜。

实验

该衬底被嵌入电容耦合等离子体以实现其表面化学修饰过程中的蚀刻工艺研究。底部电极连接了一个频率为13.56兆赫兹的射频电源以提供持续供电支持。当处于氢气等离子体处理时，在射频功率范围为50至150瓦的情况下维持室压稳定于20毫托大气压水平。除了氢气外，在腔室内引入少量氩气有助于启动稳定的等离子体环境进而促进后续工艺操作的成功进行。通过调节射频功率至15至100瓦之间实现了氟化物混合气体等离子体内壁的确保与清洗效果评估

氮化硅衬底厚度可通过光谱偏振仪精确测定。采用二次离子质谱技术对经氢等离子体处理后的样品进行分析，并测定注入层深度以了解注入层的位置及其宽度特征；同时表征分布特征并验证是否存在共价键关系。

结果和讨论

典型的ALE工艺主要采用表面和去除改性层的连续步骤进行加工。本文重点描述了氮化硅准晶的具体制备过程及其涉及氢等离子体表面处理和氟化等离子体去除非晶层的技术细节

图4(a)揭示了氮化硅自限蚀刻与氟化等离子体暴露时间之间的关系。从该图的斜率可以看出氢等离子体处理氮化硅时采用了三种不同的影响因素来实现其性能提升。图4(b)则展示了在氢等离子体处理下氮化硅的蚀刻深度随处理时间的变化情况。

一般来说，在ALE工艺中، 每次循环操作都会导致刻槽深度逐步增长. 但是, 单独一次操作所造成的深浅变化始终保持恒定. 通过图6可以看出, 在氮化硅材料中达到饱和状态时的操作顺序呈现出一致的增长模式. 绘制如图所示的趋势线（用实线表示）时发现, 随着操作次数不断增加, 曲线呈现明显的渐缓趋势. 这种渐变特征提示我们, 在后续的操作中每一次操作带来的增深量应该逐渐下降.

氮化硅表层修饰主要受氢离子的作用（各向异性），而被修饰层的剥离则主要依赖于氟原子（具有等向性）的作用。由此可知, 通过调节各个阶段的比例和权重安排, 可以有效调控整个过程的空间异质性特征. 对于具有极端空间异质性的蚀刻工艺, 应尽量使氢离子穿透深度达到最大值

结论

解决在连续或准连续等离子体中蚀刻半导体材料固有挑战的自限制蚀刻工艺发展具有重要意义。
为此本研究重点展示氮化硅的自限蚀刻特性。
除了具有显著的ALE特性外 本研究还验证了通过调节氢离子能量来调控其深度的能力。
两种方法均表现出在氢等离子体暴露后氮化硅腐蚀速率显著提升的特点。
研究表明 氮化硅衬底经过氢等离子体处理后不会置于大气环境中 这一措施有效抑制了表面氧化现象的发生。
随后采用另一种方案 即远程等离子体源或低电子温度(0.7–1.5电子伏)等离子体 处理方式同样实现了自由基驱动的过程 并且能够避免对更高腔室压力的需求。
这种处理方式不仅能够在较低压力环境下操作 还能够扩大工艺空间 并为实现有效的副产物去除提供可靠途径。

本文描述的研究与Posseme等人的工作存在显著差异，在此背景下我们推测蚀刻机制可能有所不同。通过氢等离子体诱导氮化硅的结构与化学修饰特征将成为我们未来研究的重点之一。深入探究氢注入氮化硅与原子氟间的相互作用关系将有助于我们将研究成果扩展至硅、氧化物、SiARC以及有机材料的刻工艺。