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摘要
? ? ? 原子層蝕刻(ALE)是一種很有前途的技術(shù)，可以解決與連續(xù)或脈沖等離子體過程相關(guān)的挑戰(zhàn)——選擇性、輪廓和長寬比相關(guān)的蝕刻之間的權(quán)衡。與硅、氧化物等材料相比，氮化硅的原子層蝕刻尚未得到廣泛的報道。在本文中，作者演示了氮化硅在一個商業(yè)等離子體蝕刻室中的自限性蝕刻。本文所討論的過程包括兩個連續(xù)的步驟：在氫等離子體中的表面修飾和去除氟化等離子體中的修飾層。除了ALE的特性外，作者還證明了該過程是各向異性的，對氧化物的選擇性為>100。雖然不能達到每個循環(huán)一個單層的飽和蝕刻速率，但氮化硅的自限蝕刻仍然使我們能夠?qū)⒃訉游g刻的好處，如沒有等密度偏倚和對氧化物的極高選擇性納入實際蝕刻應(yīng)用。
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介紹
? ? ? 氮化硅通常用作間隔物、襯墊、蝕刻停止層，或者用作自對準(zhǔn)多重圖案化的犧牲心軸。 它也用作線路前端應(yīng)用的硬掩?；驏艠O隔離物。碳氟化合物化學(xué)通常用于蝕刻對氧化物、硅和其他材料有選擇性的氮化硅。
? ? ? 本文討論的工作證明了氟化等離子體是DHF處理的一種替代方法——氫等離子體表面改性(步驟1)和氟化等離子體去除改性層(步驟2)。
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實驗
? ? ? 氮化硅襯底在電容耦合等離子體中蝕刻。底部電極由13.56兆赫的射頻供電。在氫等離子體處理期間，施加50–150瓦的射頻功率，并且室壓保持在20毫托。除了氫之外，少量的氬被允許進入腔室，以便于等離子體點火。通過施加15–100瓦的射頻功率點燃氟化等離子體。
氮化硅襯底的厚度由光譜橢偏儀測量。通過二次離子質(zhì)譜分析暴露于氫等離子體后的氮化硅樣品，以確定氫離子注入氮化硅的深度，表征注入離子的濃度分布，并確認氮和氫原子之間存在化學(xué)鍵。
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結(jié)果和討論? ?
? ? ? 典型的ALE工藝由表面改性和去除改性層的連續(xù)步驟組成。本文描述的氮化硅準(zhǔn)晶包括氫等離子體表面改性和氟化等離子體去除改性層。
? ? ? 圖4(a)顯示了氮化硅的自限蝕刻與氟化等離子體暴露時間的關(guān)系。從該圖的斜率，我們可以推斷氫等離子體處理的氮化硅的蝕刻通過三種不同的方式進行。圖4(b)顯示了蝕刻深度飽和度與氫等離子體處理時間的關(guān)系。
? ? ? 通常，ALE工藝的蝕刻深度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而單調(diào)增加，而每個循環(huán)的蝕刻深度保持不變。圖6證實氮化硅的飽和蝕刻深度遵循這種單調(diào)趨勢。然而，繪制蝕刻深度作為循環(huán)次數(shù)的函數(shù)的線圖(實線)顯示，該線的斜率隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小。斜率的這種局部變化表明，每個周期的蝕刻深度應(yīng)該隨著周期數(shù)的增加而減少。
? ? ? 氮化硅的表面改性由氫離子驅(qū)動(各向異性)，而改性層的去除由原子氟驅(qū)動(各向同性)。因此，可以通過優(yōu)化每個步驟的相對貢獻來調(diào)整過程的各向異性。對于高度各向異性的蝕刻，氫離子注入的深度必須最大化。
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圖?4.氮化硅的蝕刻深度作為(a)氟化等離子體時間和(b)氫等離子體時間的函數(shù)
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圖?6.氮化硅的飽和蝕刻深度和蝕刻深度作為循環(huán)次數(shù)的函數(shù)
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結(jié)論
?????自限制蝕刻工藝的發(fā)展對于解決在連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)等離子體中蝕刻半導(dǎo)體材料固有的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。為此，我們演示了氮化硅的自限蝕刻。除了ALE特性，我們還展示了通過調(diào)節(jié)氫離子能量來控制蝕刻深度的能力。并且這兩種方法之間的共同點是在暴露于氫等離子體之后氮化硅的蝕刻速率的提高。暴露于氫等離子體后，氮化硅中氫原子的濃度分布是典型的離子注入物質(zhì)。結(jié)果，氮化硅襯底在氫等離子體處理后不會暴露于大氣中，從而限制了表面氧化的可能性。此后，用暴露于氟化等離子體代替DHF處理。改性氮化硅的去除是自由基驅(qū)動的，但是它需要更高的室壓來避免物理濺射。作為替代方案，遠程等離子體源或低電子溫度(0.7–1.5電子伏)等離子體也可以提供自由基驅(qū)動的過程，從而消除對更高腔室壓力的需求。在較低壓力下操作的能力將擴大工藝空間，并促進蝕刻副產(chǎn)物的有效去除。
本文描述的實驗與Posseme等人報道的工作有很大不同，因此，蝕刻機制可能不同。氫等離子體賦予氮化硅的結(jié)構(gòu)和化學(xué)改性的表征是我們未來努力的一部分。徹底了解氫注入氮化硅和原子氟之間的相互作用將使我們能夠?qū)⑽覀兊难芯拷Y(jié)果轉(zhuǎn)移到硅、氧化物、SiARC和有機材料的蝕刻上。
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