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等离子表面处理机中性离子束蚀刻技术

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发布时间：

2020-11-02

等离子表面处理机中性离子束蚀刻技术：

当大规模集成电路特征尺寸缩小到7nm以下时，传统等离子表面处理机等离子体蚀刻的固有缺陷将限制其进一步的发展和应用，例如电荷积累和深紫外光子(VUV)辐射。电子遮掩效应引起的电荷积累会导致过多的正电荷堆积在蚀刻图案底部，造成电荷诱导损伤和正离子轨道扭曲面引起的蚀刻精度降低。深紫外光子辐射不仅会加剧正电荷的堆积，而且会在蚀刻基体表面形成缺陷，从而影响表面的蚀刻反应过程。因此，其会增加蚀刻基体表面的粗糙度和侧壁蚀刻量，以及降低蚀刻的精度。此外，为了在等离子表面处理机蚀刻过程中准确地控制表面反应，参与蚀刻的反应粒子需要具有低能量，从而提高整个蚀刻过程的可控性以及精准性。

为了消除以上在传统等离子体蚀刻中的问题，并在等离子表面处理机蚀刻过程中提供低能量粒子，中性粒子束蚀刻技术逐渐被开发出来并获得了一定的发展，与传统的等离子体蚀刻、等离子体脉冲蚀刻和原子层蚀刻系统不同，等离子表面处理机中性粒子束蚀刻技术发展了适合其自身的系统。到目前为止，中性粒子束蚀刻技术系统主要分为3种:电子回旋共振等离子体方式、直流等离子体方式和感应耦合式等离子体加平行碳板方式。对于电子回旋共振等离子体和直流等离子体方式而言，中性粒子束是由正离子电荷转移形成的，中性化效率不高(60%左右)，而粒子束能量很高(>100eV)。这种低中性化低通量和高能量的粒子束导致了低的蚀刻速率和蚀刻选择比，所以并不太适用于蚀刻工艺与前两种方式不同，对于等离子表面处理机感应耦合式等离子体加平行碳板方式而言，中性粒子束是由负离子分离电子形成的。

在等离子脉冲技术功率关闭阶段，大量负离子产生并通过平行碳板，通过分离电子形成中性粒子束。相比正离子而言，在通过平行碳板时负离子更容易被中性化，主要因为负离子分离电子能量要远小于正离子电荷转移，因此负离子中性化效率比正离子要高很多，例如氯负离子中性化效率可以接近百分之一百，而氯正离子的中性化效率则只有60%左右。此外，对于感应耦合式等离子体加平行碳板方式而言，其偏压被施加于底部平行碳板上，因此能够准确控制负离子束能量，从而产生低能量高通量的中性粒子束。相比前两种方式，等离子表面处理机感应耦合式等离子体加平行碳板方式中性粒子束蚀刻技术将拥有更好的应应用前景。

随着芯片特征尺寸逐渐缩小，对蚀刻工艺的要求也会越来越高。当特征尺寸缩小到7nm 以下时，对于可准确控制的各向异性蚀刻工艺需求也变得越来越急迫。由于等离子表面处理机中性粒子束蚀刻基本不会产生电荷堆积和(真空)紫外光子辐射，而且产生的粒子反应能量很低，因此等离子表面处理机将会非常可能适用于7nm以下鳍式场效应晶体管中硅衬底的蚀刻，以及5nm以下碳纳米管或者石墨烯器件准确无损伤的蚀刻。

等离子表面处理机中性离子束蚀刻技术