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未来低温等离子体刻蚀技术展望

未来低温等离子体刻蚀技术展望:

       过去近半个世纪,低温等离子蚀刻技术的发展栉风冰雨。半导体行业第一个原子级别(个原子的大小为0.m)技术节点10nm以下的量产预计在2020年前会到来。伴随着后摩尔定律时代的开启,低温等离子体蚀刻技术又一次被推到风口浪尖,可能到来的450mm品圆对等离子体内在均匀性的严苛要求,以及高频射频源在这种超大晶圆加工时可能导致的驻波等不良效应(60MHz射频源对应于5m真空波长,当蚀刻腔体尺寸大于这个真空波长的1/10时,就有可能产生驻波效应),这些都对蚀刻机台的设计提出了挑战。多电极、多ICP源功率等设计理念已经被提出来以避免450mm晶圆上驻波、趋肤等效应。但是最终450mm品圆能否被成功推向市场是个系统性工程,性价比以及各个工艺模块机台的同步跟进都是重要影响因素。此外,逻辑工と5nm或以下,m/V族复合材料取代硅材料做沟道势在必行,石墨烯、照磷、二硫化钼、拓扑材料用来做沟道以及石墨烯混搭金属互连2,自组装材料用来定义线条及通孔也渐行渐近。这些新材料的蚀刻如何进行对于等离子体蚀刻技术而言是全方位的考验。

       如图1.3所示,ALE被认为是后摩尔定律时代等离子体蚀刻的主流技术之一。例如黑磷是一种与石墨烯性能相近的材料,而且因为具有可调节的能带隙( Bandgap),其受到越来越多的青睐。黑碳的制备领域几乎是空白。已报道的思蚀刻是采用气一层一层蚀刻利离)来精确地实现指定层数的设计。类似的一层一层蚀刻又被称为数字蚀刻( Digital Etch)或者循环蚀刻( Cyclic Etch),其实都属于ALE范畴。ALE是利用一系列自限性( Self-limiting)反应来实现精确控制材料蚀刻厚度。ALE的概念最早由美国海军研究部门的约德(MaxNYoder)于1987年申请钻石蚀刻的专利(US4756794)中提到。第一波ALE研究高潮在20世纪90年代,第二波高潮则始于2013年。其中1/3的研究是各向同性蚀刻的ALE。到目前为止在超过20种材料上实现过ALE,包括硅、氧化硅、氧化铝、氧化铍、氧化铪、氧化锆、氧化钛田/V族复合材料、石墨烯、黑磷、铜、锗、聚合物等。传统的ALE方法由等离子体蚀刻机台完成吸附、抽空、反应、抽空4步。其中有的ALE采用了其他方法替代这4步中的吸附和反应步,比如用氢离子注人的方式改变氮化硅表而,然后用氢氧酸去掉改性的表面来实现ALE.偏压脉冲技术被认为是“部分”ALE,因为偏压脉冲技术不能完全分开吸附和反应。传统的ALE中如果吸附所用气体停留时间较长而使第2步抽空时间较长,则会影响整体蚀刻速率另外,反应步骤中离子能量峰窄度不足(不能精确制导)将导致随循环次数增加而单次蚀刻速率变快。从这个角度讲图1.4中的同步脉冲加异步直流脉冲技术可精准(调窄离子能量峰)快速(频率控制)地实现ALE。

       除了蚀刻设备内在均匀性的提升和ALE技术的进一步完善。特种气体的合理使用会给等离子体刻工艺起到画龙点的作用。例如乏定型使刻的时候:COS蚀刻出来的无定型碳线条图形侧壁几乎完美无缺,而用传统的蚀刻气体则会出现侧壁局部凹陷的问题。可是当COS用来做双图形的无定型碳核的时候,虽然核侧壁形貌很完美,但是在后续的侧墙沉积蚀刻过程中容易爆裂。这是因为COS吸附在无定型碳核所致。COS在介电材料蚀刻方面也有探究,但是在蚀刻过程中如果底部有金属硬掩膜暴露,会产生棉纱状聚合物m而影响最终蚀刻效果。有些特种气体的研究尚处于保密阶段,即使见于报道也仅以代号如C,H,F2表示,主要是针对氮化硅和氧化硅这两种材料超高蚀刻选择比定制,满足侧墙蚀刻和自对准接触孔蚀刻的需要。前者需要蚀刻氮化硅停止在超薄的氧化硅上,后者在蚀刻氧化硅时不希望消耗氮化硅。单从这种双向超高蚀刻选择比的调节能力上看,就弥补了同步脉冲加异步直流脉冲技术精确制导的单向性。另外,后段已经报道的CF1、CH,F、CHF以及SiF在7m以下的刻工艺中发挥重要的作用。它们已经被证明在降低光阻道延以及改随低电材料损伤方面卓有成效。