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摘要
? ? ??本文使用原子力顯微鏡分析了使用六氟化硫、四氟化碳、氯氣和氫溴酸化學(xué)方法在高密度等離子體中腐蝕壓力、射頻功率條件下c-Si100表面產(chǎn)生的粗糙度。本文明確地證明，高密度等離子體在硅蝕刻過程中不會產(chǎn)生粗糙度；但相反，如果已經(jīng)存在，它們傾向于光滑現(xiàn)有的表面粗糙度。利用二嵌段共聚物作為蝕刻掩模，分析硅晶片上自組織硅納米柱形狀的時間演化，證明了這一點。20nm高，20nm寬的10nm柱通過暴露于氯氣和六氟化硫等離子體迅速平滑，從而恢復(fù)平坦的硅表面。在高密度等離子體中，局部蝕刻速率通常受到反應(yīng)自由基可用性的限制。在這些條件下，平滑機(jī)制是由于粗糙表面的山丘比山谷接收到更高的蝕刻自由基通量。最后，本文指出，在硅基等離子體中，硅表面的粗糙化，經(jīng)常在文獻(xiàn)中報道，只是由于由al2o3反應(yīng)器壁濺射產(chǎn)生的AlFx粒子對硅的微濺蔽。在氟基等離子體中蝕刻后，表面確實檢測到很高比例的鋁。然而，當(dāng)在硅蝕刻過程之前，腔室壁被有意地被碳層覆蓋時，氟基等離子體的表現(xiàn)與其他研究的蝕刻化學(xué)物質(zhì)一樣，它們能迅速平滑任何現(xiàn)有的粗糙度。
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介紹
? ? ??在通過等離子體工藝蝕刻薄膜的過程中，薄膜中產(chǎn)生的粗糙度對于所制造的器件的正確操作可能是一個嚴(yán)重的問題。對于硅蝕刻，這對于集成電路集成電路制造、微光學(xué)、微傳感器或更一般的微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)制造是正確的。在集成電路制造中，硅柵極必須被選擇性地蝕刻成超薄柵極氧化物。隨著集成電路的尺寸隨著每一代產(chǎn)品而縮小，被蝕刻的層的厚度也減小，并且最終將變得與等離子蝕刻工藝產(chǎn)生的粗糙度相當(dāng)， 在幾十納米均方根值的范圍內(nèi)。這預(yù)計會導(dǎo)致嚴(yán)重的選擇性問題，特別是對于高k電介質(zhì)上的金屬柵極蝕刻工藝，其中必須蝕刻非常薄的硅和金屬層來圖案化柵極疊層。
微機(jī)電系統(tǒng)制造的另一個例子是微機(jī)電系統(tǒng)的制造，其中在硅蝕刻過程中產(chǎn)生的粗糙度可能對器件的正確操作有一些影響。
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實驗裝置和表面診斷
? ? ? 本研究中使用的樣品是經(jīng)過化學(xué)機(jī)械平面化處理的200納米直徑的硅100晶片，電阻率1cm 1.17這一過程產(chǎn)生了均方根粗糙度約為0.15納米的光滑參考表面。然而，晶片表面的天然氧化物必須在暴露于等離子體之前去除，以防止由于該氧化物的不均勻去除而形成粗糙。我們選擇用暴露在CF4等離子體中4秒的時間來蝕刻天然氧化物。初步測量表明，初始表面形貌不受CF4等離子體的影響。此外，當(dāng)通過CF4等離子體或通過在HF浴中濕法脫氧來去除天然氧化物層時，獲得了類似的結(jié)果。因此，在CF4穿透步驟之后涂覆在硅晶片上的薄的殘留碳氟化合物膜不會影響在隨后的蝕刻步驟中產(chǎn)生的粗糙度，而是被快速蝕刻掉。
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結(jié)果和討論
? ? ? ?在本節(jié)中，我們研究等離子體蝕刻工藝的平滑特性。這是通過暴露自組織硅納米柱來實現(xiàn)的，低壓Cl2等離子體或高壓SF6等離子體的明確粗糙度。這對應(yīng)于由表面Cl2等離子體的高能離子轟擊或由反應(yīng)性氟原子SF6等離子體的快速化學(xué)蝕刻驅(qū)動的蝕刻條件，分別導(dǎo)致各向異性和各向同性蝕刻輪廓。硅納米柱陣列通過使用由二嵌段共聚物制成的自組織掩模在碳硅樣品上形成圖案。共聚物沉積在碳硅晶片頂部涂覆的10納米厚的二氧化硅層上。共聚物的一個相的濕法選擇性去除導(dǎo)致在聚苯乙烯聚苯乙烯基質(zhì)中形成由10納米分隔的20納米直徑的孔陣列。然后進(jìn)行鉑剝離，以在二氧化硅表面上限定硬鉑掩模。
? ? ? 圖1顯示了參考表面的原子力顯微鏡圖像及其作為暴露于Cl2蝕刻等離子體時間的函數(shù)的變化。
? ? ? 圖4和圖5顯示初始表面的周期性結(jié)構(gòu)僅在10 s的蝕刻后被破壞。這與眾所周知的事實非常一致，即在氟基等離子體中的ARDE效應(yīng)比在氯基等離子體中的大得多，因為氟原子對硅的反應(yīng)性更高28個氟原子與特征側(cè)壁反應(yīng)，導(dǎo)致各向同性蝕刻輪廓和到達(dá)特征底部的氟原子通量的減少。因此，在基于F的等離子體中，柱的頂部和側(cè)壁被快速蝕刻掉，導(dǎo)致柱結(jié)構(gòu)在不到5 s內(nèi)被破壞。
? ? ? 總之，在高密度低壓等離子體中，局部蝕刻速率主要由到達(dá)表面的中性反應(yīng)物的通量驅(qū)動.離子與中性通量之比高，并且表面上存在的粗糙度被快速平滑，因為撞擊到谷上的活性自由基的通量小于它們在山上的通量。因此，高密度等離子體蝕刻工藝不會在最初平坦的表面上產(chǎn)生粗糙度，而會使最初粗糙的表面變得光滑。
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圖5 從圖2的原子力顯微鏡圖像計算的PSD行為對蝕刻時間的對數(shù)-對數(shù)圖
圖9 在60毫托250瓦射頻感應(yīng)功率和120瓦射頻偏置功率下，均方根粗糙度隨SF6等離子體蝕刻時間的變化
結(jié)論
? ? ? 本文已經(jīng)表明，在高密度等離子體中的硅蝕刻工藝不會產(chǎn)生粗糙度，但實際上會使預(yù)先存在的粗糙度變得平滑，除非寄生的非揮發(fā)性物質(zhì)從室壁上濺射并重新沉積在硅表面上，從而形成微掩模。因此，這種生長不穩(wěn)定性是一種“假象”，不是由于高能離子和活性自由基對表面的影響，而是由于雜質(zhì)的存在。當(dāng)使用氟基等離子體蝕刻含鋁反應(yīng)器壁中的硅時就是這種情況。然而，當(dāng)實現(xiàn)反應(yīng)器的正確調(diào)節(jié)以保護(hù)Al2O3部分不暴露于氟原子時，硅的等離子體蝕刻在所研究的所有蝕刻條件下都沒有粗糙度和金屬污染。
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