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摘要
原子层蚀刻(ALE)是一种很有前途的技术，可以解决与连续或脉冲等离子体过程相关的挑战——选择性、轮廓和长宽比相关的蚀刻之间的权衡。与硅、氧化物等材料相比，氮化硅的原子层蚀刻尚未得到广泛的报道。在本文中，作者演示了氮化硅在一个商业等离子体蚀刻室中的自限性蚀刻。本文所讨论的过程包括两个连续的步骤：在氢等离子体中的表面修饰和去除氟化等离子体中的修饰层。除了ALE的特性外，作者还证明了该过程是各向异性的，对氧化物的选择性为>100。虽然不能达到每个循环一个单层的饱和蚀刻速率，但氮化硅的自限蚀刻仍然使我们能够将原子层蚀刻的好处，如没有等密度偏倚和对氧化物的极高选择性纳入实际蚀刻应用。
介绍
氮化硅通常用作间隔物、衬垫、蚀刻停止层，或者用作自对准多重图案化的牺牲心轴。 它也用作线路前端应用的硬掩模或栅极隔离物。碳氟化合物化学通常用于蚀刻对氧化物、硅和其他材料有选择性的氮化硅。
本文讨论的工作证明了氟化等离子体是DHF处理的一种替代方法——氢等离子体表面改性(步骤1)和氟化等离子体去除改性层(步骤2)。
实验
氮化硅衬底在电容耦合等离子体中蚀刻。底部电极由13.56兆赫的射频供电。在氢等离子体处理期间，施加50–150瓦的射频功率，并且室压保持在20毫托。除了氢之外，少量的氩被允许进入腔室，以便于等离子体点火。通过施加15–100瓦的射频功率点燃氟化等离子体。
氮化硅衬底的厚度由光谱椭偏仪测量。通过二次离子质谱分析暴露于氢等离子体后的氮化硅样品，以确定氢离子注入氮化硅的深度，表征注入离子的浓度分布，并确认氮和氢原子之间存在化学键。
结果和讨论
典型的ALE工艺由表面改性和去除改性层的连续步骤组成。本文描述的氮化硅准晶包括氢等离子体表面改性和氟化等离子体去除改性层。
图4(a)显示了氮化硅的自限蚀刻与氟化等离子体暴露时间的关系。从该图的斜率，我们可以推断氢等离子体处理的氮化硅的蚀刻通过三种不同的方式进行。图4(b)显示了蚀刻深度饱和度与氢等离子体处理时间的关系。
通常，ALE工艺的蚀刻深度随着循环次数的增加而单调增加，而每个循环的蚀刻深度保持不变。图6证实氮化硅的饱和蚀刻深度遵循这种单调趋势。然而，绘制蚀刻深度作为循环次数的函数的线图(实线)显示，该线的斜率随着循环次数的增加而减小。斜率的这种局部变化表明，每个周期的蚀刻深度应该随着周期数的增加而减少。
氮化硅的表面改性由氢离子驱动(各向异性)，而改性层的去除由原子氟驱动(各向同性)。因此，可以通过优化每个步骤的相对贡献来调整过程的各向异性。对于高度各向异性的蚀刻，氢离子注入的深度必须最大化。
图 4.氮化硅的蚀刻深度作为(a)氟化等离子体时间和(b)氢等离子体时间的函数
图 6.氮化硅的饱和蚀刻深度和蚀刻深度作为循环次数的函数
结论
自限制蚀刻工艺的发展对于解决在连续或准连续等离子体中蚀刻半导体材料固有的挑战至关重要。为此，我们演示了氮化硅的自限蚀刻。除了ALE特性，我们还展示了通过调节氢离子能量来控制蚀刻深度的能力。并且这两种方法之间的共同点是在暴露于氢等离子体之后氮化硅的蚀刻速率的提高。暴露于氢等离子体后，氮化硅中氢原子的浓度分布是典型的离子注入物质。结果，氮化硅衬底在氢等离子体处理后不会暴露于大气中，从而限制了表面氧化的可能性。此后，用暴露于氟化等离子体代替DHF处理。改性氮化硅的去除是自由基驱动的，但是它需要更高的室压来避免物理溅射。作为替代方案，远程等离子体源或低电子温度(0.7–1.5电子伏)等离子体也可以提供自由基驱动的过程，从而消除对更高腔室压力的需求。在较低压力下操作的能力将扩大工艺空间，并促进蚀刻副产物的有效去除。
本文描述的实验与Posseme等人报道的工作有很大不同，因此，蚀刻机制可能不同。氢等离子体赋予氮化硅的结构和化学改性的表征是我们未来努力的一部分。彻底了解氢注入氮化硅和原子氟之间的相互作用将使我们能够将我们的研究结果转移到硅、氧化物、SiARC和有机材料的蚀刻上。
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