在富含氟的Ar/CF4等离子体中实现垂直蚀刻轮廓

《Advanced Materials Interfaces》：Realizing Vertical Etch Profiles in Fluorine-Rich Ar/CF4 Plasma

氟化碳超低电子温度等离子体实现高各向异性刻蚀及损伤抑制。通过调控栅极电压将电子温度降至0.5eV，显著提升CFx/F比值，增强侧壁钝化，同时抑制电荷积累导致的刻蚀面形失真。研究证实射频偏压功率需控制在18W以下以维持低电子温度环境，过量功率引发电子加热，使刻蚀各向异性劣化。该成果为3D半导体器件和量子设备制造提供了新型损伤控制技术路径。

　　
本文针对氟化碳（CF4）等离子体中电子温度调控对刻蚀剖面各向异性与损伤抑制的影响展开研究，为高精度三维器件制造提供了创新解决方案。研究重点聚焦于超低电子温度（ULET）条件下等离子体特性与刻蚀行为的关联机制，通过系统对比不同电子温度和射频偏置条件下的刻蚀结果，揭示了电子温度作为关键调控参数的作用原理。

在传统ICP（感应耦合等离子体）工艺中，高电子温度（约2 eV）导致电荷累积效应显著。电子与中性气体分子的碰撞引发能量耗散，使得离子轰击方向偏离垂直轴线，造成刻蚀剖面 isotropic（各向同性）特征——表现为凹槽底部圆弧化与侧壁严重 undercut（未覆盖区域）。电荷在绝缘掩膜表面堆积还会形成局部电势差，加剧离子轨迹畸变，导致刻蚀边缘出现 bowing（弯曲）现象。这种损伤性刻蚀模式难以满足现代半导体制造对亚微米级精度的需求，特别是在三维堆叠结构（如3D NAND、GAA晶体管）中，侧壁控制精度直接影响器件电学性能。

通过引入直流偏置网格技术，研究团队成功构建了ULET等离子体环境。当偏置电压从0 V降至-20 V时，电子温度从1.9 eV骤降至0.5 eV，这一关键参数的调控引发刻蚀行为质的改变。在低电子温度条件下，CF4等离子体中的自由基反应动力学发生显著变化：一方面，电子能量不足以完全解离CF4分子，导致CFx自由基（x=1,2,3）在等离子体中的比例从常规状态的不足5%提升至超过30%；另一方面，低温环境抑制了二次解离反应，使CFx自由基在侧壁形成稳定钝化层，有效阻断氟自由基对侧壁的侵蚀，从而实现93°的尖锐刻蚀角（对比常规工艺的115°）。这种钝化效应与电荷抑制的协同作用，使刻蚀深度与掩膜高度比从常规的0.8提升至1.5，显著改善高深宽比结构的加工精度。

值得注意的是，当施加射频偏置功率时，电子温度与刻蚀各向异性呈现非线性关系。7 W的较低偏置功率虽能提升垂直刻蚀速率（约15%），但电子温度仍保持在1 eV以下，维持了有效的侧壁钝化。但当功率超过18 W时，电容性加热导致电子温度回升至2 eV以上，此时等离子体特性趋近于传统ICP模式，刻蚀剖面出现明显 isotropic化现象——未覆盖区域增至72 nm，刻蚀角恶化至120°。研究通过计算不同频率偏置下的能量输入（Stot=Sohm+Sstoc），证明采用12.56 MHz射频时，电子加热功率密度达18.6 W/m2，而将频率降至400 kHz，能量密度可降至0.02 W/m2，为后续工艺优化提供了理论依据。

实验表明，ULET工艺在损伤控制方面具有显著优势。在5分钟刻蚀周期内，传统ICP工艺因电子轰击产生的等离子体紫外线（VUV）辐射，导致硅基材表面形成损伤层（厚度约8 nm），而ULET条件下的VUV辐射强度降低约60%，表面损伤几乎可忽略。这种损伤抑制效应源于双重机制：首先，低能量电子（<0.5 eV）与中性粒子碰撞产生的激发态分子比例降低至传统工艺的1/3；其次，侧壁钝化层（CFx自由基覆盖）将离子轰击能量在基材表面分散，使最大能量密度降低40%。

研究还发现CFx/F比例与电子温度的强相关性。当电子温度降至0.5 eV时，CF3/F比例从常规状态的5%提升至28%，这使侧壁钝化效率提高3倍以上。通过同步辐射分析证实，CF3自由基在侧壁的沉积速率达1200 ?/min，是F自由基的15倍，这种选择性自由基沉积有效抑制了侧壁的化学侵蚀。

该成果对半导体制造工艺的革新具有重要指导意义。在3D NAND堆叠层数超过100层时，传统各向异性刻蚀的侧壁损伤会导致漏电流增加3个数量级。实验数据表明，ULET工艺可使沟槽底部粗糙度从15 nm降至3 nm，同时保持刻蚀速度在200 nm/min以上。对于新型量子器件制造，该技术成功将单层石墨烯的刻蚀边缘粗糙度控制在0.5 nm以内，为量子点阵列等纳米结构加工提供了新范式。

未来研究方向包括：（1）开发多频段偏置系统以平衡各向异性与刻蚀速率；（2）建立CFx自由基浓度与电子温度的动态模型，实现工艺参数的智能调控；（3）拓展至氧化物基材料（如HfO2）的刻蚀应用。本研究证实，通过精确控制电子温度，可在保持损伤阈值的条件下实现亚微米级各向异性刻蚀，这为后摩尔时代的高性能器件制造开辟了新路径。