氩等离子体处理引发硅表面缺陷生成与非晶化的临界机制研究

本研究针对半导体制造中等离子体刻蚀引发的硅表面损伤问题，通过原位光电流测量和操作光谱椭偏技术，揭示了Ar+ 离子轰击下缺陷（如悬空键）生成与非晶化的动力学过程，提出临界离子剂量（≈2.6×1011 cm?2 ）是非晶化阈值，为原子层刻蚀（ALE）等低损伤工艺提供理论指导。

　　

研究背景

半导体制造中，等离子体刻蚀技术是FinFET和GAA-FET等先进器件成型的关键工艺，但伴随的硅表面损伤（如缺陷和非晶化）会严重影响器件性能。传统工艺通过调整蚀刻气体（如Cl₂
/HBr/Ar）和脉冲等离子体来抑制损伤，但原子级缺陷（如Si悬空键）和非晶化层的形成机制尚不明确。日本的研究团队聚焦Ar等离子体处理中硅表面改性过程，旨在揭示缺陷生成与修复的临界条件，为低损伤工艺开发提供理论依据。

技术方法

研究采用60 MHz甚高频（VHF）电容耦合放电产生Ar等离子体，通过原位实时光电流监测缺陷生成，结合操作光谱椭偏术（SE）表征非晶化层厚度与密度。实验覆盖10 μs至100 s的等离子体暴露时间，辅以透射电镜（TEM）、能量色散X射线谱（EDS）和二次离子质谱（SIMS）进行验证。

研究结果

放电和样品结构
实验采用平行板电容耦合装置，在0.3 Torr Ar气压下生成等离子体，自偏压未出现，确保离子能量可控。

光电流结果与缺陷生成/恢复
短时间暴露（T < 1 ms）下，缺陷（如悬空键）可经200°C退火完全修复；中等时间（1 ms < T < 100 ms）时修复受限；长时间（T > 100 ms）暴露导致非晶化层形成（厚度≈2 nm），Ar⁺
离子残留达10²⁰
cm^?3
，彻底抑制缺陷修复。

缺陷分类与非晶化
临界Ar⁺
离子剂量（≈2.6×10¹¹
cm^?2
）是非晶化触发点，此时纳米级非晶层阻碍缺陷恢复。

结论与意义

研究明确了Ar等离子体处理中硅表面损伤的阶段性特征：短时暴露可逆，而超过临界离子剂量后非晶化不可逆。这一发现为原子层刻蚀（ALE）等工艺的参数优化提供了直接依据，例如通过控制脉冲周期和离子能量避免非晶化。论文发表于《Applied Surface Science》，由Shota Nunomura团队完成，得到JSPS KAKENHI项目支持，对半导体器件的高精度制造具有重要指导价值。