钨电极材料对高深宽比SiO2刻蚀特性的影响及电荷调控机制研究

为解决高深宽比SiO2刻蚀中因侧壁聚合物沉积不均导致的图案扭曲问题，研究人员采用钨（W）替代传统硅（Si）作为喷淋头电极材料，结合直流偏压技术，探究了电极材料对刻蚀选择性和电荷调控的影响。结果表明，W电极通过掺入导电性元素显著改善了电荷积累问题，为CCP（电容耦合等离子体）刻蚀工艺提供了新思路。

　　

在半导体制造迈向纳米级工艺的进程中，高深宽比（High Aspect Ratio, HAR）刻蚀技术成为突破集成度瓶颈的关键。尤其是动态随机存取存储器（DRAM）和3D NAND器件中，要求SiO₂结构的刻蚀深度与孔径比超过50，但传统氟碳气体（如C₄F₈/C₄F₆）工艺中，侧壁聚合物沉积不均会导致离子倾斜和电荷积累，引发图案扭曲（pattern twisting）和刻蚀剖面畸变。尽管脉冲等离子体技术和WF₆添加剂被用于缓解问题，但电极材料本身的调控潜力尚未充分挖掘。

为此，来自韩国的研究团队在《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》发表论文，创新性地采用钨（W）替代传统硅（Si）喷淋头电极，结合直流偏压（DC-bias）技术，系统研究了电极材料对SiO₂刻蚀特性的影响。团队使用200 mm双频电容耦合等离子体（DF-CCP）刻蚀机，对比了Si和W电极在Ar/C₄F₈/C₄F₆等离子体环境下的刻蚀速率、选择性和剖面形貌，并通过表面分析揭示了W掺入聚合物层的电荷耗散机制。

关键技术方法
研究采用60 MHz/2 MHz双频射频电源调控等离子体密度，通过直流偏压（-500至-1500 V）激发电极材料溅射；利用120 nm非晶碳层（ACL）掩模图案化SiO_{2>基板，结合扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析刻蚀剖面和聚合物成分。}

研究结果

1. 刻蚀速率与选择性：W电极在-1500 V偏压下，SiO₂刻蚀速率达400 nm/min，选择性（SiO₂/ACL）较Si电极提升20%，归因于W溅射促进氟碳气体解离。
2. 剖面形貌改善：W电极刻蚀的孔结构侧壁垂直度提高80%，扭曲率降低至Si电极的1/3，XPS证实W-F键合增强了聚合物导电性。
3. 电荷调控机制：W掺入聚合物形成电荷耗散路径，中和了SiO₂侧壁正电荷积累，避免了离子偏转导致的剖面畸变。

结论与意义
该研究首次揭示了电极材料化学性质对等离子体表面相互作用的调控作用：W电极通过双重机制——氟原子清除（形成W-F_x）和导电聚合物生成——协同解决了高深宽比刻蚀中的电荷难题。这一发现为3D NAND和DRAM的工艺优化提供了新范式，未来可通过设计复合电极材料进一步优化刻蚀均匀性。研究由韩国产业通商资源部（MOTIE）资助，体现了产学研协同创新的价值。