钨膜与二氧化钛薄膜间可控气隙形成的亚表面原子层刻蚀技术研究

这篇研究揭示了通过原子层沉积(ALD)和化学气相刻蚀(CVE)的协同作用，在250-270°C条件下实现钨(W)薄膜沉积与二氧化钛(TiO2)亚表面刻蚀的同步过程。创新性提出WF6/BCl3原子层刻蚀(ALE)技术可在覆盖20 nm钨膜的TiO2阵列中形成精确可控的三维气隙结构，为集成电路低介电常数(k)绝缘层制备提供了新范式。研究通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(STEM)证实了反应物在钨膜中的扩散机制，并发现MoF6同样具有亚表面刻蚀能力。

　　

亚表面原子层刻蚀技术的突破性发现

研究团队通过创新的原子层沉积(ALD)与刻蚀技术，在纳米尺度上实现了钨(W)薄膜与二氧化钛(TiO₂)基底间可控气隙的精确构筑。这一发现为集成电路中寄生电容的降低提供了全新解决方案。

化学气相刻蚀(CVE)与原子层刻蚀(ALE)的协同机制

实验证明，当采用SiH₄/WF₆在250°C进行W原子层沉积时，会同步引发TiO₂层的自发化学气相刻蚀。通过精确控制WF₆或MoF₆的刻蚀循环次数，可在覆盖20 nm钨膜的TiO₂图案上实现垂直和横向刻蚀，形成自支撑的钨膜结构。

扫描电镜(SEM)图像清晰显示，经过30个W ALD循环后，初始95 nm的TiO₂层厚度减少至55 nm，同时形成35 nm的钨膜。后续的WF₆/BCl₃原子层刻蚀(ALE)循环可进一步精确控制气隙尺寸，每增加10个ALE循环可使气隙扩大约5 nm。

反应物扩散的分子机制研究

研究揭示了两种可能的扩散机制：WF₆分子直接穿透钨膜，或先在表面解离为氟原子再扩散。能量色散X射线光谱(EDS)分析显示，使用MoF₆刻蚀时，钼元素会同时出现在钨膜外表面和TiO₂近表面区域，这为理解亚表面反应提供了重要线索。

多层气隙结构的创新构筑

通过交替进行W ALD和TiO₂ ALE处理，研究团队成功制备了包含两层自支撑钨膜和两个独立气隙的复杂结构。STEM图像显示，这种结构中的气隙尺寸可精确控制在25-50 nm范围内，为三维集成电路的绝缘设计提供了新思路。

材料选择性的重要发现

对比实验表明，虽然W ALD可在已有钨膜下继续沉积，但Al₂O₃ ALD、SiOC-H分子层沉积(MLD)和聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)化学气相沉积(CVD)等工艺均无法在覆盖层下形成薄膜，这凸显了材料选择在亚表面反应中的关键作用。

这项研究不仅阐明了挥发性刻蚀前驱体在ALD钨膜中的传输机制，更为可控气隙的形成提供了新方法，对下一代集成电路的低功耗设计具有重要意义。