译自J. Vac. Sci. Technol. B 42, 041501 (2024); doi: 10.1116/6.0003579

随着存储器和逻辑领域工艺对于高深宽比的更高追求（>100），低温刻蚀工艺引起了人们的兴趣。这一种技术是指将被刻蚀基底冷却至低温（~-70°C）下进行刻蚀。

超低温基底的引入可以有效改善图形尺寸精度、选择性和蚀刻速率。制冷技术的进步使得现在只需通过制冷机即可达到较低的温度而无需使用液氮，这使得低温刻蚀技术的商业化前景更加广阔。

在3D-NAND闪存的制程中，低温工艺被用于深度蚀刻硅氧化物和氮化物层，这是目前这一技术最有希望工业化的一个方向。

低温刻蚀可用于不同方式和不同应用。图1展示了四种应用：

（a）低温蚀刻最初是为了通过冻结侧墙的化学反应来垂直蚀刻硅。

将氧气与六氟化硫（SF6）混合使用，低温下在槽侧壁上形成SiOxFy钝化层来阻挡侧向刻蚀，来实现高纵横比蚀刻。

该钝化层在低温下形成，在温度上升至室温时会自动挥发。研究表明，SiF4/O2等离子体可以显著增强SiOxFy钝化层的强度，因此，工艺中常常交替进行SiF4/O2等离子体沉积与SF6等离子体蚀刻。

（b）低温工艺也被用于蚀刻其他材料，包括多孔的低介电常数材料，如有机硅酸盐玻璃膜，而不会损坏侧壁的材料。

这里面的关键想法是通过冷凝气体（如C4F8）填充材料的孔隙，在非常低的温度下减少等离子体诱导损伤（PID）。后来，研究表明，在−55°C至 −35°C之间，较高沸点的有机物（如全氟四乙二醇C10F20O5）可以用于填充孔隙并保护材料免受等离子体损伤。

（c）低温蚀刻实现硅的纹理化。

在SF6/O2等离子体的标准低温蚀刻中，如果增加O2流量，表面会形成黑硅，能观察到在硅晶圆表面出现类似草状的结构，如图(c)所示。

在过度钝化的状态下会发生部分刻蚀，表面会出现微掩膜效应，从而在表面形成柱状微结构，这种结构会在垂直侧壁上启动钝化，促进自组织图案的垂直蚀刻。

这些纹理化的晶体硅表面对在太阳能电池方面具有广泛应用，可用于开发非常大的表面积。

（d）低温方法也可以用于原子层蚀刻（ALE）。

一些实验已在SiO2上进行。修饰步骤包括在SiO2表面上物理吸附C4F8分子，如图(d)所示。

然后，通过Ar离子轰击在表面形成CFx，与SiO2相互作用。

使用此技术，每个循环的蚀刻约为0.4纳米。由于没有沉积物形成在反应器壁上，因此该工艺非常稳定，从而避免了工艺漂移。

这些发展只是低温刻蚀工艺利用的例子。通过调节基板温度到较低的值，可以显著改变蚀刻速率和选择性。

这里的关键是低温下各种物质在表面的物理吸附。这种机制已在与SiF4/O2等离子体相互作用的硅和氮化硅的情况下得到验证。低温下表面上物质的扩散减少、物理吸附和较长的停留时间是开发新蚀刻工艺的重要优点。

也可用于3D-NAND闪存的高宽深比硅氧化物和氮化物堆叠层的刻蚀

工业界最近在高宽深比介质低温刻蚀方面取得了显著进展，该工艺发展专用于3D-NAND闪存的制程。在此类器件中，大量SiO2和Si3N4层交替堆叠（ONON），需要以低选择性进行蚀刻。

众所周知，SiO2可以通过氢氟酸溶液有效刻蚀。

一种涉及HF、H2O和PF3气体的等离子体工艺成功用于在低至-70°C的基板温度下刻蚀ONON 孔。

在低压下，H2O和HF分子非常易挥发。但HF和H2O分子的共吸附在低温下得到增强，并可在离子轰击下与SiO2和Si3N4反应。研究表明，含磷气体也可促进水的吸附，并降低氟化的能量。

SiO2和Si3N4的刻蚀速率随温度变化，如图2所示。

随着基板温度的降低，SiO2的蚀刻速率增加。当温度降至-70°C时，SiO2的蚀刻速率达到与Si3N4相同的值。

通过在等离子体混合物中添加PF3气体，两种材料的蚀刻速率都更高。

钝化层的生长可防止侧壁的横向蚀刻。使用这种工艺，成功刻蚀出直径为100纳米、深度为10微米的孔，这相当于超过400层的氧化物和氮化物。

与传统工艺相比，这种新工艺不使用高全球变暖潜力（GWP）的气体。此外，该工艺避免了掩膜缩颈现象，预计该新工艺将被用于大规模生产。

等离子体刻蚀设备可能需要一定地改造使之适合低温蚀刻。

晶圆表面的温度必须高度均匀。尤其表面实际温度的测量。表面温度在等离子体暴露下，特别是在高能离子流的作用下，可能会有显著变化，且难以测量。从节能和效率的角度来看，减少底座的热阻也非常关键，这些都需要进行持续改进。

尽管迄今为止关于金属材料低温蚀刻的研究甚少，但这种工艺也具有吸引力，特别是使用低温原子层蚀刻（cryo-ALE）工艺。

低温蚀刻为纳米制造提供了新的前景，并将在未来的发展中发挥重要作用。

更多「光电lightigo」精彩内容，欢迎点击「阅读原文」

超低温等离子体刻蚀-可实现常温下不能实现的工艺！看完觉得大有用处