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摘要
本文使用原子力显微镜分析了使用六氟化硫、四氟化碳、氯气和氢溴酸化学方法在高密度等离子体中腐蚀压力、射频功率条件下c-Si100表面产生的粗糙度。本文明确地证明，高密度等离子体在硅蚀刻过程中不会产生粗糙度；但相反，如果已经存在，它们倾向于光滑现有的表面粗糙度。利用二嵌段共聚物作为蚀刻掩模，分析硅晶片上自组织硅纳米柱形状的时间演化，证明了这一点。20nm高，20nm宽的10nm柱通过暴露于氯气和六氟化硫等离子体迅速平滑，从而恢复平坦的硅表面。在高密度等离子体中，局部蚀刻速率通常受到反应自由基可用性的限制。在这些条件下，平滑机制是由于粗糙表面的山丘比山谷接收到更高的蚀刻自由基通量。最后，本文指出，在硅基等离子体中，硅表面的粗糙化，经常在文献中报道，只是由于由al2o3反应器壁溅射产生的AlFx粒子对硅的微溅蔽。在氟基等离子体中蚀刻后，表面确实检测到很高比例的铝。然而，当在硅蚀刻过程之前，腔室壁被有意地被碳层覆盖时，氟基等离子体的表现与其他研究的蚀刻化学物质一样，它们能迅速平滑任何现有的粗糙度。
介绍
在通过等离子体工艺蚀刻薄膜的过程中，薄膜中产生的粗糙度对于所制造的器件的正确操作可能是一个严重的问题。对于硅蚀刻，这对于集成电路集成电路制造、微光学、微传感器或更一般的微机电系统微机电系统制造是正确的。在集成电路制造中，硅栅极必须被选择性地蚀刻成超薄栅极氧化物。随着集成电路的尺寸随着每一代产品而缩小，被蚀刻的层的厚度也减小，并且最终将变得与等离子蚀刻工艺产生的粗糙度相当， 在几十纳米均方根值的范围内。这预计会导致严重的选择性问题，特别是对于高k电介质上的金属栅极蚀刻工艺，其中必须蚀刻非常薄的硅和金属层来图案化栅极叠层。
微机电系统制造的另一个例子是微机电系统的制造，其中在硅蚀刻过程中产生的粗糙度可能对器件的正确操作有一些影响。
实验装置和表面诊断
本研究中使用的样品是经过化学机械平面化处理的200纳米直径的硅100晶片，电阻率1cm 1.17这一过程产生了均方根粗糙度约为0.15纳米的光滑参考表面。然而，晶片表面的天然氧化物必须在暴露于等离子体之前去除，以防止由于该氧化物的不均匀去除而形成粗糙。我们选择用暴露在CF4等离子体中4秒的时间来蚀刻天然氧化物。初步测量表明，初始表面形貌不受CF4等离子体的影响。此外，当通过CF4等离子体或通过在HF浴中湿法脱氧来去除天然氧化物层时，获得了类似的结果。因此，在CF4穿透步骤之后涂覆在硅晶片上的薄的残留碳氟化合物膜不会影响在随后的蚀刻步骤中产生的粗糙度，而是被快速蚀刻掉。
结果和讨论
在本节中，我们研究等离子体蚀刻工艺的平滑特性。这是通过暴露自组织硅纳米柱来实现的，低压Cl2等离子体或高压SF6等离子体的明确粗糙度。这对应于由表面Cl2等离子体的高能离子轰击或由反应性氟原子SF6等离子体的快速化学蚀刻驱动的蚀刻条件，分别导致各向异性和各向同性蚀刻轮廓。硅纳米柱阵列通过使用由二嵌段共聚物制成的自组织掩模在碳硅样品上形成图案。共聚物沉积在碳硅晶片顶部涂覆的10纳米厚的二氧化硅层上。共聚物的一个相的湿法选择性去除导致在聚苯乙烯聚苯乙烯基质中形成由10纳米分隔的20纳米直径的孔阵列。然后进行铂剥离，以在二氧化硅表面上限定硬铂掩模。
图1显示了参考表面的原子力显微镜图像及其作为暴露于Cl2蚀刻等离子体时间的函数的变化。
图4和图5显示初始表面的周期性结构仅在10 s的蚀刻后被破坏。这与众所周知的事实非常一致，即在氟基等离子体中的ARDE效应比在氯基等离子体中的大得多，因为氟原子对硅的反应性更高28个氟原子与特征侧壁反应，导致各向同性蚀刻轮廓和到达特征底部的氟原子通量的减少。因此，在基于F的等离子体中，柱的顶部和侧壁被快速蚀刻掉，导致柱结构在不到5 s内被破坏。
总之，在高密度低压等离子体中，局部蚀刻速率主要由到达表面的中性反应物的通量驱动.离子与中性通量之比高，并且表面上存在的粗糙度被快速平滑，因为撞击到谷上的活性自由基的通量小于它们在山上的通量。因此，高密度等离子体蚀刻工艺不会在最初平坦的表面上产生粗糙度，而会使最初粗糙的表面变得光滑。
图5 从图2的原子力显微镜图像计算的PSD行为对蚀刻时间的对数-对数图
图9 在60毫托250瓦射频感应功率和120瓦射频偏置功率下，均方根粗糙度随SF6等离子体蚀刻时间的变化
结论
本文已经表明，在高密度等离子体中的硅蚀刻工艺不会产生粗糙度，但实际上会使预先存在的粗糙度变得平滑，除非寄生的非挥发性物质从室壁上溅射并重新沉积在硅表面上，从而形成微掩模。因此，这种生长不稳定性是一种“假象”，不是由于高能离子和活性自由基对表面的影响，而是由于杂质的存在。当使用氟基等离子体蚀刻含铝反应器壁中的硅时就是这种情况。然而，当实现反应器的正确调节以保护Al2O3部分不暴露于氟原子时，硅的等离子体蚀刻在所研究的所有蚀刻条件下都没有粗糙度和金属污染。
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