日本研发新蚀刻方法，使半导体集成电路具有更高性能和更低功耗

在电路中，蚀刻用于通过选择性化学反应去除金属部件研磨和抛光过程中产生的变形层。现在，日本名古屋大学的一个研究小组开发了一种称为“湿式等离子体蚀刻”的新方法，该方法结合了湿法蚀刻的选择性和干法蚀刻的可控性。

该技术将使蚀刻新的和难以蚀刻的材料成为可能，从而使智能手机和数据中心中使用的硅半导体集成电路具有更高的性能和更低的功耗。研究人员的研究结果发表在《科学报告》杂志上。

在为计算设备创建最快、最节能电路的竞赛中，科学家们一直在寻找新的晶体管设计。最近，从FinFET型晶体管（之所以如此称呼，是因为栅极像鲨鱼鳍一样高于硅平面，转向栅极全能晶体管，其中鳍片被一堆看起来像佛寺宝塔的水平片所取代。在这种类型中，片材围绕通道以减少泄漏并增加驱动电流。

为了制造这些复杂的结构，由钛（Ti）和铝（Al）组成的金属碳化物，例如TiC或TiAlC，被用作施加电压的金属栅极。TiAlC是一种三元材料，具有高硬度、高耐磨性、高熔点和优异的电化学性能。

有两种方法可以蚀刻此类材料。湿法蚀刻使用化学溶液，而干法蚀刻使用气体。传统上，半导体器件中使用的TiAlC薄膜是使用过氧化氢液体混合物通过湿法蚀刻来蚀刻的。然而，这个过程需要很长的蚀刻时间才能完全去除目标金属。它还存在化学损坏金属门的风险。此外，所使用的液体会在原子水平上产生表面张力，破坏重要特征。

为了开发一种先进的蚀刻工艺，用于选择性地去除TiAlC而不是其他Ti化合物，已经测试了无卤素蚀刻作为一种可能的解决方案。目前，还没有对由这三种元素制成的金属碳化物进行无卤干法蚀刻工艺。

现在，由名古屋大学低温等离子体科学中心的Masaru Hori教授，Kenji Ishikawa教授和Thi-Thuy-Nga Nguyen教授领导的研究小组与日立株式会社和日立高新技术株式会社合作，开发了一种新的金属碳化物干法蚀刻方法。该方法使用氩气的浮线辅助蒸汽等离子体与氢氧化铵基混合物的蒸汽源在中压下混合。

在电路中，等离子体是通过向气体添加能量来产生的，因此额外的浮线可以增强高密度等离子体的产生。由于该过程从氢氧化铵气体（NH4OH），处理过的TiAlC表面经TiAlC膜表面改性后可去除。

“大气压等离子体和中压等离子体技术用于小型化设备尺寸、制造成本和能耗，”Ishikawa 解释说。“很难蚀刻掉涉及多种元素的化合物。因此，对表面改性的控制起着关键作用。

“我们的团队研究了使用各种自由基进行表面改性，并开发了一种使用浮线等离子体和蒸汽补充剂产生此类自由基的方法。这提供了丰富的 NH、H 和 OH 自由基源，它们与 TiAlC 表面反应形成挥发性产物并蚀刻 TiAlC 表面。

“这种浮线辅助等离子体技术有望用于半导体器件制造中使用的金属和金属化合物的高度选择性蚀刻，”Ishikawa继续说道。“金属碳化物是用于先进硅半导体的有前途的栅极材料，我们的联合研究小组是世界上第一个在非硅半导体材料的化学干法刻蚀方面取得成功的小组。

“这一成就对于原子层级蚀刻技术的发展非常重要，这是迄今为止难以实现的。我们的结果代表了微细加工技术的一个重要里程碑和巨大的技术飞跃。