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等离子体刻蚀建模中的电子碰撞截面数据

Electron collision cross section data in plasma etching modeling

陈锦峰，朱林繁

物理学报, 2024, 73 (9): 095201.

doi: 10.7498/aps.73.20231598

文章导读

半导体芯片是信息时代的基石，诸如大数据、机器学习、人工智能等新兴技术领域的快速发展离不开源自芯片层面的算力支撑。在越来越高的算力需求的驱动下，芯片工艺不断追求更高的集成度与更小的器件体积。时至今日，芯片先进制程已经发展到了2 nm级别。作为芯片制造工序的关键环节，刻蚀工艺因此面临巨大的挑战。刻蚀是指在晶圆表面按特定方式去除氧化膜等材料，将电路图刻入晶圆表面的技术。因此，刻蚀工艺对集成电路的制造至关重要——刻蚀图案的精细程度直接影响集成电路器件的尺寸和性能，刻蚀速率、选择性、关键尺寸、均匀性等也是半导体产业所追求的关键指标。

干法刻蚀技术具有各向异性的特点，是刻蚀高精细电路图案的首选工艺。干法刻蚀使用低温等离子体作为刻蚀剂，因此又被称为等离子体刻蚀。在刻蚀过程中，低温等离子体中的正离子沿纵向轰击基底，在物理溅射刻蚀的同时大幅度增加等离子体中的活性自由基与刻槽底面的化学反应速率，有利于形成与基底垂直的刻槽结构。干法刻蚀技术的产生与发展，对深刻理解刻蚀用等离子体中发生的基本物理化学过程提出了新的要求。由于低温等离子体中的物理化学反应（特别是电子与原子分子的碰撞过程）是驱动刻蚀进程的内在动力，因此充分认识相关反应过程，是增强刻蚀系统的可控性、优化系统输入参数、提高刻蚀质量的必要前提。这种认识体现在定量的数值模拟上，就是建立一个准确且完备的数据库，为模型提供可靠的输入参数。

目前，借助等离子体建模仿真，人们已经能够在很大程度上缩小实验探索的范围，在海量的参数中找到最优的刻蚀工艺条件。电子碰撞截面是等离子体刻蚀模型的关键输入参数，深刻影响着模型预测结果的可靠性。本综述介绍了低温等离子体建模的基本理论，重点强调电子碰撞截面数据在动理学模型、流体动力学模型、混合模型与全局模型中的重要作用。同时，本文还介绍了常用刻蚀气体与建模所需的截面数据类型，并概述了获取刻蚀气体截面数据的理论与实验方法，包括计算电子碰撞的弹性、激发、电离等截面的从头算或半经验方法，获取截面数据的电子群实验和电子束散射实验以及最近发展起来的非共振非弹性X射线散射实验。高精度的实验数据常常被用作基准数据来与计算结果对比，以验证理论模型与计算代码的可靠性，并给出经交叉检验的可靠数据，满足刻蚀工艺建模的需求。最后，本文总结了刻蚀相关原子分子的电子碰撞截面研究现状，指出了建立一个完备数据库面临的困难，并展望了未来的研究前景。

图1 (a) 以 CHF₃ 为原料气体的电感耦合等离子体刻蚀腔室；(b) 表面刻蚀部分；(c) 等离子体内部以及晶圆表面发生的主要物理化学过程

作者简介

朱林繁

中国科学技术大学教授，博士生导师。

1999年毕业于中国科学技术大学近代物理系，获学士和博士学位。长期从事电子能量损失谱学的研究工作，在国际上首次把基于第三代同步辐射的高分辨非弹性X射线散射技术拓展到原子分子物理领域，近年来在国内率先开展了X射线波段量子光学研究。在原子分子动力学参数、X射线波段腔量子光学等方面做出了有特色的工作。主持国家自然科学基金重点项目、面上项目等课题多项，发表SCI论文150余篇，编写《原子物理学》教科书一部，入选“安徽省教学名师”。