米乐m6中国官方网站 评估半导体微加工损伤

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）电子光学基础技术研究部高级首席研究员布村翔太与名古屋大学低温等离子体科学研究中心合作，成功定量评估了导致半导体器件劣化的微加工损伤。

半导体芯片是通过超精细加工与半导体元件高度集成的，适合海量信息的高速运算处理，因此广泛应用于云服务器等信息处理设备。那里使用的硅晶体管通过使元件结构小型化来提高性能，但用于微加工等离子处理存在一个问题，即工艺造成的晶体管内部损坏会降低器件性能。由于等离子体损伤是通过多种机制发生的，因此修复损伤的方法尚未完全建立。这次，我们利用硅太阳能电池研发领域广泛使用的方法，成功地轻松快速地定量评估了硅表面附近的损伤量。

未来我们将开发等离子体损伤抑制技术和完整修复技术，为提高半导体芯片的性能和可靠性做出贡献。该技术的详细信息将于 2024 年 7 月 27 日公布。应用表面科学

半导体芯片适合高速处理大量信息，因此广泛应用于信息处理设备，从智能手机和计算机等个人设备到云服务器等大规模基础设施。在这种情况下，随着物联网和生成式人工智能等数字社会的进步，需要提高半导体芯片的性能和可靠性，以便以更高的速度和更低的功耗处理信息。

为了提高器件性能，硅晶体管的结构变得越来越精细。然而，采用等离子体处理工艺来形成微结构，在此过程中晶体管内部发生的等离子体损伤对器件性能产生重大影响并降低可靠性。迄今为止，等离子体损伤发生机制的许多方面尚未阐明，损伤修复也不够充分。

AIST旨在提高半导体器件研发的性能和可靠性，并开发了评估半导体器件损坏程度的技术。这次，我们将该技术应用于广泛用于微细加工的等离子体处理工艺，并成功地对导致半导体器件劣化的损伤量进行了简单的定量评估。我们还对造成损害的因素进行了分类，并获得了预防损害的指南。

这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金“通过等离子体退火阐明半导体材料缺陷修复机制（2023-2025 财年）”的支持。此外，这项研究和开发正在名古屋大学低温等离子体科学研究中心作为联合使用/研究项目进行。

本研究的重点是对硅晶片上形成的氧化硅膜（这是最简单的结构模型）进行等离子体处理，以定量评估导致晶体管元件性能劣化的损坏量。图1(a)显示了用于等离子体处理的实验设备的示意图。真空容器中的四氟化碳（CF₄) 通过产生等离子体放置在电极上的氧化硅膜 (SiO₂) 已处理。图 1(b) 显示了加工过程中的等离子体发射光谱。从发射光谱来看，氟碳活性物质（CF₃) 和氟活性物质 (F) 的存在可见。背景还表明光子的存在，并且可以看出它们的能量分布广泛。此外，用于处理的等离子体处于电离状态，并且含有氟碳离子(CF₃⁺)等也存在。加工时的等离子体中含有活性种、离子、光子等多种粒子，这些粒子与氧化膜表面的硅原子(Si)、氧原子(O)发生反应，从而实现加工。

在这项研究中，为了对硅表面附近造成损伤的因素进行分类，我们进行了一项改变加工后氧化膜厚度（剩余膜厚度）的实验。为了定量评估损坏情况，职业生涯广泛应用于硅太阳能电池研发领域测量载流子寿命准稳态光电导测量方法被采纳了。使用这种测量方法，可以在短时间内轻松评估硅表面附近的损伤。载体寿命因损坏发生而缩短，因损坏修复而延长。

图2(a)显示等离子体处理后载流子寿命的变化。纵轴表示载体寿命，横轴表示残留膜的厚度。随着残留膜变薄，载流子寿命降低，表明硅表面附近发生更多损伤。

当加工氧化膜所需的活性物质、离子和光子与氧化膜表面碰撞并发生各种反应时，就会发生这种加工损伤。图3显示了损伤形成因素的分类。大部分光子穿过氧化膜并在硅表面附近被吸收。当该光子被吸收时，弱原子键被破坏并被检测为损坏。光子穿过氧化膜的概率很高，因此当氧化膜较厚时，光子是硅表面附近形成损伤的主要原因（图3（a））。

另一方面，离子和活性物质在晶片上的入射能量不同，因此对氧化膜的渗透深度存在差异。例如，CF₃⁺离子进入氧化膜的穿透长度约为几个纳米，CF₃活性物质大约有几个原子层。由于这种差异，当剩余的薄膜很薄（大约几纳米）时，离子会到达硅表面附近并造成损坏（图3（b））。由于活性物质进入氧化膜受到限制，因此它们只会在氧化膜工艺结束时损坏硅表面（图 3(c)）。 CF₃⁺离子和CF₃活性物质是氧化膜和硅的杂质，因此它们的掺入可被视为损害。因此，损伤被认为是在加工开始时由光子形成的，然后随着加工的进行由离子和活性物质形成。

接下来，为了修复损伤，氢 (H₂) 我们在气体气氛中对处理后的晶圆进行热处理，并测量载流子寿命的变化（图2（b））。结果发现，经过热处理后，载体寿命更长，并且损伤得到修复。这种修复是由于热处理过程中原子的重排和氢键的修复所致（图3（d））。实验数据表明，损伤修复很大程度上取决于热处理温度和剩余薄膜的厚度。观察到，当残膜较厚时，在300℃的热处理温度下，损伤几乎完全修复，但当温度升高到400℃时，载流子寿命反而缩短。另一方面，当残留膜很薄时，载流子寿命随着温度的升高而恢复，但即使温度升至400℃，损坏仍然存在。基于这些结果，我们发现，为了修复损伤，存在最佳的热处理温度，并且当硅上的膜很薄（大约10 nm或更小）时，减少来自离子和活性物质的杂质很重要。

将来，我们将利用从等离子体技术微加工这一成就中获得的知识来开发减少离子和活性物质造成的损害的技术。例如，我们将研究和开发等离子体处理过程中降低离子能量的技术和控制活性物质反应性的技术。

此外，为了将来为各种半导体芯片的更高性能和更高可靠性做出贡献，我们的目标是开发防止半导体元件加工损坏并完全修复损坏的技术。

已出版的杂志：应用表面科学
论文标题：自由基、离子和光子对 SiO2 缺陷生成的影响₂/等离子蚀刻期间的Si界面
作者：Shota Nunomura、Takayoshi Tsutsumi、Noriharu Takada、Masanaga Fukasawa、Masaru Hori
DOI：https://doiorg/101016/japsusc2024160764

晶体管

安装在半导体芯片上的核心元件之一。它由源极、沟道、漏极和栅极组成，源极和漏极之间的沟道电流由栅极电压控制。[返回来源]

等离子处理

使用等离子体的硅晶片微加工技术。也称为等离子蚀刻。在等离子体中，电子与原子和分子碰撞，通过电子交换，原子和分子带电（电离）。此外，当电子与分子碰撞并破坏分子键时，形成活性种（自由基），其是高反应性粒子种。硅片的微细加工是通过活性物质与从等离子体飞到硅片表面的离子之间的化学反应以及物理冲击的协同效应来实现的。[返回来源]

职业生涯

硅含有称为电子和空穴的载流子。电子和空穴分别具有负电荷和正电荷状态，并且当它们相遇时重新结合。这种复合所需的时间称为载流子寿命。在受损区域，载体被捕获并重新组合。因此，如果载流子寿命短，硅片就会受到严重损坏。另一方面，由于损伤恢复，寿命变得更长。[返回来源]

准稳态光电导测量方法

一种无需接触即可轻松评估硅晶片光电导性的方法。具体而言，用脉冲光照射晶片以产生光激发载流子（电子和空穴）。从晶片的光电导率可以确定电子和空穴如何复合。一种广泛应用于硅太阳能电池领域的方法。[返回来源]