电子不是离子为纳米级半导体器件

作者:PVA TePla America

提供了优越的等离子刻蚀

加速的电子波,而不是离子,轻轻地带走原子,以获得更好的蚀刻效果和原子级光滑的表面

在半导体制造中,传统的干法蚀刻方法是利用射频等离子体以正离子轰击晶圆表面,以去除掩蔽层之间的物质。

虽然离子刻蚀已经有效使用了几十年,但是它无法产生下一代器件所需的精确、锐利、纳米尺寸的结构和路径。这个过程也会产生大量的热量,这些热量会破坏底层的材料层,对于像氮化镓或SiC这样的复合半导体材料来说,它会改变表面原子比。

现在,一个违背既定的传统蚀刻观点的进展,VelvETch和PVA TePla America已经将一种新的系统商业化,新系统使用的方法称为电子增强材料处理(EEMP)方法,利用电子而不是离子的力量,在纳米级更精确地去除材料。

在EEMP中,精确控制的电子波在特定的电压下被加速到材料表面,产生释放表面原子键的化学反应,使样品表面的材料被轻轻带走。电子的全面浸没,使得被加工件(如晶圆)能够以与射频等离子体刻蚀相媲美的蚀刻速率完成加工。

EEMP很灵活,可以精确控制各种因素来蚀刻任何材料,包括薄纳米层和量子阱结构。EEMP还可以进行微调和控制,以实现原子级光滑的表面,从而使制造量子计算器件成为可能。

EEMP在当前由氮化镓、砷化镓和碳化硅制成的宽禁带化合物半导体方面有着独特的应用。

电子蚀刻

据Samir Anz称,他几十年来一直听到“电子不会蚀刻”的说法,“但事实远非如此。

开发EEMP技术的VelvETch公司联合创始人Anz表示:“这不是电子束扫描技术,我们之所以强调这一点,是因为当人们听到‘电子’的时候,他们会想到‘电子束’。这是一种全面的浸入式技术。整个半导体晶圆或基板在所有点被同时进行加工。”

由于与商业蚀刻中使用的离子相比,电子的质量相对较小,因此通常不认为电子是轰击蚀刻的可行选择。

Anz表示:“没有人相信电子能以正常的离子速率蚀刻材料,因为一个电子甚至比一个质子还要轻2 000倍。人们认为,加速电子不会有足够的动量来引发反应。”

然而,加州理工学院的化学与材料反应理论专家,化学、材料科学和应用物理教授William A. Goddard III解释到,在EEMP中,驱动蚀刻的不是冲击力,而是由表面化学键上的电子丢失引起的化学反应,导致表面原子被轻轻释放。

Goddard解释表示:“我们开发了一种利用量子力学研究这一过程的方法,并发现在放电过程中,具有适当能量的电子可以移除深埋在原子内部的一个电子,而原子中的一个电子又被一个键中的一个电子填满,同时将另一个电子从键中敲出。当一个键失去两个电子时,它就会断裂。这叫做俄歇现象(发音像Ojai)。由于俄歇过程只发生在表面,EEMP会产生极其光滑的表面。”

经过几十年的研发,EEMP已经由VelvETch公司商业化,EEMP是在PVA TePla美国公司提供的一个联合设计的先进等离子体系统平台上进行的,利用一种专有的偏压波形信号将电子拉到被处理的表面。

Anz解释表示:“偏压波形应用于样品的整个表面,这是加速电子波向样品整个表面移动的机制。”

由于电子的质量很小,对表面没有冲击损伤,化学反应只产生标称热,因此样品保持在室温。

该工艺非常灵活,允许EEMP用于各种应用和材料。为了实现特定的独特结果,可以操纵和调整变量,包括腔体中使用的气体、放电中的电子能量(基于要蚀刻的材料)和温度。

等离子体刻蚀

EEMP与半导体工业中使用的传统干法刻蚀技术形成了鲜明的对比,例如使用射频等离子体的反应离子蚀刻技术。

在传统的方法中,等离子体是通过应用射频信号(通常为13.56 MHz)来产生的,该信号会使引入室内的气体的原子或分子温度升高,直到它们电离成等离子体。晶圆下方的一个单独控制的射频信号将正离子拉下,在材料表面进行虚拟的“原子喷砂”。

由于反应离子的垂直传输,射频等离子体刻蚀可以产生各向异性刻蚀,有助于制造出相对锐角、平坦表面和深腔。

然而,Goddard教授解释表示:“当能量超过1 000 V的离子撞击表面时,即使在最好的情况下,也会自动造成几纳米的损伤。这带来了重大问题,因为晶体管被缩小到10纳米甚至更小。此外,离子以足够的力量冲击表面以刻蚀,可嵌入数层深,造成电子损伤和背散射。”

此外,离子刻蚀在掩蔽层下面产生小的咬边,形成侧壁倾斜的空腔。即使是每边半纳米的咬边,也会占到10纳米晶体管宽度的10%,从而导致错误的功能。

对硅而言,反应离子蚀刻造成的轻微损伤并不是一个关键问题,但离子轰击损伤会对化合物半导体(如碳化硅、氮化镓和砷化镓)造成严重问题,因为这些离子对各种元素的影响不同,导致表面原子比不正确。

化合物半导体材料

化合物半导体材料由一种以上的元素组成。目前宽禁带化合物半导体包括氮化镓、砷化镓和碳化硅。

氮化镓对于晶体管在更高频率、电压和温度下工作非常重要,包括用于5G无线基站、卫星通信和军事雷达系统的微波功率放大器。

砷化镓允许更快的操作、更宽的带隙和更高的温度,而碳化硅被用于在高温和高压下工作的半导体电子器件。

反应离子刻蚀以不同的速率去除不同的元素,从而改变了化合物半导体元素的表面化学计量比或比率。

VelvETch的联合创始人Stewart Sando解释表示:“对于氮化镓,离子蚀刻比镓更快地去除氮,导致其表面富含镓,电性能较差。”因此,为了消除多余的镓,晶圆经常浸泡在湿化学中以恢复表面元素的适当比例,这很难适用于新一代纳米级器件。

EEMP通过小心地控制放电中电子的能量来保持化合物半导体的化学计量。

EEMP的这一优点也适用于量子阱结构,它将一种半导体的薄层夹在另一种具有更宽带隙的半导体材料的两层之间。例如,将电子限制在镓砷化物区域的铝镓砷化物,以及铟镓砷化物和砷化镓。

量子阱广泛应用于激光二极管、发光二极管、高电子迁移率晶体管、红外探测器和红外成像阵列等领域。

Sando解释表示:“通过控制电子能量,我们可以针对特定材料蚀刻,当我们碰到另一种材料时,它会自动停止,而不会对底层材料造成任何损害。”

额外的好处

EEMP的另一个好处是,由于该过程的性质,它可以从现有的峰值开始,一层一层地去除原子,从而实现原子级光滑的表面。

Sando表示:“如果表面有任何粗糙度,即使是在原子层面上,EEMP将使其平滑到原子光滑度的一个晶格常数内,这在硅中小于0.25纳米。”

在量子计算中,为了获得最佳的性能,需要原子级光滑的表面。EEMP还可用于在使用分子束外延或化学气相沉积在表面上生长另一种材料之前,使表面光滑。

Sando表示:“当氮化镓生长在碳化硅上用于高频、大功率应用时,碳化硅必须是完美的。否则,它的缺陷将传播到氮化镓晶格中,降低电性能。”

EEMP几乎不产生热量是另一个重要的好处。射频离子刻蚀产生的高温会对复合半导体和集成电路造成物理和电气损伤。温度太高了,冷却必须集成到大多数等离子刻蚀设备中。

过热会破坏非常薄的10~20纳米量子阱层,甚至会改变现代低K介质材料的电学性质和结构完整性。

VelvETch的Anz解释表示:“材料越热,不希望发生的反应就越多。因此,我们希望通过保持低温来抑制热化学途径和寄生过程。”

在EEMP中,化学反应产生的热量很小。Anz认为,这有助于这一过程的宽动态范围。Anz解释表示:“这使我们能够利用温度作为一种额外的控制手段,而不是必须加以缓解的东西。”

工艺商业化

如今,Anz表示,通过与行业领先企业PVA TePla(一家设计和制造等离子系统的公司)合作,等离子室可用于EEMP和合约加工服务。

除了重新编写关于蚀刻的书,VelvETch和PVA TePla决定利用“传统守旧”的方法来设计基于直流(DC)的等离子体系统,而不是RF,以产生所需的低温等离子体。

Anz解释表示:“使用直流等离子体,我们可以产生一个极富含低能电子的受控阳极区,我们的直流电抗器设计将为客户提供高水平的可靠性和正常运行时间。”

作者简介

PVA TePla America位于加利福尼亚州科罗纳市,是一家全球定制等离子设备供应商,用于半导体、电子产品和医疗器械市场,用于各种组件和材料的表面改性。他们还为客户提供内部研发和合约服务。

欲了解更多信息,访问www.pvateplaamerica.com

需要阅读更多内容,请点击“环球SMT与封装

上一篇:DATA I/O的新型PSV2800荣获最佳烧录奖

下一篇:创新的引线键合检测