名古屋大學低溫電漿科學研究中心的蕭世男特任教授、堀勝特任教授等人的研究團隊，在與臺灣明志科技大學合作，通過不使用鹵素的電漿工藝，全球首次成功實現了尖端半導體元件中鐵電記憶體及柵極絕緣膜所用氧化鉿（HfO₂）的各向異性原子層蝕刻。相關研究成果已發表在期刊《Small Science》上。
為實現半導體元件的高整合化與高性能化，電路圖案的微細化進程正在不斷推進，與之相應的新型材料及器件結構開發也在取得進展。近年來，在超精細電晶體中的尖端柵極絕緣膜及鐵電記憶體領域，HfO₂原子層蝕刻技術的研發已成為不可或缺的環節。然而，在使用鹵素系氣體的電漿蝕刻工藝中，因為生成的鉿的鹵化物揮發性較低，加之Hf與O的結合能較高，HfO₂被視作難蝕刻材料。
研究團隊採用低氣壓高密度電漿生成裝置，通過交替進行氮電漿照射與氧電漿照射，從而在室溫條件下實現了HfO₂的各向異性原子層蝕刻。
在開發的方法中，通過氮電漿照射，氮離子會將HfO₂膜表面的氧原子置換為氮原子，形成氮化鉿（HfN₄）表層。然後，經氧電漿照射，該表層在室溫下轉化為高揮發性反應產物並被去除。研究團隊利用基於即時紅外線吸收光譜法的表面分析裝置對這些反應進行觀察，明確了反應產物的結構，並構建了各步驟的反應模型。此外，通過將氮離子的能量控制在較低水平，得到了「表面粗糙度較原子層蝕刻（ALE）工藝處理前有所降低」的結果，證實該方法可實現低損傷ALE。
針對此前一直被視作難蝕刻材料的HfO₂，本研究確立了實用化的ALE工藝，這被認為將成為新一代半導體元件製造技術發展中極其重要的里程碑。此外，由於該方法不使用對環境有害的蝕刻氣體，也堪稱為環境友好型工藝。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Small science
論文：Halogen-Free Anisotropic Atomic-Layer Etching of HfO₂ at Room Temperature
DOI：10.1002/smsc.202500251
