一种名为MARORA的等离子体选择氧化装置

‍‍‍随着半导体器件的精细化，晶体管栅极的尺寸逐渐缩小或微小结构越来越复杂。蚀刻过程中，蚀刻损伤会在加工表面产生，因此需要进行“损伤修复”。

随着半导体器件的不断精细化，新材料的开发和制造方法的改进成为当前研究的重点。在此背景下，降低半导体器件制造过程中的温度需求变得尤为重要。此外，对于薄膜形成过程，开发在低温下形成高质量薄膜的技术也在快速推进。

（MARORA设备）

在本文中，将介绍一种名为“MARORA”的等离子体选择氧化装置，该装置专为处理金属栅极电极而设计。

选择氧化过程的技术挑战及对策

随着半导体器件的精细化，晶体管栅极的尺寸逐渐缩小，电极电阻逐渐增加。因此，在某些具有硅化物薄膜（相对于多晶硅而言是一种改进的电极材料）的器件中，开始采用钨等金属电极。在形成晶体管单元的过程中，从栅极电极的形成到栅绝缘膜的形成，蚀刻过程是连续进行的。在这个过程中，蚀刻损伤会在加工表面产生，因此需要进行“损伤修复氧化”。然而，金属电极容易被氧化，形成的绝缘膜电阻比金属电极高。因此，在损伤修复氧化过程中，需要选择性氧化技术来选择性地氧化硅而不氧化金属电极。

选择氧化技术面临的主要技术挑战包括：

1. 抑制“鸟嘴效应”（即抑制多晶硅电极边缘界面的氧化）

2. 修复蚀刻损伤

3. 确保金属电极与硅之间的选择性

然而，在传统的高温氧化处理过程中（即850°C以上），已知多晶硅电极的边缘界面会被氧化，导致栅氧化膜变厚，从而恶化半导体器件的特性。

（使用氧气和氢气，氧化Si还原W）

选择性氧化

比如修复栅极的蚀刻损伤，为了在不氧化金属电极的情况下氧化硅表面，利用了氢气的还原功能。工艺气体是含有氢气的混合气体，同时发生氧化和还原反应。要实现选择性氧化，需要在硅上使氧化反应占主导地位，而在金属上使还原反应占主导地位。这些条件会根据除气体比例外的其他工艺条件（如射频功率和温度）而变化，因此必须通过实验理解并优化工艺窗口。

(表面氮化)

表面氮化

一些高升宽比的多层材料刻蚀中，由于每层材料不一样，比如下图，有金属钨，多晶硅，氮化硅等叠层高升宽比柱。这时通过一道刻蚀会对不同材料有着不同损伤。为了修复这些损伤，可以使用NH3等离子氮化，从而加固和修复这些表面，提升芯片的结构的强度。

参考文献：

“MARORA” — A Plasma Selective-oxidation Apparatus for Metal-gate Devices