名古屋大学低温等离子体科学研究中心的萧世男特任教授、堀胜特任教授等人的研究团队，在与台湾明志科技大学合作，通过不使用卤素的等离子体工艺，全球首次成功实现了尖端半导体器件中铁电存储器及栅极绝缘膜所用氧化铪（HfO₂）的各向异性原子层刻蚀。相关研究成果已发表在期刊《Small Science》上。
为实现半导体器件的高集成化与高性能化，电路图案的微细化进程正在不断推进，与之相应的新型材料及器件结构开发也在取得进展。近年来，在超精细晶体管中的尖端栅极绝缘膜及铁电存储器领域，HfO₂原子层刻蚀技术的研发已成为不可或缺的环节。然而，在使用卤素系气体的等离子体刻蚀工艺中，因为生成的铪的卤化物挥发性较低，加之Hf与O的结合能较高，HfO₂被视作难刻蚀材料。
研究团队采用低压高密度等离子体生成装置，通过交替进行氮等离子体照射与氧等离子体照射，从而在室温条件下实现了HfO₂的各向异性原子层刻蚀。
在开发的方法中，通过氮等离子体照射，氮离子会将HfO₂膜表面的氧原子置换为氮原子，形成氮化铪（HfN₄）表面层。然后，经氧等离子体照射，该表面层在室温下转化为高挥发性反应产物并被去除。研究团队利用基于实时红外吸收光谱法的表面分析装置对这些反应进行观察，明确了反应产物的结构，并构建了各步骤的反应模型。此外，通过将氮离子的能量控制在较低水平，得到了“表面粗糙度较原子层刻蚀（ALE）工艺处理前有所降低”的结果，证实该方法可实现低损伤ALE。
针对此前一直被视作难刻蚀材料的HfO₂，本研究确立了实用化的ALE工艺，这被认为将成为新一代半导体器件制造技术发展中极其重要的里程碑。此外，由于该方法不使用对环境有害的刻蚀气体，也堪称为环境友好型工艺。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Small science
论文：Halogen-Free Anisotropic Atomic-Layer Etching of HfO₂ at Room Temperature
DOI：10.1002/smsc.202500251
