Un proceso de grabado de capa atómica anisotrópica fácil para películas de HFO2 a temperatura ambiente sin usar productos químicos a base de halógenos. El proceso comprende un paso de nitrogenación superficial a través del bombardeo de iones N+, seguido de un tratamiento con plasma O2 para formar subproductos de grabado volátiles. Este enfoque permite la precisión de grabado a nivel subatómico mientras suaviza simultáneamente la superficie. Crédito: Shih-Nan Hsiao
El óxido de hafnio (HFO2) ha atraído la atención como un material prometedor para los semiconductores ultrafinados y otros dispositivos microelectrónicos. El fuerte enlace iónico entre los átomos de hafnio y oxígeno en HFO2 le da una alta constante dieléctrica, estabilidad térmica superior y una brecha de banda ancha.
En particular, estas propiedades se pueden mantener incluso a escala atómica. Mientras tanto, estas propiedades también plantean desafíos para lograr un grabado altamente preciso y suave de las películas HFO2.
Ahora, un grupo de investigadores de Japón y Taiwán ha grabado con éxito películas HFO2 con precisión, suavidad y uniformidad a nivel atómico sin el uso de gases basados en halógenos.
Los gases basados en halógenos, que contienen flúor y/o cloro, se usan comúnmente en los métodos de grabado de capa atómica (ALE) mejorada por plasma para HFO2 y la mayoría de los otros materiales. Sin embargo, estos gases pueden ser altamente tóxicos y pueden actuar como gases de efecto invernadero. Por lo tanto, eliminar su uso en los métodos de grabado también podría contribuir a la fabricación sostenible.
Este logro fue publicado en la revista Pequeña ciencia.
A medida que avanzan los dispositivos semiconductores, las dimensiones críticas de sus circuitos deben reducirse a solo unos pocos nanómetros. HFO2 es un fuerte candidato para aplicaciones en tales dispositivos semiconductores de próxima generación, incluidos los aisladores de compuerta ultrathina en transistores de emisión de campo basados en material 2D y dispositivos de memoria no volátiles avanzados.
El método ALE mejorado por plasma a menudo se usa para el grabado anisotrópico de HFO2. Este método utiliza especies energéticas, generalmente iones de baja energía, para proporcionar la energía necesaria para eliminar los átomos de la superficie de los materiales mediante la formación de productos volátiles.
“Los métodos de ALE con plasma convencionales para HFO2 generalmente dependen de una combinación de grabado físico y químico a través de gases basados en halógenos y un bombardeo de iones de alta energía para facilitar la eliminación de haluros no volátiles”, explicó Shih-Nan Hsiao, profesor de la Universidad de Nagoya y el autor principal del estudio.
“Sin embargo, los subproductos generados a través de la pulverización física a menudo tienen baja volatilidad, lo que hace que se adhieran a las paredes de la cámara y con las paredes laterales. Esto podría afectar el rendimiento de los dispositivos electrónicos”.
Para superar este inconveniente, un grupo de investigación dirigido por los profesores Hsiao y Masaru Hori del Centro de Ciencias de Plasma a baja temperatura en la Universidad de Nagoya en Japón colaboró con investigadores de la Universidad de Ming Chi en Taiwán. Su objetivo era desarrollar un nuevo método para grabar películas HFO2 que producirían superficies suaves y uniformes, junto con profundidades grabadas consistentes a través del grabado anisotrópico.
Los investigadores utilizaron un dispositivo de generación de plasma de alta presión y alta densidad para irradiar películas HFO2 con plasmas N2 y O2 alternativamente.
Durante el primer medio ciclo, los iones N+ bombardearon la superficie HFO2 con un voltaje de polarización aplicada, lo que condujo a la unión de nitrógeno con el HFO2. Posteriormente, las películas HFO2 se trataron con un plasma O2 sin un voltaje de polarización aplicada. Este procedimiento eliminó efectivamente la capa superficial unida a nitrógeno a través de una reacción autolimitada.
La aplicación de potencia de radiofrecuencia al electrodo inferior ajustó la energía del ion N+. Este ajuste condujo a una profundidad de grabado por ciclo entre 0.023 y 0.107 nm/ciclo.
Los investigadores también analizaron el mecanismo de reacción superficial subyacente utilizando técnicas in situ, específicamente atenuada reflexión total de espectroscopía infrarroja de transformación de Fourier y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.
Este análisis reveló una formación consistente de enlaces HF-N a través de un mecanismo de intercambio de ligando. Durante este proceso, los átomos de nitrógeno reemplazaron los átomos de oxígeno de la superficie cuando la muestra se expuso al plasma N2. Durante el siguiente medio ciclo con plasma O2, estos enlaces se descomponen en subproductos volátiles.
Además, esta técnica de grabado cíclico suavizó efectivamente la superficie HFO2. Después de 20 ciclos, la rugosidad de la superficie se redujo en un 60%.
Hsiao concluyó: “Hemos logrado con éxito el grabado de la capa atómica sin halógeno de la película HFO2 a temperatura ambiente por primera vez en el mundo. Eliminar el uso de gases halógenos ayuda a reducir los impactos ambientales.
“Realizar el proceso de grabado a temperatura ambiente ahorra energía y simplifica el procedimiento, lo que lleva a menores costos de fabricación. Además, este proceso es limpio y elimina los subproductos de reacción. Nuestro trabajo podría contribuir a la fabricación sostenible”.
Más información: shih -nan hsiao et al, grabado atómico anisotrópico sin halógeno de HFO2 a temperatura ambiente, pequeña ciencia (2025). DOI: 10,1002/SMSC.202500251
Proporcionado por la Universidad de Nagoya
Cita: la técnica de plasma sin halógenos logra el grabado a nivel atómico de óxido de hafnium para semiconductores de próxima generación (2025, 9 de septiembre) recuperado el 10 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09-halogen-libre-plasma-technique-atomic.html
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