刻蚀技术总述
【资料图】
在20世纪60年代后期，湿法刻蚀曾经是低成本集成电路制造的关键技术。半导体工艺制程及芯片性能的不断迭代不断提升，随着制程进入六次微米级，基于化学反应的湿法刻蚀，已经跟不上芯片的精度要求了，逻辑电路自然不用说，关键层需要纳米级的精密刻蚀，即便像DRAM之类相对粗糙的存储芯片，要刻出里面又窄又深的电容沟槽，也需要方向感极强的雕刻方法，这就是干法刻蚀。湿法用的是液体，干法用的是气体。
湿法刻蚀由于精度较差，只适用于很粗糙的制程，但它还是有优点的，比如价格便宜，适合批量处理，酸槽里可以一次浸泡25张硅片，所以有些高校和实验室，还在用湿法做器件，芯片厂里也会用湿法刻蚀来显露表面缺陷（defect），腐蚀背面多晶硅。
干法刻蚀因为它的方向性好，气体配比和射频电源，也能实现更精密的调控，在主流的芯片制程中，超过90%的芯片刻蚀都是干法。
抛开技术的复杂程度不谈，干法的缺点主要有俩个，一个是贵，一个是慢。一台进口刻蚀机的价格，数百万美元，那比光刻机是便宜多了，但是不同介质的刻蚀，需要买不同的刻蚀机，而且工艺中，刻蚀的时长远超光刻，因此产线上，一台光刻机，要配多台刻蚀机，按照设备总成本来计算，两者的开销差不多。
今天我们主要展开讲干法刻蚀在工艺制程中的具体分类及反应气体。
干法刻蚀简述
芯片厂每天消耗很多特种气体，其中很大一部分就用于刻蚀。这些气体在精确配比后，被通入反应腔内，再用电容或电感耦合的方式，让气体完全或部分电离，形成等离子或离子束，经过电场加速，射向硅片进行刻蚀，这是一种兼具物理与化学属性的雕刻方式。
如果侧重化学攻击，可以通入更多氟碳类气体，牺牲一些方向性来达到更好的选择比；
如果侧重物理攻击，就通入更多惰性气体，比如氩气，主要用高能粒子溅射硅片，确保纵向刻蚀，但缺点是选择比较低，容易不分敌我，上下层一起穿透。
所以干法刻蚀设备，一般会配备终点检测功能，尽量避免过度刻蚀，或者更保险一点，我们在芯片上，先额外沉积一层氮化硅之类的物质用来作为停止层。这里提到的沉积，是光刻与刻蚀之外，芯片制造的第三个重要工艺，这三者通常互相关联。
在干法蚀刻中，气体受高频（主要为 13.56 MHz 或 2.45 GHz）激发。在 1 到 100 Pa 的压力下，其平均自由程为几毫米到几厘米。
主要有三种类型的干法蚀刻：
• 物理干法蚀刻：加速粒子对晶圆表面的物理磨损
• 化学干法蚀刻：气体与晶圆表面发生化学反应
• 化学物理干法蚀刻：具有化学特性的物理蚀刻工艺
物理性刻蚀
物理性刻蚀是利用辉光放电将气体，如Ar气电离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被刻蚀物的表面，而将被刻蚀物的原子击出、溅射，该过程完全是物理上的能量转移。
物理性刻蚀可进一步分为：溅射刻蚀和离子束蚀刻。
溅射刻蚀：利用等离子体中的离子或高能原子对衬底进行轰击，溅射出衬底原子，形成掩蔽膜图形。
离子束铣蚀：利用高能离子束对衬底进行轰击，撞击出衬底原子，形成掩蔽膜图形。
离子束蚀刻
离子束蚀刻 (Ion beam etch) 是一种物理干法蚀刻工艺。由此，氩离子以约1至3keV的离子束辐射到表面上。由于离子的能量，它们会撞击表面的材料。晶圆垂直或倾斜入离子束，蚀刻过程是绝对各向异性的。选择性低，因为其对各个层没有差异。气体和被打磨出的材料被真空泵排出，但是，由于反应产物不是气态的，颗粒会沉积在晶片或室壁上。
为避免颗粒，将第二种气体引入腔室。该气体与氩离子发生反应并引起物理化学蚀刻过程。部分气体与表面反应，但也与打磨出的颗粒反应形成气态副产物。几乎所有材料都可以用这种方法蚀刻。由于垂直辐射，垂直壁上的磨损非常低（高各向异性）。然而，由于低选择性和低蚀刻速率，该工艺在当今的半导体制造中很少使用。
特点：具有非常好的方向性，可获得接近垂直的刻蚀轮廓。但是由于离子是全面均匀地溅射在芯片上，光刻胶和被刻蚀材料同时被刻蚀，造成刻蚀选择比差。同时，被击出的物质大多为不易挥发的物质，这些物质容易二次沉积在被刻蚀薄膜的表面及侧壁。因此，在超大规模集成电路制作工艺中，很少使用完全物理方式的干法刻蚀方法。
化学性刻蚀
化学性刻蚀（等离子体刻蚀Plasma Etching PE）就需要化学清洗，化学性刻蚀是一种利用化学反应去除材料表面的工艺，但是每次刻蚀之后，都需要对反应室进行清洗和除去残留物，化学清洗是一种高效的清洗方法，通过在反应室内通入酸碱等化学试剂进行化学反应，清除反应室内的污染物。
等离子刻蚀（Plasma etch）是一种绝对化学刻蚀工艺（化学干法刻蚀，Chemical dry etch）。优点是晶圆表面不会被加速离子损坏。由于蚀刻气体的可移动颗粒，蚀刻轮廓是各向同性的，因此该方法用于去除整个膜层（如热氧化后的背面清洁）。
一种用于等离子体蚀刻的反应器类型是下游反应器。从而通过碰撞电离在2.45GHz的高频下点燃等离子体，碰撞电离的位置与晶片分离。
在气体放电区域，由于冲击存在各种颗粒，其中有自由基。自由基是具有不饱和电子的中性原子或分子，因此非常活泼。作为中性气体，例如四氟甲烷CF4被引入气体放电区并分离成CF2和氟分子F2。类似地，氟可以通过添加氧气 O2 从 CF4 中分离出来：
2 CF4 + O2 ---> 2 COF2 + 2 F2
氟分子可以通过气体放电区的能量分裂成两个单独的氟原子：每个氟原子都是一个氟自由基，因为每个原子都有七个价电子，并希望实现惰性气体构型。除了中性自由基之外，还有几个部分带电的粒子（CF+4、CF+3、CF+2、...）。然后，所有粒子、自由基等都通过陶瓷管进入蚀刻室。带电粒子可以通过提取光栅从蚀刻室中阻挡或者在它们形成中性分子的途中重新组合。氟自由基也有部分重组，但足以到达蚀刻室，在晶圆表面发生反应并引起化学磨损。其他中性粒子不是蚀刻过程的一部分，并且与反应产物一样被耗尽。
可在等离子蚀刻中蚀刻的薄膜示例：• 硅: Si + 4F---> SiF4• 二氧化硅: SiO2 + 4F---> SiF4 + O2• 氮化硅: Si3N4 + 12F---> 3SiF4 + 2N23.反应离子蚀刻蚀刻特性: 选择性、蚀刻轮廓、蚀刻速率、均匀性、可重复性 - 均可以在反应离子蚀刻 (Reactive ion etch) 中非常精确地控制。各向同性蚀刻轮廓以及各向异性是可能的。因此，RIE 工艺是一种化学物理蚀刻工艺，是半导体制造中用于构造各种薄膜的最重要工艺。在工艺室内，晶圆放置在高频电极（HF电极）上。通过碰撞电离产生等离子体，其中出现自由电子和带正电的离子。如果 HF 电极处于正电压，则自由电子会在其上积聚，并且由于它们的电子亲和力而无法再次离开电极。因此，电极充电至 -1000 V（偏置电压）。不能跟随快速交变场的慢离子向带负电的电极移动。
如果离子的平均自由程高，则粒子以几乎垂直的方向撞击晶片表面。因此，材料被加速离子（物理蚀刻）从表面击出，此外，一些粒子与表面发生化学反应。横向侧壁不受影响，因此没有磨损并且蚀刻轮廓保持各向异性。选择性不是太小，但是，由于物理蚀刻进程，它也不是太大。此外，晶圆表面会被加速离子损坏，必须通过热退火进行固化。蚀刻工艺的化学部分是通过自由基与表面以及物理铣削材料的反应来完成的，这样它就不会像离子束蚀刻那样重新沉积到晶圆或腔室壁上。通过增加蚀刻室中的压力，颗粒的平均自由程减少。因此会有更多的碰撞，因此粒子会朝着不同的方向前进。这导致较少的定向蚀刻，蚀刻过程获得更多的化学特性。选择性增加，蚀刻轮廓更加各向同性。通过在硅蚀刻期间侧壁的钝化，实现了各向异性的蚀刻轮廓。因此，蚀刻室内的氧气与磨出的硅反应形成二氧化硅，二氧化硅沉积垂直侧壁。由于离子轰击，水平区域上的氧化膜被去除，使得横向的蚀刻进程继续进行。
蚀刻速率取决于压力、高频发生器的功率、工艺气体、实际气体流量和晶片温度。各向异性随着高频功率的增加、压力的降低和温度的降低而增加。蚀刻工艺的均匀性取决于气体、两个电极的距离以及电极的材料。如果距离太小，等离子体不能不均匀地分散，从而导致不均匀性。如果增加电极的距离，则蚀刻速率降低，因为等离子体分布在扩大的体积中。对于电极，碳已证明是首选材料。由于氟气和氯气也会攻击碳，因此电极会产生均匀的应变等离子体，因此晶圆边缘会受到与晶圆中心相同的影响。
选择性和蚀刻速率在很大程度上取决于工艺气体。对于硅和硅化合物，主要使用氟气和氯气。
蚀刻工艺不限于一种气体、气体混合物或固定工艺参数。例如，可以首先以高蚀刻速率和低选择性去除多晶硅上的原生氧化物，而随后以相对于下方层的更高选择性蚀刻多晶硅。
在低气压气体环境下，刻蚀设备利用外电场将刻蚀气体（如氯或氟气体，CF4、SF6CI2、BCI3等 ）电离成等离子体，等离子体中含有自由电子、带电离子、分子及反应活性很强的基团，它们扩散到被刻蚀薄膜表面后与薄膜表面原子反应生成具有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种反应完全利用化学反应，故称为化学性刻蚀。这种刻蚀方式与湿法刻蚀类似，只是反应物与产物的状态从液态改为气态，并以等离子体来加快反应速率。
物理化学性刻蚀
物理化学性刻蚀又称为反应离子刻蚀。简单来说，就是物理性刻蚀和化学性刻蚀结合使用，以实现更高效的刻蚀效果，因此，反应腔里的反应气体流量反应温度、反应压力等，都会影响刻蚀速率和刻蚀质量。
无论是从化学性干法刻蚀还是物理性干法刻蚀，都有其固有的优缺点，而物理化学性刻蚀则作为两种刻蚀方法的优势互补存在，集成电路工艺中采用最多的刻蚀方法是结合物理性的等离子袭击与化学反应的刻蚀。
刻蚀工艺相关气体应用
同为刻蚀工艺，对应各种各样的材料和图形，需要的结果也不相同，刻蚀工艺也都各不相同。刻蚀材料：半导体、半导体薄膜、绝缘薄膜、金属薄膜等；
同为刻蚀工艺，对应各种各样的材料和图形，需要的结果也不相同，刻蚀工艺也都各不相同。刻蚀材料：半导体、半导体薄膜、绝缘薄膜、金属薄膜等。
刻蚀气体：SF6、CHF3、CF4、C4F8、Cl2、BCl3、HBr、NF3、SiCl4等；Ar、O2、He（辅助性气体）
简单来说，刻蚀反应使用的气体能够与被刻蚀物反应并产生挥发性物质，但不是任何一种气体都可以使用。另外，希望使用的气体最好处于稳定状态。使用液态气体时，气化场所的配置和适当的管道温度等，都需要相应的应对措施。
附：刻蚀气体表
刻蚀工艺中的关键因素——速率、均匀性、选择性和轮廓
刻蚀工艺是微电子加工中不可或缺的一环。在制造各种芯片和器件时，刻蚀工艺可以对材料进行加工和改良。然而，刻蚀工艺的质量和效率受到许多因素的影响，其中包括刻蚀速率、刻蚀的均匀性、刻蚀选择性和刻蚀轮廓等因素。
刻蚀速率
刻蚀速率是测量刻蚀物质被移除的速率。由于刻蚀速率直接影响刻蚀的产量，因此刻蚀速率是一个重要参数。通过测量刻蚀前后的薄膜厚度，将差值除以刻蚀时间就能计算出刻蚀速率：
刻蚀速率=(刻蚀前厚度-刻蚀后厚度)/刻蚀时间
对于图形化刻蚀，刻蚀速率可以通过扫描电子显微镜(SEM)直接测量出被移除的薄膜厚度。
问题：如果热氧化层的厚度为5000A,经过30s等离子体刻蚀后，厚度变为2400A,求刻蚀速率。
答：刻蚀速率=(5000A-2400A)/0.5min=2600A/0.5min=5200A/min
问题：下图显示了BPSG接触窗口的刻蚀轮廓，求刻蚀速率。
答：刻蚀速率=4500A/(45/60)min=4500A/0.75min=6000A/min。
刻蚀的均匀性
刻蚀过程重要的一点是要求整个晶圆必须有一个均匀的刻蚀速率，或好的晶圆内(WithinWafer,WIW)均匀性，以及高的重复性，好的晶圆对晶圆均匀性。通常均匀性由测量刻蚀前后晶圆的特定点厚度，并计算这些点的刻蚀速率得出。若它们是x1、x2、xN，其中N表示数据点的总数。
问题：利用五点测量法计算NUm(见下图)：
刻蚀前：3500A,3510A,3499A,3501A,3493A
刻蚀60s后：1500A,1455A,1524A,1451A,1563A
答：刻蚀速率为：2000A/min,2055A/min,1975A/min,
2055A/min和1930A/min。
平均刻蚀速率为：2003A/min
NUm=(2055-1930)/(2x2003)=3.12%
当与代理商或客户交易时，均匀性的定义很重要，因为不同的定义将产生不同的结果。
刻蚀选择性
图形化刻蚀通常包含三种材料:光刻胶、被刻蚀的薄膜及衬底。刻蚀过程中，这三种材料都会受刻蚀剂的化学反应或等离子体刻蚀中离子轰击的影响。不同材料之间的刻蚀速率差就是所谓的选择性。
选择性是指不同材料之间的刻蚀速率比率，特别是对于要被蚀刻的材料和不被移除的材料。
比如，当刻蚀栅电极时(见下图),光刻胶作为刻蚀屏蔽层而多晶硅是被刻蚀的材料。由于等离子体刻蚀难免会刻蚀到光刻胶，所以必须有足够高的多晶硅对光刻胶的选择性以避免刻蚀完成前损失过多的光刻胶(PR)。多晶硅下方是厚度为15〜100A的超薄栅氧化层。这个工艺过程中，多晶硅对氧化物的选择性必须非常高，才能避免多晶硅过刻蚀中穿透栅氧化层。
刻蚀轮廓
刻蚀的最重要特征之一就是刻蚀轮廓，它将影响沉积工艺。下图显示了不同的刻蚀轮廓。一般利用扫描式电子显微镜(SEM)观察刻蚀轮廓。
垂直轮廓是最理想的刻蚀图形，因为它能将PR上的图形转移到下面的薄膜而不造成任何CD损失。许多情况下，尤其是接触窗和金属层间接触窗孔刻蚀，使用非等向性且略微倾斜的轮廓较好,这样刻蚀窗口的张角较大，使后续的钨CVD能够容易填充而不留空隙。单纯的化学刻蚀具有等向性轮廓，在光刻胶下产生底切效应并造成CD损失。底切轮廓是由于反应式离子刻蚀(RIE)过程中过多的蚀刻气体分子或过多的离子散射到侧壁上造成的，RIE结合了物理和化学刻蚀。轮廓底切效应很容易造成后续的沉积过程并在填补空隙或空洞时产生间隙。另外，“I”字形轮廓的形成是因为夹心式薄膜的中间层使用了错误的刻蚀化学试剂形成的。
综上所述，刻蚀工艺中的刻蚀速率、刻蚀的均匀性、刻蚀选择性和刻蚀轮廓等因素是影响加工质量和效率的关键因素。在实际应用中，需要根据具体情况来选择合适的刻蚀条件和器件设计，以达到最佳的加工效果。
编辑：黄飞
