干法刻蝕技術(shù)深度解析：原理、特性與應(yīng)用

一、干法刻蝕技術(shù)概述

干法刻蝕是半導(dǎo)體制造等精密加工領(lǐng)域的核心技術(shù)，其原理是將硅片表面暴露于氣態(tài)等離子體中，等離子體通過光刻膠窗口，與硅片發(fā)生物理、化學(xué)或二者兼有的反應(yīng)，從而去除暴露的表面材料。這種技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。

二、干法刻蝕的核心原理

（一）物理蝕刻原理

物理蝕刻主要利用等離子體（plasma）轟擊 wafer 表面，通過粒子間的碰撞實(shí)現(xiàn)蝕刻目的，整個(gè)過程僅涉及物理變化，不產(chǎn)生新物質(zhì)。其顯著特點(diǎn)為各向異性，蝕刻方向嚴(yán)格沿著 plasma 速度方向，其他方向幾乎不發(fā)生蝕刻。然而，該方法沒有選擇性，高能離子可能損傷器件。實(shí)際應(yīng)用中，常采用惰性氣體氬氣（Ar）作為轟擊氣體，因其不會(huì)改變 plasma 的化學(xué)性質(zhì)，能確保物理蝕刻效果穩(wěn)定。

（二）化學(xué)蝕刻原理

化學(xué)蝕刻通過 plasma 與 wafer 表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將材料轉(zhuǎn)化為氣態(tài)副產(chǎn)物后抽走完成蝕刻。此方法要求副產(chǎn)物易于抽離，其本身具有各向同性，但蝕刻過程中產(chǎn)生的聚合物 polymer 沉積在側(cè)壁，可實(shí)現(xiàn)各向異性效果。通過調(diào)節(jié)化學(xué)蝕刻氣體比例，能控制對不同薄膜（flim）的選擇比。含碳氟氣體（CXFY）是常用化學(xué)蝕刻氣體，F(xiàn) 自由基與 Si 結(jié)合生成氣態(tài) SiF4 ，實(shí)現(xiàn)材料去除。不過，碳氟氣體反應(yīng)生成的不飽和物質(zhì)會(huì)形成聚合物，沉積在電極和 chamber 中的聚合物是缺陷源，可能導(dǎo)致表面顆粒和圖案失效。氟碳比（F/C）決定聚合物生成量，F(xiàn)/C 越小，聚合物越多；反之則越少。

（三）反應(yīng)離子蝕刻原理

反應(yīng)離子蝕刻融合物理和化學(xué)蝕刻優(yōu)勢，是工業(yè)干法刻蝕的主流方式。通過調(diào)節(jié)等離子體條件和氣體組分，可使蝕刻剖面在各向同性和各向異性間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)線寬控制和良好選擇比，滿足復(fù)雜工藝要求。

三、干法刻蝕的技術(shù)特性

（一）相對于濕法刻蝕的優(yōu)勢

剖面控制靈活：剖面既可實(shí)現(xiàn)各向異性，也能達(dá)成各向同性，精準(zhǔn)控制側(cè)壁剖面。

關(guān)鍵尺寸控制出色：具備良好的 CD（關(guān)鍵尺寸）控制能力。

光刻膠問題減少：有效降低光刻膠脫落或粘附問題。

刻蝕均勻性佳：保證片內(nèi)、片間以及批次間的良好刻蝕均勻性。

成本優(yōu)勢：降低化學(xué)制品使用和處理費(fèi)用。

（二）存在的局限性

選擇比不足

1. 對下層材料的刻蝕選擇比較差。

器件損傷風(fēng)險(xiǎn)

1. 等離子體可能帶來器件損傷。

設(shè)備成本高

1. 設(shè)備購置與維護(hù)成本較為昂貴。

四、干法刻蝕的應(yīng)用要求與工藝調(diào)節(jié)

（一）成功干法刻蝕的要求

高選擇比：對不需要刻蝕的材料具有高選擇比。

合適的蝕刻速率：保證可接受產(chǎn)能的刻蝕速率。

良好的側(cè)壁控制：實(shí)現(xiàn)良好的側(cè)壁剖面控制。

均勻性保障：維持出色的片內(nèi)均勻性。

低損傷：降低器件損傷程度。

寬工藝窗口：擁有寬廣的工藝制造窗口。

（二）工藝參數(shù)調(diào)節(jié)與控制

對于每種特定應(yīng)用，需通過工藝優(yōu)化確定關(guān)鍵刻蝕工藝參數(shù)。RF 電場與硅片表面的方向影響蝕刻特性：垂直時(shí)，以物理作用和基本化學(xué)反應(yīng)為主；平行時(shí)，主要發(fā)生表面材料與活性元素的化學(xué)反應(yīng)。此外，聚合物在蝕刻中作用關(guān)鍵，通過添加氫氣（H2）和氧氣（O2）調(diào)節(jié)其生成量，氧氣用于清除聚合物，氫氣則增加其生成，確保蝕刻過程穩(wěn)定高效。

刻蝕領(lǐng)域名詞解釋

1、刻蝕速率

刻蝕速率是指在刻蝕過程中去除硅片表面材料的速度，通常用?/min表示。

?：埃米，1埃米Angstrom =1/10000000000米（10的負(fù)10次方）。

刻蝕速率=△T/t（?/s）

△T=去掉的材料厚度（?或μm）

t=刻蝕所用的時(shí)間（秒）

負(fù)載效應(yīng)：刻蝕速率和刻蝕面積成反比。

2、刻蝕剖面

刻蝕剖面是指被刻蝕圖形的側(cè)壁形狀。

各向同性和各向異性：各向同性，刻蝕在各個(gè)方向的速率一致；各向異性，刻蝕在各個(gè)方向的速率不一致。

3、刻蝕偏差bias

刻蝕偏差是指刻蝕以后線寬或關(guān)鍵尺寸間距的變化。

刻蝕偏差=Wb－Wa

Wb=刻蝕前光刻膠的線寬

Wa=光刻膠去掉后被刻蝕材料的線寬

4、選擇比

選擇比指的是在同一刻蝕條件下一種材料與另一種材料的刻蝕速率比。

選擇比SR=Ef/Er

Ef=被刻蝕材料的刻蝕速率

Er=掩蔽層材料的刻蝕速率（如光刻膠）

5、均勻性

刻蝕均勻性是一種衡量刻蝕工藝在整個(gè)硅片上，或整個(gè)一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)。

6、殘留物

刻蝕殘留物是刻蝕以后留在硅片表面不想要的材料。它常常覆蓋在腔體內(nèi)壁或被刻蝕圖形的底部。

7、聚合物

聚合物是在刻蝕過程中由光刻膠中的碳轉(zhuǎn)化而來并與刻蝕氣體（如C2F4）和刻蝕生成物結(jié)合在一起形成的。

8、等離子體誘導(dǎo)損傷

A、一種主要的損傷是非均勻等離子體在晶體管柵電極產(chǎn)生陷阱電荷，引起薄柵氧化硅的擊穿。

B、另一種器件損傷是能量粒子對暴露的柵氧化層的轟擊。發(fā)生在刻蝕時(shí)柵電極的邊緣。

9、顆粒沾污和缺陷

等離子體帶來的硅片損傷有時(shí)也由硅片表面附近的等離子體產(chǎn)生的顆粒沾污而引起的。由于電勢的差異，顆粒產(chǎn)生在等離子體和殼層的界面處。當(dāng)沒有等離子體時(shí)，這些顆粒就會(huì)掉到硅片表面。氟基化學(xué)氣體等離子體比氯基或溴基等離子體產(chǎn)生較少的顆粒，因?yàn)榉a(chǎn)生的刻蝕生成物具有較高的蒸汽壓。

The END歡迎大家交流，每日堅(jiān)持分享芯片制造干貨，您的關(guān)注+點(diǎn)贊+在看?是我持續(xù)創(chuàng)作高質(zhì)量文章的動(dòng)力，謝謝！