文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

干法刻蝕技術(shù)作為半導(dǎo)體制造的核心工藝模塊，通過(guò)等離子體與材料表面的相互作用實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)刻蝕，其技術(shù)特性與工藝優(yōu)勢(shì)深刻影響著先進(jìn)制程的演進(jìn)方向。

干法刻蝕理論概述

等離子體驅(qū)動(dòng)的技術(shù)特性

在真空環(huán)境下，反應(yīng)氣體經(jīng)電離形成由電子、離子及自由基構(gòu)成的等離子體，其離化率雖僅0.01%~10%，但通過(guò)局部電荷積累效應(yīng)可維持穩(wěn)定的刻蝕能量場(chǎng)。

相較于濕法工藝，干法刻蝕摒棄了液態(tài)化學(xué)試劑，轉(zhuǎn)而通過(guò)物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)材料去除，這種轉(zhuǎn)變帶來(lái)三大核心優(yōu)勢(shì)：其一是各向異性刻蝕能力，通過(guò)離子束方向性控制可實(shí)現(xiàn)垂直度優(yōu)于85°的側(cè)壁形貌；其二為關(guān)鍵尺寸（CD）控制精度，借助實(shí)時(shí)終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)可將線寬偏差控制在±5nm以內(nèi)；其三在于工藝穩(wěn)定性，通過(guò)腔體壓力與射頻功率的精確調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)晶圓內(nèi)、批次間刻蝕速率波動(dòng)<2%的極致均勻性。

工藝分類與作用機(jī)理

根據(jù)能量耦合方式，干法刻蝕可分為三大技術(shù)路線：

純物理刻蝕（濺射/離子銑）：依托高能惰性氣體離子（如Ar ^+^ ）的垂直轟擊實(shí)現(xiàn)材料濺射去除，具有完全各向異性特征，但缺乏化學(xué)選擇性，常用于金屬互聯(lián)層的修整

純化學(xué)刻蝕（等離子體刻蝕）：利用氟基/氯基自由基與硅基材料的化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物（如SiF4），呈現(xiàn)各向同性特征，對(duì)氧化硅/氮化硅的選擇比可達(dá)10:1以上

反應(yīng)離子刻蝕（RIE）：通過(guò)物理轟擊與化學(xué)刻蝕的動(dòng)態(tài)平衡，在維持各向異性的同時(shí)提升刻蝕選擇比，已成為邏輯器件柵極刻蝕、存儲(chǔ)器三維堆疊的主流解決方案

復(fù)合刻蝕機(jī)制解析

現(xiàn)代RIE工藝通過(guò)多參數(shù)協(xié)同實(shí)現(xiàn)精密控制：

化學(xué)刻蝕主導(dǎo)區(qū)：中性自由基在表面吸附后引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，生成易揮發(fā)產(chǎn)物，該過(guò)程決定基礎(chǔ)刻蝕速率與材料選擇性

物理轟擊增強(qiáng)區(qū)：加速離子束通過(guò)動(dòng)量傳遞打破化學(xué)鍵，清除表面鈍化層，其能量密度直接影響各向異性程度

聚合物沉積調(diào)控：含碳前驅(qū)體在離子轟擊下于側(cè)壁形成保護(hù)層，通過(guò)調(diào)整沉積/刻蝕速率比（D/E比）可實(shí)現(xiàn)側(cè)壁傾角從0°到90°的連續(xù)調(diào)控

微負(fù)載效應(yīng)補(bǔ)償：采用脈沖式射頻功率與分壓控制技術(shù)，有效緩解高深寬比結(jié)構(gòu)中的刻蝕速率衰減問(wèn)題

技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

盡管干法刻蝕在精度與可控性方面優(yōu)勢(shì)顯著，但仍面臨三大技術(shù)瓶頸：其一，等離子體誘導(dǎo)損傷需通過(guò)低溫工藝與鈍化層優(yōu)化進(jìn)行抑制；其二，多材料疊層刻蝕的選擇比需突破100:1量級(jí)；其三，EUV光刻膠的刻蝕兼容性亟待提升。當(dāng)前研究聚焦于高密度等離子體源開發(fā)、原子層刻蝕（ALE）技術(shù)突破以及機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的工藝窗口優(yōu)化，旨在滿足3nm及以下節(jié)點(diǎn)對(duì)極致精度與良率控制的需求。

該技術(shù)體系的發(fā)展，正持續(xù)推動(dòng)著半導(dǎo)體器件向更高集成度、更低功耗方向演進(jìn)，其工藝創(chuàng)新已成為摩爾定律延續(xù)的關(guān)鍵技術(shù)支柱之一。

濺射與離子銑刻蝕（純物理刻蝕）

濺射與離子銑刻蝕作為典型的純物理刻蝕工藝，其核心機(jī)理在于利用惰性氣體離子（如氬離子）在強(qiáng)電場(chǎng)加速下獲得的動(dòng)能，通過(guò)垂直轟擊晶圓表面實(shí)現(xiàn)材料去除。該技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)在于其極端的各向異性特性，離子束的直線傳播特性使得側(cè)壁傾角可控制在5°以內(nèi)，這對(duì)亞微米級(jí)線寬的精確控制至關(guān)重要。然而，物理轟擊的普適性也帶來(lái)固有缺陷：

其一，刻蝕選擇比通常低于3:1，光刻膠與襯底材料的同步侵蝕問(wèn)題突出，尤其在圖(a)所示的溝槽結(jié)構(gòu)中，光刻膠側(cè)壁侵蝕可導(dǎo)致關(guān)鍵尺寸（CD）偏差超過(guò)20%；其二，濺射產(chǎn)物再沉積效應(yīng)顯著，圖(b)顯示，光刻膠顆粒在離子反彈作用下的再淀積污染率可達(dá)15%，需通過(guò)高頻氬氣吹掃緩解；其三，離子溝槽效應(yīng)如圖(c）所示，垂直入射離子在光刻膠斜面發(fā)生鏡面反射，在襯底形成二次刻蝕溝槽，深度可達(dá)原始刻蝕深度的30%。針對(duì)上述問(wèn)題，行業(yè)開發(fā)出離子輔助化學(xué)刻蝕技術(shù)

通過(guò)在硅片表面引入含氯/氟反應(yīng)氣體，使離子轟擊能量從純物理作用轉(zhuǎn)向促進(jìn)表面化學(xué)反應(yīng)，典型工藝如CF4/Ar混合氣體刻蝕硅氧化物，可將選擇比提升至8:1，同時(shí)保持50nm/min的刻蝕速率。

等離子體刻蝕（純化學(xué)刻蝕）

等離子體刻蝕技術(shù)則完全依托于高活性自由基團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)。在射頻電場(chǎng)作用下，含氟/氯氣體（如SF6、Cl2）解離生成F·、Cl·等自由基，這些中性粒子通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)晶圓表面，與硅、二氧化硅等材料發(fā)生選擇性反應(yīng)，生成SiF4、CO等揮發(fā)性產(chǎn)物。

該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于其卓越的刻蝕選擇性，通過(guò)氣體組分的精確調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)硅/光刻膠選擇比>50:1，二氧化硅/氮化硅選擇比>30:1，這對(duì)保護(hù)下層器件結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

然而，化學(xué)反應(yīng)的各向同性特性導(dǎo)致線寬控制能力受限，在深寬比>5:1的結(jié)構(gòu)中，側(cè)向鉆蝕可使特征尺寸膨脹15%-20%。為突破此瓶頸，行業(yè)采用脈沖式等離子體技術(shù)，通過(guò)周期性通斷射頻電源，在自由基反應(yīng)階段與副產(chǎn)物解吸階段之間建立動(dòng)態(tài)平衡，使刻蝕剖面各向異性比從0.6提升至0.85。

典型應(yīng)用如邏輯器件接觸孔刻蝕，采用C4F8/Ar脈沖等離子體，在保持120nm/min刻蝕速率的同時(shí)，將側(cè)向鉆蝕控制在2nm以內(nèi)，滿足14nm節(jié)點(diǎn)精度要求。

反應(yīng)離子刻蝕（物理+化學(xué)刻蝕）

反應(yīng)離子刻蝕（RIE）作為半導(dǎo)體制造的核心工藝，通過(guò)物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了刻蝕速率、選擇性與各向異性的突破性平衡。其技術(shù)本質(zhì)可拆解為三大核心部分：

協(xié)同刻蝕機(jī)理

RIE工藝中，等離子體中的帶電離子（如Ar ^+^ ）在射頻偏壓加速下獲得數(shù)百eV動(dòng)能，通過(guò)垂直轟擊打破待刻蝕材料表面化學(xué)鍵，同時(shí)氟基/氯基自由基（F·、Cl·）與暴露出的活性位點(diǎn)發(fā)生選擇性化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性產(chǎn)物（如SiF4、AlCl3）。這種“物理清障+化學(xué)刻蝕”的協(xié)同效應(yīng)，使刻蝕速率較純物理或純化學(xué)工藝提升1個(gè)數(shù)量級(jí)。

典型應(yīng)用如硅刻蝕速率可達(dá)1-2μm/min，且硅/光刻膠選擇比>20:1。

聚合物調(diào)控技術(shù)

刻蝕過(guò)程中，含碳?xì)怏w（如CHF3、C4F8）解離生成的含碳聚合物在側(cè)壁沉積形成保護(hù)層，其沉積速率與刻蝕速率的動(dòng)態(tài)平衡決定了側(cè)壁形貌：

高沉積速率模式：聚合物覆蓋速率>刻蝕速率，形成V形側(cè)壁，適用于淺溝槽隔離（STI）等結(jié)構(gòu)；

低沉積速率模式：通過(guò)優(yōu)化氣體流量比（如CF4/CHF3比例），使聚合物僅在側(cè)壁沉積而表面保持清潔，獲得垂直度>88°的U形側(cè)壁，滿足FinFET柵極刻蝕需求。

工藝系統(tǒng)與參數(shù)優(yōu)化

RIE設(shè)備分為平板式與電感耦合式（ICP）兩大架構(gòu)：

平板式系統(tǒng)：采用平行板電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)射頻功率（100-1000W）與腔體壓力（1-100mTorr）控制離子能量與通量，適用于介質(zhì)層刻蝕；

六角式系統(tǒng)：利用電感耦合產(chǎn)生高密度等離子體（>1012/cm3），結(jié)合可調(diào)偏壓電源，實(shí)現(xiàn)離子能量獨(dú)立控制，典型應(yīng)用如3D NAND通道孔刻蝕，深寬比可達(dá)100:1。

典型工藝案例

博世工藝：通過(guò)SF6刻蝕與C4F8鈍化的交替循環(huán)，在硅表面形成周期性鋸齒狀結(jié)構(gòu)。

最終通過(guò)熱氧化工藝將側(cè)壁形貌轉(zhuǎn)化為多層納米線，該工藝已實(shí)現(xiàn)深寬比60:1的通孔刻蝕；

硬掩膜集成工藝：針對(duì)多晶硅柵極刻蝕，采用SiO2硬掩膜替代光刻膠，通過(guò)兩步RIE工藝，將關(guān)鍵尺寸（CD）偏差控制在±3nm以內(nèi)，顯著提升14nm節(jié)點(diǎn)器件良率。

技術(shù)邊界與材料適應(yīng)性

RIE工藝對(duì)材料的選擇性取決于副產(chǎn)物揮發(fā)性：

硅基材料：SiF4（沸點(diǎn)-86℃）的高揮發(fā)性使其成為RIE理想刻蝕對(duì)象；

金屬材料：Cu的刻蝕副產(chǎn)物CuCl（1490℃）因沸點(diǎn)過(guò)高易造成再沉積，故采用大馬士革工藝替代直接刻蝕；Al則可通過(guò)Cl基氣體（如BCl 3）實(shí)現(xiàn)可控刻蝕，副產(chǎn)物AlCl3沸點(diǎn)181℃，在150℃襯底溫度下可有效揮發(fā)。