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在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，前端工藝（FEOL）是構(gòu)建晶體管結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而刻蝕技術(shù)作為 FEOL 中的核心工藝之一，對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和制造精度起著至關(guān)重要的作用。

 

刻蝕工藝概述

 

刻蝕是指在半導(dǎo)體制造過程中，通過化學(xué)或物理的方法，將涂覆在硅片表面的光刻膠圖案轉(zhuǎn)移到底層的材料上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片表面材料的選擇性去除。其主要目的包括：形成器件的有源區(qū)、定義晶體管的柵極結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)源極和漏極區(qū)域的精確布局等。

 

刻蝕技術(shù)的分類

 

濕法刻蝕

 

濕法刻蝕是利用化學(xué)溶液與硅片表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)刻蝕的。它具有成本低、工藝設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。例如，利用氫氟酸（HF）溶液可以有效地刻蝕二氧化硅（SiO?）。然而，濕法刻蝕存在各向同性的問題，即刻蝕過程在各個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行，這會(huì)導(dǎo)致刻蝕出的圖形邊緣不夠陡峭，難以滿足高精度、微小尺寸器件制造的要求，且可能對(duì)光刻膠的圖案產(chǎn)生一定程度的破壞，影響后續(xù)工藝的準(zhǔn)確性。

 

干法刻蝕

 

干法刻蝕是目前半導(dǎo)體制造中應(yīng)用更為廣泛的刻蝕技術(shù)。它主要利用等離子體（Plasma）中的高能粒子與硅片表面材料發(fā)生物理或化學(xué)相互作用，實(shí)現(xiàn)材料的去除。

 

物理刻蝕（如離子束刻蝕） ：依靠高能離子束直接轟擊硅片表面，將材料原子從表面打出。這種方法具有各向異性刻蝕的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)較陡峭的圖形邊緣。但是，由于高能離子束的能量較高，容易對(duì)硅片表面造成損傷，且刻蝕速率相對(duì)較慢。

 

化學(xué)刻蝕（如反應(yīng)離子刻蝕） ：利用等離子體中的活性化學(xué)物種與硅片表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣態(tài)產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)刻蝕。通過選擇合適的反應(yīng)氣體，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定材料的選擇性刻蝕。同時(shí)，它能夠在一定程度上控制刻蝕的各向異性程度，兼有化學(xué)反應(yīng)的高選擇性和物理轟擊的各向異性特點(diǎn)。

 

刻蝕工藝的關(guān)鍵參數(shù)和控制

 

1.選擇比

 

選擇比是衡量刻蝕工藝精準(zhǔn)度的核心指標(biāo)。理想狀態(tài)下，我們希望只刻蝕目標(biāo)材料，而不 ETCH 其他部分。然而實(shí)際上，不可能100%只刻蝕到想移除的部分，這意味著完全精準(zhǔn)的刻蝕是難以實(shí)現(xiàn)的。選擇性是不同材料的蝕刻率之比。

高選擇比的刻蝕工藝能夠最大程度地減少對(duì)非目標(biāo)材料的刻蝕，確保刻蝕過程的高度精準(zhǔn)性。選擇比的高低直接關(guān)系到器件圖案的完整性和準(zhǔn)確性。如果選擇比過低，可能會(huì)導(dǎo)致非目標(biāo)區(qū)域的材料被過度刻蝕，進(jìn)而影響器件的性能和可靠性。

 

2.方向的選擇性

 

方向的選擇性決定了刻蝕的形狀和精度。它主要分為等向性刻蝕（各向同性）和非等向性刻蝕（各向異性）兩種類型。

 

等向性蝕刻表示橫向和縱向之蝕刻率相同，在刻蝕過程中，不僅會(huì)發(fā)生縱向反應(yīng)，橫向反應(yīng)也會(huì)同時(shí)進(jìn)行。

 

非等向性蝕刻則為橫向性蝕刻率很慢或?yàn)?，因此可以較完美調(diào)控蝕刻截面輪廓和線寬，這種刻蝕方式能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)、更陡峭的圖形邊緣，有助于提高器件的性能和集成度。

 

3.蝕刻率

 

刻蝕速率是衡量刻蝕效率的關(guān)鍵參數(shù)。在其他條件保持不變的情況下，刻蝕速率越快，生產(chǎn)效率越高。然而，通常很難找到一個(gè)既快又精準(zhǔn)的刻蝕方案。在工藝研發(fā)過程中，往往需要在刻蝕速率與其他參數(shù)（如方向的選擇性和均勻性）之間進(jìn)行權(quán)衡。例如，為了提高刻蝕的非等向性，可能需要降低刻蝕氣體的壓力。但降低壓力會(huì)導(dǎo)致參與反應(yīng)的氣體量減少，從而使得刻蝕速率變慢。這種Balance需要在實(shí)際操作中根據(jù)具體需求和工藝條件，找到一個(gè)相對(duì)平衡的點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高效的刻蝕。

 

4.均勻性

 

均勻性是評(píng)估刻蝕工藝質(zhì)量的重要參數(shù)。它反映了刻蝕工藝在整個(gè)晶圓表面的刻蝕能力是否一致，以及刻蝕的不均勻程度。由于刻蝕過程中需要將整個(gè)晶圓暴露在刻蝕氣體中，并且在施加反應(yīng)氣體后需要去除副產(chǎn)物并不斷循環(huán)物質(zhì)，因此很難保證晶圓的每個(gè)角落都得到完全相同的刻蝕效果。

 

 

這就會(huì)導(dǎo)致晶圓不同部位出現(xiàn)不同的刻蝕速率。均勻性不佳可能會(huì)引起晶圓上不同位置的器件性能出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響芯片的整體性能和可靠性。

 

刻蝕工藝的應(yīng)用

 

1. 有源區(qū)的定義

 

2. 柵極結(jié)構(gòu)的形成

 

3. 源極和漏極區(qū)域的刻蝕

 

4. 接觸孔的形成

 

5. DRAM 高深寬比電容等等

 

為了精確控制刻蝕工藝的關(guān)鍵參數(shù)，需要采用先進(jìn)的工藝監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)，如光學(xué)發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)（OES）、終點(diǎn)檢測(cè)（Endpoint Detection，EPD）等。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刻蝕過程中等離子體的光學(xué)發(fā)射光譜或硅片表面的反射信號(hào)等，可以及時(shí)判斷刻蝕是否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，并對(duì)刻蝕工藝參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以確?？涛g過程的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

 

Reference:

1.Semiconductor Devices: Physics and Technology.

2.Skhynix.

3.Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology.