圖案化工藝包括曝光(Exposure)、顯影(Develope)、刻蝕(Etching)和離子注入等流程。其中，刻蝕工藝是光刻（Photo）工藝的下一步，用于去除光刻膠（Photo Resist，PR）未覆蓋的底部區(qū)域，僅留下所需的圖案。這一工藝流程旨在將掩模（Mask）圖案固定到涂有光刻膠的晶圓上（曝光→顯影）并將光刻膠圖案轉(zhuǎn)印回光刻膠下方膜層。

隨著電路的關(guān)鍵尺寸（Critical Dimension, CD）小型化（2D視角），刻蝕工藝從濕法刻蝕轉(zhuǎn)為干法刻蝕，因此所需的設(shè)備和工藝更加復(fù)雜。由于積極采用3D單元堆疊方法，刻蝕工藝的核心性能指數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，從而刻蝕工藝與光刻工藝成為半導(dǎo)體制造的重要工藝流程之一。

1.沉積和刻蝕技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

圖1. 沉積和刻蝕技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

在晶圓上形成“層（Layer）”的過(guò)程稱為沉積（化學(xué)氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）和物理氣相沉積（PVD）），在所形成的“層“上繪制電路圖案的過(guò)程稱為曝光?？涛g是沉積和曝光工藝之后在晶圓上根據(jù)圖案刻化的過(guò)程。光刻工藝的作用類似于畫一張草圖，真正使晶圓發(fā)生明顯變化的是沉積和刻蝕工藝。

自從半導(dǎo)體出現(xiàn)以來(lái)，刻蝕和沉積技術(shù)都有了顯著發(fā)展。而沉積技術(shù)最引人注目的創(chuàng)新是從溝槽法（Trench）轉(zhuǎn)向堆疊法（Stack），這與20世紀(jì)90年代初裝置容量從1兆位（Mb）DRAM發(fā)展成4兆位（Mb）DRAM相契合?？涛g技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是在2010年代初，當(dāng)時(shí)3D NAND閃存單元堆疊層數(shù)超過(guò)了24層。隨著堆疊層數(shù)增加到128層、256層和512層，刻蝕工藝已成為技術(shù)難度最大的工藝之一。

2.刻蝕方法的變?cè)?/p>

圖2. 小型化（2D）與刻蝕方法的發(fā)展

在2D（平面結(jié)構(gòu)）半導(dǎo)體小型化和3D（空間結(jié)構(gòu)）半導(dǎo)體堆疊技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,刻蝕工藝也在不斷發(fā)展變化。在20世紀(jì)70年代，2D半導(dǎo)體為主流，電路關(guān)鍵尺寸（CD）從100微米（?）迅速下降到10微米（?），甚至更低。在此期間，半導(dǎo)體制造流程中的大部分重點(diǎn)工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，同時(shí)刻蝕技術(shù)已經(jīng)從濕法刻蝕過(guò)渡到干法刻蝕。

對(duì)于層切割技術(shù)，最先采用的是化學(xué)濕法，這是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)。由于從20世紀(jì)70年代早期開始，化學(xué)濕法難以滿足5微米（?）關(guān)鍵尺寸的要求，從而開發(fā)出利用等離子體的干法。發(fā)展到今天，刻蝕工藝大多采用干法，而濕法刻蝕技術(shù)后來(lái)發(fā)展應(yīng)用于清潔過(guò)程。

3.濕法刻蝕和干法刻蝕的優(yōu)缺點(diǎn)

圖3. 濕法刻蝕和干法刻蝕的優(yōu)缺點(diǎn)

濕法刻蝕因?yàn)槭褂靡后w速度更快，每分鐘去除的深度更大，但不會(huì)形成類似于直方的結(jié)構(gòu)。濕法刻蝕會(huì)均勻地刻蝕所有方向，從而導(dǎo)致橫向方向上的損耗，而對(duì)于CD小型化應(yīng)該避免這種現(xiàn)象。相反，干法刻蝕可以在某一特定方向上進(jìn)行切割，使得實(shí)現(xiàn)理想中納米（nm）級(jí)的超精細(xì)圖案輪廓。

此外，濕法刻蝕會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，因?yàn)槭褂眠^(guò)的液體溶液需在此工藝完成后進(jìn)行丟棄處理。相比之下，采用干法刻蝕時(shí)，排放管線中會(huì)布置洗滌器，這能夠在向大氣中排放廢氣之前經(jīng)過(guò)中和過(guò)程，從而減少對(duì)環(huán)境的影響。

然而，由于晶圓上方數(shù)多層復(fù)雜地纏繞在一起，所以在采用干法刻蝕過(guò)程中很難瞄準(zhǔn)某一特定的層（膜）。在針對(duì)某一特定層進(jìn)行刻蝕時(shí)，采用濕法刻蝕會(huì)更容易進(jìn)行，因?yàn)樗捎没瘜W(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕。而在進(jìn)行選擇性刻蝕時(shí)使用干法并不容易，因?yàn)樾枰Y(jié)合物理和化學(xué)技術(shù)。

4.刻蝕工藝流程及相關(guān)問(wèn)題

圖4. 刻蝕相關(guān)工藝流程

刻蝕工藝流程始于形成薄膜，在其上施加光刻膠，并進(jìn)行曝光、顯影、刻蝕、灰化、清潔、檢查和離子注入等步驟，以形成三個(gè)Tr端子，這是半導(dǎo)體制造的核心工藝。如果在顯影過(guò)程中不能順利切割光刻膠，則剩余的光刻膠會(huì)妨礙刻蝕。如果在刻蝕過(guò)程中未能對(duì)目標(biāo)層進(jìn)行充分刻蝕，則不能按計(jì)劃注入離子，因?yàn)殡s質(zhì)會(huì)妨礙離子注入。如果干法刻蝕后未能徹底清除殘留的聚合物，也會(huì)產(chǎn)生同樣的后果。如果由于時(shí)間控制失敗，等離子體的離子氣體量太大或薄膜刻蝕過(guò)度，會(huì)對(duì)下層薄膜造成物理性損傷。

因此，在干刻蝕工藝中精準(zhǔn)控制終點(diǎn)（EOP：End of Point）至關(guān)重要。徹底檢查刻蝕條件以及灰化和清潔過(guò)程也非常重要。如果晶圓刻蝕不均勻，則晶圓可能遭到退貨，而且刻蝕不足比過(guò)度刻蝕更為致命。

由于刻蝕工藝涉及的步驟非常復(fù)雜，我打算將其分為兩部分進(jìn)行闡述。在這一部分中，我們闡述了刻蝕技術(shù)的歷史和發(fā)展方向。在下一部分中，我們將對(duì)等離子體和刻蝕之間的關(guān)系、RIE、刻蝕方法、縱橫比以及刻蝕速度進(jìn)行詳細(xì)闡述。

早期的濕法刻蝕促進(jìn)了清潔（Cleansing）或灰化（Ashing）工藝的發(fā)展。而在如今，使用等離子體（Plasma）的干法刻蝕（Dry Etching）方法已經(jīng)成為主流刻蝕工藝。等離子體由電子、陽(yáng)離子和自由基（Radical）粒子組成。在等離子體上施加的能量使中性狀態(tài)下的源氣體最外層電子發(fā)生剝離，從而將這些電子轉(zhuǎn)化為陽(yáng)離子。

此外，還可以通過(guò)施加能量來(lái)剝離分子中不完美的原子，形成電中性的自由基。干法刻蝕利用構(gòu)成等離子體的陽(yáng)離子和自由基，其中陽(yáng)離子具有各向異性（適用于某一方向上的刻蝕），自由基具有各向同性（適用于所有方向上的刻蝕）。自由基的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陽(yáng)離子的數(shù)量。

在這種情況下，干法刻蝕本應(yīng)該像濕法刻蝕一樣具有各向同性。然而，正是干法刻蝕的各向異性刻蝕使超小型化電路成為可能。這是什么原因呢？另外，陽(yáng)離子和自由基的刻蝕速度非常慢，那么面對(duì)這一缺點(diǎn)，我們又該如何將等離子體刻蝕方法應(yīng)用到批量生產(chǎn)上呢？

1.縱橫比（A/R)

圖1. 縱橫比的概念以及技術(shù)進(jìn)步對(duì)其的影響

縱橫比（Aspect Ratio）是水平寬度與垂直高度之比（即高度除以寬度）。電路的關(guān)鍵尺寸（CD）越小，縱橫比值越大。也就是說(shuō)，假設(shè)縱橫比值為10，寬度為10nm，則在刻蝕過(guò)程中鉆出孔的高度應(yīng)為100nm。因此，對(duì)于要求超小型化（2D）或高密度（3D）的下一代產(chǎn)品，需要極高的縱橫比值才能確保陽(yáng)離子在刻蝕過(guò)程中能夠穿透底部的膜。

要在2D產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵尺寸小于10nm的超小型化技術(shù)，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）的電容縱橫比值應(yīng)保持100以上。同樣，3D NAND閃存也需要更高的縱橫比值來(lái)堆疊256層或更多的單元堆疊層。即便滿足其他工藝所需的條件，刻蝕工藝不達(dá)標(biāo)，也無(wú)法生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品。這就是為什么刻蝕技術(shù)越來(lái)越重要的原因。

2.等離子刻蝕概述

圖2. 根據(jù)薄膜類型確定等離子體源氣體

當(dāng)采用中空管道時(shí)，管道直徑越窄，液體越容易進(jìn)入，即所謂毛細(xì)現(xiàn)象。然而，如果要在暴露區(qū)域鉆孔（閉端），液體的輸入就會(huì)變得相當(dāng)困難。因此，自70年代中期電路關(guān)鍵尺寸為3至5?以來(lái)，干法刻蝕逐漸取代濕法刻蝕成為主流。也就是說(shuō)，雖然經(jīng)過(guò)電離，但由于單個(gè)分子的體積小于有機(jī)聚合溶液分子的體積，所以更容易穿透深孔。

在等離子體刻蝕過(guò)程中，在注入適合于相關(guān)層的等離子體源氣體之前，應(yīng)先將用于進(jìn)行刻蝕的處理室內(nèi)部調(diào)整成真空狀態(tài)。當(dāng)刻蝕固體氧化物膜時(shí)，應(yīng)使用較強(qiáng)的碳氟基源氣體。對(duì)于相對(duì)較弱的硅或金屬膜，則應(yīng)使用氯基等離子體源氣體。

那么，柵極層和底層二氧化硅（SiO2）絕緣層應(yīng)該如何刻蝕呢？

首先，對(duì)于柵極層，應(yīng)利用帶有多晶硅刻蝕選擇性的氯基等離子體（硅＋氯氣）去除硅。對(duì)于底部絕緣層，應(yīng)使用具有刻蝕選擇性和效力更強(qiáng)的碳氟基等離子體源氣（二氧化硅＋四氟化碳）分兩步對(duì)二氧化硅膜進(jìn)行刻蝕。

3.反應(yīng)離子刻蝕（RIE或物理化學(xué)刻蝕）工藝

圖3. 反應(yīng)離子刻蝕法的優(yōu)勢(shì)（各向異性和高刻蝕速率）

等離子體同時(shí)包含各向同性的自由基和各向異性的陽(yáng)離子，那么它是如何進(jìn)行各向異性刻蝕呢？

等離子體干法刻蝕主要通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕（RIE，Reactive Ion Etching）或基于該方法的應(yīng)用進(jìn)行。RIE方式的核心是通過(guò)利用各向異性陽(yáng)離子攻擊刻蝕區(qū)域，從而弱化薄膜中目標(biāo)分子之間的結(jié)合力。弱化的區(qū)域被自由基吸收，與構(gòu)成該層的粒子結(jié)合，轉(zhuǎn)化為氣體（一種揮發(fā)性化合物）并釋放出來(lái)。

雖然自由基具有各向同性的特征，但與具有強(qiáng)大結(jié)合力的側(cè)壁相比，構(gòu)成底層表面的分子（其結(jié)合力因陽(yáng)離子的攻擊而減弱）更容易被自由基捕獲并轉(zhuǎn)化為新的化合物。因此向下刻蝕成為主流。被捕獲的粒子變成帶有自由基的氣體，在真空的作用下從表面解吸并釋放出來(lái)。

此時(shí)，將通過(guò)物理作用得到的陽(yáng)離子和化學(xué)作用得到的自由基結(jié)合進(jìn)行物理化學(xué)刻蝕，與單獨(dú)進(jìn)行陽(yáng)離子刻蝕或自由基刻蝕的情況相比，刻蝕速率（Etch Rate，一定時(shí)間內(nèi)刻蝕程度）增加了10倍。這種方法不但能夠增加各向異性向下刻蝕的刻蝕速率，同時(shí)也能夠解決刻蝕后聚合物殘留的問(wèn)題。這種方法被稱為反應(yīng)離子刻蝕（RIE）法。RIE刻蝕法成功的關(guān)鍵是找到適合于刻蝕膜的等離子源氣體。注意：等離子體刻蝕即RIE刻蝕，兩者可視為同一概念。

4.刻蝕速率（Etch Rate）和核心性能指數(shù)

圖4. 與刻蝕速率相關(guān)的核心刻蝕性能指數(shù)

刻蝕速率是指刻蝕薄膜一分鐘希望達(dá)到的刻蝕深度。那么，單個(gè)晶圓上各個(gè)部分的刻蝕速率互不相同又意味著什么呢？

這意味著晶圓上各個(gè)部分的刻蝕深度各不相同。出于這個(gè)原因，通過(guò)考慮平均刻蝕速率和刻蝕深度來(lái)設(shè)定應(yīng)該停止刻蝕的終點(diǎn)（EOP）非常重要。即使設(shè)置了EOP，仍有一些區(qū)域的刻蝕深度比原計(jì)劃深（過(guò)度刻蝕）或淺（刻蝕不足）。然而，在刻蝕過(guò)程中，刻蝕不足比過(guò)度刻蝕造成的損害更大。因?yàn)樵诳涛g不足的情況下，刻蝕不足的部分會(huì)妨礙后續(xù)工藝，如離子注入。

同時(shí)，選擇性（Selectivity，通過(guò)刻蝕速率衡量）是刻蝕工藝的關(guān)鍵性能指標(biāo)。對(duì)其的衡量標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)掩模層（光刻膠膜、氧化膜、氮化硅膜等）與目標(biāo)層的刻蝕速率對(duì)比而制定的。這意味著選擇性越高，目標(biāo)層刻蝕得越快。小型化水平越高，對(duì)于選擇性的要求越高，以確保可以完美呈現(xiàn)精細(xì)圖案。由于刻蝕方向呈直線，陽(yáng)離子刻蝕的選擇性低，而自由基刻蝕的選擇性高，從而提高了RIE的選擇性。

5.刻蝕過(guò)程

圖5. 刻蝕過(guò)程

首先，將晶圓放置在氧化爐中，溫度保持在800至1000℃之間，隨后通過(guò)干法在晶圓表面上形成具有高絕緣性能的二氧化硅（SiO2）膜。接下來(lái)進(jìn)入沉積工藝，通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）/物理氣相沉積（PVD）在氧化膜上形成硅層或?qū)щ妼?。如果形成硅層，則在必要時(shí)可進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散處理以增加導(dǎo)電性。在雜質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程中，往往會(huì)反復(fù)添加多種雜質(zhì)。

此時(shí)應(yīng)將絕緣層和多晶硅層結(jié)合起來(lái)進(jìn)行刻蝕。首先，使用光刻膠。隨后，將掩模放置在光刻膠膜上，并通過(guò)浸沒(méi)法進(jìn)行濕法曝光，從而在光刻膠膜上印刻上預(yù)期的圖案（肉眼不可見）。當(dāng)通過(guò)顯影呈現(xiàn)圖案輪廓時(shí)，會(huì)清除掉感光區(qū)域的光刻膠。然后，將經(jīng)過(guò)光刻工藝處理的晶圓轉(zhuǎn)入刻蝕過(guò)程，進(jìn)行干法刻蝕處理。

干法刻蝕主要采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）法進(jìn)行，在這一過(guò)程中，主要通過(guò)更換適用于各個(gè)薄膜的源氣體來(lái)重復(fù)進(jìn)行刻蝕。干法刻蝕和濕法刻蝕都旨在增加刻蝕的縱橫比（A/R值）。此外，還需要通過(guò)定期清潔來(lái)清除積聚在孔洞（刻蝕形成的間隙）底部的聚合物（Polymer）。重要的一點(diǎn)在于，所有變量（如材料、源氣、時(shí)間、形式和順序）應(yīng)該進(jìn)行有機(jī)調(diào)整，以確保清潔溶液或等離子體源氣能夠向下流動(dòng)到溝槽底部。某個(gè)變量出現(xiàn)微小變動(dòng)，都需要對(duì)其他變量進(jìn)行重新計(jì)算，這種重新計(jì)算過(guò)程會(huì)重復(fù)進(jìn)行，直到符合于各階段的目的。

最近，像原子層沉積（ALD）層這樣的單原子膜層變得越來(lái)越薄，材料也越來(lái)越硬。因此，刻蝕技術(shù)正朝著使用低溫低壓的方向發(fā)展?？涛g工藝旨在控制關(guān)鍵尺寸（CD），以此制作精細(xì)的圖案，并確保規(guī)避因刻蝕過(guò)程引發(fā)的問(wèn)題，特別是刻蝕不足以及與殘留物清除相關(guān)的問(wèn)題。以上兩篇關(guān)于刻蝕的文章旨在讓讀者了解刻蝕工藝的目的、實(shí)現(xiàn)上述目的所存在的障礙以及用來(lái)克服此類障礙的性能指標(biāo)等。

審核編輯：劉清