刻蚀是半导体制造中的关键工艺，用于在晶圆表面精确移除材料，从而形成构成集成电路的复杂三维结构。

一、 刻蚀的定义与作用

刻蚀是一种微细加工技术，通过物理或化学方式，选择性地从晶圆表面去除材料，以形成具有特定深度、形状和尺寸的微观结构。

在现代芯片制造中，电路图形极其复杂，包含数十亿个晶体管。刻蚀工艺需要反复进行，通过逐层图形化，构建出多层互连的电路网络。

二、 刻蚀的主要类型

根据使用的介质和方法，刻蚀主要分为两大类：

1. 湿法刻蚀

• 原理：使用化学溶液（刻蚀液）与晶圆表面材料发生化学反应，生成可溶物并将其去除。

• 特点：

• 各向同性：在各个方向上的刻蚀速率基本相同，容易产生横向钻蚀，难以形成陡直的侧壁。

• 高选择比：对需要刻蚀的材料和其下方或侧面的掩模/其他材料，有较高的刻蚀速率比。

• 局限性：图形控制精度有限，通常需要后续的干燥步骤，可能导致精细图形因液体表面张力而坍塌。

2. 干法刻蚀

• 原理：使用气态或等离子体状态的化学物质在真空环境中进行刻蚀。副产物为挥发性气体，可被真空系统抽走。

• 特点：

• 各向异性：通过物理轰击（如离子）与化学反应相结合，可以实现垂直方向的刻蚀远快于横向，从而形成轮廓陡直、高深宽比的结构。这对于制造FinFET、GAA等先进三维晶体管至关重要。

• 工艺控制性强：通过调节气体成分、压力、温度、射频功率等参数，可以精确控制刻蚀速率、选择比和图形轮廓。

干法刻蚀是当前先进半导体制造中的主流技术。其中，等离子体增强干法刻蚀最为常见：通过激发气体产生高活性的自由基（化学作用）和带能量的离子（物理轰击），两者协同工作，实现高效、精密的材料去除。

新兴工艺：低温刻蚀

• 在低于0°C的低温下进行，有助于增强反应物的吸附并抑制横向化学反应，从而获得更好的形貌控制。

• 常与新型刻蚀化学物质、先进的射频脉冲技术结合，特别适用于高深宽比刻蚀等挑战性应用。

三、 刻蚀设备的分类

根据所处理材料的不同，主流的刻蚀设备可分为三类：

1. 导体刻蚀设备

• 刻蚀材料：硅（Si）、锗（Ge）、硅锗（SiGe）、金属（如钨、铝、铜）、多晶硅、以及薄的介电质（如用于硬掩模的二氧化硅/氮化硅）。

• 技术特点：通常采用电感耦合等离子体源，在高等离子体密度下运行，以实现高刻蚀速率。

2. 介电质刻蚀设备

• 刻蚀材料：较厚的绝缘薄膜，如二氧化硅（SiO₂）、氮化硅（Si₃N₄）等。

• 技术特点：通常采用电容耦合等离子体源，在较低等离子体密度下运行，依赖高能离子进行物理轰击，并对其他材料（如下层的硅或导体）保持高选择比。

3. 选择性刻蚀设备

• 特点：作为新兴的第三类别，专注于在不损伤或改变周围敏感材料的前提下，精确移除特定目标材料。其选择比要求极高。

• 实现方式：可采用基于等离子体的干法刻蚀，或基于热化学反应的刻蚀（无等离子体），具体取决于对选择比和刻蚀速率的需求。

四、 刻蚀的基本与先进机制

基本机制：

1.物理溅射：高能离子（如Ar⁺）轰击表面，直接将材料原子“撞击”出来。刻蚀方向性好，但选择比低，可能造成损伤和再沉积。

2.化学反应：活性自由基（如F·）与表面原子反应，生成挥发性产物（如SiF₄）后脱离表面。刻蚀速率可能受温度影响（需要活化能），且通常为各向同性。

先进协同机制：

1.离子-中性协同刻蚀：等离子体刻蚀的核心优势所在。离子轰击不仅直接溅射材料，还能破坏表面化学键、增加表面活性位点、为化学反应提供活化能，并帮助脱附反应产物。化学自由基则与活化的表面快速反应，生成挥发性产物。两者协同作用，实现了高速率、高选择比和各向异性的完美平衡。

2.原子层刻蚀：一种高度可控的、逐层去除材料的先进技术。每个循环包含两个自限性步骤：

• 改性/吸附步：向表面通入第一种反应气体/等离子体，使最顶层的几个原子发生化学改性或形成吸附层。

• 去除/解吸步：通入第二种反应气体/等离子体（通常是离子轰击或另一种反应剂），选择性地将改性层去除，生成挥发性副产物被抽走。

• 优点：可实现原子尺度的厚度控制、极高的均匀性和选择性，损伤极小。

五、 关键术语名词表

• 吸附：气体或液体中的分子/原子附着在固体材料表面的过程。

• 深宽比：刻蚀结构的深度与其开口宽度的比值。高深宽比结构（如深孔或深槽）是先进芯片的典型特征。

• 电容耦合等离子体：通过在真空腔室内两个平行电极间施加射频电场而产生的等离子体。

• 方向性/各向异性：刻蚀过程在特定方向（通常是垂直方向）占主导的特性。

• 解离：在等离子体中，气体分子被分解成更小、更具化学活性的片段（自由基）的过程。

• 刻蚀副产物：刻蚀过程中产生的物质，理想情况下应为挥发性气体，便于被真空系统移除。

• 刻蚀速率：单位时间内材料被去除的厚度或深度。

• FinFET：鳍式场效应晶体管，一种主流的3D晶体管结构，其鳍形沟道需要通过高精度的各向异性刻蚀来形成。

• 电感耦合等离子体：通过射频线圈的电磁感应产生的电流来激发和维持的等离子体，通常能产生高密度的等离子体。

• 图形坍塌：在湿法工艺后，由于液体干燥时的毛细管力，导致高深宽比的细微图形结构发生弯曲或黏附失效的现象。

• 自由基：含有未配对电子的高活性原子或分子片段，是等离子体化学刻蚀中的主要反应剂。

• 射频脉冲：以脉冲形式（而非连续波）施加射频功率的技术，用于更精细地控制等离子体特性、离子能量和减少损伤。

• 选择比：在刻蚀过程中，目标材料与掩模材料或其他需要保护的材料之间刻蚀速率的比值。高选择比是精确图形转移的关键。

• 挥发性：物质在常温或工艺温度下容易蒸发的性质。刻蚀副产物的高挥发性对于工艺清洁至关重要。