半导体制造技术之刻蚀工艺

W-ETCH工艺

W刻蚀工艺中使用SF6作为主刻步气体，并通过加入N2以增加对光刻胶的选择比，加入O2减少碳沉积。在W回刻工艺中分为两步，第一步是快速均匀地刻掉大部分W，第二步则降低刻蚀速率减弱负载效应，避免产生凹坑，并使用对TiN有高选择比的化学气体进行刻蚀。

AL刻蚀

AL刻蚀反应，氯气作为主要的刻蚀气体与铝发生反应，生成可挥发的副产物ALCL3气流被带出反应腔，BCL3一方面提供BCL3+，垂直轰击硅片表面，达到各向异性刻蚀，另一方面由于铝的表面极易氧化成为氧化铝，阻止了铝和cl的接触刻蚀进行，添加BCL3将这层氧化层还原，促进刻蚀进行。一般把反应腔的压力控制在6-14mT。由于AL活泼的性质，AL刻蚀机台自带去除光刻胶的腔体。

SI刻蚀

C4F8和SF6分别做钝化气体和主刻蚀气体。第一步钝化过程，C4F8在等离子状态下分解成CF+x基，与硅表面反应形成高分子钝化膜，第二步刻蚀，通入SF6气体，增加F离子分解，F-与nCF2反应刻蚀掉钝化膜并生成挥发性气体CF2，接着进行硅的刻蚀。

trench ETCH

trench ETCH中主要涉及的气体有CF4、SF6、CHF3、O2、AR-S，其中SF6、CHF3、和O2用在主刻步，原因是F原子能产生很快的刻蚀反应，然后气体中的碳元素可以对侧壁进行钝化，防止侧壁被横向侵蚀，提高各向异性；而侧壁的形状与硅片的温度有关，增加温度则侧壁钝化较少，横向刻蚀增加，硅片的温度可以通过氦气背冷来控制；加入O2是为了提高刻蚀速率和增加对氧化硅的选择比。poly ETCH中主要涉及的气体有CF4、O2、AR-S、CL2、CF4、N2、HBR、HEO2，其中主刻步是CL2、CF4、N2、HBR、HEO2，使用CL2，是因为其能产生各向异性的硅侧壁剖面并对氧化硅具有好的选择比，HBR的使用也是相同的原理，另外CL2刻蚀时产生的聚合物淀积在侧壁上，可以控制侧壁形状；CL2和HBR刻蚀的生成物SiCl4和SiBr4具有挥发性，可以被腔体抽走，减少污染。对于金属AL ETCH，常采用氯基气体如CL2和BCL3作为主刻步刻蚀气体，CL2作为主要刻蚀气体，BCL3用于还原氧化铝，促进CL2刻蚀过程，并加入N2来减少负载效应和钝化侧壁。

金属刻蚀中主要分为Al刻蚀和W刻蚀，Al刻蚀中主要刻蚀气体为Cl2和BCl3，由于AlF3是低挥发性物质，因此不能采用CF4气体，在PPTS—MEL01这个recipe中，Cl2和BCl3气体流量比110:30，主刻步时间300s，W刻蚀常用氟化物作为腐蚀剂，通常使用SF6。

②均匀性和负载效应，均匀性衡量整个硅片上，片与片，或批与批之间刻蚀能力，其计算方法为测量点数中的最大值减去最小值，除以测量项的2倍平均值，即(max-min)/2avg*100% 。均匀性问题来源于刻蚀速率与图形尺寸和密度的相关，刻蚀速率在小窗口图形中慢，甚至在高深宽比的小尺寸图形上停止，这种现象称为微负载。刻蚀速率正比于刻蚀剂浓度，刻蚀硅片中的大面积区域，消耗的刻蚀基越多，刻蚀速率越慢，称为宏观负载。图形密度不同导致刻蚀速率不同称为微观负载效应，图形密集区域，消耗越多刻蚀基，刻蚀深度越小。在mos器件中，trench深度超出预期，反向耐压变差，深度达不到预期，漂移区厚度增加，增大导通电阻。

Trench ETCH和poly ETCH

Trench ETCH和poly ETCH本质上都是刻蚀Si，但需要区分开，其原因首先是（1）工艺要求不一样，trench ETCH有形貌和倾斜度等要求，而poly ETCH一般只需要平着刻下去；（2）两道刻蚀工艺使用的气体有区别，trench ETCH使用的气体有CF4、SF6、CHF3、O2、AR，而poly ETCH使用的气体是CF4、CL2、HBR、HEO2、O2、AR-S。对于trench ETCH，预刻步主要使用CF4气体，主刻步是使用SF6、CHF3和O2。对于poly ETCH，预刻步主要使用CF4、O2和AR-S，主刻步1使用CL2、CF4和N2，主刻步2使用CL2、HBR和HEO2。另外trench ETCH工艺中后面有底部刻蚀，而poly ETCH后面有过刻步。通过观察trench ETCH不同深度的 process program，可以发现，如果需要刻蚀不同深度的trench，只需要调整过刻步的时间。

刻蚀常见异常

刻蚀常见异常：片盒卡片，叠片、错槽、片盒变形、机台故障均可能导致片盒卡片；表面划伤，和光刻工艺类似，由设备机械故障、操作不当、工具夹异常等造成，目检下为长条状线条，镜检下为图形异常；表面色差、发雾，在目检时能看到晶圆表面不规则颜色发白现象，显微镜下为密集黑点气泡等；膜厚异常，需要确定膜厚偏大还是偏小，并通过镜检确认晶圆表面异常情况；polymer，一般腐蚀后产生的副产物polymer附着在孔壁，并且在后续清洗过程中需要被清洗去除，此外，刻蚀后也可能产生硅渣，需要清洗干净；目检时，要观察硅片表面是否清洁，是否有色差，是否有划伤、缺角发雾等异常。镜检时则主要观察是否有不规则图形，是否有划伤，划片道颜色是否一致等异常。

反应离子刻蚀之外的其他刻蚀种类是可以由RF source和RF bias独立控制离子能量与密度：

电容耦合等离子体刻蚀CCP（CEOXA03北方华创机台）；电感耦合等离子体刻蚀ICP（CEPLA03鲁汶机台）；微波回旋加速共振等离子体刻蚀ECR；磁场增强反应等离子体刻蚀MERIE；双等离子源DPS（CEPLA02和CEPLA01应用材料机台）；

原子层刻蚀ALE。

刻蚀中常用400KHz，13.56MHz，2.45GHz，频率越高，粒子发生碰撞次数增多，从而产生更高密度的等离子体，而频率越低，粒子的平均自由程增加，能量越高。13.56MHz兼顾这两者，从而获得较广泛的应用。

审核编辑：汤梓红