【博主簡介】本人“愛在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請(qǐng)大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

內(nèi)外行的朋友都知道：半導(dǎo)體制造過程復(fù)雜，工藝流程頗多，特別是前道的“流片”，更是繁瑣中的繁瑣。本章節(jié)要跟大家分享的就是關(guān)于“刻蝕”工藝，講到“刻蝕”工藝我想到一篇古文《核舟記》,描寫了一個(gè)微雕：

“通計(jì)一舟，為人五；為窗八；為箬篷，為楫，為爐，為壺，為手卷，為念珠各一；對(duì)聯(lián)、題名并篆文，為字共三十有四；而計(jì)其長曾不盈寸。

蓋簡桃核修狹者為之。

嘻，技亦靈怪矣哉！”

想想覺得和芯片制造中“刻蝕”有著異曲同工之妙！在完成顯影檢查的步驟之后，掩模版的圖形就被固定在光刻膠膜上；刻蝕就是通過物理或者化學(xué)手段將晶圓表面未被光刻膠保護(hù)的材料去除，將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到基材的工藝。

一、“刻蝕”工藝的介紹

刻蝕，英文為Etch，它是半導(dǎo)體制造工藝，微電子IC制造工藝以及微納制造工藝中的一種相當(dāng)重要的步驟。是與光刻相聯(lián)系的圖形化（pattern）處理的一種主要工藝。所謂刻蝕，實(shí)際上狹義理解就是光刻腐蝕，先通過光刻將光刻膠進(jìn)行光刻曝光處理，然后通過其它方式實(shí)現(xiàn)腐蝕處理掉所需除去的部分?？涛g是用化學(xué)或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程，其基本目標(biāo)是在涂膠的硅片上正確地復(fù)制掩模圖形。隨著微制造工藝的發(fā)展，廣義上來講，刻蝕成了通過溶液、反應(yīng)離子或其它機(jī)械方式來剝離、去除材料的一種統(tǒng)稱，成為微加工制造的一種普適叫法。

二、“刻蝕”工藝的分類

刻蝕按大類來分，主要分為：濕法刻蝕和干法刻蝕兩種，下面表格簡單對(duì)兩種刻蝕方法進(jìn)行對(duì)比：

其中，在干法蝕刻中，氣體受高頻（主要為 13.56 MHz 或 2.45 GHz）激發(fā)。在 1 到 100 Pa 的壓力下，其平均自由程為幾毫米到幾厘米。

主要有三種類型的干法蝕刻：

? 物理干法蝕刻：加速粒子對(duì)晶圓表面的物理磨損；

? 化學(xué)干法蝕刻：氣體與晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

? 化學(xué)物理干法蝕刻：具有化學(xué)特性的物理蝕刻工藝；

1、離子束蝕刻

離子束蝕刻 (Ion beam etch) 是一種物理干法蝕刻工藝。由此，氬離子以約1至3keV的離子束輻射到表面上。由于離子的能量，它們會(huì)撞擊表面的材料。晶圓垂直或傾斜入離子束，蝕刻過程是絕對(duì)各向異性的。選擇性低，因?yàn)槠鋵?duì)各個(gè)層沒有差異。氣體和被打磨出的材料被真空泵排出，但是，由于反應(yīng)產(chǎn)物不是氣態(tài)的，顆粒會(huì)沉積在晶片或室壁上。

為避免顆粒，將第二種氣體引入腔室。該氣體與氬離子發(fā)生反應(yīng)并引起物理化學(xué)蝕刻過程。部分氣體與表面反應(yīng)，但也與打磨出的顆粒反應(yīng)形成氣態(tài)副產(chǎn)物。幾乎所有材料都可以用這種方法蝕刻。由于垂直輻射，垂直壁上的磨損非常低（高各向異性）。然而，由于低選擇性和低蝕刻速率，該工藝在當(dāng)今的半導(dǎo)體制造中很少使用。

2、等離子刻蝕

等離子刻蝕（Plasma etch）是一種絕對(duì)化學(xué)刻蝕工藝（化學(xué)干法刻蝕，Chemical dry etch）。優(yōu)點(diǎn)是晶圓表面不會(huì)被加速離子損壞。由于蝕刻氣體的可移動(dòng)顆粒，蝕刻輪廓是各向同性的，因此該方法用于去除整個(gè)膜層（如熱氧化后的背面清潔）。

一種用于等離子體蝕刻的反應(yīng)器類型是下游反應(yīng)器。從而通過碰撞電離在2.45GHz的高頻下點(diǎn)燃等離子體，碰撞電離的位置與晶片分離。

在氣體放電區(qū)域，由于沖擊存在各種顆粒，其中有自由基。自由基是具有不飽和電子的中性原子或分子，因此非常活潑。作為中性氣體，例如四氟甲烷CF4被引入氣體放電區(qū)并分離成CF2和氟分子F2。類似地，氟可以通過添加氧氣 O2 從 CF4 中分離出來：

2 CF4 + O2 --->2 COF2 + 2 F2

氟分子可以通過氣體放電區(qū)的能量分裂成兩個(gè)單獨(dú)的氟原子：每個(gè)氟原子都是一個(gè)氟自由基，因?yàn)槊總€(gè)原子都有七個(gè)價(jià)電子，并希望實(shí)現(xiàn)惰性氣體構(gòu)型。除了中性自由基之外，還有幾個(gè)部分帶電的粒子（CF+4、CF+3、CF+2、...）。然后，所有粒子、自由基等都通過陶瓷管進(jìn)入蝕刻室。帶電粒子可以通過提取光柵從蝕刻室中阻擋或者在它們形成中性分子的途中重新組合。氟自由基也有部分重組，但足以到達(dá)蝕刻室，在晶圓表面發(fā)生反應(yīng)并引起化學(xué)磨損。其他中性粒子不是蝕刻過程的一部分，并且與反應(yīng)產(chǎn)物一樣被耗盡。

可在等離子蝕刻中蝕刻的薄膜示例： ? 硅: Si + 4F---> SiF4 ? 二氧化硅: SiO2 + 4F---> SiF4 + O2 ? 氮化硅: Si3N4 + 12F---> 3SiF4 + 2N23.反應(yīng)離子蝕刻蝕刻特性: 選擇性、蝕刻輪廓、蝕刻速率、均勻性、可重復(fù)性 - 均可以在反應(yīng)離子蝕刻 (Reactive ion etch) 中非常精確地控制。各向同性蝕刻輪廓以及各向異性是可能的。因此，RIE 工藝是一種化學(xué)物理蝕刻工藝，是半導(dǎo)體制造中用于構(gòu)造各種薄膜的最重要工藝。 在工藝室內(nèi)，晶圓放置在高頻電極（HF電極）上。通過碰撞電離產(chǎn)生等離子體，其中出現(xiàn)自由電子和帶正電的離子。如果 HF 電極處于正電壓，則自由電子會(huì)在其上積聚，并且由于它們的電子親和力而無法再次離開電極。因此，電極充電至 -1000 V（偏置電壓）。不能跟隨快速交變場的慢離子向帶負(fù)電的電極移動(dòng)。

如果離子的平均自由程高，則粒子以幾乎垂直的方向撞擊晶片表面。因此，材料被加速離子（物理蝕刻）從表面擊出，此外，一些粒子與表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。橫向側(cè)壁不受影響，因此沒有磨損并且蝕刻輪廓保持各向異性。選擇性不是太小，但是，由于物理蝕刻進(jìn)程，它也不是太大。此外，晶圓表面會(huì)被加速離子損壞，必須通過熱退火進(jìn)行固化。 蝕刻工藝的化學(xué)部分是通過自由基與表面以及物理銑削材料的反應(yīng)來完成的，這樣它就不會(huì)像離子束蝕刻那樣重新沉積到晶圓或腔室壁上。通過增加蝕刻室中的壓力，顆粒的平均自由程減少。因此會(huì)有更多的碰撞，因此粒子會(huì)朝著不同的方向前進(jìn)。這導(dǎo)致較少的定向蝕刻，蝕刻過程獲得更多的化學(xué)特性。選擇性增加，蝕刻輪廓更加各向同性。通過在硅蝕刻期間側(cè)壁的鈍化，實(shí)現(xiàn)了各向異性的蝕刻輪廓。因此，蝕刻室內(nèi)的氧氣與磨出的硅反應(yīng)形成二氧化硅，二氧化硅沉積垂直側(cè)壁。由于離子轟擊，水平區(qū)域上的氧化膜被去除，使得橫向的蝕刻進(jìn)程繼續(xù)進(jìn)行。

蝕刻速率取決于壓力、高頻發(fā)生器的功率、工藝氣體、實(shí)際氣體流量和晶片溫度。各向異性隨著高頻功率的增加、壓力的降低和溫度的降低而增加。蝕刻工藝的均勻性取決于氣體、兩個(gè)電極的距離以及電極的材料。如果距離太小，等離子體不能不均勻地分散，從而導(dǎo)致不均勻性。如果增加電極的距離，則蝕刻速率降低，因?yàn)榈入x子體分布在擴(kuò)大的體積中。對(duì)于電極，碳已證明是首選材料。由于氟氣和氯氣也會(huì)攻擊碳，因此電極會(huì)產(chǎn)生均勻的應(yīng)變等離子體，因此晶圓邊緣會(huì)受到與晶圓中心相同的影響。

選擇性和蝕刻速率在很大程度上取決于工藝氣體。對(duì)于硅和硅化合物，主要使用氟氣和氯氣。

蝕刻工藝不限于一種氣體、氣體混合物或固定工藝參數(shù)。例如，可以首先以高蝕刻速率和低選擇性去除多晶硅上的原生氧化物，而隨后以相對(duì)于下方層的更高選擇性蝕刻多晶硅。

三、“刻蝕”工藝的原理

1、濕法刻蝕

（1）原理

利用化學(xué)溶液與半導(dǎo)體材料之間的化學(xué)反應(yīng)來去除材料。將晶圓放入特定的化學(xué)試劑中，試劑與晶圓表面的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成可溶解的產(chǎn)物，從而達(dá)到刻蝕的目的。例如，對(duì)于硅材料的刻蝕，常用的化學(xué)試劑可以是氫氧化鉀（KOH）溶液。硅與KOH和水反應(yīng)，生成硅酸鉀和氫氣。

（2）特點(diǎn)

濕法刻蝕具有成本低、設(shè)備簡單的優(yōu)點(diǎn)。但它對(duì)材料的選擇性相對(duì)較差，在刻蝕過程中可能會(huì)對(duì)不需要刻蝕的部分也產(chǎn)生一定的侵蝕，并且難以精確控制刻蝕的深度和圖案的邊緣質(zhì)量。

2、干法刻蝕

（1）原理

主要依靠等離子體與半導(dǎo)體材料反應(yīng)進(jìn)行刻蝕。在低壓環(huán)境下，通過射頻電源激發(fā)氣體，產(chǎn)生等離子體。等離子體中的活性粒子（如離子、自由基等）與晶圓表面的材料碰撞，發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)，這些物質(zhì)被抽氣系統(tǒng)帶走，實(shí)現(xiàn)材料的去除。例如，采用氟基氣體（如CF?）進(jìn)行硅刻蝕時(shí)，氟自由基與硅反應(yīng)生成四氟化硅氣體。

（2）特點(diǎn)

干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)是刻蝕速度快、分辨率高、各向異性好，能夠?qū)崿F(xiàn)非常精細(xì)的圖案刻蝕，并且對(duì)材料的選擇性可以通過調(diào)整氣體組分和工藝參數(shù)來控制。但是干法刻蝕設(shè)備復(fù)雜、成本高。

四、“刻蝕”工藝的歷史發(fā)展

1、早期階段（1950s-1960s）

濕法刻蝕主導(dǎo)：使用酸/堿溶液（如HF、HNO?）進(jìn)行簡單圖形化。

局限性：各向同性刻蝕導(dǎo)致鉆蝕，難以滿足高精度需求。

2、干法刻蝕興起（1970s-1980s）

等離子體刻蝕（1970s）：引入射頻（RF）激發(fā)氣體等離子體（如CF?/O?），實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕。

反應(yīng)離子刻蝕（RIE, 1980s）：結(jié)合物理離子轟擊與化學(xué)反應(yīng)，提升刻蝕精度和深寬比。

應(yīng)用驅(qū)動(dòng)：集成電路（IC）向微米級(jí)發(fā)展，濕法無法滿足需求。

典型應(yīng)用： CMOS工藝

3、高精度與新材料（1990s-2000s）

高密度等離子體刻蝕（HDP）：如ICP（電感耦合等離子體）、ECR（電子回旋共振），實(shí)現(xiàn)更高刻蝕速率和均勻性。

新型刻蝕氣體：開發(fā)Cl?、HBr等氣體以適配銅互連、低介電常數(shù)材料。

典型應(yīng)用：3D NAND存儲(chǔ)芯片。

挑戰(zhàn)：深硅刻蝕（如MEMS器件）需求推動(dòng)Bosch工藝（交替沉積/刻蝕）。

4、納米時(shí)代（2010s至今）

原子層刻蝕（ALE）：逐原子層去除，實(shí)現(xiàn)超高精度（<1nm）。

定向自組裝（DSA）：結(jié)合光刻與刻蝕，突破傳統(tǒng)分辨率限制。

典型應(yīng)用：5nm邏輯芯片、SiC功率器件。

綠色刻蝕：減少全氟化合物（PFCs）排放，發(fā)展環(huán)保工藝。

五、“刻蝕”工藝的作用

1、形成電路圖案

半導(dǎo)體器件是由各種復(fù)雜的電路圖案組成的，刻蝕工藝可以將光刻工藝定義的圖案精確地轉(zhuǎn)移到晶圓上。例如，在制造集成電路時(shí)，需要將設(shè)計(jì)的電路圖案從光刻版轉(zhuǎn)移到晶圓表面的光刻膠上，然后通過刻蝕工藝去除未被光刻膠保護(hù)的部分，從而形成與設(shè)計(jì)圖案一致的電路結(jié)構(gòu)。

2、決定器件性能

刻蝕工藝的質(zhì)量直接影響半導(dǎo)體器件的性能。如果刻蝕深度控制不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致器件的電學(xué)性能下降。例如，在制造MOS（金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體）晶體管時(shí)，柵極氧化層的厚度需要精確控制，而這依賴于刻蝕工藝對(duì)氧化層厚度的精確處理。如果氧化層過厚或過薄，都會(huì)影響晶體管的閾值電壓和電流特性。

3、影響良率

精確的刻蝕工藝對(duì)于提高半導(dǎo)體制造的良率至關(guān)重要。在大規(guī)模生產(chǎn)中，任何微小的刻蝕缺陷都可能導(dǎo)致大量的芯片失效。例如，刻蝕過程中的不均勻性可能會(huì)造成芯片局部區(qū)域的尺寸偏差，導(dǎo)致芯片在后續(xù)測試中無法正常工作，從而降低良率。

六、“刻蝕”工藝的流程

1、預(yù)處理

在進(jìn)行刻蝕之前，需要對(duì)晶圓進(jìn)行清洗和預(yù)處理，以去除表面的雜質(zhì)和自然氧化層。清洗過程通常包括多個(gè)步驟，如使用化學(xué)溶劑清洗、超純水沖洗等，確保晶圓表面干凈、平整。

2、光刻

光刻是刻蝕工藝的前序步驟。在晶圓表面涂上一層光刻膠，然后使用光刻機(jī)將設(shè)計(jì)好的圖案曝光在光刻膠上。曝光后的光刻膠在顯影液中進(jìn)行處理，未曝光的部分被溶解掉，露出晶圓表面需要刻蝕的區(qū)域。

3、刻蝕

根據(jù)選擇的刻蝕方式（濕法或干法），將晶圓放入相應(yīng)的刻蝕設(shè)備中進(jìn)行刻蝕。在刻蝕過程中，需要嚴(yán)格控制刻蝕的時(shí)間、溫度、壓力、氣體流量（針對(duì)干法刻蝕）等參數(shù)，以確?？涛g的效果符合要求。

4、后處理

刻蝕完成后，需要對(duì)晶圓進(jìn)行清洗和檢測。清洗過程主要是去除殘留的光刻膠和刻蝕產(chǎn)物，檢測過程包括對(duì)刻蝕深度、圖案尺寸和形狀等參數(shù)的測量，確保刻蝕后的圖案符合設(shè)計(jì)要求。

七、“刻蝕”工藝的參數(shù)

1、刻蝕速率（Etch Rate）

定義：單位時(shí)間內(nèi)材料被去除的厚度（如 nm/min 或 ?/min）。

影響因素：

干法：等離子體功率、氣體流量、壓力、離子能量。

濕法：溶液濃度、溫度、攪拌速度。

重要性：速率過高可能導(dǎo)致過刻蝕，過低則影響生產(chǎn)效率。

2、刻蝕均勻性（Uniformity）

定義：刻蝕速率在晶圓表面或圖形間的差異（通常用百分比表示，如 ±5%）。

影響因素：

干法：等離子體分布、氣體流動(dòng)均勻性、腔體設(shè)計(jì)。

濕法：溶液攪拌、晶圓旋轉(zhuǎn)、浸泡時(shí)間。

關(guān)鍵指標(biāo)：片內(nèi)均勻性（WIW）和片間均勻性（WTW）。

3、選擇性（Selectivity）

定義：刻蝕目標(biāo)材料與掩膜或下層材料的刻蝕速率比（如 Si:SiO? = 50:1）。

影響因素：

干法：氣體化學(xué)（如 Cl? 對(duì) Si 高選擇性）、離子能量。

濕法：溶液成分（如 HF 對(duì) SiO? 高選擇性）。

重要性：高選擇性保護(hù)掩膜和底層結(jié)構(gòu)，減少損傷。

4、各向異性（Anisotropy）

定義：刻蝕的垂直方向與橫向刻蝕的比例（完全各向異性 = 無橫向刻蝕）。

影響因素：

干法：離子轟擊方向（如 RIE）、側(cè)壁鈍化（如 Bosch 工藝）。

濕法：通常各向同性（橫向鉆蝕明顯）。

應(yīng)用場景：高深寬比結(jié)構(gòu)（如 TSV、FinFET）需高各向異性。

5、刻蝕剖面（Etch Profile）

定義：刻蝕后結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形貌（如垂直、錐形、倒梯形）。

關(guān)鍵參數(shù)：

側(cè)壁角度：90°為理想垂直剖面。

粗糙度：側(cè)壁光滑度（影響器件性能）。

控制方法：調(diào)整離子能量、氣體化學(xué)、溫度。

6、負(fù)載效應(yīng)（Loading Effect）

定義：刻蝕速率因圖形密度或面積不同而變化的現(xiàn)象。

類型：

宏觀負(fù)載效應(yīng)：晶圓間刻蝕速率差異。

微觀負(fù)載效應(yīng)：圖形密集區(qū)與稀疏區(qū)速率差異。

解決方案：優(yōu)化等離子體均勻性、調(diào)節(jié)氣體流量。

7、殘留物與聚合物（Residue/Polymer）

定義：刻蝕后殘留的副產(chǎn)物（如碳氟聚合物）。

來源：

干法：氣體反應(yīng)不完全（如 CF? 刻蝕 Si 產(chǎn)生 SiF? 和 C?F?）。

濕法：金屬離子殘留（如 Al 刻蝕后 Cu 污染）。

清除方法：O? 等離子體灰化、濕法清洗（RCA）。

下面是干法刻蝕和濕法刻蝕的關(guān)鍵參數(shù)控制表格：

八、“刻蝕”工藝技術(shù)的詳細(xì)介紹

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九、“刻蝕”工藝當(dāng)前面對(duì)的挑戰(zhàn)

1、3D NAND的高深寬比（HAR）刻蝕挑戰(zhàn)

（1）深孔/深槽刻蝕

128層及以上3D NAND需刻蝕深寬比>60:1的通道孔（如7μm深、<100nm寬），離子和反應(yīng)物傳輸困難，易導(dǎo)致刻蝕不完全或側(cè)壁扭曲。

（2）掩膜消耗與選擇比

高能離子轟擊加速掩膜（如碳硬掩膜）消耗，需開發(fā)新型掩膜材料或優(yōu)化刻蝕氣體配比。

2、先進(jìn)制程的高精度要求

（1）納米級(jí)刻蝕控制

在5nm及以下制程中，刻蝕精度需達(dá)到原子級(jí)別（如<1nm），傳統(tǒng)刻蝕方法難以滿足要求。原子層刻蝕（ALE）雖能實(shí)現(xiàn)單原子層去除，但工藝復(fù)雜且成本高昂。

（2）關(guān)鍵尺寸（CD）均勻性

多重曝光技術(shù)（如EUV+SAQP）要求刻蝕后線寬誤差控制在±0.5nm以內(nèi)，否則影響器件性能。

3、國產(chǎn)化技術(shù)瓶頸

（1）高端設(shè)備依賴進(jìn)口

中國刻蝕設(shè)備的國產(chǎn)化率在2025年已達(dá)到約20%，但7nm以下刻蝕設(shè)備仍由泛林（Lam）、東京電子（TEL）壟斷，國產(chǎn)設(shè)備（如中微CCP）在5nm驗(yàn)證中但市占率不足10%，

（2）關(guān)鍵零部件卡脖子

射頻電源、真空泵等核心部件依賴歐美日供應(yīng)鏈。

十、“刻蝕”工藝未來的發(fā)展

刻蝕技術(shù)就像醫(yī)生手中的手術(shù)刀，其技術(shù)演化直接決定摩爾定律乃至后摩爾時(shí)代芯片制造的發(fā)展趨勢，新型材料和智能化Al的運(yùn)用將形成新的驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)刻蝕技術(shù)發(fā)展。

原子層刻蝕（ALE）：單原子層精度控制。

AI工藝優(yōu)化：通過大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)刻蝕參數(shù)。

新型等離子體源/新型氣體化學(xué)：如超低溫ICP（-50°C）減少損傷，NF?/Ar混合氣體提升SiC刻蝕速率（>2μm/min）。

總之，由于“刻蝕”工藝技術(shù)是緊隨光刻技術(shù)而來，它涉及使用化學(xué)或物理方法去除硅片上多余的材料，以形成所需的圖案。這一過程中，精確控制刻蝕的深度和位置至關(guān)重要?？涛g技術(shù)的發(fā)展同樣對(duì)提高芯片質(zhì)量和性能起著關(guān)鍵作用。

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審核編輯 黃宇