一文详解干法刻蚀工艺

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

干法刻蚀技术作为半导体制造的核心工艺模块，通过等离子体与材料表面的相互作用实现精准刻蚀，其技术特性与工艺优势深刻影响着先进制程的演进方向。

干法刻蚀理论概述

等离子体驱动的技术特性

在真空环境下，反应气体经电离形成由电子、离子及自由基构成的等离子体，其离化率虽仅0.01%~10%，但通过局部电荷积累效应可维持稳定的刻蚀能量场。

相较于湿法工艺，干法刻蚀摒弃了液态化学试剂，转而通过物理轰击与化学反应的协同作用实现材料去除，这种转变带来三大核心优势：其一是各向异性刻蚀能力，通过离子束方向性控制可实现垂直度优于85°的侧壁形貌；其二为关键尺寸（CD）控制精度，借助实时终点检测技术可将线宽偏差控制在±5nm以内；其三在于工艺稳定性，通过腔体压力与射频功率的精确调控，可实现晶圆内、批次间刻蚀速率波动<2%的极致均匀性。

工艺分类与作用机理

根据能量耦合方式，干法刻蚀可分为三大技术路线：

纯物理刻蚀（溅射/离子铣）：依托高能惰性气体离子（如Ar ^+^ ）的垂直轰击实现材料溅射去除，具有完全各向异性特征，但缺乏化学选择性，常用于金属互联层的修整

纯化学刻蚀（等离子体刻蚀）：利用氟基/氯基自由基与硅基材料的化学反应生成挥发性产物（如SiF4），呈现各向同性特征，对氧化硅/氮化硅的选择比可达10:1以上

反应离子刻蚀（RIE）：通过物理轰击与化学刻蚀的动态平衡，在维持各向异性的同时提升刻蚀选择比，已成为逻辑器件栅极刻蚀、存储器三维堆叠的主流解决方案

复合刻蚀机制解析

现代RIE工艺通过多参数协同实现精密控制：

化学刻蚀主导区：中性自由基在表面吸附后引发化学反应，生成易挥发产物，该过程决定基础刻蚀速率与材料选择性

物理轰击增强区：加速离子束通过动量传递打破化学键，清除表面钝化层，其能量密度直接影响各向异性程度

聚合物沉积调控：含碳前驱体在离子轰击下于侧壁形成保护层，通过调整沉积/刻蚀速率比（D/E比）可实现侧壁倾角从0°到90°的连续调控

微负载效应补偿：采用脉冲式射频功率与分压控制技术，有效缓解高深宽比结构中的刻蚀速率衰减问题

技术挑战与发展方向

尽管干法刻蚀在精度与可控性方面优势显著，但仍面临三大技术瓶颈：其一，等离子体诱导损伤需通过低温工艺与钝化层优化进行抑制；其二，多材料叠层刻蚀的选择比需突破100:1量级；其三，EUV光刻胶的刻蚀兼容性亟待提升。当前研究聚焦于高密度等离子体源开发、原子层刻蚀（ALE）技术突破以及机器学习驱动的工艺窗口优化，旨在满足3nm及以下节点对极致精度与良率控制的需求。

该技术体系的发展，正持续推动着半导体器件向更高集成度、更低功耗方向演进，其工艺创新已成为摩尔定律延续的关键技术支柱之一。

溅射与离子铣刻蚀（纯物理刻蚀）

溅射与离子铣刻蚀作为典型的纯物理刻蚀工艺，其核心机理在于利用惰性气体离子（如氩离子）在强电场加速下获得的动能，通过垂直轰击晶圆表面实现材料去除。该技术的显著优势在于其极端的各向异性特性，离子束的直线传播特性使得侧壁倾角可控制在5°以内，这对亚微米级线宽的精确控制至关重要。然而，物理轰击的普适性也带来固有缺陷：

其一，刻蚀选择比通常低于3:1，光刻胶与衬底材料的同步侵蚀问题突出，尤其在图(a)所示的沟槽结构中，光刻胶侧壁侵蚀可导致关键尺寸（CD）偏差超过20%；其二，溅射产物再沉积效应显著，图(b)显示，光刻胶颗粒在离子反弹作用下的再淀积污染率可达15%，需通过高频氩气吹扫缓解；其三，离子沟槽效应如图(c）所示，垂直入射离子在光刻胶斜面发生镜面反射，在衬底形成二次刻蚀沟槽，深度可达原始刻蚀深度的30%。针对上述问题，行业开发出离子辅助化学刻蚀技术

通过在硅片表面引入含氯/氟反应气体，使离子轰击能量从纯物理作用转向促进表面化学反应，典型工艺如CF4/Ar混合气体刻蚀硅氧化物，可将选择比提升至8:1，同时保持50nm/min的刻蚀速率。

等离子体刻蚀（纯化学刻蚀）

等离子体刻蚀技术则完全依托于高活性自由基团的化学反应。在射频电场作用下，含氟/氯气体（如SF6、Cl2）解离生成F·、Cl·等自由基，这些中性粒子通过扩散到达晶圆表面，与硅、二氧化硅等材料发生选择性反应，生成SiF4、CO等挥发性产物。

该技术的核心优势在于其卓越的刻蚀选择性，通过气体组分的精确调控，可实现硅/光刻胶选择比>50:1，二氧化硅/氮化硅选择比>30:1，这对保护下层器件结构至关重要。

然而，化学反应的各向同性特性导致线宽控制能力受限，在深宽比>5:1的结构中，侧向钻蚀可使特征尺寸膨胀15%-20%。为突破此瓶颈，行业采用脉冲式等离子体技术，通过周期性通断射频电源，在自由基反应阶段与副产物解吸阶段之间建立动态平衡，使刻蚀剖面各向异性比从0.6提升至0.85。

典型应用如逻辑器件接触孔刻蚀，采用C4F8/Ar脉冲等离子体，在保持120nm/min刻蚀速率的同时，将侧向钻蚀控制在2nm以内，满足14nm节点精度要求。

反应离子刻蚀（物理+化学刻蚀）

反应离子刻蚀（RIE）作为半导体制造的核心工艺，通过物理轰击与化学反应的协同作用，实现了刻蚀速率、选择性与各向异性的突破性平衡。其技术本质可拆解为三大核心部分：

协同刻蚀机理

RIE工艺中，等离子体中的带电离子（如Ar ^+^ ）在射频偏压加速下获得数百eV动能，通过垂直轰击打破待刻蚀材料表面化学键，同时氟基/氯基自由基（F·、Cl·）与暴露出的活性位点发生选择性化学反应，生成挥发性产物（如SiF4、AlCl3）。这种“物理清障+化学刻蚀”的协同效应，使刻蚀速率较纯物理或纯化学工艺提升1个数量级。

典型应用如硅刻蚀速率可达1-2μm/min，且硅/光刻胶选择比>20:1。

聚合物调控技术

刻蚀过程中，含碳气体（如CHF3、C4F8）解离生成的含碳聚合物在侧壁沉积形成保护层，其沉积速率与刻蚀速率的动态平衡决定了侧壁形貌：

高沉积速率模式：聚合物覆盖速率>刻蚀速率，形成V形侧壁，适用于浅沟槽隔离（STI）等结构；

低沉积速率模式：通过优化气体流量比（如CF4/CHF3比例），使聚合物仅在侧壁沉积而表面保持清洁，获得垂直度>88°的U形侧壁，满足FinFET栅极刻蚀需求。

工艺系统与参数优化

RIE设备分为平板式与电感耦合式（ICP）两大架构：

平板式系统：采用平行板电极结构，通过调节射频功率（100-1000W）与腔体压力（1-100mTorr）控制离子能量与通量，适用于介质层刻蚀；

六角式系统：利用电感耦合产生高密度等离子体（>10¹²/cm³），结合可调偏压电源，实现离子能量独立控制，典型应用如3D NAND通道孔刻蚀，深宽比可达100:1。

典型工艺案例

博世工艺：通过SF6刻蚀与C4F8钝化的交替循环，在硅表面形成周期性锯齿状结构。

最终通过热氧化工艺将侧壁形貌转化为多层纳米线，该工艺已实现深宽比60:1的通孔刻蚀；

硬掩膜集成工艺：针对多晶硅栅极刻蚀，采用SiO2硬掩膜替代光刻胶，通过两步RIE工艺，将关键尺寸（CD）偏差控制在±3nm以内，显著提升14nm节点器件良率。

技术边界与材料适应性

RIE工艺对材料的选择性取决于副产物挥发性：

硅基材料：SiF4（沸点-86℃）的高挥发性使其成为RIE理想刻蚀对象；

金属材料：Cu的刻蚀副产物CuCl（1490℃）因沸点过高易造成再沉积，故采用大马士革工艺替代直接刻蚀；Al则可通过Cl基气体（如BCl 3）实现可控刻蚀，副产物AlCl3沸点181℃，在150℃衬底温度下可有效挥发。