光@@“堆叠@@”可不行@@
在@@半导体@@前端工艺@@@@第三篇@@中@@，我们了解了如@@何制作@@“饼干@@模具@@@@”。本期@@，我们就来讲讲如@@何采用这个@@“饼干@@模具@@@@”印出我们想要的@@“饼干@@”。这一步骤的重点@@，在@@于如@@何移除不需要的材料@@，即@@“刻蚀@@（Etching）工艺@@”。
图@@1: 移除饼干@@中@@间部分@@，再倒入巧克力糖浆@@@@
让我们再来回想一下上一篇内容中@@制作饼干@@的过程@@。如@@果想在@@@@“幸福之翼@@”造型饼干@@中@@加一层巧克力夹心@@，要怎么做呢@@？最简单的方法就是@@把饼干@@中@@间部分挖出来@@，再倒入巧克力糖浆@@@@。挖出饼干@@的这一过程@@，在@@半导体@@制程中@@就叫做@@“刻蚀@@”，即@@在@@@@“幸福之翼@@”饼干@@上叠加中@@间被挖空的黄色模具@@@@（光@@刻胶@@），再喷洒只与饼干@@裸露部分产生反应的溶液@@，使其未受模具@@保护的部分被溶解腐蚀@@。随后@@便应移去模具@@@@，倒入巧克力糖浆@@。最后@@@@，清理残余的巧克力糖浆@@，再盖上一层饼干@@层@@，巧克力夹心饼干@@就制成了@@。
在@@半导体@@制程工艺@@中@@@@，有很多不同名称的用于移除多余材料的工艺@@@@，如@@“清洗@@”、“刻蚀@@”等@@。如@@果说@@“清洗@@”工艺@@是把整张晶圆上多余的不纯物去除掉@@，“刻蚀@@”工艺@@则是在@@光@@刻胶@@的帮助下有选择性地移除不需要的材料@@，从而@@创建所需的微细图@@案@@。半导体@@“刻蚀@@”工艺@@所采用的气体和@@设备@@@@，在@@其他类似工艺@@中@@也很常见@@。
刻蚀@@工艺@@的特性@@
“刻蚀@@”工艺@@具有很多重要的特性@@。所以@@，在@@了解具体工艺@@之前@@，有必要先梳理一下刻蚀@@工艺@@的重要术语@@，请见下图@@@@：
图@@2: 等@@向性刻蚀@@与非等@@向性刻蚀@@@@的特点@@
第一个关键术语就是@@@@“选择比@@”，该参数用于衡量是否只刻蚀@@了想刻蚀@@的部分@@。在@@反应过程中@@@@，一部分光@@刻胶@@也会被刻蚀@@@@，因此@@在@@实际的刻蚀@@工艺@@中@@@@@@，不可能@@100%只刻蚀@@到想移除的部分@@。一个高选择比@@@@的刻蚀@@工艺@@@@，便是只刻蚀@@了该刻去的部分@@，并尽可能少地刻蚀@@到不应该@@@@刻蚀@@材料的工艺@@@@。
第二个关键词@@，就是@@“方向的选择性@@”。顾名思义@@，方向的选择性@@是指刻蚀@@的方向@@。该性质可分为等@@向性@@（Isotropic）和@@非等@@向性@@（Anisotropic）刻蚀@@两种@@： 等@@向性刻蚀@@没有方向选择性@@, 除纵向反应外@@，横向反应亦同时发生@@；非等@@向性刻蚀@@@@则是借助具有方向性的离子撞击来进行特定方向的刻蚀@@@@，形成垂直的轮廓@@。试想一个包裹糖果的包装袋漏了一道口子@@，如@@果把整块糖连包装袋一起放入水中@@@@，一段时间后@@@@，糖果就会被溶解@@。可如@@果只向破口处照射激光@@@@，糖果就会被烧穿@@，形成一个洞@@，而@@不是整块糖果被烧没@@。前一现象就好比等@@向性刻蚀@@@@，而@@后@@一现象就如@@同非等@@向性刻蚀@@@@@@。
第三个关键词@@，就是@@表明刻蚀@@快慢的@@“刻蚀@@速率@@（Etching Rate）”。如@@果其他参数不变@@，当然@@速率越快越好@@，但一般没有又快又准的完美选择@@。在@@工艺@@研发过程中@@@@，往往需要在@@准确度等@@参数与速率间权衡@@。比如@@@@，为提高@@刻蚀@@的非等@@向性@@，需降低刻蚀@@气体的压力@@，但降压就意味着能够参与反应的气体量变少@@，这自然就会带来刻蚀@@速率@@的放缓@@。
最后@@@@一个关键词就是@@@@“均匀性@@”。均匀性@@是衡量刻蚀@@工艺@@在@@整片晶圆上刻蚀@@能力的参数@@，反映刻蚀@@的不均匀程度@@。刻蚀@@与曝光@@不同@@，它需要将整张晶圆裸露在@@刻蚀@@气体中@@@@。该工艺@@在@@施加反应气体后@@去除副产物@@，需不断循环物质@@，因此@@很难做到整张晶圆的每个角落都是一模一样@@。这就使晶圆不同部位出现了不同的刻蚀@@速率@@@@。
刻蚀@@的种类@@：湿@@刻蚀@@@@（Wet Etching）与干刻蚀@@@@（Dry Etching）
刻蚀@@也像氧化工艺@@一样@@，分为湿@@刻蚀@@@@@@（Wet Etching）和@@干刻蚀@@@@（Dry Etching）。还记得上一篇我们说到@@，取名@@“湿@@法@@”氧化的原因是因为采用了水蒸气与晶圆反应@@，而@@刻蚀@@中@@的@@“湿@@”则意味着将晶圆@@“浸入液体后@@捞出@@”。湿@@刻蚀@@@@的优点是刻蚀@@速率@@相当快@@，且只采用化学方法@@，所以@@“选择比@@”较高@@。但其问题是只能进行等@@向性@@（Isotropic）刻蚀@@。如@@果把晶圆浸入液体中@@@@，液体就会自由流动与材料发生反应@@@@，光@@刻胶@@背面的受保护部分也会与液体发生反应@@@@，被快速溶解腐蚀@@，准确度较差@@。而@@且@@，如@@果光@@刻胶@@破口很小@@，液体刻蚀@@剂将受自身表面张力影响@@，无法穿过破口@@。用光@@刻机绘制了微细的图@@形后@@@@，若不能照图@@形制成电路@@，也只是徒劳@@。因此@@，如@@今@@在@@制作半导体@@核心层时@@，一般不采用湿@@刻蚀@@@@的方法@@。
图@@3: 在@@光@@刻胶@@破口内自由流动的液体刻蚀@@剂@@
干刻蚀@@则泛指采用气体进行刻蚀@@@@的所有工艺@@@@，即@@在@@@@晶圆上叠加光@@刻胶@@@@“模具@@”后@@，将其裸露于刻蚀@@气体中@@的工艺@@@@。干刻蚀@@可分为等@@离子刻蚀@@@@、溅射刻蚀@@和@@反应性离子刻蚀@@@@（RIE, Reactive Ion Etching）。与湿@@刻蚀@@@@不同@@，这些干刻蚀@@工艺@@采用各种不同的方式来刻蚀@@材料@@，所以@@，可以一目了然地说明非等@@向性和@@等@@向性刻蚀@@的特点@@。例如@@@@，采用化学反应的干刻蚀@@为等@@向性刻蚀@@@@，采用物理反应的刻蚀@@则为非等@@向性刻蚀@@@@@@。最近@@，随着@@RIE（非等@@向性高@@、刻蚀@@速率@@高的一种@@干刻蚀@@方法@@）成为主流@@，干刻蚀@@具有非等@@向性的认识已成了一种共识@@（RIE的具体工艺@@请见下面的详述内容@@）。
刻蚀@@的种类@@：按去除材料的方法划分@@
去除晶圆上材料的方法大致可分为化学方法和@@物理方法两种@@：
化学方法就是@@采用与指定材料易反应的物质进行化学反应@@。光@@刻胶@@下面有许多要去除的物质@@，如@@在@@氧化工艺@@中@@生成的氧化膜或@@在@@沉积工艺@@中@@涂敷的一些其他物质等@@@@。化学方法就是@@采用易与想去除的材料@@产生反应@@，却不与光@@刻胶@@发生反应@@的物质@@，有针对性地去除材料@@。当然@@，根据要去除的材料@@@@，所使用的刻蚀@@剂@@（气体或@@液体@@）也不同@@。常用刻蚀@@剂有以氟或@@氯@@为基础的化合物等@@@@。化学方法的优点是@@“高选择比@@@@”，可以只去除想去除的材料@@@@。
物理方法是借助具有高能量的离子撞击晶圆表面@@，以去除材料@@，这种方法叫溅射刻蚀@@@@（Sputtering）。该方法先把气体@@（主要使用惰性气体@@）气压降低@@，再赋予高能量@@，使气体分解为原子@@（+）与电子@@@@（-）。此时@@，朝晶圆方向施加电场@@，原子就会在@@电场作用下加速与晶圆发生冲撞@@。
这种方法的原理很简单@@，但在@@实际工艺@@中@@@@@@，仅凭这一原理很难达成目的@@。低气压意味着参加反应的气体量少@@，刻蚀@@速率@@当然@@就会慢下来@@。而@@且@@，采用物理方法时@@，会移除较大面积的本不该去除的材料@@@@。物理方法采用强行用力刻出材料的方法@@，发生冲撞时不会区分@@“应该@@”还是@@“不应该@@@@”去除的材料@@。（在@@后@@续介绍沉积工艺@@的沉积气体时也会说到溅射方法@@，大家不妨记住@@，有助于下文的理解@@。）
因此@@，在@@实际的刻蚀@@工艺@@中@@@@，我们主要采用将化学和@@物理方法相结合的反应性离子刻蚀@@@@（RIE, Reactive Ion Etching）。RIE属于干刻蚀@@的一种@@@@，它将刻蚀@@气体变成等@@离子@@，以进行刻蚀@@@@@@。具体而@@言@@，这种方法在@@设备@@内投入混合气体@@（反应气体与惰性气体@@）后@@，赋予气体高能量@@，使其分解为电子@@@@（Electron）、阳离子@@（Positive Ion）和@@自由基@@@@（Radical）1。质量较轻的电子@@基本上起不了什么作用@@，而@@在@@电场中@@向阳离子@@施加冲向晶圆方向的加速度@@，就会发生物理刻蚀@@@@。阳离子@@具有正电荷@@，在@@电场中@@加速时方向性很强@@。到这里@@，是不是与物理方法没什么两样呢@@？
1自由基@@：指气体具有不成对电子@@等@@高反应性的状态@@。
图@@4: RIE工艺@@概要@@
然而@@@@，在@@这一过程中@@@@，阳离子@@还会起到一个作用@@：弱化被撞击材料的化学键@@。电场使阳离子@@径直向前发射出去@@，会集中@@撞到图@@@@4所示的红色部分@@。侧壁化学键稳固@@，而@@正面化学键因撞击被弱化@@。随后@@接触具有极高化学活性的自由基@@@@，正面材料便会有更高的刻蚀@@速率@@@@，最终造就非等@@向性很高的刻蚀@@@@。
可见@@，等@@离子刻蚀@@技术@@可谓是@@“一举三得@@”：① 生成阳离子@@@@，产生物理性刻蚀@@@@；② 使被刻蚀@@材料的化学键变弱@@；③ 还能提高@@刻蚀@@气体的反应性@@。既取了化学刻蚀@@之长@@ —— “高选择比@@@@”，又不失物理刻蚀@@的优点@@ ——“非等@@向性刻蚀@@@@”。
当然@@，即@@便采用@@RIE，仅凭刻蚀@@工艺@@也很难@@100%得到所需的图@@形@@。如@@果要解决其他问题@@，还需要改变气体组合@@、采用硬掩模@@2（Hard Mask）的其他工艺@@或@@新材料的帮助@@。
2硬掩膜@@（Hard Mask）：为防止因图@@形微细化而@@造成光@@刻胶@@上的图@@形被破坏@@，在@@其下方额外添加的掩模版@@。
刻蚀@@气体与附加气体@@
刻蚀@@工艺@@中@@所使用的气体非常重要@@。从上述内容中@@可以看出@@，刻蚀@@工艺@@的核心就是@@化学反应@@。所以@@，我们要根据想去除的材料@@@@，选择相应的刻蚀@@剂@@（Etchant）进行刻蚀@@@@。选择刻蚀@@气体时@@，要衡量反应生成的副产物是否容易被去除@@、刻蚀@@选择比@@是否够高和@@刻蚀@@速率@@是否足够快等@@因素@@。经常采用的刻蚀@@气体有氟@@（F）、氯@@（CI）、溴@@（Br）等@@卤族元素化合物@@。
图@@5: 等@@离子刻蚀@@气体的种类@@（摘自@@：（株@@）图@@书出版@@HANOL出版社@@[半导体@@制造技术@@的理解@@443p])
在@@半导体@@的制程中@@@@，晶圆表面会涂敷各种物质@@。因此@@，从理论上来讲@@，要刻蚀@@的材料有无数种@@。我们主要举几个代表性的例子@@。比如@@@@，硅@@（Si）系列元素采用氟系气体可以轻易去除@@。硅@@遇氟立即@@反应生成很容易被气化的氟化硅@@@@。SiF4就是@@氟化硅@@的一种@@@@，在@@标准大气压下@@，其熔点为@@－90.3℃。也就是@@说@@，反应后@@生成的@@SiF4将立即@@气化成气体消散@@，即@@在@@@@晶体表面发生刻蚀@@的同时立刻变成气体@@。
常用作绝缘或@@保护膜的二氧化硅@@@@（SiO2）也很容易被含氟气体去除@@。与纯硅@@不同@@，二氧化硅@@已经是硅@@元素与氧结合形成的稳定化合物@@（硅@@燃烧后@@的粉尘@@），所以@@需要使用发热的气体才能将其去除@@。氟与碳@@（C）结合的气体便是常用于去除二氧化硅@@的刻蚀@@气体@@。通过发热反应@@，该气体可夺取与氧气结合的硅@@原子@@。
HKMG3、BEOL4等@@工艺@@则需要刻蚀@@金属性材料@@。金属性材料一般易与卤族元素@@（氯@@、氟等@@@@）发生反应@@，但其副产物的熔点非常高@@，所以@@很难去除@@。以铜为例@@，铜与气体反应产生的副产物熔点在@@@@1,000℃以上@@。也就是@@说@@，铜遇到刻蚀@@气体后@@@@，晶圆表面就会像生了锈@@一样@@，想去除这层@@“锈@@”，需要向晶圆施加@@1,000℃的高温@@，但这样一来其他重要的电子@@@@188足彩外围@@app 就很有可能被烧毁@@。因此@@，即@@便铜具有非常出色的电气特性@@，它却在@@铝的电气特性逼近物理极限时才被引进作为材料@@。而@@且@@，为了克服铜的这种@@“缺陷@@”，还需引进名为镶嵌@@@@（Damascene)5 的新工艺@@@@。所以@@，大家要时刻记住@@，重点并不在@@于新材料本身是否具有良好的物理特性@@，而@@是在@@于与其一同引进的新工艺@@@@是否与已有工艺@@相匹配@@，可以实现量产@@。
其实@@，在@@实际工艺@@中@@@@，我们很难根据要去除的材料@@@@挑选出完美的刻蚀@@气体@@。例如@@@@，对去除硅@@奏效的气体对去除二氧化硅@@也同样奏效@@（反之亦然@@）。如@@果硅@@与二氧化硅@@同在@@@@，但想更多地去除其中@@@@一种材料怎么办@@？这时@@，如@@何制作混合气体成了关键@@。例如@@@@，调高氟气中@@的碳比例@@，发热反应就会更加激烈@@， SiO2的选择比@@自然就会变高@@。
附加气体也很重要@@。我们可以通过在@@刻蚀@@气体添加氧气@@（O2）、氮气@@（N2）和@@氢气@@（H2）等@@各种其他附加气体@@，使刻蚀@@气体具有某种特性@@。例如@@@@，在@@去除硅@@时附加氢气@@，可生成提高@@非等@@向性刻蚀@@@@的内壁@@。此外@@，还可添加部分惰性气体@@。其中@@@@，氖气@@（Ne）就是@@非常典型的惰性气体之一@@，它在@@可调节刻蚀@@气体浓度的同时@@，还可提供物理性刻蚀@@的效果@@。
3 HKMG（High-K Metal Gate）: 可有效减少电流泄露的新一代@@MOSFET栅极@@；是一种以金属代替传统的多晶硅@@@@（Polysilicon）栅极@@并以高介电@@（High-K）取代氧化硅@@绝缘膜的晶体管@@。
4后@@端工艺@@@@（BEOL，Back End Of the Line）：通过细微的金属布线在@@多达数十亿个电子@@元器件之间形成连接的工艺@@@@
5镶嵌@@（Damascene）：为使用铜作为金属布线材料所需的工艺@@@@。该工艺@@先刻蚀@@金属布线的位置@@，随后@@沉积金属@@，再通过物理方法去除多余的部分@@。
结论@@：提高@@密度的另一个抓手@@
一言以蔽之@@，刻蚀@@工艺@@就是@@结合物理和@@化学方法以形成微细图@@案的半导体@@制程工艺@@的核心@@。刻蚀@@虽然不能像光@@刻机一样@@，直接绘制精密的图@@形@@，但可通过调节气体比例@@、温度@@、电场强度和@@气压等@@各种参数@@，使晶圆的数千亿个晶体管具有相同的图@@形@@。
近来@@，以进一步升级光@@刻机来提高@@密度的方法已达到了瓶颈@@。刻蚀@@工艺@@的重要性自然更加突显@@。CPU和@@AP等@@产品中@@的鳍式场效电晶体@@@@（FinFET)6就是@@很好的一个案例@@。
尤其对于@@SK海力士@@这种半导体@@存储器制造商来说@@，动态随机存储器@@（DRAM）和@@闪存@@（NAND）等@@主打产品对刻蚀@@工艺@@的依存度非常高@@。比如@@@@，DRAM中@@装载数据的电容@@（Capacitor）要堆叠@@得更高@@，而@@NAND则需要先实现三维@@化@@，一次刻蚀@@就要穿透@@100多层@@。由于这些产品必然会不断拉高深宽比@@@@（Aspect Ratio）7，为确保可靠度@@，开始刻蚀@@的部分与底边直径要相差无几@@。可见@@刻蚀@@工艺@@有待解决的问题仍然很多@@。
6 鳍式场效电晶体@@（FinFET，Fin Field-Effect Transistor）：三维@@MOSFET的一种@@，因电晶体的形状与鱼鳍相似而@@得名@@。
7深宽比@@（Aspect Ratio，也称纵横比@@）：刻蚀@@高度与宽度的比值@@。深宽比@@越高就表示穿透得越深@@。
图@@6: DRAM的内部结构@@；单元区域内许多纤细纵向的结构即@@为电容@@
相信读者们可以从本篇刻蚀@@工艺@@介绍中@@再一次体会到半导体@@制程工艺@@间紧密相连并相互影响@@。上文也说到@@，硅@@与二氧化硅@@遇氟可立即@@气化成气体挥发@@。但如@@果把晶圆材质变成锗@@（Ge）等@@其他材料@@，即@@便本身具有很好的物理特性@@，但只要它们无法经刻蚀@@@@、沉积等@@工艺@@加工@@，便没有意义@@。
如@@今@@，制造技术@@的突破变得愈发艰难@@，笔者希望直接或@@间接从事半导体@@领域工作的人员们也能清楚地认识到这一事实@@。为了攻克剩下的障碍@@，我们对上下游相关工艺@@也要非常了解@@，还要与相关部门密切沟通@@。
※ 本文为外部专家对半导体@@@@/ICT的见解@@，并不代表@@SK海力士@@的立场@@。
文章来源@@：SK海力士@@