转载—关注半导体设备国产化：说说干法刻蚀与湿法刻蚀的那些事
一、刻蚀的分类
在所有半导体制造设备中，提起光刻机相信很多人知晓，知道ASML多牛掰，也大概知道国产光刻机水平如何。但是提起刻蚀机，可能很多人就懵了，不知刻蚀为何物。但是在如今的半导体工业中，刻蚀机在晶圆制造设备投资中的占比达到20%，仅次于光刻机的30%，可见其重要性。
刻蚀是光刻之后的关键步骤，是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的刻蚀材料，进而形成光刻定义的电路图形。说人话就是把想要的留下，不想要的清理掉：刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀，湿法刻蚀是用液体化学试剂以化学方式去除硅片表面的材料，但由于其在线宽控制和刻蚀方向性等多方面的局限，在3m以后的工艺中不再使用，干法刻蚀成为当前主流工艺。干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体中，等离子体通过光刻胶开出的窗口，与硅片发生物理或化学反应（或这两种反应），从而去除曝露的表面材料。相比湿法刻蚀，干法刻蚀的优点是刻蚀剖面各向异性，具有较好的线宽控制能力，同时由于不采用化学试剂，减少了化学玷污问题以及材料消耗和废气处理费用等。
干法刻蚀主要包括金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀，其中金属刻蚀主要用于金属互连线的铝合金刻蚀、制作钨塞及接触金属刻蚀；介质刻蚀主要用于制作接触孔和通孔；硅刻蚀主要用于制作MOS栅结构的多晶硅栅和器件隔离或DRAM电容结构中的单晶硅槽。
二、CCP刻蚀与ICP刻蚀的差异
等离子体刻蚀的主要刻蚀过程是：刻蚀气体进入反应腔后，在外加电磁场作用下通过辉光放电产生由电子和原子结合在一起形成的等离子体；等离子体轰击晶圆表面并被吸附；晶圆表面产生化学反应并形成反应产物和副产物；副产物解吸附后被排出腔室，在中微公司的官网上能找到的刻蚀设备有7个型号，其中五个是CCP刻蚀设备，一个是TSV刻蚀设备，还有一个是ICP刻蚀设备。CCP与ICP是按照等离子体产生和控制技术的不同而分类的。
CCP是Capacitively Coupled Plasma的英文简称，中文含义是电容耦合等离子体刻蚀，相对应的ICP是Inductively Coupled Plasma的英文简称，中文含义是电感耦合等离子体刻蚀。
CCP的原理是将施加在极板上的射频或直流电源通过电容耦合的方式在反应腔内形成等离子体，通常射频的频率为13.56MHz。当然CCP的频率有高低之分，其中将2MHz/4MHz的射频电源称为低频射频源，频率在27MHz以上的称为高频射频源。在反应腔室气压上，CCP的工作气压可以从几个mTorr到几百个mTorr之间，因为电子质量远低于离子质量，电子可以运动更远更长的距离并与气体、器壁进行碰撞并电离出更多的电子和离子。由于高深宽比结构的刻蚀要求的提高，近年来反应腔室工作气压已经降低至10mTorr，以增加离子的自由程和减少因碰撞所造成的能量损失。
ICP刻蚀的原理是将射频电源的能量经由电感线圈，以磁场耦合的形式进入反应腔内部，从而产生等离子体并用于刻蚀。当然在ICP技术推进过程中出现了以拉姆研究变压器耦合等离子体（TCP）为路线的ICP刻蚀技术和以应用材料去耦合等离子源技术（DPS）为路线的ICP技术，由于TCP和DPS说起来更复杂，因此本文便不再展开。
CCP与ICP的最大差异就是ICP设备上多了一层线圈，两类设备在具体应用上产生较大的差异。
从刻蚀设备的使用工艺和技术路线上来看，中微公司主要以用于介质刻蚀的CCP刻蚀为主，北方华创以用于硅刻蚀和金属刻蚀的ICP刻蚀为主，所以严格意义上中微公司和北方华创缺乏可比性，若想知道这两家公司究竟牛不牛，就拿它俩和东京电子、应用材料等国际巨头做对比，毕竟人家不光有CCP和ICP，还有ALE等新花样。
三、干法刻蚀中所用的化学品
基于等离子体技术的CCP和ICP在刻蚀工艺中需要诸多化学品，这些化学品均以气体形式参与刻蚀工艺。
介质刻蚀中的化学气体
前文已经提到介质刻蚀中最主要的两种类型是氧化硅刻蚀和氮化硅刻蚀，氧化硅刻蚀主要是为了制作接触孔和通孔，氮化硅刻蚀则是形成MOS管中的有源区和钝化窗口，在正式说氧化硅刻蚀前先说下接触孔和通孔。
以典型的CMOS器件为例，接触孔是器件与第一层金属之间的连接通道，通过接触孔和金属层实现不同器件之间的连接；通孔是相邻金属层之间的连接通道。
具体工艺上对干法刻蚀的要求是：对光刻胶和下层材料等不需要刻蚀的材料具有高选择比、有可接受的产能的刻蚀速率、好的侧壁剖面控制、好的片内均匀性、低器件损伤和较宽的工艺制造窗口。深宽比是评价刻蚀工艺的重要工艺指标，本义是纵向刻蚀深度和横向侵蚀宽度的比值，深宽比越大就能加工较厚尺寸的敏感结构，增加高敏质量，提高器件灵敏度和精度，ICP刻蚀的深宽比可达到80-100。选择比是在同一刻蚀条件下刻蚀一种材料对另一种材料的刻蚀速率之比，高选择比意味着只去除想要去除掉的膜层材料，对下一层材料和光刻机不刻蚀。
在氧化物刻蚀中所用的化学气体通常为四氟化碳和CHF3等氟碳化合物，其中最常用的是四氟化碳，四氟化碳有较高的刻蚀速率但对多晶硅选择比不好。在实际工艺中还可能会加入氩气或氦气等改善刻蚀的均匀性等工艺性能。一般来说碳原子/氟原子的比例越高就能形成越多的聚合物、越低的刻蚀速率和越高的刻蚀选择比。
氧化硅刻蚀中可提高刻蚀选择比的方法是在刻蚀气体中加入氧气来控制氧化物与硅之间的选择比，通过加入氢气减少硅的刻蚀速率同样可以达到提高刻蚀选择比的目的。在碳化硅刻蚀中同样所用的气体是四氟化碳与氧气和氮气形成的混合气体，目的是稀释氟基浓度并降低对下层氧化物刻蚀速率，此外在氮化硅刻蚀可能用到的气体还有四氟化硅、氟化氮和六氟化二碳等。
硅刻蚀中的化学气体
硅刻蚀主要是用来制作MOS器件中栅结构的多晶硅栅和器件隔离，以及DRAM存储器件电容结构中的单晶硅槽，多晶硅栅和单晶硅槽典型结构。
在多晶硅刻蚀中通常所用的化学气体是氯气、溴气或氯气和溴气的混合气体，其中氯气能产生各向异性的硅侧壁剖面并对氧化硅具有较好的选择比，通常对多晶硅、氧化硅的选择比大于10:1；用溴气或溴化氢气体刻蚀时对氧化硅和氮化硅的选择比大于100。此外用加入氧气的溴化氢和氯气的混合气体同样可以提高刻蚀的选择比，原理与氧化硅刻蚀气体中加入氧气类似，通过提到刻蚀效率来提到选择比。
在半导体器件中制作硅槽的目的有两个，一个是通过浅硅槽隔离技术实现器件隔离，二是在DRAM制造中在能实现器件面积缩小的情况下通过深槽刻蚀、侧壁氧化和多晶硅填充沟槽等技术制作出深度大于5μm的深槽来提高电容。在浅沟槽隔离中用到的化学气体主要是氟气，深沟槽刻蚀中常用氯基或溴基气体比如溴化氢、氯气或混合气体，当然用溴气刻蚀的一大好处是在刻蚀中不再需要用碳对侧壁进行钝化，还可以减少污染，因此越来越常用。
金属刻蚀中的化学气体
在说金属刻蚀前先提一下半导体制作中的金属化工艺。所谓金属化就是在绝缘介质薄膜上通过沉积金属薄膜和刻印图形形成金属连线，将不同的器件连接起来形成电路，同时可将外部电信号传输到半导体器件内部不同部位，从而实现一定功能。虽然很绕口，但实际上就提到了两件事情，一个金属化用的是薄膜生长技术，典型工艺有物理气相沉积和化学气相沉积；第二金属化的目的是将各层器件连接起来形成可导通的电路，实现半导体器件的功能。半导的本义就是电导一半，导电性很差，如果再不想办法将导电性提高，那就与废石头没什么差别了。
金属化工艺中目前比较常见的是铝互连和铜互连，铝互连是发展最早的金属互连工艺，但后来居上的铜互连大有替代铝互连的趋势。铝在20℃时的电阻率为2.65μΩ/cm，要高于铜和金等金属的电阻率，但胜在便宜，而且铝在硅片上的附着力较好，且易形成氧化铝，因此在金属互连中成为首选金属。但是在沉积工艺中铝的台阶覆盖率不好，在0.5μm的亚微米时代这一缺陷更加明显，容易形成空洞或空隙，因此在后续工艺中通过钨填充技术来弥补铝互连中存在的空洞等缺陷，主要是钨具有极强的填充高深宽比通孔的能力，台阶覆盖率非常好，同时这也是金属刻蚀中铝刻蚀和钨刻蚀差异的涞源。
在铝刻蚀中通常用氯气来刻蚀，但由于氯气刻蚀具有各向同性，因此为了获得各向异性，在氯气中通常还加入CHF3或光刻胶中的碳来对侧壁进行钝化（主要是通过光刻胶和刻蚀气体中的碳形成聚合物来实现侧壁钝化）；为了更好的控制侧壁剖面还可加入氯化硼。在钨刻蚀中通常用六氟化硫和四氟化碳等氟基或四氯化碳等氯基气体进行钨刻蚀，但氟基气体对氧化硅选择比差，因此氯基气体比较常用。此外在刻蚀气体中还可以通过加入氮气提高对光刻胶的选择比，加入氧气减少碳的沉积等。
四、原子层刻蚀
最后说一下原则层刻蚀（ALE）。ALE是一种能精密控制被去除材料的刻蚀技术，可以将刻蚀精度精确到一个原子层也就是0.4nm，因此具有极高的刻蚀选择率，显然也是技术节点进入10nm以后会被广泛采用的刻蚀技术，代表刻蚀技术的发展方向。
ALE的步骤主要分四步：第一是表面处理，刻蚀剂与硅片表面发生化学反应，此反应仅发生在被刻蚀材料表面，仅与表面一个原子层发生反应而不会深入到下一层；第二是转换步骤，将刻蚀剂a抽离反应腔。第三是刻蚀剂b与经处理的表面发生反应，反应生成物剥离硅片表面。而且与反应A类似，反应B同样仅与表面一个原子层发生反应并最后被剥离，不影响下一层材料，之后循环。
ALE不仅有极高的刻蚀选择率，而且其刻蚀率的微负载效应几乎为零，不论在快反应部位还是慢反应部位，每个周期仅完成一个原子层的刻蚀。在应用上ALE应用广泛，可以用于氧化物刻蚀或者硅刻蚀等，还可以用于浅沟槽隔离工艺等。
在ALE设备研发上应用材料与拉姆研究均处于全球领先地位，比如拉姆研究开发的Flex系列ALE刻蚀机已经用于台积电等晶圆代工厂7nm产线。中微公司的CCP刻蚀技术节点同样达到5nm，但也基本上达到极限了，未来中微公司和北方华创发展趋势还是向ALE靠拢。
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