半导体工程师 2024年09月08日 08:17 北京

写在前面：

Dry etch gas是plasma 刻蚀的重要气体来源，gas的选择一般遵循两个原则：①能和被刻蚀材料发生反应；②反应的生成物必须是可挥发的。

关于能否和被刻蚀材料发生反应：一般用键能表示，如C-O＞Si-F>Si-O>Si-Cl>Si-Br＞Si-Si，因为反应总是朝着键能大的方向进行，故F基气体可以用来刻蚀SiO2和Si，但是Cl基气体只能刻蚀Si，无法刻蚀SiO2。

关于反应的生成物必须是可挥发的：反应物能否挥发决定着化学反应能否持续进行，如F基气体虽然可以与Al发生反应生成AlF3，但因为AlF3沸点超过1000℃，极难挥发，会在Al表面生成一层AlF3薄膜（polymer），阻止反应的进一步进行，从而导致反应不可持续发生（Al的刻蚀一般使用Cl2/BCl3）。

因此针对不同材料，刻蚀气体的选择异常重要，而刻蚀气体的选择仅仅是工艺开始的第一步，也是关键的一步。常见刻蚀气体根据其组成成分可以分为：一、含F等离子体刻蚀气体；二、不含F等离子体刻蚀气体。下面针对常见不同刻蚀气体的性质作简要介绍 ：

一、含F等离子体刻蚀气体

（1）CF4:

（2）SF6:

①常和O2搭配刻蚀Si（SF6刻蚀Si时一定要有sidewall protect，否则profile很容易bowing甚至断掉。一般Sidewall protect：sidewall形成OX）；

②相比于CF4，刻蚀Si时效率更高且刻蚀偏各项异性，对PR选择比更好（S+C->polymer）；

③也可与CH2F2搭配刻蚀Si，相比Cl2/HBr，刻蚀Si时对OX的选择比更差；

④也常用于WAC recipe中clean chamber ；

⑤需注意：使用SF6容易造成wafer edge faster，因此要调控好chamber进气比例以保证U%。

（3）NF3：

①常与Ar、He、O2组合，相比较于CF4/O2具有更高的Si的刻蚀速率且更高的对PR的选择比。其刻蚀能力介于CF4和SF6之间；

②常和O2/Cl2搭配进行金属W、TiN刻蚀；

③其也常用于WAC recipe中clean chamber。

（4）CHF3/CH2F2/CH3F:

①常用于刻蚀SiN，也常用于增大SiN/SiO2 选择比【此三管gas etch SiN快于OX，原因在于此三管gas在etch SiN过程中在其表面形成的高分子聚合物（Si-O-CHx）很薄，而且SiN是放热反应；且H对于SiN刻蚀有促进作用，H会etch NIT，会形成NH自由基且无polymer，因此并不会阻碍反应的进一步进行。与之相反，此三管gas在刻蚀OX的过程中会在OX表面形成很厚的高分子聚合物，阻止反应的进一步进行】，此三管gas etch SiN对非SiN的选择比：CH3F>CH2F2>CHF3。

②常和CF4搭配使用，作为CF4的补充气体，用于plasma中C/F比例调节，以此调节etch过程中polymer的总量以及种类，从而达到不同的各向异性刻蚀特性以及不同基底材料高选择比刻蚀特性的目的。

（5）C4F8/C4F6/C5F8:

①常用的SiO刻蚀气体。具有较高的SiO刻蚀速率，提高生产效率；

②较高的SiO2对PR的选择比，扩大工艺窗口；

③价格便宜、温室效应低；

需注意：三者C/F比例较高，因此常搭配O2使用（消耗C，提高plasma中F比例）；三者产生的polymer容易在顶部积累，进而形成bowing profile；

二、不含F等离子体刻蚀气体

（1）Cl2：

②其对Si/PR;Si/SiO2;Si/SiN有较高的选择比；

③常与BCl3搭配刻蚀Al；

④易钻孔，容易形成Micro trench（微凹槽）；

⑤有一定的physicy etch但主要是chemical etch。以Cl2作主刻蚀气体（一般Cl2/O2搭配），poly/OX的选择比能达到100以上（由于Cl2容易钻孔的特性，一般用HBr/O2搭配以得到poly/OX的高选择比）；

⑥与SF6相对，容易造成wafer Center Fast，因此也需要调控好chamber进气比例以保证U% 。

（2）HBr：

①常用于刻蚀Si，但etch rate不如Cl2，因为SiCl4挥发性强于SiBr4；

②与SF6/Cl2相比，其对SiO2的选择比更高，在蚀刻Si时其底部形貌更加陡直（footing free），大流量时可形成Si-Br-O polymer作为passivation source，这种polymer可以有效抑制open区域的etch rate；

③也可与Ar配合用于蚀刻前的PR处理（Cure step），其提供的H可以修复PR中的不饱和键，Br和Ar激发的UV光可以硬化PR，使其sidewall更smooth，保证图形更好的transfer，从而降低LWR（line width roughness）。

④HBr吃poly基本不吃OX，且ER（poly）＞ER（SiN）;

（3）BCl3：

①常用于刻蚀金属（Al/TiN）；

⑤BCl3气体起辉不稳定，有时也与Ar搭配使用，利于起辉稳定。

（4）O2：

①主要作为depo/polymer/清polymer以及PR 的strip/Etch；

②与CF类气体搭配，可以降低plasma中C/F比例（O与C结合->CO/CO2），进而增大SiO2的etch rate；

③在基于Cl2的刻蚀环境下，可以与Si反应生成SiO或与Ti反应生成TiO抑制刻蚀速率。在基于Cl2的刻蚀环境下刻蚀W时，一般：当O2占total flow的30%以下时，etch rate变快；当O2占total flow的30%以上时，偏polymer gas，etch rate变慢且profile变taper；

④与SiCl4搭配，depo SiO2;与COS搭配刻蚀A-C，可以使profile更直；

⑤O2的分布偏向center。较难解离，仅次于N2；

⑥常用于WAC recipe中clean chamber；

（5）Ar：

惰性气体，不参与化学反应；

①用做稀释气体，以得到更uniform的蚀刻分布；

②增强物理轰击，调节反应强度；

③帮助plasma启辉，因Ar更容易被解离以提供电子来维持plasma稳定，故可以使工艺气体更好的启辉；

④因Ar不参与化学反应过程，不会影响整体的化学成份，所以在各种工艺气体中都可加入Ar以达到上述所需目的。

（6）He：

惰性气体，不参与化学反应。

①用做稀释气体，以得到更uniform的蚀刻分布；

②很难解离，轰击能力很弱；

③因其良好的导热性和化学惰性，也作为wafer 背面的热导剂；

④Chamber压力不变时，加He可使摆阀开口增大（摆阀开口=Total flow/pressure），从而提高带走副产物的效率；

⑤降低工艺粒子与膜碰撞能量的作用，plasma中离子在与膜碰撞过程中会与氦原子碰撞，从而降低工艺气体直接与膜碰撞的离子能量；

⑥因其很难解离，因此process gas中He过多会导致启辉困难甚至启辉失败。

（7）N2：

偏惰性气体，可作为稀释气体；

①对PR有蚀刻作用，常用于PR Descum；

②少量添加于O2可以提高其对PR蚀刻速率，与H2配合也用于PR的非等向刻蚀，但蚀刻速率比O2慢（N2与H2 刻蚀PR时，etch rate较慢，且sidewall protect效果不如COS)；

③添加于SiN刻蚀可抑制SiN刻蚀速率；

⑤添加于Si刻蚀时形成SiN钝化层抑制侧向刻蚀；

⑥难以解离，作为稀释气体大量使用时，可能导致点火困难。

（8）H2：

①常用于蚀刻后金属氧化物的还原即刻蚀后修复（PET :Post Etch Treatment）以及PR Descum；

②作为CF4的补充气体，用于增大plasma中C/F比例，增大对SiO2选择比；

③Dummy poly remove工艺中，因为使用HBr作为主刻蚀气体会在BRF power作用下导致H离子侵入沟道，造成defect（晶格缺陷），而采用H2作为主刻蚀气体，只需SRF power，解离H2分子为反应粒子，H+Si->SiH4（gas），SiH4的挥发性强于SiBr4，因此不必使用BRF power去除polymer，同时也基本避免了H+的沟道入侵；

④严禁与O2混合使用。

PS：H2当前国内无法完全自足，属于战略资源。

（9）CH4/C2H6:

①主要作为passivation气体，生成长碳链polymer保护侧壁；

②因其富含H元素也可用于金属氧化物的还原。在某些场合也可以代替H2；

（10）SO2/COS：

①Passivation气体，在PR/Carbon刻蚀中提供侧向保护（COS的sidewall protect效果优于SO2、H2）；通过与PR/Carbon生成C-S键阻止O对C的蚀刻。

②常规用O2对PR/Carbon刻蚀过程中，由于plasma中不带电的O radical无法被电场控制，因此单纯使用O2虽然etch rate快但侧吃严重，而使用SO2、COS可以有效改善此种情况。

（11）H2O（VODM：水蒸气发生器）:

与O2/N2配合在铝刻蚀后的残渣去除中，通过提供OH-帮助Cl残留的去除，与单独的O2/N2相比，H2O拥有更高的Cl2去除效率（残留的Cl2遇水会形成HCl，造成Al腐蚀，导致铝线断路。这也是为什么Al 刻蚀必须要过strip Chamer的原因之一）。

上述所讲，不可能全面，后面会不定时补充更新。

• 写在后面：

上述只是对常见dry etch刻蚀气体做的一个非常浅显以及简要的介绍，其中随便一管gas摘出来都能写一篇论文，plasma变幻莫测，所以上述所讲只是蚂蚁尿湿柴，不值一提。比如我们都知道加盐能使菜口味变咸，但不同的菜样以及菜量甚至不同的锅需要加多少盐以及盐如何和其他调味品搭配，其之间的交互影响又该如何去把控，以及当前能把菜变咸的最有效办法是加盐，但技术一直在发展，后面可能会出现更好更快更省事的办法去达到同样的目的，新的技术你也要知道如何去使用。Chamber就像是一个潘多拉魔盒，各种调料进去，可能会出现你用所学知识无法解释意想不到的现象，所以很多时候理论是一回事，实践又是另外一回事。

潘多拉魔盒

因此半导体是一个需要长期坚持，不断学习，不断思考，不断积累的行业，不可能速成，需要长期修炼，多攒经验。理论需要清楚，但实践更重要，纸上得来终觉浅，优秀PE都是靠wafer一片一片喂出来的。

来源于半导体行业芯声，作者石大小生

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