光“堆疊”可不行

在半導(dǎo)體前端工藝第三篇中，我們了解了如何制作“餅干模具”。本期，我們就來(lái)講講如何采用這個(gè)“餅干模具”印出我們想要的“餅干”。這一步驟的重點(diǎn)，在于如何移除不需要的材料，即“刻蝕（Etching）工藝”。

圖1: 移除餅干中間部分，再倒入巧克力糖漿

讓我們?cè)賮?lái)回想一下上一篇內(nèi)容中制作餅干的過程。如果想在“幸福之翼”造型餅干中加一層巧克力夾心，要怎么做呢？最簡(jiǎn)單的方法就是把餅干中間部分挖出來(lái)，再倒入巧克力糖漿。挖出餅干的這一過程，在半導(dǎo)體制程中就叫做“刻蝕”，即在“幸福之翼”餅干上疊加中間被挖空的黃色模具（光刻膠），再噴灑只與餅干裸露部分產(chǎn)生反應(yīng)的溶液，使其未受模具保護(hù)的部分被溶解腐蝕。隨后便應(yīng)移去模具，倒入巧克力糖漿。最后，清理殘余的巧克力糖漿，再蓋上一層餅干層，巧克力夾心餅干就制成了。

在半導(dǎo)體制程工藝中，有很多不同名稱的用于移除多余材料的工藝，如“清洗”、“刻蝕”等。如果說(shuō)“清洗”工藝是把整張晶圓上多余的不純物去除掉，“刻蝕”工藝則是在光刻膠的幫助下有選擇性地移除不需要的材料，從而創(chuàng)建所需的微細(xì)圖案。半導(dǎo)體“刻蝕”工藝所采用的氣體和設(shè)備，在其他類似工藝中也很常見。

刻蝕工藝的特性

“刻蝕”工藝具有很多重要的特性。所以，在了解具體工藝之前，有必要先梳理一下刻蝕工藝的重要術(shù)語(yǔ)，請(qǐng)見下圖：

圖2: 等向性刻蝕與非等向性刻蝕的特點(diǎn)

第一個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)就是“選擇比”，該參數(shù)用于衡量是否只刻蝕了想刻蝕的部分。在反應(yīng)過程中，一部分光刻膠也會(huì)被刻蝕，因此在實(shí)際的刻蝕工藝中，不可能100%只刻蝕到想移除的部分。一個(gè)高選擇比的刻蝕工藝，便是只刻蝕了該刻去的部分，并盡可能少地刻蝕到不應(yīng)該刻蝕材料的工藝。

第二個(gè)關(guān)鍵詞，就是“方向的選擇性”。顧名思義，方向的選擇性是指刻蝕的方向。該性質(zhì)可分為等向性（Isotropic）和非等向性（Anisotropic）刻蝕兩種： 等向性刻蝕沒有方向選擇性, 除縱向反應(yīng)外，橫向反應(yīng)亦同時(shí)發(fā)生；非等向性刻蝕則是借助具有方向性的離子撞擊來(lái)進(jìn)行特定方向的刻蝕，形成垂直的輪廓。試想一個(gè)包裹糖果的包裝袋漏了一道口子，如果把整塊糖連包裝袋一起放入水中，一段時(shí)間后，糖果就會(huì)被溶解。可如果只向破口處照射激光，糖果就會(huì)被燒穿，形成一個(gè)洞，而不是整塊糖果被燒沒。前一現(xiàn)象就好比等向性刻蝕，而后一現(xiàn)象就如同非等向性刻蝕。

第三個(gè)關(guān)鍵詞，就是表明刻蝕快慢的“刻蝕速率（Etching Rate）”。如果其他參數(shù)不變，當(dāng)然速率越快越好，但一般沒有又快又準(zhǔn)的完美選擇。在工藝研發(fā)過程中，往往需要在準(zhǔn)確度等參數(shù)與速率間權(quán)衡。比如，為提高刻蝕的非等向性，需降低刻蝕氣體的壓力，但降壓就意味著能夠參與反應(yīng)的氣體量變少，這自然就會(huì)帶來(lái)刻蝕速率的放緩。

最后一個(gè)關(guān)鍵詞就是“均勻性”。均勻性是衡量刻蝕工藝在整片晶圓上刻蝕能力的參數(shù)，反映刻蝕的不均勻程度。刻蝕與曝光不同，它需要將整張晶圓裸露在刻蝕氣體中。該工藝在施加反應(yīng)氣體后去除副產(chǎn)物，需不斷循環(huán)物質(zhì)，因此很難做到整張晶圓的每個(gè)角落都是一模一樣。這就使晶圓不同部位出現(xiàn)了不同的刻蝕速率。

刻蝕的種類：濕刻蝕（Wet Etching）與干刻蝕（Dry Etching）

刻蝕也像氧化工藝一樣，分為濕刻蝕（Wet Etching）和干刻蝕（Dry Etching）。還記得上一篇我們說(shuō)到，取名“濕法”氧化的原因是因?yàn)椴捎昧怂魵馀c晶圓反應(yīng)，而刻蝕中的“濕”則意味著將晶圓“浸入液體后撈出”。濕刻蝕的優(yōu)點(diǎn)是刻蝕速率相當(dāng)快，且只采用化學(xué)方法，所以“選擇比”較高。但其問題是只能進(jìn)行等向性（Isotropic）刻蝕。如果把晶圓浸入液體中，液體就會(huì)自由流動(dòng)與材料發(fā)生反應(yīng)，光刻膠背面的受保護(hù)部分也會(huì)與液體發(fā)生反應(yīng)，被快速溶解腐蝕，準(zhǔn)確度較差。而且，如果光刻膠破口很小，液體刻蝕劑將受自身表面張力影響，無(wú)法穿過破口。用***繪制了微細(xì)的圖形后，若不能照?qǐng)D形制成電路，也只是徒勞。因此，如今在制作半導(dǎo)體核心層時(shí)，一般不采用濕刻蝕的方法。

圖3: 在光刻膠破口內(nèi)自由流動(dòng)的液體刻蝕劑

干刻蝕則泛指采用氣體進(jìn)行刻蝕的所有工藝，即在晶圓上疊加光刻膠“模具”后，將其裸露于刻蝕氣體中的工藝。干刻蝕可分為等離子刻蝕、濺射刻蝕和反應(yīng)性離子刻蝕（RIE, Reactive Ion Etching）。與濕刻蝕不同，這些干刻蝕工藝采用各種不同的方式來(lái)刻蝕材料，所以，可以一目了然地說(shuō)明非等向性和等向性刻蝕的特點(diǎn)。例如，采用化學(xué)反應(yīng)的干刻蝕為等向性刻蝕，采用物理反應(yīng)的刻蝕則為非等向性刻蝕。最近，隨著RIE（非等向性高、刻蝕速率高的一種干刻蝕方法）成為主流，干刻蝕具有非等向性的認(rèn)識(shí)已成了一種共識(shí)（RIE的具體工藝請(qǐng)見下面的詳述內(nèi)容）。

刻蝕的種類：按去除材料的方法劃分

去除晶圓上材料的方法大致可分為化學(xué)方法和物理方法兩種：

化學(xué)方法就是采用與指定材料易反應(yīng)的物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。光刻膠下面有許多要去除的物質(zhì)，如在氧化工藝中生成的氧化膜或在沉積工藝中涂敷的一些其他物質(zhì)等。化學(xué)方法就是采用易與想去除的材料產(chǎn)生反應(yīng)，卻不與光刻膠發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，有針對(duì)性地去除材料。當(dāng)然，根據(jù)要去除的材料，所使用的刻蝕劑（氣體或液體）也不同。常用刻蝕劑有以氟或氯為基礎(chǔ)的化合物等。化學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是“高選擇比”，可以只去除想去除的材料。

物理方法是借助具有高能量的離子撞擊晶圓表面，以去除材料，這種方法叫濺射刻蝕（Sputtering）。該方法先把氣體（主要使用惰性氣體）氣壓降低，再賦予高能量，使氣體分解為原子（+）與電子（-）。此時(shí)，朝晶圓方向施加電場(chǎng)，原子就會(huì)在電場(chǎng)作用下加速與晶圓發(fā)生沖撞。

這種方法的原理很簡(jiǎn)單，但在實(shí)際工藝中，僅憑這一原理很難達(dá)成目的。低氣壓意味著參加反應(yīng)的氣體量少，刻蝕速率當(dāng)然就會(huì)慢下來(lái)。而且，采用物理方法時(shí)，會(huì)移除較大面積的本不該去除的材料。物理方法采用強(qiáng)行用力刻出材料的方法，發(fā)生沖撞時(shí)不會(huì)區(qū)分“應(yīng)該”還是“不應(yīng)該”去除的材料。（在后續(xù)介紹沉積工藝的沉積氣體時(shí)也會(huì)說(shuō)到濺射方法，大家不妨記住，有助于下文的理解。）

因此，在實(shí)際的刻蝕工藝中，我們主要采用將化學(xué)和物理方法相結(jié)合的反應(yīng)性離子刻蝕（RIE, Reactive Ion Etching）。RIE屬于干刻蝕的一種，它將刻蝕氣體變成等離子，以進(jìn)行刻蝕。具體而言，這種方法在設(shè)備內(nèi)投入混合氣體（反應(yīng)氣體與惰性氣體）后，賦予氣體高能量，使其分解為電子（Electron）、陽(yáng)離子（Positive Ion）和自由基（Radical）1。質(zhì)量較輕的電子基本上起不了什么作用，而在電場(chǎng)中向陽(yáng)離子施加沖向晶圓方向的加速度，就會(huì)發(fā)生物理刻蝕。陽(yáng)離子具有正電荷，在電場(chǎng)中加速時(shí)方向性很強(qiáng)。到這里，是不是與物理方法沒什么兩樣呢？

1自由基：指氣體具有不成對(duì)電子等高反應(yīng)性的狀態(tài)。

圖4: RIE工藝概要

然而，在這一過程中，陽(yáng)離子還會(huì)起到一個(gè)作用：弱化被撞擊材料的化學(xué)鍵。電場(chǎng)使陽(yáng)離子徑直向前發(fā)射出去，會(huì)集中撞到圖4所示的紅色部分。側(cè)壁化學(xué)鍵穩(wěn)固，而正面化學(xué)鍵因撞擊被弱化。隨后接觸具有極高化學(xué)活性的自由基，正面材料便會(huì)有更高的刻蝕速率，最終造就非等向性很高的刻蝕。

可見，等離子刻蝕技術(shù)可謂是“一舉三得”：① 生成陽(yáng)離子，產(chǎn)生物理性刻蝕；② 使被刻蝕材料的化學(xué)鍵變?nèi)酰虎?還能提高刻蝕氣體的反應(yīng)性。既取了化學(xué)刻蝕之長(zhǎng) —— “高選擇比”，又不失物理刻蝕的優(yōu)點(diǎn) ——“非等向性刻蝕”。

當(dāng)然，即便采用RIE，僅憑刻蝕工藝也很難100%得到所需的圖形。如果要解決其他問題，還需要改變氣體組合、采用硬掩模2（Hard Mask）的其他工藝或新材料的幫助。

2硬掩膜（Hard Mask）：為防止因圖形微細(xì)化而造成光刻膠上的圖形被破壞，在其下方額外添加的掩模版。

刻蝕氣體與附加氣體

刻蝕工藝中所使用的氣體非常重要。從上述內(nèi)容中可以看出，刻蝕工藝的核心就是化學(xué)反應(yīng)。所以，我們要根據(jù)想去除的材料，選擇相應(yīng)的刻蝕劑（Etchant）進(jìn)行刻蝕。選擇刻蝕氣體時(shí)，要衡量反應(yīng)生成的副產(chǎn)物是否容易被去除、刻蝕選擇比是否夠高和刻蝕速率是否足夠快等因素。經(jīng)常采用的刻蝕氣體有氟（F）、氯（CI）、溴（Br）等鹵族元素化合物。

圖5: 等離子刻蝕氣體的種類（摘自：（株）圖書出版HANOL出版社[半導(dǎo)體制造技術(shù)的理解443p])

在半導(dǎo)體的制程中，晶圓表面會(huì)涂敷各種物質(zhì)。因此，從理論上來(lái)講，要刻蝕的材料有無(wú)數(shù)種。我們主要舉幾個(gè)代表性的例子。比如，硅（Si）系列元素采用氟系氣體可以輕易去除。硅遇氟立即反應(yīng)生成很容易被氣化的氟化硅。SiF4就是氟化硅的一種，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，其熔點(diǎn)為－90.3℃。也就是說(shuō)，反應(yīng)后生成的SiF4將立即氣化成氣體消散，即在晶體表面發(fā)生刻蝕的同時(shí)立刻變成氣體。

常用作絕緣或保護(hù)膜的二氧化硅（SiO2）也很容易被含氟氣體去除。與純硅不同，二氧化硅已經(jīng)是硅元素與氧結(jié)合形成的穩(wěn)定化合物（硅燃燒后的粉塵），所以需要使用發(fā)熱的氣體才能將其去除。氟與碳（C）結(jié)合的氣體便是常用于去除二氧化硅的刻蝕氣體。通過發(fā)熱反應(yīng)，該氣體可奪取與氧氣結(jié)合的硅原子。

HKMG3、BEOL4等工藝則需要刻蝕金屬性材料。金屬性材料一般易與鹵族元素（氯、氟等）發(fā)生反應(yīng)，但其副產(chǎn)物的熔點(diǎn)非常高，所以很難去除。以銅為例，銅與氣體反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物熔點(diǎn)在1,000℃以上。也就是說(shuō)，銅遇到刻蝕氣體后，晶圓表面就會(huì)像生了銹一樣，想去除這層“銹”，需要向晶圓施加1,000℃的高溫，但這樣一來(lái)其他重要的電子元件就很有可能被燒毀。因此，即便銅具有非常出色的電氣特性，它卻在鋁的電氣特性逼近物理極限時(shí)才被引進(jìn)作為材料。而且，為了克服銅的這種“缺陷”，還需引進(jìn)名為鑲嵌（Damascene)5的新工藝。所以，大家要時(shí)刻記住，重點(diǎn)并不在于新材料本身是否具有良好的物理特性，而是在于與其一同引進(jìn)的新工藝是否與已有工藝相匹配，可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

其實(shí)，在實(shí)際工藝中，我們很難根據(jù)要去除的材料挑選出完美的刻蝕氣體。例如，對(duì)去除硅奏效的氣體對(duì)去除二氧化硅也同樣奏效（反之亦然）。如果硅與二氧化硅同在，但想更多地去除其中一種材料怎么辦？這時(shí)，如何制作混合氣體成了關(guān)鍵。例如，調(diào)高氟氣中的碳比例，發(fā)熱反應(yīng)就會(huì)更加激烈， SiO2的選擇比自然就會(huì)變高。

附加氣體也很重要。我們可以通過在刻蝕氣體添加氧氣（O2）、氮?dú)猓∟2）和氫氣（H2）等各種其他附加氣體，使刻蝕氣體具有某種特性。例如，在去除硅時(shí)附加氫氣，可生成提高非等向性刻蝕的內(nèi)壁。此外，還可添加部分惰性氣體。其中，氖氣（Ne）就是非常典型的惰性氣體之一，它在可調(diào)節(jié)刻蝕氣體濃度的同時(shí)，還可提供物理性刻蝕的效果。

3HKMG（High-K Metal Gate）: 可有效減少電流泄露的新一代MOSFET柵極；是一種以金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多晶硅（Polysilicon）柵極并以高介電（High-K）取代氧化硅絕緣膜的晶體管。
4后端工藝（BEOL，Back End Of the Line）：通過細(xì)微的金屬布線在多達(dá)數(shù)十億個(gè)電子元器件之間形成連接的工藝
5鑲嵌（Damascene）：為使用銅作為金屬布線材料所需的工藝。該工藝先刻蝕金屬布線的位置，隨后沉積金屬，再通過物理方法去除多余的部分。

結(jié)論：提高密度的另一個(gè)抓手

一言以蔽之，刻蝕工藝就是結(jié)合物理和化學(xué)方法以形成微細(xì)圖案的半導(dǎo)體制程工藝的核心。刻蝕雖然不能像***一樣，直接繪制精密的圖形，但可通過調(diào)節(jié)氣體比例、溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度和氣壓等各種參數(shù)，使晶圓的數(shù)千億個(gè)晶體管具有相同的圖形。

近來(lái)，以進(jìn)一步升級(jí)***來(lái)提高密度的方法已達(dá)到了瓶頸。刻蝕工藝的重要性自然更加突顯。CPU和AP等產(chǎn)品中的鰭式場(chǎng)效電晶體（FinFET)6就是很好的一個(gè)案例。

尤其對(duì)于SK海力士這種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器制造商來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）和閃存（NAND）等主打產(chǎn)品對(duì)刻蝕工藝的依存度非常高。比如，DRAM中裝載數(shù)據(jù)的電容（Capacitor）要堆疊得更高，而NAND則需要先實(shí)現(xiàn)三維化，一次刻蝕就要穿透100多層。由于這些產(chǎn)品必然會(huì)不斷拉高深寬比（Aspect Ratio）7，為確保可靠度，開始刻蝕的部分與底邊直徑要相差無(wú)幾。可見刻蝕工藝有待解決的問題仍然很多。

6鰭式場(chǎng)效電晶體（FinFET，F(xiàn)in Field-Effect Transistor）：三維MOSFET的一種，因電晶體的形狀與魚鰭相似而得名。
7深寬比（Aspect Ratio，也稱縱橫比）：刻蝕高度與寬度的比值。深寬比越高就表示穿透得越深。

圖6: DRAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；單元區(qū)域內(nèi)許多纖細(xì)縱向的結(jié)構(gòu)即為電容

相信讀者們可以從本篇刻蝕工藝介紹中再一次體會(huì)到半導(dǎo)體制程工藝間緊密相連并相互影響。上文也說(shuō)到，硅與二氧化硅遇氟可立即氣化成氣體揮發(fā)。但如果把晶圓材質(zhì)變成鍺（Ge）等其他材料，即便本身具有很好的物理特性，但只要它們無(wú)法經(jīng)刻蝕、沉積等工藝加工，便沒有意義。

如今，制造技術(shù)的突破變得愈發(fā)艱難，筆者希望直接或間接從事半導(dǎo)體領(lǐng)域工作的人員們也能清楚地認(rèn)識(shí)到這一事實(shí)。為了攻克剩下的障礙，我們對(duì)上下游相關(guān)工藝也要非常了解，還要與相關(guān)部門密切溝通。

※ 本文為外部專家對(duì)半導(dǎo)體/ICT的見解，并不代表SK海力士的立場(chǎng)。

文章來(lái)源：SK海力士

審核編輯 黃宇