在半導體制造領域，前端工藝（FEOL）是構建晶體管結構的關鍵環節，而刻蝕技術作為 FEOL 中的核心工藝之一，對半導體器件的性能和制造精度起著至關重要的作用。

刻蝕工藝概述

刻蝕是指在半導體制造過程中，通過化學或物理的方法，將涂覆在硅片表面的光刻膠圖案轉移到底層的材料上，從而實現對硅片表面材料的選擇性去除。其主要目的包括：形成器件的有源區、定義晶體管的柵極結構、實現源極和漏極區域的精確布局等。

刻蝕技術的分類

濕法刻蝕

濕法刻蝕是利用化學溶液與硅片表面材料發生化學反應來實現刻蝕的。它具有成本低、工藝設備相對簡單等優點。例如，利用氫氟酸（HF）溶液可以有效地刻蝕二氧化硅（SiO?）。然而，濕法刻蝕存在各向同性的問題，即刻蝕過程在各個方向上同時進行，這會導致刻蝕出的圖形邊緣不夠陡峭，難以滿足高精度、微小尺寸器件制造的要求，且可能對光刻膠的圖案產生一定程度的破壞，影響后續工藝的準確性。

干法刻蝕

干法刻蝕是目前半導體制造中應用更為廣泛的刻蝕技術。它主要利用等離子體（Plasma）中的高能粒子與硅片表面材料發生物理或化學相互作用，實現材料的去除。

物理刻蝕（如離子束刻蝕） ：依靠高能離子束直接轟擊硅片表面，將材料原子從表面打出。這種方法具有各向異性刻蝕的特點，能夠實現較陡峭的圖形邊緣。但是，由于高能離子束的能量較高，容易對硅片表面造成損傷，且刻蝕速率相對較慢。

化學刻蝕（如反應離子刻蝕） ：利用等離子體中的活性化學物種與硅片表面材料發生化學反應生成氣態產物，從而實現刻蝕。通過選擇合適的反應氣體，可以實現對特定材料的選擇性刻蝕。同時，它能夠在一定程度上控制刻蝕的各向異性程度，兼有化學反應的高選擇性和物理轟擊的各向異性特點。

刻蝕工藝的關鍵參數和控制

1.選擇比

選擇比是衡量刻蝕工藝精準度的核心指標。理想狀態下，我們希望只刻蝕目標材料，而不 ETCH 其他部分。然而實際上，不可能100%只刻蝕到想移除的部分，這意味著完全精準的刻蝕是難以實現的。選擇性是不同材料的蝕刻率之比。

高選擇比的刻蝕工藝能夠最大程度地減少對非目標材料的刻蝕，確保刻蝕過程的高度精準性。選擇比的高低直接關系到器件圖案的完整性和準確性。如果選擇比過低，可能會導致非目標區域的材料被過度刻蝕，進而影響器件的性能和可靠性。

2.方向的選擇性

方向的選擇性決定了刻蝕的形狀和精度。它主要分為等向性刻蝕（各向同性）和非等向性刻蝕（各向異性）兩種類型。

等向性蝕刻表示橫向和縱向之蝕刻率相同，在刻蝕過程中，不僅會發生縱向反應，橫向反應也會同時進行。

非等向性蝕刻則為橫向性蝕刻率很慢或為0，因此可以較完美調控蝕刻截面輪廓和線寬，這種刻蝕方式能夠實現更精細、更陡峭的圖形邊緣，有助于提高器件的性能和集成度。

3.蝕刻率

刻蝕速率是衡量刻蝕效率的關鍵參數。在其他條件保持不變的情況下，刻蝕速率越快，生產效率越高。然而，通常很難找到一個既快又精準的刻蝕方案。在工藝研發過程中，往往需要在刻蝕速率與其他參數（如方向的選擇性和均勻性）之間進行權衡。例如，為了提高刻蝕的非等向性，可能需要降低刻蝕氣體的壓力。但降低壓力會導致參與反應的氣體量減少，從而使得刻蝕速率變慢。這種Balance需要在實際操作中根據具體需求和工藝條件，找到一個相對平衡的點，以實現高效的刻蝕。

4.均勻性

均勻性是評估刻蝕工藝質量的重要參數。它反映了刻蝕工藝在整個晶圓表面的刻蝕能力是否一致，以及刻蝕的不均勻程度。由于刻蝕過程中需要將整個晶圓暴露在刻蝕氣體中，并且在施加反應氣體后需要去除副產物并不斷循環物質，因此很難保證晶圓的每個角落都得到完全相同的刻蝕效果。

這就會導致晶圓不同部位出現不同的刻蝕速率。均勻性不佳可能會引起晶圓上不同位置的器件性能出現差異，進而影響芯片的整體性能和可靠性。

刻蝕工藝的應用

1. 有源區的定義

2. 柵極結構的形成

3. 源極和漏極區域的刻蝕

4. 接觸孔的形成

5. DRAM 高深寬比電容等等

為了精確控制刻蝕工藝的關鍵參數，需要采用先進的工藝監測和控制技術，如光學發射光譜監測（OES）、終點檢測（Endpoint Detection，EPD）等。通過實時監測刻蝕過程中等離子體的光學發射光譜或硅片表面的反射信號等，可以及時判斷刻蝕是否達到預定目標，并對刻蝕工藝參數進行動態調整，以確?？涛g過程的穩定性和重復性。

Reference:

1.Semiconductor Devices: Physics and Technology.

2.Skhynix.

3.Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology.