刻蚀工艺中常用气体盘点与性能解析

2025-07-28 14:09:52

在半导体制造的微纳加工领域，刻蚀工艺是定义电路图形的关键步骤。通过选择性地移除材料，精确地在晶圆表面“雕刻”出复杂的电路结构。刻蚀的成功与否，在很大程度上取决于工艺气体的选择与控制。这些气体在等离子体（Plasma）的激发下，产生具有化学反应活性或物理轰击能力的粒子，从而实现对特定材料的去除。

本文将系统性地盘点刻蚀工艺中常用的气体，并深入解析其性能特点、主要应用以及作用机理。

一、刻蚀气体的分类与基本原理

刻蚀气体主要分为两大类：主刻蚀气体和添加气体。

主刻蚀气体 (Main Etch Gases): 它们是等离子体中产生活性基团的主要来源，直接参与与被刻蚀材料的化学反应或物理轰击。
添加气体 (Additive Gases): 用于优化刻蚀过程，如提高刻蚀速率、选择性、各向异性，或控制侧壁形貌。

刻蚀的基本原理主要包括化学刻蚀和物理刻蚀：

化学刻蚀: 等离子体将气体分子分解成高反应活性的自由基（Radicals）。这些自由基扩散到材料表面，与表面原子发生化学反应，生成易于挥发的副产物，从而被真空系统泵走。此过程通常是各向同性的（Isotropic）。
物理刻蚀 (溅射): 等离子体中的离子在电场作用下被加速，以高能量轰击材料表面，像打台球一样将表面原子“撞”出，实现材料移除。此过程具有很强的方向性，即各向异性（Anisotropic）。

在实际应用中，最常用的是反应离子刻蚀 (Reactive Ion Etching, RIE)，它巧妙地结合了化学反应和物理轰击的协同作用，以达到高刻蚀速率、高选择性和高各向异性的理想效果。

二、主刻蚀气体盘点与性能解析

主刻蚀气体通常根据其核心化学元素进行分类，主要包括含氟气体、含氯气体和含溴气体。

1. 含氟气体 (Fluorine-Based Gases)

含氟气体是应用最广泛的刻蚀气体，主要用于刻蚀硅（Si）、二氧化硅（SiO₂）、氮化硅（Si₃N₄）、多晶硅（Poly-Si）以及一些金属材料。

气体种类	化学式	主要性能与应用
四氟化碳	$CF_4$	优点: 性能稳定，易于控制，是应用最悠久的含氟刻蚀气体。应用: 主要用于刻蚀Si和SiO₂。在纯CF₄等离子体中，由于会产生大量的氟自由基（F），其对硅的刻蚀速率非常快。特点:* F/C（氟碳比）较高，不易产生聚合物，刻蚀形貌较为洁净。
六氟乙烷	$C_2 F_6$	优点: 相比CF₄能提供更高的SiO₂/Si选择比。应用: 常用于选择性刻蚀SiO₂。
六氟化硫	$SF_6$	优点: 能产生极高浓度的氟自由基，因此对硅的刻蚀速率非常快。应用: 主要用于硅的快速、各向同性刻蚀，以及深硅刻蚀（DRIE）中的博世工艺（Bosch Process）的刻蚀步骤。特点: 不含碳，不会在侧壁形成聚合物保护层，因此刻蚀通常是各向同性的。
三氟化氮	$NF_3$	优点: 相比CF₄更容易分解，能在较低能量下产生高浓度的氟自由基。应用: 主要用于设备腔体的清洗（Chamber Cleaning），也可用于刻蚀硅和氮化硅。

氟碳化合物 (Fluorocarbons) 的特殊性:以 $C H F_3$ （三氟甲烷）和 $C_4 F_8$ （八氟环丁烷）为代表的低F/C比的氟碳气体，在刻蚀中扮演着双重角色。在等离子体中，它们不仅提供用于刻蚀的氟自由基，还会产生 $CF_x$ 类的自由基。

$C H F_3$ (三氟甲烷): 由于其F/C比低且含有H原子，容易在材料表面形成聚合物（Polymer）钝化层。这种钝化层可以保护侧壁不被刻蚀，从而实现高度的各向异性。因此， $C H F_3$ 是刻蚀SiO₂并要求在硅上停止的理想气体，能实现极高的SiO₂/Si选择比。
$C_4 F_8$ (八氟环丁烷): F/C比更低，聚合倾向更强。它是博世工艺中实现侧壁钝化的关键气体，通过在刻蚀和钝化步骤之间循环切换，实现高深宽比的硅结构刻蚀。

2. 含氯气体 (Chlorine-Based Gases)

含氯气体主要用于刻蚀金属材料，如铝（Al）、铜（Cu）的部分工艺，以及一些III-V族半导体材料（如GaAs、GaN）和硅。

气体种类	化学式	主要性能与应用
氯气	$Cl_2$	优点: 产生的氯自由基（Cl）能与多种金属和硅反应生成挥发性的氯化物（如 $A lCl_3$ , $S i Cl_4$ ）。应用:* 是刻蚀铝和硅的主力气体。相比氟基刻蚀，氯基刻蚀的副产物挥发性较低，通常需要离子轰击辅助和更高的晶圆温度。特点: 对光刻胶的选择比较差，容易消耗光刻胶掩膜。
三氯化硼	$BCl_3$	优点: 具有优异的去除自然氧化层（Native Oxide）的能力。其等离子体中的BClₓ⁺离子能有效去除金属表面的氧化物。应用: 常与 $Cl_2$ 混合使用，用于刻蚀铝。 $BCl_3$ 先“打开”表面的氧化铝层，然后由 $Cl_2$ 进行主刻蚀。它还可以作为一种“吸氧剂”，减少腔体中残留水汽对刻蚀的影响。

3. 含溴气体 (Bromine-Based Gases)

含溴气体在特定应用中展现出优越的性能，尤其是在要求极高选择性和精确控制的栅极（Gate）刻蚀中。

气体种类	化学式	主要性能与应用
溴化氢	$H B r$	优点: 反应活性介于氟和氯之间，能提供非常高的硅对二氧化硅（Si/SiO₂）刻蚀选择比。其等离子体中产生的副产物（如SiBrₓOᵧ）有助于在侧壁形成有效的钝化层，实现垂直的刻蚀轮廓。应用: 是多晶硅栅极刻蚀的核心气体，能够在极薄的栅氧化层上精确停止，而不损伤下方的沟道。

三、添加气体盘点与性能解析

添加气体虽然不直接主导刻蚀反应，但通过调控等离子体化学环境，对刻蚀结果有着至关重要的影响。

1. 氧气 ( $O_2$ )

氧气是一种非常常见的添加气体，其作用因主刻蚀气体的不同而异：

在含氟碳气体中: 氧气会与 $CF_x$ 自由基中的碳发生反应，生成CO、CO₂等挥发性物质。这会“消耗”掉一部分用于聚合的碳，从而提高等离子体中的氟自由基浓度，增加刻蚀速率。但过多的氧气会严重刻蚀光刻胶，降低选择性。通过精确控制 $O_2$ 流量，可以精细调节刻蚀速率和聚合物的生成。
在去除光刻胶（灰化）中: 纯氧等离子体是去除光刻胶（主要成分为碳氢化合物）的标准工艺，称为“灰化”（Ashing）。

2. 氢气 ( $H_2$ ) 和氮气 ( $N_2$ )

氢气 ( $H_2$ ): 在含氟气体中，氢会与氟自由基结合生成HF，从而降低氟自由基的浓度。这可以用来提高对下层材料（如Si）的选择比，并增强聚合物的生成，有利于侧壁保护。
氮气 ( $N_2$ ): 作用与氢气类似，可以与碳形成CN类的聚合物，用于侧壁保护。同时，在刻蚀氮化硅时，氮气可以抑制氮化硅的分解，提高刻蚀的均匀性。

3. 惰性气体 (Inert Gases)

氩气（Ar）、氦气（He）等惰性气体不参与化学反应，但其作用不可或缺：

稀释与稳定等离子体: 作为稀释气体，可以稳定放电，控制活性基团的浓度。
增强物理轰击: 氩气质量较大，其离子（Ar⁺）在电场加速下能提供有效的物理溅射能量，有助于去除反应副产物、打开刻蚀表面、增强各向异性。
冷却: 氦气质量轻，导热性好，常被用作晶圆背面的冷却气体，以精确控制刻蚀过程中的晶圆温度。

刻蚀工艺中气体的选择与组合是一项精细而复杂的工程。工程师需要根据被刻蚀材料的种类、图形的深宽比、选择性要求以及对下层材料的保护需求，精心设计气体配方。

气体类别	核心作用	主要应用领域
含氟气体	提供氟自由基 (F*)	刻蚀Si, SiO₂, Si₃N₄, Poly-Si
氟碳气体	控制聚合物生成，实现高选择性和各向异性	刻蚀SiO₂ (高选择比), 深硅刻蚀
含氯气体	提供氯自由基 (Cl*)	刻蚀金属 (Al), III-V族, Si
含溴气体	极高的选择性和垂直轮廓控制	多晶硅栅极刻蚀
$O_2$	调节F/C比，提升刻蚀速率或用于灰化	添加剂，光刻胶去除
$H_2/ N_2$	消耗F*，增强聚合物钝化	添加剂，提高选择性
Ar/He	稳定等离子体，物理轰击，冷却	添加剂，工艺控制