第2章
理论基础
2.1 刻蚀工艺的重要性能指标
刻蚀是一种材料去除过程，需要打断键并去除固体材料表面的原子。除物理溅射外，半导体器件的干法刻蚀工艺还存在化学反应。要了解这些技术是如何工作的，重要的是要理解其机制和基本步骤。在干法刻蚀中，化学活性物质通过气相传递到表面并吸附在表面上。也可以用化学活性离子轰击表面（见第7.1.2节）。吸附剂的作用是削弱表面原子与体材料的结合。同时或按顺序提供能量以破坏键并移除反应产物。这可以通过离子和原子的热能或动能以及光子或电子等其他方式实现。足够高的热能或动能也分别导致纯物理去除，例如蒸发和溅射。然而，蒸发和物理溅射在半导体器件的刻蚀中用处有限。
图2.1用带有吸附原子的固体表面示意图说明了化学活性物质的吸附效果。吸附物和表面原子之间的键能用EA表示，表面原子和体原子之间的结合能用ES表示，体原子之间的键能用EO表示。吸附的原子与表面原子形成键，键能为EA。相对于本体中的键EO，由ES表征的表面原子与本体之间的键被削弱。当提供足够的能量时，最弱的键就会断裂。如果这些是ES表征的键，则结果是刻蚀。其他键的断裂将导致解吸（在EA最弱的情况下）或体材料的溅射/蒸发（如果EO是最弱的键）。
图2.1 带有吸附原子的固体表面示意图，EA表示吸附物和表面原子之间的键能，ES表示表面原子和体原子之间的结合能，EO表示体原子之间的键能。刻蚀条件：ES<EO和EA。资料来源：Lill等人（1994）
这是一种大大简化的唯象表示法，忽略了表面的实际结构以及反应和活化势垒的动力学。表面也可能是无定形或损坏的，并与化学活性物质混合。反应层可以延伸到刻蚀材料的第一原子层之外。在这种情况下，整个反应层的特征是化学键弱。
用于打断键的能量可以是热能，离子动能，原子、分子和自由基的化学能，以及光子和电子的化学能或热能。据报道，甚至原子力显微镜尖端的机械能也会导致化学改性表面的刻蚀（Chen等人，2018）。
在该刻蚀框架中，一个或多个粒子通量和能量源同时或顺序地与表面相互作用，以改性表面并破坏待去除材料的键。根据使用的粒子和能量源以及它们是否同时或顺序地与表面相互作用，干法刻蚀技术可分为热刻蚀、热各向同性原子层刻蚀（ALE）、自由基刻蚀、定向或离子辅助ALE、反应离子刻蚀（RIE）和离子束刻蚀（IBE）。我们将在第2.9节介绍刻蚀技术的分类。
半导体器件的刻蚀工艺形成3D结构，可以由几种不同的材料组成。刻蚀先进半导体器件时，必须满足广泛的、特定于应用的要求表。下面列出了常见的重要刻蚀要求。
2.1.1 刻蚀速率（ER）
这是最重要的刻蚀性能参数。它表示为刻蚀薄膜厚度随时间的变化，通常以nm/min为单位。对于溅射工艺，该速率也可以表示为溅射产率Γ的函数，即喷射原子和离子与撞击离子的比率。对于化学增强工艺，如RIE，刻蚀速率（ER）对入射通量的依赖性要复杂得多（见第7.1节）。
对于ALE，术语“刻蚀速率”替换为术语“每循环刻蚀深度”（EPC），以nm或Å表示，因为该过程是周期循环的，并且每个循环去除数量明确的材料。这种方法类似于薄膜沉积中的命名法，其中化学气相沉积（CVD）等连续技术以沉积速率表征，而原子层沉积（ALD）以“每循环生长厚度”（GPC）表征。
2.1.2 刻蚀速率不均匀性（ERNU）
先进的半导体器件是在直径300mm的晶圆上制造的。刻蚀速率均匀性要求非常严格。该参数表示为整个晶圆的刻蚀速率差除以平均刻蚀速率的比率，以百分比或标准差表示。通常，刻蚀速率不均匀性（ERNU）用标准差1σ的百分比表示。ERNU可以通过晶圆上或晶圆最边缘的任何入射粒子通量的不均匀性引入。
2.1.3 选择性
很少有刻蚀应用仅限于刻蚀一种材料。刻蚀沟槽或孔等3D结构时，需要使用由较慢刻蚀材料制成的掩模。材料1对材料2的选择性表示为其刻蚀速率之比ER1/ER2或其每循环刻蚀深度之比EPC1/EPC2。刻蚀技术具有“本征”选择性。这是没有沉积子反应的选择性。本征选择性是“过量”去除能量的函数。例如，热过程在热能下调动中性分子，其能量刚好足以打破刻蚀材料的键。由于不同材料的化学路径非常不同，因此可以设计具有无限选择性的刻蚀工艺。相比之下，RIE使用能量为几百电子伏特（eV）的离子。这远远超过了打破刻蚀材料关键键所需的能量。该工艺过程对其具有选择性的材料键也将被打破。结果是基于刻蚀速率差的有限选择性。因此，将物质沉积工艺添加到RIE工艺中，以沉积不需要刻蚀的保护层，同时在需要刻蚀的位置进行刻蚀。
2.1.4 轮廓
离子的使用使刻蚀过程具有方向性或各向异性。结合选择性刻蚀掩模，可以创建垂直或接近垂直的形貌。垂直横截面的最终形状称为刻蚀轮廓。理想情况下，该横截面为正方形，但各种伪影可能导致轮廓变形。
非理想轮廓的原因之一是可以在垂直和水平方向刻蚀的中性粒子的影响。后者称为各向同性刻蚀，可以通过降低温度、选择反应性较低的中性粒子以及添加抑制各向同性刻蚀的抑制物等方式加以抑制（Coburn，1994）。图2.2显示了如何表征刻蚀轮廓的常见惯例。这些术语在刻蚀界没有严格定义，并且可能因所属组织不同而异。
图2.2 最常见的刻蚀轮廓的分类
2.1.5 关键尺寸（CD）
术语关键尺寸（CD）适用于沟槽的空间、线的宽度或孔的直径。根据测量的位置，可以区分顶部和底部CD。如果轮廓弯曲，则该轮廓变形的最大程度称为弯曲CD。可以以类似的方式引入更多与CD相关的具体术语。术语CD也可以应用于引入的抗蚀剂掩模。光刻CD和刻蚀CD之间的差称为CD偏差或ΔCD。晶圆上的CD偏差均匀性与ERNU直接相关。CD的重复性是晶圆到晶圆和腔室到腔室重复性的函数。
2.1.6 线宽粗糙度和线边缘粗糙度（LWR和LER）
线边缘粗糙度（LER）是仅一个边缘的粗糙度，并考虑了线条弯曲的影响。线宽粗糙度（LWR）定义为线宽的变化。该参数考虑线两侧的粗糙度。由于线条弯曲影响线的两个边缘，LWR通常不包括它。
2.1.7 边缘放置误差（EPE）
边缘放置误差（EPE）定义为两个形貌的边缘相对于其预期目标位置的相对位移。CD偏差、LER和LWR是EPE的组成部分，它还考虑了光刻套刻误差和其他一些因素的贡献。
2.1.8 深宽比相关刻蚀（ARDE）
该参数衡量刻蚀速率随着形貌的演变和深宽比增加的变化。具有垂直侧壁形貌的深宽比（AR）定义为形貌深度与宽度的比值（AR=d/w）。对于非垂直轮廓，也使用平均或最小宽度。深宽比相关刻蚀（ARDE）的根本原因是刻蚀物种输运到形貌内部的刻蚀表面。对于具有一种刻蚀物种的刻蚀工艺，例如低压自由基刻蚀，由于输运成为限制步骤，刻蚀速率随着深宽比的增加而减慢。RIE利用离子和中性粒子的联合效应进行刻蚀。离子和中性粒子具有不同的角度分布，因此，随着形貌深宽比的不断发展，到达刻蚀前端的通量将不同程度地衰减（Gottscho等人，1992）。我们将在第3.1节、4.2节、5.2节、6.2节、7.2节和8.1节中探究每种刻蚀技术的ARDE根源。