刻蚀工艺是半导体制造中通过化学、物理或两者结合的方法选择性去除未被抗蚀剂掩蔽材料的关键步骤,其核心功能是将光刻工艺定义的图形精确转移到晶圆表面的薄膜层上,是实现纳米级微观结构、多层工艺图形转移及材料选择性去除的基础。
随着先进制程向3nm及以下演进,刻蚀步骤占比从传统制程的10%激增至50%以上(以5nm FinFET为例,刻蚀次数超150次),直接决定芯片的性能、良率和集成度。
刻蚀技术主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类,二者在刻蚀特性、适用场景上形成显著差异:
湿法刻蚀:利用液态化学溶液与材料的各向同性化学反应实现刻蚀,典型试剂包括氢氟酸(HF)、磷酸(H₃PO₄)或氢氟酸-硝酸-醋酸混合液(HNA)等。
其优势在于操作简便、成本低,适用于图形尺寸>3μm的成熟制程;但因各向同性导致的底切(undercutting)问题,无法满足高精度图形转移需求。
干法刻蚀:通过等离子体或离子束轰击结合化学反应实现刻蚀,具有各向异性(uni-directional)刻蚀特点,可精准控制垂直方向刻蚀,避免侧向钻蚀。
当前市场市占率高达90%以上,主流技术包括反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)和电容耦合等离子体刻蚀(CCP)等,是3μm以下先进制程的核心技术。
干法刻蚀取代湿法刻蚀成为主流的技术必然性,源于半导体器件特征尺寸微缩对图形保真性的严苛要求。当制程节点进入深亚微米级(<1μm),湿法刻蚀的各向同性底切会导致关键尺寸偏差,而干法刻蚀通过物理-化学协同作用实现的各向异性刻蚀,可满足纳米级精度(如多晶硅蚀刻侧壁垂直度需超过89°)和复杂三维结构(如FinFET、3D NAND)的制造需求。
等离子体刻蚀作为干法刻蚀的主流技术,其核心原理是“离子轰击+化学反应”的双作用模型,通过等离子体中活性粒子与材料的协同作用实现高精度材料去除:
这种物理-化学协同机制实现了刻蚀速率与精度的平衡:物理轰击提供方向性和刻蚀动能,化学反应提高材料选择性(精确去除特定材料而不影响掩模或下层材料),为先进制程中复杂结构的可控刻蚀奠定了理论基础。
刻蚀工艺与薄膜沉积、光刻共同构成半导体制造的三大核心环节,形成“沉积-光刻-刻蚀”的循环工艺链:每一层器件结构的构建需先通过沉积工艺形成薄膜(如氧化硅、金属层),再经光刻定义图形,最后通过刻蚀将图形从光刻胶转移至薄膜层,如此循环实现多层三维结构的堆叠。这种循环关系贯穿逻辑芯片、存储器件等制造全程,其中介质刻蚀和硅刻蚀的市场占有率超90%,是逻辑电路、存储单元图形化的关键手段。