随着集成电路制造工艺节点持续微缩，先进逻辑制程已进入7nm以下时代，刻蚀工艺作为图形转移的关键环节，其精度与稳定性直接决定芯片的良率；在28nm及以上成熟制程的大规模量产中，高深宽比结构与多层互连对刻蚀工艺控制同样提出了严苛要求。刻蚀工艺利用等离子体化学反应去除晶圆表面特定材料，从而完成图形由光刻胶到衬底的准确转移。感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma,ICP）刻蚀与电容耦合等离子体（Capacitively Coupled Plasma,CCP）刻蚀作为两类主流刻蚀技术，分别在高深宽比介质刻蚀和硅/金属刻蚀领域具有不可替代的地位。

ICP/CCP刻蚀工艺原理

ICP刻蚀工艺原理

ICP刻蚀是利用感应耦合等离子体来去除材料的一种干法刻蚀技术，其主要原理就是通过射频（Radio Frequency，RF）电源在线圈中产生交变磁场，交变磁场感应产生交变电场，电场加速自由电子和中性气体分子碰撞电离，形成高密度等离子体。ICP刻蚀系统典型的结构有真空腔室、射频线圈、静电吸盘（Electrostatic Chuck，ESC）、匹配网络、气体分配系统等。ICP源通常采用13.56MHz射频电源，可在低气压（1~50mTorr）条件下产生电子密度达10¹¹~10¹²cm⁻³的高密度等离子体，较传统CCP源高1~2个数量级。高密度等离子体使ICP刻蚀具有高的刻蚀速率、高的选择比和良好的各向异性，被广泛地应用在多晶硅、金属和化合物半导体材料的刻蚀上。

ICP刻蚀设备原理图

ICP刻蚀的物理化学过程可以归纳为如下几个步骤，第一，工艺气体（SF₆、Cl₂、BCl₃、CHF₃等）进入真空腔室后被射频电场电离，产生离子、自由基和电子等活性粒子；第二，自由基在浓度梯度的驱使下扩散到晶圆表面并被吸附；第三，吸附的自由基和衬底材料发生化学反应生成挥发性产物；第四，挥发性产物在真空泵抽气的作用下离开表面，完成材料去除。同时离子在鞘层电场的作用下对晶圆表面进行轰击，给反应提供活化能并清除表面的聚合物，从而提高刻蚀的各向异性。ICP刻蚀一般用双频激励方式，即分别对源功率和偏压功率进行控制来实现等离子体密度和离子能量的解耦调节。

CCP刻蚀工艺原理

CCP刻蚀是利用上下电极之间的射频电场来激发产生等离子体，晶圆放在下电极（接地或者施加偏压）上。CCP源一般用13.56MHz高频电源和低频（400kHz到2MHz）脉冲电源相结合的方式工作，高频电源主要产生等离子体，低频电源主要调节离子的能量。CCP刻蚀对介质材料（SiO2、Si3N4、低K介质）高深宽比刻蚀有优势，在接触孔、通孔和金属间互连图形化方面得到广泛应用。CCP刻蚀的等离子体密度一般为10⁹到10¹⁰cm⁻³，比ICP源低，但是可以通过高鞘层电压来达到较强的离子轰击效果，从而得到垂直刻蚀剖面[4]。先进工艺节点下CCP刻蚀遇到高深宽比（HAR）刻蚀的侧壁粗糙度控制、刻蚀停面均匀性以及微掩蔽效应等问题。

CCP刻蚀设备原理

CCP刻蚀工艺控制主要是射频匹配稳定、气体比例合适、温度场控制。射频匹配网络利用调节阻抗匹配来实现射频功率的高效传输，匹配失谐会造成反射功率增大、等离子体不稳定。气体配比会影响等离子体的化学组成以及刻蚀的选择性，CF₄/O₂配比可以调节SiO₂对Si的刻蚀选择比。温度场控制依靠ESC背吹氦气和冷却液循环来维持晶圆温度的均匀性，温度波动会影响到化学反应速率从而对刻蚀均匀性造成影响。