LECTURE 06
让等离子体
雕刻纳米世界
干法刻蚀：从等离子体与鞘层出发，理解方向性、选择比、侧壁钝化、高深宽比结构与原子层刻蚀。
核心问题：如何同时做到“刻得快、刻得直、只刻目标材料、而且不损伤器件”？
SME305 · DRY ETCHING
超大规模集成电路工艺原理 · 第六讲
让等离子体
TODAY'S ROUTE
一条主线：把“反应”变成可制造的三维轮廓
01
等离子体与方向性
气相活化、鞘层、电场与离子轰击02
设备与工艺指标
RIE、ICP-RIE、IBE、选择比、各向异性03
化学路线与侧壁控制
F / Cl / Br 化学、聚合物钝化、Bosch 循环04
三维结构与缺陷
ARDE、microloading、bowing、notching05
原子级控制与前沿
ALE、低温 HAR、GAA / CFET 选择性刻蚀等离子体→产生自由基与离子
鞘层电场→赋予离子方向性
表面化学→形成挥发性产物
钝化与脉冲→控制侧壁与原子层
THE PROCESS MAP
干法刻蚀不是“吹走材料”：它是一条受控反应链
① 产生反应物
- 电子碰撞使气体解离、激发与电离
- 中性自由基负责化学反应
- 正离子受鞘层电场加速
入口：气体配方、功率、压力
② 到达并反应
- 自由基吸附到材料表面
- 离子轰击打断键、去除钝化层
- 反应速率依赖材料和温度
核心：物理与化学协同
③ 排出产物
- 产物必须具有足够挥发性
- 深沟槽中输运逐渐受限
- 腔体残留会改变缺陷与重复性
出口：挥发性、抽气、腔体状态
PLASMA · SHEATH · ION ENERGY
真正决定“向下刻”的，是晶圆上方的鞘层电场
LIVE MODEL
腔体压力25 mT
晶圆偏压120 V
λmfp ∝ 1 / p
Eion ≈ q · Vsheath
SYNERGY
化学负责“认材料”，离子负责“定方向”
化学反应
自由基吸附并生成挥发性产物
物理溅射
高能离子转移动量，方向性强
反应离子刻蚀
协同获得速率、选择比与轮廓控制
PROCESS METRICS
不是“刻掉”就成功：目标是可复制的轮廓窗口
Etch rate = Δh / Δt
Selectivity SA/B = RA / RB
Anisotropy A = 1 − Rlateral / Rvertical
高 S保住掩膜与停刻层
A → 1侧壁接近垂直
低 σ片内与片间稳定
工程中还要同时检查残留、表面粗糙度、等离子体损伤、颗粒和腔体漂移。
TOOL ARCHITECTURES
设备选择的本质：如何分配“密度、能量、方向与时间”
RIE
电容耦合等离子体。结构紧凑，适合常规图形转移与教学入门。
可调自由度典型关注
压力、RF 功率、自偏压、气体配比
ICP-RIE
感应耦合产生高密度等离子体，晶圆偏压更独立可控。
轮廓控制典型关注
source power 与 bias power 解耦
IBE / RIBE
离子束提供明确方向。适用于部分难挥发材料与精细修整。
方向性典型关注
再沉积、损伤、吞吐量
ALE
表面改性与受控去除交替进行，每周期只移除有限厚度。
深度精度典型关注
自限性、每周期刻蚀量 EPC
ICP-RIE CUTAWAY
把“产生离子”和“加速离子”尽量分开控制
GPT Image 2 生成的 ICP-RIE 概念示意；设备结构已简化。
CHEMISTRY TOOLBOX
气体不是“配方表”：它决定产物、钝化和选择比
SiO₂ / low-k
CF₄、CHF₃、C₄F₈含氟自由基提供反应；含碳组分形成聚合物钝化，帮助控制侧壁和选择比。
关键权衡：刻蚀 vs. 聚合
Si / poly-Si
Cl₂、HBr、SF₆卤素化学形成挥发性产物。HBr 常用于增强轮廓控制；SF₆ 对 Si 反应活跃。
关键权衡：速率 vs. 侧壁保护
Al / 金属
Cl₂、BCl₃氯化反应与离子增强并用。必须管理原生氧化层、腐蚀残留和腔体状态。
关键权衡：残留与后腐蚀
光刻胶去除
O₂ plasma氧自由基将有机物转化为挥发性产物。灰化后仍要检查聚合物残留和底层损伤。
关键权衡：清洁度 vs. 损伤
SIDEWALL PASSIVATION · BOSCH DRIE
深沟槽为什么能保持竖直？因为侧壁被“暂时保护”
HAR ETCH · 3D NAND
沟槽越深，任何微小偏差都会被放大
图中左侧通道为理想轮廓；右侧故意加入 bowing、侧壁粗糙和底部异常，用于课堂讨论。
GPT Image 2 生成的 3D NAND 高深宽比通道概念示意；比例已简化。
PROFILE DIAGNOSTICS
轮廓就是“过程历史”：缺陷会告诉你哪一步失控
bowing中部横向扩大。可能来自侧壁保护不足、角度分布或充电效应。
necking入口变窄。可能来自过度聚合、掩膜形貌或上部沉积。
microtrenching底部角落过刻。可能与离子反射和局部通量集中有关。
notching / footing界面附近横向扩大。常与充电、停刻层和离子偏转相关。
诊断思路
先问缺陷出现在哪里，再问是输运、方向、钝化、选择比还是充电主导。不要只调整单一功率。
工程窗口
轮廓合格还不够：必须同时检查 CD、深度、掩膜损耗、残留、损伤、均匀性和片间漂移。
SELECTIVE ETCH · GAA NANOSHEET
有时最难的不是“刻得直”，而是“只移除一种材料”
GAA nanosheet 形成过程中，SiGe 牺牲层需要被选择性去除，使 Si 纳米片释放出来并保持完整。
选择比SiGe 去除快，Si nanosheet 尽量不损失
低残留减少 Ge 残留，避免后续界面问题
低粗糙度保持通道表面质量与尺寸一致性
低损伤避免充电、离子轰击和等离子体损伤
GPT Image 2 生成的 GAA nanosheet 选择性释放概念示意；材料层次已简化。
ATOMIC LAYER ETCHING · ALE
进入埃米时代：每次循环只移除“有限的一层”
Depth ≈ Ncycle · EPC
FRONTIER WATCH · UPDATED 2026-06-01
前沿不是“更大功率”：而是更深、更准、更低损伤
LAM · 2024-07-31
Cryo 3.0
Lam Research 公布低温刻蚀路线，面向 3D NAND HAR 通道。官方信息提到最高 10 μm 深度、顶部到底部 CD 偏差小于 0.1%，并指向 1000 层 NAND 路线。
LAM · 2025-02-19
Akara conductor etch
面向 GAA、6F² DRAM 与 3D NAND 的导体刻蚀平台，强调埃米级 CD 均匀性、毫秒级响应和复杂结构控制。
APPLIED · 2025
Sym3 Z Magnum
Applied Materials 公布第二代脉冲电压技术 PVT2 与独立 RF bias 控制，用于逻辑与存储器的精细导体刻蚀。
ACS · 2025-05-05
ULET plasma ALE
超低电子温度等离子体 ALE 用于 SiO₂，研究报告更低表面粗糙度与更宽 ALE 窗口，目标是减少损伤。
教学推论：先进刻蚀的竞争重点，正在从“是否刻得动”转向“多物理场协同下的原子级可制造性”。
WRAP-UP
带走五句话，再进入课堂讨论
课堂资料与前沿来源
Lam Research · Etch process overview：RIE、ALE 与 selective etchLam Research · Vantex：3D NAND 高深宽比 dielectric etchLam Research · Cryo 3.0 · 2024-07-31Lam Research · Akara conductor etch · 2025-02-19Applied Materials · Sym3 Z Magnum Etchimec · Entering the nanosheet transistor eraACS Applied Electronic Materials · ULET plasma ALE of SiO₂ · 2025-05-05Smith & Chang · Atomic Layer Etching in Patterning Materials · 2026图片均由 GPT Image 2 生成，用于课堂概念解释，不替代设备工程图或截面计量图。