刻蚀工艺气体精解：Showerhead如何赋能氧/氮化物加工
2025/9/12 10:27:57   来源：    点击：46

一、干法刻蚀核心机制与Showerhead角色

干法刻蚀通过等离子体中的活性气体与薄膜材料发生化学反应（化学刻蚀）或高能离子轰击（物理刻蚀），实现高精度图形转移。Showerhead（气体分配盘）作为关键部件，其均匀分布的微孔结构确保工艺气体以层流形式注入反应腔，避免局部浓度差异，从而提升刻蚀速率均匀性（±3%以内）和侧壁垂直度（>85°），是氧化物（Oxide）和氮化物（Nitride）薄膜刻蚀工艺稳定性的核心保障。

二、氧化物（SiO₂）刻蚀气体体系

1. 基础氟碳气体

o CF₄：基础刻蚀气体，解离产生F自由基（·F）与SiO₂反应生成SiF₄↑+O₂↑，刻蚀速率约1000-2000 Å/min，但侧壁粗糙度较高（Ra>5 nm）。

o CHF₃：引入·CF₂自由基在侧壁沉积氟碳聚合物层，抑制横向刻蚀。CF₄/CHF₃混合气体（比例3:1）可将各向异性比从1:1提升至5:1，侧壁垂直度优化至88°。

o C₄F₈：高温（>150℃）下解离为·CF₂，形成致密聚合物膜，对单晶硅（Si）的刻蚀速率降低超20倍，SiO₂/Si选择比达20:1以上，满足浅槽隔离（STI）工艺需求。

o SF₆：解离生成高密度F原子（浓度达10¹⁵ cm⁻³），是CF₄的3倍，适用于深槽刻蚀（槽深>1 μm），刻蚀速率800 Å/min，侧壁垂直度优于88°。

2. 辅助气体优化

o O₂：与氟碳气体反应生成COF₂和F原子，提升活性F浓度，使刻蚀速率增加30%-50%；但过量O₂（>15%）会氧化侧壁聚合物，导致各向异性下降。

o Ar：Ar⁺离子（能量100-500 eV）轰击表面，破除钝化层并增强方向性。加入30%-50% Ar后，各向异性比从3:1提升至8:1，但过量Ar（>60%）会导致硅基底损伤（表面粗糙度增加2-3 nm）。

o 典型配方：STI工艺采用CF₄（60%）/CHF₃（20%）/C₄F₈（10%） + O₂（8%） + Ar（35%），通过Showerhead均匀注入，实现槽深500 nm、侧壁倾斜角<85°的高精度刻蚀。

三、氮化物（Si₃N₄）刻蚀气体体系

1. 核心气体与选择比调控

o 传统氟碳气体（CF₄、CHF₃）：对Si₃N₄刻蚀选择比低（SiO₂损耗速率达Si₃N₄的90%），导致硬掩模失效。

o H₂：关键添加剂，与F原子结合生成HF↑，降低活性F浓度，抑制对SiO₂的刻蚀。加入10% H₂可使Si₃N₄/SiO₂选择比从1:1提升至12:1，同时稀释等离子体减少聚合物残留，优化表面粗糙度（Ra从3 nm降至1.2 nm）。

o Cl₂：与Si₃N₄反应生成挥发性SiCl₄↑+2N₂↑，但需配合H₂使用（Cl₂比例15%-20%，H₂比例12%-15%）以平衡速率与选择比。

o SF₆：高F密度优势，与CHF₃混合实现深槽刻蚀，刻蚀速率800 Å/min，侧壁垂直度优于88°。

2. 辅助气体优化

o N₂：稀释等离子体减少聚合物沉积，使残留物密度从10¹¹ cm⁻²降至10⁹ cm⁻²。

o Ar：物理轰击破碎Si-N键，促进刻蚀反应。

o 典型配方：侧墙spacer刻蚀采用CHF₃（40%）/SF₆（30%） + H₂（12%） + N₂（25%） + Ar（20%），通过Showerhead精准控制气体分布，实现高选择比（Si₃N₄/SiO₂>10:1）与低残留（残留物<10⁹ cm⁻²）。

四、Showerhead对气体体系的协同优化

1. 微孔结构与气体混合效率：Showerhead的微孔直径（0.1-0.5 mm）和分布密度（100-500孔/cm²）直接影响气体混合均匀性。例如，采用激光打孔技术的Showerhead可将CF₄/O₂混合气体浓度波动控制在±2%以内，显著提升刻蚀速率重复性。

2. 温度控制与聚合物沉积：Showerhead表面温度（通常维持在50-100℃）通过热传导调节腔体温度，抑制氟碳聚合物在侧壁的过度沉积，避免“微掩模效应”导致的刻蚀停滞。

3. 工艺兼容性扩展：针对先进制程（如3D NAND、FinFET），Showerhead需支持多区温度独立控制（分区数≥4），以适配不同气体组合（如C₄F₈/O₂/Ar用于高深宽比刻蚀，CHF₃/SF₆/H₂用于氮化物选择性刻蚀）。

安徽博芯微半导体科技有限公司，为核心组件提供高精度Showerhead（喷淋头/匀气盘/气体分配盘）服务，产品主要包括Showerhead、Face plate、Blocker Plate、Top Plate、Shield、Liner、pumping ring、Edge Ring等半导体设备核心零部件，产品广泛应用于半导体、显示面板等领域，性能卓越，市场认可度高。

信息来源：

1. 《干法刻蚀技术深度解析》（与非网）

2. 《【微纳加工】最全总结!半导体干法刻蚀工艺气体选择指南》（微信公众平台·腾讯网）

《Showerhead设计对干法刻蚀均匀性的影响研究》（半导体国际期刊，2023）