刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确的复制掩膜图形。有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀。这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地刻蚀掉未被光刻胶保护的区域（见图12.1）。在通常的CMOS工艺流程中刻蚀都是在光刻工艺之后进行的。从这一点来说，刻蚀可以看成在硅片上复制所想要的图形的最后主要图形转移工艺步骤。 12.1 刻蚀工艺
12.1.1 刻蚀工艺
在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。在湿法腐蚀中，液体化学试剂（如酸、碱和溶剂等）以化学方式去除硅片表面的材料。湿法腐蚀一般只是用在尺寸较大的情况下（大于3微米）。湿法腐蚀仍然用来腐蚀硅片上的某些层或用来去除干法刻蚀后的残留物。干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开出的窗口，与硅片发生物理或化学反应（或这两种反应），从而去掉曝露的表面材料。干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法。
干法刻蚀根据被刻蚀的材料类型来分类。按材料来分，刻蚀主要分成三种：金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀，如二氧化硅。接触孔和通孔结构的制作需要刻蚀介质，从而在层间介质（ILD）中刻蚀出窗口，而具有高深宽比的窗口刻蚀具有一定的挑战性。硅刻蚀（包括多晶硅）应用于需要去除硅的场合，如刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容。金属刻蚀主要是在金属层上去掉铝合金复合层，制作出互连线。
刻蚀可以分成有图形刻蚀和无图形刻蚀。有图形的刻蚀采用掩蔽层（有图形的光刻胶）来定义要刻蚀掉的表面材料区域，只有硅片上被选择的这一部分在刻蚀过程中刻掉。有图形刻蚀可用来在硅片上制作多种不同的特征图形，包括栅、金属互连线、通孔、接触孔和沟
槽。无图形刻蚀、反刻或剥离是在整个硅片没有掩膜的情况下进行的，这种刻蚀工艺用于剥离掩蔽层。反刻是在想要把某一层膜的总的厚度减小时采用的。光刻胶是另一个剥离的例子。总的来说，有图形刻蚀和无图形刻蚀工艺能够采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术来实现。
12.1.2 地锚机刻蚀参数
为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满足一些特殊的要求。包括以下重要的刻蚀参数：
一．刻蚀速率 刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度（见图研磨网12.2），通常用Å/min伤流液表示。刻蚀窗口的深度称为台阶高度。为了高的产量，希望有高的刻蚀速率。刻蚀速率由工艺和设备变量决定，如被刻蚀材料类型、刻蚀机的结构配置、使用的刻蚀气体和工艺参数设置。刻蚀速率用下式来计算： 刻蚀速率 = ΔT/t （Å/min） （12—1）
其中，ΔT =去掉的材料厚度（Å或μm），t =刻蚀所用的时间（分）。
刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度。硅片表面几何形状等因素都能影响硅片与硅片之间的刻蚀速率。要刻蚀硅片表面的大面积区域，则会耗尽刻蚀剂浓度使刻蚀速率慢下来，如果刻蚀的面积比较小，则刻蚀就会快些。这被称为负载效应。刻蚀速率的减小是由于在等离子体刻蚀反应过程中会消耗大部分的气相刻蚀基。由于负载效应带来的刻蚀速率的变化是有效的终点检测变得非常重要的最主要原因。
二．刻蚀剖面 刻蚀剖面指的是刻蚀图形的侧壁形状。有两种基本的刻蚀剖面：各向同性和各向异性刻蚀剖面。各向同性的刻蚀剖面是在所有方向上（横向和垂直方向）以相同的刻蚀速率进行刻蚀，导致被刻蚀材料在掩膜下面产生钻蚀（见图12.3）而形成的，这带来不
希望的线宽损失。湿法化学腐蚀本质上是各向同性的，因而湿法腐蚀不用于亚微米器件中的选择性图形刻蚀。一些干法等离子体系统也能进行各向同性刻蚀。
对于亚微米尺寸的图形来说，希望刻蚀剖面是各向异性的，即刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行（见图12.4），只有很少的横向刻蚀。这种垂直的侧壁使得在芯片上可制作高密度的刻蚀图形。各向异性刻蚀对于小线宽图形亚微米器件的制作来说非常关键。先进集成电路应用上通常需要88到89º垂直度的侧壁。各向异性刻蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀来实现的。表12.1图示了湿法和干法刻蚀后的几种剖面形状。
对于较小的几何图形，刻蚀剖面具有较高的深宽比。对于高深宽比的图形窗口，化学刻蚀剂难以进入，反应生成物难以出来。为解决这个问题，就希望能定向地把等离子体推进高
深宽比的窗口。如果等离子体中的离子是有方向性的（垂直于硅片表面），就只有硅片表面受到轰击，而不是图形的侧壁。这样做迫使化学刻蚀剂在产生很小钻蚀的情况下进入高深宽比的窗口，并能获得可接受的刻蚀速率。
三．刻蚀偏差 刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化（见图12.5）。
它通常是由于横向钻蚀引起的（见图12.6），但也能由刻蚀剖面引起。当刻蚀中要去除掩膜下过量的材料时，会引起被刻蚀材料的上表面向光刻胶边缘凹进去，这样就会产生横向钻蚀。计算刻蚀偏差的公式如下：
游戏推广系统
刻蚀偏差 = Wb ― Wa （12—2）
其中，Wb =刻蚀前光刻胶的线宽，Wa =光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽。
四．选择比 选择比指的是在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速率快多少。它定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比（见图12.7）。高选择比意味着只刻除想要刻去的那一层材料。一个高选择比的刻蚀工艺不刻蚀下面一层材料（刻蚀到恰当的深度时停止），并且保护的光刻胶也未被刻蚀。图形几何尺寸的缩小要求减薄光刻胶厚度，所以高选择比在最先进的工艺中为了确保关键尺寸和剖面控制是必须的。特别是关键尺寸越小，选择比要求越高。选择比差的刻蚀工艺是1:1，意味着被刻蚀材料与掩蔽层去除一样快。能达到100:1的选择比算是高的。
对于被刻蚀材料和掩蔽层材料的选择比SR可以通过下式计算：
SR = Ef / Er （12—3）
其中，Ef =被刻蚀材料的刻蚀速率，Er =ir测试掩蔽层材料的刻蚀速率。
干法刻蚀通常不能提供对下一层材料足够高的刻蚀选择比。在这种情况下，一个等离子体刻蚀机应装上一个终点检测系统，使得在造成最小的过刻蚀时停止刻蚀过程。即当下一层材料正好露出来时，终点检测器会触发刻蚀机控制器而停止刻蚀。
五．均匀性 刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。均匀性与选择比有密切的关系，因为非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键。难点在于刻蚀工艺必须在刻蚀具有不同图形密度的硅片上保持均匀性，例如图形密的硅片区域，大的图形间隔和高深宽比图形。刻蚀速率在小窗口图形中较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸图形上刻蚀会停止。具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢。这一现象被称为深宽比相关刻蚀（ARDE），也被称为微负载效应。为了提高均匀性，必须把硅片表面的ARDE效应减至最小。
六．残留物 刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料。它常常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部。它的产生有多种原因，例如被刻蚀膜层中的污染物、选择了不合适的化学刻蚀剂（如刻蚀太快）、腔体中的污染物、膜层中不均匀的杂质分布。刻蚀以后的残留物有不同的名称，包括长细线条、遮蔽物、冠状物和栅条。长细线条是一些没有完全去除干净的细小的被刻蚀材料残留物，具有电活性，能在图形之间形成不希望的短路。刻蚀残留物是IC制造过程中的硅片污染源，为了去除刻蚀残留物，有时在刻蚀完成后会进行过刻蚀。在一些情况下，刻蚀残留物可以在去除光刻胶的过程中或用湿法化学腐蚀去掉。
七．聚合物 聚合物的形成有时是有意的，是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而防止横向刻蚀（见图12.8），这样做能形成高的各向异性图形，因为聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。能否形成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。
非标夹具
这些侧壁聚合物很复杂，包括刻蚀剂和反应的生成物，例如，铝、阻挡层的钛、氧化物以及其他无机材料。聚合物链有很强的难以氧化和去除的碳氟键。然而，这些聚合物又必须在刻蚀完成以后去除，否则器件的成品率和可靠性都会受到影响。这些侧壁的清洗常常需要在等离子体清洗工艺中使用特殊的化学气体，或者有可能用强溶剂进行湿法清洗后再用去离子水进行清洗。
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