氧化铝在半导体工艺中一般用什么气体进行刻蚀？

氧化铝在半导体工艺中的刻蚀气体及作用机理详解

在半导体制造中，氧化铝（Al?O?）因具有高介电常数、良好的化学稳定性和绝缘性，被广泛用于栅极介质、隔离层、钝化层等关键结构（如?3D NAND?的电荷陷阱层、FinFET?的隔离氧化层）。对氧化铝的刻蚀需满足高精度（纳米级尺寸控制）、高各向异性（垂直侧壁）和高选择性（不损伤衬底或相邻材料），其刻蚀气体的选择与作用机理如下：

一、主流刻蚀气体：氯气（Cl?）与三氯化硼（BCl?）的协同作用

氧化铝刻蚀通常采用Cl?与?BCl?的混合气体，二者功能互补，共同实现高效刻蚀。

氯气（Cl?）：主要刻蚀反应物?氯气是刻蚀氧化铝的核心反应气体，其作用基于化学反应机制：在等离子体环境中，Cl?分子被电离为?Cl?、Cl?自由基（Cl）等活性物种。活性氯物种与氧化铝表面的?Al?原子发生化学反应，生成挥发性铝氯化合物（如?AlCl?），反应式可简化为：生成的?AlCl?沸点低（约?180℃），可在真空环境中被抽离，实现氧化铝的去除。

但单独使用?Cl?时存在局限：反应速率较慢，且刻蚀方向性差（易出现横向钻蚀），需配合其他气体优化。

三氯化硼（BCl?）：增强各向异性与刻蚀效率?BCl?在刻蚀中发挥多重关键作用，弥补?Cl?的不足：提供离子轰击动能BCl?在等离子体中电离为BCl??、BCl?等重离子，这些离子在电场加速下垂直轰击衬底表面，通过物理溅射作用剥离氧化铝表层原子，增强刻蚀的各向异性（抑制横向刻蚀，保证侧壁垂直）。促进氯的化学反应BCl?分解产生的?B?原子可与氧化铝中的?O?原子结合，生成?B?O?（氧化硼），降低? ? ? ?Al-O?键的结合能，使?Al?原子更易与?Cl?反应生成?AlCl?，间接加速刻蚀速率。抑制副反应与保护侧壁BCl?分解产生的?B?O?或硼氧氯化合物（如?BClO）可在刻蚀侧壁形成一层薄保护膜，减少横向刻蚀，同时防止?Cl?自由基对衬底（如硅、硅化物）的过度腐蚀，提升刻蚀选择性。

二、为何不选择四氯化硼（BCl?）？

实际工艺中极少使用四氯化硼（BCl?），原因如下：

化学稳定性差

BCl?并非稳定化合物，在等离子体环境中易分解为?BCl?和?Cl?自由基，其作用与?BCl?类似，但成本更高，且难以精确控制比例。反应效率低BCl?中的?Cl?含量虽高，但硼与氯的结合能较强，电离后释放活性?Cl?的效率低于?Cl?与?BCl?的混合体系，反而可能降低刻蚀速率。

三、刻蚀工艺的关键参数调控

为实现高精度刻蚀，需结合以下参数优化：

气体比例通常?Cl?与?BCl?的流量比为（2:1）至（5:1），Cl?占比过高易导致各向异性下降，BCl?过多则会降低刻蚀速率。等离子体功率射频功率决定离子能量，高功率可增强离子轰击，提升各向异性，但需避免损伤衬底；低功率则有利于提高选择性。压力与温度低压环境（1-10 mTorr）可延长离子平均自由程，增强方向性；适当升温（如? ? ? 80-150℃）可促进?AlCl?挥发，避免产物残留堵塞刻蚀通道。