芯片制造前沿技术：原子层刻蚀（ALE）

本文将介绍芯片制造的刻蚀工艺中的原子层蚀刻（Atomic Layer Etching, ALE）。

ALE工艺概述

随着半导体技术的发展，先进芯片的关键尺寸不断缩小，甚至要求具有复杂的三维结构，如FinFET和3D NAND闪存。这些技术的发展对刻蚀工艺提出了极高的要求，特别是在选择比和精度方面。纳米级器件结构对工艺尺寸误差的要求非常严格，一般约为其自身尺寸的10%。例如，宽度为5纳米(nm)的晶体管栅极结构允许的误差仅为0.5nm，相当于2到4个原子层的厚度。传统的等离子体刻蚀技术难以满足这种高精度的要求。

原子层蚀刻（Atomic Layer Etching, ALE）是一种高精度的刻蚀技术，可以视为原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）的逆向过程。ALE具有薄膜刻蚀的自限制性，能够在每个循环周期内仅去除一个原子层，从而实现原子层级别的尺寸和精度控制。尽管早期的ALE技术由于移除材料的效率较低而被认为不适合实际生产，但随着器件关键尺寸的不断缩小（许多功能层的厚度已小于2-3nm），ALE技术迎来了新的发展机遇。

ALE技术分类

ALE技术主要可以分为两种类型：等离子体增强ALE和热ALE。这两种技术都包括两个半反应过程，遵循自限制性原则进行操作。

1. 等离子体增强ALE

第一个半反应：将反应气体1引入反应腔中，与材料表面发生化学反应，形成一层自限制层。停止通入反应气体1，并将多余的反应气体1和副产物从反应腔中排出。

第二个半反应：引入具有一定能量的离子（通常为氩离子Ar⁺）轰击表面，或者引入第二种气体2，通过物理或化学作用去除自限制层。停止引入高能粒子或反应气体2，并清除刻蚀过程中产生的副产物及多余的粒子或气体2，以完成一个ALE循环周期。

2. 热ALE

第一个半反应：将反应气体1引入反应腔中，与材料表面发生化学反应，形成一层自限制层。停止通入反应气体1，并将多余的反应气体1和副产物从反应腔中排出。

第二个半反应：在没有等离子体的情况下，利用热能激活反应气体2，通过化学反应去除自限制层。停止引入反应气体2，并清除刻蚀过程中产生的副产物及多余的气体2，以完成一个ALE循环周期。

具体应用案例

(1) 泛林（Lam Research）的等离子体增强ALE刻蚀Si

反应A：化学吸附。刻蚀剂a是氯气（Cl₂）。等离子体中的活性氯原子以化学吸附的方式与最表面一层的硅原子的一个悬键（Dangling Bond）结合，形成结合力较强的Si-Cl键（4.2 eV），这会弱化该硅原子与另外3个硅原子的Si-Si键，使其结合力从3.4 eV降到2.3 eV。

反应B：离子溅射去除。刻蚀剂b是氢气（H₂）。在偏压功率的作用下，氢离子的轰击动能调至2.3-3.4 eV，仅有表面被弱化的硅原子层会被溅射去除，而下一层未被弱化的硅原子不受影响。

(2) 应用材料（Applied Materials）的热ALE刻蚀SiO2

反应A：吸附过程。刻蚀剂a主要由氨气（NH₃）和三氟化氮（NF₃）组成，在远程等离子体源中解离成活性粒子（如NH₂F或NHF、HF），下行扩散至圆片表面，与氧化硅反应，反应生成物是固态的(NH₄)₂SiF₆和气态的NH₃和H₂O。这是一个自饱和过程。

反应B：汽化过程。使晶圆接近处于高温的反应腔顶板，以使其温度骤升至可使(NH₄)₂SiF₆升华的温度（约为150°C），并充入稀有气体（不参与反应），以利于将升华了的气态化合物一起抽出反应腔。

ALE工艺的优势

高精度：ALE工艺能够实现每个循环周期仅去除一个原子层，确保了极高的尺寸精度。

自限制性：每个循环周期内的刻蚀过程具有自限制性，避免了过度刻蚀，提高了工艺的可控性和重复性。

选择性：ALE工艺可以选择性地刻蚀特定材料，而不影响其他材料，这对于多层结构的器件尤为重要。

ALE技术凭借其高精度、自限制性和选择性，已成为先进芯片制造中不可或缺的一部分。随着器件关键尺寸的不断缩小，ALE技术的应用前景越来越广阔，为未来的微电子工业提供了强大的技术支持。随着技术的不断进步和完善，ALE有望在更多领域发挥重要作用，推动半导体行业的持续发展。