6、干货！老司机带你利用高中化学知识理解蚀刻（dry etch）选择比（selectivity）原理...

前面已经介绍过蚀刻（dry etch）选择比（selectivity）的概念，即为薄膜的蚀刻速率与衬底或者掩膜的蚀刻速率的比值。

对衬底材料选择比（S1=ER1/ER2）：被蚀刻薄膜与衬底的蚀刻速率比值；

对掩膜材料选择比（S2=ER1/ER3）：被蚀刻薄膜与掩膜的蚀刻速率比值。

所谓高选择比指的是蚀刻薄膜时，上面的掩膜材料（PR or HM）或下面的衬底材料不被蚀刻或较小的被蚀刻。随着摩尔定律的发展，制程线宽的不断缩小，高选择比（high selectivity）蚀刻（dry etch ）越来越重要。

图1 选择比示意图

例如为了提高litho曝光的解析度，光阻（PR）的厚度越来越薄，因此为了保证在蚀刻（dry etch）过程中光阻不会被完全去除，要求光阻的蚀刻速率很小，从而保证高选择比。

又例如poly gate 下面的栅氧（gate oxide）层厚度随着制程线宽缩小而不断变薄，在poly gate etch过程中，如果选择比不高，容易吃穿gate oxide，造成器件失效。

理解选择比的重要性以后，接下来的问题就是如何选择蚀刻气体来实现高选择比？下面举poly gate etch为例，具体说明如何选择气体来实现高选择比。

poly gate（poly silicon）的主要成分是多晶硅，上面是掩膜（PR），下面是gate oxide（SiO2）。litho曝光完成后，接下来就是poly gate etch。

首先来回忆一下高中化学知识：化学反应的实质是反应物化学键的断裂和生成物化学键的形成；反应朝着键能大的方向进行；键能指的是断开1mol化学键时所需要吸收的能量。

蚀刻前的键能是（Si---Si，Si---O），蚀刻后的键能是（C---O，Si---F，Si---Cl，Si---Br），各个键能大小如下表：

图2 各种化学键对应的键能

由于Si---Si（54）键能最小，Si---F（132），Si---Cl（96），Si---Br（88）键能均比Si---Si（54）大，所以含F，Cl，Br的气体均能蚀刻多晶硅。Si---O（111）键能比Si---Cl（96），Si---Br（88）大，而比Si---F（132）小，所以含Cl和Br的气体蚀刻 Si---Si键的同时，不能蚀刻Si---O键。C---O（257）键能最大，当反应气体中有C存在时，Si---O（111）键会断裂生成C---O（257）键。

综上所述，选用Cl2和HBr容易获得高选择比，而含C、F、Cl的气体选择比较低，实际etch recipe中会添加O2来降低对SiO2的蚀刻速率，从而提高选择比，具体原理大家可以思考下，欢迎下面留言、提问、解答。

实际的etch recipe会分main etch和over etch，ME主要考虑蚀刻速率（etch rate），而OE主要考虑选择比（selectivity），ME和OE选择的气体一般不同。