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（Al₂O₃）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（Cl₂）与三氯化硼（BCl₃）的协同作用

氧化铝刻蚀通常采用Cl₂与 BCl₃的混合气体，二者功能互补，共同实现高效刻蚀。

氯气（Cl₂）：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，Cl₂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 AlCl₃），反应式可简化为：生成的 AlCl₃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 Cl₂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（BCl₃）：增强各向异性与刻蚀效率 BCl₃在刻蚀中发挥多重关键作用，弥补 Cl₂的不足：提供离子轰击动能BCl₃在等离子体中电离为BCl₂⁺、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BCl₃分解产生的 B 原子可与氧化铝中的 O 原子结合，生成 B₂O₃（氧化硼），降低 Al-O 键的结合能，使 Al 原子更易与 Cl 反应生成 AlCl₃，间接加速刻蚀速率。抑制副反应与保护侧壁BCl₃分解产生的 B₂O₃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（BCl₄）？

实际工艺中极少使用四氯化硼（BCl₄），原因如下：

化学稳定性差

BCl₄并非稳定化合物，在等离子体环境中易分解为 BCl₃和 Cl 自由基，其作用与 BCl₃类似，但成本更高，且难以精确控制比例。反应效率低BCl₄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 Cl₂与 BCl₃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 Cl₂与 BCl₃的流量比为（2:1）至（5:1），Cl₂占比过高易导致各向异性下降，BCl₃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 AlCl₃挥发，避免产物残留堵塞刻蚀通道。