三维集成靠垂直堆叠多层结构来提密度、提性能，但传统180nm逻辑工艺（L180）的接触刻蚀方案拿来刻三维集成的ONONO层间介质叠层行不通。主要毛病：停止余量不够、底部选择比掉、晶圆位置相关CD偏差大、叠层结构对不上。

本文提出三步M1接触刻蚀方案，把主刻蚀、形貌调整、高选择比过刻蚀分开控制来破解这些限制。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

实验方法

三维集成M1CT层间介质ONONO叠层结构示意图

基线用180nm无边界接触方案。三维集成中Super-Via刻蚀后沉积500 Å内衬氮化层和1500 Å内衬TEOS，形成ONONO叠层。完整流程：300 Å BLC氮化层→3500 Å BPSG→12000 Å TEOS→CMP至约8000 Å→Super-Via刻蚀→内衬氮化层/TEOS沉积→1 μm钨沉积与CMP→M1CT光刻/刻蚀。

层间介质结构分析

(a) 180 nm M1接触层间介质结构刻蚀方案(b) 三维集成M1CT刻蚀方案

实测ILD1（BPSG+TEOS）厚度7500 Å，比目标低约500 Å，是Super-Via硅刻蚀后BOE清洗洗掉了氧化层。ILD2（内衬氮化层+内衬TEOS）钨CMP后约1900 Å。不含BLC氮化层的总层间介质厚度约9400 Å，比L180厚约1000 Å，刻蚀负担更重。

三步刻蚀工艺

单步刻蚀走不通，本文把流程拆成三步。每步之间需要确认刻蚀深度和残余膜厚，SEM截面分析精度高但样品制备耗时，产线上常用台阶仪快速扫描刻蚀台阶高度来监控各区域刻蚀深度和均匀性，两者配合效率高得多。

三维集成M1CT第一步刻蚀目标与形貌评估结果

第一步干掉内衬TEOS和氮化层。L180的C5F8/O2/Ar体系冲着高SiO2/Si3N4选择比去的，会停在内衬氮化层。三维集成要非选择性条件彻底去除内衬，换CHF3/O2/Ar体系（选择比1.22）。过刻蚀目标20–30%。23 s刻蚀后左侧目标约2365 Å（比预期低140 Å），底部圆弧形貌不错；中心约2430 Å，侧壁微沟槽很少。中心跟边缘残余层间介质厚度没差多少。随后用L180配方评估BLC氮化层停止余量，三种条件——目标砍22 s、层间介质减薄基线、提高C5F8/O2比例——全打穿了BLC氮化层。根因是M1CT设备下电极温度−10°C，低温下氟碳聚合物粘附系数高（0.2–0.5），侧壁聚合物堆太厚，反应物质到不了刻蚀前端，离子轰击下底部刻蚀占优，氮化层兜不住。DRAM深接触要低温防弓形，但逻辑器件无边界接触不合适，20°C以上更靠谱。

采用C4F8/O2/Ar的第二步刻蚀速率评估

第二步目标是干掉大部分层间介质。第三步可能在约4000 Å处就停了，所以第二步目标能大就大，同时得考虑层间介质沉积和CMP波动。用C4F8/O2/Ar低选择比条件保FICD。刻完之后用台阶仪扫一遍台阶高度，快速确认第二步刻蚀深度到位、BLC氮化层还没被打穿，再决定第三步的过刻蚀时间。中心目标约8800 Å（含首步），去掉首步后速率6942 Å/min；左侧目标低约400 Å，速率6559 Å/min。PR损失各区域差别不大。

第三步16C5F8/9O2/800Ar条件下的停止余量评估

第三步要在BLC氮化层上高选择比停住。C4F8/O2/Ar在+20°C、选择比约20:1下2600 Å目标刻蚀，理论只损失约150 Å BLC氮化层。但O2气路MFC量程50 sccm，压到5 sccm以下不稳，截面分析全穿了，C4F8体系不行。换16C5F8/9O2/800Ar，在300 Å BLC氮化层成功停住，中心最大损失约150 Å。第三步均匀性约8.5%偏差偏大，但过刻蚀量小，不碍事。停住之后台阶仪扫一遍各区域台阶高度，确认刻蚀停止位置基本一致，再配合SEM截面看氮化层残余厚度，工艺判断就齐活了。

气体化学体系：选择比与自由基动力学

第一步+第三步（16C5F8/9O2/800Ar）刻蚀后的刻蚀目标结果：(a) 中心；(b) 左侧

F/C比看大方向但不决定选择比，关键在等离子体点火后的自由基动力学。C5F8的F/C比低于C4F8，聚合物沉积速率约是其他气体的两倍。XPS分析显示C5F8聚合物氟含量最高，跟化学计量比预期反着来。CF4和C2F6分压随压力升高往上走，但C5F8涨幅只有一半——这两种分子太稳定，沉积反应有限，选择比低。C3F6虽算不饱和氟碳，但等离子体中变成c-C3F6，行为类似C4F8。

C4F8刻蚀后PR损失约1300 Å，C5F8刻蚀后PR厚度反而略增——C4F8生成更多稳定分子，聚合能力差，再沉积赶不上PR损失。C5F8随刻蚀进行聚合物在PR上堆积，第二步后CD收窄到0.245 μm，出了瓶颈。

停止余量与CD偏差

第三步过刻蚀目标拆分评估

16C5F8/9O2/800Ar下，过刻蚀时间25 s到45 s，BLC氮化层损失没什么变化，停止余量稳。CD偏差随过刻蚀目标增大而增大：高选择比下侧壁聚合物活跃沉积，在氮化层上堆出斜坡，CD偏差反而大了。

工艺窗口优化

第二步刻蚀时间55 s→60 s会吃停止余量，第三步气体比例微调影响刻蚀停止。边界条件分析显示，选择比最低且第二步目标偏高的条件仍保持BLC氮化层损失低于200 Å。最优方案：第二步55 s→60 s配合第三步16C5F8/9O2→15C5F8/10O2。选择比低的15C5F8/10O2让CD偏差略增，选择比高的17C5F8/8O2让CD偏差略降。

单步刻蚀搞不定三维集成ONONO叠层，三种条件下BLC氮化层全穿。三步刻蚀法把主刻蚀、形貌稳定化、高选择比过刻蚀分开，选择比控制更好，氮化层停止更稳。第三步过刻蚀在各种目标拆分和工艺窗口变化下停止余量稳、CD偏差可接受，可用于高密度DRAM、先进逻辑器件及其他三维集成架构。

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原文参考：《Process Optimization for Metal-Contact Etching in 3D Integration Devices》