干法刻蝕的原理、工藝流程、評價參數及應用

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2024-10-15 15:31:01 958

RIE干法刻蝕技術憑借其優越的各向異性刻蝕能力和*的選擇比控制，已成為半導體制造中不可或缺的核心工藝。

一、RIE干法刻蝕技術的基本原理

RIE（Reactive Ion Etching，反應離子刻蝕）作為一種主流的干法刻蝕技術，通過等離子體中的活性物質對材料表面進行選擇性刻蝕，以達到精確移除材料的目的。

圖：干法刻蝕概要

RIE刻蝕技術屬于一種等離子體輔助的干法刻蝕工藝。刻蝕過程中，通過在反應腔內引入刻蝕氣體并施加射頻電場，在電場作用下刻蝕氣體被電離和激發，形成等離子體。這些等離子體中的活性物質，包括離子、自由基等，與刻蝕材料表面發生化學反應，或通過物理轟擊將材料去除。RIE刻蝕既包含物理作用，又包含化學反應，因而具有*的各向異性刻蝕特性。

1.1 等離子體生成與刻蝕氣體的作用

RIE刻蝕系統通常采用13.56MHz的射頻電源生成等離子體。刻蝕氣體在電場作用下被激發和離解，形成高能的自由基和離子。例如，在CF?氣體中，電離作用會產生F自由基和CF?等物質，F自由基可與硅發生化學反應，生成揮發性的SiF?，從而實現硅的去除。同時，CF?則可以在晶圓表面形成聚合物沉積層，防止側壁的過度刻蝕。

圖：RIE干法刻蝕原理

1.2 化學反應與物理轟擊的協同作用

RIE的刻蝕過程是化學反應與物理轟擊協同作用的結果。等離子體中的離子在電場加速下撞擊材料表面，削弱材料的化學鍵，使化學反應更加高效。與此同時，化學反應產物揮發性較好，能夠從表面迅速移除，從而進一步加快刻蝕速度。這種物理與化學雙重機制確保了RIE具有較高的刻蝕速率及*的刻蝕方向性。

圖：干法刻蝕設備的基本組成

二、RIE刻蝕工藝流程

RIE工藝通常由以下步驟組成：

2.1 前處理

首先，需要對刻蝕材料進行預處理，例如在硅襯底上形成氧化膜，或沉積一層用于刻蝕的金屬膜。接下來，通過光刻技術在刻蝕區域形成光刻膠掩模。

圖：干法刻蝕設備的工藝流程

2.2 等離子體刻蝕

將加工后的晶圓放置在RIE設備中，抽真空并引入適當的刻蝕氣體。通過射頻電源激發刻蝕氣體形成等離子體，開始刻蝕。刻蝕過程中，離子轟擊和化學反應協同作用，使得光刻膠未覆蓋的區域材料被選擇性去除。

2.3 過刻蝕與選擇比控制

刻蝕完成后，通常會進行適量的過刻蝕（over-etching），以確保所有刻蝕區域都能完全去除材料。這一過程對選擇比提出了高要求，選擇比定義為待刻膜與襯底或掩模之間的刻蝕速率比。較高的選擇比可以在過刻蝕階段減少對掩模或襯底材料的損傷，保證工藝的準確性和一致性。

2.4 后處理

刻蝕完成后，光刻膠通常會被去除，并對刻蝕表面進行清潔處理，以去除任何可能殘留的刻蝕副產物。

三、RIE刻蝕的評價參數

在RIE刻蝕過程中，有若干關鍵參數用于評價刻蝕效果和工藝質量。這些參數包括刻蝕速率、選擇比、關鍵尺寸（CD）、尺寸偏移量以及刻蝕圖形角度。

3.1 刻蝕速率（Etch Rate, ER）

刻蝕速率是指單位時間內材料被去除的量。為了提高工藝效率，通常希望刻蝕速率盡可能高。然而，過高的刻蝕速率可能會影響刻蝕的均勻性和精度，因此需要在速率和精度之間找到平衡點。

3.2 選擇比（selectivity）

選擇比是指刻蝕目標材料與掩模或襯底之間的刻蝕速率比。較高的選擇比意味著在去除目標材料時，掩模或襯底的損傷較小。特別是在柵極結構的加工中，由于柵氧化膜非常薄，選擇比的控制尤為重要。

圖：干法刻蝕的A/R比例

3.3 關鍵尺寸（Critical Dimension, CD）

關鍵尺寸是指經過刻蝕后的圖形尺寸。CD的控制直接影響電路的電氣性能，如晶體管的閾值電壓等。在制造過程中，必須嚴格控制CD的變化，以提高產品的性能和良率。

3.4 尺寸偏移量（Dimension Offset, △CD）

尺寸偏移量是刻蝕后圖形尺寸與原始掩模尺寸的差異。通過精確的刻蝕控制，可以將尺寸偏移量控制到最小，確保圖形的精確性。

3.5 刻蝕圖形的角度（Etching Profile Angle）

理想的刻蝕圖形應具備接近90°的垂直側壁。過大的角度（倒角）可能導致后續工藝中的電荷積聚，進而影響器件性能，而反向角度（逆倒角）則可能形成陰影區域，對后續的離子注入產生不良影響。

四、RIE在不同材料刻蝕中的應用

RIE技術可用于多種半導體材料的刻蝕，包括金屬、絕緣體以及硅基材料。不同材料的刻蝕工藝需求差異顯著，因此RIE刻蝕氣體的選擇及工藝參數需要針對具體材料進行優化。

4.1 金屬刻蝕

在半導體制造中，金屬刻蝕主要用于互連線的加工。常見的刻蝕金屬材料包括鋁、銅和鎢。以鋁為例，氯氣（Cl?）通常用于刻蝕鋁，其反應產物為易揮發的AlCl?，可以迅速移除。為了提高選擇比，可以使用SiCl?等輔助氣體，確保刻蝕速率的同時保護掩模。

4.2 絕緣體刻蝕

常見的絕緣材料刻蝕包括二氧化硅（SiO?）和氮化硅（Si?N?）。二氧化硅的刻蝕通常采用氟基氣體如CF?、CHF?等，氟自由基與二氧化硅發生反應生成揮發性的SiF?，完成刻蝕。氮化硅刻蝕則可以通過混合氣體（CF?與O?等）進行，以提高選擇比和刻蝕速率。

4.3 單晶硅和多晶硅刻蝕

硅材料的刻蝕主要用于形成溝槽隔離或晶體管的柵極結構。單晶硅刻蝕通常使用HBr等溴基氣體，刻蝕過程中，溴自由基與硅反應形成易揮發的SiBr?，確保了刻蝕的各向異性和高選擇比。多晶硅刻蝕則廣泛應用于柵極刻蝕，氯氣（Cl?）和HBr混合氣體可以提高刻蝕速度并確保*的側壁保護。

五、RIE技術的發展與未來

隨著集成電路尺寸的進一步縮小，RIE技術面臨更高的挑戰。為了滿足7nm、5nm甚至更小工藝節點的需求，RIE刻蝕的各向異性控制和選擇比進一步提升，工藝的均勻性和重復性也需更為嚴格。此外，低溫刻蝕技術和基于下一代材料的刻蝕技術也在積極研發中，以適應不斷變化的半導體制造需求。

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