干法刻蚀的原理、工艺流程、评价参数及应用

RIE干法刻蚀技术凭借其优越的各向异性刻蚀能力和良好的选择比控制，已成为半导体制造中不可或缺的核心工艺。

一、RIE干法刻蚀技术的基本原理

RIE（Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀）作为一种主流的干法刻蚀技术，通过等离子体中的活性物质对材料表面进行选择性刻蚀，以达到精确移除材料的目的。

RIE刻蚀技术属于一种等离子体辅助的干法刻蚀工艺。刻蚀过程中，通过在反应腔内引入刻蚀气体并施加射频电场，在电场作用下刻蚀气体被电离和激发，形成等离子体。这些等离子体中的活性物质，包括离子、自由基等，与刻蚀材料表面发生化学反应，或通过物理轰击将材料去除。RIE刻蚀既包含物理作用，又包含化学反应，因而具有良好的各向异性刻蚀特性。

1.1 等离子体生成与刻蚀气体的作用

RIE刻蚀系统通常采用13.56MHz的射频电源生成等离子体。刻蚀气体在电场作用下被激发和离解，形成高能的自由基和离子。例如，在CF₄气体中，电离作用会产生F自由基和CF₂等物质，F自由基可与硅发生化学反应，生成挥发性的SiF₄，从而实现硅的去除。同时，CF₂则可以在晶圆表面形成聚合物沉积层，防止侧壁的过度刻蚀。

1.2 化学反应与物理轰击的协同作用

RIE的刻蚀过程是化学反应与物理轰击协同作用的结果。等离子体中的离子在电场加速下撞击材料表面，削弱材料的化学键，使化学反应更加高效。与此同时，化学反应产物挥发性较好，能够从表面迅速移除，从而进一步加快刻蚀速度。这种物理与化学双重机制确保了RIE具有较高的刻蚀速率及良好的刻蚀方向性。

图：干法刻蚀设备的基本组成

二、RIE刻蚀工艺流程

RIE工艺通常由以下步骤组成：

2.1 前处理

首先，需要对刻蚀材料进行预处理，例如在硅衬底上形成氧化膜，或沉积一层用于刻蚀的金属膜。接下来，通过光刻技术在刻蚀区域形成光刻胶掩模。

图：干法刻蚀设备的工艺流程

2.2 等离子体刻蚀

将加工后的晶圆放置在RIE设备中，抽真空并引入适当的刻蚀气体。通过射频电源激发刻蚀气体形成等离子体，开始刻蚀。刻蚀过程中，离子轰击和化学反应协同作用，使得光刻胶未覆盖的区域材料被选择性去除。

2.3 过刻蚀与选择比控制

刻蚀完成后，通常会进行适量的过刻蚀（over-etching），以确保所有刻蚀区域都能完全去除材料。这一过程对选择比提出了高要求，选择比定义为待刻膜与衬底或掩模之间的刻蚀速率比。较高的选择比可以在过刻蚀阶段减少对掩模或衬底材料的损伤，保证工艺的准确性和一致性。

2.4 后处理

刻蚀完成后，光刻胶通常会被去除，并对刻蚀表面进行清洁处理，以去除任何可能残留的刻蚀副产物。

三、RIE刻蚀的评价参数

在RIE刻蚀过程中，有若干关键参数用于评价刻蚀效果和工艺质量。这些参数包括刻蚀速率、选择比、关键尺寸（CD）、尺寸偏移量以及刻蚀图形角度。

3.1 刻蚀速率（Etch Rate, ER）

刻蚀速率是指单位时间内材料被去除的量。为了提高工艺效率，通常希望刻蚀速率尽可能高。然而，过高的刻蚀速率可能会影响刻蚀的均匀性和精度，因此需要在速率和精度之间找到平衡点。

3.2 选择比（Selectivity）

选择比是指刻蚀目标材料与掩模或衬底之间的刻蚀速率比。较高的选择比意味着在去除目标材料时，掩模或衬底的损伤较小。特别是在栅极结构的加工中，由于栅氧化膜非常薄，选择比的控制尤为重要。

图：干法刻蚀的A/R比例

3.3 关键尺寸（Critical Dimension, CD）

关键尺寸是指经过刻蚀后的图形尺寸。CD的控制直接影响电路的电气性能，如晶体管的阈值电压等。在制造过程中，必须严格控制CD的变化，以提高产品的性能和良率。

3.4 尺寸偏移量（Dimension Offset, △CD）

尺寸偏移量是刻蚀后图形尺寸与原始掩模尺寸的差异。通过精确的刻蚀控制，可以将尺寸偏移量控制到最小，确保图形的精确性。

3.5 刻蚀图形的角度（Etching Profile Angle）

理想的刻蚀图形应具备接近90°的垂直侧壁。过大的角度（倒角）可能导致后续工艺中的电荷积聚，进而影响器件性能，而反向角度（逆倒角）则可能形成阴影区域，对后续的离子注入产生不良影响。

四、RIE在不同材料刻蚀中的应用

RIE技术可用于多种半导体材料的刻蚀，包括金属、绝缘体以及硅基材料。不同材料的刻蚀工艺需求差异显著，因此RIE刻蚀气体的选择及工艺参数需要针对具体材料进行优化。

4.1 金属刻蚀

在半导体制造中，金属刻蚀主要用于互连线的加工。常见的刻蚀金属材料包括铝、铜和钨。以铝为例，氯气（Cl₂）通常用于刻蚀铝，其反应产物为易挥发的AlCl₃，可以迅速移除。为了提高选择比，可以使用SiCl₄等辅助气体，确保刻蚀速率的同时保护掩模。

4.2 绝缘体刻蚀

常见的绝缘材料刻蚀包括二氧化硅（SiO₂）和氮化硅（Si₃N₄）。二氧化硅的刻蚀通常采用氟基气体如CF₄、CHF₃等，氟自由基与二氧化硅发生反应生成挥发性的SiF₄，完成刻蚀。氮化硅刻蚀则可以通过混合气体（CF₄与O₂等）进行，以提高选择比和刻蚀速率。

4.3 单晶硅和多晶硅刻蚀

硅材料的刻蚀主要用于形成沟槽隔离或晶体管的栅极结构。单晶硅刻蚀通常使用HBr等溴基气体，刻蚀过程中，溴自由基与硅反应形成易挥发的SiBr₄，确保了刻蚀的各向异性和高选择比。多晶硅刻蚀则广泛应用于栅极刻蚀，氯气（Cl₂）和HBr混合气体可以提高刻蚀速度并确保良好的侧壁保护。

五、RIE技术的发展与未来

随着集成电路尺寸的进一步缩小，RIE技术面临更高的挑战。为了满足7nm、5nm甚至更小工艺节点的需求，RIE刻蚀的各向异性控制和选择比进一步提升，工艺的均匀性和重复性也需更为严格。此外，低温刻蚀技术和基于下一代材料的刻蚀技术也在积极研发中，以适应不断变化的半导体制造需求。