在半导体制造过程中，刻蚀是一个至关重要的步骤，用于精确地去除不需要的材料，形成复杂的电路结构。而反应离子刻蚀（RIE）是一种常用的刻蚀技术，它利用等离子体中的活性粒子与待刻蚀材料发生化学反应，同时借助物理轰击来实现高效且定向的材料去除。所以，本期要跟大家分享的就是关于刻蚀的科普文章，涵盖了反应离子刻蚀的基本原理、所需气体、高深宽比刻蚀的方法以及在哪些结构上需要使用刻蚀工艺。

一、反应离子刻蚀（RIE）的介绍

反应离子刻蚀，英文全称：Reactive Ion Etching，简称：RIE，它是制作半导体集成电路的一种重要刻蚀工艺。它是在平板电极间施加射频电压，通过产生的等离子体对样品进行化学和物理刻蚀。在除去不需要的集成电路板上的保护膜时，利用反应性气体的离子束切断保护膜物质的化学键，产生低分子物质，然后这些物质挥发或游离出板面。

二、反应离子刻蚀（RIE）的结构

两个平行放置电极：一个电极作为地线，一个电极外加射频功率。

气体从接地侧的电极以淋浴状喷出，晶圆放置在施加射频的电极侧（阴极耦合）

刻蚀气体在等离子体中分解电离，形成离子和自由基等刻蚀类物质，称为Enchant → Enchant到达晶圆表面的过程（压力低时能刻蚀出深度形状，但如果压力过低，放电就不顺利，会出现等离子体难以产生的问题） → 到达晶片表面的Enchant与被刻蚀物发生反应 → 反应副产物从晶圆脱离（反应副产物需迅速脱离并排气，否则反应副产物会附着在表面，刻蚀反应无法进行）

三、反应离子刻蚀（RIE）的原理

反应离子刻蚀（RIE）基于化学反应和物理轰击相结合的方式，通过引入特定的刻蚀气体和附加气体来去除目标材料。刻蚀气体与待刻蚀材料发生化学反应，产生易于去除的副产物，而附加气体则有助于调整刻蚀选择比和改善刻蚀效果。刻蚀过程中，等离子体中的离子撞击材料表面，加速化学反应，并确保刻蚀的均匀性和方向性。

四、反应离子刻蚀（RIE）的优缺点

反应离子刻蚀（RIE）作为制作半导体集成电路的一种重要刻蚀工艺，具有一系列的优点和缺点。

1、优点

（1）良好的形貌控制能力：反应离子刻蚀可以实现各向异性刻蚀，这对于获得精细和复杂的图形结构非常有利。

（2）较高的选择比：与某些其他刻蚀技术相比，反应离子刻蚀能够更有效地区分并去除特定的材料层，从而实现对不同材料的精确刻蚀。

（3）刻蚀速率适中：虽然可能不是最快的刻蚀方法，但反应离子刻蚀的刻蚀速率可以满足大多数工艺需求。

（4）促进化学反应：由于高能离子的轰击，反应离子刻蚀可以破坏被刻蚀材料的化学键，加速与活性刻蚀反应基团的反应速度，从而提高刻蚀效率。

2、缺点

（1）设备成本高昂：反应离子刻蚀设备通常比较复杂且昂贵，这增加了工艺的成本。

（2）选择比并非最高：虽然具有一定的选择比，但与某些更先进的刻蚀技术相比，反应离子刻蚀的选择比可能不是最高的。

（3）对表面损伤大：由于高能离子的轰击，反应离子刻蚀可能会对被刻蚀材料的表面造成较大的损伤。

（4）可能产生污染：在刻蚀过程中，可能会产生一些有害气体或残留物，这需要对工作环境进行严格的控制和处理。

（5）难以形成更精细的图形：对于需要极高精度的图形刻蚀，反应离子刻蚀可能难以满足要求。

五、反应离子刻蚀（RIE）的气体与附加气体

1、主要蚀刻气体

氟（F）系列气体：适用于刻蚀硅（Si）系列材料，如SiF4，生成的副产物易于气化。

氯（Cl）和溴（Br）等卤族元素化合物：可用于刻蚀多种材料，包括金属和绝缘体。

2、附加气体

氧气（O2）、氮气（N2）和氢气（H2）：用于调节刻蚀选择比和改善刻蚀性能。

惰性气体（如He、Ar、Xe）：稳定等离子体，调节刻蚀速率和选择比。

3、常用刻蚀气体示例

4、高深宽比刻蚀

对于高深宽比（aspect ratio）的刻蚀需求，可通过以下方式实现：

（1）使用更强烈的物理轰击：增加离子能量，提高刻蚀的各向异性。

（2）添加附加气体：如氢气（H2），可提高非等向性刻蚀的内壁。

（3）调整刻蚀气体成分：如增加氟气中的碳比例，以提高SiO2的选择比。

六、反应离子刻蚀（RIE）工艺在芯片制造中的应用

1、绝缘材料（如SiO2）的去除：用于形成绝缘层、浅沟槽隔离（STI）等。

2、栅极结构：在HKMG（High-K Metal Gate）工艺中，刻蚀金属栅极位置。

3、金属接触部分：在BEOL（Back End Of the Line）工艺中，刻蚀金属布线。

4、掩模：在PR（α-Carbon）工艺中，刻蚀掩模图案。

总结一下

反应离子刻蚀（RIE）是一种各向异性很强、选择性高的干法腐蚀技术，利用离子能量使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤层，促进化学反应，同时离子还可以清除表面生成物，露出清洁的刻蚀表面。然而，这种刻蚀技术不能获得较高的选择比，对表面的损伤大，有污染，难以形成更精细的图形。

反应离子刻蚀设备广泛应用于半导体器件、电力电子器件、光电子、太阳能电池、微机械等领域。此外，还有电感耦合反应离子刻蚀机（ICP-RIE）这种机型，它可以提供更高的等离子浓度，适合金属等其他材料的刻蚀。

蚀刻工艺在半导体制造中扮演着不可或缺的角色，通过精心选择和调配蚀刻气体，以及优化蚀刻参数，可以实现复杂结构的精细加工，推动半导体技术的发展。随着科技的进步，未来可能会出现更多新型蚀刻技术和材料，以应对不断增长的需求和挑战。

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