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芯片制造:反应离子蚀刻工艺
2024年09月02日 08:58   浏览:331   来源:小萍子
  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。反应离子蚀刻(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。以下是一篇关于蚀刻的科普文章,涵盖了反应离子蚀刻的基本原理、所需气体、高深宽比蚀刻的方法以及在哪些结构上需要使用刻蚀工艺。

反应离子蚀刻原理

  反应离子蚀刻(RIE)基于化学反应和物理轰击相结合的方式,通过引入特定的蚀刻气体和附加气体来去除目标材料。蚀刻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蚀刻选择比和改善蚀刻效果。蚀刻过程中,等离子体中的离子撞击材料表面,加速化学反应,并确保蚀刻的均匀性和方向性。

刻蚀气体与附加气体

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。

附加气体

  • 氧气(O2)、氮气(N2)和氢气(H2):用于调节蚀刻选择比和改善蚀刻性能。

  • 惰性气体(如He、Ar、Xe):稳定等离子体,调节蚀刻速率和选择比。


常用蚀刻气体示例


被刻蚀材料刻蚀物质刻蚀副产物用途
SiNF3,SF6,CF4,etc., Cl2, CCl4, HBrSIF4(-86°C),SICl4(58°C),SiBr4 (154°C)绝缘潜沟槽隔离
SiO2 (Si3N4, SiON)CF4, C4F6, C4F8, etc.,CHF3,CH2F2, CHF, etc.SIF4 (-86°C), CO (-191°C),CO2(-57°C), HCN (26°C)电子元件/金属接触部分
AlCl2, BCl3AlCl3 (180°C)后道布线
Ti, TiNCl2, CCl4TICl3 (136°C)前中道布线
WNF3,SF6,CF4WF6(19°C)前中道布线
PR(α-Carbon)O2, N2, etc.CO(-191°C),CO2 (-57°C), HCN (26°C)掩模
Cu,Fe,Ni,Co,Pt很难刻蚀Cu2Cl2(1490°C), Cu2F2 (1100°C)金属布线

高深宽比蚀刻

对于高深宽比(aspect ratio)的蚀刻需求,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,提高蚀刻的各向异性。

  2. 添加附加气体:如氢气(H2),可提高非等向性刻蚀的内壁。

  3. 调整蚀刻气体成分:如增加氟气中的碳比例,以提高SiO2的选择比。


刻蚀工艺在芯片制造里应用

  • 绝缘材料(如SiO2)的去除:用于形成绝缘层、浅沟槽隔离(STI)等。

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

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

  • 掩模:在PR(α-Carbon)工艺中,刻蚀掩模图案。

  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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