一文读懂 RIE 与 PECVD 技术

学术   2025-01-13 14:19   广东  

在半导体加工等先进制造领域,有两项关键技术发挥着不可或缺的作用,那就是反应离子刻蚀(RIE)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。下面让我们一起深入了解一下这两项技术。

一、RIE(反应离子刻蚀)技术详解

(一)定义

RIE 是一种在半导体加工领域广泛应用的干法刻蚀技术。简单来说,它就像是一个微观世界里的 “雕刻大师”,能够精准地去除材料中不需要的部分。其工作方式是利用射频(RF)电源激发刻蚀气体,使其转化为等离子体状态。在等离子体中,活性离子在电场的驱动下,如同高速飞行的 “小炮弹”,加速撞击被刻蚀材料的表面。与此同时,这些离子会与材料表面的原子发生化学反应,生成的挥发性产物会脱离材料表面,从而实现对材料的刻蚀。

(二)原理举例

以刻蚀硅这种常见的半导体材料为例,通常会选用 SF₆(六氟化硫)作为刻蚀气体。当 SF₆处于等离子体状态时,会分解产生氟离子(F⁻)。这些氟离子在电场的加速下,猛烈地轰击硅表面,发生化学反应 Si + 4F⁻→SiF₄↑。生成的 SiF₄(四氟化硅)是一种挥发性气体,会迅速离开硅表面,就这样,硅材料被一点点地刻蚀掉,达到了我们预期的刻蚀效果。

二、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术详解

(一)定义

PECVD 是一种用于在衬底材料表面沉积薄膜的技术,它就如同为材料穿上一层特制的 “外衣”。该技术借助射频功率将反应气体电离,形成等离子体。等离子体中的活性粒子具有神奇的作用,它们能够降低反应所需的活化能,这使得原本需要在高温条件下才能进行的化学气相沉积反应,现在在较低温度下就能顺利发生。反应气体在等离子体环境中分解、反应,最终生成的物质会均匀地沉积在衬底表面,形成一层薄膜。

(二)原理举例

例如,当我们要在衬底表面沉积二氧化硅(SiO₂)薄膜时,常用的反应气体是硅烷(SiH₄)和氧气(O₂)。在等离子体环境的促使下,硅烷和氧气会发生反应:SiH₄ + O₂→SiO₂ + 2H₂↑。反应生成的二氧化硅就会逐渐沉积在衬底表面,形成我们所需要的二氧化硅薄膜。

三、RIE 和 PECVD 的相似之处

(一)等离子体的运用

这两项技术都巧妙地利用了等离子体来推动各自的工艺进程。在 RIE 中,等离子体产生的活性离子和自由基是刻蚀过程的核心要素。离子的轰击与化学反应相互配合,共同完成对材料的刻蚀。而在 PECVD 中,等离子体则起到激活反应气体的作用,让反应气体能够在较低温度下发生反应,进而实现薄膜的沉积。

(二)工艺环境条件

它们都需要在真空或者低压的环境下工作。这是因为在这样的环境中,气体分子的平均自由程会增大,气体分子之间的碰撞几率降低,使得等离子体更容易产生和维持。同时,真空或低压环境能够有效减少杂质的混入,而且便于精准地控制反应气体的流量、压力等关键参数。

(三)工艺参数的重要性

对于 RIE 和 PECVD 而言,射频功率、气体流量、反应时间和反应室压力等工艺参数都至关重要。以 RIE 为例,射频功率的大小直接影响离子的能量和密度,进而对刻蚀速率和刻蚀轮廓产生影响;气体流量决定了参与反应的气体量,也会对刻蚀效果产生作用。在 PECVD 中,这些参数同样不可或缺。比如射频功率会影响等离子体的强度,从而关系到沉积薄膜的质量;气体流量和反应时间则决定了薄膜的厚度和沉积速率。

四、RIE 和 PECVD 的不同之处

(一)工艺目的差异

RIE 属于减法工艺,主要任务是去除材料。在集成电路制造过程中,RIE 就像是一位 “修剪师”,按照预先设计好的图案,精准地从基底材料上去除不需要的部分,比如刻蚀晶体管的栅极、沟槽等微观结构。

而 PECVD 是加法工艺,主要作用是在基底材料表面添加材料,也就是沉积一层薄膜。这层薄膜具有多种功能,可以是绝缘材料,像二氧化硅、氮化硅等,用于芯片中的介质层、钝化层;也可以是半导体材料或其他功能材料。例如在平板显示器制造中,PECVD 用于沉积透明导电氧化物薄膜,以实现电极的功能。

(二)反应气体的区别

RIE 所使用的反应气体,主要是那些能与被刻蚀材料发生化学反应,并生成挥发性产物的气体。不同的被刻蚀材料需要搭配不同的刻蚀气体,比如刻蚀硅时通常采用氟基气体(如 SF6),刻蚀二氧化硅可能会用到含氟和碳的气体(如 CF4)等。

PECVD 的反应气体则是根据要沉积的薄膜材料来选择。例如,要沉积氮化硅(Si3N4)薄膜,常用硅烷(SiH4)和氨气(NH3)作为反应气体;若要沉积非晶硅薄膜,可能会使用硅烷(SiH4)等。

(三)设备结构重点不同

RIE 设备的结构重点在于对离子产生和轰击能量的精准控制。其主要部件包括等离子室(等离子体诞生的地方)、射频电源和电极(负责产生等离子体并调控离子能量)、气体输送系统(引入刻蚀气体)、晶圆卡盘(固定晶圆,有的还具备辅助冷却功能)、气体排气和清洗系统(处理刻蚀后的废气)、压力和温度控制系统等。

PECVD 设备的结构重点则更倾向于为薄膜沉积营造良好的反应环境。主要包括反应室(薄膜沉积的场所)、气体入口系统(输送反应气体)、射频电源(激发等离子体)、衬底加热系统(对于某些薄膜沉积,合适的温度很关键)、真空系统(维持低压环境)和尾气处理系统等。其中,衬底加热系统在 PECVD 设备中尤为重要,因为适宜的温度有助于薄膜均匀沉积。

(四)其他区别

  1. 化学反应产物状态:从化学角度看,RIE 和 PECVD 本质上都是化学反应。但不同的是,RIE 中化学反应后的产物具有挥发性,能够被泵抽出工艺室;而 PECVD 中化学反应后的产物是非挥发性的,会留在样品表面。

  2. 样品台温度:PECVD 样品台的温度通常设置在 250~350℃。而 RIE 样品台一般保持室温,这样的好处是可以使用光刻胶作为刻蚀的掩蔽膜。

  3. 工艺压力:PECVD 的工艺压力范围是 500mTorr~5Torr,较高的压力使得等离子体的浓度较高,在膜沉积过程中产生的颗粒更致密。同时,高压力会使直流偏压变小,从而减少对生长膜表面的轰击。而 RIE 的压力一般为 5~50mTorr,之所以压力较低,是因为在干法刻蚀时,希望刻蚀气体有较大的平均自由程,这样气体在到达样品表面前,不会或者较少地发生相互碰撞,避免改变直线运动方向,对刻蚀产生不利影响。

  4. 射频电源连接位置与电场方向:RIE 的射频电源连接到样品台,工艺室中的电场方向是从淋浴头指向样品台,与刻蚀气体的运动方向一致,因此对样品的物理轰击较强。PECVD 的射频电源连接到淋浴头,工艺室中的电场方向是从样品台指向淋浴头,与沉积气体的运动方向相反,对样品的物理轰击较弱。此外,PECVD 中的高压以及连接到淋浴头的电源,进一步减少了膜在沉积过程中所受到的物理轰击,这对膜的质量提升有益。

  5. 设备显示参数:RIE 设备会显示直流偏压,而 PECVD 设备则不显示直流偏压。

  6. 功率设置:RIE 功率一般设置为 50 - 200W,具有较强的物理轰击能力;PECVD 功率一般设置为 20 - 100W,物理轰击相对较弱。

RIE 和 PECVD 技术虽然存在诸多不同,但在半导体制造等领域却相辅相成,共同推动着科技的不断进步与发展。

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