RIE：如何实现垂直刻蚀？

反应离子蚀刻，也叫 RIE (Reactive Ion Etching)，是半导体制造中在薄膜上刻出结构的一种工艺。

RIE 既能做各向同性刻蚀（各个方向刻得差不多），也能做各向异性刻蚀（主要往下刻），如下面的示意图。具备这种能力是因为 RIE 结合了化学反应和物理轰击。

简单描述一下工艺：晶圆置于工艺腔的高频电极上。气体电离产生等离子体，包含自由电子和正离子。当高频电极瞬时带正电时，电子被吸引至其表面并积聚，形成高负电荷，即偏置电压。质量较大的离子响应滞后，在平均电场作用下被带负电的该电极吸引。

如果这些离子平均自由程比较长（碰撞前飞得远），它们就会差不多垂直地撞上晶圆表面。这一撞有两个作用：

第一，高速离子直接把表面的材料“打”下来（物理溅射）；
第二，等离子体里的活性化学物质（自由基）也会和表面材料起反应（化学刻蚀）。

因此RIE有时也被称为离子增强蚀刻或反应和离子蚀刻。

因为离子基本上是垂直撞下来的，晶圆侧壁不会被直接打到，也就避免了往旁边刻，这样就刻出了垂直陡峭的形状（各向异性）。

RIE 的选择性通常中等。物理溅射虽然帮了垂直刻蚀的忙，但它不太挑材料，这限制了化学刻蚀可能达到的高选择性。另外要注意，高能离子轰击可能会损伤晶圆表面，这种损伤通常后面要用热退火来修。

刻硅的时候，为了达到高各向异性，常用一个技巧叫“侧壁钝化”。

具体做法是在刻蚀过程中通点氧气 (O₂)。氧气会和从硅表面溅出来的硅原子在侧壁那里反应，生成一层很薄的二氧化硅 (SiO₂)。这层二氧化硅像保护层一样盖在垂直侧壁上，挡住了横向的化学刻蚀。在水平的底部，持续的离子轰击会把这层氧化膜不断打掉，这样刻蚀就能一直往下走。

刻蚀速度受很多因素影响，像腔体压力、加到高频电极上的功率、用的工艺气体种类、气体流量大小、还有晶圆的温度。刻蚀的各向异性程度通常会随着高频功率加大、腔体压力降低、或者晶圆温度降低而变强。

最后，选择性和刻蚀速度很大程度上看你选哪种工艺气体。刻硅和它的化合物（像二氧化硅、氮化硅），主要用含氟（比如 CF₄, SF₆）和含氯（比如 Cl₂, BCl₃）的气体。

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