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一文詳解晶片濕法刻蝕

 我是Rvv 2023-09-10

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干法刻蝕(Dry Etching)是使用氣體刻蝕介質(zhì)。 常用的干法刻蝕方法包括物理刻蝕(如離子束刻蝕)和化學(xué)氣相刻蝕(如等離子體刻蝕)等。

與干法蝕刻相比,濕法刻蝕使用液體刻蝕介質(zhì),通常是一種具有化學(xué)反應(yīng)性的溶液或酸堿混合液。 這些溶液可以與待刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)刻蝕。 硅濕法刻蝕是一種相對(duì)簡(jiǎn)單且成本較低的方法,通常在室溫下使用液體刻蝕介質(zhì)進(jìn)行。

然而,與干法刻蝕相比,它的刻蝕速度較慢,并且還需要處理廢液。 每個(gè)目標(biāo)物質(zhì)都需要選擇不同的化學(xué)溶液進(jìn)行刻蝕,因?yàn)樗鼈兙哂胁煌墓逃行再|(zhì)。 例如,在刻蝕SiO2時(shí),主要使用HF; 而在刻蝕Si時(shí),主要使用HNO3。 因此,在該過(guò)程中選擇適合的化學(xué)溶液至關(guān)重要,以確保目標(biāo)物質(zhì)能夠充分反應(yīng)并被成功去除。


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硅濕法刻蝕
1、酸性蝕刻液: Si+HNO3 +6HF → H2 SiF6 +HNO2 +H2O+H2
2、硅的堿性刻蝕液: 氫氧化鉀、氫氧化氨或四甲基羥胺(TMAH)溶液 ,晶片加工中,會(huì)用到強(qiáng)堿作表面腐蝕或減薄,器件生產(chǎn)中,則傾向于弱堿,如SC1清洗晶片或多晶硅表面顆粒,一部分機(jī)理是SC1中的NH4OH刻蝕硅,硅的均勻剝離,同時(shí)帶走表面顆粒。 隨著器件尺寸縮減會(huì)引入很多新材料(如高介電常數(shù)和金屬柵極),那么在后柵極制程,多晶硅的去除常用氫氧化氨或四甲基羥胺(TMAH)溶液,制程關(guān)鍵是控制溶液的溫度和濃度,以調(diào)整刻蝕對(duì)多晶硅和其他材料的選擇比。          
氧化硅濕法刻蝕
1、氫氟酸HF溶液: SiO2 +4HF—→SiF4 (氣體)+2H2O
            HF過(guò)量時(shí): SiO2 +6HF—→H2 SiF6 +2H2O
2、緩沖氧化物刻蝕劑BOE: 它是HF和NH4F的混合物,可避免HF刻蝕時(shí)氟離子的缺乏 ,溶液pH值穩(wěn)定,不受少量酸加入的影響,還有一個(gè)好處是刻蝕率穩(wěn)定不侵蝕光阻,避免柵極氧化層刻蝕時(shí)光阻脫落。
3、HF/EG溶液: HF/EG是 49%的氫氟酸與乙二醇以大約4:96 的比例混合,溫度控制在 70~80℃ ,對(duì)爐管氧化硅和氮化硅的刻蝕選擇比約 1:1.5 ,其主要特點(diǎn)是不與基體硅或干刻蝕損傷硅反應(yīng),因而在有Si的刻蝕制程或有SiN和SiO2 去除,都可有所考慮,如CMOS的STI形成后,氮化硅濕法回蝕方面的應(yīng)用。
4、SC1溶液: SC1是 氫氧化銨、雙氧水、水 的混合物,高溫( 60~70℃ )SC1(1:2:50)對(duì)爐管氧化硅有低的刻蝕率,約 3?/min ,可用于特殊步驟的精細(xì)控制。 濃度越大和溫度越高,則刻蝕就越快。          
氮化硅濕法刻蝕
1、磷酸濕法: 氮化硅濕法去除的普遍方法是熱磷酸溶液。 85%的濃磷酸 混入少量水,溫度控制在 150~170℃ ,對(duì)爐管氮化硅的刻蝕率大約 50?/min ; 而對(duì)CVD氮化硅會(huì)更高,如果制程有回火步驟,則刻蝕率會(huì)受很大影響,應(yīng)依據(jù)不同的條件測(cè)定實(shí)際的結(jié)果。 為了提高對(duì)氧化硅的選擇比,放入氮的硅晶片,溶入一定的硅,或使用120~150℃的低溫磷酸; 反應(yīng)的主體是氮化硅和水,磷酸在此反應(yīng)中僅作為催化劑。
Si3N4 +6H2O→3SiO2 +4NH3
2、HF/EG濕法: 對(duì)氮化硅刻蝕率比氧化硅要快,比率約 1.5:1 ,也不侵蝕硅,有時(shí)應(yīng)用于CMOS的STI溝渠形成后氮化硅濕法回蝕步驟。
3、HF濕法刻蝕: 49%HF 對(duì)氮化硅(爐管或CVD)有高的刻蝕率,對(duì)氧化硅更高,因而不適宜制程應(yīng)用。 也正是因?yàn)樗母呖涛g率,對(duì)去除擋控片上的氮化硅很有效。
Si3N4 +18HF→H2SiF6 +2(NH4 )2SiF6
以爐管氮化硅(SiN)為幕罩的刻蝕,如淺溝渠隔離(STI)刻蝕、側(cè)壁(OFFSET)刻蝕、主間隙壁(SPACER)刻蝕,在刻蝕后,留下的殘留物一般含O、Si等元素,常用稀HF(濃度H2 O:HF約100:1或更?。┣宄?。 對(duì)于CVD SiN為幕罩的刻蝕,由于稀HF對(duì)CVD SiN的刻蝕率本身就比爐管SiN大,加上刻蝕電漿對(duì)幕罩的表面轟擊,相對(duì)講這種膜刻蝕率就更大,因此刻蝕后殘留物的去除,需用更稀的HF,以避免高濃度HF過(guò)刻蝕影響關(guān)鍵尺寸的控制。     

參考書(shū)籍: 《納米集成電路制造工藝》 (點(diǎn)擊查看下載)

20種鋁濕法刻蝕配方

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需要注意的是,雖然濕法刻蝕相對(duì)簡(jiǎn)單,但是由于它涉及到液態(tài)化學(xué)刻蝕劑,所以處理和處置這些化學(xué)物質(zhì)需要特別小心,以確保操作者的安全和環(huán)境保護(hù)。 此外,濕法刻蝕可能不適用于所有類(lèi)型的芯片制程,尤其是那些需要極高刻蝕精度的應(yīng)用。

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