《炬丰科技-半导体工艺》湿法蚀刻中不同蚀刻方法和各种蚀刻剂影响的综述

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：湿法蚀刻中不同蚀刻方法和各种蚀刻剂影响的综述
编号：JFKJ-21-1014
作者：炬丰科技

引言

微加工过程中有很多加工步骤。蚀刻是微制造过程中的一个重要步骤。术语蚀刻指的是在制造时从晶片表面去除层。这是一个非常重要的过程，每个晶片都要经历许多蚀刻过程。用于保护晶片免受蚀刻剂影响的材料被称为掩模材料，其用于许多蚀刻步骤中以抵抗蚀刻。该掩模材料可以是光致抗蚀剂，并且使用光刻法将其图案化。蚀刻也可以称为制作空腔，这些空腔应该根据用途具有特定的深度。产生的这种空腔的深度可以通过蚀刻时间和蚀刻速率来控制。执行蚀刻机制的成功之处在于，多层结构的顶层应该被完全去除，而在底层或掩模层中没有任何种类的损伤。这完全取决于两种材料的蚀刻速率之比，称为选择性。在一些蚀刻情况下，蚀刻会削弱掩模层，并产生形成空腔的倾斜侧壁。底切的距离称为偏差。

蚀刻类型

各向同性蚀刻：
湿蚀刻剂通常是各向同性的，并且它们在厚膜蚀刻期间导致较大的偏差。它们还需要处理大量有毒废物。这种蚀刻方法在“后端”处理(BEOL)之前特别有效，在该处理中，晶片在晶片背面研磨之后通常非常薄，并且对热或机械类型的应力非常敏感。蚀刻几微米的非常薄的层将去除在背面研磨过程中产生的微裂纹，导致晶片具有显著增加的强度和柔性。
对于各向同性湿法蚀刻，氢氟酸、硝酸和乙酸(HNA)的混合物是硅最常见的蚀刻剂溶剂。每种蚀刻剂的浓度决定了蚀刻速率。二氧化硅或氮化硅经常被用作对抗HNA的掩蔽材料。当反应发生时，材料以类似于向下蚀刻的速度被横向移除。湿化学蚀刻通常是各向同性的，即使存在掩模，因为液体蚀刻剂可以渗透到掩模下面。如果方向性对于高分辨率图案转移非常重要，通常禁止湿法化学蚀刻工艺。

各向异性湿法蚀刻：
液体蚀刻剂根据哪个晶面暴露于所使用的蚀刻剂，以不同的速率蚀刻晶体材料。蚀刻速率的巨大差异取决于硅晶面。当使用类似硅的材料时，这种elTect可以允许非常高的各向异性。制造各种微机械器件的关键技术是各向异性蚀刻。各向异性蚀刻中的蚀刻速率在蚀刻平面中快得多，因为蚀刻时间通常在硅的平面中进行。各向异性蚀刻的重要因素包括选择性、处理和工艺兼容性以及各向异性。各向异性湿法蚀刻产生约1 μm/分钟的典型蚀刻速率。

影响蚀刻的因素

基于晶体的取向：
晶体的取向是影响蚀刻的主要因素之一。在很多情况下，腐蚀的机理会因为晶体取向而受到影响。米勒指数的概念对于晶体取向的研究非常重要，因为它被用来指定方向和平面。这些方向和平面可以是晶格或晶体。指数的数量将与晶格或晶体的尺寸相匹配。

基于蚀刻剂的类型：
蚀刻剂EDP代表乙二胺-邻苯二酚。电子数据处理蚀刻很容易被二氧化硅、氮化硅、金、铬、银、铜和钽掩盖，但电子数据处理可以蚀刻铝。这种蚀刻剂具有很强的腐蚀性和致癌性，而且蚀刻量不如氢氧化钾。这种蚀刻剂会腐蚀附近的任何金属。它会在难以去除的表面留下棕色污渍。与其他各向异性蚀刻相比，EDP在凸角上的蚀刻速率更快。尽管这种蚀刻剂有这么多优点，但它与金属氧化物半导体或互补金属氧化物半导体工艺完全不兼容。因此这种蚀刻剂没有被广泛使用，并且对于各向异性蚀刻工艺，这种蚀刻剂的使用已经显著减少。

基于蚀刻剂的温度和浓度：
在氢氧化钾的情况下，使用这种蚀刻剂进行蚀刻过程的最佳温度是80℃，这种条件下的蚀刻剂浓度是35%。这是因为在这种条件下获得了具有最小表面粗糙度的最佳蚀刻速率。蚀刻速率与蚀刻剂浓度成反比，与温度成正比。对于这种最佳量的蚀刻剂浓度，电镀蚀刻停止通过生产厚度约为6um的相等量的膜而工作得更好，但是当蚀刻剂浓度较低时，电镀蚀刻停止仍然起作用，但是随后生产的膜稍微更厚约10 um。
硅衬底的掺杂类型对硅的蚀刻速率几乎没有影响，尽管n型蚀刻比p型硅稍快。无论氢氧化钾溶液的浓度如何，二氧化硅的蚀刻速率随着温度的升高而不断增加。使用33重量%的二氧化硅，在80℃下的最大二氧化硅蚀刻速率为450纳米/小时。% KOH。铝蚀刻速率在最大蚀刻速率为3.0微米/分钟的所有氢氧化钾浓度下都是可感知的。随着氢氧化钾浓度和镀液温度的增加，蚀刻后的硅表面变得平滑。硅表面粗糙度随着蚀刻持续时间的增加而降低，这是由于蚀刻过程中产生的氢气泡被掩蔽，这大大增加了表面粗糙度。
使用这种蚀刻剂的蚀刻过程在90℃的温度下进行。这是因为，该工艺的最佳温度范围是70℃—90℃，但最佳蚀刻速率只能在该特定范围内的最高温度值下获得。蚀刻剂浓度取为25%，因为纯三甲基环己烷会导致严重的底切]。使用25%浓度的另一个具体原因是因为表面粗糙度随着TMAH浓度的增加而降低，并且仅用25% TMAH获得光滑表面。即使在这里，蚀刻速率也随着蚀刻剂浓度的增加而降低，并且蚀刻速率随着温度而增加。
与氢氧化钾(35%)情况下的浓度使用相比，三氧化二氢(25%)情况下的蚀刻剂浓度使用较少，但代价是处理时间增加。还可以评估和晶面的蚀刻速率对温度和浓度的依赖性、对二氧化硅和S13N4的选择性、铝蚀刻速率对溶解硅量的依赖性、多晶硅蚀刻速率对硼浓度的依赖性以及电化学蚀刻特性。实验表明，蚀刻速率随着浓度的增加而降低。当重量百分比为5%时，蚀刻表面有时被金字塔形小丘覆盖，蚀刻速率变得非常低。随着浓度的增加，蚀刻(100)表面的光滑度急剧变化。当重量百分比为5%时，表面覆盖有高密度的金字塔形小丘。随着浓度从5重量%增加到15重量%，小丘的密度降低并且获得更小的小丘。超过22重量%，获得非常光滑的表面。22 wt %溶液的测量粗糙度在100 nm以内。粗糙度对温度没有显著的依赖性。随着浓度从5重量%增加到22重量%，粗糙度变小，并且在30重量%时获得相当光滑的表面。
铝的蚀刻速率表明，溶解硅的量增加，铝的蚀刻速率降低。当溶解硅超过40 g/l时，铝腐蚀速率迅速下降。对于67 g/l的溶解硅，获得了0.01的铝蚀刻速率。

总结

用于蚀刻工艺的蚀刻剂连同蚀刻剂的优点和缺点根据它们各自的蚀刻剂浓度和执行蚀刻工艺的温度被清楚地讨论。由于所使用的蚀刻剂而经历蚀刻的晶片方块必须在补偿结构被蚀刻掉之后获得完美的晶片方块。这一条件使我们清楚地了解获得完美蚀刻方块的加工时间。一些蚀刻剂是表面活性剂和非离子的氢氧化钾和三氧化二氢溶液，用于评估各种操作参数下的蚀刻性能，包括硅平面的蚀刻速率和粗糙度质量、硅溶解对二氧化硅的选择性和减少凸角处的底切。蚀刻速率随着浓度的增加而降低。随着浓度的增加，蚀刻表面的粗糙度降低，获得非常光滑的表面。通过将硅溶解在TMAH溶液中来降低铝的蚀刻速率。证实了使用重硼掺杂层或p-n结的蚀刻停止技术适用于TMAH溶液。可以得出结论，TMAH是一种很有前途的硅微加工解决方案。

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