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反應性的溶液或酸堿混合液。這些溶液可以與待刻蝕材料發(fā)生化學反應，從而實現(xiàn)刻蝕。硅濕法刻蝕是一種相對簡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。每個目標物質(zhì)都需要選擇不同的化學溶液進行刻蝕，因為它們具有不同的固有性質(zhì)。例如，在刻蝕SiO2時，主要使用HF；而在刻蝕Si時，主要使用HNO3。因此，在該過程中選擇適合的化學溶液至關(guān)重要，以確保目標物質(zhì)能夠充分反應并被成功去除。

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，會用到強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，一部分機理是SC1中的NH4OH刻蝕硅，硅的均勻剝離，同時帶走表面顆粒。隨著器件尺寸縮減會引入很多新材料（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過量時： 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，還有一個好處是刻蝕率穩(wěn)定不侵蝕光阻，避免柵極氧化層刻蝕時光阻脫落。

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℃ ，對爐管氧化硅和氮化硅的刻蝕選擇比約 1:1.5 ，其主要特點是不與基體硅或干刻蝕損傷硅反應，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）對爐管氧化硅有低的刻蝕率，約 3?/min ，可用于特殊步驟的精細控制。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℃ ，對爐管氮化硅的刻蝕率大約 50?/min ；而對CVD氮化硅會更高，如果制程有回火步驟，則刻蝕率會受很大影響，應依據(jù)不同的條件測定實際的結(jié)果。為了提高對氧化硅的選擇比，放入氮的硅晶片，溶入一定的硅，或使用120～150℃的低溫磷酸；反應的主體是氮化硅和水，磷酸在此反應中僅作為催化劑。

Si3N4 +6H2O→3SiO2 +4NH3

2、HF/EG濕法： 對氮化硅刻蝕率比氧化硅要快，比率約 1.5:1 ，也不侵蝕硅，有時應用于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 對氮化硅（爐管或CVD）有高的刻蝕率，對氧化硅更高，因而不適宜制程應用。也正是因為它的高刻蝕率，對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或更稀）清除。對于CVD SiN為幕罩的刻蝕，由于稀HF對CVD SiN的刻蝕率本身就比爐管SiN大，加上刻蝕電漿對幕罩的表面轟擊，相對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過刻蝕影響關(guān)鍵尺寸的控制。

參考書籍：《納米集成電路制造工藝》（點擊查看下載）

20種鋁濕法刻蝕配方

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