論用于各向同性濕法刻蝕中的氮化硅掩膜

郭少平

摘 要：HNA溶液（又稱乙酸、氫氟酸、硝酸的混合溶液）作為刻蝕液，一般用于硅的各向同性濕法刻蝕程序中，而耐刻蝕性很好的氮化硅常被用作頂層掩膜材料。我們通過選擇不同的刻蝕液配比，以便在硅片刻蝕不同的結(jié)構(gòu)，配比不同，氮化硅掩膜的刻蝕速率各不相同?；谶@種認(rèn)識(shí)，本文用PECVD及LPCVD兩種不同方法，在<111>型硅片上沉積了560nm和210nm厚的氮化硅薄膜，在分析了它們在不同配比刻蝕液中的刻蝕速率的同時(shí)，為科學(xué)制作所需厚度的氮化硅掩膜提供科學(xué)化的參考。

關(guān)鍵詞：各向同性刻蝕 掩膜 氮化硅

引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，刻蝕技藝日臻完善，低成本的濕法刻蝕法的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。從完善工藝的角度上說，不同配比的刻蝕液由于會(huì)影響硅的刻蝕速率和表面的粗糙度，因此，研究人員需研究不同的刻蝕液配比，以實(shí)現(xiàn)配比的科學(xué)化。而氮化硅作為頂級(jí)掩膜材料，我們選擇合理的氮化硅的厚度也至關(guān)重要，氮化硅薄膜太薄，刻蝕要求無法達(dá)標(biāo)；薄膜太厚導(dǎo)致過多應(yīng)力而影響刻蝕效果，為節(jié)約成本，優(yōu)化工藝，了解氮化硅薄膜在不同配比刻蝕液中的刻蝕速率至關(guān)重要。

1、實(shí)驗(yàn)過程

為研究氮化硅掩膜在不同配比的刻蝕液中的刻蝕速率，我們首先將待刻蝕的硅片放在L型塑料板結(jié)構(gòu)支架的底部，將其上端掛在已經(jīng)盛有HNA刻蝕液的聚四氟乙烯燒杯上。作為表層的整體掩膜的氮化硅，由于其與刻蝕液接觸面積已經(jīng)很大，因此，在實(shí)際的工藝過程中工作人員即使常常對刻蝕液進(jìn)行攪拌，但這種方法對刻蝕速率影響不大。本實(shí)驗(yàn)采取靜置刻蝕的方法，首先實(shí)驗(yàn)的試劑為氫氟酸（49%）硝酸（70%）和乙酸（99.9%），其中實(shí)驗(yàn)中固定乙酸為10ML，僅僅在氫氟酸和硝酸的比例上做一些改變。

同時(shí)，我們采用PECVD及LPCVD法在硅片表面制備了氮化硅掩膜，并對其進(jìn)行了測試，PECVD制備的氮化硅掩膜有560nm厚，LPCVD制備的氮化硅則僅有210mm厚，我們分別將兩種氮化硅切成1平方厘米的正方形，在不同配比的刻蝕液中進(jìn)行反應(yīng)，并得出結(jié)論。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1關(guān)于PECVD氮化硅掩膜刻蝕速率

首先我們用PECVD氮化硅硅片在各種溶液中進(jìn)行反應(yīng)試驗(yàn)。并用OceanOptics紫外干涉膜厚儀測量氮化硅薄膜在反應(yīng)前和反應(yīng)后的兩種厚度，利用刻蝕時(shí)間，即可得出掩膜在不同刻蝕液中的刻蝕速率。關(guān)于PECVD氮化硅的刻蝕速率，它隨著氟酸總量的增加，顯示出先增大，后在D處（氫氟酸40ml）快速增大，在G處（氫氟酸70ml）時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，并在之后減小的規(guī)律。

2.2關(guān)于LPCVD氮化硅掩膜刻蝕速率

我們同樣用帶有LPCVD氮化硅的硅片同PECVD實(shí)驗(yàn)一樣的不同配比的刻蝕液進(jìn)行反應(yīng)試驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，隨著溶液配比變化，LPCVD與PECVD氮化硅的刻蝕速率趨勢相似，但速率緩慢很多，從實(shí)驗(yàn)中我們得到以下結(jié)論：PECVD氮化硅刻蝕速度雖在A點(diǎn)（氫氟酸10ml時(shí)）最慢，但速度為244nm/min（采用PECVD制備的氮化硅薄膜刻蝕速率最大達(dá)到了3090nm/min），而LPCVD氧化硅在A點(diǎn)時(shí)的速率僅為3nm/min（最大為37.5nm/min）。通過以上的例子說明，LPCVD氮化硅比PECVD氮化硅的致密性要好很多，因此耐刻蝕性也會(huì)好很多。由于實(shí)驗(yàn)中，PECVD氮化硅的反應(yīng)更加劇烈，說明LPCVD氮化硅比PECVD氮化硅更加適合用于長期各向同性濕法刻蝕的掩膜。

2.3加入乙酸對刻蝕液刻蝕速率的作用

從以上實(shí)驗(yàn)我們得知，乙酸加入HNA溶液中是為了讓刻蝕液對硅的刻蝕速率變慢。因此加入乙酸同樣會(huì)對氮化硅的刻蝕速率造成影響。我們把未加入乙酸的幾種典型刻蝕液配比另做實(shí)驗(yàn)后，得出結(jié)論：因?yàn)镻ECVD沉積的氮化硅耐刻蝕性不好，因此在缺少乙酸抑制刻蝕速率的情況下，用同上一組對比試驗(yàn)一樣的560nm厚的PECVD氧化硅掩膜在較短時(shí)間內(nèi)即被完全刻蝕，使得對比試驗(yàn)無法在較長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。因此我們用LPCVD進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們在觀察LPCVD氮化硅在未加入乙酸的刻蝕液中的刻蝕速率后，可以得出以下結(jié)論：首先，當(dāng)氫氟酸體積比較小時(shí)（氫氟酸在10ml到40ml之間時(shí)），加入乙酸這個(gè)條件對氧化硅刻蝕速率不是很大，但隨著氫氟酸比例的增加，未加入乙酸的刻蝕液對氧化硅的刻蝕速率的影響顯著加大，最大時(shí)達(dá)到兩倍左右的刻蝕速度。因此，為保證刻蝕速度在可控范圍內(nèi)，乙酸是必須添加的成分。

3、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探討

3.1氮化硅掩膜薄厚與顏色的關(guān)聯(lián)

在剛才的實(shí)驗(yàn)中，我們在研究刻蝕液刻蝕速率的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了隨著厚度的不同，氮化硅掩膜的顏色也出現(xiàn)了顯著變化。因此我們又進(jìn)行了一組關(guān)于氮化硅掩膜厚度與顏色的實(shí)驗(yàn)。為了顏色變化更明顯，我們用顯微鏡加大觀察的容易度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以知道：沉積在<111>型硅片上氮化硅顏色隨著厚度的變薄而逐漸變淺，并呈現(xiàn)出一種周期式的變化，在一定厚度后顏色再次逐漸變深。

3.2實(shí)際使用中的氮化硅掩膜

我們使用<111>型硅片進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)之后，用掃描電子顯微鏡進(jìn)行對表面的觀察。通過觀察帶有完整氮化硅掩膜的硅片，我們發(fā)現(xiàn)外緣圓柱的硅片和內(nèi)圈大范圍的氮化硅相比，發(fā)生了較大范圍的脫落，已經(jīng)只剩下一薄層煙花硅薄膜。而內(nèi)部大范圍的掩膜則剩下了大片的未被刻蝕的硅片。

結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)我們看到，實(shí)驗(yàn)人員分別采用PECVD和LPCVD兩種方式，在<111>型硅片上制備了氮化硅掩膜，并測試出了在以氫氟酸（49%）硝酸（70%）和乙酸（99.9%）為試劑，8種配比刻蝕液下的刻蝕速率。并得出結(jié)論，采用PECVD制備的氮化硅薄膜刻蝕速率最大達(dá)到了3090nm/min，最小為也有244nm/min之多；而采用LPCVD制備的氮化硅薄膜刻蝕速率則緩慢很多，最大為37.5nm/min，最小為3nm/min。因此我們可得出結(jié)論，用LPCVD制備氮化硅掩膜更加科學(xué)。同時(shí)，我們可以參照氮化硅掩膜顏色隨著厚度的變化規(guī)律，為工作人員今后合理制作所需要厚度的掩膜提供了科學(xué)的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉亞東，張衛(wèi)平，唐健，汪濙海，邢亞亮，孫殿竣.用于各向同性濕法刻蝕中的氮化硅掩膜[J].半導(dǎo)體光電，2016，04：009.endprint