半導(dǎo)體濕法化學(xué)刻蝕工藝觀察

引言

濕化學(xué)蝕刻廣泛應(yīng)用于制造半導(dǎo)體。在制造中，成膜和化學(xué)蝕刻的過(guò)程交替重復(fù)以產(chǎn)生非常小的鋁層。根據(jù)蝕刻層橫截面的幾何形狀，由于應(yīng)力局部作用在蝕刻層上構(gòu)造的層上，經(jīng)常出現(xiàn)裂紋。因此，通過(guò)蝕刻產(chǎn)生具有所需橫截面幾何形狀的鋁層是重要的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)之一。在濕化學(xué)蝕刻中，蝕刻劑通常被噴射到旋轉(zhuǎn)的晶片上，并且鋁層由于與蝕刻劑的化學(xué)反應(yīng)而被蝕刻。我們提出了一種觀察鋁層蝕刻截面的方法，并將其應(yīng)用于靜止蝕刻蝕刻的試件截面的觀察。觀察結(jié)果成功地闡明了蝕刻截面幾何形狀的時(shí)間變化，和抗蝕劑寬度對(duì)幾何形狀的影響，并對(duì)蝕刻過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。驗(yàn)證了蝕刻截面的模擬幾何形狀與觀測(cè)結(jié)果一致，表明本數(shù)值模擬可以有效地預(yù)測(cè)蝕刻截面的幾何形狀。

實(shí)驗(yàn)

試件在恒溫333k的靜止蝕刻劑中蝕刻。表1列出了實(shí)驗(yàn)條件。在試件上，鋁層被濺射在硅上，鋁層被電阻屏蔽，如圖1a所示，鋁層的厚度和抗蝕劑的寬度分別用H和W表示。寬度W一般小于約50μm。Al層隨著時(shí)間的推移而被蝕刻，如圖1b所示。本文對(duì)具有三種抗阻寬度的試件進(jìn)行了研究。

?

表1 實(shí)驗(yàn)條件

?

圖1 蝕刻工藝

每1分鐘后從蝕刻劑中取出試件，觀察蝕刻過(guò)程。蝕刻試件涂上樹(shù)脂薄膜，然后由FIB(聚焦離子束）成型。薄膜涂層對(duì)于保護(hù)電阻劑免受FIB處理是必不可少的，使觀察電阻蝕劑對(duì)蝕刻截面的影響成為可能。采用空間分辨率為7nm的STM（掃描離子顯微鏡）進(jìn)行觀察。

結(jié)果和討論

圖2顯示了抗蝕劑寬度為W=W1的試件的蝕刻截面照片。蝕刻時(shí)間為5分鐘。照片清楚地顯示了硅、鋁層、抗蝕劑和樹(shù)脂涂層的橫截面。Al的蝕刻區(qū)域到達(dá)了硅表面，蝕刻也進(jìn)入了抗蝕劑邊緣下方的橫向方向。

?

圖2 蝕刻t=5分鐘的試件橫截面照片

數(shù)值模擬：

W=W1的Al層的模擬截面幾何形狀如圖3所示。其中蝕刻時(shí)間1、3和5分鐘的結(jié)果。并給出了蝕刻劑的濃度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Al層隨著時(shí)間的推移而蝕刻，蝕刻也在抵抗邊緣下方的橫向進(jìn)行。雖然濃度在t=1min時(shí)幾乎分布均勻，但隨著時(shí)間的推移，濃度在鋁表面附近的減少而減小。

圖3 模擬了W=W1下的橫截面和蝕刻濃度

總結(jié)

通過(guò)觀察和數(shù)值分析，研究了靜息蝕刻劑中半導(dǎo)體的濕式化學(xué)蝕刻過(guò)程。研究結(jié)果總結(jié)如下：（1）開(kāi)發(fā)了一種觀察抗蝕劑和鋁層截面的方法，其中在涂上蝕刻表面后，使用FIB處理形成截面。（2）隨著時(shí)間的推移，蝕刻量增加。但增量減少了。這是因?yàn)槲g刻劑濃度由于化學(xué)反應(yīng)而降低，也因?yàn)橛捎诜磻?yīng)而出現(xiàn)非常小的氫氣泡。（3）隨著抗蝕劑寬度的增加，橫向蝕刻量增大。這是由于蝕劑容易擴(kuò)散到蝕刻區(qū)域，因此發(fā)生活性反應(yīng)。(4)通過(guò)以下步驟獲得的鋁層的橫截面數(shù)值模擬與觀測(cè)結(jié)果基本一致，表明本模擬可有效地用于預(yù)測(cè)蝕刻截面的幾何形狀。

審核編輯：符乾江