半導(dǎo)體制造之刻蝕工藝詳解

硅刻蝕

單晶硅刻蝕用來形成相鄰晶體管間的絕緣區(qū)，多晶硅刻蝕用于形成柵極和局部連線。

硝酸(HNO3)和氫氟酸(HF)的混合液能為單晶和多晶硅進(jìn)行等向性刻蝕。這個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程為:首先，硝酸使表面的硅氧化形成二氧化硅薄層，這樣可以阻止氧化過程。然后HF和二氧化硅反應(yīng)將二氧化硅溶解并暴露出下面的硅。硅接著又被硝酸氧化，然后氧化物又被HF刻蝕掉，這樣的過程不斷重復(fù)。其化學(xué)反應(yīng)可表示為：

Si+2HNO3+6HF->H2SiF6+2HNO2+2H2O

氫氧化鉀(KOH)、異丙醇(C3H8O)和水的混合物能選擇性地向不同方向刻蝕單晶硅。如果在80?82攝氏度時(shí)將23.4wt%的KOH、13.3wt%的C3H8O和63.3wt%的H20混合在一起，則沿<100>平面的刻蝕速率比沿<111>平面的高100倍左右。下圖中的V形溝槽就是通過這種非等向性單晶硅過程進(jìn)行濕法刻蝕得到的。

硝酸具有強(qiáng)腐蝕性，當(dāng)濃度高于40%時(shí)產(chǎn)生氧化。若與皮膚和眼睛直接接觸，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的燒傷并在皮膚上留下亮黃色斑點(diǎn)。硝酸氣體具有強(qiáng)烈的氣味，只要少量就能造成喉嚨不適。如果吸入高濃度的硝酸氣體會(huì)造成哽咽、咳嗽和胸口疼痛。更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致呼吸困難、皮膚呈現(xiàn)藍(lán)色，甚全因?yàn)榉畏e水在24小時(shí)內(nèi)死亡。

氫氧化鉀具有腐蝕性，可能會(huì)造成嚴(yán)重?zé)齻?。通過攝入或吸入與皮膚接觸有害。如果與眼睛接觸，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的眼損傷。

氮化硅刻蝕

氮化硅普遍應(yīng)用于形成隔離的工藝中。下圖顯示了20世紀(jì)70年以雙載流子晶體管為主的IC晶體管制造，那時(shí)已經(jīng)采用了單晶硅和氮化硅刻蝕的隔離工藝。

磷酸（H3PO4）常用來刻蝕氮化硅。使用180攝氏度和91.5%的H3PO4,氮化硅的刻蝕速率大約為100A/mino這種氮化硅刻蝕對(duì)熱生長的二氧化硅（大于10：1）和硅（大于33：1）的選擇性非常好。如果將H3PO4的濃度提高到94.5%而溫度升高到200攝氏度,氮化硅刻蝕速率就會(huì)增加到200A/min。此時(shí)對(duì)二氧化硅的選擇性會(huì)降低到5：1左右，對(duì)硅的選擇性減少到20：1左右。

一個(gè)問題：HF可以用于刻蝕氮化硅。然而在形成隔離工藝中（見上圖）,圖形化氮化硅刻蝕和氮化硅去除均不使用HF,為什么？

答:HF刻蝕氮化硅的速率比刻蝕二氧化硅的速率慢很多，所以使用HF刻蝕氮化硅，將造成墊底氧化層損失過多和嚴(yán)重的底切效應(yīng)。如果使用HF去除氮化硅，將會(huì)在移除氮化層之前很快地刻蝕掉墊底氧化層和絕緣氧化層，所以不能使用HF圖形化刻蝕氮化硅。

氮化硅刻蝕的化學(xué)反應(yīng)為：

Si3N4+4H3PO4->Si3(PO4)4+4NH3

磷酸硅(Si3(PO4)4)和氨氣(NH3)這兩種副產(chǎn)品都可以溶于水。LOCOS工藝的場區(qū)氧化層生成后(或USG研磨和STI退火處理后)，這個(gè)技術(shù)至今仍在隔離形成工藝中被采用以去除氮化硅。

磷酸是一種無味液體，具有強(qiáng)烈的腐蝕性，若直接接觸皮膚和眼睛將造成嚴(yán)重的灼傷。少量的磷酸氣體就能造成眼睛、鼻子和咽喉不適。高濃度時(shí)，將導(dǎo)致咳嗽和皮膚、眼睛、肺的灼傷。長期接觸會(huì)腐蝕牙齒。