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摘要
? ? ? 本研究對(duì)不同硅氧化物(熱氧化物、TEOS沉積、TEOS退火和PSG退火)、辛尼必物(LPCVD和PECVD)和金屬層(Al-Cu、Ti和氮化鈦)在HF：h2o24.5：75.5、BHF：甘油2：1和蒸汽高頻中的蝕刻進(jìn)行了比較。蒸汽高頻蝕刻是在一個(gè)市上可用的晶圓清洗系統(tǒng)中完成的，該系統(tǒng)根據(jù)定制規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，使無(wú)粘表面微加工。確定了蝕刻速率作為蝕刻方法、時(shí)間和溫度（對(duì)于高頻蒸汽）的函數(shù)。此外，在選擇用于比較不同薄膜蝕刻行為的標(biāo)準(zhǔn)高頻蒸汽蝕刻技術(shù)之前，還分析了內(nèi)部（溫度、氮?dú)饬?、晶片尺?和外部(樣品預(yù)處理）參數(shù)對(duì)高頻蒸汽蝕刻工藝的影響。利用螺旋鉆深度剖面和紅外光譜法解釋了金屬膜的時(shí)變蝕刻速率和高頻蒸汽蝕刻后硅-氮化物膜的變化。
介紹
? ? ? 表面微加工微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)通常采用聚硅或聚sige1、2作為結(jié)構(gòu)層，氧化物層作為犧牲層。然后，可以通過(guò)使用氟化氫(HF)對(duì)結(jié)構(gòu)層具有高選擇性地蝕刻犧牲層。最廣泛的高頻蝕刻方法是在心衰和水的混合物或緩沖液高頻與甘油3-10的混合物中進(jìn)行濕式化學(xué)蝕刻。后者首選鋁結(jié)構(gòu)在晶片上時(shí)，因?yàn)樵贐HF中添加甘油降低金屬的蝕刻率。然而，干燥釋放的濕式蝕刻結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)的問(wèn)題。雖然存在解決方案來(lái)克服這些問(wèn)題，但也可以通過(guò)使用高壓蒸汽釋放蝕刻劑來(lái)規(guī)避附著力。特別是當(dāng)釋放過(guò)程中的晶片溫度升高到40°C以上時(shí)，對(duì)于表面微加工結(jié)構(gòu)11可以獲得較高的收率。
實(shí)驗(yàn)
? ? ? 本文研究的覆蓋層是四種不同的硅氧化物、兩種不同的硅氮化物和三種金屬基薄膜。對(duì)于濕化學(xué)蝕刻實(shí)驗(yàn)，使用了兩種不同的溶液。第一種溶液由一份氟化氫(49 %)和一份去離子水組成，得到24.5%氟化氫水溶液或14.2摩爾/升。第二種溶液是通過(guò)混合兩部分緩沖液HF (BHF)和一部分甘油(HOCH2-HOCH-CH2OH)制成的。
? ? ? 為了獲得可重復(fù)的蝕刻結(jié)果，樣品的制備是很重要的。樣品首先在水中清洗，然后用氮槍干燥，然后在120°C的爐子中烘烤30分鐘。這將得到一個(gè)干凈的樣品，然后在系統(tǒng)中預(yù)熱10分鐘，然后以1l/分鐘的氮?dú)饬鏖_(kāi)始蝕刻。層厚的測(cè)量方法與濕式蝕刻樣品的測(cè)量方法相同。
濕化學(xué)蝕刻
? ? ? 在所有被研究的氧化物中，退火的PSG在HF/H2O中蝕刻得最快。在PSG中加入磷，在蝕刻過(guò)程中轉(zhuǎn)化為磷酸，增加了蝕刻速率TEOS的蝕刻速度幾乎和PSG一樣快。TEOS退火使薄膜致密化，并使其更耐蝕刻。熱氧化物，溫度最高的氧化物，蝕刻最慢。在BHF/甘油中，氧化物的蝕刻速度比在HF/H2O中慢得多。如前所述，這是由于較低的氟化氫濃度。此外，TEOS蝕刻現(xiàn)在比退火PSG慢。這可能是由于BHF/甘油中的水含量較低，因?yàn)镻2O5與磷酸的反應(yīng)需要水。
? ? ? 鈦和鋁銅都可以在氫氟酸/過(guò)氧化氫溶液中快速蝕刻。對(duì)于在氮?dú)夥罩型ㄟ^(guò)鈦的反應(yīng)濺射制成的氮化鈦，蝕刻速率顯著降低。薄膜在某一時(shí)間的薄層電阻和厚度，以及R 0，sheet和d0，初始薄層電阻和厚度)隨蝕刻時(shí)間的變化不是線性的。為了更好地理解蝕刻機(jī)理，對(duì)沉積膜和蝕刻膜進(jìn)行了俄歇深度分析。對(duì)于鈦，從圖8a和8b可以清楚地看出，在蝕刻過(guò)程中，頂部鈦層轉(zhuǎn)化為鈦氧化物層。TiN樣品也是如此。這種向氧化物層的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致電阻率的增加，因此也導(dǎo)致薄層電阻的增加。因此，對(duì)鈦和氮化鈦測(cè)量的薄層電阻的變化并不直接反映薄膜厚度的變化，而僅僅是電阻率的變化。
? ? ? 兩種溶液中不同材料的蝕刻速率列于表1。這些蝕刻速率是從所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性最小二乘擬合中獲得的，具有非線性特征的金屬基薄膜除外。在假定電阻率恒定的情況下，鋁-銅、鈦和錫的蝕刻速率由整個(gè)蝕刻期間薄層電阻隨蝕刻時(shí)間的平均變化來(lái)確定。因此，它們只能作為一種估計(jì)。
? ? ? 表1的主要結(jié)論是:
? ? ? 與HF/H2O相比，所有蝕刻速率在BHF/甘油中顯著較低。
? ? ? BHF/甘油溶液對(duì)氮化物和金屬基薄膜具有高得多的選擇性，因此當(dāng)后者材料在犧牲氧化物蝕刻期間在晶片上時(shí)，更適合作為蝕刻溶液。
? ? ? 在HF/H2O溶液中，不同類型氧化物之間的蝕刻速率差異較大。因此，當(dāng)氧化物需要朝向彼此選擇性蝕刻時(shí)，這種解決方案是優(yōu)選的。
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圖8：在HF/H2O中蝕刻7秒后的Ti(a)前和(b)的螺旋鉆深度曲線
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表1：HF/H2O和BHF/甘油溶液中的蝕率
HF蒸汽
圖11顯示了隨著氮?dú)饬髁康脑黾樱g刻速率的增加。在低流速下，反應(yīng)氣體的供應(yīng)量太低，蝕刻速率非常低?？赡軟](méi)有足夠的水來(lái)催化反應(yīng)17.在中等流速下，隨著流速的增加，蝕刻速率增加。然而，對(duì)于非常大的流速，這種增加停止，因?yàn)樵谀菚r(shí)，試劑的供應(yīng)可能不再限制蝕刻速率。
圖12顯示了晶圓尺寸對(duì)蝕刻速率的影響。很明顯，晶片尺寸越大，蝕刻越慢。這可能是由于龍膽的供應(yīng)有限。如果有可能增加更多的氮?dú)饬髁?，則不同晶片尺寸的蝕刻速率差異可能會(huì)消失。
在35℃下，氧化硅和金屬基薄膜在氟化氫蒸氣中的腐蝕速率列于表2。對(duì)金屬基薄膜的高選擇性是清楚的。此外，除了PSG的蝕刻之外，無(wú)靜摩擦蝕刻的可能性使得HF蒸汽成為非常有吸引力的犧牲蝕刻技術(shù)。然而，氮化物的反應(yīng)可以被認(rèn)為是一個(gè)缺點(diǎn)。此外，除了PSG之外，氧化物蝕刻速率低于BHF/甘油溶液，所有氧化物的蝕刻速率肯定低于HF/H2O溶液。
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圖11：在加熱器級(jí)溫度為50°C，預(yù)熱時(shí)間為10min時(shí)，2cmx2cm退火的TEOS樣品的氮?dú)饬鲗?duì)蝕刻速率的影響。蝕刻時(shí)間為20min
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討論和結(jié)論
? ? ? 作為結(jié)論，針對(duì)三種不同的犧牲蝕刻技術(shù)，制作了不同材料的相對(duì)蝕刻速率相對(duì)于熱氧化物蝕刻速率的表格。當(dāng)比較不同氧化物之間的選擇性以及熱氧化物蝕刻對(duì)鋁-銅和鈦的選擇性時(shí)，蒸汽HF顯然給出了最佳結(jié)果。只有當(dāng)?shù)锘騊SG存在于表面時(shí)，HF蒸汽才可能不是一個(gè)很好的選擇。此外，當(dāng)需要快速氧化物蝕刻并且不需要對(duì)其他材料的選擇性時(shí)，在HF/H2O溶液中的濕法蝕刻可能是優(yōu)選的。然而，在后一種情況下，需要解決靜摩擦問(wèn)題。
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