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構，配比不同，氮化硅掩膜的刻蝕速率各不相同。基于這種認識，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，為科學制作所需厚度的氮化硅掩膜提供科學化的參考。

關鍵詞：各向同性刻蝕 掩膜 氮化硅

引言

隨著科學技術發展，刻蝕技藝日臻完善，低成本的濕法刻蝕法的應用也愈發廣泛。從完善工藝的角度上說，不同配比的刻蝕液由于會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，以實現配比的科學化。而氮化硅作為頂級掩膜材料，我們選擇合理的氮化硅的厚度也至關重要，氮化硅薄膜太薄，刻蝕要求無法達標；薄膜太厚導致過多應力而影響刻蝕效果，為節約成本，優化工藝，了解氮化硅薄膜在不同配比刻蝕液中的刻蝕速率至關重要。

1、實驗過程

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型塑料板結構支架的底部，將其上端掛在已經盛有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很大，因此，在實際的工藝過程中工作人員即使常常對刻蝕液進行攪拌，但這種方法對刻蝕速率影響不大。本實驗采取靜置刻蝕的方法，首先實驗的試劑為氫氟酸（49%）硝酸（70%）和乙酸（99.9%），其中實驗中固定乙酸為10ML，僅僅在氫氟酸和硝酸的比例上做一些改變。

同時，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行反應，并得出結論。

2、實驗結果

2.1關于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行反應試驗。并用OceanOptics紫外干涉膜厚儀測量氮化硅薄膜在反應前和反應后的兩種厚度，利用刻蝕時間，即可得出掩膜在不同刻蝕液中的刻蝕速率。關于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）時達到最高點，并在之后減小的規律。

2.2關于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實驗一樣的不同配比的刻蝕液進行反應試驗，由實驗結果可得，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，從實驗中我們得到以下結論：PECVD氮化硅刻蝕速度雖在A點（氫氟酸10ml時）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到了3090nm/min），而LPCVD氧化硅在A點時的速率僅為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，因此耐刻蝕性也會好很多。由于實驗中，PECVD氮化硅的反應更加劇烈，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

從以上實驗我們得知，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驗后，得出結論：因為PECVD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一樣的560nm厚的PECVD氧化硅掩膜在較短時間內即被完全刻蝕，使得對比試驗無法在較長的時間內進行。因此我們用LPCVD進行實驗。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，可以得出以下結論：首先，當氫氟酸體積比較小時（氫氟酸在10ml到40ml之間時），加入乙酸這個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，最大時達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，乙酸是必須添加的成分。

3、對實驗結果的探討

3.1氮化硅掩膜薄厚與顏色的關聯

在剛才的實驗中，我們在研究刻蝕液刻蝕速率的同時，也發現了隨著厚度的不同，氮化硅掩膜的顏色也出現了顯著變化。因此我們又進行了一組關于氮化硅掩膜厚度與顏色的實驗。為了顏色變化更明顯，我們用顯微鏡加大觀察的容易度。從實驗結果我們可以知道：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實際使用中的氮化硅掩膜

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

結論

通過以上實驗我們看到，實驗人員分別采用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。并得出結論，采用PECVD制備的氮化硅薄膜刻蝕速率最大達到了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。因此我們可得出結論，用LPCVD制備氮化硅掩膜更加科學。同時，我們可以參照氮化硅掩膜顏色隨著厚度的變化規律，為工作人員今后合理制作所需要厚度的掩膜提供了科學的參考。

參考文獻

[1]劉亞東，張衛平，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].半導體光電，2016，04：009.endprint