肖特基二极管产品多层金属的湿法刻蚀及金属翘银问题的解决

张晓情（天光半导体有限责任公司，甘肃 天水 741000）



肖特基二极管产品多层金属的湿法刻蚀及金属翘银问题的解决

张晓情
（天光半导体有限责任公司，甘肃 天水 741000）

摘 要：肖特基二极管正面顶层金属结构设计为Ag、Ti、Ti-W、Ni-Cr四层金属，四层金属在单层湿法刻蚀过程中必须选择刻蚀本层不刻蚀其它层金属的化学品，由于是多层金属刻蚀，会出现过刻蚀现象，导致金属翘银，对于翘银现象采取正反向湿法刻蚀方法进行解决。

关键词：湿法刻蚀；过刻蚀；翘银

在金属与半导体界面之间形成的具有整流作用的的接触叫肖特基势垒，肖特基二极管集肖特基整流管和p-n结势垒的优点于一身，可制成不同电流、电压、开关速度快、抗浪涌电流强的功率整流管。采用先进的硅肖特基技术，通过离子注入、蒸发、溅射、光刻刻蚀、减薄工艺以及新型合金势垒金属等工艺制作肖特基二极管产品，本文主要是介绍肖特基二极管正面顶层金属结构设计为Ag、Ti、Ti-W、Ni-Cr四层金属及四层金属的湿法刻蚀工艺选择，以及刻蚀后产生的翘银问题的解决方法。

1 Ag、Ti、Ti-W、Ni-Cr四层金属刻蚀工艺的选择

1.1 Ag层金属的湿法刻蚀工艺选择

Ag层金属作为焊接层金属，一般厚度为30000-40000Å，采用化学品刻蚀方法，选取不同湿法刻蚀液配方及配比进行分析比较：

1.1.1 NH4OH∶H2O2∶CH3OH= 1∶1∶4，刻蚀液温度：常温，经过试验该刻蚀液刻蚀速率30000Å/min，湿法刻蚀速率太快，刻蚀过程不易控制，容易造成Ag金属过刻蚀现象。

1.1.2 H3PO4∶HNO3∶CH3COOH∶H2O=3∶3∶ 23∶1，刻蚀液温度：常温，经过试验该刻蚀液刻蚀速率10Å/min， 批量生产过程中，生产效率太低，无法做成量产。

1.1.3 H3PO4∶CH3COOH∶HNO3∶H2O=70∶10∶1∶3，刻蚀液温度：常温，经过试验该刻蚀液与1.1.2相比，减少了HNO3的含量，既不影响光刻胶的抗蚀性，也降低了Ag的氧化速度，增加了CH3COOH的含量，在刻蚀过程中起缓冲刻蚀的作用，即降低了刻蚀速率，8000 Å/min，使刻蚀过程可控，Ag金属层厚度一般为30000-40000Å/min，可以满足批量生产需要，也不影响刻蚀效率及刻蚀质量。

最终，经过分析试验，选择1.1.3化学刻蚀方法进行Ag层金属的刻蚀，刻蚀干净，速率可控，刻蚀效果好。

1.2 Ti层金属的湿法刻蚀工艺选择

Ti层金属作为粘附层金属，起到粘附Ag层及Ti-W层金属的作用，一般厚度为1000Å。

Ti层金属的湿法刻蚀一般采用含有HF的化学品，选取不同湿法刻蚀液配方及配比进行分析比较。

1.2.1 HF∶H2O=1∶9，刻蚀液温度：32℃，经过试验，该刻蚀液速率快，2000Å/Sec，即便在常温下该刻蚀液的刻蚀速率也达到：1000Å/Sec，生产过程不易控制，不能满足批量生产的要求。

1.2.2 H2O∶H2O2∶HF=20∶1∶1，刻蚀液温度：常温，该刻蚀液相对1.2.1刻蚀速率慢，但增加了H2O2后，由于H2O2对光刻胶膜的强氧化性，故该刻蚀液会降低光刻胶的抗蚀性，也不建议采用。

1.2.3 HF∶HNO3∶H2O=5∶1∶500，刻蚀液温度：常温，该刻蚀液将HF与H2O的比例变更为1∶100，减少了HF的含量，增加了少量HNO3作为氧化物，这样相对以上几种方法，Ti刻蚀速率会明显降低，约20Å/Sec，1000ÅTi金属刻蚀时间约50Sec，刻蚀过程明显可控，易操作，可以满足批量生产需求，也不会对上层金属造成过刻蚀现象。

最终，选择1.2.3化学刻蚀方法刻蚀Ti层金属。

1.3 Ti-W层金属的湿法刻蚀工艺选择

Ti-W层金属作为势垒与焊接金属之间的金属，对势垒金属起到阻挡作用，一般厚度为1000Å，Ti-W层金属在试验过程中不同湿法刻蚀液配方及配比进行分析比较。

1.3.1 NH4F∶H2O2∶H2O=1∶1∶1，刻蚀液温度：常温，该刻蚀液主要是应用H2O2的氧化性将Ti-W金属进行氧化，采用NH4F刻蚀液进行络合刻蚀的方法，但该配方H2O2含量高，刻蚀速率太快，操作过程不易控制，还需进行优化。

1.3.2 对1.3.1的配比进行优化，NH4F∶H2O2∶H2O=1∶4∶120，刻蚀液温度：常温，该刻蚀液降低了H2O2的含量，使得刻蚀速率明显降低，约20Å/Sec，金属刻蚀时间约50Sec，刻蚀过程明显可控，易操作，可以满足批量生产需求。

最终，选择1.3.2方法刻蚀Ti-W层金属。

1.4 Ni-Cr层金属的湿法刻蚀工艺选择

Ni-Cr层金属作为合金势垒层金属，势垒介于Ni金属与Cr金属之间，既可以解决单纯使用Ni势垒器件的高温问题，又可以解决单纯使用Cr势垒，正向VF大，功耗大的问题，提高产品的可靠性能。Ni-Cr合金一般厚度约1000Å，Ni-Cr合金在试验过程中不同湿法刻蚀液配方及配比进行分析比较：

1.4.1 Ce（SO4）2•4H2O（硫酸镐铈）∶HNO3∶H2O=1.5（g）∶2（mL）∶10 （mL），刻蚀液温度：常温，该湿刻液为早期的Ni-Cr刻蚀液，可以将Ni-Cr合金刻蚀干净，但是均匀性差，批量生产，在后续刻蚀过程中存在有刻蚀不干净现象，故现在很少使用。

1.4.2 HCL∶H2O=1∶3，刻蚀液温度：T=85±5℃，刻蚀时间约60sec，腐蚀干净，但由于该刻蚀液需要加热，需增加加热缸及温控设施，也增加了生产加热的等待过程，且热的刻蚀液会降低光刻胶的抗蚀性，故不建议采用该刻蚀液。

1.4.3 （NH4）2Ce（NO3）6（硝酸铈氨）∶HNO3∶H2O=2（g）∶1（mL）∶20（mL），刻蚀液温度：常温，该刻蚀液在1.4.1基础上进行了优化改进，刻蚀过程中HNO起到氧化作用，增加NH+34可对氧化物进行络合反应，使反应过程易控，刻蚀时间约50Sec，适合批量生产需要。

最终，选择1.4.3方法刻蚀Ni-Cr层金属。

经过综合分析，最终选择1.1.3、1.2.3、1.3.2、1.4.3中的化学品配比液对肖特基二极管产品顶层Ag、Ti、Ti-W、Ni-Cr进行湿法刻蚀。

2 四层金属刻蚀后出现的翘银问题解决

肖特基二极管产品金属结构采用Ag、Ti、Ti-W、Ni-Cr金属，采用从上层到下层逐层湿法刻蚀的正向刻蚀工艺，即刻蚀Ag金属→Ti金属→Ti-W金属→Ni-Cr金属，由于湿法刻蚀固有的特性各向同性原理，在多层金属湿法刻蚀时，刻蚀终点难以判断，导致下层金属必须过刻蚀，在逐层刻蚀结束后剖面处分析会出现一个倒三角的形状，即下层Ti-W金属凹进去，相对来说上层Ag、Ti金属会凸出来，那么去胶后贴膜或金属表层在受到外力后，容易造成金属翘银或掉银。在后期的压焊封装过程中容易造成金属粘附差、拉力小、封装良率低等可靠性问题。

为了避免出现翘银、掉银和可靠性差的问题，在采用从上层到下层逐层湿法刻蚀的正向刻蚀工艺的基础上，再增加从下向上逐层刻蚀的反向湿法刻蚀工艺，金属正反向刻蚀顺序设定为：正向Ag金属→Ti金属→Ti-W金属→Ni-Cr金属→反向Ti-W金属→Ti金属→Ag金属。在刻蚀后的剖面处分析不会出现倒三角现象，会出现金属整齐的现象，在去胶后贴膜或金属表层受到外力后不会出现金属翘银或掉银问题，可靠性问题会大大改善。

结语

肖特基二极管正面顶层金属结构设计为Ag、Ti、Ti-W、Ni-Cr四层金属，在肖特基二极管整个工艺制作过程中至关重要，本文通过四层金属与整个工艺的匹配性，分析试验选择生产过程最优的湿法刻蚀液配方，对于多层金属湿法刻蚀技术产生的问题，能够采取预防解决措施，在工艺运行过程中，可能还会存在预料不到的问题，对此在以后的工作中还需要对工艺过程继续跟踪研究，以推动我国半导体行业湿法刻蚀的进步。若本文有不妥之处，希望各位老师能给予批评指导。

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中图分类号：TN305

文献标识码：A