论用于各向同性湿法刻蚀中的氮化硅掩膜

郭少平

摘 要：HNA溶液（又称乙酸、氢氟酸、硝酸的混合溶液）作为刻蚀液，一般用于硅的各向同性湿法刻蚀程序中，而耐刻蚀性很好的氮化硅常被用作顶层掩膜材料。我们通过选择不同的刻蚀液配比，以便在硅片刻蚀不同的结构，配比不同，氮化硅掩膜的刻蚀速率各不相同。基于这种认识，本文用PECVD及LPCVD两种不同方法，在<111>型硅片上沉积了560nm和210nm厚的氮化硅薄膜，在分析了它们在不同配比刻蚀液中的刻蚀速率的同时，为科学制作所需厚度的氮化硅掩膜提供科学化的参考。

关键词：各向同性刻蚀 掩膜 氮化硅

引言

随着科学技术发展，刻蚀技艺日臻完善，低成本的湿法刻蚀法的应用也愈发广泛。从完善工艺的角度上说，不同配比的刻蚀液由于会影响硅的刻蚀速率和表面的粗糙度，因此，研究人员需研究不同的刻蚀液配比，以实现配比的科学化。而氮化硅作为顶级掩膜材料，我们选择合理的氮化硅的厚度也至关重要，氮化硅薄膜太薄，刻蚀要求无法达标；薄膜太厚导致过多应力而影响刻蚀效果，为节约成本，优化工艺，了解氮化硅薄膜在不同配比刻蚀液中的刻蚀速率至关重要。

1、实验过程

为研究氮化硅掩膜在不同配比的刻蚀液中的刻蚀速率，我們首先将待刻蚀的硅片放在L型塑料板结构支架的底部，将其上端挂在已经盛有HNA刻蚀液的聚四氟乙烯烧杯上。作为表层的整体掩膜的氮化硅，由于其与刻蚀液接触面积已经很大，因此，在实际的工艺过程中工作人员即使常常对刻蚀液进行搅拌，但这种方法对刻蚀速率影响不大。本实验采取静置刻蚀的方法，首先实验的试剂为氢氟酸（49%）硝酸（70%）和乙酸（99.9%），其中实验中固定乙酸为10ML，仅仅在氢氟酸和硝酸的比例上做一些改变。

同时，我们采用PECVD及LPCVD法在硅片表面制备了氮化硅掩膜，并对其进行了测试，PECVD制备的氮化硅掩膜有560nm厚，LPCVD制备的氮化硅则仅有210mm厚，我们分别将两种氮化硅切成1平方厘米的正方形，在不同配比的刻蚀液中进行反应，并得出结论。

2、实验结果

2.1关于PECVD氮化硅掩膜刻蚀速率

首先我们用PECVD氮化硅硅片在各种溶液中进行反应试验。并用OceanOptics紫外干涉膜厚仪测量氮化硅薄膜在反应前和反应后的两种厚度，利用刻蚀时间，即可得出掩膜在不同刻蚀液中的刻蚀速率。关于PECVD氮化硅的刻蚀速率，它随着氟酸总量的增加，显示出先增大，后在D处（氢氟酸40ml）快速增大，在G处（氢氟酸70ml）时达到最高点，并在之后减小的规律。

2.2关于LPCVD氮化硅掩膜刻蚀速率

我们同样用带有LPCVD氮化硅的硅片同PECVD实验一样的不同配比的刻蚀液进行反应试验，由实验结果可得，随着溶液配比变化，LPCVD与PECVD氮化硅的刻蚀速率趋势相似，但速率缓慢很多，从实验中我们得到以下结论：PECVD氮化硅刻蚀速度虽在A点（氢氟酸10ml时）最慢，但速度为244nm/min（采用PECVD制备的氮化硅薄膜刻蚀速率最大达到了3090nm/min），而LPCVD氧化硅在A点时的速率仅为3nm/min（最大为37.5nm/min）。通过以上的例子说明，LPCVD氮化硅比PECVD氮化硅的致密性要好很多，因此耐刻蚀性也会好很多。由于实验中，PECVD氮化硅的反应更加剧烈，说明LPCVD氮化硅比PECVD氮化硅更加适合用于长期各向同性湿法刻蚀的掩膜。

2.3加入乙酸对刻蚀液刻蚀速率的作用

从以上实验我们得知，乙酸加入HNA溶液中是为了让刻蚀液对硅的刻蚀速率变慢。因此加入乙酸同样会对氮化硅的刻蚀速率造成影响。我们把未加入乙酸的几种典型刻蚀液配比另做实验后，得出结论：因为PECVD沉积的氮化硅耐刻蚀性不好，因此在缺少乙酸抑制刻蚀速率的情况下，用同上一组对比试验一样的560nm厚的PECVD氧化硅掩膜在较短时间内即被完全刻蚀，使得对比试验无法在较长的时间内进行。因此我们用LPCVD进行实验。我们在观察LPCVD氮化硅在未加入乙酸的刻蚀液中的刻蚀速率后，可以得出以下结论：首先，当氢氟酸体积比较小时（氢氟酸在10ml到40ml之间时），加入乙酸这个条件对氧化硅刻蚀速率不是很大，但随着氢氟酸比例的增加，未加入乙酸的刻蚀液对氧化硅的刻蚀速率的影响显著加大，最大时达到两倍左右的刻蚀速度。因此，为保证刻蚀速度在可控范围内，乙酸是必须添加的成分。

3、对实验结果的探讨

3.1氮化硅掩膜薄厚与颜色的关联

在刚才的实验中，我们在研究刻蚀液刻蚀速率的同时，也发现了随着厚度的不同，氮化硅掩膜的颜色也出现了显著变化。因此我们又进行了一组关于氮化硅掩膜厚度与颜色的实验。为了颜色变化更明显，我们用显微镜加大观察的容易度。从实验结果我们可以知道：沉积在<111>型硅片上氮化硅颜色随着厚度的变薄而逐渐变浅，并呈现出一种周期式的变化，在一定厚度后颜色再次逐渐变深。

3.2实际使用中的氮化硅掩膜

我们使用<111>型硅片进行刻蚀实验之后，用扫描电子显微镜进行对表面的观察。通过观察带有完整氮化硅掩膜的硅片，我们发现外缘圆柱的硅片和内圈大范围的氮化硅相比，发生了较大范围的脱落，已经只剩下一薄层烟花硅薄膜。而内部大范围的掩膜则剩下了大片的未被刻蚀的硅片。

结论

通过以上实验我们看到，实验人员分别采用PECVD和LPCVD两种方式，在<111>型硅片上制备了氮化硅掩膜，并测试出了在以氢氟酸（49%）硝酸（70%）和乙酸（99.9%）为试剂，8种配比刻蚀液下的刻蚀速率。并得出结论，采用PECVD制备的氮化硅薄膜刻蚀速率最大达到了3090nm/min，最小为也有244nm/min之多；而采用LPCVD制备的氮化硅薄膜刻蚀速率则缓慢很多，最大为37.5nm/min，最小为3nm/min。因此我们可得出结论，用LPCVD制备氮化硅掩膜更加科学。同时，我们可以参照氮化硅掩膜颜色随着厚度的变化规律，为工作人员今后合理制作所需要厚度的掩膜提供了科学的参考。

参考文献

[1]刘亚东，张卫平，唐健，汪濙海，邢亚亮，孙殿竣.用于各向同性湿法刻蚀中的氮化硅掩膜[J].半导体光电，2016，04：009.endprint