一文详解晶片湿法刻蚀

我是Rvv 2023-09-10

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干法刻蚀（Dry Etching）是使用气体刻蚀介质。常用的干法刻蚀方法包括物理刻蚀（如离子束刻蚀）和化学气相刻蚀（如等离子体刻蚀）等。

与干法蚀刻相比，湿法刻蚀使用液体刻蚀介质，通常是一种具有化学反应性的溶液或酸碱混合液。这些溶液可以与待刻蚀材料发生化学反应，从而实现刻蚀。硅湿法刻蚀是一种相对简单且成本较低的方法，通常在室温下使用液体刻蚀介质进行。

然而，与干法刻蚀相比，它的刻蚀速度较慢，并且还需要处理废液。每个目标物质都需要选择不同的化学溶液进行刻蚀，因为它们具有不同的固有性质。例如，在刻蚀SiO2时，主要使用HF；而在刻蚀Si时，主要使用HNO3。因此，在该过程中选择适合的化学溶液至关重要，以确保目标物质能够充分反应并被成功去除。

硅湿法刻蚀

1、酸性蚀刻液： Si+HNO3 +6HF → H2 SiF6 +HNO2 +H2O+H2

2、硅的碱性刻蚀液： 氢氧化钾、氢氧化氨或四甲基羟胺（TMAH）溶液，晶片加工中，会用到强碱作表面腐蚀或减薄，器件生产中，则倾向于弱碱，如SC1清洗晶片或多晶硅表面颗粒，一部分机理是SC1中的NH4OH刻蚀硅，硅的均匀剥离，同时带走表面颗粒。随着器件尺寸缩减会引入很多新材料（如高介电常数和金属栅极），那么在后栅极制程，多晶硅的去除常用氢氧化氨或四甲基羟胺（TMAH）溶液，制程关键是控制溶液的温度和浓度，以调整刻蚀对多晶硅和其他材料的选择比。

氧化硅湿法刻蚀

1、氢氟酸HF溶液： SiO2 +4HF—→SiF4 （气体）+2H2O

HF过量时： SiO2 +6HF—→H2 SiF6 +2H2O

2、缓冲氧化物刻蚀剂BOE： 它是HF和NH4F的混合物，可避免HF刻蚀时氟离子的缺乏，溶液pH值稳定，不受少量酸加入的影响，还有一个好处是刻蚀率稳定不侵蚀光阻，避免栅极氧化层刻蚀时光阻脱落。

3、HF/EG溶液： HF/EG是 49%的氢氟酸与乙二醇以大约4:96 的比例混合，温度控制在 70～80℃ ，对炉管氧化硅和氮化硅的刻蚀选择比约 1:1.5 ，其主要特点是不与基体硅或干刻蚀损伤硅反应，因而在有Si的刻蚀制程或有SiN和SiO2 去除，都可有所考虑，如CMOS的STI形成后，氮化硅湿法回蚀方面的应用。

4、SC1溶液： SC1是氢氧化铵、双氧水、水的混合物，高温（ 60～70℃ ）SC1（1:2:50）对炉管氧化硅有低的刻蚀率，约 3Å/min ，可用于特殊步骤的精细控制。浓度越大和温度越高，则刻蚀就越快。

氮化硅湿法刻蚀

1、磷酸湿法： 氮化硅湿法去除的普遍方法是热磷酸溶液。 85%的浓磷酸混入少量水，温度控制在 150～170℃ ，对炉管氮化硅的刻蚀率大约 50Å/min ；而对CVD氮化硅会更高，如果制程有回火步骤，则刻蚀率会受很大影响，应依据不同的条件测定实际的结果。为了提高对氧化硅的选择比，放入氮的硅晶片，溶入一定的硅，或使用120～150℃的低温磷酸；反应的主体是氮化硅和水，磷酸在此反应中仅作为催化剂。

Si3N4 +6H2O→3SiO2 +4NH3

2、HF/EG湿法： 对氮化硅刻蚀率比氧化硅要快，比率约 1.5:1 ，也不侵蚀硅，有时应用于CMOS的STI沟渠形成后氮化硅湿法回蚀步骤。

3、HF湿法刻蚀： 49%HF 对氮化硅（炉管或CVD）有高的刻蚀率，对氧化硅更高，因而不适宜制程应用。也正是因为它的高刻蚀率，对去除挡控片上的氮化硅很有效。

Si3N4 +18HF→H2SiF6 +2（NH4 ）2SiF6

以炉管氮化硅（SiN）为幕罩的刻蚀，如浅沟渠隔离（STI）刻蚀、侧壁（OFFSET）刻蚀、主间隙壁（SPACER）刻蚀，在刻蚀后，留下的残留物一般含O、Si等元素，常用稀HF（浓度H2 O:HF约100:1或更稀）清除。对于CVD SiN为幕罩的刻蚀，由于稀HF对CVD SiN的刻蚀率本身就比炉管SiN大，加上刻蚀电浆对幕罩的表面轰击，相对讲这种膜刻蚀率就更大，因此刻蚀后残留物的去除，需用更稀的HF，以避免高浓度HF过刻蚀影响关键尺寸的控制。

参考书籍：《纳米集成电路制造工艺》（点击查看下载）

20种铝湿法刻蚀配方

需要注意的是，虽然湿法刻蚀相对简单，但是由于它涉及到液态化学刻蚀剂，所以处理和处置这些化学物质需要特别小心，以确保操作者的安全和环境保护。此外，湿法刻蚀可能不适用于所有类型的芯片制程，尤其是那些需要极高刻蚀精度的应用。