第六讲 湿法腐蚀

第六讲湿法腐蚀/刻蚀outline•Si--Anisotropic----KOH,TMAH,EPW--Isotropic----HNA•SiO2-Glass,PSG--Isotropic----HF,BHF•Si3N4--Isotropic----BoiledH3PO4•ExampleSiliconEtching(Anisotropic)•KOH•EPW•TMAHKOHetching•Relationshipbetweenetchingrateandtemperature?•Relationshipbetweenetchingrateandconcentration?•SelectivityofKOHetching?•What’scornercompensation?•Etchingstopmethod?KOHetching•Relationshipbetweenetchingrateandtemperature?•Relationshipbetweenetchingrateandconcentration?•SelectivityofKOHetching?•What’scornercompensation?•Etchingstopmethod?KOHetching•Relationshipbetweenetchingrateandtemperature?•Relationshipbetweenetchingrateandconcentration?•SelectivityofKOHetching?•What’scornercompensation?•Etchingstopmethod?通常{111}面腐蚀速率最慢，与{100}比可达400：1KOHetching•Relationshipbetweenetchingrateandtemperature?•Relationshipbetweenetchingrateandconcentration?•SelectivityofKOHetching?•What’scornercompensation?•Etchingstopmethod?KOHetching•Relationshipbetweenetchingrateandtemperature?•Relationshipbetweenetchingrateandconcentration?•SelectivityofKOHetching?•What’scornercompensation?•Etchingstopmethod?EtchStops•Often,itisrequiredthatoneetcharegionofsiliconandstoponawelldefined“etch-stop”thatthenstopstheetchabruptly.•Thereareseveraletchstoptechniques,includingconcentration-dependent,electrochemical,anddielectric.•Theseetchstopsallowonetocontrolthethicknessofamicrostructureaccurately(1µm),andhaveveryuniformandreproduciblecharacteristicsHeavilydopedHeavilydopedLightlydopedEtchStops控制时间控制掺杂浓度浓硼掺杂自停止腐蚀技术：KOH、EPW腐蚀，在掺杂浓度小于阈值时，腐蚀速率为常数，大于阈值时，腐蚀速率急剧降低—重掺杂导致腐蚀停止。湿法腐蚀工艺理论模型：三种应变模型—重掺杂应力使表面SiO2生长速率超过腐蚀速率复合模型—硅表面高浓度空穴存在使氧化反应中产生的电子复合，还原反应因为缺少电子减慢，腐蚀速率降低电化学模型—利用能带理论解释。缺点：应力大，压阻系数突变，IC不兼容解决办法:PN结自停止电钝化装置：工作电极（WE）：接硅辅助电极（CE）：腐蚀液中（Pt）参考电极（RE）：测硅的电势，（SCE饱和甘汞电极）I—V曲线反应了不同材料、导电类型的普遍特征（Vocp：开路电势；Vpp：钝化势）电钝化电钝化腐蚀机制：腐蚀反应分三个区A区：Vocp附近把Si开始转化为硅复合物Si(OH)22+和H2，无电荷转移，电流为零B区：VPP附近，开始钝化，电流减小C区：VOFP附近，氧化物形成，电流迅速接近于零电钝化相关参数的影响：晶向、掺杂浓度、温度、腐蚀液配比光照的影响：产生电子空穴对N型：Vpp降低，Vocp不变；P型：Vpp降低，Vocp向正方向飘移尽量避免光照利用电钝化可以进行停止控制，问题是？PN结自停止腐蚀PN结自停止腐蚀：P衬底生长N外延层（结构层）SiO2，SiN掩膜，恒压源加在N区和CE之间，电压略大于VppN区接正极，PN结反偏，电压落在结上，P衬底被正常腐蚀；P衬底被腐蚀掉后，PN结被破坏，外加电压加在N与腐蚀液间，且大于N型硅的钝化势，N型硅被钝化，腐蚀停止三极系统N型外延层对腐蚀液电位难于精确控制，影响N层厚度均匀性。需增加参考电极（RE）—三极系统但P型区电位由于缺陷等原因导致短路，引起边界电流，钝化P区。即使理想的PN结也会因双极效应使腐蚀停在离PN结界面几微米处四电极系统—精度可到0.2微米•适当恒压源加在衬底，使腐蚀电势处于P区的Vocp附近•Ve使PN结反偏，外延层电位略大于N区的钝化势Vpp四极系统DielectricEtchStop•Silicon-On-Insulator(SOI)wafersarebecomingandabundantbecauseoftheiruseinICmanufacturing.1•TheSiontheinsulator(whichisusuallyasilicondioxide)canbeeithersingle-crystal,orpolycrystalline•ThesiliconoxideactsasanexcellentetchstopbecauseitdoesnotetchappreciablyinetchantlikeKOHorEDP.•Thethicknessofthesiliconontopoftheinsulatorcanbecontrolledveryaccuratelywithbetterthan5%uniformity.•SOIwafersaretypicallymuchmoreexpensivethanstandardSiwafers.DielectricSingle-CrystalSi(SOI)DielectricPolycrystallineSiSiliconEtching(Anisotropic)•KOH•EPW•TMAHEDP/EPW湿法腐蚀系统EPW腐蚀系统：乙二胺（NH2（CH2）2NH2）E邻苯二酚（C6H2（OH）2）P水W电离反应：NH2（CH2）2NH2+H2O—NH2（CH2）2NH3++（OH)-氧化还原：Si+2(OH)-+4H2O—Si(OH)62-+2H2络合过程：Si(OH)62-+C6H2（OH）2—Si(C6H4O2)32-+6H2OEthyleneDiamine,Pyrochatechol,WaterEPW反应装置•反应温度：115度，低温下将在硅表面产生不可溶解的残留物，使表面粗糙•带回流：防蒸发•带搅拌EDP(EPW)(115°C)Etchrate(100)=0.75µm/minAlmaybeetchedR(100)R(110)R(111)Etchratio(100)/(111)=35Etchmasks:SiO2~0.2nm/min,Si3N4~0.1nm/minBorondopedetchstop,50×slowerCarcinogenic,corrosiveIstheresafealternative?SiliconEtching(Anisotropic)•KOH•EPW•TMAHTMAH•TMAH,Tetramethylammoniumhydroxide,10-40wt.%(90°C)–Etchrate(100)=0.5-1.5µm/min–Alsafe,ICcompatible(PHvaluerelated,13to12,1um/minto1nm/min)–Etchratio(100)/(111)=10-35–Etchmasks:SiO2,Si3N4~0.05-0.25nm/min–Borondopedetchstop,upto40×slowerASEIssues•Choosingamethod–Desiredshapes–Etchdepthanduniformity1–Surfaceroughness–Processcompatibility–Safety,cost,availability•Etchratevariationduetowetetchset-up–Lossofreactivespeciesthroughconsumption–Evaporationofliquids(concentrationchange)–Poormixing(etchproductblocksdiffusionofreactants)–Contamination–Appliedpotentialoutline•Si--Anisotropic----KOH,TMAH,EPW--Isotropic----HNA•SiO2-Glass,PSG--Isotropic----HF,BHF•Si3N4--Isotropic----BoiledH3PO4•ExampleISEApplications•Creatingstructureswithroundsurfaces•Thinning/RemovingsiliconwafersSiIC’sIsotropically-EtchedDiaphragmReleasedShellsBoronDopedSisubstrateEtchSiusingHNAandanitridemaskBorondopeshellstodesireddepthReleaseshellsinEDP/KOHEtchhastobetimed,noselfstopHardtocontrol,non-uniformNotreproducibleHNA(HF+HNO3+AceticAcid(HAC))•Creatingstructureswithroundsurfaces•Thinning/Removingsiliconwafers•去除表面损伤•清洗炉管湿法腐蚀工艺反应过程：Si+2h+——Si2+Si2++2OH-——Si（OH）2氢被释放形成SiO2HF溶解SiO2形成水溶液H2SiF6Si+HNO3+6HF=H2SiF6+H2NO2+H2O+H2HNO3+H2O=2H2NO2+2OH-+2h+湿法腐蚀工艺H2O、HAC的作用：稀释剂或缓冲剂HAC的作用是控制HNO3的溶解度，在使用时间内使氧化速率保持常数（h+的固容度一定）湿法腐蚀工艺不同组分对腐蚀速率的影响：•HF高、HNO3低腐蚀速率由HNO3浓度控制开始阶段困难，易变，在一定周期内硅表面缓慢生长氧化层，腐蚀受氧化-还原反应控制，趋于依赖晶向•HF低、HNO3高：腐蚀速率受HF溶解形成的SiO2的速率控制反应有自钝化特点，表面覆盖SiO2（30~50A）基本限制来自去除硅的复合物腐蚀各向同性、抛光作用湿法腐蚀工艺•HF：HNO3=1：1与稀释剂有关稀释剂低于10%，对其不敏感稀释剂10%~30%，随稀释剂速率增加降低稀释剂高于30%，微小的浓度变化导致腐蚀速率很大变化•多种比例可供选择，用于腐蚀硅•HF溶液对硅也有溶解作用，但速率很慢，小于1A/Min湿法腐蚀工艺腐蚀剂HFHNO3HAC备注掩膜速率（um/min）10