硅刻蚀
单晶硅刻蚀用来形成相邻晶体管间的绝缘区,多晶硅刻蚀用于形成栅极和局部连线。
硝酸(hno3)和氢氟酸(hf)的混合液能为单晶和多晶硅进行等向性刻蚀。这个复杂的化学反应过程为:首先,硝酸使表面的硅氧化形成二氧化硅薄层,这样可以阻止氧化过程。然后hf和二氧化硅反应将二氧化硅溶解并暴露出下面的硅。硅接着又被硝酸氧化,然后氧化物又被hf刻蚀掉,这样的过程不断重复。其化学反应可表示为:
si+2hno3+6hf->h2sif6+2hno2+2h2o
氢氧化钾(koh)、异丙醇(c3h8o)和水的混合物能选择性地向不同方向刻蚀单晶硅。如果在80〜82摄氏度时将23.4wt%的koh、13.3wt%的c3h8o和63.3wt%的h20混合在一起,则沿平面的刻蚀速率比沿平面的高100倍左右。下图中的v形沟槽就是通过这种非等向性单晶硅过程进行湿法刻蚀得到的。
硝酸具有强腐蚀性,当浓度高于40%时产生氧化。若与皮肤和眼睛直接接触,会导致严重的烧伤并在皮肤上留下亮黄色斑点。硝酸气体具有强烈的气味,只要少量就能造成喉咙不适。如果吸入高浓度的硝酸气体会造成哽咽、咳嗽和胸口疼痛。更严重的会导致呼吸困难、皮肤呈现蓝色,甚全因为肺积水在24小时内死亡。
氢氧化钾具有腐蚀性,可能会造成严重烧伤。通过摄入或吸入与皮肤接触有害。如果与眼睛接触,可能会导致严重的眼损伤。
氮化硅刻蚀
氮化硅普遍应用于形成隔离的工艺中。下图显示了20世纪70年以双载流子晶体管为主的ic晶体管制造,那时已经采用了单晶硅和氮化硅刻蚀的隔离工艺。
磷酸(h3po4)常用来刻蚀氮化硅。使用180摄氏度和91.5%的h3po4,氮化硅的刻蚀速率大约为100a/mino这种氮化硅刻蚀对热生长的二氧化硅(大于10:1)和硅(大于33:1)的选择性非常好。如果将h3po4的浓度提高到94.5%而温度升高到200摄氏度,氮化硅刻蚀速率就会增加到200a/min。此时对二氧化硅的选择性会降低到5:1左右,对硅的选择性减少到20:1左右。
一个问题:hf可以用于刻蚀氮化硅。然而在形成隔离工艺中(见上图),图形化氮化硅刻蚀和氮化硅去除均不使用hf,为什么?
答:hf刻蚀氮化硅的速率比刻蚀二氧化硅的速率慢很多,所以使用hf刻蚀氮化硅,将造成垫底氧化层损失过多和严重的底切效应。如果使用hf去除氮化硅,将会在移除氮化层之前很快地刻蚀掉垫底氧化层和绝缘氧化层,所以不能使用hf图形化刻蚀氮化硅。
氮化硅刻蚀的化学反应为:
si3n4+4h3po4->si3(po4)4+4nh3
磷酸硅(si3(po4)4)和氨气(nh3)这两种副产品都可以溶于水。locos工艺的场区氧化层生成后(或usg研磨和sti退火处理后),这个技术至今仍在隔离形成工艺中被采用以去除氮化硅。
磷酸是一种无味液体,具有强烈的腐蚀性,若直接接触皮肤和眼睛将造成严重的灼伤。少量的磷酸气体就能造成眼睛、鼻子和咽喉不适。高浓度时,将导致咳嗽和皮肤、眼睛、肺的灼伤。长期接触会腐蚀牙齿。
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