CN103681277B - 一种多层金属图形化工艺中的湿法腐蚀方法 - Google Patents

一种多层金属图形化工艺中的湿法腐蚀方法 Download PDF

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Abstract

一种多层金属图形化工艺中的湿法腐蚀方法，利用冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液对Ag和Ni进行腐蚀，利用稀氢氟酸对Ti进行腐蚀，利用Al腐蚀液对Al进行腐蚀，最后利用APM溶液对TiN和Ti进行腐蚀。本发明只需要一次光刻，大大降低了成本，由于所有湿法腐蚀的步骤中对腐蚀窗口的形貌控制的比较好，因此提高了图形化工艺的品质，将Ag、Ni、Al以及TiN和Ti分别在一个步骤中腐蚀，节省了湿法腐蚀工艺的流程，提高可工艺的效率。

Description

一种多层金属图形化工艺中的湿法腐蚀方法
技术领域
本发明涉及一种半导体图形化工艺，具体地说，是一种一次光刻实现多层金属结构的湿法腐蚀方法。
背景技术
目前，半导体器件大多以硅单晶为基片，通过扩散等生产工艺后在硅片内按照设计形成一个或数个PN结，但硅是一种非金属半导体，不易与外界电路相连。传统的半导体器件外引出线与硅片连接，一般根据器件的结构采用两种方式，即焊接式和压接式，焊接式用化学镀银工艺使硅片表面形成一银层电极，再采用铅锡等焊料与外部引线焊接相连;压接式用铝烧结和蒸发工艺加工，在硅片的阳极面用铝与钼片烧结，阴极面上蒸发形成一铝层电极，然后与外压块相连。中小功率器件电流较小，硅片面积小，一般采用焊接式连接；大功率器件工作电流大，硅片面积大，为避免应力影响器件性能，一般采用压接式连接。
上述化学镀银、铝烧结和蒸发工艺方法制备电极方法的缺点是:化学镀银工艺稳定性不好，硅银合金容易引起硅片内部应力加大，可靠性差，特别是较大面积硅片合金时引起应力和形变较大，严重的将导致硅片裂开，使器件失效。压接式所采用的铝烧结工艺中，其铝是施主物质，在合金过程中容易使铝扩散进硅片层形成PN结，严重影响器件的性能，甚至不能工作，另外蒸铝器件在工作过程中存在铝迁移现象，器件阴极蒸上去的铝层在工作过程中会逐渐消失，最终会因无铝而不能工作，影响器件可靠性和寿命。
因此业界提出了由Ag-Ni-Ti-Al-TiN-Ti组成的多层金属结构来代替单层的Ag或Al电极，以提高电极的稳定性、导电性和使用寿命。
然而现有的Ag-Ni-Ti-Al-TiN-Ti多层金属图形化工艺，普遍使用Lift-Off技术进行图形化，Lift-Off工艺在加工多层金属结构时，需要使用到2次光刻，这样大大加大了图形化工艺的成本。
因此，有必要发明一种新的一次光刻实现多层金属腐蚀工艺，以降低现有工艺中的制作成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种一次光刻实现多层金属腐蚀工艺中的湿法腐蚀方法，湿法腐蚀方法能够对多层金属结构中的各个金属层进行腐蚀，从而实现1次光刻加多次腐蚀的图形化工艺，减少了成本。根据本发明的目的提出的一种多层金属结构的湿法腐蚀方法，所述多层金属结构从衬底方向依次包括钛、氮化钛、铝、钛、镍、银，该湿法腐蚀方法包括步骤：
以冰乙酸、硝酸和水的混合液对银/镍进行同步腐蚀；
以氢氟酸对钛进行腐蚀；
以铝腐蚀液腐蚀铝层；
以APM腐蚀液同步腐蚀氮化钛/钛层。
优选的，所述冰乙酸、硝酸和水的混合液中三者的比例为2:1:1至5:1:1。
优选的，所述APM腐蚀液中氨水、双氧水和水的比例为1:1:5至1:2:15。
优选的，所述银/镍以及氮化钛/钛层的腐蚀步骤中，还包括补充原腐蚀液的步骤来保证药液稳定性。
同时本发明还提出了一种多层金属结构的图形化工艺，该图形化工艺包括步骤：
1）在圆片表面依次沉积钛、氮化钛、铝、钛、镍、银，形成多层金属结构；
2）在步骤1）中的多层金属结构表面涂布光刻胶，并对光刻胶进行光刻，形成光刻胶掩膜；
3）利用步骤2）中的光刻胶掩膜，对多层金属结构进行多次湿法腐蚀工艺，该多次湿法腐蚀工艺包括：
3.1）以冰乙酸、硝酸和水的混合液对银/镍进行同步腐蚀；
3.2）以氢氟酸对银/镍下层的钛进行腐蚀；
3.3）以铝腐蚀液对钛下层的铝层进行腐蚀；
3.4）以APM腐蚀液对铝层下的氮化钛/钛进行同步腐蚀。
优选的，步骤3）中，每次在进入下一步腐蚀之前，还包括以热坚膜工艺来保证光刻胶的黏附性。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
第一：本发明只需要一次光刻，大大降低了成本；
第二：由于所有湿法腐蚀的步骤中对腐蚀窗口的形貌控制的比较好，因此提高了图形化工艺的品质。
第三：将Ag和Ni以及TiN和Ti分别在一个步骤中腐蚀，节省了湿法腐蚀工艺的流程，提高可工艺的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的多层金属图形化工艺的步骤流程图；
图2是本发明所需处理的多层金属结构的示意图；
图3至图6是本发明湿法腐蚀过程中对应的产品状态图。
具体实施方式
正如背景技术中所述，现有的多层金属图形化工艺中，普遍采用Lift-Off技术制作，该工艺需要用到两次光刻，即对Al层的第一次光刻和Lift-Off中的第二次光刻。因此现有的多层金属图形化工艺的工艺复杂度和成本大大影响了半导体多层金属工艺的发展。
本发明根据上述情况，提出了一种新的多层金属图形化工艺，该多层金属化工艺，只需要一次光刻技术，然后配合多次湿法腐蚀工艺对多层金属进行图形化，大大减少了图形化工艺的复杂度和成本。
请参见图1，图1是本发明的多层金属图形化工艺的步骤流程图，如图所示，该图形化工艺包括步骤：
S1：在衬底表面依次沉积Ti、TiN、Al、Ti、Ni、Ag，形成多层金属结构；
S2：在步骤S1中的多层金属结构表面涂布光刻胶，并对光刻胶进行光刻，形成光刻胶掩模；
S3：利用步骤S2中的光刻胶掩模，对多层金属结构进行多次湿法腐蚀工艺，该多次湿法腐蚀工艺包括：
S31：以冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液对Ag/Ni进行同步腐蚀，将光刻胶掩模的表面图形传递至Ni层；
S32：以氢氟酸(HF)对Ti进行腐蚀，将步骤S31中Ni层的表面图形传递至Ti层；
S33：以Al腐蚀液腐蚀Al层，将步骤S32中Ti层的表面图形传递至Al层；
S34：以APM腐蚀液同步腐蚀TiN/Ti层，将步骤S33中Al层的表面图形传递至Ti层，最终完成湿法腐蚀。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图2，图2是本发明所需处理的多层金属结构的示意图。如图所示，首先在半导体衬底10上依次制作Ti11、TiN12、Al13、Ti14、Ni15和Ag16。其中半导体衬底10可以为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝等材质
该多层金属结构中的每层金属可以通过化学气相沉积、磁控溅射、原子束外延等生长方式进行制作，其中Al13下方的Ti11、TiN12两层，不仅可以防止Al中的金属离子侵入到衬底中，同时还能减少衬底上的沉积应力，防止金属层的龟裂和形变。最表面的Ag16层，代替原先的Al层，可以在同外界的电路连接时，直接进行键合，避免了引线的制作。
上述的各层金属，其沉积厚度可以视具体地应用场合而定，通常作为主要金属层的Al13和Ag16两层，需要沉积较厚的厚度，而其它的几层金属，仅仅起到匹配和保护的作用，因此不需要太厚的厚度。在一种实施方式中，该Ti11的厚度比如是35nm-40nm，该TiN12的厚度比如是60nm，该Al13的厚度比如是1000nm，该Ti14的厚度比如是30nm-40nm，该Ni15的厚度比如是50nm，该Ag16的厚度比如是1500nm。
多层金属制作完成之后，在Ag16的表面进行涂布光刻胶的工艺，该光刻胶涂布可以是旋涂法或滴涂法。涂布的光刻胶可以是正胶也可以是负胶。
然后通过曝光、显影步骤，在光刻胶表面制作出所需要的图形，使剩余的光刻胶成为后续腐蚀工艺的掩膜。
光刻胶刻蚀完毕之后，将覆有光刻胶掩模的待腐蚀产品置入腐蚀槽中进行湿法腐蚀工艺。
对于多层金属结构的湿法腐蚀，由于不同金属层的化学性质不同，因此需要以不同的腐蚀液分步骤的进行腐蚀。然而考虑到腐蚀过程中更换腐蚀液带来的效率问题以及对产品的影响，应当尽可能的减少湿法腐蚀的步骤。所以本发明将该湿法腐蚀的步骤分成4个步骤，其中将Ag16和Ni15进行同步腐蚀，将Ti11和TiN12进行同步腐蚀，以此减少腐蚀的步骤，提高工艺的稳定性和时效。
首先，针对最表面的Ag16和Ni15，采用冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液进行一次连续腐蚀，直至露出Ti14为止。参见图3，此时，光刻胶17的表面图形被传递至Ni15。在该步腐蚀过程中，需要注意Ag16和Ni15的横向腐蚀速率，即对Ag16和Ni15的内侵量。如果Ag16的内侵量小于Ni15，则会在腐蚀过后，出现Ag16层的悬梁臂。这种悬梁臂容易断裂，从而导致器件在后续的加工过程中出现杂质缺陷，或者器件完成后，在电性能上出现误差。控制该两层的横向刻蚀速率，关键在于混合液的浓度比，在本发明中，该冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液浓度比为2:1∶1至5:1:1。
另外，在腐蚀过程中，为了弥补腐蚀液因损耗而造成的浓度下降，需要不停的补入原配比的腐蚀液。具体的补充方式可以从开始腐蚀后，按一定时间为步长进行补充，比如每隔1个小时，进行一次原液的补充。
对这两层腐蚀完成之后，更换腐蚀液或者置入不同的腐蚀槽中进行下一步腐蚀。对Ti14进行腐蚀时，采用浓度不超过50%的稀氢氟酸(HF)进行腐蚀。腐蚀至Al13为止，此时Ni15上的图形被传递至Ti14中，参见图4。
接着，采用Al腐蚀液对Al13进行腐蚀。该Al腐蚀液可以采用市售的一般Al腐蚀液进行腐蚀即可。Al13腐蚀完毕后，Ti14上的图形被传递至Al13层中，参见图5。
最后，则是采用APM腐蚀液同步刻蚀TiN12/Ti11层。参照腐蚀Ag16和Ni15的过程，在腐蚀TiN12/Ti11时，也需要考虑两层的横向腐蚀速率，即要满足TiN12的内侵量小于Ti11的内侵量，这样就可以避免在TiN12上形成悬梁臂。在本发明中，为了满足上述条件，调配的APM腐蚀液中氨水(NH4OH)、双氧水(H2O2)和水的比例为1:1:5至1:2:15。腐蚀完毕后，所有的金属层都实现了图形化工艺，参见图6.
同样地，在腐蚀过程中，需要补充原腐蚀液，以弥补化学损耗带来的浓度变化。
需要注意的是，无论是采用更换腐蚀液还是更换腐蚀槽的方式，由于产品在前道腐蚀工艺中，不可避免的残余部分腐蚀液，因此每次在进入下一步腐蚀之前，最好采用热坚膜工艺，将待腐蚀产品表面进行烘干，如此一来，不仅可以将残留的腐蚀液蒸发，也可以减少表面光刻胶在腐蚀液中浸泡之后产生的飘胶现象，即每次在进入下一步腐蚀之前，以热坚膜工艺来保证光刻胶的黏附性。
综上所述，本发明提出了一种多层金属图形化工艺中的湿法腐蚀方法，利用冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液对Ag和Ni进行腐蚀，利用氢氟酸对Ti进行腐蚀，利用Al腐蚀液对Al进行腐蚀，最后利用APM溶液对TiN和Ti进行腐蚀。与现有技术相比，本发明的优点在于：
第一：本发明只需要一次光刻，大大降低了成本；
第二：由于所有湿法腐蚀的步骤中对腐蚀窗口的形貌控制的比较好，因此提高了图形化工艺的品质。
第三：将Ag和Ni以及TiN和Ti分别在一个步骤中腐蚀，节省了湿法腐蚀工艺的流程，提高可工艺的效率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种多层金属结构的湿法腐蚀方法，所述多层金属结构从衬底方向依次包括钛、氮化钛、铝、钛、镍、银，其特征在于，该湿法腐蚀方法包括步骤：
以冰乙酸、硝酸和水的混合液对银/镍进行同步腐蚀；
以氢氟酸对钛进行腐蚀；
以铝腐蚀液腐蚀铝层；
以APM腐蚀液同步腐蚀氮化钛/钛层。
2.如权利要求1所述的多层金属结构的湿法腐蚀方法，其特征在于：所述冰乙酸、硝酸和水的混合液中三者的比例为2:1:1至5:1∶1。
3.如权利要求1所述的多层金属结构的湿法腐蚀方法，其特征在于：所述APM腐蚀液中氨水、双氧水和水的比例为1:1:5至1:2:15。
4.如权利要求1所述的多层金属结构的湿法腐蚀方法，其特征在于：所述银/镍以及氮化钛/钛层的腐蚀步骤中，还包括补充原腐蚀液的步骤来保证药液稳定性。
5.一种多层金属结构的图形化工艺，其特征在于，该图形化工艺包括步骤：
1）在圆片表面依次沉积钛、氮化钛、铝、钛、镍、银，形成多层金属结构；
2）在步骤1）中的多层金属结构表面涂布光刻胶，并对光刻胶进行光刻，形成光刻胶掩膜；
3）利用步骤2）中的光刻胶掩膜，对多层金属结构进行多次湿法腐蚀工艺，该多次湿法腐蚀工艺包括：
3.1）以冰乙酸、硝酸和水的混合液对银/镍进行同步腐蚀；
3.2）以氢氟酸对银/镍下层的钛进行腐蚀；
3.3）以铝腐蚀液对钛下层的铝层进行腐蚀；
3.4）以APM腐蚀液对铝层下的氮化钛/钛进行同步腐蚀。
6.如权利要求5所述的多层金属结构的图形化工艺，其特征在于：步骤3）中，每次在进入下一步腐蚀之前，还包括以热坚膜工艺来保证光刻胶的黏附性。
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Address before: 214028 Wuxi provincial high tech Industrial Development Zone, Hanjiang Road, No. 5, Jiangsu, China

Patentee before: CSMC TECHNOLOGIES FAB1 Co.,Ltd.