CN113943579A - 组合型刻蚀液、刻蚀系统及刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的组合型刻蚀液、刻蚀系统及刻蚀方法，可应用于半导体制造中湿法刻蚀非导电性薄膜，其中组合型刻蚀液包括第一刻蚀液及第二刻蚀液，第一刻蚀液用于刻蚀非导电性薄膜，第二刻蚀液含有能够去除第一刻蚀液与非导电性薄膜刻蚀的反应产物的组分，或存在第三刻蚀液，含有用于去除其他的第一刻蚀液刻蚀产物的组分，以实现第一刻蚀液的使用寿命的延长。以刻蚀氮化硅用组合型刻蚀液为例，第一刻蚀液含有磷酸，第二刻蚀液含有含氟化合物；结合刻蚀设备，调整混合反应腔内刻蚀液温度与含水量，含氟化合物通过与磷酸刻蚀产物硅化合物的反应可生成特定的可去除的氟硅化合物，从而可延长第一刻蚀液的使用寿命，减少换酸操作和提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域，涉及一种组合型刻蚀液、刻蚀系统及刻蚀方法。
背景技术
在半导体制造中，湿法刻蚀是常用的去除晶圆上无机薄膜的制程。不同化学品在刻蚀晶圆上无机薄膜的机理差异很大，刻蚀效果受众多因素影响。刻蚀液的使用寿命受刻蚀产物浓度上升、刻蚀液中有效反应组分浓度下降、刻蚀液中起催化与氧化等作用的辅助组分的浓度下降的众多因素的影响。如何延长刻蚀液使用寿命，降低成本，节省资源是重要课题。目前常规刻蚀液均为单一溶液，缺少组合型刻蚀液的配置使用。本发明提供一种延长刻蚀液使用寿命的组合型刻蚀液的方法，第一刻蚀液用于刻蚀，第二刻蚀液中添加有可去除刻蚀产物浓度的组分，对于使用寿命主要受刻蚀产物限制的刻蚀液，可提高第一刻蚀液的使用寿命，减少更换刻蚀液的操作。
以氮化硅刻蚀为例。氮化硅湿法刻蚀采用高温磷酸工艺。磷酸刻蚀液中磷酸起催化作用，水为主要反应产物。磷酸溶液的使用寿命受到刻蚀产物硅化合物浓度的限制。
氮化硅在磷酸溶液中的基本化学反应方程式为：
3Si3N4+4H3PO4+36H2O＝4(NH4)3PO4+9Si(OH)4
在氮化硅的刻蚀反应过程中，随着反应的进行，刻蚀液中氮化硅的刻蚀产物硅化合物和铵根化合物含量会急剧上升。刻蚀产物硅化合物含量至万分之几时，氮化硅刻蚀反应逐渐停止，并在刻蚀液内出现氧化硅颗粒等缺陷，对制程良率形成重大影响。针对该问题，目前大多采用更换新鲜的磷酸刻蚀液的办法，以继续处理下一批晶圆，但该方法会造成磷酸刻蚀液使用寿命短、用量大、成本高及生产效率低下的问题。本发明提供一种组合型刻蚀液配合使用，降低刻蚀液使用量的方法，并以氮化硅刻蚀为例，提供第一刻蚀液与第二刻蚀液组成的组合型刻蚀液，用于普通的和高选择性的氮化硅刻蚀，实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种组合型刻蚀液、刻蚀系统及刻蚀方法，用于解决现有技术中所面临的上述一系列的制程问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种组合型刻蚀液，所述组合型刻蚀液包括第一刻蚀液及第二刻蚀液，所述第一刻蚀液用于刻蚀非导电性薄膜，所述第二刻蚀液含有能够去除所述第一刻蚀液与所述非导电性薄膜刻蚀的反应产物的组分，以实现所述第一刻蚀液的使用寿命的延长，并配合所述第二刻蚀液的加入减少更换刻蚀液的操作，提高生产效率；或存在第三刻蚀液，含有用于去除其他的所述第一刻蚀液刻蚀产物的组分。
可选地，所述第一刻蚀液中包括磷酸，所述第二刻蚀液中包括含氟化合物，通过所述第一刻蚀液刻蚀氮化硅，通过所述第二刻蚀液降低所述第一刻蚀液与所述氮化硅的反应产物硅化合物和铵根化合物的浓度。
可选地，在所述第一刻蚀液中，磷酸的质量含量为75％-90％；在所述第二刻蚀液中，含氟化合物选自氢氟酸或氟化铵。
可选地，所述第一刻蚀液还包括水、有机硅、表面活性剂及辅助酸中的一种或组合，所述第二刻蚀液中还包括水、磷酸、表面活性剂及辅助酸中的一种或组合；表面活性剂选自FS-31、乙二醇、全氟已基乙基磺酸；有机硅选自甲基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷；辅助酸选自硝酸、硫酸及盐酸。
本发明还提供一种氮化硅刻蚀系统，所述刻蚀系统包括：刻蚀槽，所述刻蚀槽用以容纳上述第一刻蚀液及待刻蚀的晶圆，以进行氮化硅刻蚀，所述刻蚀槽包括刻蚀液输出端及刻蚀液输入端，且在所述刻蚀液输出端及刻蚀液输入端之间还连接有混合反应器及过滤器，所述混合反应器具有补刻蚀液端及补水端，通过所述补刻蚀液端补充上述第二刻蚀液，通过所述补水端补水，所述刻蚀槽中刻蚀后的溶液在所述混合反应器中与补液进行化学反应，以调整刻蚀液温度、含水量及其中产物的F/Si比，生成特定配位的含氟硅化合物，所述过滤器用于去除聚合和脱水的氟硅化合物。
可选地，所述刻蚀系统还包括监测设备，所述监测设备与所述混合反应器的输入端及所述混合反应器的输出端相连接，用以监测流入及流出所述混合反应器的刻蚀液，进行制程监控；所述监测设备包括电感耦合等离子体光谱仪及离子色谱。
可选地，所述刻蚀系统还包括加液模块、换热器、温度检测器、流量计、泵、加热蒸发器及排液模块中的一种或组合，所述加热蒸发器位于所述混合反应器与所述刻蚀槽之间，通过所述加热蒸发器调整刻蚀液中的水分和温度。
可选地，所述刻蚀系统还包括控制器，以实现对所述刻蚀系统的自动化控制。
本发明还提供一种氮化硅刻蚀方法，包括以下步骤：
S1：提供刻蚀系统，所述刻蚀系统包括刻蚀槽，所述刻蚀槽包括刻蚀液输出端及刻蚀液输入端，且在所述刻蚀液输出端及刻蚀液输入端之间还连接有混合反应器、加热蒸发器、监测设备及过滤器，所述混合反应器具有补刻蚀液端及补水端；所述加热蒸发器位于所述混合反应器与所述刻蚀槽之间，通过所述加热蒸发器调整刻蚀液中的水分；所述监测设备与所述混合反应器的输入端及所述混合反应器的输出端相连接，用以监测流入及流出所述混合反应器的刻蚀液，进行制程监控；
S2：将上述第一刻蚀液置于所述刻蚀槽中，加热至刻蚀温度；
S3：将含有氮化硅的待刻蚀的晶圆置于所述刻蚀槽内，进行氮化硅刻蚀；
S4：启动所述监测设备，对引入所述混合反应器之前的刻蚀液进行第一监控；
S5：通过所述混合反应器的补刻蚀液端及补水端分别将上述第二刻蚀液及水引入所述混合反应器中，进行化学反应，调整刻蚀液中的F/Si比，生成含氟硅化合物聚合物，并通过所述过滤器去除；
S6：通过所述第二刻蚀液的引入的同时排放相同流量的所述第一刻蚀液，以降低所述第一刻蚀液中另一刻蚀产物铵根化合物的浓度；
S7：启动所述监测设备，对流出所述混合反应器之后的刻蚀液进行第二监控；
S8：启动所述加热蒸发器，调整刻蚀液中的水分和温度；
S9：经调节后的刻蚀液通过所述刻蚀液输入端返回所述刻蚀槽。
可选地，在所述混合反应器中，引入的所述第二刻蚀溶液中的F-与引入所述混合反应器中的刻蚀产物Si(OH)4进行反应，并调整刻蚀液中的F/Si比小于0.2，形成化合物Si(OH)3F、Si(OH)2F2、Si(OH)F3、SiF4、HSiF5及H2SiF6中的一种或组合及其聚合物。
如上所述，本发明的组合型刻蚀液、刻蚀系统及刻蚀方法，可应用于半导体制造中湿法刻蚀非导电性薄膜，其中组合型刻蚀液包括第一刻蚀液及第二刻蚀液，第一刻蚀液用于刻蚀非导电性薄膜，第二刻蚀液含有能够去除第一刻蚀液与非导电性薄膜刻蚀的反应产物的组分，或存在第三刻蚀液，含有用于去除其他的第一刻蚀液刻蚀产物的组分，以实现第一溶液的使用寿命的延长。以刻蚀氮化硅用组合型刻蚀液为例，第一刻蚀液含有磷酸，第二刻蚀液含有含氟化合物；结合刻蚀设备，调整混合反应腔内刻蚀液温度与含水量，含氟化合物通过与磷酸刻蚀产物硅化合物的反应可生成特定的可去除的氟硅化合物，从而可延长第一刻蚀液的使用寿命，减少换酸操作和提高生产效率。
附图说明
图1显示为本发明实施例中的氮化硅刻蚀系统的结构示意图。
元件标号说明
100 刻蚀槽
200 混合反应器
210 补刻蚀液端
220 补水端
300 监测设备
400 加热蒸发器
500 换热器
600 泵
700 过滤器
800 加液模块
900 排液模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例提供一种组合型刻蚀液，所述组合型刻蚀液包括第一刻蚀液及第二刻蚀液，所述第一刻蚀液用于刻蚀非导电性薄膜，所述第二刻蚀液含有能够去除所述第一刻蚀液与所述非导电性薄膜刻蚀的反应产物的组分，以实现所述第一刻蚀液的使用寿命的延长，并配合所述第二刻蚀液的加入减少更换刻蚀液的操作，提高生产效率；或存在第三刻蚀液，含有用于去除其他的所述第一刻蚀液刻蚀产物的组分。
本实施例提供了一种可应用于半导体制造中湿法刻蚀非导电介质薄膜的组合型刻蚀液，所述组合型刻蚀液包括第一刻蚀液及第二刻蚀液，所述第一刻蚀液用于刻蚀所述非导电性薄膜，所述第二刻蚀液中添加有可去除刻蚀产物浓度的组分，对于使用寿命主要受刻蚀产物限制的刻蚀液，可提高所述第一刻蚀液的使用寿命，减少更换刻蚀液的操作。以下以氮化硅刻蚀为例对本发明中的所述组合型刻蚀液进行说明，但所述组合型刻蚀液的种类及应用并非局限于此。
本实施例提供一种氮化硅组合型刻蚀液，所述组合型刻蚀液包括第一刻蚀液及第二刻蚀液，所述第一刻蚀液中包括磷酸，所述第二刻蚀液包括含氟化合物，通过所述第一刻蚀液刻蚀所述氮化硅，通过所述第二刻蚀液去除所述第一刻蚀液与所述氮化硅的反应产物。
其中，按质量百分比计，在所述第一刻蚀液中，磷酸的质量含量为75％-90％，在所述第二刻蚀液中，含氟化合物选自氢氟酸或氟化铵。
其中，关于所述刻蚀液的制备，仅需将上述成分按照质量含量及需求进行混合配制即可，此处不作过分限制。形成的所述氮化硅组合型刻蚀液中，含氟化合物可与刻蚀产物硅化合物Si(OH)4发生化学反应生成含氟硅化合物，在一定F/Si的范围内，并在温度和水分的作用下，以促进硅化合物的聚合、脱水与去除，本实施例的所述氮化硅组合刻蚀液可大幅提升生产效率，同时可大大降低刻蚀液的用量，降低生产成本。
具体的，磷酸的质量含量可为70％、75％、80％、85％、90％等任何范围内的值，在氮化硅刻蚀中，磷酸起催化的作用，水是主要的反应物，刻蚀过程中，除去少量蒸发的水，还有被刻蚀反应消耗的水，同时水还有调节溶液H+浓度的作用，增加刻蚀产物硅化合物与F-反应聚合与加速含氟硅化合物脱水沉积的目的。所述含氟化合物，优选为氢氟酸，以提供H+及F-其中，优选氟与硅消耗的摩尔比的比例为0.8-1.2，如0.8、1.0、1.2等。
作为示例，所述第一刻蚀液还包括水、有机硅、表面活性剂及辅助酸中的一种或组合，所述第二刻蚀液中还包括水、磷酸、表面活性剂及辅助酸中的一种或组合。有机硅可保护待刻蚀的晶圆中的氧化硅免于高温磷酸刻蚀，从而可提高氮化硅与氧化硅的刻蚀选择性，可满足高选择比氮化硅刻蚀的需求，非高选择性氮化硅刻蚀无需添加有机硅；作为示例，有机硅可选自甲基三乙氧基硅烷及3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种；含氟化合物可选自氢氟酸；表面活性剂可选自FS-31、乙二醇、全氟已基乙基磺酸中的一种；辅助酸可选自硫酸、盐酸及硝酸中的一种；通过表面活性剂可改善刻蚀液的表面性能，以及通过辅助酸可用于提高刻蚀液的沸点，避免刻蚀不均匀等缺陷。其中，表面活性剂及辅助酸的具体种类可根据需要进行选择，此处不作过分限制。所述第一刻蚀液及所述第二刻蚀液中各组分的具体浓度及实际添加量，可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
参阅图1，本实施例还提供一种氮化硅刻蚀系统，所述刻蚀系统包括：刻蚀槽100，所述刻蚀槽100包括刻蚀液输出端及刻蚀液输入端，且在所述刻蚀液输出端及刻蚀液输入端之间还连接有混合反应器200、监测设备300、加热蒸发器400、泵600及过滤器700，其中，所述刻蚀槽100用以容纳第一刻蚀液及待刻蚀的晶圆，以进行氮化硅刻蚀；所述混合反应器200具有补刻蚀液端210及补水端220，通过所述补刻蚀液端210补充第二刻蚀液，通过所述补水端220补水，所述刻蚀槽中刻蚀后的溶液在所述混合反应器200中与补液进行化学反应，以调整刻蚀液中的F/Si比和含水量，生成特定配位的含氟硅化合物；所述加热蒸发器400位于所述混合反应器200与所述刻蚀槽100之间，通过所述加热蒸发器400调整刻蚀液中的水分和调整温度；所述监测设备300与所述混合反应器200的输入端及所述混合反应器200的输出端相连接，用以监测流入及流出所述混合反应器200的刻蚀液，进行制程监控；所述过滤器700用于去除聚合和脱水的氟硅化合物。
本实施例的所述氮化硅刻蚀系统通过调整刻蚀液温度、含水量和F-与刻蚀产物硅化合物的摩尔比例，使得F-与刻蚀产物硅化合物形成特定的含氟硅化合物，该含氟硅化合物聚合迅速，在一定温度及水分的情况下，可在较短时间内聚合脱水，从而在通过所述过滤器700被去除后，可有效调节刻蚀液中硅化合物浓度，使得刻蚀液可循环利用，不需要暂停生产，从而可大幅提升生产效率，同时可大大降低刻蚀液的用量，降低生产成本，实现自再生、高效率的氮化硅刻蚀。
凭借该刻蚀系统，在如3D-NAND生产中需要选择性刻蚀氮化硅的工艺中，通过添加有机硅等复配成为第一刻蚀液，即可替代传统的刻蚀氮化硅晶圆来提高氮化硅与氧化硅的刻蚀选择性的问题，另外与第二刻蚀液的配合使用，在不需要停止工艺的情况下即可对刻蚀液中硅化合物和另一刻蚀产物铵根化合物的浓度进行调整，可以进行连续生产，生产效率可大幅提升，同时可将刻蚀液的总体使用量降低至少50％，以降低生产成本。
具体的，在所述刻蚀槽100中，由于晶圆刻蚀反应的进行，晶圆上的氮化硅在刻蚀液中会生成大量的刻蚀产物Si(OH)4。刻蚀液中的F-具有加速Si(OH)4的聚合作用，并且可与Si(OH)4形成不同的配位化合物，如化合物Si(OH)3F、Si(OH)2F2、Si(OH)F3、SiF4、HSiF5及H2SiF6中的一种或组合，由于硅与含氟化合物之间存在动态平衡，而且含氟硅化合物之间极易聚合，从而具体形成哪种产物可通过调节温度、水含量与F/Si比这三个条件来调整。
作为示例，所述监测设备300包括电感耦合等离子体光谱仪及离子色谱。
具体的，所述监测设备300监测刻蚀过程中，刻蚀液中的铵根化合物的浓度与硅化合物的浓度，可从循环管路中抽取少量刻蚀液的样品，通过定量环加入纯水后至数倍样品的体积，稀释后降温，而后分别送入电感耦合等离子体光谱仪与离子色谱，对刻蚀液中的硅化合物与铵根化合物的浓度进行检测，以对制程进行监控。其中，测试获得的硅浓度可计算出需要加入的F-的含量，从而通过与所述混合反应器200的输入端及所述混合反应器200的输出端相连接的所述监测设备300可灵活的对制程反应进行调整。
作为示例，所述刻蚀系统还可包括加液模块800、换热器500、温度检测器(未图示)、流量计(未图示)、加热器(未图示)、泵600及排液模块900中的一种或组合。
具体的，如图1，本实施例中，所述刻蚀系统包括用于对刻蚀液将进行控温的换热器500，用于提供压强的泵600以及过滤器700。但并非局限于此，如还可包括用于温度检测的温度检测器以及用于液体流量控制的流量计等，关于所述设备的具体种类、结构可进行适应性的变换，此处不作过分限制，并非仅局限于图1。
进一步的，所述刻蚀系统还可包括控制器(未图示)，以实现对所述刻蚀系统的自动化控制。其中，所述控制器可与上述如所述刻蚀槽100、混合反应器200、监测设备300、加热蒸发器400、换热器500、温度检测器、流量计、泵600、过滤器700、加液模块800及排液模块900进行电连接，以实现自动化控制。
本实施例还提供一种应用上述刻蚀液及刻蚀系统进行氮化硅刻蚀的方法，包括以下步骤：
S1:提供上述刻蚀系统；
S2:将第一刻蚀液置于刻蚀槽中，加热至刻蚀温度；
S3:将含有氮化硅的待刻蚀的晶圆置于所述刻蚀槽内，进行氮化硅刻蚀；
S4:启动监测设备，对引入所述混合反应器之前的刻蚀液进行第一监控；
S5:将第二刻蚀液引入所述混合反应器中，以调整刻蚀液中的F/Si比，进行化学反应，生成含氟硅化合物；
S6：通过所述第二刻蚀液的引入的同时排放相同流量的所述第一刻蚀液，以降低所述第一刻蚀液中另一刻蚀产物铵根化合物的浓度；
S7:启动所述监测设备，对流出所述混合反应器之后的循环刻蚀液进行第二监控；
S8:启动加热蒸发器，调整刻蚀液中的水分和温度；
S9:经调节后的刻蚀液通过刻蚀液输入端返回所述刻蚀槽。
具体的，在刻蚀液刻蚀氮化硅晶圆的工艺中，先将新鲜的第一刻蚀液通过输液泵输入至所述刻蚀槽100内，输入完成后升温至工艺温度，比如160℃、180℃、200℃等；准备完成后，将需要处理的含有氮化硅的晶圆放入所述刻蚀槽100内，随着刻蚀工艺的进行，所述刻蚀槽100内的刻蚀液中氮化硅刻蚀产物硅化合物的浓度会上升，当将所述刻蚀槽100内的刻蚀液引入所述混合反应器200之前，可通过所述换热器500先将循环路径中的刻蚀液降至一定温度，并根据所述监测设备300对引入所述混合反应器200之前的刻蚀液的检测，调整及选择新鲜的第二刻蚀液及水的输出，并将新鲜的第二刻蚀液引入所述混合反应器200中，同时，可通过输液泵向所述混合反应器200中引入水，使得第二刻蚀液与循环路径中的刻蚀液中的F/Si接近小于0.2，优选小于0.1，从而可在温度为80℃-150℃时，水含量在20％-60％的范围时，形成含氟硅化合物，如Si(OH)3F、Si(OH)2F2、Si(OH)F3、SiF4、HSiF5及H2SiF6，优选为生成Si(OH)3F。之后，所述含氟硅化合物迅速发生聚合和脱水的化学反应，形成含有氟硅元素的化合物，可通过过滤去除。
通过这样的方式，不断引入定量配比的新鲜的第二刻蚀液进入刻蚀后的刻蚀液中，并在排放模块排放相应体积的刻蚀液，以维持总体积稳定。在相对低温及高含水量的情况下，F-基本与刻蚀产物硅化合物形成化合物Si(OH)3F并聚合。所以在所述混合反应器200中，氟元素与硅化合物共同消耗。其中，氟元素通过第二刻蚀液补充，硅化合物是由氮化硅刻蚀不断产生。
本清洗系统通过在循环管路中加入少量新鲜的第二刻蚀液，循环替代所述刻蚀槽100内的刻蚀后的刻蚀液，一是降低另一刻蚀产物铵根化合物的浓度，因为第二刻蚀液中不含有或含有低浓度的铵根化合物。二可通过刻蚀液中含有的含氟化合物，解离为F-，与刻蚀产物硅化合物反应，三可维持刻蚀过程中的表面活性剂等其他添加剂的含量维持恒定。
以下通过具体的实施例对本发明的构思进行具体的说明，具体操作如下：
第一刻蚀液中含有85％的磷酸、0.001％的硫酸及0.02％的表面活性剂，注入所述刻蚀槽100内后，升温至160℃，放入50片具有氮化硅薄膜的晶圆在所述刻蚀槽100内，开始刻蚀，所述刻蚀槽100内刻蚀产物硅化合物浓度上升，循环系统流量为10L/min。30分钟后，刻蚀产物的硅化合物的含量上升至64ppm。
此时，取样分析刻蚀后的刻蚀液，开启第二刻蚀液和水的输送，水的流量为2L/min，溶液的质量分数含水量上升至约为35％，通过所述换热器500与水的共同作用，将循环刻蚀液从所述刻蚀槽100内的温度由160℃直接降温至120℃，其中，所述换热器500的降温能力，可以通过冷却液体的流速来调整。第二刻蚀液引入的流量为80ml/min，第二刻蚀液的组成为：氢氟酸溶液的质量含量为0.0082％、磷酸的质量含量为85％、表面活性剂的质量含量为0.02％。
第二刻蚀液、水与循环刻蚀液接触时，通过在线的所述混合反应器200，充分混合接触后，通过过滤器700进行去除。
在此之后，取样分析硅化合物浓度，将含水量换算后，硅化合物的浓度下降至61ppm。
废液排放的流量约为80ml/min，以维持整个溶液含量维持恒定，其中，废液排放的位置可根据需要进行调整。循环刻蚀液中，多余的水分则可通过在线的所述加热蒸发器400去除。
混合液体总流量为10.08L/min，其中F/Si＜0.1。F与Si化合物的形成的产物基本是Si(OH)3F，此物种单体聚合迅速，而且F-有促进Si(OH)4聚合的作用。在此温度和水含量的条件下，Si(OH)3F迅速聚合并脱水，形成颗粒，再通过过滤器700过滤掉含氟的化合物。这样可以控制所述刻蚀槽100内的硅化合物的浓度，进而使得刻蚀液继续发挥效用。氟和刻蚀产物硅化合物形成接近1：1的摩尔比的消耗比。F-不会或者极少量的进入所述刻蚀槽100内，降低对刻蚀速率和氮化硅与氧化硅的刻蚀选择比的影响。其中，高含水量的除硅的刻蚀液，在通过所述加热蒸发器400将多余的水分去除和调整温度，直至约13-15％的含水量，再循环回所述刻蚀槽100内。
综上所述，本发明的组合型刻蚀液、刻蚀系统及刻蚀方法，可应用于半导体制造中湿法刻蚀非导电性薄膜，其中组合型刻蚀液包括第一刻蚀液及第二刻蚀液，第一刻蚀液用于刻蚀非导电性薄膜，第二刻蚀液含有能够去除第一刻蚀液与非导电性薄膜刻蚀的反应产物的组分，或存在第三刻蚀液，含有用于去除其他的第一刻蚀液刻蚀产物的组分，以实现第一刻蚀液的使用寿命的延长。以刻蚀氮化硅用组合型刻蚀液为例，第一刻蚀液含有磷酸，第二刻蚀液含有含氟化合物；结合刻蚀设备，调整混合反应腔内刻蚀液温度与含水量，含氟化合物通过与磷酸刻蚀产物硅化合物的反应可生成特定的可去除的氟硅化合物，延长第一刻蚀液的使用寿命，减少换酸操作和提高生产效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种组合型刻蚀液，其特征在于，所述组合型刻蚀液包括第一刻蚀液及第二刻蚀液，所述第一刻蚀液用于刻蚀非导电性薄膜，所述第二刻蚀液含有能够去除所述第一刻蚀液与所述非导电性薄膜刻蚀的反应产物的组分，以实现所述第一刻蚀液的使用寿命的延长，并配合所述第二刻蚀液的加入减少更换刻蚀液的操作，提高生产效率；或存在第三刻蚀液，含有用于去除其他的所述第一刻蚀液刻蚀产物的组分。
2.根据权利要求1所述的组合型刻蚀液，其特征在于，所述第一刻蚀液中包括磷酸，所述第二刻蚀液中包括含氟化合物，通过所述第一刻蚀液刻蚀氮化硅，通过所述第二刻蚀液降低所述第一刻蚀液与所述氮化硅的反应产物硅化合物和铵根化合物的浓度。
3.根据权利要求2所述的组合型刻蚀液，其特征在于：在所述第一刻蚀液中，以质量分数计，磷酸的含量为75％-90％；在所述第二刻蚀液中，含氟化合物选自氢氟酸或氟化铵。
4.根据权利要求2所述的组合型刻蚀液，其特征在于：所述第一刻蚀液还包括水、有机硅、表面活性剂及辅助酸中的一种或组合，所述第二刻蚀液中还包括水、磷酸、表面活性剂及辅助酸中的一种或组合；表面活性剂选自FS-31、乙二醇及全氟已基乙基磺酸；有机硅选自甲基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷；辅助酸选自硝酸、硫酸及盐酸。
5.一种氮化硅刻蚀系统，其特征在于，所述刻蚀系统包括：刻蚀槽，所述刻蚀槽用以容纳如权利要求1-4中任一所述第一刻蚀液及待刻蚀的晶圆，以进行氮化硅刻蚀，所述刻蚀槽包括刻蚀液输出端及刻蚀液输入端，且在所述刻蚀液输出端及刻蚀液输入端之间还连接有混合反应器及过滤器，所述混合反应器具有补刻蚀液端及补水端，通过所述补刻蚀液端补充如权利要求1-4中任一所述第二刻蚀液，通过所述补水端补水，所述刻蚀槽中刻蚀后的溶液在所述混合反应器中与补液进行化学反应，以调整刻蚀液温度、含水量及其中产物的F/Si比，生成特定配位的含氟硅化合物，所述过滤器用于去除聚合和脱水的氟硅化合物。
6.根据权利要求5所述的刻蚀系统，其特征在于：所述刻蚀系统还包括监测设备，所述监测设备与所述混合反应器的输入端及所述混合反应器的输出端相连接，用以监测流入及流出所述混合反应器的刻蚀液，进行制程监控；所述监测设备包括电感耦合等离子体光谱仪及离子色谱。
7.根据权利要求5所述的刻蚀系统，其特征在于：所述刻蚀系统还包括加液模块、换热器、温度检测器、流量计、泵、加热蒸发器及排液模块中的一种或组合，所述加热蒸发器位于所述混合反应器与所述刻蚀槽之间，通过所述加热蒸发器调整刻蚀液中的水分和温度。
8.根据权利要求5所述的刻蚀系统，其特征在于：所述刻蚀系统还包括控制器，以实现对所述刻蚀系统的自动化控制。
9.一种氮化硅刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供刻蚀系统，所述刻蚀系统包括刻蚀槽，所述刻蚀槽包括刻蚀液输出端及刻蚀液输入端，且在所述刻蚀液输出端及刻蚀液输入端之间还连接有泵、混合反应器、加热蒸发器、监测设备及过滤器，所述泵可调节第一刻蚀液流量；所述混合反应器具有补刻蚀液端及补水端；所述加热蒸发器位于所述混合反应器与所述刻蚀槽之间，通过所述加热蒸发器调整刻蚀液中的水分；所述监测设备与所述混合反应器的输入端及所述混合反应器的输出端相连接，用以监测流入及流出所述混合反应器的刻蚀液，进行制程监控；
S2：将权利要求1-4中任一所述第一刻蚀液置于所述刻蚀槽中，加热至刻蚀温度；
S3：将含有氮化硅的待刻蚀的晶圆置于所述刻蚀槽内，进行氮化硅刻蚀；
S4：启动所述监测设备，对引入所述混合反应器之前的刻蚀液进行第一监控；
S5：通过所述混合反应器的补刻蚀液端及补水端分别将权利要求1-4中任一所述第二刻蚀液及水引入所述混合反应器中，进行化学反应，调整刻蚀液中的F/Si比，生成含氟硅化合物聚合物，并通过所述过滤器去除；
S6：通过所述第二刻蚀液的引入的同时排放相同流量的所述第一刻蚀液，以降低所述第一刻蚀液中另一刻蚀产物铵根化合物的浓度；
S7：启动所述监测设备，对流出所述混合反应器之后的刻蚀液进行第二监控；
S8：启动所述加热蒸发器，调整刻蚀液中的水分和温度；
S9：经调节后的刻蚀液通过所述刻蚀液输入端返回所述刻蚀槽。
10.根据权利要求9所述的刻蚀方法，其特征在于：在所述混合反应器中，引入的所述第二刻蚀溶液中的F-与引入所述混合反应器中的刻蚀产物Si(OH)4进行反应，并调整刻蚀液中的F/Si比小于0.2，形成化合物Si(OH)3F、Si(OH)2F2、Si(OH)F3、SiF4、HSiF5及H2SiF6中的一种或组合及其聚合物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220118 |