CN115044376B - 一种掺钪氮化铝蚀刻液及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种掺钪氮化铝蚀刻液及其应用，该蚀刻液主要包含水、碱性物质、添加剂和表面活性剂；水和碱性物质首先提供了蚀刻液必要的基础碱性环境，添加剂提供了蚀刻必须的氧化性能与促进掺钪氮化铝水解的功能，表面活性剂优化蚀刻条件，在相同的蚀刻时间下，可以有效蚀刻掉半导体晶圆上的掺钪氮化铝。该蚀刻液生产工艺简单，原材料成本低且性能稳定，有利于工业化大规模生产，同时可以加快蚀刻速率，提高半导体成品的生产效率。
Description
技术领域
本发明属于电子化学品领域，涉及一种蚀刻液，具体为一种掺钪氮化铝蚀刻液及其应用。
背景技术
掺钪氮化铝具有优异介电性、压电性的宽禁带半导体材料，是在半导体领域中重要的电子材料。
在用于除去掺钪氮化铝层的湿法蚀刻工艺中，会使用氢氧化钾水溶液。单独的氢氧化钾水溶液存在一些无法避免的缺点，例如：氮化铝掺钪后整体密度变高使蚀刻速率变慢，掺钪氮化铝层在某些晶面难以被单独的氢氧化钾水溶液蚀刻，并且在制备掺钪氮化铝过程中掺钪氮化铝层也会和衬底材料产生合金变的难以被蚀刻。目前，对于掺钪氮化铝刻过程中生成难以被蚀刻的锥型残留还没有高效的解决方案，在半导体器件制程过程中，如若某一材料层产生过多的残留，则会引起整体产品良率下降。
为了解决以上的问题，需要在氢氧化钾水溶液中增加其他添加剂，来帮助氢氧化钾水溶液提升蚀刻能力，有效解决锥型残留的问题。
发明内容
本发明提供一种掺钪氮化铝蚀刻液及其应用，可以高效去除掺钪氮化铝的锥形针状残留。
本发明的技术方案是，一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量百分数计，包括碱性物质12～20％，添加剂0.2-1.0％，表面活性剂0.05-0.1％，其余为水。
进一步地，所述碱性物质为氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或两种的组合。
进一步地，所述碱性物质还包括碳酸钾、碳酸钠中的一种或两种，添加量占蚀刻液的0.01-0.1％。
进一步地，所述添加剂为次氯酸钠、硝酸钾、氯化钾、醋酸钠、EDTA二钠、过硫酸钾、氯化铝中的一种或几种的组合。
进一步地，所述表面活性剂为甜菜碱-12、十二烷基氯化吡啶、聚乙二醇、十八烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、硬脂酸钠中的一种或几种的组合。
进一步地，所述水为去离子水、蒸馏水、纯水或超纯水中的一种或多种。
本发明还涉及所述的掺钪氮化铝蚀刻液在蚀刻具有掺钪氮化铝半导体材料中的应用。
进一步地，所述掺钪氮化铝蚀刻液可用在以金属材料为基底的掺钪氮化铝层，蚀刻液包括碱性物质12～15％，添加剂0.5-0.8％，表面活性剂0.05-0.1％，其余为水。
进一步地，所述掺钪氮化铝蚀刻液可用在以非金属材料为基底的掺钪氮化铝层，蚀刻液包括碱性物质：16～18％、添加剂0.2-0.6％；表面活性剂0.05-0.15％，其余为水。
进一步地，具体方法是将待蚀刻样品采用蚀刻液进行浸泡或喷淋方式蚀刻，后清洗干燥。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明蚀刻液的主要原料中，碱性物质分为两种，以强碱性氢氧化物为主，辅以弱酸盐进行缓冲，有助于稳定溶液碱性。
2、本发明解决了当氮化铝掺钪后蚀刻速率慢与难以被蚀刻的问题，添加剂通过本身的氧化性或络合性，可以对掺钪后的氮化铝有效蚀刻，其中氧化性可以帮助掺钪氮化铝水解生成的一水合氨氧化为氮气，加强水解反应的进行，其中络合性可以对金属离子产生络合效应，从而促进水解反应。
3、本发明蚀刻液中包含的长链烷基类表面活性剂，改善溶液的表面张力等性质，使溶液与被蚀刻层的接触角减小，增加其蚀刻效果。
4、本发明所提供的蚀刻条件可以有效解决锥型残留的问题，在相同的时间下，可以更好优化蚀刻效果。
附图说明
图1为对比例1掺钪氮化铝的蚀刻效果图；
图2为对比例2掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图3为实施例1掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图4为实施例2掺钪氮化铝的蚀刻效果图；
图5为实施例3掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图6为实施例4掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图7为实施例5掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图8为实施例6掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图9为实施例7掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图10为实施例8掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图11为实施例9掺钪氮化铝蚀刻效果图；
图12为实施例3对金属钨的蚀刻效果图；
图13为实施例4对金属钨的蚀刻效果图；
图14为锥型残留的形貌图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
对比例1
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量百分数计，其中氢氧化钾含量为12％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照上述配比蚀刻液后在60℃的情况下蚀刻硅基底的掺钪氮化铝单片实验。首先将单片切割成2*2cm的大小，为了去除表面的氧化层，将切割好的单片放在低浓度的氢氧化钾碱液中清洗30s，去离子水清洗，利用椭偏光谱偏振仪(椭偏仪)对掺钪氮化铝片进行测量，通过模型拟合计算得到掺钪氮化铝的初始厚度，单片测量4个点取平均值。而后将掺钪氮化铝片放入蚀刻液中蚀刻120s，清洗干净并用氮气吹干，采用椭偏仪测试掺钪氮化铝光谱，保持测试点与蚀刻前一致，拟合计算并取平均值得到掺钪氮化铝厚度，计算可得掺钪氮化铝片蚀刻速率，在上述配比的蚀刻液中掺钪氮化铝的蚀刻速率为
为了研究该蚀刻液对残留的影响，将掺钪氮化铝片放入该蚀刻液中蚀刻的时长延长至3min，取出后去离子水清洗，氮气吹干；再将其在扫描电子显微镜(SEM)中观察硅基底表面上的锥形针状残余的数量，如图1，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为173个残留点。
图14也可以说明本残留为锥型残留。
对比例2
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量百分数计，其中氢氧化钾含量为16％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图2，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为45个残留点。
实施例1
一种掺钪氮化铝蚀刻液，其中氢氧化钾含量为12％，次氯酸钠含量为0.3％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图3，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为52个残留点。
实施例2
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量分数计，其中氢氧化钾含量为12％，次氯酸钠含量为0.5％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率再通过SEM进行观察表面残留情况，如图4，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为18个残留点。
实施例3
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量分数计，其中氢氧化钾含量为12％，次氯酸钠含量为0.7％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图5，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为4个残留点。
实施例4
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量分数计，其中氢氧化钾含量为16％，次氯酸钠含量为0.5％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图6，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为3个残留点。
过强的碱性对金属层蚀刻有影响，一般会用在非金属层上掺钪氮化铝层的蚀刻。例如在钨金属表面，按照对比例1中的方法在60℃下蚀刻相同的时间，实施例4所述蚀刻液会在表面形成疏松多孔的结构，如图13；实施例3所述蚀刻液则表面结构完整，如图12。
实施例5
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量分数计，其中碱性物质为氢氧化钠含量为12％，次氯酸钠含量为0.7％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图7，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为8个残留点。
实施例6
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量分数计，其中碱性物质为氢氧化钾含量为12％，过硫酸钾含量为0.7％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图8，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为3个残留点。
实施例7
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量分数计，其中碱性物质为氢氧化钾含量为12％，EDTA二钠含量为0.7％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图9，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为15个残留点。
实施例8
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量分数计，其中碱性物质为氢氧化钾含量为12％，氯化铝含量0.7％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图10，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为9个残留点。
实施例9
一种掺钪氮化铝蚀刻液，按质量分数计，其中碱性物质为氢氧化钾，含量为12％，过硫酸钾含量为0.3％、次氯酸钠含量为0.4％，聚乙二醇400含量为0.05％，其余为水。
按照对比例1中的方法在60℃下对硅基底上的掺钪氮化铝单片进行蚀刻实验，得掺钪氮化铝的蚀刻速率为再通过SEM进行观察表面残留情况，如图11，计数得，在掺钪氮化铝片上的残留数量为4个残留点。
如表1所展示为1和2与实施例1-4的蚀刻数据与残留数量，对比例1为空白对照，掺钪氮化铝蚀刻速率低，并且表面残留数量多。对比例2较对比例1提高了碱的浓度，蚀刻速率提高，残留数量减少，但并不能有效解决残留。实施例1-3在对比例1的基础上逐量添加了次氯酸钠，掺钪氮化铝的蚀刻速率有效升，实施例3中的配比减少掺钪氮化铝表面残留的效率达到97.6％。实施例4较对比例2添加了一定的次氯酸钠，有效提高了掺钪氮化铝的蚀刻速率，同时减少掺钪氮化铝的表面残留的效率达到93.3％。实施例5中将氢氧化钠设定为主要碱性物质，且蚀刻效果与实施例3相似。实施例6-9是将添加剂转为同类添加剂的一种或几种，蚀刻效果如表所示，与实施例3相似。
表1.对比例1和2与实施例1-4进行蚀刻实验的数据及残留数量
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种去除锥形针状残留的掺钪氮化铝蚀刻液，其特征在于，蚀刻液按质量百分数计，由以下原料制得：碱性物质氢氧化钾：12%、添加剂次氯酸钠和/或过硫酸钾0.7%；表面活性剂聚乙二醇400 0.05%，其余为水。
2.根据权利要求1所述的掺钪氮化铝蚀刻液，其特征在于：所述水为去离子水、蒸馏水、纯水或超纯水中的一种或多种。
3.权利要求1~2任意一项所述的掺钪氮化铝蚀刻液在蚀刻具有掺钪氮化铝半导体材料中的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：具体方法是将待蚀刻样品采用蚀刻液进行浸泡或喷淋方式蚀刻，后清洗干燥。
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