CN116333744A - 一种半导体硅片蚀刻液、其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体硅片蚀刻液、其制备方法与应用，本发明半导体硅片蚀刻液，包括重量配比如下的各组分：无机酸1‑6份；铵盐7‑20份；有机酸30‑40份；超纯水30‑60份。本发明半导体硅片蚀刻液的制备方法包括以下步骤：按照重量配比分别称取各组份；先将超纯水加入容器中，而后将其他组分加入容器，在搅拌下将容器的温度稳定在20‑40℃内，直至所有组分完全溶解，溶液呈无色或淡黄色，制备得到半导体硅片蚀刻液。本发明半导体硅片蚀刻液是一种安全、环保、高效的蚀刻液，该蚀刻液蚀刻速率稳定，蚀刻面平整，对粗糙硅表面具有化学抛光作用，可在半导体领域应用，能解决芯片硅衬底的减薄问题。
Description
技术领域
本发明涉及蚀刻技术，尤其涉及一种半导体硅片蚀刻液、其制备方法与应用。
背景技术
传统的硅蚀刻液常采用HNO3-HF体系对硅进行蚀刻，广泛应用于半导体芯片的制造过程中。缺点是蚀刻表面粗糙，后道工序对表面处理的负荷较大，且蚀刻液中常含有膦组分，对环境，尤其是水体影响较大。
目前，公开了一些硅蚀刻液，例如：
US20100120248A1公开了一种蚀刻溶液，该蚀刻液包含水、硝酸、氢氟酸和硫酸。更具体地说，其含有15至40重量％的硝酸、10至41重量％的硫酸和0.8至2.0重量％的氢氟酸。该蚀刻溶液用于蚀刻硅和用于硅片的蚀刻方法。
KR1020220043520A公开了一种用于硅层的蚀刻液组合物和使用该蚀刻液组合物形成图案的方法，该蚀刻液组合物含有：氢氟酸、硝酸、包含具有4-16个碳原子的烷基的苯磺酸基化合物、硅添加剂和、水。使用该组合物的图案形成方法可以在提高多晶硅膜的蚀刻速率的同时，提供抑制氮化硅膜的腐蚀和损伤的效果。
CN111019659B公开了一种选择性硅蚀刻液及使用方法。该蚀刻液用于选择性去除p型硅基底上的未掺杂硅，组成包括硝酸(或硝酸与硝酸盐混合物)、亚硝酸盐、氢氟酸或氢氟酸盐、硅添加剂、硼添加剂及溶剂。该蚀刻液利用硝酸盐和亚硝酸盐将硅氧化成二氧化硅；利用氢氟酸将二氧化硅蚀刻去除；硅添加剂用以调节硅的蚀刻速率；硼添加剂抑制蚀刻液对p型硅的蚀刻，使蚀刻液对未掺杂硅相对于p型硅有更快的蚀刻速率。
上述硅层蚀刻液仍存在一些问题，如蚀刻面粗糙、蚀刻液排放污染严重等，因此，仍需开发具有安全、环保、高效蚀刻硅片的蚀刻液，解决芯片硅衬底的减薄问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对传统硅层蚀刻液存在蚀刻面粗糙、蚀刻液排放污染严重的问题，提出一种半导体硅片蚀刻液，该蚀刻液是一种安全、环保、高效的蚀刻液，该蚀刻液蚀刻速率稳定，蚀刻面平整，对粗糙硅表面具有化学抛光作用，可在半导体领域应用，能解决芯片硅衬底的减薄问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种半导体硅片蚀刻液，包括重量配比如下的各组分：
进一步地，所述蚀刻液的pH<4。
进一步地，所述蚀刻液的优选pH<1。
进一步地，所述无机酸包括A组分和B组分，所述A组分为氢氟酸，所述B组分为盐酸、氢溴酸、碘酸、硫酸、磷酸、硝酸和高氯酸中的一种或几种。
进一步地，所述A组分和B组分的重量比为5:1-1:2。
进一步地，所述A组分和B组分的重量比优选为3:1-1:1。
进一步地，所述无机酸优选为氢氟酸和硝酸。
进一步地，所述氢氟酸和硝酸的重量比为5:1-1:2。
进一步地，所述氢氟酸和硝酸的重量比优选为3:1-1:1。
进一步地，所述氢氟酸和硝酸的重量比最优选为2:1。
进一步地，所述无机酸为3-5份。
本发明半导体硅片蚀刻液使用硝酸与氢氟酸复合蚀刻体系，该蚀刻液的蚀刻性能优良，能够取得优异的蚀刻效果，蚀刻速率稳定、蚀刻表面平整。
进一步地，所述铵盐为氟化氢铵、溴化铵、碘化铵、硫酸氢铵和磷酸二氢铵中的一种或几种。
进一步地，所述铵盐优选为磷酸二氢铵。
进一步地，所述铵盐为10-15份。
进一步地，所述有机酸为苯甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、间苯三甲酸、均苯四甲酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、酒石酸、方酸、丙氨酸、2-巯基乙磺酸和乙二胺四乙酸中的一种或几种。
进一步地，所述有机酸优选为间苯三甲酸和2-巯基乙磺酸。
进一步地，所述间苯三甲酸和2-巯基乙磺酸的重量比为3:1-1:3。
进一步地，所述间苯三甲酸和2-巯基乙磺酸的重量比优选为2:1-1:2。
进一步地，所述间苯三甲酸和2-巯基乙磺酸的重量比最优选为1:1。
进一步地，所述有机酸为30-35份。
本发明采用2-巯基乙磺酸代替有机弱酸，不含膦、不易挥发，对环境友好。2-巯基乙磺酸具有稳定pH的作用，从而提高蚀刻液对Si蚀刻效果的稳定性。同时，特定尺度的多羧基结构与2-巯基乙磺酸配合可特异性的螯合粗糙Si表面突起处溶解的Si原子，促进该区域的传质过程，令无机酸组分的配位效果更倾向于在粗糙表面的突起处进行，从而起到化学抛光的作用。
本发明半导体硅片蚀刻液使用2-巯基乙磺酸与间苯三甲酸复合功能剂，硅片在蚀刻过程中表面无需打磨，使用切割、掺杂后的硅片经蚀刻即可得到平整、光滑的表面，便于使用，节省后续工序的成本。
进一步地，所述超纯水为40-50份。
本发明的另一个目的还公开了一种半导体硅片蚀刻液的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照重量配比分别称取各组份；
步骤2：先将超纯水加入容器中，而后将其他组分加入容器，在搅拌下将容器的温度稳定在20-40℃内，直至所有组分完全溶解，溶液呈无色或淡黄色，制备得到半导体硅片蚀刻液。
本发明的另一个目的还公开了一种半导体硅片蚀刻液在蚀刻半导体硅片领域的用途。
进一步地，所述半导体硅片蚀刻液蚀刻半导体硅片的方法，包括以下步骤：
采用所述半导体硅片蚀刻液浸泡半导体硅片，得到浸泡后半导体硅片；将所述浸泡后半导体芯片放入超纯水中冲洗至少两次，即完成半导体硅片的蚀刻。
进一步地，所述浸泡温度为20-50℃。
进一步地，所述浸泡时间为5-15min。
本发明半导体硅片蚀刻液、其制备方法与应用，与现有技术相比较具有以下优点：
1)、本发明半导体硅片蚀刻液使用2-巯基乙磺酸与间苯三甲酸复合功能剂，硅片在蚀刻过程中表面无需打磨，切割、掺杂后的硅片经蚀刻即可得到平整、光滑的表面，便于使用，节省后续工序的成本。
2)、本发明半导体硅片蚀刻液使用特定重量比的氢氟酸与硝酸复合蚀刻体系，该蚀刻液的蚀刻性能优良，能够取得优异的蚀刻效果，蚀刻速率稳定、蚀刻表面平整。
3)、本发明半导体硅片蚀刻液对硅片的蚀刻无特殊要求，表面经超纯水清洗、甩干或吹干后即可进行蚀刻。
4)、本发明半导体硅片蚀刻液的各组分环保、无污染、且挥发损耗小，蚀刻完毕后，硅片仅用纯水冲洗即可，对环境无伤害。
因此，本发明的蚀刻液在半导体芯片蚀刻领域具有非常良好的应用前景和大规模工业化推广潜力。
附图说明
图1为蚀刻前硅片放大164倍后的显微镜图片；
图2为使用实施例1制备的蚀刻液蚀刻后的硅片放大164倍后的显微镜图片；
图3为使用对比例1制备的蚀刻液蚀刻后的硅片放大164倍后的显微镜图片。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1-14
实施例1-14公开了多种半导体硅片蚀刻液，其包含的组分及重量配比如表1所示，其制备方法如下：
步骤1：按照表1分别称取各组份；
步骤2：先将超纯水加入容器中，而后将其他组分加入容器，在搅拌下将容器的温度稳定在40℃，直至所有组分完全溶解，溶液呈无色或淡黄色，制备得到半导体硅片蚀刻液。
表1实施例1-14半导体硅片蚀刻液的组分及重量配比
对比例1-5
对比例1-5公开了多种蚀刻液，其包含的组分和重量配比如表2所示，其制备方法与实施例1相同。
表2对比例1-5蚀刻液的组分和重量配比
性能测试
下面，对上述各个研磨液的各种性能进行测试，具体如下。
图1为蚀刻前硅片放大164倍后的显微镜图片；图2为使用实施例1制备的蚀刻液蚀刻后的硅片放大164倍后的显微镜图片；图3为使用对比例1制备的蚀刻液蚀刻后的硅片放大164倍后的显微镜图片。由此可见经过实施例浸泡的表面出现显著的抛光作用，其表面平整，粗糙度低。而经过对比例浸泡的表面与实施例相比效果差，表面粗糙。
表3为实施例1-14和对比例1-5的性能测试数据，可见各实施例有着较强的选择蚀刻比，但未选择复配有机弱酸的实施例的选择性较弱。对比例1蚀刻速率与实施例差别不大，但无蚀刻速率差异，且表面粗糙，可见本专利公开之弱酸及其组合对蚀刻选择性及化学抛光性能的重要性。对比例2的氢氟酸+硝酸份数较大，其速率过大，且蚀刻选择性效果下降。对比例3存在蚀刻选择性差异，放置一段时间后该组蚀刻效果变差。对比例4、5因氢氟酸+强酸的体系不完整，仅存在氢氟酸或硝酸，其蚀刻速率极低，可认为对硅片无明显蚀刻作用。
表3实施例1-14和对比例1-5测试结果
其中：
性能1蚀刻效果的测试方法为：
选用重掺杂硅片，使用本发明的上述实施例和对比例的蚀刻液对硅片进行蚀刻，蚀刻处理方法包括如下步骤：
步骤1：在25℃下，将硅片浸泡在蚀刻液中，浸泡时间为20min，得到浸泡后硅片；
步骤2：将所述浸泡后硅片放入超纯水中冲洗三次，即完成硅片的清洗处理。
在所述步骤1和2中使用的超纯水均为电阻至少为18MΩ的去离子水。
完成清洗后，使用光学显微镜观察硅片表面平整程度，使用粗糙度仪测量表面粗糙度。
性能2蚀刻选择性的测试方法为：
选用轻、重掺杂硅片，其中轻掺杂样片电阻率为1-10Ω·cm，重掺杂样片电阻率为0.001-0.005Ω·cm，使用本发明的上述实施例和对比例的蚀刻液对硅片进行蚀刻，蚀刻处理方法包括如下步骤：
步骤1：在25℃下，将轻、重掺杂硅片浸泡在蚀刻液中，浸泡时间为20min，得到浸泡后硅片；
步骤2：将所述浸泡后硅片放入超纯水中冲洗三次，即完成硅片的清洗处理。
在所述步骤1和2中使用的超纯水均为电阻至少为18MΩ的去离子水。
开始蚀刻前及完成清洗处理后，分别使用厚度仪对硅片的厚度进行测量，差值为硅片被蚀刻厚度，除以蚀刻时间即得蚀刻速率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种半导体硅片蚀刻液，其特征在于，包括重量配比如下的各组分：
2.根据权利要求1所述半导体硅片蚀刻液，其特征在于，所述蚀刻液的pH<4。
3.根据权利要求1所述半导体硅片蚀刻液，其特征在于，所述无机酸为盐酸、氢氟酸、氢溴酸、碘酸、硫酸、磷酸、硝酸和高氯酸中的一种或几种。
4.根据权利要求1或3所述半导体硅片蚀刻液，其特征在于，所述无机酸为氢氟酸和硝酸。
5.根据权利要求4所述半导体硅片蚀刻液，其特征在于，所述氢氟酸和硝酸的重量比为5:1-1:2。
6.根据权利要求1所述半导体硅片蚀刻液，其特征在于，所述铵盐为氟化氢铵、溴化铵、碘化铵、硫酸氢铵和磷酸二氢铵中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述半导体硅片蚀刻液，其特征在于，所述有机酸为苯甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、间苯三甲酸、均苯四甲酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、酒石酸、方酸、丙氨酸、2-巯基乙磺酸和乙二胺四乙酸中的一种或几种。
8.根据权利要求1或7所述半导体硅片蚀刻液，其特征在于，所述有机酸为间苯三甲酸和2-巯基乙磺酸。
9.一种权利要求1-8任意一项所述半导体硅片蚀刻液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按照重量配比分别称取各组份；
步骤2：先将超纯水加入容器中，而后将其他组分加入容器，在搅拌下将容器的温度稳定在20-40℃内，直至所有组分完全溶解，溶液呈无色或淡黄色，制备得到半导体硅片蚀刻液。
10.一种权利要求1-8任意一项所述半导体硅片蚀刻液在蚀刻半导体硅片领域的用途。
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