CN117821070A - 一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液及其使用方法 - Google Patents

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顾天刚
俞斌强
刘国强
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Abstract

本发明公开了刻蚀液领域内的一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液,按重量计,含有氟化氢6‑9%,丁二腈5‑8%,乙醇15‑20%,余量为超纯水。本发明中,丁二腈可以与氢氟酸发生络合反应,阻止了氢氟酸水解,而通过温度控制,又能使得络合物逐步解离,从而可以保持溶液中氢氟酸有效浓度,不需要频繁补充氢氟酸进入溶液中或不断配制新的氢氟酸溶液,也不需要使用其他的表面活性剂。该刻蚀液具有长效、稳定、低成本的优势,可用于车规级氮化硅芯片的刻蚀加工中。

Description

一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种刻蚀液,特别涉及用于氮化硅芯片生产用的刻蚀液。
背景技术
氮化硅芯片是采用低压化学气相沉积技术,在硅衬底上生长出高质量的氮化硅薄膜,在氮化硅薄膜上刻蚀出所需的光学结构。最后,通过刻蚀去除多余的氮化硅和硅层,形成悬空的氮化硅芯片。
在氮化硅芯片制造过程中,刻蚀液被广泛应用于各种工艺步骤中,通过液态刻蚀可形成氮化硅芯片的各种结构。刻蚀液在氮化硅芯片制造过程中主要应用场景为:
1.形成电路和元件:在氮化硅芯片制造的初期,刻蚀液被用来形成电路和元件。通过光刻、显影等技术,将电路和元件的图形转移到半导体材料上,然后使用刻蚀液将图形转移到半导体材料上,形成电路和元件。
2.分割芯片:在制造氮化硅芯片时,通常需要将半导体芯片分割成单个芯片。这个过程可以使用各向异性刻蚀液来实现。通过控制刻蚀液的浓度、温度和作用时间等参数,可以将芯片上的特定区域去除,从而将其分割成单个芯片。
3.去毛刺和清洗:在氮化硅芯片制造的各个阶段,都可能需要进行去毛刺和清洗处理。这个过程可以使用含有酸或碱的刻蚀液来实现。这些刻蚀液能够去除边缘毛刺和表面污垢,使表面更加光滑和整洁。
中国专利数据库中,公开了一种氧化硅的选择性刻蚀液,其公开号:CN115181569A,公开日:20221014,所述的刻蚀液成分为0.1-5wt%的氢氟酸、10-30wt%的氟化铵、0.01-0.2wt%的酰胺类抑制剂、0.005-0.1wt%的氨基醇类添加剂、余量为超纯水。其中,所述酰胺类抑制剂为2-氨基丙酰胺、2-氨基丁酰胺、2-氨基-2,3-二甲基丁酰胺、3-氨基丙酰胺、3-(甲基氨基)丙酰胺、3-(丙氨基)丙酰胺中的一种或几种。所述添加剂为2-氨基正丁醇、4-氨基-2-丁醇、2-氨基-3-甲基-1-丁醇、4-氨基-1-丁醇、3-二乙氨基-1-丙醇、5-氨基-2,2-二甲基戊醇、D-氨基丙醇中的一种或几种。
其不足之处在于:
1.现有的芯片刻蚀液成分复杂,配制困难,成本高。
2.芯片刻蚀液中大多含有氢氟酸,氢氟酸的用量过高时,与硅或二氧化硅反应剧烈,难以控制刻蚀量,因此,通常会将氢氟酸的重量含量控制在较低水平,但在刻蚀过程中,氢氟酸的浓度会迅速降低,因此,需要不断补充氢氟酸进入刻蚀液中,刻蚀液更新的次数多,操作麻烦。
3.目前,车规级氮化硅芯片制造时,要求其具有良好的可靠性,制造时,需要保证其刻蚀精度、切口质量和刻蚀稳定性,通常选择的刻蚀速率为30-80um/min,在该速率下,其余参数更加易于控制。但现有的刻蚀液很难满足这样的生产需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液,使其用于芯片刻蚀时,不需要频繁补充氢氟酸进入溶液中,只需要通过温度控制即可保证溶液中有效氢氟酸的浓度处于适宜刻蚀的浓度。
本发明的目的是这样实现的:一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液,按重量计,含有氟化氢6-9%,丁二腈5-8%,乙醇15-20%,余量为超纯水。
进一步地,所述刻蚀液制备时,在15-25℃环境下,先将氟化氢气体通入超纯水中,然后加入丁二腈和乙醇,搅拌10-30分钟后获得。
本发明获得的一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液的使用方法,是将该刻蚀液用于氧化硅层和硅层的刻蚀。
所述刻蚀液在刻蚀时,在40-65℃环境下进行,刻蚀液刻蚀前预先加温到40℃,然后在刻蚀工程中根据氟化氢消耗速度进行升温,保持溶液中H离子浓度不变。
所述刻蚀液不仅可以用于将半导体芯片分割成单个芯片;还可以用于刻蚀硅片形成氮化硅芯片电路和元件。
本发明中,丁二腈可以与氢氟酸发生络合反应,阻止了氢氟酸水解,而通过温度控制,又能使得络合物逐步解离,从而可以保持溶液中氢氟酸有效浓度,不需要频繁补充氢氟酸进入溶液中或不断配制新的氢氟酸溶液,也不需要使用其他的表面活性剂。乙醇作为挥发性载体,可以帮助刻蚀过程中生成的SiF4、NH3气体可通过抽气装置抽走。该刻蚀液具有长效、稳定、低成本的优势,可用于车规级氮化硅芯片的刻蚀加工中。
具体实施方式
实施例1
一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液,按重量计,含有氟化氢80克、丁二腈60克、乙醇200克和超纯水660克。
刻蚀液制备时,在15-25℃环境下,先将氟化氢气体通入超纯水中,氟化氢气体与水可无限互溶,然后加入丁二腈和乙醇,搅拌10-30分钟后获得。
该刻蚀液的使用方法,是将该刻蚀液用于氮化硅层和硅层的刻蚀。刻蚀时,会产生SiF4气体和NH3,可通过抽真空的方式将其抽出。
刻蚀液在刻蚀时,在40-65℃环境下进行,刻蚀液刻蚀前预先加温到40℃,然后在刻蚀工程中根据氟化氢消耗速度进行升温,保持溶液中H离子浓度不变。
该刻蚀液不仅可以用于将半导体芯片分割成单个芯片;还可以用于刻蚀硅片形成氮化硅芯片电路和元件。
本实施例1的刻蚀液配方中,氟化氢和丁二腈在常温下可以形成丁二腈络合氢氟酸,其反应可以通过以下方程式表示:
C4H5N+HF→C4H5N·HF
该络合反应的机理是:第一步,丁二腈中的氮原子通过孤对电子与HF中的氢原子形成亲核键。第二步,亲核进攻后,丁二腈中的氮原子与HF中的氢原子形成配位键,形成丁二腈络合HF。第三步,电荷重排,在配位键形成之后,电子云重排使得氮原子上的正电荷得到更好的分布,增强了络合物的稳定性。
络合反应的丁二腈与氢氟酸的摩尔比大致是1:1,多余的氢氟酸仍以游离态存在于体系统,其水解成酸性,该络合反应在15-25℃环境下即可进行。经申请人研究发现,该络合物离解温度并不高,配位离子的配位能力相对较弱,其在35-85℃下逐渐离解,在85℃时基本上全部离解,这使得其可以通过温度控制,就可以保持溶液中氢氟酸有效浓度。
乙醇作为挥发性载体,可以帮助刻蚀过程中生成的SiF4气体分离并通过抽气装置抽走。此外,乙醇作为有机溶剂,可以清洗晶圆表面的有机物。
实施例2
在对比文件1的基础上,对氟化氢用量的筛选,即以氟化氢为单一变量,配制不同HF含量的刻蚀液,刻蚀液在50℃下湿法刻蚀氮化硅片,在氮化硅片表面刻蚀出梯形的凹陷沟槽,要求刻蚀速率:30-80nm/min,其余与实施例1同,具体步骤是:
1.基材准备:首先需要对待刻蚀的氮化硅片基材进行清洗和处理,清洗的目的是去除表面的杂质和污染物,以保证刻蚀的准确性和稳定性。
2.掩膜制备:在基材表面涂覆一层掩膜,以保护部分区域不被刻蚀。掩膜为光刻胶,使用光刻技术将掩膜材料涂覆在基材表面,然后通过曝光、显影等步骤形成所需的掩膜结构。
3.刻蚀过程:将掩膜制备好的基材浸泡在刻蚀液中,在刻蚀过程中,刻蚀液中的化学物质与基材表面发生反应,即Si3N4与HF反应,生成的SiF4和NH3气体被不断抽走。
保持一段时间后,进行测试,以验证刻蚀速率是否符合要求。
经检测,结果如下表所示
上表表明,当氟化氢用量60-90g时,刻蚀速率处于要求的范围内。
同样地,将丁二腈作为单一变量,再次进行本实施例的1-3的步骤后,进行检测,结果如下表所示
上表表明,当丁二腈用量50-80g时,刻蚀速率处于要求的范围内。增加丁二腈用量,体系中的络合物增加,氢氟酸水解减少,刻蚀速率降低,反之,减少丁二腈用量,游离的氢氟酸量增加,刻蚀速率升高。
对刻蚀温度的筛选,实施例1的刻蚀液在不同温度下刻蚀氮化硅材料,其中刻蚀均匀度以如下公式计算:
(刻蚀最大深度-刻蚀最小深度)/2*(刻蚀平均深度)*100%
经过10分钟测试,结果如下,
测试结果表明,在40℃以下,刻蚀速率低,但刻蚀均匀度指标好,65℃以上后,刻蚀均匀度指标迅速变大,表明其刻蚀偏差大,良品率下降。综合速度和品质,优选刻蚀温度为40-65℃。
在实际氮化硅芯片刻蚀制造时,控制刻蚀温度,可以使得刻蚀速率趋于稳定,从而不需要大量的配制均匀的刻蚀液进行刻蚀,其可以保持溶液中有效HF的浓度处于动态稳定,从而降低氮化硅芯片的制造难度。
研究还表明,溶液中超纯水的用量增减5%不会对测试结果产生明显影响。
本发明并不局限于上述实施例,在本发明公开的技术方案的基础上,本领域的技术人员根据所公开的技术内容,不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液,其特征在于:按重量计,含有氟化氢6-9%,丁二腈5-8%,乙醇15-20%,余量为超纯水。
2.根据权利要求1所述的一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液,其特征在于:所述刻蚀液制备时,在15-25℃环境下,先将氟化氢气体通入超纯水中,然后加入丁二腈和乙醇,搅拌10-30分钟后获得。
3.根据权利要求1所述的一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液的使用方法,其特征在于:所述刻蚀液用于氮化硅层和硅层的刻蚀。
4.根据权利要求3所述的一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液的使用方法,其特征在于:刻蚀时,在40-65℃环境下进行,刻蚀液刻蚀前预先加温到40℃,然后在刻蚀过程中根据氟化氢消耗速度进行升温,保持溶液中H离子浓度不变。
5.根据权利要求3所述的一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液的使用方法,其特征在于:所述刻蚀液用于将半导体芯片分割成单个芯片。
6.根据权利要求13所述的一种车规级氮化硅芯片生产用刻蚀液的使用方法,其特征在于:所述刻蚀液用于刻蚀硅片形成氮化硅芯片电路和元件。
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