《炬丰科技-半导体工艺》HF溶液中二氧化硅刻蚀机理

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：HF溶液中二氧化硅刻蚀机理

编号：JFKJ-21-741

作者：炬丰科技

摘要

高频水溶液环境中SiO的腐蚀作用会因电场的应用而受阻或停止。对于CMOS工艺流程而言，在极微弱光照条件下会产生相应的影响。提出了与溶解过程相关的并行反应途径，并可在中间阶段通过施加电场来终止或重新导向反应进程的能力。

介绍

SiO₂在高频溶液中的溶解被视为集成电路制造的关键步骤之一。基于这些技术的核心原理，在图1中展示了所需的刻蚀结构。相比n+/N+/P区以上的磷掺杂材料，在p+/N+/P区中观察到硼掺杂玻璃基片在刻蚀过程中的性能表现有所差异；具体而言，在p+/N+/P区中观察到硼掺杂玻璃基片相对于n+/N+/P区中的刻蚀速率略微有所下降。由于氧化物厚度的不同，在p+/N+/P区可能出现轻微膨胀现象；然而这种现象的影响范围非常有限

当n+和p+掺杂浓度较高、电路界面深度较低以及硅表面缺陷密度极低时，在大多数集成电路处理光屏蔽区域被黄光蚀刻后已观察到无论拉伸时间多长的情况：在某些情况下，在n+氧化物层上观察到颜色较亮的区域；这一层并不溶于非氧化高频溶液；另一方面，在完全黑暗环境下，则可以在n+/p+/Si上均匀溶解二氧化硅氧化物；这种光灵敏度表明可能发生了连接结构的光充电效应；通过实验研究了施加电场对二氧化硅层的作用及其对性能的影响；最后通过对集成电路上实际接触孔剩余材料进行了俄歇扫描电镜分析

实验

如图所示2所示, 由一系列p型孔区构成, 每个孔区分为n+型和p+型扩散层. 在这些阵列处于环境光照射下进行蚀刻时, 只要扩散未完成, n+/p+-硅上的氧化物就会被均匀去除. 如果扩散区域存在重叠, 则会将相应类型的氧化物均匀去除. 在腐蚀液中加入草酸作为氧化剂后, 只有在轻微重叠的扩散区域也能实现硅表面的均质去 oxide. 但在完全黑暗环境下进行相同操作时, 即使不添加氧化剂, 氧化物也会被彻底清除.

在气体环境中，在特定Si片（如n<∅）上形成100nm氧化物层，在此层的基础上合成用于电位器实验的样品。
该样品经过氮气气氛下加热退火（温度约为155°C），使晶圆片表面形成致密结构，并将其粘贴至IC引脚框架。
固定一根测试导线于金属基架表面。
将样品放入电绝缘聚碳酸酯容器中进行保护性封装。
随后采用环氧树脂对样本进行封装固定于有机玻璃支撑架上。

讨论

通过环境照明实验可以看出，在光子波长大于可见蓝光的情况下就会发生蚀刻停止效应这一现象。为了提高该效应的表现程度可以通过优化结构设计来扩大耗尽区域（提升光子吸收效率）。这种效应与p+和n+扩散相关联是由于这些区域带有光电荷从而形成了跨越氧化物区域的电场分布这一结论从分析中可以看出在氧化物外表面形成了一个hfl可溶性表面 films这种 films是一层部分还原性的薄硅酸盐膜(SiOx其中x<2)这样的材料被认为无法仅凭HF溶液溶解除非有某种氧化剂如HNOs存在观察到这种膜层经HF/NHO3溶液处理后仍可见溶解现象这一特性支持了其不可溶性特征。此外轻微重叠连接处会形成较小范围内的耗尽区域随后产生较小规模的电场进而使得在环境光照下通过添加草酸能够均匀清除这些残留物这一过程进一步验证了上述结论的应用场景与限制条件

结论

利用电场作用可有效抑制I-IF溶液中二氧化硅的溶解度。所施加的场强参数应选择较低强度以避免对分离电路性能造成影响，在CMOSC结构中可以通过光致发光效应实现有效的分离过程。在某些CMOS集成电路架构中，在SiO₂溶液表面形成了一层Hf不溶性氧化物薄膜。这种膜很可能由部分还原态二氧化硅组成，并可溶于HF/HNO3溶液环境中进行进一步处理。