硅刻蝕
單晶硅刻蝕用來形成相鄰晶體管間的絕緣區,多晶硅刻蝕用于形成柵極和局部連線。
硝酸(HNO3)和氫氟酸(HF)的混合液能為單晶和多晶硅進行等向性刻蝕。這個復雜的化學反應過程為:首先,硝酸使表面的硅氧化形成二氧化硅薄層,這樣可以阻止氧化過程。然后HF和二氧化硅反應將二氧化硅溶解并暴露出下面的硅。硅接著又被硝酸氧化,然后氧化物又被HF刻蝕掉,這樣的過程不斷重復。其化學反應可表示為:
Si+2HNO3+6HF->H2SiF6+2HNO2+2H2O
氫氧化鉀(KOH)、異丙醇(C3H8O)和水的混合物能選擇性地向不同方向刻蝕單晶硅。如果在80?82攝氏度時將23.4wt%的KOH、13.3wt%的C3H8O和63.3wt%的H20混合在一起,則沿<100>平面的刻蝕速率比沿<111>平面的高100倍左右。下圖中的V形溝槽就是通過這種非等向性單晶硅過程進行濕法刻蝕得到的。
硝酸具有強腐蝕性,當濃度高于40%時產生氧化。若與皮膚和眼睛直接接觸,會導致嚴重的燒傷并在皮膚上留下亮黃色斑點。硝酸氣體具有強烈的氣味,只要少量就能造成喉嚨不適。如果吸入高濃度的硝酸氣體會造成哽咽、咳嗽和胸口疼痛。更嚴重的會導致呼吸困難、皮膚呈現藍色,甚全因為肺積水在24小時內死亡。
氫氧化鉀具有腐蝕性,可能會造成嚴重燒傷。通過攝入或吸入與皮膚接觸有害。如果與眼睛接觸,可能會導致嚴重的眼損傷。
氮化硅刻蝕
氮化硅普遍應用于形成隔離的工藝中。下圖顯示了20世紀70年以雙載流子晶體管為主的IC晶體管制造,那時已經采用了單晶硅和氮化硅刻蝕的隔離工藝。
磷酸(H3PO4)常用來刻蝕氮化硅。使用180攝氏度和91.5%的H3PO4,氮化硅的刻蝕速率大約為100A/mino這種氮化硅刻蝕對熱生長的二氧化硅(大于10:1)和硅(大于33:1)的選擇性非常好。如果將H3PO4的濃度提高到94.5%而溫度升高到200攝氏度,氮化硅刻蝕速率就會增加到200A/min。此時對二氧化硅的選擇性會降低到5:1左右,對硅的選擇性減少到20:1左右。
一個問題:HF可以用于刻蝕氮化硅。然而在形成隔離工藝中(見上圖),圖形化氮化硅刻蝕和氮化硅去除均不使用HF,為什么?
答:HF刻蝕氮化硅的速率比刻蝕二氧化硅的速率慢很多,所以使用HF刻蝕氮化硅,將造成墊底氧化層損失過多和嚴重的底切效應。如果使用HF去除氮化硅,將會在移除氮化層之前很快地刻蝕掉墊底氧化層和絕緣氧化層,所以不能使用HF圖形化刻蝕氮化硅。
氮化硅刻蝕的化學反應為:
Si3N4+4H3PO4->Si3(PO4)4+4NH3
磷酸硅(Si3(PO4)4)和氨氣(NH3)這兩種副產品都可以溶于水。LOCOS工藝的場區氧化層生成后(或USG研磨和STI退火處理后),這個技術至今仍在隔離形成工藝中被采用以去除氮化硅。
磷酸是一種無味液體,具有強烈的腐蝕性,若直接接觸皮膚和眼睛將造成嚴重的灼傷。少量的磷酸氣體就能造成眼睛、鼻子和咽喉不適。高濃度時,將導致咳嗽和皮膚、眼睛、肺的灼傷。長期接觸會腐蝕牙齒。