【MEMS工艺】神奇的硅晶向，各向异性腐蚀在半导体工艺中的广泛应用

文摘 2024-12-02 17:24 江苏

硅的各向异性腐蚀强烈依赖于圆片晶向和光刻图形特征，如形状、大小、方向和角位置等。图1描述了几种有代表性的几何结构，包括一个大的正方形、一个长矩形、一个小圆圈、一个环形正方形，以说明(100)硅片的各向异性腐蚀的典型结果。长矩形图形腐蚀形成具有拉长底部的沟槽或当矩形更窄并沿 <110>方向时形成自终止的V形槽。一些像小正方形、圆形、小掩膜缺陷这样的图形往往会形成自限制的金字塔坑。具有外角(凸角)的图形，如大正方形窗口中的小正方形，当角上高指数晶面暴露出来后会被钻蚀，每个晶面有自己的与晶面相关的，可能高于(100)的腐蚀速率。如果面积允许，可以放置扩大的角补偿图形以在腐蚀完成时产生所希望的腐蚀效果，尽管这些方法在刻蚀速率和刻蚀时间上添加了更多的敏感度。某些添加剂也可能减慢高指数晶面腐蚀甚至不需要角补偿图形。

人们可能会注意到，掩膜图形的旋转不对准可导致过度侧壁钻蚀。硅片上制造的晶向基准平边和缺口可以用于识别约0.5°左右的晶体取向，但是，需要更简洁对齐的器件可以在每个圆片上预先形成一个或多个窄长的 V形槽，然后与槽边对准。深腔器件因倾斜，侧壁两翼可能有显著的预算面积损失，同时圆片可能在腐蚀时变得相当脆弱，从而促使采用特殊操作手段和固定装置：

图1 硅片各向异性腐蚀

图 1 (100)硅片表面上掩膜层的基本图案，然后是对衬底的各向异性刻蚀。(a) 一个大的正方形窗口会形成带有54.736°[cos-(1/sqrt(3))]侧边的较小方形平底腔。(b)长方形窗口会形成自限制的沟槽或V 形槽。(c)小圆形图形或掩膜缺陷形成自限制的金字塔形坑。(d)大正方形窗口中的光刻小正方形光刻图案会形成外边和靠近内边中心的斜面，而内正方形的角上由于高指数晶面暴露而优先钻蚀

硅的各向异性腐蚀速率主要取决于暴露晶面、腐蚀剂类型、腐蚀剂温度和腐蚀剂浓度。更具体地说，腐蚀速率取决于搅拌力度、暴露面积大小、腐蚀剂消耗、衬底掺杂和腐蚀添加剂等。几个标准的各向异性腐蚀剂的近似腐蚀速率已经在表8.22 中列出，这些腐蚀剂包括 KOH 、TMAH 、NH₄OH 、EDP 和联氨等。氢氧化铵尽管远远比 KOH 或 EDP 腐蚀剂慢，但却是一个标准的超净室常用化学品，特别是在腐蚀较浅表面图形时应当考虑使用。氢氧化钠和其他腐蚀剂可能存在污染问题。在KOH 、TMAH或NH₄OH腐蚀剂中腐蚀的硅片要清洗充分以允许在标准的IC 加工设备上继续处理。EDP 比氢氧化钾腐蚀剂更好地停止在陡变的重掺杂 p++层并对氧化硅有稍高的腐蚀选择性，但它存在一些工艺处理和处置的问题。大多数各向异性硅腐蚀剂会腐蚀标准的铝焊盘和线条，但TMAH和 NH₄OH腐蚀剂可以预掺入硅粉或硅酸以增强对铝金属的抗蚀性。

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