高纯度化学品在刻蚀技术的应用

刻蚀工艺的功能是要将微影工艺中未被光阻覆盖或保护的部分以化学反应或物理作用的方式加以去除，而完成转移光罩图案到薄膜上面的目的。一般而言，刻蚀工艺可大致分为两类：一类是湿式刻蚀，它是利用化学反应如酸与材料的反应来进行薄膜的刻蚀，另一类为干式刻蚀它是利用物理方法如等离子体刻蚀来进行薄膜侵蚀的一种技术。在本章节将依湿式刻蚀及干式刻蚀做详细说明。

1.湿式刻蚀技术与化学品

湿式刻蚀技术是属于化学品（液相）与薄膜（固相）的表面反应，此技术的优点在于其工艺简单且产量速度快，而由于化学反应并无方向性是属于一种等方向性刻蚀。一般而言，湿式刻蚀在半导体工艺可用于下列几个方面：

①二氧化硅层的图案刻蚀或去除；

②氮化硅（nitride）层的图案刻蚀或去除；

③金属层（Al）的图案刻蚀或去除；

④多晶硅（polycrystalline Si）层的图案刻蚀或去除；

⑤非等向性硅层刻蚀；

⑥减低硅晶片刻蚀；

⑦硅晶片表层抛光；

⑧硅晶片表层粗糙化；

⑨硅晶片回收（wafer reclaim）。

另外为了能发挥化学品的多功能性应用，湿式刻蚀也走向多种成分混合溶液的发展方向，以便能应用在不同功能的薄膜工艺中。

（1）二氧化硅层刻蚀。通常是以氢氟酸与氟化铵（HF/NH4F）的混合成缓冲溶液（buffered oxide etchant，BOE）来刻蚀SiO2层，化学反应式如下：

利用HF来去除SiO2层，而缓冲溶液中NH4F是用来补充所消耗的F-，使得刻蚀率能保持稳定。而影响刻蚀率的因素包括：

①SiO2层的形态：结构较松散（含水分较高），刻蚀率较快；

②反应温度：温度较高，刻蚀率较快；

③缓冲液的混合比例：HF比例愈高，刻蚀率愈快。(www.xing528.com)

（2）氮化硅层刻蚀。通常是以热磷酸（140℃以上）溶液作为Nitride层刻蚀液，反应温度越高，磷酸组成在水分蒸发后也随之升高，刻蚀率也会加快，在140℃时，刻蚀率约在2 nm/min，当温度上升至200℃时，刻蚀率可达20 nm/min，实际上多使用85%的H3PO4溶液。

（3）铝层刻蚀。铝常在半导体工艺中作为导电层材料，湿式铝层刻蚀可使用下列无机酸碱来进行，包括：①HCl；②H3PO4/HNO3；③NaOH；④KOH；⑤H3PO4/HNO3/CH3COOH。因第⑤项混合溶液的刻蚀效应最为稳定，目前被广泛运用在半导体工艺中。主要的工艺原理是利用HNO3与Al层的化学反应

一般的刻蚀率约控制在300 nm/min。

（4）单晶硅/多晶硅层刻蚀。单晶硅的非等向性刻蚀多用来进行（1，0，0）面刻蚀，常用在以硅晶片为基板的微机械元件工艺中，一般是使用稀释的KOH在约80℃温度下进行反应。多晶硅的刻蚀在实际上多使用NHO3、HF及CH3COOH三种成分的混合溶液，其工艺原理包含两个反应步骤：

先利用HNO3的强酸性将多晶硅氧化成为SiO2，再由HF将SiO2去除而CH3COOH则扮演类似缓冲溶液中H+提供者来源，使刻蚀率能保持稳定。此种通称“Poly-Etch”的混合溶液也常作为控片回收使用。

（5）晶背刻蚀。随着半导体元件走向更高精密度及“轻薄短小”的趋势，晶背刻蚀（backside etching）已逐渐取代传统机械式晶背研磨工艺，除了能降低硅晶片应力（stress）减少缺陷（defect）外，并能有效清除晶背不纯物，避免污染到正面的工艺。

由于晶背表层常包含了各类材料如二氧化硅、多晶硅、有机物、金属、氮化硅等，因此湿式晶背刻蚀液也涵盖了多种无机酸类的组成，包括H3PO4、HNO3、H2SO4及HF等，如此才能有效去除复杂的晶背表层结构。

2.干式刻蚀技术与化学品

干式刻蚀技术主要为等离子体刻蚀，其主要是利用气体等离子体中高化学反应能力配合离子轰击的能量来达到垂直刻蚀的效果。在此技术中，等离子体中所产生的离子密度、能量及方向均扮演重要的角色，然而化学技术上，反应物的反应性具有决定性的效果，因此如何选择适当的反应气体当作等离子体的来源，往往决定了刻蚀工艺的好坏，一般刻蚀工艺中均是用卤素族（氟、氯、溴）的化合物来当作刻蚀气体，为了避免侧向刻蚀、过低的选择化及产生不可挥发的生成物，刻蚀气体的选择非常重要，而且与反应的压力温度息息相关。一般而言，刻蚀硅可用氯气或溴化氢的等离子体，为了提高对氧化硅的选择比，建议用溴化氢，但为了提高刻蚀率及好的刻蚀图案，加入氯气是不可避免的，因此，氯气与溴化氢的比例对刻蚀有不同程度的影响。以下列举一般性刻蚀所使用的气体等离子体：

①多晶硅（PolySi）刻蚀（底层为氧化硅）：Cl2/HBr；

②硅化钨刻蚀：SF6/HBr，Cl2/O2，CF4；

③氧化硅刻蚀（底层为硅）：CF4/CHF3，C2F6；

④氮化硅刻蚀（底层为氧化硅）：SF6/HBr，CH3F；

⑤钨蚀刻：SF6/N2；

⑥金属铝蚀刻：Cl3/BCl3。

由于等离子体产生的方式不断地朝低压高密度等离子体方式进行，相对地，化学技术也随之改变。比如说，以往钨刻蚀必须在氟等离子体下才能产生可挥发的生成物进行刻蚀，但在低压高密度的等离子体下，钨刻蚀可以在氯等离子体下进行，这就打破了一般传统的观念。基本上，等离子体刻蚀是等离子体物理与化学技术相辅相成的技术，由于新化学反应的发现，使得新的等离子体技术更迈进一步。