半导体制造之刻蚀工艺详解

硅刻蚀

单晶硅刻蚀用来形成相邻晶体管间的绝缘区，多晶硅刻蚀用于形成栅极和局部连线。

硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)的混合液能为单晶和多晶硅进行等向性刻蚀。这个复杂的化学反应过程为:首先，硝酸使表面的硅氧化形成二氧化硅薄层，这样可以阻止氧化过程。然后HF和二氧化硅反应将二氧化硅溶解并暴露出下面的硅。硅接着又被硝酸氧化，然后氧化物又被HF刻蚀掉，这样的过程不断重复。其化学反应可表示为：

Si+2HNO3+6HF->H2SiF6+2HNO2+2H2O

氢氧化钾(KOH)、异丙醇(C3H8O)和水的混合物能选择性地向不同方向刻蚀单晶硅。如果在80〜82摄氏度时将23.4wt%的KOH、13.3wt%的C3H8O和63.3wt%的H20混合在一起，则沿<100>平面的刻蚀速率比沿<111>平面的高100倍左右。下图中的V形沟槽就是通过这种非等向性单晶硅过程进行湿法刻蚀得到的。

硝酸具有强腐蚀性，当浓度高于40%时产生氧化。若与皮肤和眼睛直接接触，会导致严重的烧伤并在皮肤上留下亮黄色斑点。硝酸气体具有强烈的气味，只要少量就能造成喉咙不适。如果吸入高浓度的硝酸气体会造成哽咽、咳嗽和胸口疼痛。更严重的会导致呼吸困难、皮肤呈现蓝色，甚全因为肺积水在24小时内死亡。

氢氧化钾具有腐蚀性，可能会造成严重烧伤。通过摄入或吸入与皮肤接触有害。如果与眼睛接触，可能会导致严重的眼损伤。

氮化硅刻蚀

氮化硅普遍应用于形成隔离的工艺中。下图显示了20世纪70年以双载流子晶体管为主的IC晶体管制造，那时已经采用了单晶硅和氮化硅刻蚀的隔离工艺。

磷酸（H3PO4）常用来刻蚀氮化硅。使用180摄氏度和91.5%的H3PO4,氮化硅的刻蚀速率大约为100A/mino这种氮化硅刻蚀对热生长的二氧化硅（大于10：1）和硅（大于33：1）的选择性非常好。如果将H3PO4的浓度提高到94.5%而温度升高到200摄氏度,氮化硅刻蚀速率就会增加到200A/min。此时对二氧化硅的选择性会降低到5：1左右，对硅的选择性减少到20：1左右。

一个问题：HF可以用于刻蚀氮化硅。然而在形成隔离工艺中（见上图）,图形化氮化硅刻蚀和氮化硅去除均不使用HF,为什么？

答:HF刻蚀氮化硅的速率比刻蚀二氧化硅的速率慢很多，所以使用HF刻蚀氮化硅，将造成垫底氧化层损失过多和严重的底切效应。如果使用HF去除氮化硅，将会在移除氮化层之前很快地刻蚀掉垫底氧化层和绝缘氧化层，所以不能使用HF图形化刻蚀氮化硅。

氮化硅刻蚀的化学反应为：

Si3N4+4H3PO4->Si3(PO4)4+4NH3

磷酸硅(Si3(PO4)4)和氨气(NH3)这两种副产品都可以溶于水。LOCOS工艺的场区氧化层生成后(或USG研磨和STI退火处理后)，这个技术至今仍在隔离形成工艺中被采用以去除氮化硅。

磷酸是一种无味液体，具有强烈的腐蚀性，若直接接触皮肤和眼睛将造成严重的灼伤。少量的磷酸气体就能造成眼睛、鼻子和咽喉不适。高浓度时，将导致咳嗽和皮肤、眼睛、肺的灼伤。长期接触会腐蚀牙齿。

审核编辑：汤梓红