碳化硅和二氧化硅之间稳定性的刻蚀选择性

摘要

磷酸(H3PO4) -水(H2O)混合物在高温下已被使用多年来蚀刻对二氧化硅(二氧化硅)层有选择性的氮化硅(Si3N4)。生产需要完全去除Si3N4，同时保持二氧化硅损失最小。批量晶片清洗的挑战是如何保持Si3N4对二氧化硅的高蚀刻选择性，以获得更长的槽寿命。

实验表明，增加浴中水的浓度导致更高的选择性:蚀刻更多的Si3N4和更少的二氧化硅。随着水浓度监测器和水脉冲装置的安装，浴缸能够控制水浓度。每个产品批次后化学浴的部分更换降低了溶解硅的浓度。H2SO4的加入节省了初始调节时间。通过所有的努力，镀液以高选择性开始，并保持这种选择性以延长镀液寿命。

介绍

通常用于湿批清洗，Si3N4在热H3PO4浴中去除。这主要用于去除局部氧化掩模(LOCOS)，其下具有二氧化硅作为应力消除层。常规获得40∶1的选择性，这对于该方法来说是足够的。如今，浅沟槽隔离是更普遍的应用，其中Si3N4层被用作CMP(化学机械平坦化)停止层。在该步骤中，使用化学机械抛光来去除晶片的形貌，并且在该工艺之后必须去除氮化硅层。二氧化硅层暴露在这一点上，最大限度地减少这些层的二氧化硅损失至关重要。因此，必须抑制二氧化硅层的蚀刻速率，提高氮化硅对二氧化硅蚀刻速率的选择性。这产生了对高选择性氮化硅蚀刻工艺的需求。

实验装置

使用200毫米Si3N4和二氧化硅晶片。Si3N4晶片的两面都有5 K厚的Si3N4膜，它们用于蚀刻速率评估和产品批次的模拟。一个产品批次等于在50个晶圆的两侧去除1500个Si3N4。二氧化硅晶片的两面都有二氧化硅薄膜。Si3N4和二氧化硅薄膜用鲁道夫S300椭圆仪以49个点和5毫米的边缘排除进行测量。Si3N4在某一点的重复误差低于1.0，二氧化硅低于0.5.在测试时从槽中收集化学样品，并通过电感耦合等离子体质谱分析元素硅浓度。

结果和讨论

水含量影响二氧化硅的蚀刻速率和氮化硅的蚀刻速率。图2描绘了Si3N4和二氧化硅在与图1所示测试相同的浴中随水浓度变化的蚀刻速率.水浴中的水浓度为3、7.8、10和14%，峰值分别为每两分钟5、8、10和14秒。图2(a)显示，随着水浓度从3%变化到14%，Si3N4蚀刻速率从46.4增加到68.2/分钟。图2(b)显示，随着水浓度从3%变化到14%，二氧化硅蚀刻速率从2.12降低到1.42/分钟。

图4显示了不同温度下的稳定水浓度。结果表明，在150、155、160和165℃时，水浓度分别稳定在17.7、16.6、15.4和14.0%，去离子水峰值为14秒/两分钟。该浴在较低的温度下具有较高的水浓度。

图7显示了生产数据。这些测试是在生产环境中进行的，在生产环境中，一个产品批次相当于在50个晶圆的两面去除2200个Si3N4。这意味着累积的220 kSi3N 4蚀刻量等于一个产品批次蚀刻量，如图7所示.在槽寿命开始时，在H3PO4中加入一定量的H2SO4。采用去离子水冲加和加料放气两种装置。图7显示Si3N4和SiO2蚀刻速率分别以49.2/分钟和0.07/分钟开始，速率保持在50.6英寸/分钟，平均为零，在生产过程中经历了8个产品批次及以上。

 

 

图7。稳定的Si3N4和二氧化硅蚀刻速率。通过在H3PO4浴中初始加入H2SO4以及进料和出料装置和阿迪水脉冲装置的操作，蚀刻速率可保持较长的生产时间。

结论

在用热H3PO4蚀刻Si3N4时，保持稳定的选择性是一个挑战。我们的实验表明，需要控制水含量、降低硅浓度和调节浴中的初始H3PO4化学物质，以实现长时间生产的稳定选择性。带有近红外光谱仪的阿迪水刺仪有助于控制水含量。加料和放气装置降低了浴中的硅浓度。在H3PO4中加入H2SO4节省了浴的初始调节。通过所有实施的改变，实现了稳定的Si3N4和二氧化硅蚀刻速率。实验和生产测试都表明，阿克里翁的GAMA批处理工具能够以高选择性开始，并在长时间的Si3N4蚀刻生产中保持稳定的选择性。
审核编辑：汤梓红