硅片湿法化学腐蚀中芯片角的保护技术

摘要

当硅片进行湿法化学蚀刻时，芯片的任何外角都可能面临严重的底切。这种咬边问题对于切屑的边界角来说是极其严重的;并且很多时候它会限制芯片设计的紧凑性。开发了一种特殊的蚀刻掩模图案，用于在湿化学蚀刻下保护芯片的边界角。这种图案的主要中心部分可以防止蚀刻过程中角落处的任何底切。但是，有一个定时“保险丝”可以消除这个中心部分并在任何需要的时间打开角落。因此，只能在特定的时间长度内设置拐角保护。有了这个“定时炸弹”设备，它反过来可以使芯片设计更加紧凑。

介绍

底切是硅片湿法化学蚀刻中非常常见的问题。 这个问题在芯片的内角或器件结构几乎不存在，但在外角更严重。

在典型的 硅晶片的各向异性蚀刻中，蚀刻图案通常以 面为界。任何外角都将面对无数个平面，锐角垂直于 平面。通常，晶面是硅中蚀刻最慢的平面，因此成为蚀刻停止点。然而，平面上的蚀刻速率要快得多。因此，底切率变得非常严重。

通常，外角处的这种底切问题可能会严重影响芯片的设计及其紧凑性。如果外角周围有很大的空间，那么可以使用常规的角补偿技术来消除或减少这个问题3、4、5、6、7。但是，在其他情况下，例如在芯片的边界处，可能没有足够的空间进行常规的拐角补偿。当需要芯片之间干净清晰的划线作为分离芯片的手段时尤其如此。

设计保护装置

转角保护装置的基本设计如图(1)所示。黑色和深色区域是保护硅表面免受蚀刻的掩模。因此，白色区域是将被蚀刻的区域。有一些略有不同的其他版本可用。稍后将讨论它们。

基本上，保护装置包含一个中央保护部分和 4 个定时“保险丝”。为了让读者更清楚地了解每个功能，我们将在设计的演变过程中展示每个功能的功能。

在我们进入设计细节之前，让我们回顾一下 硅片各向异性蚀刻的一些基本规则或现象。这些基本现象如图(2)所示。首先，任何平行于平面的边界或在平面垂直相交处的任何直角内角实际上都不会被底切(图(2)-(A))。其次，任何外角都将被底切，直到它到达平面(图(2)-(B))。第三，任何不平行于平面的平面或曲线将被底切，直到它到达平面或平面处的直角内角(图2-(C))。

实验结果

我们制作了几片晶圆来测试我们的角部保护技术的真实能力。这些是 个带有我们特殊保护掩模图案样品的晶片。它们在 75°C 的 44% KOH 溶液中各向异性蚀刻。氮化硅用作蚀刻掩模。图 (8) 显示了用于基本图案设计的样品晶片之一上的各个阶段。除了原始蒙版(图(8)-(A))，白色区域是原始表面。蚀刻区域以黑色显示。灰色区域实际上是蚀刻区域上蚀刻掩模(氮化硅)的残留物。

图(8)-(A)为原角保护掩膜图案图片，带有定时“保险丝”。图 (8)-(B) 显示了当底切到达“炸弹”开口的前部并产生新的外角时。图(8)-(C)正好是“保险丝”完全消失的时候。图 (8)-(D) 说明了中央保护部分的进一步底切。图(8)-(E)显示了当所有保护链接都被清除并且只剩下一个小的中央“岛”时的最终外观。图 (8)-(F) 展示了完全消除中央“岛”的略微额外的底切。

结论

独创的各向异性蚀刻技术会通过底切来腐蚀(100)硅片上芯片的边角。蚀刻越深，角越圆。然而，我们已经开发了一种技术来解决这个问题。通过我们专门设计的角部保护掩模图案，可以保留芯片设计的原始外部几何形状。反过来，这将允许在未来的芯片设计中实现更高的紧凑性;同时，现在可以控制外部几何形状以满足芯片应用要求。

审核编辑：汤梓红