本发明用于半导体器件制造工艺中的终钝化层刻蚀,使用有机阻蚀剂解决了压点刻蚀时产生的铝层表面发黄或变质问题。 通常,在半导体器件制造过程中,当金属化工艺完成后,为提高器件的可靠性和后工序的加工合格率,需在器件表面淀积一层含磷或不含磷的二氧化硅(PSG或SiO2),或者是PSG与SiO2组成的多层复合结构。接触金属电极铝(Al)的介质层,多数情况下采用低温CVD技术淀积SiO2,这层保护膜即为终钝化层。为将电极引出,必须将内电极压焊点(简称压点)铝层上的钝化层选择性地刻蚀干净。用于刻蚀SiO2的常规腐蚀液是氟化铵(NH4F),氢氟酸(HF)和水的混合液,这种腐蚀剂对SiO2虽有良好的溶解能力,但是当SiO2层溶解完毕后,溶液将与化学性质活泼的铝接触,于是F-离子,[SiF6]-2铬离子等与Al将产生化学,电化学及微电池效应等不良反应,导致Al层表面发黄和变质,严重时发黑。严重地影响了器件在后工序加工的键合强度,并直接影响器件的电参数及其使用寿命。为解决这一问题,日本东京应化株式会社出品了专用的PAD(压点)腐蚀剂,无锡国营第七四二厂从日本引进的工艺技术中,其压点腐蚀剂与日本东京应化式会社的PAD试剂基本相同,腐蚀剂由醋酸(NH3COOH)和氟化胺(NH4F)溶液组成,见[庄同曾等编《集成电路制造技术原理与实践》电子工业出版社87年10月第一版]。这种腐蚀剂虽然已大幅度地减少了压点发黄的机率,合格率提高到90%以上,但在进行批量加工时,仍出现局部压点变色,多数情况下出现同一集成电路管芯内的相邻压点一个变色,而另一个完好无损,特别是双极型电路的接地压点最易发黄变质。这种由微电池效应导致的压点发黄仍得不到较彻底的解决。这种腐蚀剂还存在连续使用期短(一周以内),使用条件苛刻(使用时要求避光等)地缺点,故工序质量较难控制。
本发明的目的在于使用有机阻蚀剂消除微电池效应产生的压点铝层发黄和提高试剂的连续使用期,从而提高工艺质量和产品的成品率。
根据阻蚀剂能有效地降低金属的电化学反应速率的原理,见[J.OM搏克里斯,DM德拉齐克著,夏熙译《电化学科学》人民教育出版社出版,一九八0版]。将胺类、脲类、醇类用作铝(Al)的阻蚀剂,当溶液中的F-离子与SiO2反应完毕,溶液接触压点Al层时,阻蚀剂将以胶体的形式被吸附在Al的表面,形成一层阻挡层,从而避免了Al与离子间产生反应而导致Al层变质。阻蚀剂的浓度越高,阻蚀效果越好。为了防止加入阻蚀剂后溶液粘度增加;表面张力增大产生其它附加的不良效果,在使用过程中必须采用N2鼓泡或机械搅拌以提高刻蚀的均匀性和防止小岛的产生。基于上述原理,研制了本腐蚀剂及相应的工艺。
本发明的内容是一种压点腐蚀剂及压点刻蚀工艺。
本腐蚀剂由纯度为分析纯或优于分析纯以上级别的氟化铵(NH4F)、乙二醇[(CH2OH)2]、冰乙酸(CH3COOH)、硫脲(N2H4CS)、六次甲基四胺(C6H12N4)和电阻率大于10MΩ·CM的去离子水组成,其配比范围为:
成份 配比范围
NH47-15%(重量)
(CH2OH)220-40%(重量)
CH3COOH 15-30%(重量)
N2H4CS 0.1-1.5%(重量)
C6H12N40.1-2%(重量)
H2O 20-50%(重量)
本腐蚀剂的使用工艺:
1.将表面干燥、完成钝化层生长后待作压点光刻的半导体基片按常规的光刻工艺进行涂胶、曝光、显影、坚膜,把压点以外的器件表面保护起来,待作压点上钝化层的腐蚀。
2.将配制好的腐蚀剂倒入设置有气体(N2)鼓泡或机械搅拌装置的塑料腐蚀槽中,腐蚀槽中的液温保持在30-40±2℃的恒温状态,且在该温区间任选一恒温点。
3.将装有待腐蚀基片的聚四氟乙烯花兰置于恒温腐蚀槽中,同时开启N2鼓泡或搅拌装置进行腐蚀,腐蚀时间根据钝化层的厚度采用先行试片的方法确定,正片应比试片多加30秒钟至3分钟的过腐蚀时间,以确保压点窗口上的钝化层彻底去净。
4.将花兰提出,用去离子水冲净,甩干或烘干,去除光刻胶即完工。
本发明所产生的积极效果:
1.本发明具有很强的抗Al层变质能力,无论是单片作业还是多片批量化作业,均不会与Al产生有害的化学反应或微电池效应。连续使用期长,原料来源方便。解决了该工序腐蚀剂依靠进口和局部压点发黄的质量问题,同时也节约了外汇和降低了生产成本。本腐蚀剂与进口的PAD试剂相比较,其成本仅相当于进口试剂的20%,连续使用期提高四倍以上,工序合格率提高10%以上。对纯SiO2.PSG与Al有极好的腐蚀选择性。经测定,各项性能如下表所示:
本腐蚀液对各种薄膜的腐蚀速率
(条件:T=32±1℃)
配方按最优配比
介质膜种类成膜条件腐蚀速率10-10M/min含磷1-3%的CVD生长,含磷量1500---
续上表:SiO2按P2O5/SiO2×100%3300纯SiO2CVD生长,T=400-450℃1000--1500热氧化SiO2T=1100℃(湿O2+干O2)200软Si3N4PECVDT=300℃生长170A1电子速蒸镀无反应(测不出)允许的过腐蚀时间≥3分钟(A1不变色)
2.对Al的腐蚀作了长时间的过腐蚀性试验,即将Φ75毫米的硅大圆片放在本刻蚀剂中连续放置4小时后,在100-400倍的显微镜下观察,这时Al上的SiO2和Al层以外的热氧化SiO2全部去除,但Al层仍然完好。再继续放置24小时后观察,Al层下的热SiO2也全部溶解,Al层浮起,但Al无明显的变色现象。
3.对本腐蚀剂的连续使用期作了长时间考核,当试剂连续使用三十天,由于硅片带进的光刻胶等和反应产物,溶液会出现少量沉淀,并不影响使用效果。若再继续使用,直到出现严重沉淀物,并在硅片上产生结晶小岛后,Al层亦末出现变黄现象。建议本腐蚀剂在使用三十天后或中途出现严重沉淀时应予以更换。
本发明的实施例:
例1:
(1)取N2H4CS、C6H12N4各8g溶于200g去离子水中。
(2)取NH4F,280g溶于1800g去离子水中。
(3)将上述溶液与(CH2OH)2,400g.CH3COOH,904g混合均匀。制得配比为:含NH4F,7%.(CH2OH)2,20%.CH3COOH,22.6%.N2H4CS,0.2%,C6H12N4,0.2%.H2O,50%的腐蚀液。用于Φ75毫米硅大圆片的三极管芯片和双极型集成电路芯片的压点刻蚀,数量为每次25片,钝化层PSG的厚度为10-6M,腐蚀温度为30±1℃,腐蚀8分钟钝化层腐蚀干净,过腐蚀5分钟后,Al末变色。
例2:
按NH4F,15%,(CH2OH)2,20%.CH3COOH,29%.N2H4CS,2%.C6H12N4,2%.H2O,32%所配制的腐蚀剂4kg。用25片Φ75毫米的硅三极管大圆片进行压点刻蚀,钝化层为SiO2+PSG+SiO2三层复合结构,其厚度分别为2000×10-10M.6000×10-10M.2000×10-10M,PSG的含磷量为2-3%。腐蚀时间为1分30秒即刻蚀干净,过腐蚀2分钟末出现Al变色,变质。
例3:
按NH4F,9%.(CH2OH)2,32%.CH3COOH,22.9%.N2H4CS,0.71%.C6H12N4,0.71%.H2O,34.68%所配制的腐蚀剂10kg。分别在30±1℃,35±1℃,40±1℃的条件下对Φ75毫米的硅片所制各类半导体晶体管芯片及集成电路芯片进行批量压点刻蚀,并连续使用一个月以上,工艺重复性为100%。压点铝层末出现发黄变质现象。对1×10-6M的PSG钝化层腐蚀2分30秒至3分30秒钟即腐蚀干净。本实施例经过20个月的连续生产实践,证明其对SiO2的腐蚀速率,对光刻胶的适应性,溶液的稳定性等综合性能最隹。