第四章 蝕刻模擬
4.1 蝕刻 …
Hydrazine-Pyrocatechol 溶液而成。
Pyrocatechol 於此溶液中之角色，亦被廣泛的研究過，當其添加量由最高之 3.7 莫耳分率降至 0 時，蝕刻速率可由 35μm /h 降至 18μm/h，因此 Pyrocatechol 於此蝕刻系統中並非必要之成分，其角色可能是因控制氫氧根離子(OH-)之多 寡，而影響蝕刻速率。
Finne 及 Klein 亦提出 EDP 蝕刻之化學機制。在此機制中，要注意的是水為 必要之成分，此系統一旦缺乏水，將完全無蝕刻之效果。EDP 因具有毒性，因 此至今已較少使用。
(2)KOH
KOH 水溶液系統為最常用之非等向性蝕刻液之一。在接近飽和之水溶液中(與水 1:l1 混合重量比)，以 80℃蝕刻單晶矽時，可獲得均勻且明亮之表面。當蝕刻溫 度高於 80℃時，非均勻度開始增加。加入異丙醇(Isopropyl Alcohol, IPA)之 KOH 水溶液，亦為常用之蝕刻液。一般工業製造上常使用之蝕刻液比例為 40%之 KOH，加上足夠之異丙醇至飽和溶液。無論是否有異丙醇加入，KOH 之蝕刻速 率與蝕刻溫度及濃度有相當大的關係。在 KOH 水溶液中，最大蝕刻速率發生在 10-15wt%，如於 IPA 之飽和溶液中，則為 30wt%KOH 所造成之晶格面選擇比較 EDP(約 20-30)大許多。例如 50wt%之 KOH 水溶液，在 85℃的蝕刻條件下可造 成(100)面與(111)面之蝕刻速度比為 200：1，甚至可更大。但因 KOH 對鋁之強 烈侵蝕性，以及對氧化矽之高蝕刻率，因此不容易相容於積體電路製程。
(3)TMAH
相較於前兩種蝕刻液，雖然 TMAH 的蝕刻速率及晶格面選擇性比較低，但對於 積體電路卻有較好之相容性，因此也成為非等向性蝕刻中，常用之蝕刻液。因 TMAH 之沸點為 130℃，因此於常用之蝕刻溫度(70-90℃)下，其組成及蝕刻速度 較為穩定。在 10%的水溶液中，(100)/(111)面之蝕刻速率比可達 12.5。最快之蝕 刻速度出現於 90°C 的 20wt%水溶液時，可達 0.68μm/min。濃度較低的 TMAH
溶液(<15wt%)，容易於蝕刻表面出現凸丘(Hill-Lock)的現象，但此現象在使用 20wt%以上之溶液時可獲改善。雖然 TMAH 對氧化矽或氮化矽之蝕刻速率較低，
但高 pH 值之 TMAH 水溶液，仍會對鋁造成蝕刻作用。因此如要使用 TMAH 並 與積體電路製程相容，利用加入氧化矽或溶解一定量之矽於溶液中以降低 pH 值，為保護積體電路上鋁線之常用蝕刻方法。
4.2.2 等向性濕蝕刻
等向性的蝕刻劑(Isotropic Etchant) [27]，在所有方向上都會均勻的蝕刻，造 成圓角的截面特徵。而最常使用的等向性濕式蝕刻劑是[HNA]，它又被稱為「多 晶矽蝕刻」(Poly-etch)，這是因為在早期的積體電路工業中，他的用途主要是作 為多晶矽的蝕刻劑來使用。它是由氫氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、以及醋酸(CH3COOH) 的一種混合溶液。硝酸會使矽氧化，而二氧化矽會被氫氟酸移除，矽的蝕刻速率 要視混合溶液中的比例而定，大約為 1 與 5μm/min 之間。攪拌可以使蝕刻速率 增大到 20μm/min。正常而言蝕刻深度與表面均勻度是非常難以控制的。
圖4.1 由四種不同型式蝕刻方法所得壕溝截面示意圖
4.2.3 非等向性濕蝕刻
非等向性蝕刻的速率與晶格方向密切相關，在某晶格方向的蝕刻速率，會比 其餘方向的蝕刻速率快很多。於是，經過長時間的蝕刻後，矽晶圓上的結構所曝 露出來的結構面，將是蝕刻速率最慢的晶面。在單晶矽的非等向性蝕刻中，相對 於其他晶面，在(111)晶面的蝕刻顯著地減速。於是，取決所選擇矽晶圓的種類不 同，在經過非等向性濕蝕刻後，(111)晶面會與(100)矽晶圓表面夾角 54.74°，而 與(110)矽晶圓表面垂直，如圖 4.1。利用這種特性，(100)矽晶圓上可以製作 V 型 的溝槽(空穴)，或介電值材料的薄膜(隔版)。(110)矽晶圓則可利用來做深而窄的 溝渠或散熱鰭片(Fin)。再者，(100)矽晶圓上無論任何形狀的蝕刻窗口(或稱做蝕 刻圖案)，在經過充分的蝕刻後，會因為底切(Undercut)的緣故，蝕刻出全由{111}
晶面族包圍的空穴，利用此特性可以製作懸臂樑等懸空的結構。甚至在(100)矽 晶圓上利用底切現象等知識，經由適當規劃蝕刻參數及步驟，可以製作矽的橋狀 結構。
非等向性濕蝕刻的影響因素：造成文獻中許多不一致的蝕刻速率數據，原因 在於影響非等向性濕蝕刻的因素十分複雜，其中主要的因素有矽晶圓的晶格方 向、蝕刻液的選擇、操作的溫度、蝕刻液的濃度，以及攪拌的有無和形式。次要 的因素：則有添加物的有無和種類、矽晶圓雜質的種類及滲入等級(Doping Level)、矽晶圓表面的缺陷(Defect)、薄膜的應力、蝕刻表面雜質的殘留、氣泡的 影響、蝕刻的特徵尺寸(Size of Etching Feature)、蝕刻液的 pH 值、表面活化劑、
陽離子的影響、光罩、蝕刻液的分層，以及複合的藥劑等[28]。
圖4.2 非等向性蝕刻示意圖