專利名稱：硅腐蝕液及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)加工領(lǐng)域，涉及一種硅腐蝕液和制備該腐蝕液的方法。
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)作為新興的高新技術(shù)領(lǐng)域，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，將整個機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在一塊芯片中，在軍事、生物醫(yī)學(xué)、汽車等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。這些器件主要以硅材料為基礎(chǔ)加工成各種微結(jié)構(gòu)。在工藝加工中，經(jīng)常遇到的一個問題是在硅結(jié)構(gòu)形成以后很難再制作金屬布線。如果在金屬布線完成以后再腐蝕硅結(jié)構(gòu)，腐蝕液會腐蝕金屬引線。國際上很多人在做這方面的研究，尋找一種腐蝕液，在腐蝕硅的同時，腐蝕金屬的速率達(dá)到最小。日本O.Tabata等人被認(rèn)為在這方面的研究是很出色的。他們在TMAH(四甲基氫氧化銨，英文名Tetramethyl Ammonium Hydroxide，分子式C4H13NO)溶液中溶解大量的硅，使鋁的腐蝕速率降到0.01微米/分鐘。鋁是集成電路引線中用的最多的材料。0.01微米/分鐘的速率還遠(yuǎn)不能適用，因為腐蝕硅結(jié)構(gòu)通常需要幾或十幾小時。很多人用TMAH濃度在10wt.％(重量百分比)以上，需要溶解3～5wt.％的硅，腐蝕液變成膠體狀，鋁的腐蝕速率還是達(dá)不到要求。O.Tabata等人又在腐蝕液中添加碳酸銨(NH4)2CO3或磷酸氫銨(NH4)2HPO4，目的是為了降低腐蝕液的PH值，減少對鋁的腐蝕速率。但是加這兩種酸后，硅的腐蝕速率明顯下降，而且硅表面非常粗糙。
本發(fā)明的目的是提供一種硅腐蝕液及其制備方法，既能對硅有較高的腐蝕速率，又能保護(hù)金屬表面，使金屬不被腐蝕。
本發(fā)明的硅腐蝕液，包括5wt.％TMAH腐蝕液，溶于TMAH腐蝕液的1.4-2.0wt.％硅，0.4-0.7wt.％的過硫酸銨(英文名Ammonium Peroxodisulfate，分子式(NH4)2S2O8)。
本發(fā)明的制備上述硅腐蝕液的方法，其步驟依次為1.用5wt.％TMAH腐蝕液，溶解1.4-2.0wt.％的硅；溫度控制在85℃左右；2.添加0.4-0.7wt.％過硫酸銨，待完全溶解后，得到不腐蝕金屬的硅腐蝕液。
本發(fā)明的原理及積極效果4-5wt.％TMAH腐蝕液腐蝕硅的速率最高，約1.0微米/分鐘(85℃)，但腐蝕反應(yīng)生成的氣泡使表面粗糙。隨著TMAH濃度的增加，腐蝕速率越來越低，但硅表面越來越光滑。TMAH濃度在20wt.％時，腐蝕速率降到0.6微米，硅表面很光滑。E.H.K.Lassen等人在5wt.％TMAH溶液中添加(NH4)2S2O8，降低腐蝕過程中氣泡的產(chǎn)生，使硅表面光滑，腐蝕速率維持在1.0微米/分鐘。
本發(fā)明選用5wt.％TMAH腐蝕液，溶解1.4-2.0wt.％硅后，再添加(NH4)2S2O8。本發(fā)明的硅腐蝕液用于腐蝕硅，對硅的腐蝕速率為0.9-1.0微米/分鐘，對鋁的腐蝕速率為零，完全不腐蝕鋁。
圖1顯示了鋁的腐蝕速率隨著溶解硅的濃度的增加而減少。硅的濃度達(dá)到1.4wt.％時，鋁的腐蝕速率降為零。選擇5％TMAH的濃度，使硅的腐蝕速率比較高，同時溶解硅的濃度可以大大降低。
圖2顯示了鋁的腐蝕速率隨著(NH4)2S2O3濃度的增加而降低。這是本發(fā)明的關(guān)鍵。在TMAH溶液中添加(NH4)2S2O3不僅可以提高硅表面光滑度，維持硅的腐蝕速率，還可以降低鋁的腐蝕速率。在溶解一定量的硅以后，添加(NH4)2S2O3，可以使鋁的腐蝕速率降為零，對MEMS器件的加工帶來很多方便。在工藝設(shè)計中不用擔(dān)心金屬化以后腐蝕硅結(jié)構(gòu)會對金屬有影響，從而加速了MEMS的發(fā)展進(jìn)程。
圖3顯示了硅的腐蝕速率隨著(NH4)2S2O8濃度的增加而增加，硅的表面粗糙度隨著(NH4)2S2O8的增加而減少。當(dāng)濃度增加到0.2wt.％以上時，硅的腐蝕速率達(dá)到0.9-1.0微米/分鐘，硅的表面粗糙度降到0.2微米以下。濃度增加到0.7wt.％以上時，硅的腐蝕速率迅速下降，表面粗糙度迅速上升。所以(NH4)2S2O8的濃度不能大于0.7wt.％。
表1給出了各種掩膜在這種腐蝕液中的速率。氮化硅(Si3N4)的腐蝕速率是4.5埃()/小時，與硅的選擇比是2000∶1；高溫生長二氧化硅(SiO2)的腐蝕速率是7小時，與硅的選擇比是1285；經(jīng)過致密后的低溫二氧化硅(LTO)腐蝕速率為12，與硅的選擇比是750∶1，這些特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的氫氧化鉀硅腐蝕液。
表2給出了很多MEMS常用金屬在本發(fā)明腐蝕液的腐蝕速率。鋁，金，鈦，銀，鈦-鎢等金屬的腐蝕速率都是零。
表1
表2
本發(fā)明腐蝕液，只腐蝕硅，不腐蝕金屬。對集成電路工藝沒有污染?？梢栽诩呻娐吠瓿梢院蟾g硅結(jié)構(gòu)，從而完成集成電路與MEMS的工藝集成。


圖1鋁腐蝕速率與溶解硅濃度的關(guān)系曲線圖2鋁腐蝕速率與過硫酸銨濃度的關(guān)系曲線圖3(a)硅腐蝕速率與過硫酸銨濃度的關(guān)系曲線3(b)硅表面粗糙度與過硫酸銨濃度的關(guān)系曲線
2.取16克高電阻率硅片，壓成碎渣，加入溶液中。
3.將容器放入85℃恒溫水浴鍋內(nèi)，大約10小時，使硅完全溶解。
4.在腐蝕硅結(jié)構(gòu)之前，取5克過硫酸銨，加入溶液中，攪拌并使之完全溶解，得到本發(fā)明的硅腐蝕液。
5.在上述硅腐蝕液，放入待腐蝕硅片，硅腐蝕速率維持在0.8-0.9微米/分鐘，工作時間8-10小時。
6.若腐蝕時間需要10小時以上，用新的硅腐蝕液，重復(fù)4，5步，直到腐蝕完成。
7.取出腐蝕完的硅結(jié)構(gòu)片，放入去離子水中沖洗若干遍后，甩干或烘干。
權(quán)利要求
1.一種硅腐蝕液，包括5wt.％TMAH，1.4-2.0wt.％的硅，0.4-0.7wt.％的過硫酸銨。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述硅腐蝕液的方法，其步驟依次為2-1.用5wt.％TMAH腐蝕液，溶解1.4-2.0wt.％的硅；2-2.添加0.4-0.7wt.％過硫酸銨，待完全溶解后，得到硅腐蝕液。
3.一種權(quán)利要求2所述制備硅腐蝕液的方法，其特征在于用5wt.％TMAH腐蝕液，恒溫控制在85℃左右，溶解1.4-2.0wt.％的硅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅腐蝕液及其制備方法。本發(fā)明用5wt.%TMAH腐蝕液,在恒溫85℃左右,溶解1.4－2.0wt.%的硅,然后加入0.4－0.7wt.%的過硫酸銨,溶解后得到硅腐蝕液。在微電子機(jī)械系統(tǒng)加工中,該腐蝕液既能對硅有較高的腐蝕速率,又能保護(hù)金屬表面,使金屬不被腐蝕。對集成電路工藝沒有污染?？梢栽诩呻娐吠瓿梢院蟾g硅結(jié)構(gòu),從而完成集成電路與MEMS的工藝集成?？蓮V泛應(yīng)用于微電子機(jī)械系統(tǒng)加工領(lǐng)域。
文檔編號C23F1/24GK1327086SQ0111815
公開日2001年12月19日 申請日期2001年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月18日
發(fā)明者閻桂珍, 陳正豪, 單建安, 邢怡銘, 王陽元 申請人:北京大學(xué)