一种半导体用选择性电化学硅蚀刻液及蚀刻方法

技术领域

本发明涉及半导体制造行业中电子化学品技术领域，具体涉及一种半导体制造行业中硅的选择性电化学蚀刻液及蚀刻方法。

背景技术

近些年来，随着使用半导体器件的各种智能移动设备，如移动电话、笔记本电脑、平板电脑、新能源汽车等的需求不断增加，半导体制造产业对半导体器件各方面的性能要求也越来越高。而在制造这些复杂的半导体器件，如肖特基二极管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、双极结型晶体管（BJT）、PIN二极管等的过程中，有时候需要对不同掺杂类型的半导体硅（p-Si和n-Si）进行选择性的蚀刻才能实现其功能。

业内常规的选择性蚀刻硅的方法是使用HF、HNO

因此，开发一种不含强氧化剂的电化学硅蚀刻液选择性地刻蚀硅，既可以避免使用危险性极强的强氧化剂HNO

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种半导体用选择性电化学硅蚀刻液及蚀刻方法，该选择性电化学硅蚀刻液不含任何危险的强氧化剂，可以经济高效地选择性刻蚀n-Si和p-Si中的n-Si，选择性好且可以通过电化学参数控制n-Si的蚀刻速率，可控性强。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一是使用一种选择性电化学硅蚀刻液，所述选择性电化学硅蚀刻液包含以下质量百分数原料：1-8%的氢氟酸，1-10%的导电化合物，0.01%-2%的表面活性剂，以及余量的超纯水。

进一步地，所述导电化合物为醋酸、醋酸铵、草酸、草酸铵、柠檬酸、柠檬酸铵、酒石酸、酒石酸铵、乳酸、乳酸铵、苹果酸、苹果酸铵中的一种或几种。

进一步地，所述导电化合物为醋酸、醋酸铵、柠檬酸、柠檬酸铵中的一种或几种。

进一步地，所述表面活性剂为聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪胺聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。

进一步地，所述表面活性剂为聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800中的一种或几种。

进一步地，所述蚀刻液可以选择性地蚀刻p-Si和n-Si中的n-Si。

二是使用一种半导体用选择性电化学硅蚀刻液的蚀刻方法，其电化学蚀刻过程包括以下步骤：

（1）配制一定量的电化学硅蚀刻液并将其置于容器中；

（2）分别将阳极、阴极和参比电极置于电化学硅蚀刻液中；

（3）对阳极施加一定的电压，进行电化学蚀刻；

（4）一段时间后，取下阳极并用超纯水清洗干净，氮气吹干。

进一步地，步骤（2）所述的阳极为待选择性刻蚀的同时含有n-Si和p-Si的晶圆片，阴极为铂片电极，参比电极为Ag/AgCl参比电极。

进一步地，步骤（3）所施加的电压为-0.5 V~1.2 V（vs. Ag/AgCl）。

本发明的另一技术方案是提供一种在包含p-Si和n-Si硅片中选择性蚀刻n-Si的蚀刻方法，采用所述的方法进行蚀刻。

上述技术方案中，选择性蚀刻n-Si的机理如下：在电化学体系中由于n-Si比p-Si更容易被氧化，通过调控电化学电压可以控制n-Si被氧化而p-Si不被氧化，进一步氧化成硅氧化物的n-Si被电化学蚀刻液中的HF化学蚀刻，而p-Si没有发生氧化不会被HF所蚀刻，因此达到电化学选择性蚀刻n-Si的目的。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出的选择性电化学硅蚀刻液不含有任何危险的强氧化剂，如HNO

2.本发明提出的选择性电化学硅蚀刻液的蚀刻方法可以通过控制所施加的电压调控n-Si的蚀刻速率，选择性好。

附图说明

图1为实施例3条件下n-Si/p-Si电化学选择性蚀刻后SEM图。

图2为对比例4条件下n-Si/p-Si电化学选择性蚀刻后SEM图。

图3为对比例2条件下n-Si/p-Si电化学选择性蚀刻后SEM图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步解释说明，值得注意的是，下述实施例仅为本发明的优选实施例，而不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的内容为准。本领域技术人员在没有做出创造性劳动而对本发明的技术方案做出的修改、替换均落入到本发明的保护范围之内。

本发明所有实施例和对比例中使用的硅片均是n/p/n/substrate叠层开槽结构片，从上至下分别是n-Si，p-Si，n-Si，以及基底，共四层。本发明中的选择性电化学硅蚀刻液从开槽位置进入，接触待蚀刻硅层的侧面，从侧面开始向内蚀刻。本发明蚀刻的目的在于将第一层和第三层的n-Si蚀刻，而保持第二层的p-Si不被蚀刻。

为了更好的验证本发明实施例和对比例中的实施效果，本发明中对电化学蚀刻完成的结构片进行SEM表征，并测量n-Si的蚀刻深度。电化学蚀刻过程包括以下步骤：

（1）按照表1、2中的原料配制电化学硅蚀刻液并将其置于容器中；

（2）分别将阳极n/p/n/substrate叠层开槽结构片、阴极铂片和Ag/AgCl参比电极置于电化学硅蚀刻液中；

（3）对阳极施加一定的电压，磁力搅拌下进行电化学蚀刻，蚀刻条件见表1、2；

（4）在蚀刻温度均是20-25 ℃，蚀刻时间是5 min后，取下阳极并用超纯水清洗干净，氮气吹干。

本发明不同条件下的实施例和对比例列于表1和表2中。

表1 不同电压下电化学硅蚀刻液的蚀刻效果

表1结果显示，在电化学硅蚀刻液配方5% HF，3%醋酸铵，2% PEG400固定的条件下，阳极施加的电压从-0.5 V（vs. Ag/AgCl）到1.2 V（vs. Ag/AgCl），电压越正，n-Si蚀刻的速率越快，而p-Si不会发生蚀刻。当所施加的电压达到1.4 V、1.6 V（vs. Ag/AgCl），p-Si开始发生蚀刻，在此较高电压下p-Si同样也会发生电化学氧化，进而被刻蚀。图1显示的是实施例3条件下对应的蚀刻后SEM图，n-Si蚀刻深度381.8 nm，中间的p-Si完全未被蚀刻。图2展示的是对比例4条件下蚀刻后SEM图，即在-2 V（vs. Ag/AgCl）电压下，n-Si和p-Si均不能发生电化学氧化，进而也无法发生蚀刻。图3展示的是对比例2条件下蚀刻后SEM图，在1.6 V（vs. Ag/AgCl）电压下，n-Si发生电化学蚀刻，而此较高电压也将p-Si部分氧化，进而p-Si也发生了明显蚀刻。

表2 不同配方电化学硅蚀刻液的蚀刻效果

表2结果显示，比较实施例10、实施例11、实施例5、实施例12，随着电化学蚀刻液中的HF含量的变化，n-Si的蚀刻深度没有发生特别明显的变化。HF含量越高蚀刻硅氧化物的速率越快，而当HF含量在3%-8%时，决定n-Si蚀刻速率的主要因素在于n-Si的电化学氧化速率，而决定电化学氧化速率的因素又在于电化学电压的大小，电化学电压越正氧化速率越快，蚀刻速率也越快。因此当固定电化学电压为0.4 V（vs. Ag/AgCl）时，改变HF含量（3-8%），n-Si蚀刻速率变化不大。此外，导电化合物和表面活性剂的变化对n-Si的选择性蚀刻速率影响较小。而当不使用导电化合物时（对比例5），由于电化学蚀刻液的导电性较差，对电化学蚀刻效果略有影响，n-Si侧向蚀刻深度减小而p-Si未发生刻蚀。