刻蚀溶液和刻蚀方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种刻蚀溶液和刻蚀方法。

背景技术：

刻蚀是半导体制造工艺、微电子ic制造工艺以及微纳制造工艺中一种相当重要的步骤，通常与光刻相联系，从而实现材料膜层的图形化。刻蚀最简单最常用的分为干法刻蚀和湿法刻蚀。

干法刻蚀是利用工艺腔内的等离子对待刻蚀层进行刻蚀，利用等离子体与待刻蚀层材料的反应或者利用等离子对待刻蚀层的轰击，将所述待刻蚀层去除。干法刻蚀的方向性较强，具有较好的各向异性的刻蚀性能，但是每次干法刻蚀的过程中，工艺腔内只能容纳一块晶圆，即每次干法刻蚀仅能够对一块晶圆单独进行，因此干法刻蚀的工艺效率较低，晶圆每小时量(waferperhour，wph)较小。

而湿法刻蚀是在待处理的半导体结构上形成抗蚀的掩膜层之后，将待处理的半导体结构浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，由此使没有被掩膜层遮盖的部分材料膜层与试剂发生化学反应而被除去。因此湿法刻蚀的采用能够有效提高工艺效率，提高晶圆每小时量。

但是现有技术采用湿法刻蚀对待刻蚀层进行处理时，往往会出现严重的下切(undercut)问题，从而影响了湿法刻蚀刻蚀效果，影响了所形成半导体结构的性能。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种刻蚀溶液和刻蚀方法，以改善下切问题，提高湿法刻的刻蚀效果，实现工艺效率和刻蚀效果的兼顾。

为解决上述问题，本发明提供一种刻蚀溶液，所述刻蚀溶液用于对待刻蚀层进行湿法刻蚀，包括：

刻蚀剂；添加剂，所述添加剂包括阻挡颗粒。

可选的，所述阻挡颗粒尺寸与所述待刻蚀层厚度的比值在1/20到1/2范围内。

可选的，所述阻挡颗粒的尺寸在0.1μm到1μm范围内。

可选的，所述添加剂中，所述阻挡颗粒的质量百分比浓度在20％到40％范围内。

可选的，所述阻挡颗粒的材料为高分子材料。

可选的，所述阻挡颗粒的材料包括聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水中的至少两种。

可选的，所述阻挡颗粒的材料为聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水的络合物。

可选的，所述待刻蚀层的材料为金属；所述刻蚀剂为酸性溶液。

可选的，所述待刻蚀层的材料为铝；所述刻蚀剂包括：磷酸、硝酸和乙酸中的一种或多种。

可选的，所述刻蚀溶液温度为50℃到60℃范围内时；所述刻蚀剂对所述待刻蚀层的垂直刻蚀速率在到范围内。

可选的，所述添加剂占所述刻蚀溶液的体积比大于或等于0.5％。

可选的，所述添加剂占所述刻蚀溶液的体积比在0.8％到1.2％的范围内。

相应的，本发明还提供一种刻蚀方法，包括：

提供衬底，所述衬底上具有待刻蚀层；提供本发明的刻蚀溶液；采用所述刻蚀溶液对所述待刻蚀层进行湿法刻蚀，使所述待刻蚀层图形化，以形成目标图形层。

可选的，所述目标图形层的宽度大于40μm。

可选的，采用所述刻蚀溶液对所述刻蚀溶液进行湿法刻蚀，所述刻蚀剂的流量在8l/min到10l/min。

可选的，湿法刻蚀之后，对所述目标图形层进行清洗处理。

可选的，通过去离子水对所述目标图形层进行所述清洗处理。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案中，所述刻蚀溶液内包括阻挡颗粒，采用所述刻蚀溶液对待刻蚀层进行湿法刻蚀的过程中，在所述待刻蚀层的侧壁露出后，所述阻挡颗粒能够进入所述待刻蚀层的侧壁位置处，并填充于所述待刻蚀层的侧壁上，从而降低所述待刻蚀层的侧壁与所述刻蚀剂接触的几率，抑制所述刻蚀剂对所述待刻蚀层侧壁的刻蚀，减小所述刻蚀溶液对所述待刻蚀层侧壁的刻蚀效率，从而达到改善下切问题、提高湿法刻蚀效果的目的，有利于工艺效率和刻蚀效果的兼顾。

本发明可选方案中，所述阻挡颗粒尺寸与所述待刻蚀层厚度的比值在1/20到1/2范围内。所述阻挡颗粒尺寸与所述待刻蚀层厚度的比值不宜太大也不宜太小：所述阻挡颗粒尺寸与所述待刻蚀层厚度的比值如果太大，则所述阻挡颗粒可能无法进入所述待刻蚀层侧壁的位置处；所述阻挡颗粒尺寸与所述待刻蚀层厚度的比值如果太小，则可能会影响所述阻挡颗粒在所述待刻蚀层侧壁上的填充效果；所述阻挡颗粒无法进入所述待刻蚀层侧壁位置处和所述阻挡颗粒在所述待刻蚀层侧壁上填充效果的欠佳均会影响所述阻挡颗粒降低所述待刻蚀层侧壁与所述刻蚀剂接触几率的作用，不利于抑制所述刻蚀剂对所述待刻蚀层侧壁的刻蚀，不利于下切问题的改善。

本发明可选方案中，所述添加剂和所述刻蚀剂的体积比大于或等于0.5％。所述添加剂和所述刻蚀剂的体积比过小，所述阻挡颗粒在所述刻蚀溶液中的浓度过小，会影响所述阻挡颗粒降低所述待刻蚀层侧壁与所述刻蚀剂接触几率的作用，不利于抑制所述刻蚀剂对所述待刻蚀层侧壁的刻蚀，不利于下切问题的改善。

本发明可选方案中，所述添加剂和所述刻蚀剂的体积比在0.8％到1.2％的范围内。在湿法刻蚀过程中，刻蚀溶液会随着刻蚀工艺的进行而出现流失，因此将所述添加剂在所述刻蚀溶液中所占体积比设置在合理范围内，能够使所述刻蚀溶液中所述阻挡颗粒维持在一定的浓度，既能够实现下切问题的改善，又能够保证所述刻蚀溶液对所述待刻蚀层的刻蚀效率，从而实现工艺效率和刻蚀效果的兼顾。

本发明可选方案中，所述阻挡颗粒的材料为高分子材料，具体的，所述阻挡颗粒的材料可以为聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水中的至少两种的混合物，也可为聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水的络合物。合理设置所述阻挡颗粒的材料，能够有效防止所述阻挡颗粒的加入对所述衬底上半导体结构的不良影响，有利于制造良率的提高；而且将所述阻挡颗粒的材料如此设置，也能够后续通过清洗的方式去除所述阻挡颗粒，从而尽量减少所形成目标图形层表面所述阻挡颗粒的残余，有利于为后续工艺提供良好的工艺表面。

附图说明

图1至图2示出了一种采用湿法进行刻蚀的方法各个步骤所对应的剖面结构示意图；

图3至图6是本发明刻蚀方法一实施例各个步骤所对应的剖面结构示意图；

图7是现有刻蚀溶液对所述待刻蚀层进行刻蚀之后进行测试的结果图；

图8是采用本发明刻蚀溶液(添加剂体积比为0.2％)对所述待刻蚀层进行刻蚀之后进行测试的结果图；

图9是采用本发明刻蚀溶液(添加剂体积比为1％)对所述待刻蚀层进行刻蚀之后进行测试的结果图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中采用湿法刻蚀对待刻蚀层进行处理存在严重的下切问题。现结合一种湿法刻蚀的过程分析其下切问题严重的原因：

参考图1和图2示出了一种采用湿法进行刻蚀的方法各个步骤所对应的的剖面结构示意图。

如图1所示，提供衬底11，所述衬底上形成有待刻蚀层12，部分所述待刻蚀层12上形成有掩膜层13；如图2所示，采用刻蚀溶液对所述待刻蚀层12(如图1所示)进行湿法刻蚀，使所述待刻蚀层图形化，以形成目标图形层14。

由于湿法刻蚀是利用待刻蚀层材料与刻蚀溶液相互反应而实现对待刻蚀层的刻蚀的，因此大部分湿法刻蚀是各向同性(isotropic)的，即对刻蚀接触点的任何方向，刻蚀速率并无明显差异。

另一方面，待刻蚀层是有厚度的，当待刻蚀层被刻蚀之后，所述待刻蚀层的侧壁会露出，从而与刻蚀溶液直接接触，因此刻蚀溶液也会对待刻蚀层的侧壁造成腐蚀，从而出现侧向侵蚀现象，即下切问题。

为解决所述技术问题，本发明提供一种刻蚀溶液和刻蚀方法，通过在所述刻蚀溶液中添加包含有阻挡颗粒的添加剂，在所述待刻蚀层侧壁露出后，使所述阻挡颗粒进入所述待刻蚀层的侧壁位置处，并填充于所述待刻蚀层的侧壁上，以实现抑制所述刻蚀剂对所述待刻蚀层侧壁刻蚀的目的，从而改善下切问题、提高湿法刻蚀效果，实现有利于工艺效率和刻蚀效果的兼顾。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图3至图6，示出了本发明刻蚀方法一实施例各个步骤所对应的剖面结构示意图。

需要说明的是，采用所述刻蚀方法形成微机电系统中的金属互联结构的做法仅为一实例。本发明其他实施例中，所述刻蚀方法还可以适用于其他金属或者非金属材料的刻蚀，本发明对此不做限定。

参考图3，提供衬底110，所述衬底110上具有待刻蚀层130。

所述衬底110用于为后续工艺提供操作平台。

本实施例中，所述衬底110的材料为单晶硅。本发明其他实施例中，所述衬底的材料还可以选自多晶硅或者非晶硅，也可以选自硅、锗、砷化镓或硅锗化合物；所述衬底还可以是其他半导体材料。

需要说明的是，所述衬底110上还形成有隔离层120用于实现所述衬底110和所述待刻蚀层130之间的电隔离；此外，所述隔离层120还用于在后续刻蚀的过程中保护所述衬底110，防止衬底110受到后续刻蚀工艺的损伤。

具体的，所述隔离层120的材料为氧化硅，可以通过化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积以及炉管等膜层沉积方式形成。本发明其他实施例中，所述隔离层的材料还可以是氮化硅、氮氧化硅等其他介质材料。

本实施例中，所述隔离层120的厚度在到范围内。所述隔离层120的厚度不宜太大也不宜太小。所述隔离层120的厚度如果太小，则可能会影响所述隔离层120的电隔离性能，影响所述衬底110和后续所形成金属互联结构之间的电绝缘，还可能会影响所述隔离层120对所述衬底110的保护能力，可能会增加衬底110受损的风险；所述隔离层120的厚度如果太大，则容易出现材料浪费、工艺难度增大的问题。

所述待刻蚀层130受到刻蚀后形成目标图形层。

本实施例中，以微机电系统(mems，micro-electro-mechanicalsystem)中，金属互联结构的刻蚀方法为例进行说明。所以所述待刻蚀层130的材料为金属，用于形成微机电系统中的金属互联结构。具体的，所述待刻蚀层130的材料为铝。

本实施例中，所述待刻蚀层130的厚度在1.5μm到2.5μm范围内。所述待刻蚀层130的厚度不宜太大也不宜太小。所述待刻蚀层130的厚度如果太小，则所述待刻蚀层130的电阻会随之增大，可能会影响所述待刻蚀层130所形成金属互联结构的性能；所述待刻蚀层130的厚度如果太大，则容易出现材料浪费、工艺难度增大的问题。

需要说明的是，所述待刻蚀层130上还形成有图形层140。

所述图形层140作为刻蚀掩膜，用于定义后续所形成目标图形层的尺寸和位置。

本实施例中，所述图形层140的材料为光刻胶，采用涂布工艺和光刻工艺形成。本发明其他实施例中，所述图形层还可以是采用多重图形化掩膜工艺形成的掩膜层。具体的，本实施例中，所述图形层140的厚度在40μm到50μm范围内。

参考图4至图6，提供所述衬底110之后，提供刻蚀溶液；采用所述刻蚀溶液对所述待刻蚀层130进行湿法刻蚀，使所述待刻蚀层130图形化，以形成目标图形层。

所述刻蚀溶液用于对待刻蚀层130进行湿法刻蚀，所述刻蚀溶液包括：刻蚀剂151；添加剂，所述添加剂包括阻挡颗粒152。

所述图形层140内具有开口，所述开口底部露出部分所述待刻蚀层130的表面，所露出的所述待刻蚀层130表面后续与所述刻蚀溶液中的刻蚀剂151发生反应而被去除从而实现刻蚀。

采用所述刻蚀溶液对待刻蚀层130进行湿法刻蚀的过程中，在所述待刻蚀层130的侧壁露出后，所述刻蚀溶液中的阻挡颗粒152能够进入所述待刻蚀层130的侧壁位置处(如图4至图6中，圈153内所示)，并填充于所述待刻蚀层130的侧壁上，从而降低所述待刻蚀层130的侧壁与所述刻蚀剂151接触的几率，抑制所述刻蚀剂151对所述待刻蚀层130侧壁的刻蚀，减小所述刻蚀溶液对所述待刻蚀层130侧壁的刻蚀效率，从而达到改善下切问题、提高湿法刻蚀效果的目的，有利于工艺效率和刻蚀效果的兼顾。

本实施例中，为了使所述阻挡颗粒152能够填充于所述待刻蚀层130的侧壁位置，所述阻挡颗粒152尺寸与所述待刻蚀层130厚度的比值在1/20到1/2范围内。

所述阻挡颗粒152尺寸与所述待刻蚀层130厚度的比值不宜太大也不宜太小：所述阻挡颗粒152尺寸与所述待刻蚀层130厚度的比值如果太大，则所述阻挡颗粒152可能无法进入所述待刻蚀层130侧壁的位置处；所述阻挡颗粒152尺寸与所述待刻蚀层130厚度的比值如果太小，则可能会影响所述阻挡颗粒152在所述待刻蚀层130侧壁上的填充效果；所述阻挡颗粒152无法进入所述待刻蚀层130侧壁位置处和所述阻挡颗粒152在所述待刻蚀层130侧壁上填充效果的欠佳都会影响所述阻挡颗粒152降低所述待刻蚀层130侧壁与所述刻蚀剂151接触几率的作用，不利于抑制所述刻蚀剂151对所述待刻蚀层130侧壁的刻蚀，不利于下切问题的改善。

具体的，所述待刻蚀层130的厚度在1.5μm到2.5μm范围内，所以所述阻挡颗粒152的尺寸在0.1μm到1μm范围内。

所述阻挡颗粒152的材料可以为高分子材料。具体的，所述阻挡颗粒152的材料包括聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水中的至少两种。本实施例中，所述阻挡颗粒152的材料为聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水的络合物。

所述阻挡颗粒152的材料为高分子材料，具体的，所述阻挡颗粒152的材料可以为聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水中的至少两种的混合物，本实施例中，所述阻挡颗粒152的材料为聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水的络合物。合理设置所述阻挡颗粒152的材料，能够有效防止所述阻挡颗粒152的加入对所述衬底110上半导体结构的不良影响，有利于制造良率的提高；而且将所述阻挡颗粒152的材料如此设置，也能够后续通过清洗的方式去除所述阻挡颗粒152，从而尽量减少所形成目标图形层表面所述阻挡颗粒152的残余，有利于为后续工艺提供良好的工艺表面。

另一方面，由于所述待刻蚀层130的材料为金属，所以所述刻蚀剂151为酸性溶液。本实施例中，所述待刻蚀层130的材料为铝；所述刻蚀剂151包括：磷酸、硝酸和乙酸中的一种或多种。具体的，所述刻蚀剂151中，所述刻蚀剂151包括：磷酸的体积比在75％到85％范围内、硝酸的体积比在5％到15％范围内；乙酸的体积比在5％到15％范围内。

所以，所述刻蚀溶液温度为50℃到60℃范围内时；所述刻蚀剂151对所述待刻蚀层130的垂直刻蚀速率在到范围内。其中，所述垂直刻蚀速率是指在垂直所述待刻蚀层130表面的方向上，所述刻蚀剂对所述待刻蚀层130的刻蚀速率。

需要说明的是，本实施例中，所述添加剂中，所述阻挡颗粒152的质量百分比浓度在20％到40％范围内。

所述添加剂内所述阻挡颗粒152的浓度不宜太高也不宜太低。所述添加剂内所述阻挡颗粒152的浓度如果太低，则会影响所述阻挡颗粒152在所述待刻蚀层130侧壁上的填充效果，从而影响所述阻挡颗粒152降低所述待刻蚀层130侧壁与所述刻蚀剂151接触几率的作用，不利于下切问题的改善；所述添加剂内所述阻挡颗粒152的浓度如果太高，则可能会影响所述刻蚀溶液对所述待刻蚀层130的刻蚀效率，不利于保证工艺效率，不利于实现工艺效率和刻蚀效果的兼顾。

而且，所述添加剂占所述刻蚀溶液的体积比大于或等于0.5％。

所述添加剂和所述刻蚀剂的体积比不宜太大也不宜太小。所述添加剂和所述刻蚀剂的体积比过小，所述阻挡颗粒152在所述刻蚀溶液中的浓度过小，会影响所述阻挡颗粒152降低所述待刻蚀层130侧壁与所述刻蚀剂151接触几率的作用，不利于抑制所述刻蚀剂151对所述待刻蚀层130侧壁的刻蚀，不利于下切问题的改善。

具体的，所述添加剂占所述刻蚀溶液的体积比在0.8％到1.2％的范围内。在湿法刻蚀过程中，刻蚀溶液会随着刻蚀工艺的进行而出现流失，因此将所述添加剂在所述刻蚀溶液中所占体积比设置在合理范围内，能够使所述刻蚀溶液中所述阻挡颗粒152维持在一定的浓度，既能够实现下切问题的改善，又能够保证所述刻蚀溶液对所述待刻蚀层的刻蚀效率，从而实现工艺效率和刻蚀效果的兼顾。

具体的，本实施例中，采用所述刻蚀溶液对所述刻蚀溶液进行湿法刻蚀过程中，所述刻蚀剂的流量在8l/min到10l/min，根据所述刻蚀剂的流量，设置所述添加剂的添加量，从而达到改善下切问题，保证刻蚀效率的目的。

需要说明的是，本实施例中，所述目标图形层的宽度大于40μm。由于工艺限制，所述目标图形层的宽度不能太小。所述目标图形层的宽度太小，则湿法刻蚀无法形成达到工艺要求的目标图形层，从而不利于保证产品良率和器件性能。

还需要说明的是，本实施例中，湿法刻蚀之后，对所述目标图形层进行清洗处理。具体的，通过去离子水对所述目标图形层进行所述清洗处理。

由于所述阻挡颗粒152的材料设置为高分子材料，具体为聚乙烯、聚丙烯、乙二醇和水的络合物，所以以去离子水对所述目标图形层的清洗，能够去除所述目标图形层表面残留的添加剂，从而去除所述阻挡颗粒152的残留，为后续工艺提供清洁的操作表面。

结合参考图7至图9，图7是现有刻蚀溶液对所述待刻蚀层进行刻蚀之后进行测试的结果图；图8是采用本发明刻蚀溶液(添加剂体积比为0.2％)对所述待刻蚀层进行刻蚀之后进行测试的结果图；图9是采用本发明刻蚀溶液(添加剂体积比为1％)对所述待刻蚀层进行刻蚀之后进行测试的结果图。

从图7至图9中可以看到，当待刻蚀层被刻蚀之后，所述待刻蚀层的侧壁会露出，从而出现下切问题。

但是如图7所示，由于现有技术中，所述刻蚀溶液中并未添加阻挡颗粒，所述刻蚀剂与所述待刻蚀层侧壁接触的几率较高，所述待刻蚀层侧壁受到刻蚀的现象比较严重，所述图形层和所述衬底之间所形成缝隙的长度d1约为8μm。

如图8和图9所示，采用本发明刻蚀溶液进行刻蚀之后，由于阻挡颗粒的加入，所述刻蚀剂与所述待刻蚀层侧壁接触的几率降低，所述待刻蚀层侧壁受到刻蚀的现象得以缓解，所述下切问题得以改善，所以所述图形层和衬底之间所形成缝隙的长度d2和d3均有所减小。

而且图8所示实施例中，所述添加剂体积比较低，所述待刻蚀层侧壁受到刻蚀的现象得以缓解，所述图形层和衬底之间所形成缝隙的长度d2相对较大，约为5μm；而图9所示实施例中，所述添加剂体积比较高，所述待刻蚀层侧壁受到刻蚀的现象得以缓解更明显，所述图形层和衬底之间所形成缝隙的长度d3更小，约为3μm。所以包含有阻挡颗粒的添加剂的加入，能够有效的缓解所述待刻蚀层侧壁受到的刻蚀，从而改善下切问题。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。