KOH 與 TMAH 的差異:矽的非等向性蝕刻之速度、遮罩、CMOS 相容性比較

KOH 與 TMAH 都是會依晶面以差異極大的速度溶解矽的鹼性水溶液。由於 (111) 面的蝕刻速度遠比其他面慢,在 (100) 面的晶圓上,(111) 面會以約 54.7° 的斜面出現,因此能做出 V 形溝槽、金字塔形的孔與薄的膜片(diaphragm)。KOH 便宜、晶面間的速度差大,長久以來用於 MEMS 的體型微加工。不過,鉀離子會擾亂電晶體的特性,因此不能帶入 CMOS 製程。TMAH 不含金屬離子,容易與 CMOS 相容,也容易以氧化膜作為遮罩,但晶面間的速度差較小。此外,TMAH 經皮膚吸收會造成嚴重中毒,處理時需要特別注意。

項目KOHTMAH
成分與使用條件氫氧化鉀水溶液。一般以約 20~40 wt%、約 60~90 ℃ 使用氫氧化四甲基銨水溶液(不含金屬的有機鹼)。一般以約 5~25 wt%、約 70~90 ℃ 使用
(100) 面蝕刻速度的參考值一般為每分鐘 1 µm 左右(隨濃度與溫度大幅變化)一般為每分鐘約 0.3~1 µm,多半比 KOH 慢
(100) 面與 (111) 面的速度比大。一般為 100 倍以上,視條件可達數百倍較小。一般為十幾至數十倍左右
可用的遮罩最適合氮化矽膜(LPCVD)。SiO2 的蝕刻速度也不可忽略,長時間蝕刻需要厚膜SiO2 的蝕刻非常慢,容易以熱氧化膜作為遮罩。也可使用氮化矽膜
與 CMOS 的相容性差。鉀離子會成為可動離子進入閘極氧化膜,使臨界電壓變動,因此不帶入 CMOS 製程。也會快速侵蝕鋁導線佳。不含金屬離子,可用於完成 CMOS 電路後的 MEMS 加工(後 CMOS)。會侵蝕鋁導線,但已知有溶入矽等以抑制侵蝕的條件
蝕刻表面的粗糙度在濃度較高的條件下,較容易得到平滑的表面濃度低時,(100) 面容易產生小的金字塔狀突起(hillock)。提高濃度會變平滑,但蝕刻變慢
安全性與處理強鹼,會對皮膚與眼睛造成嚴重傷害。藥液便宜、容易處理除了是強鹼之外,經皮膚吸收後會妨礙神經對肌肉的訊號傳遞,可能造成呼吸停止等全身性中毒。高濃度液特別危險
主要用途壓力感測器的膜片、對準光纖用的 V 形溝槽、噴墨的噴嘴、貫穿晶圓的孔等,不含電路之 MEMS 的體型加工與電路做在同一晶片上之 MEMS 結構的釋放(熱式感測器等),以及需要避免金屬離子汙染的矽非等向性蝕刻

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

KOH
適合便宜、快速、深入地蝕刻不含電路的 MEMS 零件。晶面間的速度差大,容易得到準確的形狀,並以氮化矽膜作為遮罩使用。
TMAH
在加工已有 CMOS 電路的晶圓,或需要避免金屬離子汙染時選用。能以熱氧化膜作為遮罩也是優點,但處理時需要嚴格的防護具與程序。

常見問題

為什麼 (111) 面的蝕刻很慢?

一般的說明是,(111) 面表面的原子以 3 個鍵與晶體內側相連,露出表面的鍵只有 1 個,因此不容易被溶液拉離。由於這個差異,在 (100) 面的晶圓上,(111) 面幾乎不被蝕刻而保留下來,形成約 54.7° 的斜面。

為什麼 KOH 不能用在 CMOS 製程?

因為鉀與鈉同屬鹼金屬,會成為在閘極氧化膜中移動的可動離子,使臨界電壓變動。即使極微量也會造成問題,因此會管理使用過 KOH 的設備與晶圓,不讓它們進入 CMOS 製程。

如何讓蝕刻停在固定的深度?

以非常高濃度摻雜硼的層,幾乎不會被鹼性溶液蝕刻,因此可停在該層(硼蝕刻停止),KOH 與 TMAH 都適用。另外也有對 pn 接面施加電壓來停止的電化學方法,以及停在 SOI 晶圓埋入氧化層的方法。若只靠時間控制,晶圓厚度的不均會直接變成剩餘膜厚的不均。

TMAH 與光阻的顯影液是同一種東西嗎?

是同一種物質,但濃度與溫度不同。顯影液是約 2.38% 的稀溶液,在室溫附近使用;矽蝕刻則使用約 5~25% 的溶液,加熱到約 70~90 ℃。兩者都必須避免接觸皮膚,尤其高濃度液特別危險。

理解度檢測

關於以氫氧化鉀(KOH)水溶液對矽進行濕式蝕刻的特徵,下列何者正確?

  1. A蝕刻速率因晶面而有很大差異,(111)面非常慢,因此會形成具有斜面的V字形溝槽等
  2. B在所有晶面上以相同速度進行的等向性蝕刻
  3. C高速溶解氧化層
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正確答案:A. 蝕刻速率因晶面而有很大差異,(111)面非常慢,因此會形成具有斜面的V字形溝槽等

KOH等鹼性溶液對矽(111)面的蝕刻速度僅約為(100)面的百分之一,因此在(100)晶圓上會出現(111)面,形成具有約54.7°斜面的V字形溝槽或金字塔形的孔。利用這種由晶體方位造成的非等向性,可以製作MEMS壓力感測器的薄膜、噴墨的噴嘴,以及太陽能電池表面用來侷限光線的凹凸(紋理)等。

半導體的顯影液不使用氫氧化鈉等,而使用TMAH這類有機鹼,其主要理由為下列何者?

  1. A因為TMAH的顏色較深
  2. B因為TMAH一定比較便宜
  3. C為了避免鈉等金屬離子造成的汙染
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正確答案:C. 為了避免鈉等金屬離子造成的汙染

鈉或鉀等鹼金屬離子會在氧化膜中因電場而移動,成為可動離子,使電晶體的臨界電壓變動。早期MOS元件不穩定的主要原因就是這種鈉汙染。TMAH是不含金屬的有機鹼,因此沒有這類汙染的疑慮。顏色或價格並非被選用的理由,TMAH也不一定比較便宜。

顯影液所使用的TMAH(氫氧化四甲銨)高濃度液沾到皮膚時被視為特別危險,其理由為下列何者?

  1. A因為會放出強烈的輻射
  2. B因為會從皮膚被吸收,妨礙神經與肌肉的功能,可能引起呼吸停止等全身性中毒
  3. C因為會立刻結凍而造成凍傷
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正確答案:B. 因為會從皮膚被吸收,妨礙神經與肌肉的功能,可能引起呼吸停止等全身性中毒

TMAH是強鹼,不僅會傷害皮膚,從皮膚被吸收的四甲銨離子還會妨礙從神經到肌肉的訊號傳遞,可能導致呼吸停止等。比起顯影使用的2.38%溶液,接近原液的25%左右高濃度液特別危險,在台灣等地曾有接觸造成死亡事故的報告。穿戴防護具,以及沾到時立即清洗並就醫很重要。

  1. 關於非等向性蝕刻的說明,下列何者正確?
  2. 關於濕式蝕刻的一般特徵,下列何者正確?

前往蝕刻的練習題

相關名詞的解說

非等向性蝕刻
蝕刻僅沿特定方向(主要是垂直方向)進行的特性。是加工微細圖案所必需的。
濕式蝕刻
浸入藥液使薄膜溶解而去除的方法。選擇比高且損傷小,但一般為等向性進行,不適合微細加工。
TMAH(氫氧化四甲基銨)
氫氧化四甲基銨。不含金屬離子的有機鹼,用於光阻的顯影液。需注意經由皮膚吸收造成的中毒。
晶體方向
表示晶面與晶向的朝向。以(100)這類米勒指數表示,MOSFET用的矽晶圓一般採用(100)面。
可動離子
能在閘極氧化膜中移動的鈉、鉀等離子。會隨電場與溫度移動而使臨界電壓變動。由於會從人體汗水等混入,因此受到嚴格管控。
MEMS(微機電系統)
微機電系統。利用半導體的微細加工技術,將微小的機械結構與電子電路製作在一起的元件。
蝕刻選擇比
蝕刻時,想去除的薄膜與遮罩或底層薄膜之蝕刻速率比。比值越大,越不易損傷底層。

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