一種多層金屬圖形化工藝中的濕法腐蝕方法
【專利摘要】一種多層金屬圖形化工藝中的濕法腐蝕方法，利用冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液對Ag和Ni進行腐蝕，利用稀氫氟酸對Ti進行腐蝕，利用Al腐蝕液對Al進行腐蝕，最后利用APM溶液對TiN和Ti進行腐蝕。本發明只需要一次光刻，大大降低了成本，由于所有濕法腐蝕的步驟中對腐蝕窗口的形貌控制的比較好，因此提高了圖形化工藝的品質，將Ag、Ni、Al以及TiN和Ti分別在一個步驟中腐蝕，節省了濕法腐蝕工藝的流程，提高可工藝的效率。
【專利說明】一種多層金屬圖形化工藝中的濕法腐蝕方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體圖形化工藝，具體地說，是一種一次光刻實現多層金屬結構的濕法腐蝕方法。
【背景技術】
[0002]目前，半導體器件大多以硅單晶為基片，通過擴散等生產工藝后在硅片內按照設計形成一個或數個PN結，但硅是一種非金屬半導體，不易與外界電路相連。傳統的半導體器件外引出線與硅片連接，一般根據器件的結構采用兩種方式，即焊接式和壓接式，焊接式用化學鍍銀工藝使硅片表面形成一銀層電極，再采用鉛錫等焊料與外部引線焊接相連；壓接式用鋁燒結和蒸發工藝加工，在硅片的陽極面用鋁與鑰片燒結，陰極面上蒸發形成一鋁層電極，然后與外壓塊相連。中小功率器件電流較小，硅片面積小，一般采用焊接式連接；大功率器件工作電流大，硅片面積大，為避免應力影響器件性能，一般采用壓接式連接。
[0003]上述化學鍍銀、鋁燒結和蒸發工藝方法制備電極方法的缺點是:化學鍍銀工藝穩定性不好，硅銀合金容易引起硅片內部應力加大，可靠性差，特別是較大面積硅片合金時引起應力和形變較大，嚴重的將導致硅片裂開，使器件失效。壓接式所采用的鋁燒結工藝中，其鋁是施主物質，在合金過程中容易使鋁擴散進硅片層形成PN結，嚴重影響器件的性能，甚至不能工作，另外蒸鋁器件在工作過程中存在鋁遷移現象，器件陰極蒸上去的鋁層在工作過程中會逐漸消失，最終會因無鋁而不能工作，影響器件可靠性和壽命。
[0004]因此業界提出了由Ag-N1-T1-Al-TiN-Ti組成的多層金屬結構來代替單層的Ag或Al電極，以提高電極的穩定性、導電性和使用壽命。
[0005]然而現有的Ag-N1-T1-Al-TiN-Ti多層金屬圖形化工藝，普遍使用Lift-Off技術進行圖形化，Lift-Off工藝在加工多層金屬結構時，需要使用到2次光刻，這樣大大加大了圖形化工藝的成本。
[0006]因此，有必要發明一種新的一次光刻實現多層金屬腐蝕工藝，以降低現有工藝中的制作成本。
【發明內容】
[0007]有鑒于此，本發明提出了一種一次光刻實現多層金屬腐蝕工藝中的濕法腐蝕方法，濕法腐蝕方法能夠對多層金屬結構中的各個金屬層進行腐蝕，從而實現I次光刻加多次腐蝕的圖形化工藝，減少了成本。根據本發明的目的提出的一種多層金屬結構的濕法腐蝕方法，所述多層金屬結構從襯底方向依次包括鈦、氮化鈦、鋁、鈦、鎳、銀，該濕法腐蝕方法包括步驟:
[0008]以冰乙酸、硝酸和水的混合液對銀/鎳進行同步腐蝕；
[0009]以氫氟酸對鈦進行腐蝕；
[0010]以鋁腐蝕液腐蝕鋁層；
[0011]以APM腐蝕液同步腐蝕氮化鈦/鈦層。[0012]優選的，所述冰乙酸、硝酸和水的混合液中三者的比例為2:1:1至5:1:1。
[0013]優選的，所述APM腐蝕液中氨水、雙氧水和水的比例為1: 1:5至1:2:1 5。
[0014]優選的，所述銀/鎳以及氮化鈦/鈦層的腐蝕步驟中，還包括補充原腐蝕液的步驟來保證藥液穩定性。
[0015]同時本發明還提出了一種多層金屬結構的圖形化工藝，該圖形化工藝包括步驟:
[0016]I)在圓片表面依次沉積鈦、氮化鈦、鋁、鈦、鎳、銀，形成多層金屬結構；
[0017]2)在步驟I)中的多層金屬結構表面涂布光刻膠，并對光刻膠進行光刻，形成光刻膠掩膜；
[0018]3)利用步驟2)中的光刻膠掩膜，對多層金屬結構進行多次濕法腐蝕工藝，該多次濕法腐蝕工藝包括:
[0019]3.1)以冰乙酸、硝酸和水的混合液對銀/鎳進行同步腐蝕；
[0020]3.2)以氫氟酸對銀/鎳下層的鈦進行腐蝕；
[0021]3.3)以鋁腐蝕液對鈦下層的鋁層進行腐蝕；
[0022]3.4)以APM腐蝕液對鋁層下的氮化鈦/鈦進行同步腐蝕。
[0023]優選的，步驟3)中，每次在進入下一步腐蝕之前，還包括以熱堅膜工藝來保證光刻膠的黏附性。
[0024]本發明與現有技術相比，其優點在于:
[0025]第一:本發明至需要一次光刻，大大降低了成本；
[0026]第二:由于所有濕法腐蝕的步驟中對腐蝕窗口的形貌控制的比較好，因此提高了圖形化工藝的品質。
[0027]第三:將Ag和Ni以及TiN和Ti分別在一個步驟中腐蝕，節省了濕法腐蝕工藝的流程，提高可工藝的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0029]圖1是本發明的多層金屬圖形化工藝的步驟流程圖；
[0030]圖2是本發明所需處理的多層金屬結構的示意圖；
[0031]圖3至圖6是本發明濕法腐蝕過程中對應的產品狀態圖。
【具體實施方式】
[0032]正如【背景技術】中所述，現有的多層金屬圖形化工藝中，普遍采用Lift-Off技術制作，該工藝需要用到兩次光刻，即對Al層的第一次光刻和Lift-Off中的第二次光刻。因此現有的多層金屬圖形化工藝的工藝復雜度和成本大大影響了半導體多層金屬工藝的發展。
[0033]本發明根據上述情況，提出了一種新的多層金屬圖形化工藝，該多層金屬化工藝，只需要一次光刻技術，然后配合多次濕法腐蝕工藝對多層金屬進行圖形化，大大減少了圖形化工藝的復雜度和成本。[0034]請參見圖1，圖1是本發明的多層金屬圖形化工藝的步驟流程圖，如圖所示，該圖形化工藝包括步驟:
[0035]S1:在襯底表面依次沉積T1、TiN、Al、T1、N1、Ag，形成多層金屬結構；
[0036]S2:在步驟SI中的多層金屬結構表面涂布光刻膠，并對光刻膠進行光刻，形成光刻膠掩模；
[0037]S3:利用步驟S2中的光刻膠掩模，對多層金屬結構進行多次濕法腐蝕工藝，該多次濕法腐蝕工藝包括:
[0038]S31:以冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液對Ag/Ni進行同步腐蝕，將光刻膠掩模的表面圖形傳遞至Ni層；
[0039]S32:以氫氟酸(HF)對Ti進行腐蝕，將步驟S31中Ni層的表面圖形傳遞至Ti層；
[0040]S33:以Al腐蝕液腐蝕Al層，將步驟S32中Ti層的表面圖形傳遞至Al層；
[0041]S34:以APM腐蝕液同步腐蝕TiN/Ti層，將步驟S33中Al層的表面圖形傳遞至Ti層，最終完成濕法腐蝕。
[0042]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0043]請參見圖2，圖2是本發明所需處理的多層金屬結構的示意圖。如圖所示，首先在半導體襯底10上依次制作111 1、11附2、4113、1114、附15和4816。其中半導體襯底10可以為藍寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、SO1、氮化鎵和氮化鋁等材質
[0044]該多層金屬結構中的每層金屬可以通過化學氣相沉積、磁控濺射、原子束外延等生長方式進行制作，其中A113下方的Till、Τ?Ν12兩層，不僅可以防止Al中的金屬離子侵入到襯底中，同時還能減少襯底上的沉積應力，防止金屬層的龜裂和形變。最表面的Agl6層，代替原先的Al層，可以在同外界的電路連接時，直接進行鍵合，避免了引線的制作。
[0045]上述的各層金屬，其沉積厚度可以視具體地應用場合而定，通常作為主要金屬層的A113和Agl6兩層，需要沉積較厚的厚度，而其它的幾層金屬，僅僅起到匹配和保護的作用，因此不需要太厚的厚度。在一種實施方式中，該Till的厚度比如是35nm-40nm，該TiN12的厚度比如是60nm，該A113的厚度比如是lOOOnm，該Til4的厚度比如是30nm_40nm，該Ni 15的厚度比如是50nm，該Agl6的厚度比如是1500nm。
[0046]多層金屬制作完成之后，在Agl6的表面進行涂布光刻膠的工藝，該光刻膠涂布可以是旋涂法或滴涂法。涂布的光刻膠可以是正膠也可以是負膠。
[0047]然后通過曝光、顯影步驟，在光刻膠表面制作出所需要的圖形，使剩余的光刻膠成為后續腐蝕工藝的掩膜。
[0048]光刻膠刻蝕完畢之后，將覆有光刻膠掩模的待腐蝕產品置入腐蝕槽中進行濕法腐蝕工藝。
[0049]對于多層金屬結構的濕法腐蝕，由于不同金屬層的化學性質不同，因此需要以不同的腐蝕液分步驟的進行腐蝕。然而考慮到腐蝕過程中更換腐蝕液帶來的效率問題以及對產品的影響，應當盡可能的減少濕法腐蝕的步驟。所以本發明將該濕法腐蝕的步驟分成4個步驟，其中將Agl6和Ni 15進行同步腐蝕，將Till和TiN12進行同步腐蝕，以此減少腐蝕的步驟，提聞工藝的穩定性和時效。
[0050]首先，針對最表面的Agl6和Ni 15，采用冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液進行一次連續腐蝕，直至露出Til4為止。參見圖3，此時，光刻膠17的表面圖形被傳遞至Nil5。在該步腐蝕過程中，需要注意Agl6和Nil5的橫向腐蝕速率，即對Agl6和Nil5的內侵量。如果Agl6的內侵量小于Nil5，則會在腐蝕過后，出現Agl6層的懸梁臂。這種懸梁臂容易斷裂，從而導致器件在后續的加工過程中出現雜質缺陷，或者器件完成后，在電性能上出現誤差。控制該兩層的橫向刻蝕速率，關鍵在于混合液的濃度比，在本發明中，該冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液濃度比為2:1: I至5:1:1。
[0051]另外，在腐蝕過程中，為了彌補腐蝕液因損耗而造成的濃度下降，需要不停的補入原配比的腐蝕液。具體的補充方式可以從開始腐蝕后，按一定時間為步長進行補充，比如每隔I個小時，進行一次原液的補充。
[0052]對這兩層腐蝕完成之后，更換腐蝕液或者置入不同的腐蝕槽中進行下一步腐蝕。對Til4進行腐蝕時，采用濃度不超過50%的稀氫氟酸(HF)進行腐蝕。腐蝕至A113為止，此時Nil5上的圖形被傳遞至Til4中，參見圖4。
[0053]接著，采用Al腐蝕液對Al 13進行腐蝕。該Al腐蝕液可以采用市售的一般Al腐蝕液進行腐蝕即可。A113腐蝕完畢后，Τ?14上的圖形被傳遞至A113層中，參見圖5。
[0054]最后，則是采用APM腐蝕液同步刻蝕TiN12/Till層。參照腐蝕Agl6和Ni 15的過程，在腐蝕TiN12/Till時，也需要考慮兩層的橫向腐蝕速率，即要滿足TiN12的內侵量小于Till的內侵量，這樣就可以避免在TiN12上形成懸梁臂。在本發明中，為了滿足上述條件，調配的APM腐蝕液中氨水(ΝΗ40Η)、雙氧水(H2O2)和水的比例為1:1:5至1:2:15。腐蝕完畢后，所有的金屬層都實現了圖形化工藝，參見圖6.[0055]同樣地，在腐蝕過程中，需要補充原腐蝕液，以彌補化學損耗帶來的濃度變化。
[0056]需要注意的是，無論是采用更換腐蝕液還是更換腐蝕槽的方式，由于產品在前道腐蝕工藝中，不可避免的殘余部分腐蝕液，因此每次在進入下一步腐蝕之前，最好采用熱堅膜工藝，將待腐蝕產品表面進行烘干，如此一來，不僅可以將殘留的腐蝕液蒸發，也可以減少表面光刻膠在腐蝕液中浸泡之后產生的飄膠現象，即每次在進入下一步腐蝕之前，以熱堅膜工藝來保證光刻膠的黏附性。
[0057]綜上所述，本發明提出了一種多層金屬圖形化工藝中的濕法腐蝕方法，利用冰乙酸(CH3COOH)、硝酸(HNO3)和水的混合液對Ag和Ni進行腐蝕，利用氫氟酸對Ti進行腐蝕，利用Al腐蝕液對Al進行腐蝕，最后利用APM溶液對TiN和Ti進行腐蝕。與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0058]第一:本發明至需要一次光刻，大大降低了成本；
[0059]第二:由于所有濕法腐蝕的步驟中對腐蝕窗口的形貌控制的比較好，因此提高了圖形化工藝的品質。
[0060]第三:將Ag和Ni以及TiN和Ti分別在一個步驟中腐蝕，節省了濕法腐蝕工藝的流程，提高可工藝的效率。
[0061]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權利要求】
1.一種多層金屬結構的濕法腐蝕方法，所述多層金屬結構從襯底方向依次包括鈦、氮化鈦、鋁、鈦、鎳、銀，其特征在于，該濕法腐蝕方法包括步驟: 以冰乙酸、硝酸和水的混合液對銀/鎳進行同步腐蝕； 以氫氟酸對鈦進行腐蝕； 以鋁腐蝕液腐蝕鋁層； 以APM腐蝕液同步腐蝕氮化鈦/鈦層。
2.如權利要求1所述的多層金屬結構的濕法腐蝕方法，其特征在于:所述冰乙酸、硝酸和水的混合液中三者的比例為2:1:1至5:1: I。
3.如權利要求1所述的多層金屬結構的濕法腐蝕方法，其特征在于:所述APM腐蝕液中氨水、雙氧水和水的比例為1:1:5至1:2:15。
4.如權利要求1所述的多層金屬結構的濕法腐蝕方法，其特征在于:所述銀/鎳以及氮化鈦/鈦層的腐蝕步驟中，還包括補充原腐蝕液的步驟來保證藥液穩定性。
5.一種多層金屬結構的圖形化工藝，其特征在于，該圖形化工藝包括步驟: 1)在圓片表面依次沉積鈦、氮化鈦、鋁、鈦、鎳、銀，形成多層金屬結構； 2)在步驟I)中的多層金屬結構表面涂布光刻膠，并對光刻膠進行光刻，形成光刻膠掩膜； 3)利用步驟2)中的光刻膠掩膜，對多層金屬結構進行多次濕法腐蝕工藝，該多次濕法腐蝕工藝包括: 3.1)以冰乙酸、硝酸和水的混合液對銀/鎳進行同步腐蝕； 3.2)以氫氟酸對銀/鎳下層的鈦進行腐蝕； 3.3)以鋁腐蝕液對鈦下層的鋁層進行腐蝕； 3.4)以APM腐蝕液對鋁層下的氮化鈦/鈦進行同步腐蝕。
6.如權利要求5所述的多層金屬結構的圖形化工藝，其特征在于:步驟3)中，每次在進入下一步腐蝕之前，還包括以熱堅膜工藝來保證光刻膠的黏附性。
【文檔編號】H01L21/28GK103681277SQ201210352843
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月20日 優先權日:2012年9月20日
【發明者】韓文勝, 繆新海, 臧延亮 申請人:無錫華潤上華半導體有限公司