CN101386228B - 通孔形成方法、喷墨头和硅衬底 - Google Patents
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Abstract
提供了一种通孔形成方法、喷墨头和硅衬底。该方法包括如下步骤：在将于硅衬底(101)的第一表面中形成通孔的区域周围形成第一杂质区域(102a)，第一杂质区域(102)的杂质浓度高于硅衬底(101)；沿硅衬底(101)的深度方向在邻近第一杂质区域(102a)的位置形成第二杂质区域(102b)，第二杂质区域(102b)的杂质浓度高于第一杂质区域(102a)；在第一表面上形成蚀刻停止层(103)；在与第一表面相对的硅衬底(101)的第二表面上形成具有开口的蚀刻掩模层(104)；和蚀刻硅衬底(101)直到通过开口露出至少蚀刻停止层(103)。
Description
技术领域
本发明涉及一种通孔形成方法、喷墨头和硅衬底。
背景技术
已经研究了一种通过各向同性或各向异性的蚀刻在硅衬底中形成通孔和将其应用到多种装置中的技术。该技术也被应用到喷墨头的供墨口的形成中。
当形成喷墨头时，特别是当在一个衬底上布置许多喷墨头打印元件时，蚀刻端侧上的通孔的边缘位置有时候与喷墨打印元件和墨孔的位置不重合。结果，喷墨头的喷嘴的打印特性会变化，这大大降低了打印图像的质量。
为了解决该问题，本发明人提出了一种通过在硅衬底中形成通孔处的区域周围形成重掺杂的区域而控制通孔的尺寸的方法(见日本专利早期公开号2004-34533)。
但是，按照日本专利早期公开号2004-34533中公开的方法，当重掺杂的区域很薄时，机械强度就很弱。如图4中所示，在重掺杂的区域和蚀刻停止层之间的应力下会发生扭曲或裂纹。使重掺杂的区域变厚可以抑制扭曲的产生，但是降低了生产率并且增加了成本。
发明内容
进行本发明来克服常规的缺点，并且其目标是增加通孔的定位精确度和增加通孔周围的机械强度。
按照本发明的第一方面，提供了一种通孔形成方法，包括以下步骤：
在硅衬底的第一表面中待形成通孔的区域周围形成第一杂质区域，所述第一杂质区域的杂质浓度高于所述硅衬底的杂质浓度；
沿所述硅衬底的深度方向在邻近所述第一杂质区域的位置处形成第二杂质区域，所述第二杂质区域的杂质浓度高于所述第一杂质区域的杂质浓度；
在所述硅衬底的第一表面上形成蚀刻停止层；
在所述硅衬底的与第一表面相对的第二表面上形成蚀刻掩模层，所述蚀刻掩模层在与待形成的通孔相对应的位置处具有开口；和
蚀刻所述硅衬底直到通过所述开口露出至少所述蚀刻停止层，从而形成通孔。
按照本发明的第二方面，提供了一种喷墨头，其中，将按照上面描述的通孔形成方法所形成的通孔形成为供墨口。
按照本发明的第三方面，提供了一种在其中形成有通孔的硅衬底，该衬底包括：
在所述硅衬底中形成通孔的区域周围布置的第一杂质区域，所述第一杂质区域的杂质浓度高于所述硅衬底的杂质浓度；和
沿所述硅衬底的深度方向布置在邻近所述第一杂质区域的位置处的第二杂质区域，所述第二杂质区域的杂质浓度高于第一杂质区域的杂质浓度。
按照本发明的第四方面，提供了一种喷墨头，其中，该喷墨头在上面描述的硅衬底上形成。
本发明的更多的特征参照附图通过下面的示例性的实施例的描述将变得清楚。
附图说明
图1A-1G是用于解释按照本发明的第一优选实施例的通孔形成方法的剖视图；
图2A-2D是用于解释按照本发明的第二优选实施例的通孔形成方法的剖视图；
图3A-3H是示出按照本发明的第三优选实施例的喷墨头的供墨 口的形成的应用实例的剖视图；和
图4是用于解释常规的通孔形成方法的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行详细的描述。在下面的描述中提出的各个部分的结构、布置、尺寸、杂质类型等不应理解为将本发明的范围仅仅限制为它们，除非明确说明。
(第一实施例)
图1A-1G是用于解释按照本发明的第一优选实施例的通孔形成方法的剖视图。
在图1A所示的步骤中，制备具有<100>晶面的硅衬底101。同样在该步骤中，杂质浓度高于硅衬底101的第一杂质区域102a在以下区域周围形成，在该区域中通孔入口将形成在硅衬底101的第一表面中。第一杂质区域102a可通过例如借助已知的光刻术形成图案和采用该图案作为掩模通过离子注入技术将杂质掺杂入硅衬底101中而形成。
在图1B所示的步骤中，杂质浓度高于在图1A所示的步骤中形成的第一杂质区域102a的第二杂质区域102b在将形成通孔入口的区域周围形成。第二杂质区域102b沿硅衬底101的深度方向在邻近第一杂质区域102a的位置处形成。
在图1C所示的步骤中，蚀刻停止层103在图1B所示步骤中形成的第二杂质区域102b(在第一表面上)上形成。
在图1D所示的步骤中，蚀刻掩模层104在与第一表面相对的硅衬底101的第二表面上形成，其中在第一表面上将形成通孔的入口。蚀刻掩模层104的开口与将形成通孔出口的区域相对应。
在图1E所示的步骤中，硅衬底101被浸入例如强碱性溶液的蚀刻溶液中以采用蚀刻掩模层104作为掩模执行各向异性的蚀刻，从而形成通孔。蚀刻掩模层104的开口布置成使得直到蚀刻停止层103被暴露后，被蚀刻的通孔被第一和第二杂质区域102a和102b包围。
在图1F所示的步骤中，过蚀刻(over-etching)被完成。然后， 通孔通过侧蚀刻被加宽，并到达第一和第二杂质区域102a和102b。在通孔的侧蚀刻到达第一和第二杂质区域102a和102b之后，侧蚀刻速度根据杂质浓度而降低。更具体地，侧蚀刻速度降低到大约1/2-1/10。假设在贯穿硅衬底101之后，通孔的尺寸由于硅衬底101的厚度变化、晶体缺陷等而变化。即使在该情况下，在进行过蚀刻以将通孔加宽到第一和第二杂质区域102a和102b之后，侧蚀刻速度也大大降低。这使得所获得通孔的尺寸几乎不变，如图1F所示。
在图1G所示的步骤中，从硅衬底101(在硅衬底101中，以上面描述的方法控制通孔的尺寸)适当地移除蚀刻停止层103和蚀刻掩模层104，以完成通孔。
第一和第二杂质区域102a和102b之间的蚀刻速度是不同的。由于该原因，第一和第二杂质区域102a和102b的厚度取决于杂质浓度和蚀刻时间而相互不同。这将参照图1E和1F进行解释。
如图1E和1F所示，第一和第二杂质区域102a和102b在硅衬底101的深度方向上的位置是不同的。更具体地，第二杂质区域102b比第一杂质区域102a更靠近硅衬底101的表面放置。第一杂质区域102a的杂质浓度高于硅衬底101的杂质浓度，第二杂质区域102b的杂质浓度高于第一杂质区域102a的杂质浓度。由于该原因，在图1E和1F所示的步骤中，硅衬底101的蚀刻速度最高，第一杂质区域102a的第二高，第二杂质区域102b的最低。如果通孔被过蚀刻，第一杂质区域102a蚀刻得比硅衬底101少并且被保留。第一杂质区域102a朝向通孔的出口变得更厚。第二杂质区域102b几乎不被蚀刻并且被保留。对于形成的通孔，第一杂质区域102a增加了第二杂质区域102b的强度，通孔从入口到出口的形状几乎可以变得光滑。按照第一实施例，第一杂质区域102a的杂质浓度低于第二杂质区域102b的杂质浓度，所以通孔可以通过热扩散或离子注入容易地形成。这样，通孔形成方法可以高生产率和低成本进行。
即使仅仅将重掺杂的区域布置在硅衬底中的常规的方法也可以通过使重掺杂的区域变厚来增加通孔的机械强度。但是，为了使重掺杂 的区域变厚，高浓度的杂质必须热扩散很长时间，这增加了步骤的数量并延长了加工时间。由于硅衬底和杂质区域之间的蚀刻速度差很大，因此通孔从入口到出口的形状不会变得光滑，并且可能产生台阶。
第一杂质区域102a的杂质浓度优选地为1×1018cm-3或更高，更优选地为1×1019cm-3或更高。如果杂质浓度变成7×1019cm-3或更高，第一杂质区域102a的蚀刻速度降低到通常的硅衬底的蚀刻速度的大约1/100。第一实施例甚至在1×1018cm-3或更高的杂质浓度下也可以具有效果，因为将第一杂质区域102a的侧蚀刻速度设置为稍微地低于硅衬底的侧蚀刻速度就足够了。
为了将第二杂质区域102b的蚀刻速度设置为比通常的硅衬底的蚀刻速度低得多，第二杂质区域102b的杂质浓度优选地为1×1019cm-3或更高，更优选地为7×1019cm-3或更高。
硅衬底101的浓度未被具体地限制，但是优选地为大约1×1013cm-3到1×1016cm-3。
第一和第二杂质区域102a和102b优选地为大约1-20μm宽，0.2-3μm深，但是这些数值可以根据通孔的用途适当地改变。
第一和第二杂质区域102a和102b的杂质的实例是硼、磷、砷和锑。在这些杂质中，硼是令人满意的，因为其蚀刻速度在低杂质浓度下会相对于例如KOH的碱性化学溶液会变化。为了改进蚀刻速度的可控性，第一和第二杂质区域102a和102b的杂质为相同的种类是令人满意的。
当形成通常的半导体器件时，第一和第二杂质区域102a和102b也可以同时在杂质扩散层形成步骤中形成。
为了通过低能量离子注入更容易地形成通孔，第二杂质区域102b优选地比第一杂质区域102a更靠近硅衬底101的第一表面(在通孔的入口侧)。该布置通过在衬底表面上的各向异性的蚀刻抑制了侧蚀刻的过程并增加了加工精度。但是，只要第一杂质区域102a的至少一部分沿硅衬底101的深度方向布置在与第二杂质区域102b不同的位置，第二杂质区域102b就可以被加强。因此，第一和第二杂质区域102a和 102b之间沿硅衬底101的深度方向的位置关系并不限于图1A-1G所示的布置。
即使第二杂质区域102b接触蚀刻溶液，蚀刻也几乎不进行。但是，当第二杂质区域102b接触蚀刻溶液时，第二杂质区域102b的表面大大地粗糙化并可能产生灰尘。为了防止这个问题，至少部分第一杂质区域102a优选地比第二杂质区域102b更靠近通孔形成的区域布置。在这种情况下，第一杂质区域102a首先通过各向异性的蚀刻被蚀刻。第二杂质区域102b接触蚀刻溶液的时间变短，抑制了第二杂质区域102b的表面变粗糙。但是，第一杂质区域102a与硅衬底101的表面平行的位置并不仅仅限于图1A-1G所示的布置。
当界面状态在蚀刻停止层103和硅衬底101之间的界面处形成，并且损坏层通过加工等形成时，各向异性的蚀刻中的侧蚀刻迅速地进行。在这种情况下，即使第一和第二杂质区域102a和102b被形成，也可能未获得足够的效果。这样，热氧化膜优选地在蚀刻停止层103与第一和第二杂质区域102a和102b之间的界面处形成，因为它抑制侧蚀刻。当侧蚀刻需要被抑制的至少部分第二杂质区域102b与热氧化膜接触时，这是更有效果的。
蚀刻停止层103足以相对于蚀刻溶液具有低的蚀刻速度并且相对于硅衬底具有高的选择性。作为蚀刻停止层103，例如氮化硅膜和钽的多种材料是可选择的。特别地，等离子体CVD氧化膜通常甚至被用在LSI制造过程中，并且当通孔、用在LSI中的元件和类似的元件同时形成时是有效果的。
按照第一实施例的通孔形成方法优选适用于具有供墨口的喷墨头。
(第二实施例)
图2A-2D是用于解释按照本发明的第二优选实施例的通孔形成方法的剖视图。按照第二实施例的通孔形成方法是对按照第一实施例的通孔形成方法的局部修改。更具体地，在第一实施例中，第二杂质区域102b被埋入部分第一杂质区域102a中。在第二实施例中，第一杂 质区域202a未埋有第二杂质区域202b。其余布置与第一实施例的相同。在图2A-2D中，与图1A-1C相对应的步骤被省略，步骤从与图1D相对应的图2A所示的步骤开始。
在图2A所示的步骤中，4μm宽、1μm深和0.8μm厚的第一杂质区域202a以101μm的内径在具有<100>晶面(厚度：625μm)的硅衬底201中形成。3μm宽和0.2μm厚的第二杂质区域202b以100μm的内径在比第一杂质区域202a更靠近衬底表面的位置形成。作为蚀刻停止层203，LP-SiN膜形成为
。蚀刻停止层203布置在第二杂质区域202b上，第二杂质区域202b布置在比第一杂质区域202a更向里并且更靠近衬底的第一表面(在通孔的入口侧)的位置。硼(B)作为杂质在第一杂质区域202a中以1×1018cm-3的浓度扩散。同时，硼(B)作为杂质在第二杂质区域202b中以1×1019cm-3的浓度扩散。用于各向异性的蚀刻的掩模204(例如SiO2且
)布置在硅衬底201的第二表面(在通孔的出口侧)上。
在图2B所示步骤中，硅衬底201被各向异性地蚀刻。例如，整个硅衬底201被浸入22％的TMAH水溶液中，并在83℃的温度下被各向异性地蚀刻1000分钟。在这些条件下的蚀刻速度为约39-40μm/h。衬底表面优选地用夹具保护，以便防止TMAH水溶液进入衬底。各向异性的蚀刻形成贯穿硅衬底201并具有80-95μm形成宽度的通孔。
在图2C所示的步骤中，各向异性的蚀刻再次被执行，以便进一步过蚀刻硅衬底201。例如，当各向异性的蚀刻被进行30分钟时，通孔一侧的侧蚀刻速度是大约5μm/h。在过蚀刻中的侧蚀刻使通孔变宽。在通孔的入口附近，第二杂质区域202b停止蚀刻。通孔的宽度变成100-101μm。
在图2D所示的步骤中，蚀刻停止层203和蚀刻掩模层204被适当地移除，以完成通孔。
注意，第二实施例采用TMAH作为硅衬底蚀刻溶液，但是本发明并不限于此，而可以采用KOH等。
如上面描述的，在第二实施例中，第一杂质区域比在第一实施例 中更深地布置在衬底中。在该布置中，第一杂质区域可以增加第二杂质区域的机械强度，并且通孔从入口到出口的形状可以更平滑。
(第三实施例)
图3A-3H是示出将按照第一或第二实施例的通孔形成方法应用到作为本发明第三优选实施例的喷墨头的供墨口的形成中的实例的剖视图。如图3A-3H所示，多个电热变换器和多个用于将电流供应到电热变换器的切换元件通常被集成到按照第三实施例的喷墨头衬底上。
在图3A所示的步骤中，具有<100>晶面的p-型硅衬底301(例如，厚度：625μm)被制备。n-型杂质被选择性地掺杂以在p-型硅衬底301的表面中形成n-型井区域302。n-型井区域302也可以在p-型硅衬底301的整个表面中形成。当在p-型硅衬底301的整个表面中形成n-型井区域302时，n-型井区域302可以通过外延生长形成。
在图3B所示的步骤中，大约50nm厚的栅极氧化膜(栅极绝缘膜)303被形成，并且多晶硅在栅极氧化膜303上沉积大约300nm的厚度。例如，磷被掺杂到多晶硅中以便具有所期望的配线电阻值。然后，在该步骤中，通过已知的光刻术形成图案，并且多晶硅被蚀刻，形成MIS型场效应晶体管的栅极电极304。
在图3C所示的步骤中，通过已知的光刻术形成图案，从光刻胶形成离子注入掩模(未示出)。在该步骤中，栅极电极304也被用作离子注入掩模，并且p-型杂质(例如，硼)的离子被选择性地注入。然后，在该步骤中，例如，退火在1100℃下被执行60分钟，形成杂质区域305和在将形成通孔的区域周围的第一杂质区域305a。也在该步骤中，退火在p-型杂质的离子注入之前和之后完成，以形成用于在硅衬底301的第二表面(出口侧)上各向异性蚀刻的掩模312(例如，SiO2且
)。杂质区域305是约2.2μm深的基区，在该区域中元件、配线等是电绝缘的。基区的浓度在最上面的表面上优选地落在大约1×1015cm-3-1×1019cm-3范围内。
在图3D所示的步骤中，例如砷离子采用栅极电极304和光刻胶作为掩模被注入，以形成NSD区域306。也在该步骤中，例如，硼离 子采用栅极电极304和光刻胶作为掩模被注入，以形成PSD区域306a和将形成通孔入口的区域周围的第二杂质区域306b。然后，在该步骤中，例如，退火在950℃下被执行30分钟，使NSD区域306、PSD区域306a和杂质区域306b活化。
在图3E所示的步骤中，例如，氧化膜通过等离子体CVD沉积，以形成层间绝缘膜307。层间绝缘膜307也起到蚀刻停止层的作用。在该步骤中，接触孔308被形成，并且导体被沉积和形成图案，以形成配线。在配线形成中，多层配线如所需要地被形成。在该步骤中，电热变换器309通过已知的薄膜形成方法在p-型硅衬底301上形成。作为电热变换器309，例如TaSiN是可以利用的。
在图3F所示的步骤中，用作墨通道的模具的正抗蚀层310通过在p-型硅衬底301上形成图案而形成。在该步骤中，负抗蚀层311被施加到墨通道上，墨孔313通过形成图案而形成。
在图3G所示的步骤中，整个衬底被浸入22％的TMAH水溶液中，并且在83℃下被各向异性地蚀刻990分钟。衬底表面优选地用夹具保护，以便防止TMAH水溶液进入衬底。图3G示出在各向异性的蚀刻结束时的衬底的剖面形状。
在图3H所示的步骤中，当衬底表面被保护时，起到蚀刻停止层作用的层间绝缘膜307从硅衬底301的第二表面(出口侧)用例如HF蚀刻。结果，通孔在硅衬底301中完成。然后，在该步骤中，起到墨通道的模具作用的正抗蚀层310被移除。掩模312被适当地移除，以完成喷墨头。
每个具有上面提到的喷墨头的芯片在显微镜下被检查通孔周围的硅的裂纹和异常，以便确定没有产生缺陷。通孔的宽度被测量，以便确定其落在102-106μm的范围内并且通孔以高精度形成。
虽然本发明参照示例性的实施例进行了描述，但是应当理解的是，本发明并不限于所公开的示例性实施例。下面的权利要求书的范围与最宽的解释一致，以便包括所有这样的修改和等同的结构和功能。
Claims (8)
1.一种通孔形成方法，包括以下步骤：
在硅衬底的第一表面中待形成通孔的区域周围形成第一杂质区域，所述第一杂质区域的杂质浓度高于所述硅衬底的杂质浓度；
沿所述硅衬底的深度方向在邻近所述第一杂质区域的位置处形成第二杂质区域，所述第二杂质区域的杂质浓度高于所述第一杂质区域的杂质浓度；
在所述硅衬底的第一表面上形成蚀刻停止层；
在所述硅衬底的与第一表面相对的第二表面上形成蚀刻掩模层，所述蚀刻掩模层在与待形成的通孔相对应的位置处具有开口；和
蚀刻所述硅衬底直到通过所述开口露出至少所述蚀刻停止层，从而形成通孔。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在蚀刻步骤之后移除所述蚀刻停止层的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二杂质区域比所述第一杂质区域更靠近所述硅衬底的第一表面布置。
4.如权利要求3所述的方法，其中，至少部分所述第一杂质区域比所述第二杂质区域更靠近所述通孔布置。
5.如权利要求1所述的方法，其中，至少部分所述第二杂质区域与热氧化膜接触。
6.一种喷墨头，其中，按照权利要求1中所述的通孔形成方法所形成的通孔形成为供墨口。
7.一种硅衬底，在所述硅衬底中形成有通孔，所述衬底包括：
在所述硅衬底中形成通孔的区域周围布置的第一杂质区域，所述第一杂质区域的杂质浓度高于所述硅衬底的杂质浓度；和
沿所述硅衬底的深度方向布置在邻近所述第一杂质区域的位置处的第二杂质区域，所述第二杂质区域的杂质浓度高于第一杂质区域的杂质浓度。
8.一种喷墨头，其中，所述喷墨头在如权利要求7所述的硅衬底上形成。
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