CN102344113A - 带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法 - Google Patents

带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法，包括步骤：提供硅衬底，其上有缓冲层；在缓冲层上淀积金属敏感层；将金属敏感层图形化，形成金属线间低台阶、金属管脚焊垫区域和金属反应线；在缓冲层和图形化的金属敏感层表面淀积钝化层；在钝化层表面形成光刻胶掩模并作图形化，光刻胶掩模的图形与金属线间低台阶的位置相对应；依次刻蚀钝化层和缓冲层，直至露出硅衬底，形成深槽；对深槽底部的硅衬底进行深槽刻蚀，形成体硅深槽。本发明可随设计方案控制槽体深度和金属敏感层中间夹层位置，便于与深槽中媒介反应，形成钝化层-金属敏感夹层-硅结构这种三明治结构，具有成本低、工艺稳定和设计灵活的特点。

Description

带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法
技术领域
本发明涉及半导体/微纳米制造技术领域，具体来说，本发明涉及一种带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法。基于钝化层-金属敏感夹层-硅结构的器件深槽刻蚀方法，可作为探测液体媒质存在或含量的化学生物传感器的应用。
背景技术
在某些化学/生物微流量传感器应用中，半导体器件需要带有供敏感材料与接触媒质反应的深槽结构，即敏感材料需要有触点暴露在空气中与深槽结构中的媒质进行反应，同时需要有钝化层将敏感材料的非接触点部分进行覆盖保护。一般方法是在单晶硅表面淀积氧化层或氮化层，然后淀积图形化敏感材料，再淀积第二次氧化层或氮化层，最后将氧化层或氮化层一次刻蚀为深槽结构。
这种方法的不足之处在于，由于淀积氧化层或氮化层厚度的有一定限制，厚度过大会造成应力不匹配从而造成薄膜开裂或碎片，因此形成的槽体深度一般只能控制在10μm以内；并且对于形成上述槽体深度的氧化层或氮化层的刻蚀成本也较高昂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法，可随具体设计方案控制槽体深度和金属敏感层中间夹层位置，便于与深槽中媒介反应。
为解决上述技术问题，本发明提供一种带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法，包括步骤：
提供硅衬底，其上形成有缓冲层；
在所述缓冲层上淀积金属敏感层；
利用光刻及金属干法刻蚀工艺将所述金属敏感层图形化，直至露出所述缓冲层，形成金属线间低台阶、金属管脚焊垫区域和金属反应线；
在所述缓冲层和图形化的所述金属敏感层表面淀积钝化层；
在所述钝化层表面形成用于深槽刻蚀的光刻胶掩模并作图形化，所述光刻胶掩模的图形与其下所述金属线间低台阶的位置相对应；
以所述光刻胶为掩模，依次刻蚀所述钝化层和所述缓冲层，直至露出所述硅衬底，形成深槽；
对所述深槽底部的所述硅衬底进行深槽刻蚀，在所述硅衬底中形成体硅深槽。
可选地，所述硅衬底为普通单晶硅衬底。
可选地，所述缓冲层为氧化硅。
可选地，所述缓冲层通过在高温下在所述硅衬底表面生长一层热氧化层而形成。
可选地，所述热氧化层的厚度为
Figure BDA0000090046670000021
可选地，所述高温为1000℃。
可选地，所述金属敏感层(003)的厚度为
Figure BDA0000090046670000022
可选地，所述金属敏感层为敏感金属单质、金属氧化物或者氮化物。
可选地，所述敏感金属单质包括铝、铜、铂、金。
可选地，所述钝化层是通过后道PECVD方法淀积的。
可选地，所述钝化层的厚度为4μm。
可选地，所述深槽刻蚀的方法为深反应离子刻蚀法。
可选地，所述体硅深槽的深度为5～100μm。
可选地，所述体硅深槽的深度为10～30μm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明形成的体硅深槽的深度和金属敏感层中间夹层的位置可根据具体设计方案任意控制，便于与深槽中媒介反应，避免了单纯采用氧化层材料而造成的槽深度较小、薄膜间应力较大的问题。本发明形成的钝化层-金属敏感夹层-硅结构这种三明治结构，可用于任意与敏感金属或金属氧化物反应的媒质探测应用中，具有成本低、工艺稳定和设计灵活的特点。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为本发明一个实施例的带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法的流程图；
图2至图11为本发明一个实施例的带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1为本发明一个实施例的带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法的流程图。如图所示，该带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法可以包括：
执行步骤S101，提供硅衬底，其上形成有缓冲层；
执行步骤S102，在缓冲层上淀积金属敏感层；
执行步骤S103，利用光刻及金属干法刻蚀工艺将金属敏感层图形化，直至露出缓冲层，形成金属线间低台阶、金属管脚焊垫区域和金属反应线；
执行步骤S104，在缓冲层和图形化的金属敏感层表面淀积钝化层；
执行步骤S105，在钝化层表面形成用于深槽刻蚀的光刻胶掩模并作图形化，光刻胶掩模的图形与其下金属线间低台阶的位置相对应；
执行步骤S106，以光刻胶为掩模，依次刻蚀钝化层和缓冲层，直至露出硅衬底，形成深槽；
执行步骤S107，对深槽底部的硅衬底进行深槽刻蚀，在硅衬底中形成体硅深槽。
图2至图11为本发明一个实施例的带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀过程的剖面结构示意图。需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
如图2所示，提供硅衬底001，该硅衬底001可以为普通单晶硅衬底，能够作为半导体器件的基底，对硅衬底的晶向和电阻率等参数没有特殊要求。
如图3所示，在该硅衬底001上形成缓冲层002，形成方法可以为在例如1000℃的高温下在硅衬底001表面生长一层厚度可以为
Figure BDA0000090046670000041
的热氧化层作为缓冲层002，以避免在硅衬底001上直接淀积金属层而造成薄膜应力不匹配、粘附性差的问题。
如图4所示，在缓冲层002上淀积金属敏感层003。该金属敏感层003的厚度可以为
Figure BDA0000090046670000042
厚度也可根据设计方案变化。在材料方面，金属敏感层003可以是Al、Cu、Pt、Au等敏感金属，也可是对某种媒介敏感的金属氧化物或氮化物。
如图5和图6所示，利用光刻及金属干法刻蚀工艺将金属敏感层003图形化，直至露出缓冲层002，形成金属线间低台阶004、金属管脚焊垫区域005和金属反应线006。其中，图5为图6所示的结构的俯视图，而图6为沿着图5中A-A’线的剖面图。
如图7所示，采用例如后道PECVD方法在缓冲层002和图形化的金属敏感层003表面淀积钝化层007。该钝化层007的厚度可以为4μm，实际厚度可根据设计方案及机台能力而定。
接下来利用厚胶光刻技术在钝化层007表面形成用于深槽刻蚀的光刻胶掩模并作图形化(未图示)，光刻胶掩模的图形与其下金属线间低台阶004的位置相对应。其中，光刻胶厚度可根据钝化层007实际厚度及机台对光刻胶：氧化物的选择比而定。
如图8和图9所示，以光刻胶为掩模，利用干法刻蚀法依次刻蚀钝化层007和缓冲层002，直至露出硅衬底001，形成深槽008。其中，图8为图9所示的结构的俯视图，而图9为沿着图8中B-B’线的剖面图，标号006’指代被钝化层007覆盖住的金属反应线，标号005指代刻蚀后暴露在空气中的金属管脚焊垫区域。
如图10和图11所示，采用例如深反应离子刻蚀法(DRIE)对深槽008底部的硅衬底001进行深槽刻蚀，在硅衬底001中形成体硅深槽009。该体硅深槽009的深度可以为5～100μm，优选为10～30μm，可根据设计方案而变化。形成的结构俯视图如图10所示，图11为图10中沿C-C’线的剖面图。其中金属反应线006的触点需暴露在深槽008和体硅深槽009之间的侧壁上，深槽008和体硅深槽009共同组成可供金属反应线006与外界媒质反应的深槽，形成的信号由金属管脚焊垫区域005导出。
本发明形成的体硅深槽的深度和金属敏感层中间夹层的位置可根据具体设计方案任意控制，便于与深槽中媒介反应，避免了单纯采用氧化层材料而造成的槽深度较小、薄膜间应力较大的问题。本发明形成的钝化层-金属敏感夹层-硅结构这种三明治结构，可用于任意与敏感金属或金属氧化物反应的媒质探测应用中，具有成本低、工艺稳定和设计灵活的特点。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种带金属敏感夹层的器件深槽刻蚀方法，包括步骤：
提供硅衬底(001)，其上形成有缓冲层(002)；
在所述缓冲层(002)上淀积金属敏感层(003)；
利用光刻及金属干法刻蚀工艺将所述金属敏感层(003)图形化，直至露出所述缓冲层(002)，形成金属线间低台阶(004)、金属管脚焊垫区域(005)和金属反应线(006)；
在所述缓冲层(002)和图形化的所述金属敏感层(003)表面淀积钝化层(007)；
在所述钝化层(007)表面形成用于深槽刻蚀的光刻胶掩模并作图形化，所述光刻胶掩模的图形与其下所述金属线间低台阶(004)的位置相对应；
以所述光刻胶为掩模，依次刻蚀所述钝化层(007)和所述缓冲层(002)，直至露出所述硅衬底(001)，形成深槽(008)；
对所述深槽(008)底部的所述硅衬底(001)进行深槽刻蚀，在所述硅衬底(001)中形成体硅深槽(009)。
2.根据权利要求1所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述硅衬底(001)为普通单晶硅衬底。
3.根据权利要求1所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述缓冲层(002)为氧化硅。
4.根据权利要求1所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述缓冲层(002)通过在高温下在所述硅衬底(001)表面生长一层热氧化层而形成。
5.根据权利要求4所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述热氧化层的厚度为
Figure FDA0000090046660000011
6.根据权利要求5所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述高温为1000℃。
7.根据权利要求1所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述金属敏感层(003)的厚度为
Figure FDA0000090046660000021
8.根据权利要求7所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述金属敏感层(003)为敏感金属单质、金属氧化物或者氮化物。
9.根据权利要求8所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述敏感金属单质包括铝、铜、铂、金。
10.根据权利要求1所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述钝化层(007)是通过后道PECVD方法淀积的。
11.根据权利要求10所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述钝化层(007)的厚度为4μm。
12.根据权利要求1所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述深槽刻蚀的方法为深反应离子刻蚀法。
13.根据权利要求12所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述体硅深槽(009)的深度为5～100μm。
14.根据权利要求13所述的器件深槽刻蚀方法，其特征在于，所述体硅深槽(009)的深度为10～30μm。
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