CN102491253B

CN102491253B - 一种不等高硅结构的加工方法

Info

Publication number: CN102491253B
Application number: CN201110387142.4A
Authority: CN
Inventors: 杨振川; 闫桂珍; 郝一龙
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN102491253A

Abstract

本发明涉及一种不等高硅结构的加工方法，其步骤为：(1)选用包括器件层、埋氧层和衬底层的硅基片；(2)在器件层表面生长一层氮化硅薄膜，采用光刻和干法刻蚀进行第一次光刻，制成与待加工硅结构形成互补的氮化硅区域；(3)对氮化硅区域内的器件层进行第二次光刻，以光刻胶和氮化硅为掩模进行硅各向异性刻蚀，在器件层形成硅槽，去除光刻胶；(4)对完成刻蚀硅槽的器件层进行氧化，在未被氮化硅覆盖的器件层表面生长出与氮化硅区域互补的氧化硅区域；(5)氧化后去除器件层表面的氮化硅，在器件层表面以氧化硅区域为掩模进行硅各向异性刻蚀至埋氧层，刻蚀出不等高硅结构；(6)去除硅基片的埋氧层，加工出可动的不等高硅结构。本发明可以广泛应用于微机电系统领域。

Description

一种不等高硅结构的加工方法

技术领域

本发明涉及一种微机械不等高硅结构，特别是关于一种用于微机电系统(MEMS)领域中的不等高硅结构的加工方法。

背景技术

随着半导体微细加工技术和超精密机械加工技术的发展，微机电系统(MEMS，Micro Electro Mechanical System)也迅速发展起来。MEMS具有体积小、重量轻、成本低、功耗小以及易于集成等显著优点，广泛应用于军事、经济、医学、电子和航空航天等领域。采用MEMS技术实现的微机械梳齿电容器被广泛地用作传感器或者执行器。常规的梳齿电容器中可动梳齿与固定梳齿高度相同，一般只能用于面内运动(运动方向平行于衬底表面)的驱动或检测。当梳齿电容器中可动梳齿与固定梳齿高度不同时，即采用不等高梳齿电容器，则可以实现离面运动(运动方向垂直于衬底表面)的驱动或检测。

不等高梳齿电容器需要与之相适应的不等高硅结构加工方法。一种常用的不等高硅加工方法是高度不同的硅结构分别选用不同的掩模材料(或不同厚度的同一种掩模材料)，以材料或厚度不同的两种掩模刻蚀出标准高度的硅结构后，选择性去除其中一种掩模，再进行一次硅各向异性刻蚀，则只有被去除掩模的硅结构继续被刻蚀而高度降低，形成不等高硅结构。这种方法的问题在于降低硅结构高度的刻蚀实际为对标准高度硅结构的无掩模刻蚀，当采用常用的刻蚀/钝化交替的Bosch工艺刻蚀时，因硅结构侧壁上钝化层的作用，易在被降低高度的硅结构侧壁顶端产生未被完全刻蚀的残余硅和钝化层，影响器件性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能有效避免高度被降低硅结构的无掩模刻蚀，解决残余硅问题的不等高硅结构的加工方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种不等高硅结构的加工方法，其包括如下步骤：(1)选用包括器件层、埋氧层和衬底层的硅基片；(2)在硅基片的器件层表面生长一层氮化硅薄膜，并采用光刻和干法刻蚀进行第一次光刻，制成与待加工硅结构形成互补的氮化硅区域；(3)对氮化硅区域内的器件层进行第二次光刻，以光刻胶和氮化硅为掩模进行硅各向异性刻蚀，在器件层形成与待加工不等高硅结构中高度被降低的硅结构对应的硅槽，然后去除光刻胶；(4)对完成刻蚀硅槽的器件层进行氧化，在未被氮化硅覆盖的器件层表面生长出与氮化硅区域互补的氧化硅区域；(5)氧化后去除器件层表面的氮化硅，在器件层表面以氧化硅区域为掩模进行硅各向异性刻蚀至埋氧层，刻蚀出不等高硅结构；(6)去除硅基片上与不等高硅结构区域对应的埋氧层，同时去除不等高结构上作为掩模的氧化硅区域，加工出可动的不等高硅结构。

所述步骤(1)中，所述硅基片采用单晶硅基片或SOI基片，所述SOI基片为绝缘体上硅。

所述步骤(2)中，所述氮化硅薄膜的生长方法采用低压化学汽相淀积方法或等离子增强化学汽相淀积方法；所述氮化硅的刻蚀采用各向异性反应离子刻蚀方法。

所述步骤(6)中，去除所述硅基片的埋氧层的方法，采用在所述硅基片的器件层一侧腐蚀去除所述埋氧层，加工出可动的不等高硅结构。

所述步骤(6)中，去除所述硅基片的埋氧层的方法，采用在所述硅基片的衬底层一侧依次去除所述衬底层和埋氧层，形成背腔，加工出可动的不等高硅结构。

所述步骤(5)中，所述器件层表面的氮化硅去除采用对氧化硅有较高腐蚀选择比的热磷酸溶液。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明由于采用在硅基片的器件层表面生长一层氮化硅薄膜，并刻蚀出氮化硅区域；光刻之后以光刻胶和氮化硅为掩模，进行硅各向异性刻蚀；对器件层表面进行氧化，得到与氮化硅区域互补的氧化硅区域；选择性去除氮化硅后，以氧化硅为掩模刻蚀硅基片得到不等高的硅结构。因此，有效地避免了高度被降低硅结构的无掩模刻蚀，并解决了残余硅问题。本发明可以广泛应用于微机电系统领域。

附图说明

图1是本发明在硅基片上制作氮化硅区域的截面结构示意图；

图2是本发明制作硅槽的截面结构示意图；

图3是本发明制作氧化硅区域的截面结构示意图；

图4是本发明制作不等高硅结构的截面结构示意图；

图5是本发明采用在器件层侧腐蚀去除埋氧层制作不等高硅结构的截面结构示意图；

图6是图5的立体图，为不等高硅结构示意图；

图7是本发明采用在衬底层侧腐蚀去除埋氧层制作不等高硅结构的截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明不等高硅结构的加工方法是在硅基片上实现不等高硅结构加工，其步骤如下：

1)选用硅基片1，硅基片1包括器件层2、埋氧层3和衬底层4。

2)在硅基片1上制作氮化硅区域5。

在硅基片1的器件层2表面生长一层氮化硅薄膜，在氮化硅薄膜上用光刻和干法刻蚀进行第一次光刻，制成与待加工硅结构形成互补的氮化硅区域5(如图1所示)。

3)制作与待加工不等高硅结构中高度被降低的硅结构对应的硅槽7。

对氮化硅区域5内的器件层2进行第二次光刻，以光刻胶6和氮化硅为掩模进行硅各向异性刻蚀，在器件层2形成硅槽7，然后去除光刻胶6(如图2所示)。

4)制作与待加工不等高结构相同的氧化硅区域8。

对完成刻蚀硅槽7的器件层2进行氧化，在未被氮化硅覆盖的器件层2表面生长出与氮化硅区域5互补的氧化硅区域8(如图3所示)，其中未被氮化硅覆盖的器件层2表面包括硅槽7的侧壁和底部。

5)制作不等高硅结构。

器件层2氧化之后，去除器件层2表面的氮化硅，并在器件层2表面以氧化硅区域8为掩模进行硅各向异性刻蚀至埋氧层3，刻蚀出不等高硅结构(如图4所示)。以器件层2表面的氧化硅为掩模刻蚀得到的硅结构高度与器件层2一致；以硅槽7中氧化硅为掩模刻蚀得到的硅结构高度低于器件层2，两者高度差为硅槽7的深度。所有的硅结构均由步骤2)中的氮化硅区域5决定，从而实现自对准的加工。

6)去除硅基片1上与不等高硅结构区域对应的埋氧层3，同时去除不等高结构上作为掩模的氧化硅区域8，加工出可动的不等高硅结构。其中，去除埋氧层3的方法包括以下两种：

一种是在硅基片1的器件层2一侧腐蚀去除埋氧层3，进而加工出可动的不等高硅结构(如图5、图6所示)；另一种是在硅基片1的衬底层4一侧依次去除衬底层4和埋氧层3，形成背腔，进而加工出可动的不等高硅结构(如图7所示)。

上述步骤1)中，硅基片1可以采用普通单晶硅基片，也可以采用SOI基片(Silicon-on-insulator绝缘体上硅)。

上述步骤2)中，氮化硅薄膜的生长方法可以采用低压化学汽相淀积(LPCVD)方法，也可以采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法，本发明优先采用LPCVD方法；氮化硅的刻蚀采用各向异性反应离子刻蚀(RIE)方法。

上述步骤5)中，器件层2表面的氮化硅去除采用对氧化硅有较高腐蚀选择比的热磷酸溶液。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种不等高硅结构的加工方法，其包括如下步骤：

(1)选用包括器件层、埋氧层和衬底层的硅基片；

(2)在硅基片的器件层表面生长一层氮化硅薄膜，并采用光刻和干法刻蚀进行第一次光刻，制成与待加工硅结构形成互补的氮化硅区域；

(3)对氮化硅区域内的器件层进行第二次光刻，以光刻胶和氮化硅为掩模进行硅各向异性刻蚀，在器件层形成与待加工不等高硅结构中高度被降低的硅结构对应的硅槽，然后去除光刻胶；

(4)对完成刻蚀硅槽的器件层进行氧化，在未被氮化硅覆盖的器件层表面生长出与氮化硅区域互补的氧化硅区域；

(5)氧化后去除器件层表面的氮化硅，在器件层表面以氧化硅区域为掩模进行硅各向异性刻蚀至埋氧层，刻蚀出不等高硅结构；

(6)去除硅基片上与不等高硅结构区域对应的埋氧层，同时去除不等高结构上作为掩模的氧化硅区域，加工出可动的不等高硅结构。

2.如权利要求1所述的一种不等高硅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述硅基片采用单晶硅基片或SOI基片，所述SOI基片为绝缘体上硅。

3.如权利要求1所述的一种不等高硅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述氮化硅薄膜的生长方法采用低压化学汽相淀积方法或等离子增强化学汽相淀积方法；所述氮化硅的刻蚀采用各向异性反应离子刻蚀方法。

4.如权利要求2所述的一种不等高硅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述氮化硅薄膜的生长方法采用低压化学汽相淀积方法或等离子增强化学汽相淀积方法；所述氮化硅的刻蚀采用各向异性反应离子刻蚀方法。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种不等高硅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤(6)中，去除所述硅基片的埋氧层的方法，采用在所述硅基片的器件层一侧腐蚀去除所述埋氧层，加工出可动的不等高硅结构。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种不等高硅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤(6)中，去除所述硅基片的埋氧层的方法，采用在所述硅基片的衬底层一侧依次去除所述衬底层和埋氧层，形成背腔，加工出可动的不等高硅结构。

7.如权利要求1或2或3或4所述的一种不等高硅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述器件层表面的氮化硅去除采用对氧化硅有较高腐蚀选择比的热磷酸溶液。

8.如权利要求5所述的一种不等高硅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述器件层表面的氮化硅去除采用对氧化硅有较高腐蚀选择比的热磷酸溶液。

9.如权利要求6所述的一种不等高硅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述器件层表面的氮化硅去除采用对氧化硅有较高腐蚀选择比的热磷酸溶液。