CN102817082A

CN102817082A - 一种硅膜的制备方法

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Publication number: CN102817082A
Application number: CN2011101517986A
Authority: CN
Inventors: 王荣华; 朱琳; 荆二荣; 陈思奇
Original assignee: Wuxi China Resources Huajing Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Wuxi China Resources Huajing Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-06-08
Also published as: CN102817082B

Abstract

本发明提供一种硅膜的制备方法，属于半导体制备工艺技术领域。该方法包括步骤：对于第一单晶硅衬底刻蚀形成通腔的步骤、对第二单晶硅衬底外延生长硅薄膜层的步骤、第一单晶硅衬底与第二单晶硅衬底的键合步骤、以及选择性地刻蚀去除全部第二单晶硅衬底的步骤。该方法易于控制硅膜的厚度，并且硅膜的均匀性一致性好。

Description

一种硅膜的制备方法

技术领域

本发明属于半导体制备工艺技术领域，涉及一种硅膜的制备方法，尤其涉及一种通过键合的方法实现硅膜的制备。

背景技术

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术是近年快速发展的一个半导体技术领域分支，MEMS器件的结构制备方法通常是与现有的半导体制造工艺相兼容的，从而可实现MEMS器件的大规模化生产。

硅膜是MEMS器件中的一个常见组成部分，其在MEMS领域中被广泛使用，例如，用作压力传感器的敏感膜。相应地，硅膜的制备是MEMS器件开发和应用的关键技术之一，因此，每个硅膜的厚度精确性、厚度均匀性以及硅膜之间的一致性均是备受关注的技术指标。

通常地，制备硅膜的常规技术是使用碱性溶液从单晶硅片的背面进行各向异性腐蚀，进而在单晶硅片的背面形成背腔的同时、在其正面形成硅膜。为控制该硅膜的厚度，一般采用控制刻蚀时间及刻蚀速率的方法实现，但这种方法难以控制硅膜的厚度均匀性和一致性。

以下结合图1和2对上述制备硅膜的常规技术进行进一步说明。图1所示为用于制备硅膜的单晶硅片10，图2所示为采用常规方法制备形成的硅膜的结构示意图。如图1所示，利用KOH溶液对一定厚度的硅片10从其背面10b进行腐蚀。按照时间控制原理，腐蚀时间与腐蚀深度存在一定的比例关系，所以当腐蚀进行了一定的时间之后，停止对硅片10的腐蚀，由此形成了图2所示意的形状。如图2所示，在硅片10的背面10b，因构图腐蚀形成了背腔102，而硅片10中剩余的未被腐蚀的部分则在正面10a则形成了硅膜101，硅膜101的厚度亦即硅片10的厚度与背腔102深度之差。

如本领域技术人员所知的，时间控制在严谨性上，存在一定的缺失，亦即并不能严格根据时间来控制腐蚀的深度，事实上在停止了腐蚀操作之后，硅片10上所残留的KOH溶液还会对硅片进行微小的腐蚀，这就导致硅膜101的厚度因时间控制而存在一定的误差，即硅膜101的厚度难以精确控制。另外，这种常规技术还存在其它问题。例如，因起始硅片10的表面也会存在一定的粗糙度，其会对硅膜的厚度均匀性及一致性产生较大影响；如果硅片中存在杂质梯度或缺陷，还会导致在硅片的不同区域有不同的腐蚀速率，这同样会对硅膜的厚度均匀性及一致性产生较大影响。

发明内容

本发明的目的之一在于，提高硅膜的厚度精确性和厚度均匀性。

本发明的又一目的在于，提高硅膜之间的一致性。

为实现以上目的或者其它目的，本发明提供一种硅膜的制备方法，其包括以下步骤：

提供第一单晶硅衬底，对所述第一单晶硅衬底构图刻蚀形成穿通所述第一单晶硅衬底的通腔；

提供第二单晶硅衬底，在所述第二单晶硅衬底上外延生长硅薄膜层；

将带有通腔的所述第一单晶硅衬底在所述硅薄膜层上与所述第二单晶硅衬底键合；以及

将所述第二单晶硅衬底置于第二刻蚀溶液中实现选择性地刻蚀全部所述第二单晶硅衬底。

按照本发明提供的硅膜的制备方法的一实施例，其中，所述第一单晶硅衬底的上表面和下表面为（100）晶面，在刻蚀形成通腔的过程中，采用KOH溶液对所述第一单晶硅衬底的（100）晶面进行刻蚀。

具体地，所述通腔沿第一单晶硅衬底的<110>晶向刻蚀形成。

较佳地，刻蚀形成所述通腔的步骤包括：

在所述第一单晶硅衬底的上表面和下表面分别沉积掩膜层；

刻蚀所述掩膜层以形成暴露所述第一单晶硅衬底的窗口；以及

在所述KOH溶液中刻蚀以形成所述通腔；

其中，所述上表面的掩膜层的窗口与所述下表面的掩膜层的窗口的形状相同并且基本相互对准。

较佳地，所述掩膜层为Si₃N₄。

按照本发明提供的硅膜的制备方法的一实施例，其中，设置所述第一单晶硅衬底的电阻率和所述硅薄膜层的电阻率大于或等于所述第二单晶硅衬底的1000倍，以实现所述选择性地刻蚀。

较佳地，所述第二刻蚀溶液为CH₃COOH、HNO₃和HF的混合溶液。

较佳地，所述CH₃COOH、HNO₃和HF的混合溶液是CH₃COOH、质量百分比浓度为97%的HNO₃溶液以及质量百分比浓度为49%的HF溶液以体积比为8：3：1的比例混合形成。

较佳地，所述第一单晶硅衬底的电阻率和所述硅薄膜层的电阻率大于或等于4Ω·cm, 所述第一单晶硅衬底的电阻率小于或等于0.004Ω·cm。

较佳地，所述硅薄膜层的厚度基本等于所述硅膜的厚度。

本发明的技术效果是，硅膜对应的背腔通过第一单晶硅衬底刻蚀形成，形成硅膜的薄膜通过第二单晶硅衬底外延生长形成，并且相互键合后，选择性地刻蚀第二单晶硅衬底，因此，可以形成厚度易于控制、均匀性、一致性好的硅膜。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是用于制备硅膜的单晶硅片。

图2是采用常规方法制备形成的硅膜的结构示意图。

图3是按照本发明一实施例提供的制备硅膜的方法实施例流程示意图。

图4至图11示意性地说明了按照图3所示方法流程制备硅膜的结构变化示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其它实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且，由于刻蚀引起的圆润等形状特征未在附图中示意。

在本发明中，单晶硅衬底的上表面、下表面是在垂直于单晶硅衬底方向的相对位置关系，在单晶硅衬底的位置发生变化时，上表面和下表面所指代的表面也可以相应发生变化。同样地，“背面”和“正面”也是在垂直于衬底方向相对定义的，其也可以因为衬底的位置变化而相应发生变化。

图3所示为按照本发明一实施例提供的制备硅膜的方法实施例流程示意图。图4至图11示意性地说明了按照图3所示方法流程制备硅膜的结构变化示意图，从而最终形成如图11所示的硅膜结构。在该发明中，硅膜主要地应用于MEMS器件，例如，硅膜可以用作压力传感器的敏感膜、硅基麦克风的下极板。图4至图11仅示意性地给出了在局部单晶硅衬底中形成其中一个硅膜的结构示意图，本领域技术人员理解的是，在同一单晶硅衬底中，可以同批次的形成多个如图11所示的硅膜结构，也可在多个单晶硅衬底中同时形成多个如图11所示的硅膜结构。以下结合图3至图11具体描述该实施例的硅膜制备方法。

首先，步骤S91，提供第一单晶硅衬底。

参阅图4，第一单晶硅衬底20可以为通常所使用的晶圆（wafer），z坐标垂直于第一单晶硅衬底20，x坐标平行于第一单晶硅衬底20的表面。其中，20a和20b分别为第一单晶硅衬底20的上表面和下表面。第一单晶硅衬底20的具体形状不是限制性的，但是对于其电阻率（也即掺杂浓度），优选地，选择其电阻率大于或等于4Ω·cm，也即第一单晶硅衬底20相对第二单晶硅衬底30为低掺杂，其具体原因将在其后述及。

进一步，步骤S92，在第一单晶硅衬底上构图刻蚀形成通腔。

在该步骤中，通过对单晶硅衬底构图进行穿通性的刻蚀，可以形成通腔。通腔既可以通过干法刻蚀（例如，反应等离子刻蚀）形成，也可以通过湿法刻蚀形成。但是，由于第一单晶硅衬底20的厚度通常较厚，采用干法刻蚀时间长、成本高，并且设备要求高，设备的损耗也高。因此，采用干法刻蚀成本高。在该发明中优选地，采用湿法刻蚀的方法形成通腔，在该实施例中，采用KOH的碱性溶液刻蚀第一单晶硅衬底20形成通腔，以下结合图5至7进行具体说明。

参阅图5，在第一单晶硅衬底20的上表面20a和下表面20b分别生长一层掩膜层201和202，具体地，掩膜层可以为Si₃N₄，其厚度不是限制性的，其在刻蚀第一单晶硅衬底20的过程中用作掩膜。

参阅图6，然后在掩膜层201和202上各自分别刻蚀形成窗口201a和202a，该刻蚀可以采用干法刻蚀或者湿法刻蚀。窗口201a和202b形状基本相同，并且在z坐标方向基本相互对准。

参阅图7，从上表面和下表面两个方向分别湿法刻蚀第一单晶硅衬底20，从而刻蚀形成通腔21。将第一单晶硅衬底20置于KOH溶液中（掩膜层201和202基本不会被刻蚀），可以实现低成本地刻蚀通腔21。然后在其它溶液中选择性地全部刻蚀掉掩膜层201和202。这种从上下两个方向同时湿法刻蚀第一单晶硅衬底20形成通腔时，可以使通腔21的腔壁不会形成如图2所示的梯形，有利于减小MEMS芯片的面积。

在以上湿法刻蚀方法过程中，由于KOH溶液基本只可以刻蚀（100）的晶面，因此，在该实施例中，第一单晶硅衬底20的上表面20a和下表面20b均选择为（100）晶面，通过湿法刻蚀形成通腔21后，通腔21的腔壁的晶向为<110>，也即通腔21是沿<110>晶向刻蚀形成。

进一步，步骤S93，提供第二单晶硅衬底。

参阅图8，第二单晶硅衬底30可以为通常所使用的晶圆（wafer），z坐标垂直于第二单晶硅衬底30，x坐标平行于第二单晶硅衬底30的表面。第二单晶硅衬底30的形状可以选择与第一单晶硅20的形状基本相同。第二单晶硅衬底30的电阻率（也即掺杂浓度），优选地，选择其电阻率小于或等于0.004Ω·cm，也即第二单晶硅衬底30相对第一单晶硅衬底20为高掺杂，其具体原因将在其后述及。

进一步，步骤S94，在第二单晶硅衬底上外延生长硅薄膜层。

参阅图9，在第二单晶硅衬底30的一面上外延生长硅薄膜层31，硅薄膜层31相对于第二单晶硅衬底30为轻掺杂，其掺杂浓度可以与第一单晶硅衬底20的浓度基本相同。优选地，硅薄膜层31的电阻率可以大于或等于第二单晶硅衬底30的1000倍，例如，硅薄膜层31的电阻率可以大于或等于4Ω·cm，第二单晶硅衬底30的电阻率小于或等于0.004Ω·cm。硅薄膜层31的一部分最终是用来形成硅膜，因此，硅薄膜层31的具体厚度可以设置为基本等于欲形成的硅膜的厚度。在该步骤中，外延生长的具体工艺条件不是限制性的。

进一步，步骤S95，在硅薄膜层上将第一单晶硅衬底和第二单晶硅衬底键合。

参阅图10，采用键合工艺，将第一单晶硅衬底20键合于第二单晶硅衬底30的硅薄膜层31上，硅薄膜层31在通腔22所在的区域被暴露，通腔21也因此变成了背腔22。

进一步，步骤S96，选择性地湿法刻蚀全部第二单晶硅衬底。

参阅图11，通过湿法刻蚀的方法去除全部第二单晶硅衬底30，从而可以形成如图11所示的硅膜311。在该实施例中，将图10所示的结构置于CH₃COOH、HNO₃和HF的混合溶液中进行刻蚀，优选地，该混合溶液是CH₃COOH、质量百分比浓度为97%的HNO₃溶液以及质量百分比浓度浓度为49%的HF溶液以体积比为8：3：1的比例混合形成。在以上步骤中，由于设置了第一单晶硅衬底20、硅薄膜层31与第二单晶硅衬底30之间的电阻率差异（例如1000倍以上），因此，在CH₃COOH：HNO₃：HF=8：3：1的溶液中，会实现选择性地刻蚀，也即该刻蚀溶液选择性地刻蚀第二单晶硅衬底30，而基本不会刻蚀第一单晶硅衬底20和硅薄膜层31、或者刻蚀的速率非常缓慢。因此，第二单晶硅衬底30可以被刻蚀掉后，刻蚀面自动停止于硅薄膜层31的表面，外延生长的硅薄膜层31完好地与第一单晶硅衬底20键合在一起，硅膜结构制备形成。因此，硅膜的厚度易于通过外延生长的工艺条件来控制，外延生长形成的硅膜311的厚度均匀；并且同一硅衬底上不同背腔所对应的硅膜之间的厚度相对均匀，不同批次的不同硅衬底上的不同背腔所对应的硅膜之间的厚度相对均匀，因此硅膜的一致性好。

需要说明是，实现第一单晶硅衬底20、硅薄膜层31和第二单晶硅衬底30之间的选择性刻蚀并不限于以上方法实施例，本领域技术人员还可以应用其它选择性刻蚀的方法实现以上方法过程。

以上例子主要说明了本发明的硅膜制备方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1.一种硅膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一单晶硅衬底的上表面和下表面为（100）晶面，在刻蚀形成通腔的过程中，采用KOH溶液对所述第一单晶硅衬底的（100）晶面进行刻蚀。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述通腔沿第一单晶硅衬底的<110>晶向刻蚀形成。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，刻蚀形成所述通腔的步骤包括：

在所述第一单晶硅衬底的上表面和下表面分别沉积掩膜层；

在所述KOH溶液中刻蚀以形成所述通腔；

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述掩膜层为Si₃N₄。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，设置所述第一单晶硅衬底的电阻率和所述硅薄膜层的电阻率大于或等于所述第二单晶硅衬底的1000倍，以实现所述选择性地刻蚀。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二刻蚀溶液为CH₃COOH、HNO₃和HF的混合溶液。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液是CH₃COOH、质量百分比浓度为97%的HNO₃溶液以及质量百分比浓度为49%的HF溶液以体积比为8：3：1的比例混合形成。

9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一单晶硅衬底的电阻率和所述硅薄膜层的电阻率大于或等于4Ω·cm, 所述第一单晶硅衬底的电阻率小于或等于0.004Ω·cm。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅薄膜层的厚度基本等于所述硅膜的厚度。