CN103241705A

CN103241705A - 硅腐蚀局部终止层制作方法

Info

Publication number: CN103241705A
Application number: CN2012100245457A
Authority: CN
Inventors: 尚海平; 焦斌斌; 刘瑞文; 陈大鹏; 李志刚; 卢迪克
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Ruili Flat Core Microelectronics Guangzhou Co Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: CN103241705B

Abstract

本发明公开了一种硅腐蚀局部终止层制作方法，包括：在含硅的衬底中形成双槽结构，双槽结构之间的衬底构成硅基热沉；对双槽结构底部进行垂直离子注入；执行高温激活和扩散工艺，使得注入的离子在双槽结构底部形成闭合的重掺杂区，所述重掺杂区包围硅基热沉的底部，构成硅腐蚀局部终止层。依照本发明的方法，使用垂直离子注入、经高温激活和扩散工艺在双深槽底部间形成闭合重硼掺杂硅区，利用腐蚀溶液对重掺杂硅区的腐蚀速率大幅度下降特性，实现腐蚀溶液腐蚀硅的腐蚀局部终止层，最终实现完整的硅基热沉制备。其工艺简单、与传统微细加工工艺兼容、并可以自由选择腐蚀终止区、缓解KOH溶液释放工艺中对于硅腐蚀表面粗糙度的要求等。

Description

硅腐蚀局部终止层制作方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域，尤其涉及一种新型的双深槽硅基热沉释放工艺中的硅腐蚀局部终止层制作方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)技术起源于20世纪80年代末，是建立在微电子技术基础上的，且已成为当今国际高技术竞争的热点。由于硅材料自身的卓越性质和与超大规模集成电路(VLSI)的兼容性，体硅的微加工技术已经成为MEMS工艺中的关键部分。采用氢氧化钾(KOH)溶液对硅进行的湿法腐蚀是微机械加工中最基础、最关键的技术，已被广泛应用于硅基元器件的空腔结构中，如半导体激光器的谐振腔、MEMS共面波导腔结构带阻滤波器件、非制冷红外FPA等硅微机械结构。

然而，在硅基MEMS器件的湿法释放工艺中，由于湿法腐蚀速率的波动性，将无法精确控制硅腐蚀深度。由于湿法腐蚀的均匀性差，其腐蚀表面的粗糙度随着腐蚀深度的增加而增加。尤其在双深槽硅基热沉释放工艺中，由于无法实现硅腐蚀深度的精确控制和无法实现光滑的腐蚀表面，经过适当的过腐蚀后，实现硅基热沉释放的同时，也导致硅基热沉被严重腐蚀，进而对器件性能产生极为严重的不利影响。

因此，需要一种工艺简单、与传统微细加工工艺兼容、并可以自由选择腐蚀终止区、缓解KOH溶液释放工艺中对于硅腐蚀表面粗糙度的要求的新型基于KOH溶液的硅腐蚀局部终止层制作方法。

发明内容

本发明目的在于克服上述双深槽硅基热沉KOH溶液湿法释放工艺中硅基热沉遭受严重腐蚀的缺点，简化工艺、与传统微细加工工艺兼容、可以自由选择腐蚀终止区、以及缓解KOH溶液释放工艺中对于硅腐蚀表面粗糙度的要求。

为此，本发明提供了一种硅腐蚀局部终止层制作方法，包括：在含硅的衬底中形成双槽结构，双槽结构之间的衬底构成硅基热沉；对双槽结构底部进行垂直离子注入；执行高温激活和扩散工艺，使得注入的离子在双槽结构底部形成闭合的重掺杂区，所述重掺杂区包围硅基热沉的底部，构成硅腐蚀局部终止层。

其中，双槽结构深度大于20μm。

其中，在衬底中形成双槽结构的步骤进一步包括：提供衬底；在衬底上形成掩膜层；光刻/刻蚀掩膜层以及衬底，在衬底中形成双槽结构。其中，掩膜层包括氧化物、氮化物、氮氧化物、光刻胶。

其中，注入的离子包括硼。

其中，注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为1E15atom/cm²～1E16atom/cm²。

其中，执行高温激活和扩散工艺的步骤中，温度为1000℃～1100℃，扩散时间为1h～8h 。

其中，重掺杂区的离子浓度高于2E19atom/cm³。

此外，本发明还提供了一种双槽硅基热沉释放方法，包括：采取上述的硅腐蚀局部终止层制作方法，在衬底中双槽结构底部形成硅腐蚀局部终止层；在双槽结构中形成抗腐蚀材料以及填充材料；采用湿法刻蚀液从背面释放衬底直至硅腐蚀局部终止层；对衬底和双槽结构背面旋涂抗腐蚀溶液胶；对衬底和双深槽结构进行正面开腐蚀孔和湿法释放工艺，并去除抗腐蚀溶液胶，实现硅基热沉的释放。

其中，抗腐蚀材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，填充材料包括多晶硅、非晶硅、微晶硅。

依照本发明的基于KOH溶液的硅腐蚀局部终止层制作方法，其使用垂直低能高剂量的硼注入双深槽底部、经高温激活和扩散工艺在双深槽底部间形成闭合重硼掺杂硅区，利用KOH溶液对重硼掺杂硅区的腐蚀速率大幅度下降特性，实现KOH溶液腐蚀硅的腐蚀局部终止层，最终实现完整的硅基热沉制备。其工艺简单、与传统微细加工工艺兼容、并可以自由选择腐蚀终止区、缓解KOH溶液释放工艺中对于硅腐蚀表面粗糙度的要求等。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为本发明实施例的基于氢氧化钾溶液的硅腐蚀局部终止层制作方法流程图；

图2至图10为本发明实施例的基于氢氧化钾溶液的硅腐蚀局部终止层在各个制作阶段的剖面示意图；

图11为本发明实施例中未采用基于氢氧化钾溶液的硅腐蚀局部终止层时，经释放后的双深槽硅基热沉受到严重腐蚀的示意图。

具体实施方式

本发明通常涉及一种新型的基于氢氧化钾溶液的硅腐蚀局部终止层制作方法。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”及/或“上方”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

参考图1，示出了根据本发明的实施例的基于氢氧化钾溶液的硅腐蚀局部终止层制作方法流程图。其中，图2至图10为本发明实施例的基于氢氧化钾溶液的硅腐蚀局部终止层在各个制作阶段的剖面示意图。如图所示，依照本发明的方法至少包括以下步骤：

在步骤101中，首先提供衬底202。在本实施例中，衬底202优选是半导体衬底，包括硅衬底、特别是体硅衬底，例如位于晶体结构中的硅衬底(例如体硅晶片)。此外，衬底202也可以是表面为较厚含硅层的其他衬底，例如绝缘体上硅(SOI)衬底、Si/SiGe衬底、应力硅衬底等，只要其厚度满足MEMS器件制作需要。

参考图2，在步骤102中，在衬底202上生长掩膜层204。掩膜层204可以是任意合适的介质层，例如包括氧化物(例如二氧化硅)、氮化物(例如氮化硅)、氮氧化物(SiO/SiN叠层，ONO等等)、光刻胶等等。

参考图3，在步骤103中，以常规方法光刻/刻蚀掩膜层204形成掩膜图形，并且以形成的掩膜图形为掩膜继续刻蚀衬底202，以在衬底202中形成双深槽结构，其双槽结构的深度例如大于20μm，双深槽间的衬底即构成为硅基热沉202’。

氢氧化钾溶液的硅腐蚀局部终止层的形成可以参考图4和图5。首先，在步骤104中，对衬底202、掩膜层204和双槽结构底部，进行垂直离子注入，其中“垂直”意味着注入方向与衬底表面垂直或基本垂直，即注入方向与衬底法相成0度角注入或者夹角小于等于5度。注入离子例如包括硼(B)、碳(C)、氧(O)、氮(N)、氟(F)、硫(S)等并且优选为硼。优选是低能、高剂量的离子注入，具体地，其中注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为1E15atom/cm²～1E16atom/cm²，参考图4。然后，在步骤105中，去除衬底202上剩余的掩膜层204。

随后，参考图5，在步骤106中，在上述双槽结构底部形成闭合的重掺杂区206。例如可以采用高温激活和扩散工艺(或简称退火工艺)，其温度为1000℃～1100℃，其扩散时间为1h～8h，最终得到的掺杂浓度高于2E19atom/cm³。特别地，由于双槽结构较深、以及掺杂剂量较高，掺杂离子在相邻的槽底部之间扩散接合，形成的重掺杂区连接起来并且包围了硅基热沉202’的底部，从而构成稍后湿法刻蚀时的“闭合”的局部腐蚀终止层。

参考图6，在步骤107中，接着通过例如LPCVD、PECVD、HDPCVD等常规方法在衬底202和硅基热沉202’表面沉积生长第一抗腐蚀材料208，特别是抗KOH溶液腐蚀的材料，第一抗腐蚀材料208例如包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。第一抗腐蚀材料208厚度较薄，例如仅为10～200nm，也即并未完全填充上述双槽而仅仅是贴附在其表面。

在步骤108中，接着在第一抗腐蚀材料208上淀积填充材料210，并实现双深槽完全填充，填充材料210例如包括多晶硅、非晶硅、微晶硅等。

参考图7，在步骤109中，接着对填充材料210和第一抗腐蚀材料208进行回刻工艺，最终将衬底202表面的填充材料210和第一抗腐蚀材料208刻蚀干净，也即暴露衬底202上表面且双槽结构中填充材料210顶部少许过刻蚀(例如过刻蚀约10nm)。

在步骤110中，接着在衬底202表面、硅基热沉202’表面、第一抗腐蚀材料208表面和填充材料210表面沉积生长第二抗腐蚀材料212。第二抗腐蚀材料212与第一抗腐蚀材料208形成工艺以及材质可以相同，也可以不同。出于节约工序、减小成本考虑，可以采样相同材料和工艺，但是出于提高抗腐蚀能力的考虑，第二抗腐蚀材料212可以比第一抗腐蚀材料208对于湿法腐蚀液尤其是KOH、TMAH等腐蚀液的抗刻蚀能力更高，换言之，也即湿法腐蚀液对于第二抗腐蚀材料212的腐蚀速率小于等于第一抗腐蚀材料208。特别地，第二抗腐蚀材料212的厚度大于等于第一抗腐蚀材料208，例如为50～500nm。

参考图8，在步骤111中，对衬底202底面采用例如KOH或TMAH溶液湿法释放至局部腐蚀终止层(也即重掺杂区206)。由于局部腐蚀终止层中大量掺杂离子的存在，改变了重掺杂区206的局部晶体结构以及化学特性，使得该区域中KOH等湿法腐蚀液的刻蚀速度大幅度下降。具体地，控制腐蚀溶液浓度配比以调整腐蚀速度，结合腐蚀时间来控制腐蚀深度，使得双槽结构、硅基热沉202’、第一抗腐蚀材料208以及重掺杂区206周围的腐蚀速度明显小于其他区域，因此最终使得硅基热沉202’没有受到腐蚀。上述具体腐蚀工艺参数依照结构尺寸而合理选定，在此不再赘述。

参考图9，在步骤112中，在衬底202底面、重掺杂区206表面、第一抗腐蚀材料208表面形成第三抗腐蚀材料，例如旋涂抗腐蚀溶液胶214，实现硅基热沉202’的背面保护。

最后，参考图10，在步骤113中，采用光刻和刻蚀工艺在第二抗腐蚀材料212表面开释放腐蚀孔，随后腐蚀衬底202实现硅基热沉释放，最后去除抗腐蚀溶液胶214。

如果在硅基热沉的制作过程中，没有采用步骤104至步骤106的硅腐蚀局部终止层工艺，则经步骤111的衬底202底面湿法释放工艺后，硅基热沉202’将受到严重腐蚀，参考图11。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims

1.一种硅腐蚀局部终止层制作方法，包括：

在含硅的衬底中形成双槽结构，双槽结构之间的衬底构成硅基热沉；

对双槽结构底部进行垂直离子注入；

执行高温激活和扩散工艺，使得注入的离子在双槽结构底部形成闭合的重掺杂区，所述重掺杂区包围硅基热沉的底部，构成硅腐蚀局部终止层。

2.根据权利要求1的方法，其中，双槽结构深度大于20μm。

3.根据权利要求1的方法，其中，在衬底中形成双槽结构的步骤进一步包括：提供衬底；在衬底上形成掩膜层；光刻/刻蚀掩膜层以及衬底，在衬底中形成双槽结构。

4.根据权利要求3的方法，其中，掩膜层包括氧化物、氮化物、氮氧化物、光刻胶。

5.根据权利要求1的方法，其中，注入的离子包括硼。

6.根据权利要求1的方法，其中，注入能量为50KeV～500KeV，注入剂量为1E15atom/cm²～1E16atom/cm²。

7.根据权利要求1的方法，其中，执行高温激活和扩散工艺的步骤中，温度为1000℃～1100℃，扩散时间为1h～8h 。

8.根据权利要求1的方法，其中，重掺杂区的离子浓度高于2E19atom/cm³。

9.一种双槽硅基热沉释放方法，包括：

采取如权利要求1所述的方法，在衬底中双槽结构底部形成硅腐蚀局部终止层；

在双槽结构中形成抗腐蚀材料以及填充材料；

采用湿法刻蚀液从背面释放衬底直至硅腐蚀局部终止层；

对衬底和双槽结构背面旋涂抗腐蚀溶液胶；

对衬底和双深槽结构进行正面开腐蚀孔和湿法释放工艺，并去除抗腐蚀溶液胶，实现硅基热沉的释放。

10.根据权利要求9的方法，其中，抗腐蚀材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，填充材料包括多晶硅、非晶硅、微晶硅。