CN103641063A

CN103641063A - 一种制备图形化多孔硅结构的方法

Info

Publication number: CN103641063A
Application number: CN201310706907.5A
Authority: CN
Inventors: 赵永梅; 杨香; 季安; 张明亮; 韩国威; 宁瑾; 王晓东; 杨富华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开了一种制备图形化多孔硅结构的方法，包括：步骤1：在硅片上依次淀积氧化硅和氮化硅，形成双层掩膜结构；步骤2：在硅片上双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域，然后采用干法刻蚀依次去掉该图形窗口区域中的氮化硅和氧化硅层，露出硅片的表面；步骤3：对露出的硅片表面进行湿法腐蚀，形成硅腔结构；步骤4：采用水热腐蚀方法在硅腔结构内形成多孔硅层，完成图形化多孔硅结构的制备。本发明提供的掩膜体系可以实现不同厚度和图形尺寸的多孔硅图形、单面／双面多孔硅图形及自支撑多孔硅图形等。

Description

一种制备图形化多孔硅结构的方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及到一种制备图形化多孔硅结构的方法，该方法与现有的硅加工工艺兼容，为灵活制造多孔硅MEMS器件奠定基础。

背景技术

多孔硅材料具有很多独特的性质，如高的电阻率、大的比表面积、低热导率、强吸附特性等，可以用在湿度探测器、气体探测器、化学和生物传感器中。自1990年人们发现多孔硅独特的发光效应以来，多孔硅成了研究的热点。一直以来针对多孔硅的研究工作大部分集中在多孔硅的制备方法、发光机理以及多孔硅作为牺牲层等方面。最近随着对多孔硅的进一步研究和认识，多孔硅的研究也逐渐拓展到了微机械系统(MEMS)、生物传感器等新的研究领域。

多孔硅的制备技术如物理的、化学的、电化学方法和相应的装置层出不穷，各有其使用的范围和特点。多孔硅的性能与其微观结构如孔隙率、厚度等参数密切相关。针对多孔硅不同结构表现出的不同性能可以将多孔硅应用于硅的MEMS器件中提高性能，这种研究思路一方面得益于多孔硅的工艺可以与传统的硅基加工工艺相兼容便于器件工艺整合，另一方面与IC工艺兼容便于器件与电路的集成进而实现实用化。多孔硅在MEMS和生物传感器等新的研究领域的应用，通常需要在局部区域形成多孔硅图形化，而不是传统结构中覆盖整个面积的多孔硅层，并且随着硅器件尺寸的不断缩小，也要求制备的多孔硅尺寸越来越小。因此，研究利用半导体微细加工技术区域性生长多孔硅或形成所需的不同结构的多孔硅成为研究多孔硅／硅基器件的关键。

由于多孔硅制备的腐蚀液条件，将多孔硅进行图形化时掩膜的选择成为关键，需要对非多孔硅区域实现有效的保护。一种方法是采用硼离子注入技术，在n型高阻硅衬底上的局部微区域通过离子注入形成易于腐蚀的p型硅，用电化学方法制备出图形化的多孔硅阵列。通过控制硼离子注入能量控制其注入深度，从而准确控制制备的多孔硅厚度，但是由于注入能量的限制，所以这种方法只适合于制备薄层的多孔硅，且衬底硅片的类型和参数受到限制。

同样采用离子注入方法，是在单晶硅中通过注入氢或氦离子等形成局部高阻硅掩膜作为选择性腐蚀多孔硅的掩膜。高阻硅的掩蔽效果随着腐蚀时间加长会下降，同时受离子注入能量的影响只能形成薄层多孔硅，如采用1μm厚的高阻层能够形成约6μm厚的多孔硅。

形成图案化多孔硅的方法也可以采用无掩膜方法，如利用光照腐蚀的方法中在光源和硅片之间放置掩膜阻挡光照形成多孔硅图形，或者电化学方法中在硅片下面水平放置图案化的电极使电场局域化来制备多孔硅图形，虽然省去了掩膜的选取和光刻过程，但是这些方法只适合于制备图案简单的多孔硅图形。

针对多孔硅在MEMS领域的应用，比较有效的图形化方法是采用淀积氮化硅或多晶硅掩膜的方法。而多晶硅通常也会受到腐蚀，多孔硅的厚度受多晶硅掩蔽层的影响和制约。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种制备图形化多孔硅结构的方法，以解决多孔硅／硅MEMS器件制备中的工艺整合难题，并与硅MEMS器件工艺相兼容。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种制备图形化多孔硅结构的方法，包括：

步骤1：在硅片上依次淀积氧化硅和氮化硅，形成双层掩膜结构；

步骤2：在硅片上双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域，然后采用干法刻蚀依次去掉该图形窗口区域中的氮化硅和氧化硅层，露出硅片的表面；

步骤3：对露出的硅片表面进行湿法腐蚀，形成硅腔结构；

步骤4：采用水热腐蚀方法在硅腔结构内形成多孔硅层，完成图形化多孔硅结构的制备。

上述方案中，步骤1中所述硅片采用单晶硅层。

上述方案中，步骤1中所述双层掩膜结构中的氧化硅是采用热氧化方法、等离子体化学气相沉积方法、溅射方法或低压化学气相沉积方法，在硅片的一面或双面形成的。

上述方案中，步骤1中所述双层掩膜结构中的氮化硅是采用低压化学气相沉积方法、等离子体化学气相沉积方法或溅射方法在氧化硅上形成的。

上述方案中，步骤1中所述双层掩膜结构中的氮化硅是单层氮化硅，或者是富氮、富硅的氮化硅层的组合。

上述方案中，步骤2中所述在硅片上双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域是采用光刻技术实现的。

上述方案中，步骤4中所述多孔硅层是采用水热腐蚀方法制备的，水热腐蚀时通过由光刻和刻蚀技术定义的氮化硅／氧化硅掩膜图形来形成。

上述方案中，步骤4中所述多孔硅层的厚度为0～100μm，图形尺寸在nm到mm量级。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的制备图形化多孔硅结构的方法，可以灵活实现不同结构尺寸和不同厚度的多孔硅图形，有助于多孔硅在MEMS器件或生物领域的应用。工艺兼容性有助于缩小器件尺寸，进一步提高成品率降低成本，促进多孔硅基MEMS器件或生物芯片的真正实用化。

2、本发明提供的制备图形化多孔硅结构的方法，能够灵活实现不同尺寸和不同厚度的多孔硅图形，同时氧化硅／氮化硅掩膜是硅MEMS器件加工中常用的掩膜，该掩膜在制备多孔硅前可以用于体硅MEMS结构的加工中。在制备多孔硅后，掩膜还可以用于隔离或绝缘膜存在，省去了再次去除掩膜的工序。

3、本发明提供的制备图形化多孔硅结构的方法，与硅MEMS器件工艺完全兼容，易于解决多孔硅制备与硅MEMS加工工艺中存在的工艺整合问题。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明提供的制备图形化多孔硅结构的方法流程图；

图2至图6是依照本发明实施例的制备图形化多孔硅结构的工艺流程图；

图7是依照本发明实施例的采用干法刻蚀去掉这三个图形窗口区域中的氮化硅和氧化硅层露出氧化硅层下的硅片的示意图；

图8是依照本发明实施例的在硅片正面有两个小Si腔结构在硅片背面有一个大Si腔结构的示意图；

图9是依照本发明实施例的采用水热腐蚀方法在硅片两面的Si腔结构内形成多孔硅层的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1本发明提供的制备图形化多孔硅结构的方法流程图，该方法包括：

步骤3：对露出的硅片表面进行湿法腐蚀，形成硅腔结构；

其中，步骤1中所述硅片采用单晶硅层1，该单晶硅层1的导电类型、电阻率和晶向的选取依据器件结构中制备的多孔硅层的参数。

步骤1中的双层掩膜结构中的氧化硅是采用热氧化方法、等离子体化学气相沉积方法、溅射方法或低压化学气相沉积方法，在硅片的一面或双面形成的，其厚度根据复合掩膜的应力调配或作为隔离层／绝缘层而定。

步骤1中的双层掩膜结构中的氮化硅是采用低压化学气相沉积方法、等离子体化学气相沉积方法或溅射方法在氧化硅上形成的，其厚度和N、Si比例根据多孔硅层的腐蚀而定，双层掩膜结构中的氮化硅是单层氮化硅，或者是富氮、富硅的氮化硅层的组合。

步骤2中所述的在硅片上双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域是采用光刻技术实现的。

步骤4中的多孔硅层是采用水热腐蚀方法制备的，水热腐蚀时通过由光刻和刻蚀技术定义的氮化硅／氧化硅掩膜图形来形成。根据实际需要，多孔硅层6的厚度可以实现0～100μm，图形尺寸可以在nm到mm量级。

本发明提供的制备图形化多孔硅结构的方法，多孔硅膜的厚度可以根据需要包括几个微米量级的薄膜或者几十到上百微米的厚膜，同时多孔硅膜的图形尺寸可以灵活设计。这种图形化技术采用的掩膜是氮化硅和氧化硅的复合膜，该复合膜结构可以根据实际需求为一种周期或多个周期复合膜，或者是在氧化硅上生长不同Si、N比例的多层SiN_x膜。掩膜结构选取的原则一是基于能够实现多孔硅的图形，即掩膜能够抗住制备多孔硅的腐蚀液；二是尽可能的降低掩膜的应力对基片的影响；三是为了硅MEMS器件加工的需要，掩膜能够抗住KOH等硅腐蚀液的影响。

在本发明中，采取氮化硅／氧化硅的复合膜作为掩膜，通过控制淀积时Si、N的比例可以使氮化硅基本不受制备多孔硅的腐蚀液的影响或仅仅是极低的腐蚀速率。加入氧化硅层及在氧化硅上淀积富硅、富氮的双层氮化硅结构可以解决氮化硅机械应力大对器件结构造成的影响。采用本发明提供的掩膜体系不仅可以有效实现图形化多孔硅层，也很容易实现厚膜甚至自支撑多孔硅膜的图形结构。该掩膜体系同时作为硅MEMS器件中的硅加工工艺掩膜、绝缘层或隔离层等，省去了去掩膜的复杂工艺，与硅MEMS器件的加工工艺兼容。

实施例1

图2至图6是依照本发明实施例的制备图形化多孔硅结构的工艺流程图，具体如下：

(1)如图2所示，选取双面抛光的硅片1进行高温氧化，在硅片上下表面均形成氧化硅层2。

(2)如图3所示，采用LPCVD方法在上述带有氧化硅层2的硅片上下表面均淀积氮化硅层3，在硅片上下表面均形成双层掩膜结构。在淀积氮化硅层时，合理调节反应时Si源和N源的比例，SiH₂Cl₂、NH₃气源比例为1∶3，生长温度850℃。

(3)如图4所示，采用光刻技术在硅片上下表面中任一表面的双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域，然后采用干法刻蚀依次去掉该图形窗口区域中的氮化硅层和氧化硅层，露出硅片的表面。在本实施例中是对硅片下表面的双层掩膜结构进行刻蚀。

(4)如图5所示，采用氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液对露出的硅片表面进行湿法腐蚀，形成Si腔结构。硅腔结构可以根据实际器件需要不进行腐蚀或腐蚀到所需厚度。

(5)如图6所示，采用水热腐蚀方法在Si腔结构内形成多孔硅层，完成图形化多孔硅结构的制备；通过调节腐蚀液比例、腐蚀温度及腐蚀时间来控制多孔硅层的厚度和孔隙率等结构参数。SiN_x／氧化硅的窗口图形定义了多孔硅层的图形。

实施例2

以下为依照本发明另一个实施例的制备图形化多孔硅结构的工艺，具体包括如下步骤：

(1)选取双面抛光的硅片1进行高温氧化，在硅片上下表面均形成氧化硅层2。

(2)采用LPCVD方法在上述带有氧化硅层2的硅片上下表面均淀积氮化硅层3，在硅片上下表面均形成双层掩膜结构。在本步骤中，调节反应时Si源和N源的比例，SiH₂Cl₂、NH₃气源比例为3∶1或5∶1，生长温度800℃，得到富Si比例的SiN_x膜。生长结束后，将炉子进行抽气处理，炉温设定850℃并稳定，调节反应时Si源和N源的比例，SiH₂Cl₂、NH₃气源比例为1∶3，得到富N比例的SiN_x膜。

采用这种结构的掩膜体系，再通过光刻、刻蚀开出掩膜窗口及实现多孔硅图形化的工艺过程同实施例1中的(3)-(5)。与之不同的是，这种掩膜结构可以通过调整富硅、富氮结构层参数降低掩膜体系的应力，适用于需要低应力膜系的MEMS结构；同时，富硅的SiNx层的存在可以实现更厚的多孔硅膜。

实施例3

以下为依照本发明再一个实施例的制备图形化多孔硅结构的工艺，具体包括如下步骤：

(2)采用LPCVD方法在上述带有氧化硅层2的硅片上下表面均淀积氮化硅层3，在硅片上下表面均形成双层掩膜结构。调节反应时Si源和N源的比例，SiH₂Cl₂、NH₃气源比例为1∶3，生长温度850℃。

(3)采用光刻技术在硅片正反两面双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域，其中在硅片正面有两个小图形窗口区域，在硅片背面有一个大图形窗口区域；然后采用干法刻蚀去掉这三个图形窗口区域中的氮化硅和氧化硅层，露出氧化硅层下的硅片，如图7所示。

(4)采用KOH或TMAH腐蚀液对露出的硅片正反两面进行湿法腐蚀，在硅片的正反两面均形成Si腔结构，其中在硅片正面有两个小Si腔结构，在硅片背面有一个大Si腔结构；如图8所示。

(5)采用水热腐蚀方法在硅片两面的Si腔结构内形成多孔硅层，完成图形化多孔硅结构的制备，如图9所示；通过调节腐蚀液比例、腐蚀温度及腐蚀时间来控制多孔硅层的厚度和孔隙率等结构参数，基片正反面的多孔硅图形是由掩膜结构来定义。

其中的掩膜结构也可以采用实施例2中的氧化硅／双层氮化硅的掩膜。双面图形化的多孔硅膜其结构参数由掩膜定义，可以同时实现不同结构的多孔硅层。根据实际器件需要，采用这种掩膜体系，也很容易实现自支撑的厚膜多孔硅结构层。

在实际应用中，也可以选择单面抛光的硅片，在硅片抛光的这一面形成双层掩膜结构，并以该双层掩膜结构为掩模，形成Si腔结构，最终在该Si腔结构中形成多孔硅层。这与本发明上述实施例采用的技术思路是一致的，这里就不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备图形化多孔硅结构的方法，其特征在于，包括：

步骤3：对露出的硅片表面进行湿法腐蚀，形成硅腔结构；

2.根据权利要求1所述的制备图形化多孔硅结构的方法，其特征在于，步骤1中所述硅片采用单晶硅层。

3.根据权利要求1所述的制备图形化多孔硅结构的方法，其特征在于，步骤1中所述双层掩膜结构中的氧化硅是采用热氧化方法、等离子体化学气相沉积方法、溅射方法或低压化学气相沉积方法，在硅片的一面或双面形成的。

4.根据权利要求1所述的制备图形化多孔硅结构的方法，其特征在于，步骤1中所述双层掩膜结构中的氮化硅是采用低压化学气相沉积方法、等离子体化学气相沉积方法或溅射方法在氧化硅上形成的。

5.根据权利要求1所述的制备图形化多孔硅结构的方法，其特征在于，步骤1中所述双层掩膜结构中的氮化硅是单层氮化硅，或者是富氮、富硅的氮化硅层的组合。

6.根据权利要求1所述的制备图形化多孔硅结构的方法，其特征在于，步骤2中所述在硅片上双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域是采用光刻技术实现的。

7.根据权利要求1所述的制备图形化多孔硅结构的方法，其特征在于，步骤4中所述多孔硅层是采用水热腐蚀方法制备的，水热腐蚀时通过由光刻和刻蚀技术定义的氮化硅／氧化硅掩膜图形来形成。

8.根据权利要求1所述的制备图形化多孔硅结构的方法，其特征在于，步骤4中所述多孔硅层的厚度为0～100μm，图形尺寸在nm到mm量级。