CN104843633A - 硅的各向异性刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅的各向异性刻蚀方法，包括以下步骤：S1：提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶硅衬底背面形成一保护层；S2：以所述图形化掩模层为掩模，采用高腐蚀速率的第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第一预设时间；S3：进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用低腐蚀速率的第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构。本发明使用不同的工艺条件进行两步蚀刻，可以显著缩短制程时间、提高生产效率、减少产能需求，同时保证工艺质量、晶面无缺陷，并且由于采用了低浓度的蚀刻液，可以减少蚀刻液使用量，节省生产成本。

Description

硅的各向异性刻蚀方法

技术领域

本发明属于半导体制造领域，涉及一种硅的各向异性刻蚀方法。

背景技术

在三维集成电路制造技术中，硅的各向异性湿法蚀刻工艺被广泛应用各种微机械结构制程上，使用的蚀刻化学品多为TMAH等化学品。硅的各向异性湿法蚀刻工艺是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩模，采用湿法腐蚀手段进行较大深度的腐蚀。

通常在硅的各向异性湿法蚀刻制程中硅被蚀刻厚度达到300～700微米，以形成设计所需要的各种腔体结构。当前技术中使用TMAH蚀刻速率在0.3-0.8微米/分钟，一次工艺过程时间需要10～20小时，甚至更多；大量生产时，严重影响产能和生产效率。

为了控制离子污染，当前技术通常采用TMAH(tetramethylammonium hydroxide，四甲基氢氧化铵)进行硅的蚀刻，TMAH是一种有机、无色的水溶液，具有毒性低的优点；TMAH蚀刻具有以下特点：（1）硅蚀刻速率随浓度升高而降低，随温度升高而升高；在22wt%的浓度、80℃的温度下，蚀刻速率为0.5～0.6微米/分钟；在5%wt的浓度、90℃的温度下，蚀刻速率可以达到1.4微米/分钟；在5%wt的浓度、100℃的温度下，蚀刻速率可以达到2.4um/min；（2）(100)面金字塔型的小丘密度随浓度变化而变化，22wt%时最好；所以目前半导体业内通常使用22wt%80℃的工艺条件；其工艺过程时间较长，达21小时以上，高浓度的TMAH溶液价格高昂，无法广泛应用。

因此，提供一种新的硅的各向异性刻蚀方法以缩短制程时间，提高生产效率，同时保证工艺质量并节约成本实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅的各向异性刻蚀方法，用于解决现有技术中制程时间太长，严重影响产能和生产效率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅的各向异性刻蚀方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶硅衬底背面形成一保护层；

S2：以所述图形化掩模层为掩模，采用第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第一预设时间；

S3：进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构；所述第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率小于所述第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率。

可选地，所述第二浓度大于第一浓度。

可选地，所述各向异性腐蚀液为TMAH溶液。

可选地，所述第一浓度为5wt%～15wt%，该第一浓度的TMAH溶液的温度是80～100℃；所述第二浓度为20wt%～25wt%，该第二浓度的TMAH溶液的温度是70～90℃。

可选地，于所述步骤S2中进行湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗的步骤；于所述步骤S3中进行湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗并干燥的步骤。

可选地，于所述步骤S1中在形成所述保护层之后，进一步将所述保护层图形化，形成图形化的保护层；所述图形化的保护层的图案与所述图形化掩模层的图案相对应；于所述步骤S2及步骤S3中，同时以所述图形化的保护层为掩模进行湿法刻蚀；所述腔体结构为上下贯穿的通孔结构。

可选地，所述腔体结构的限制面包括硅的（100）面及（111）面，所述第二预设时间大于1.5小时。

可选地，所述腔体结构的限制面包括硅的（110）面及（111）面，所述第二预设时间大于1.5小时。

可选地，所述腔体结构的限制面为硅的（111）面及所述保护层，所述第一预设时间为所述第二预设时间的4～20倍。

可选地，所述第二预设时间小于1.5小时。

可选地，于所述步骤S1中在形成所述保护层之前，首先在所述单晶硅衬底背面形成一多晶硅层；所述多晶硅层与所述图形化掩模层的开口位置相对应；所述保护层覆盖所述多晶硅层。

如上所述，本发明的硅的各向异性刻蚀方法，具有以下有益效果：本发明在湿法腐蚀过程中使用不同的工艺条件进行两步蚀刻，对于TMAH溶液，第一步蚀刻使用低浓度高温度的工艺条件以实现快速蚀刻的目的，完成整个工艺过程的75%～95%；第二步蚀刻使用优化的量产工艺条件进行后段处理，以得到理想的晶面表面。本发明可以显著缩短制程时间、提高生产效率、减少产能需求，同时保证工艺质量、晶面无缺陷，并且由于采用了低浓度的蚀刻液，可以减少蚀刻液使用量，节省生产成本。

附图说明

图1显示为本发明的硅的各向异性刻蚀方法的工艺流程图。

图2至图5显示为本发明的硅的各向异性刻蚀方法在实施例一中各步骤形成的结构示意图。

图6至图11显示为本发明的硅的各向异性刻蚀方法在实施例二中各步骤形成的结构示意图。

元件标号说明

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种的硅的各向异性刻蚀方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，如图所示，包括以下步骤：

S1：提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶硅衬底背面形成一保护层；

S2：以所述图形化掩模层为掩模，采用第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第一预设时间；

S3：进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构；所述第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率小于所述第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率。

实施例一

请参阅图2至图5，本发明提供一种硅的各向异性刻蚀方法以形成限制面包括硅的（100）面或（110）面的腔体结构。首先请参阅图2，执行步骤S1：提供一单晶硅衬底1，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层2，并在所述单晶硅衬底1背面形成一保护层3。

具体的，所述单晶硅衬底1可以根据最终要形成的腔体结构类型选择（100）晶面硅片或（110）晶面硅片。此外，所述单晶硅衬底1中还可以形成有CMOS等器件结构。本实施例中，最终要形成的腔体结构以倒梯形棱台凹槽为例。

由于硅的各向异性湿法蚀刻是一种表面反应控制的化学反应，其反应速率受化学反应表面硅原子键能的影响，在各晶向上蚀刻速率（110）>（100）>（111），再结合单晶硅中各晶面之间的角度关系，因此本实施例中，所述单晶硅衬底1优选采用（100）晶面硅片以形成倒梯形的棱台凹槽。

所述图形化掩模层2及所述保护层3采用抗蚀材料如二氧化硅、氮化硅等。所述图案化掩膜层2可采用化学气相沉积等方法首先形成一掩模层，然后通过光刻、刻蚀等常规半导体工艺将所述掩模层图形化形成。所述保护层亦可采用化学气相沉积等方法形成。

然后请参阅图3，执行步骤S2：以所述图形化掩模层2为掩模，采用第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底1进行湿法刻蚀并维持第一预设时间。

具体的，采用浸泡式湿法刻蚀。所述各向异性腐蚀液包括但不限于KOH（氢氧化钾）、TMAH(tetramethylammonium hydroxide，四甲基氢氧化铵)等碱性溶液。本步骤中，采用刻蚀速率较快的各向异性腐蚀液，以实现快速蚀刻的目的，完成整个工艺过程的75%～95%。所述各向异性腐蚀液的刻蚀速率可通过控制各向异性腐蚀液的浓度、温度来实现。

本实施例中，所述各向异性腐蚀液优选采用低浓度的TMAH溶液，TMAH是一种有机、无色的水溶液，具有毒性低的优点。所述第一浓度为5wt%～15wt%，该第一浓度的TMAH溶液的温度是80～100℃。本步骤中，优选采用浓度为5wt%、温度为100℃的TMAH溶液对所述单晶硅衬底1进行快速刻蚀，其对硅的（100）面的刻蚀速率可以达到2.4微米/分钟。

由于各向异性腐蚀液对硅的（100）面和（111）面的腐蚀速率差别很大，可高达100～400倍，因此硅的（111）面在腐蚀过程中会自停止，形成倒梯形棱台凹槽，其限制面包括硅的（100）及（111）面，如图3所示。同时由于本步骤中刻蚀速率很快，硅的（100）面上会出现密集的塔丘现象。因此需要进一步进行采取措施，以消除（100）面上的塔丘现象。

再请参阅图4及图5，执行步骤S3：进一步以所述图形化掩模层2为掩模，采用第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底1进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构4；所述第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率小于所述第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率。

本步骤中，使用优化的量产工艺条件进行后段精细刻蚀，以得到理想的晶面表面。

具体的，本步骤中所述各向异性腐蚀液采用高浓度TMAH溶液，其对所述单晶硅衬底的腐蚀速率小于低浓度TMAH溶液，可以进行精细刻蚀。所述第二浓度为20wt%～25wt%，该第二浓度的TMAH溶液的温度是70～90℃。本步骤中，优选采用浓度为22wt%、温度为85℃的TMAH溶液对所述单晶硅衬底1进行精细刻蚀，其对硅的（100）面的刻蚀速率为0.3～0.8微米/分钟。

为了保证能够完全消除（100）面上的塔丘现象，考虑到典型的塔丘尺寸，本步骤中，所述第二预设时间需控制在1.5小时以上。而步骤S2中的第一预设时间可以根据所述腔体结构的具体尺寸及所述第二预设时间反推算得出。因此，步骤S2的快速刻蚀需要完成整个工艺过程的比例在不同的设计腔体结构上有较大的不同，原则上要保证步骤S3的精细刻蚀能够完全消除步骤S2快速刻蚀所产生的在硅的（100）面上密集的塔丘现象。

至此，通过本发明的硅的各向异性刻蚀方法形成了一种限制面包括硅的（100）面及（111）面的腔体结构，图4显示为该结构的剖视图。图5显示为该结构的一种微机械结构形式，如图所示，所述腔体结构上方具有一悬梁臂5，其可以在所述掩模层的图形化过程中形成该可应用于各种传感器。需要指出的是，在上述步骤S2及步骤S3的分步刻蚀过程之后，可以分别进行纯水清洗，以避免腐蚀液残留及浓度发生改变，并且在完成步骤S3后，可以进一步对硅片进行干燥。

本实施例中，所述腔体结构4为倒梯形棱台凹槽，在其它实施例中，所述腔体结构也可以是其它形式，如矩形棱柱凹槽或硅通孔等。对于矩形棱柱凹槽，其可利用（110）晶面硅片并采用上述基本相同的方法制成，该腔体结构的限制面包括硅的（110）面及（111）面，由于（110）面的蚀刻速率同样远大于（111）面，在步骤S2的快速刻蚀过程中，（110）面的质量同样不理想，因此步骤S3中精细刻蚀的第二预设时间同样需要大于1.5小时以保证得到理想的表面。对于硅通孔，可以在上述步骤S1中在形成所述保护层3之后，进一步将所述保护层图形化，形成图形化的保护层；所述图形化的保护层的图案与所述图形化掩模层2的图案相对应；并且于所述步骤S2及步骤S3中，同时以所述图形化的保护层为掩模进行湿法刻蚀并腐穿，形成上下贯穿的通孔结构。

本发明在湿法腐蚀过程中使用不同的工艺条件进行两步蚀刻，对于TMAH溶液，第一步蚀刻使用低浓度高温度的工艺条件以实现快速蚀刻的目的，完成整个工艺过程的75%～95%；第二步蚀刻使用优化的量产工艺条件进行后段处理，以得到理想的晶面表面。本发明可以显著缩短制程时间、提高生产效率、减少产能需求，同时保证工艺质量、晶面无缺陷，并且由于采用了低浓度的蚀刻液，可以减少蚀刻液使用量，节省生产成本。

实施例二

请参阅图6至图11，本发明提供一种硅的各向异性刻蚀方法，以形成限制面仅包括硅的（111）面或仅包括硅的（111）面及其它材料层的腔体结构。本实施例中，所述腔体结构以剖面形状为六边形的的凹槽为例，其限制面包括硅的（111）面及保护层。

首先请参阅图6，执行步骤S1：提供一单晶硅衬底1，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层2，并在所述单晶硅衬底1背面形成一保护层3。

具体的，所述单晶硅衬底1采用（100）晶面硅片，在形成所述保护层3之前，首先在所述单晶硅衬底1背面形成一多晶硅层6；所述多晶硅层6与所述图形化掩模层2的开口位置相对应；所述保护层3覆盖所述多晶硅层3。

所述图形化掩模层2及所述保护层3采用抗蚀材料如二氧化硅、氮化硅等。所述图案化掩膜层2可采用化学气相沉积等方法首先形成一掩模层，然后通过光刻、刻蚀等常规半导体工艺将所述掩模层图形化形成。所述保护层亦可采用化学气相沉积等方法形成。

然后请参阅图7至图9，执行步骤S2：以所述图形化掩模层2为掩模，采用第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底1进行湿法刻蚀并维持第一预设时间。

具体的，采用浓度为5wt%～15wt%、温度是80～100℃的TMAH溶液进行湿法刻蚀，本实施例中，优选采用浓度为5wt%、温度为100℃的TMAH溶液对所述单晶硅衬底1进行快速刻蚀，其对硅的（100）面的刻蚀速率可以达到2.4微米/分钟。

由于硅的（100）面及（111）的腐蚀速率不同，在湿法刻蚀的不同阶段，形成的凹槽呈现出不同的形状。图7至图9显示为本步骤中形成的凹槽的剖面结构变化过程。其中，图7显示腐蚀液从所述单晶硅衬底1正面将硅的（100）面刻蚀穿并进一步将所述多晶硅层6腐蚀掉时的情形。所述多晶硅层6被腐蚀液腐蚀掉后形成一容置空腔，腐蚀液进入到该容置空腔内，从而进一步从所述单晶硅衬底1背面开始腐蚀，并形成如图8所示的结构，该结构中，硅的（111）面之间形成一对凸角。硅的（111）面相对而言比较稳定，而该凸角的顶端并不稳定，在进一步腐蚀的过程中，该凸角会被腐蚀露出非（111）面，从而腐蚀液会从该凸角进一步往里刻蚀，形成六边形的雏形，如图9所示结构。至此，本步骤利用低浓度高温度的TMAH溶液完成了腔体结构的大部分蚀刻过程。

虽然硅的（111）面在蚀刻过程中比较稳定，不会形成塔丘现象，然而其腔体结构的拐角部分仍然存在残余的塔丘，因此需要预留时间进行进一步的精细刻蚀。

再请参阅图10及图11，执行步骤S3：进一步以所述图形化掩模层2为掩模，采用第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构。

具体的，采用浓度为20wt%～25wt%，温度是70～90℃的TMAH溶液进行本步骤的湿法刻蚀，优选采用浓度为22wt%、温度为85℃的TMAH溶液对所述单晶硅衬底1进行精细刻蚀，其对硅的（100）面的刻蚀速率为0.3～0.8微米/分钟。相对于实施例一，本实施例中塔丘现象仅存在于拐角部分，因此第二预设时间可以相对缩短，小于1.5小时。步骤S2中的快速刻蚀可以占整个刻蚀过程的95%以上，所述第一预设时间为所述第二预设时间的4～20倍。

至此，采用本发明的硅的各向异性刻蚀方法形成如图10所示的空腔结构，图11显示为该结构的SEM图，图中示出了空腔（backchamber）及隔板（diaphragm），其中隔板又可称背板（backplate）。该空腔结构可以应用于麦克风的空气腔、压力传感器等。常规工艺形成该空腔结构需要21小时，本实施例中，所述步骤S2的快速刻蚀过程持续5小时，所述步骤S3的精细刻蚀过程持续1小时，总的工艺时间是6小时，时间大大缩短，同时可以拥有良好的表面，保证工艺质量。此处仅为实例，对于不同形式的空腔结构两步刻蚀时间可以进行相应的调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明在湿法腐蚀过程中使用不同的工艺条件进行两步蚀刻，对于TMAH溶液，第一步蚀刻使用低浓度高温度的工艺条件以实现快速蚀刻的目的，完成整个工艺过程的75%～95%；第二步蚀刻使用优化的量产工艺条件进行后段处理，以得到理想的晶面表面。本发明可以显著缩短制程时间、提高生产效率、减少产能需求，同时保证工艺质量、晶面无缺陷，并且由于采用了低浓度的蚀刻液，可以减少蚀刻液使用量，节省生产成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1：提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶硅衬底背面形成一保护层；

S2：以所述图形化掩模层为掩模，采用第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第一预设时间；

S3：进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构；所述第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率小于所述第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率。

2.根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述第二浓度大于第一浓度。

3.根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述各向异性腐蚀液为TMAH溶液。

4.根据权利要求3所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述第一浓度为5wt%～15wt%，该第一浓度的TMAH溶液的温度是80～100℃；所述第二浓度为20wt%～25wt%，该第二浓度的TMAH溶液的温度是70～90℃。

5.根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：于所述步骤S2中进行湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗的步骤；于所述步骤S3中进行湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗并干燥的步骤。

6.根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：于所述步骤S1中在形成所述保护层之后，进一步将所述保护层图形化，形成图形化的保护层；所述图形化的保护层的图案与所述图形化掩模层的图案相对应；于所述步骤S2及步骤S3中，同时以所述图形化的保护层为掩模进行湿法刻蚀；所述腔体结构为上下贯穿的通孔结构。

7.根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述腔体结构的限制面包括硅的（100）面及（111）面，所述第二预设时间大于1.5小时。

8.根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述腔体结构的限制面包括硅的（110）面及（111）面，所述第二预设时间大于1.5小时。

9.根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述腔体结构的限制面为硅的（111）面及所述保护层，所述第一预设时间为所述第二预设时间的4～20倍。

10.根据权利要求9所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述第二预设时间小于1.5小时。

11.根据权利要求9所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：于所述步骤S1中在形成所述保护层之前，首先在所述单晶硅衬底背面形成一多晶硅层；所述多晶硅层与所述图形化掩模层的开口位置相对应；所述保护层覆盖所述多晶硅层。