CN104975293A - 硅衬底及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅衬底及其制备方法，由晶体硅构成，其表面为晶体硅的(100)晶面，硅衬底包括基底以及在基底之上形成的多个周期性排布的正金字塔结构。本发明成功制备出具有周期性正金字塔结构的硅衬底，为硅衬底器件提供了一种新的衬底结构，为硅基电力电子器件的制备提供了一种新的方法，周期性排布的正金字塔结构相对于倒金字塔结构更适合在硅衬底上进行外延。

Description

硅衬底及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体制造领域，特别涉及一种具有周期性正金字塔结构的硅衬底及其制备方法。
背景技术
随着信息社会的发展,微机械加工技术被越来越广泛地应用于微电子机械系统(MEMS)，尤其是应用于各种微传感器的制作过程中。微结构的制作是微机械加工技术中的一项关键技术，硅的各向异性湿法腐蚀是其中最重要的一种。到目前为止，最常用的硅各向异性腐蚀液是已二胺+邻本二酚(EPW)水溶液、氢氧化钾(KOH)水溶液及四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液。已二胺+邻本二酚因为有剧毒,不常采用；氢氧化钾在反应中引入金属离子会影响微结构的性能，而且对二氧化硅腐蚀速率高；四甲基氢氧化铵无毒，能与IC工艺兼容，不引入金属离子，不腐蚀二氧化硅和氮化硅，是目前制备硅微结构的最常用的腐蚀剂。
在硅衬底上利用腐蚀液对其的各向异性腐蚀，倒金字塔结构的制备以及无序随机分布的正金字塔结构制备已经非常成熟，但规则排布的正金字塔结构的制备方法一直备受关注。
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硅衬底及其制备方法，以得到具有周期性正金字塔结构的硅衬底。
(二)技术方案
本发明提供一种硅衬底，由晶体硅构成，其表面为晶体硅的(100)晶面，硅衬底包括：
基底；以及
在基底之上形成的多个周期性排布的正金字塔结构，正金字塔结构是指底面为正方形的四棱锥晶体结构。
本发明还提供一种硅衬底的制备方法，包括：
步骤1，在晶体硅的表面上生长氧化硅层；
步骤2，在氧化硅层上涂光刻胶，使用光刻板进行光刻，其中，光刻板的光刻图形为周期性排布的正方形，使氧化硅层上具有周期性排布的正方形光刻胶；
步骤3，腐蚀无光刻胶覆盖的氧化硅层，去胶，使得在晶体硅上具有周期性排布的正方形氧化硅层；
步骤4：采用正方形氧化硅层作为掩膜，对晶体硅的非图形区域再次进行腐蚀，将非图形区域腐蚀出V型沟槽，氧化硅层随腐蚀时间增加不断变小，直至消失；
步骤5：去除残留的氧化硅，形成表面上排布有周期性正金字塔结构的硅衬底。
其中，正方形图案是透光的，所述光刻采用负胶。
其中，正方形图案是不透光的，所述光刻采用正胶。
(三)有益效果
1.本发明采用原来制备倒金字塔结构的光刻板，将原来的正胶光刻变为负胶光刻，或将原来负胶光刻变为正胶光刻，使得在所述硅衬底的正方形处保留氧化硅层，然后腐蚀硅衬底非图形区域的氧化硅层，使得在硅衬底的正方形处保留氧化硅层，对硅衬底的非图形区域再次进行腐蚀，将非图形区域腐蚀出V型沟槽，氧化硅层随腐蚀时间增加不断变小，直至消失，所以在硅衬底上成功形成了规则排布的正金字塔结构。
2.本发明成功制备出具有周期性正金字塔结构的硅衬底，为硅衬底器件提供了一种新的衬底结构，为硅基电力电子器件的制备提供了一种新的方法。
3.本发明提供的周期性排布的正金字塔结构相对于倒金字塔结构更适合在硅衬底上进行外延。在硅衬底上制备出图形衬底(如有序排布倒金字塔结构)进行外延的技术具有很大的应用潜力,但是由于金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)外延时气流方向的原因,水平气流会在垂直方向形成梯度并且对于深度过深的图形，气流到达不了图形结构的底部，造成外延结构垂直方向不均匀，而有序排布的正金字塔结构不会出现这种情况，从而得到更好质量的外延层。
附图说明
图1是本发明的硅衬底的结构示意图。
图2是本发明的硅衬底的制备方法流程图。
图3(a)～3(c)是本发明的硅衬底的SEM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，本发明提供一种硅衬底，由晶体硅构成，其表面为晶体硅的(100)晶面，硅衬底包括基底10以及在基底之上形成的多个周期性排布的正金字塔结构11，正金字塔结构11是指底面为正方形的四棱锥晶体结构，正金字塔结构的侧面为(111)晶面，硅衬底10为N型或P型硅衬底。
采用本发明的具有周期性正金字塔结构的硅衬底，为硅衬底器件提供了一种新的衬底结构，为硅基电力电子器件的制备提供了一种新的方法；另外，在金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)外延时，水平气流会在垂直方向形成梯度，通过采用本发明的正金字塔结构，使气流能到达图形结构的底部，使得外延结构垂直方向均匀，从而得到更好质量的外延层，故周期性排布的正金字塔结构相对于倒金字塔结构更适合在硅衬底上进行外延。
根据图1所示的硅衬底，本发明还提供一种硅(100)衬底的制备方法，如图2所示，方法包括：
步骤1，在晶体硅的表面上生长氧化硅层；
步骤2，在所述氧化硅层上涂光刻胶，使用光刻板进行光刻，其中，光刻板的光刻图形为周期性排布的正方形，使所述氧化硅层上具有周期性排布的正方形光刻胶；
步骤3，腐蚀无光刻胶覆盖的氧化硅层，去胶，使得在所述晶体硅上具有周期性排布的正方形氧化硅层；
步骤4：采用所述正方形氧化硅层作为掩膜，对晶体硅的非图形区域再次进行腐蚀，将非图形区域腐蚀出V型沟槽，所述氧化硅层随腐蚀时间增加不断变小，直至消失；
步骤5：去除残留的氧化硅，形成表面上排布有周期性正金字塔结构的硅衬底。
其中，在步骤2中，若正方形图案是透光的，则采用负胶进行光刻；若正方形图案是不透光的，则采用正胶进行光刻。在步骤2中，由于采用原来制备倒金字塔结构的光刻板，将原来的正胶光刻变为负胶光刻，或将原来负胶光刻变为正胶光刻，使得在所述晶体硅的正方形处保留氧化硅层，然后腐蚀晶体硅非图形区域的氧化硅层，使得在晶体硅的正方形处保留氧化硅层，对晶体硅的非图形区域再次进行腐蚀，将非图形区域腐蚀出V型沟槽，所述氧化硅层随腐蚀时间增加不断变小，直至消失，所以在硅衬底上成功形成了规则排布的正金字塔结构。
根据图2所示的方法，结合具体实施例，方法包括：
10：对N型或P型硅(100)的衬底进行标准RCA清洗；
20：在晶体硅之上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或热氧化生长氧化硅层；
30：在氧化硅层上涂光刻胶，使用光刻板进行光刻，其中，光刻板的光刻图形为周期性排布的正方形，使所述氧化硅层上具有周期性排布的正方形光刻胶；
40：用缓冲氧化刻蚀剂(BOE)腐蚀无光刻胶覆盖的氧化硅层，去胶，使得在所述晶体硅上具有周期性排布的正方形氧化硅层；
50：采用正方形的氧化硅层作为掩膜，采用四甲基氢氧化铵(TMAH)与异丙醇(IPA)的混合溶液或者氢氧化钾溶液对晶体硅的非图形区域再次进行腐蚀，将非图形区域腐蚀出V型沟槽，所述氧化硅层随腐蚀时间增加不断变小，直至消失，其中，腐蚀硅的腐蚀液对氧化硅的腐蚀速率约为1nm/min，氧化硅层要足够厚保证腐蚀硅的时间内不会被腐蚀透。
60：用缓冲氧化刻蚀剂(BOE)去除残留的氧化硅，对衬底进行清洗，得到表面上排布有周期性正金字塔结构的硅衬底。
如图3(a)～3(c)所示，本发明的硅衬底的正金字塔结构能使气流到达图形结构的底部，使得外延结构垂直方向均匀，从而得到更好质量的外延层，更适合在硅衬底上进行外延。
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 (10)

1.一种硅衬底，由晶体硅构成，其表面为晶体硅的(100)晶面，其特征在于，所述硅衬底包括：
基底；以及
在基底之上形成的多个周期性排布的正金字塔结构。
2.根据权利要求1所述的硅衬底，所述正金字塔结构是指底面为正方形的四棱锥晶体结构。
3.根据权利要求1所述的硅衬底，所述硅衬底为N型或P型硅衬底。
4.根据权利要求1所述的硅衬底，所述正金字塔结构的侧面为晶体硅的(111)晶面。
5.一种制备权利要求1-4中任意一项硅衬底的方法，其特征在于，方法包括：
步骤1，在晶体硅的表面上生长氧化硅层；
步骤2，在所述氧化硅层上涂光刻胶，使用光刻板进行光刻，其中，光刻板的光刻图形为周期性排布的正方形，使所述氧化硅层上具有周期性排布的正方形光刻胶；
步骤3，腐蚀无光刻胶覆盖的氧化硅层，去胶，使得在晶体硅上具有周期性排布的正方形氧化硅层；
步骤4：采用所述正方形氧化硅层作为掩膜，对晶体硅的非图形区域再次进行腐蚀，将非图形区域腐蚀出V型沟槽，所述氧化硅层随腐蚀时间增加不断变小，直至消失；
步骤5：去除残留的氧化硅，形成表面上排布有周期性正金字塔结构的硅衬底。
6.根据权利要求5所述的方法，在所述步骤2中，所述正方形光刻图形是透光的，所述光刻采用负胶。
7.根据权利要求5所述的方法，在所述步骤2中，所述正方形光刻图形是不透光的，所述光刻采用正胶。
8.根据权利要求5所述的方法，在所述步骤3中，采用缓冲氧化刻蚀剂BOE对无光刻胶覆盖的氧化硅层进行腐蚀。
9.根据权利要求5所述的方法，在所述步骤4中，采用四甲基氢氧化铵TMAH与异丙醇IPA的混合溶液或者氢氧化钾溶液对晶体硅的非图形区域再次进行腐蚀。
10.根据权利要求5所述的硅衬底，所述正金字塔结构之间的间距等于所述光刻板上正方形的间距。
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