CN105589131B - 一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法 - Google Patents

一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，包括：S1：在硅衬底表面上依次沉积一介质层和一屏蔽层，所述介质层为氧化硅层或氮化硅层，所述屏蔽层为多晶硅层或非晶硅层；S2：利用硅沟槽加工光刻版在屏蔽层表面形成光刻胶的屏蔽图形；S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对所述屏蔽层进行第一次刻蚀；S4：以第一次刻蚀后的多晶硅层或非晶硅层为屏蔽层对所述介质层进行第二次刻蚀；S5：采用硅沟槽加工光刻版的反版或者光刻胶平坦化的方法，在裸露的硅衬底表面形成光刻胶的屏蔽图形进行第三次刻蚀；S6：以残留的介质层为屏蔽层进行硅刻蚀得到需要的硅沟槽。本发明能够大大改善硅沟槽的侧壁粗糙度，降低硅基光波导的散射损耗和传输损耗。

Description

一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，尤其涉及一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法。
背景技术
硅材料制作光波导的优势是芯层和包层有高的折射率对比，单位面积内的集成度可以做的更高、尺寸可以做的更小。但是硅基光子集成技术的发展还面临的许多问题，其中的一个问题就是光波导的损耗。
在半导体集成电路制造中，往往需要对硅衬底进行刻蚀，如集成电路的STI(shallow trench isolation)隔离工艺，在硅片表面沉积一薄层氧化硅，在氧化硅上沉积一层氮化硅，在氮化硅表面涂布光刻胶，通过光刻工艺在光刻胶上形成需要的图形窗口，然后以光刻胶为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行氮化硅层和氧化硅层刻蚀，接下来去除表面残留的光刻胶，以氮化硅为屏蔽层进行硅沟槽刻蚀，刻蚀出需要深度、侧壁角度的硅沟槽，在形成的硅沟槽内填充氧化硅实现STI隔离工艺。
在实际的生产过程中，刻蚀后硅沟槽的侧壁存在竖直方向的条纹(通常叫“striation”，在本发明中把有这种条纹的侧壁称为“粗糙侧壁”，以“侧壁粗糙度”评价这种条纹的严重程度。)，由于STI隔离工艺只是使不同的功能结构从物理上隔离开来，这种条纹的影响还可以接受。但是这种工艺应用到光器件的光波导形成过程中，会在波导侧壁形成这种竖直方向的条纹，增加波导内传输光的散射损耗，进而导致光波导的传输损耗的增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，能够大大改善硅沟槽的侧壁粗糙度，降低硅基光波导的散射损耗和传输损耗。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，包括如下步骤：S1：在硅衬底表面上依次沉积一介质层和一屏蔽层，所述介质层为氧化硅层或氮化硅层，所述屏蔽层为多晶硅层或非晶硅层；S2：利用硅沟槽加工光刻版在屏蔽层表面形成光刻胶的屏蔽图形；S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对所述屏蔽层进行第一次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶，形成屏蔽层沟槽并裸露出部分介质层；S4：以第一次刻蚀后的多晶硅层或非晶硅层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺对所述介质层进行第二次刻蚀，形成介质层沟槽并裸露出部分硅衬底；S5：采用硅沟槽加工光刻版的反版或者光刻胶平坦化的方法，在裸露的硅衬底表面形成光刻胶的屏蔽图形，采用干法等离子体刻蚀工艺对裸露的屏蔽层进行第三次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶；S6：以残留的介质层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行硅刻蚀，去除残留的介质层得到需要的硅沟槽。
上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述多晶硅层采用CVD沉积方式或外延方式沉积在硅衬底表面。
上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述步骤S3还包括采用在多晶硅层表面生长热氧化层再剥离的方法对多晶硅侧壁进行光滑处理。
上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述步骤S3采用湿氧氧化生长热氧化层，所述热氧化层的厚度范围为150nm～200nm。
上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述步骤S3还包括采用热处理方式对多晶硅层侧壁进行再结晶处理，热处理温度为1150度，热处理时间大于0.5小时。
上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述步骤S5中采用的光刻胶平坦化的方法包括如下步骤：在多晶硅层及裸露出的硅衬底表面涂布一层光刻胶，使得多晶硅层高低台阶处对应的光刻胶表面基本共面，采用干法去胶工艺慢慢剥离光刻胶，直至多晶硅层表面露出。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，通过采用多晶硅层或非晶硅层替代光刻胶做硅刻蚀屏蔽层的屏蔽层(氧化硅层是硅刻蚀的屏蔽层，多晶硅层是氧化硅层刻蚀的屏蔽层)，利用多晶硅层或非晶硅层比光刻胶更好的抗干法刻蚀能力，消除或减小氮化硅(或氧化硅)刻蚀后形成的侧壁竖直方向的条纹，进而改善硅沟槽刻蚀的侧壁形貌，降低以该工艺加工的光波导的传输损耗。
附图说明
图1为现有硅沟槽及屏蔽层侧壁表面形貌照片图；
图2为现有硅沟槽屏蔽层及光刻胶侧壁表面形貌照片图；
图3为本发明待加工的硅片示意图；
图4为本发明硅片表面淀积了介质层后示意图；
图5为本发明硅片表面淀积了介质层和多晶硅层后示意图；
图6-图7为图5表面涂布光刻胶并经过光刻在光刻胶上形成图形结构；
图8-图9为本发明完成多晶硅层刻蚀和去除光刻胶层后的结构示意图；
图10-图11为本发明完成介质层刻蚀和去除多晶硅层后的结构示意图；
图12为本发明完成硅沟槽刻蚀的示意图；
图13为本发明去除表面残留的介质层后的结构示意图。
图中：
21硅衬底 23硅沟槽 31介质层
33介质层沟槽 41光刻胶 43光刻胶窗口
51多晶硅层 53多晶硅层沟槽
20加工后的硅沟槽 20a加工中的硅晶圆
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为现有硅沟槽及屏蔽层侧壁表面形貌照片图；图2为现有硅沟槽屏蔽层及光刻胶侧壁表面形貌照片图。
参见图1和图2，逐层分析该条纹产生的源头，发现硅沟槽侧壁的条纹与屏蔽层氮化硅的侧壁条纹一致，是由氮化硅(或氧化硅)侧壁条纹传递下来的，并且从硅沟槽的顶部到底部，条纹有逐渐变浅的趋势。氮化硅上的条纹又是在以光刻胶做屏蔽层刻蚀氮化硅的时候产生的。因此硅沟槽侧壁产生竖直方向条纹的源头是屏蔽层刻蚀后，屏蔽层的侧壁形成了竖直方向的条纹。
分析原因：氮化硅屏蔽层刻蚀时采用的是干法刻蚀，干法刻蚀是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点，不仅分辨率高，而且刻蚀速率快，通过调整二者的强弱比例，可以调节刻蚀侧壁的角度、刻蚀的速率等。而氮化硅刻蚀的屏蔽层是光刻胶，光刻胶是由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体，经过光刻工艺处理后，光刻胶的耐等离子体轰击的能力还较弱，轰击会在光刻胶的表面形成凸凹不平的形貌，同时在干法刻蚀过程中，还会产生一种聚合物(polymer)，这种聚合物会沉积在光刻胶的表面和侧壁以及氮化硅的表面和刻蚀窗口侧壁，有聚合物沉积的位置，聚合物下面的氮化硅不会被刻蚀掉。由轰击形成的光刻胶的凸凹不平的表面和聚合物沉积保护的共同作用，形成了氮化硅刻蚀后侧壁的竖直方向条纹。
为解决上述技术问题，本发明通过采用多晶硅层或非晶硅层替代光刻胶做硅刻蚀屏蔽层的屏蔽层，利用多晶硅层或非晶硅层比光刻胶更好的抗干法刻蚀能力，消除或减小氮化硅(或氧化硅)刻蚀后形成的侧壁竖直方向的条纹，进而改善硅沟槽刻蚀的侧壁形貌，降低以该工艺加工的光波导的传输损耗。20a为加工中的硅晶圆，具体工艺步骤如下：
步骤S1：在硅衬底21表面上依次沉积一层介质层31和多晶硅层51，如图3～图5所示；介质层31可以是氧化硅层或氮化硅层，多晶硅层51可以采用CVD沉积方式或外延方式沉积在硅衬底21上。
步骤S2：利用硅沟槽加工的光刻版，通过光刻工艺加工，在多晶硅层表面形成光刻胶41和光刻胶窗口43，如图6～图7所示；
步骤S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对屏蔽用的多晶硅层51进行第一次刻蚀，第一次刻蚀气体以Cl/HBr为主，带有少量的CF4，压力为15mt，上部电极功率为600W，下部电极功率为140W，刻蚀时间为80s。刻蚀后去除表面的聚合物(polymer)以及光刻胶，如图8～图9所示。
为了进一步改善多晶硅侧壁的粗糙度，本发明可以采用在多晶硅层51表面生长热氧化层再剥离的方法进一步改善多晶硅侧壁的粗糙度，如采用湿氧氧化生长热氧化层，所述热氧化层的厚度范围为150nm～200nm；也可以采用热处理方法对上述多晶硅层51做进一步的处理，热处理温度优选为1150度，热处理时间优选大于0.5小时。
步骤S4：以多晶硅层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺对所述的氧化硅层进行第二次刻蚀，第二次刻蚀气体以C4F6为主，带有一定量的O2和Ar，压力为40mt，上部电极功率1200W，磁场为15Gaus，如图10所示。
步骤S5：采用硅沟槽加工光刻版的反版，通过光刻工艺加工，在所述硅片表面形成光刻胶的屏蔽图形。采用干法等离子体刻蚀工艺对露出的多晶硅层进行第三次刻蚀，所述干法等离子体刻蚀工艺条件为集成电路行业标准的多晶刻蚀条件；刻蚀后去除表面的聚合物(polymer)以及光刻胶(去除表面的多晶硅层或非晶硅层，为后面氧化层屏蔽刻蚀硅做准备)，如图11所示。
以硅沟槽加工版图结构最小线宽允许为例，采用光刻胶平坦化的方法可以在实现相同功能的情况下减少加工步骤。采用光刻胶平坦化的方法的关键点是调试去除光刻胶的工艺条件，使去除的光刻胶的厚度可控。
步骤S6：以氧化硅为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行硅刻蚀，所述干法等离子体刻蚀工艺条件为集成电路行业标准的硅刻蚀工艺条件。去除残留的氧化硅屏蔽层得到需要的硅沟槽，所述硅沟槽的侧壁只有轻微的竖直方向条纹，如图12～图13所示，20为加工后的硅沟槽。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在硅衬底(21)表面上依次沉积一介质层(31)和一屏蔽层，所述介质层(31)为氧化硅层或氮化硅层，所述屏蔽层为多晶硅层(51)或非晶硅层；
S2：利用硅沟槽加工光刻版在屏蔽层表面形成光刻胶的屏蔽图形；
S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对所述屏蔽层进行第一次刻蚀，在刻蚀过程中会产生一种聚合物，刻蚀结束后会沉积在介质层(31)表面、光刻胶(41)表面和侧壁以及多晶硅层沟槽(53)侧壁，刻蚀后去除上述聚合物以及光刻胶，形成屏蔽层沟槽并裸露出部分介质层(31)；
S4：以第一次刻蚀后的多晶硅层或非晶硅层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺对所述介质层(31)进行第二次刻蚀，形成介质层沟槽(33)并裸露出部分硅衬底(21)；
S5：采用硅沟槽加工光刻版的反版或者光刻胶平坦化的方法，在裸露的硅衬底表面形成光刻胶的屏蔽图形，采用干法等离子体刻蚀工艺对裸露的屏蔽层进行第三次刻蚀，在刻蚀过程中会产生一种聚合物，沉积在介质层(31)表面、硅衬底(21)表面以及介质层沟槽(33)侧壁，刻蚀后去除上述聚合物以及光刻胶；
S6：以残留的介质层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行硅刻蚀，去除残留的介质层得到需要的硅沟槽(23)。
2.如权利要求1所述 的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，所述多晶硅层采用CVD沉积方式或外延方式沉积在硅衬底表面。
3.如权利要求1所述 的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S3还包括采用在多晶硅层(51)表面生长热氧化层再剥离的方法对多晶硅侧壁进行光滑处理。
4.如权利要求3所述 的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S3采用湿氧氧化生长热氧化层，所述热氧化层的厚度范围为150nm～200nm。
5.如权利要求1所述 的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S3还包括采用热处理方式对多晶硅层(51)侧壁进行再结晶处理，热处理温度为1150度，热处理时间大于0.5小时。
6.如权利要求1所述 的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S5中采用的光刻胶平坦化的方法包括如下步骤：在多晶硅层(51)及裸露出的硅衬底(21)表面涂布一层光刻胶，使得多晶硅层(51)高低台阶处对应的光刻胶表面基本共面，采用干法去胶工艺慢慢剥离光刻胶，直至多晶硅层(51)表面露出。
7.如权利要求1所述 的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，所述第一次刻蚀气体以Cl/HBr为主，带有少量的CF4，压力为15mt，上部电极功率为600W，下部电极功率为140W，刻蚀时间为80s；所述第二次刻蚀气体以C4F6为主，带有一定量的O2和Ar，压力为40mt，上部电极功率1200W，磁场为15Gaus。
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