CN107132617A - 一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法 - Google Patents

一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体集成技术领域，公开了一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，包括：提供衬底；在所述衬底上形成硅基光波导线条；对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为：20Torr‑1atm。本发明解决了现有技术中硅基光波导侧壁粗糙度过大的问题，本发明提供的方法不仅工艺简单，而且能很好地保持硅基光波导线条的形貌和尺寸，达到了在20Torr‑1atm腔室压力条件下实现降低硅基光波导侧壁粗糙度的技术效果。

Description

一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法
技术领域
本发明涉及半导体集成技术领域，尤其涉及一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法。
背景技术
在硅基光波导器件制备过程中，采用干法刻蚀形成波导线条。经干法刻蚀后的硅线条侧壁粗糙度的过大会直接加大光的传播损耗，影响波导器件的性能。目前降低粗糙度的方法有：优化刻蚀工艺、湿法氧化-腐蚀-湿法氧化-腐蚀等方法，但是改善的效果有限。
发明内容
本申请实施例通过提供一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，解决了现有技术中硅基光波导侧壁粗糙度过大的问题。
本申请实施例提供一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成硅基光波导线条；
对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为：20Torr-1atm。
优选的，所述氢气退火的温度为：600-950℃。
优选的，所述氢气退火的时间为：10-300s。
优选的，所述氢气退火的氢气流量为：20-180L/min。
优选的，所述氢气退火中通入刻蚀性气体。
优选的，所述刻蚀性气体为氯化氢。
优选的，所述氯化氢的流量为：10-200sccm。
优选的，在所述氢气退火之前，对所述衬底进行RCA清洗处理。
优选的，所述RCA清洗处理采用的是含氢氟酸的溶液。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，在衬底上形成硅基光波导线条，然后在20Torr-1atm腔室压力条件下，对衬底进行氢气退火处理。本申请提供的方法在20Torr-1atm腔室压力条件下便可实现降低硅基光波导侧壁粗糙度，不仅工艺简单，而且能很好地保持硅基光波导线条的形貌和尺寸。本申请提供的方法使得硅基光波导线条的侧壁粗糙度减小，例如，对于500nm线宽的线条，硅基光波导侧壁粗糙度经过氢气退火后，可以将起伏从8-10nm降到0.5nm以下。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法的流程图；
图2为采用现有降低粗糙度的方法处理硅基光波导侧壁后的SEM图；
图3为采用本发明实施例提供的一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法处理后的SEM图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，解决了现有技术中硅基光波导侧壁粗糙度过大的问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成硅基光波导线条；
对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为：20Torr-1atm。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，如图1所示，包括：
步骤100：提供衬底。
所述衬底优选的为SOI或Si。
步骤200：在所述衬底上形成硅基光波导线条。
步骤300：对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为：20Torr-1atm。
降低硅基光波导侧壁粗糙度是表面自由能减小的过程，随表面原子迁移速率加快，表面流密度矢量由高能态向低能态迁移，驱使硅表面趋于光滑化。理论研究表明波导表面原子迁移率由材料特性、表面扩散系数、表面曲率梯度决定。在高温退火条件下，氢气会与硅基光波导表面相邻二聚体上的悬空键相互作用，促进硅氢键的形成。由于硅氢键的存在，硅氢键流密度矢量由高能态向低能态迁移趋向使波导表面硅原子活性增强，原子迁移率增大，从而更好的实现硅基光波导侧壁光滑化处理。
氢气退火的主要工艺参数包括：退火腔室的腔室压力、退火温度、退火时间、保护气的流量等。
具体的，氢气退火的工艺参数如下：
退火腔室的腔室压力为：20Torr-1atm。
退火温度为：600-950℃。其中，升温速度为2-5℃/s。
退火时间为：10-300s。
退火腔室载入氢气作为保护气，氢气流量为：20-180L/min。
优化的氢气退火的工艺参数如下：
退火腔室的腔室压力为：大气压或接近大气压。
退火温度为：850-950℃。
退火时间为：30-120s。
退火腔室载入氢气作为保护气，氢气流量为：20-60L/min。
此外，还可以在氢气退火中通入刻蚀性气体。通入刻蚀性气体有助于降低退火温度。
所述刻蚀性气体优选为氯化氢，但不限于氯化氢。所述氯化氢的流量为：10-200sccm，优选为：10sccm。
通入小流量的刻蚀性气体可以对凸起的硅进行刻蚀，因此，在600℃这样的低温下也能够有效降低硅基光波导侧壁粗糙度。
实施例1：
提供衬底；在所述衬底上形成硅基光波导线条；对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为20Torr，退火温度为950℃，其中，升温速度为2-5℃/s，退火时间为：10s，退火腔室载入氢气作为保护气，氢气流量为：180L/min。
在高温退火条件下，氢气会与硅基光波导表面相邻二聚体上的悬空键相互作用，促进硅氢键的形成。由于硅氢键的存在，硅氢键流密度矢量由高能态向低能态迁移趋向使波导表面硅原子活性增强，原子迁移率增大，从而更好的实现硅基光波导侧壁光滑化处理。
在950℃的高温下进行处理，退火时间短，硅基光波导侧壁粗糙度降低效果显著。
实施例2和实施例1的区别在于所述氢气退火的腔室压力由实施例1中的20Torr增大到一个标准大气压。
实施例2：
提供衬底；在所述衬底上形成硅基光波导线条；对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为1atm，退火温度为950℃，其中，升温速度为2-5℃/s，退火时间为：10s，退火腔室载入氢气作为保护气，氢气流量为：180L/min。
在高温退火条件下，氢气会与硅基光波导表面相邻二聚体上的悬空键相互作用，促进硅氢键的形成。由于硅氢键的存在，硅氢键流密度矢量由高能态向低能态迁移趋向使波导表面硅原子活性增强，原子迁移率增大，从而更好的实现硅基光波导侧壁光滑化处理。
当腔室压强过低，如低于20Torr时，硅基光波导线条表面的硅原子流动变快，会导致形变较大；当腔室压力处于高压，如接近大气压时，有利于硅基光波导线条形貌和尺寸的保持。
因此，在一个标准大气压的腔室压力条件下实现降低硅基光波导侧壁粗糙度，不仅工艺简单，而且能很好地保持硅基光波导线条的形貌和尺寸。
实施例3和实施例1的区别在于所述氢气退火的温度由实施例1中的950℃调整到600℃，退火时间由实施例1中的10s调整到30s，并通入刻蚀性气体。
实施例3：
提供衬底；在所述衬底上形成硅基光波导线条；对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为20Torr，退火温度为600℃，其中，升温速度为2-5℃/s，退火时间为：30s，退火腔室载入氢气作为保护气，氢气流量为：180L/min，通入刻蚀性气体氯化氢，氯化氢的流量为10sccm。
本发明中选用的所述刻蚀性气体优选为氯化氢，但不限于氯化氢。所述氯化氢的流量为：10-200sccm，优选为：10sccm。
在高温退火条件下，氢气会与硅基光波导表面相邻二聚体上的悬空键相互作用，促进硅氢键的形成。由于硅氢键的存在，硅氢键流密度矢量由高能态向低能态迁移趋向使波导表面硅原子活性增强，原子迁移率增大，从而更好的实现硅基光波导侧壁光滑化处理。
通入小流量的刻蚀性气体可以对凸起的硅进行刻蚀，因此，在600℃(相对950℃而言是低温)的条件下也能够有效降低硅基光波导侧壁粗糙度。通入刻蚀性气体有助于降低退火温度，相应的需要增加退火时间。
实施例4和实施例1的区别在于所述氢气退火中的氢气流量由实施例1中的180L/min调整到60L/min。
实施例4：
提供衬底；在所述衬底上形成硅基光波导线条；对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为20Torr，退火温度为950℃，其中，升温速度为2-5℃/s，退火时间为：10s，退火腔室载入氢气作为保护气，氢气流量为：60L/min。
在高温退火条件下，氢气会与硅基光波导表面相邻二聚体上的悬空键相互作用，促进硅氢键的形成。由于硅氢键的存在，硅氢键流密度矢量由高能态向低能态迁移趋向使波导表面硅原子活性增强，原子迁移率增大，从而更好的实现硅基光波导侧壁光滑化处理。
由于氢气流量大会导致尾气处理量大，因此降低氢气流量能降低对所使用设备的要求。
除了上述调整优化外，对上述实施例1-4还可以进行以下改进。
为了不影响氢气退火的效果，在所述氢气退火之前，对所述衬底进行RCA清洗处理。所述RCA清洗处理可以采用含氢氟酸的溶液，但不限于含氢氟酸的溶液。
具体的，可以在上述实施例1-4的氢气退火处理之前，将硅片放在一定浓度的氢氟酸的溶液里浸泡，以去掉硅片表面的自然氧化层。
采用现有降低粗糙度的方法处理硅基光波导侧壁后的SEM图，如图2所示。现有降低粗糙度的方法如：优化刻蚀工艺、湿法氧化-腐蚀-湿法氧化-腐蚀等方法。
采用本发明实施例1-4提供的一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法处理后的SEM图，如图3所示。
从图2和图3的对比可以看到，采用本发明实施例提供的方法，能够使得硅基光波导侧壁的粗糙度得到了大幅改善。例如，对于500nm线宽的线条，可以将硅基光波导侧壁的起伏从8-10nm降到0.5nm以下。
本发明实施例提供的一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法至少包括如下技术效果：
在本申请实施例中，在衬底上形成硅基光波导线条，然后在20Torr-1atm腔室压力条件下，对衬底进行氢气退火处理。本申请提供的方法在20Torr-1atm腔室压力条件下便可实现降低硅基光波导侧壁粗糙度，不仅工艺简单，而且能很好地保持硅基光波导线条的形貌和尺寸。本申请提供的方法使得硅基光波导线条的侧壁粗糙度减小，例如，对于500nm线宽的线条，硅基光波导侧壁粗糙度经过氢气退火后，可以将起伏从8-10nm降到0.5nm以下。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成硅基光波导线条；
对含有所述硅基光波导线条的衬底进行氢气退火，所述氢气退火的腔室压力为：20Torr-1atm。
2.根据权利要求1所述的降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，所述氢气退火的温度为：600-950℃。
3.根据权利要求1所述的降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，所述氢气退火的时间为：10-300s。
4.根据权利要求1所述的降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，所述氢气退火的氢气流量为：20-180L/min。
5.根据权利要求1所述的降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，所述氢气退火中通入刻蚀性气体。
6.根据权利要求5所述的降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，所述刻蚀性气体为氯化氢。
7.根据权利要求6所述的降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，所述氯化氢的流量为：10-200sccm。
8.根据权利要求1所述的降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，在所述氢气退火之前，对所述衬底进行RCA清洗处理。
9.根据权利要求8所述的降低硅基光波导侧壁粗糙度的方法，其特征在于，所述RCA清洗处理采用的是含氢氟酸的溶液。
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