CN114628877B - 半导体结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体结构的制备方法，涉及半导体加工的技术领域，在光阻层的上方设置具有开口的掩模版，通过开口对顶部部分上方的光阻层部分以及位于侧壁部分横行外侧第一宽度范围内的光阻层部分进行曝光；对曝光后的光阻层进行显影处理，以使顶部部分上方的光阻层部分全部去除，并使光阻层在第一宽度范围内形成凹陷结构，凹陷结构与侧壁部分围成凹槽，凹槽的最低点低于顶部部分的上表面；对光阻层进行热处理，以使凹陷结构向凹槽内回流，直到凹槽中的光刻胶的液面位于顶部部分的上表面的上方。以光刻胶为掩模对电介质层进行刻蚀，将顶部部分去除，以形成电极接触窗口。

Description

半导体结构的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，尤其是涉及一种半导体结构的制备方法。

背景技术

半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。

基于脊波导结构的半导体器件的电流注入位置为脊波导结构的顶部表面，也称作电极接触窗口，电极接触窗口的顶部表面用来制作金属电极，在这类半导体器件的设计和制作中，对金属电极的尺寸、位置及厚度是有严格要求的，因此，电极接触窗口的制作是非常关键的一步。

传统的脊波导上电极窗口的制备方法通常是在已刻蚀的脊形结构及其两侧结构表面生长一层电介质层作为绝缘层，在绝缘层上旋涂光刻胶，利用掩模版对脊波导上方光刻胶进行曝光，确保脊波导结构顶部表面的绝缘层外露，而脊波导结构顶部表面以外的其它部位的光刻胶全部保留，之后利用光刻胶做掩模对电介质层进行去除，形成电极接触窗口。此方法要求光刻具有较高的对准精度，且光刻后脊波导两侧光刻胶易存在一定程度的脱落现象，导致其对脊波导侧壁绝缘层保护性差，刻蚀去除脊波导上绝缘层时，使脊波导两侧绝缘层受损，影响电极开窗效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体结构的制备方法，以缓解现有技术中存在的在形成半导体结构的电极接触窗口的过程中，要求光刻具有较高的对准精度，且光刻后脊波导两侧的光刻胶容易存在一定程度的脱落现象，导致其对脊波导侧壁绝缘层保护性差的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供的一种半导体结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1.提供一具有脊波导结构的衬底，所述脊波导结构的两侧分别具有沟槽结构，所述脊波导结构和沟槽结构沿横向排布设置；所述脊波导结构和所述沟槽结构的表面均沉积有电介质层，在所述电介质层的表面形成光阻层，其中，所述电介质层覆盖在所述脊波导结构顶部的部分形成顶部部分，所述电介质层覆盖在所述脊波导结构横向侧壁的部分形成侧壁部分；

步骤S2.在所述光阻层的上方设置具有开口的掩模版，通过所述开口对所述顶部部分上方的光阻层部分以及位于所述侧壁部分横行外侧第一宽度范围内的光阻层部分进行曝光；

步骤S3.对曝光后的光阻层进行显影处理，以使所述顶部部分上方的光阻层部分全部去除，并使所述光阻层在第一宽度范围内形成凹陷结构，所述凹陷结构与所述侧壁部分围成凹槽，所述凹槽的最低点低于所述顶部部分的上表面；

S4.对光阻层进行热处理，以使所述凹陷结构向所述凹槽内回流，直到所述凹槽中的光刻胶的液面位于所述顶部部分的上表面的上方；

S5.以所述光刻胶为掩模对所述电介质层进行刻蚀，将顶部部分去除，以形成电极接触窗口。

进一步的，所述步骤S2中，所述开口位于所述脊波导结构的正上方，且所述开口的宽度大于两个侧壁部分的外壁之间的横向距离,采用入射方向垂直于所述掩模版的板面的光对所述光阻层进行曝光，以使显影后，所述凹陷结构的内壁包括垂直连接的竖向内壁和横向底面，所述横向底面与侧壁部分连接，且横向底面低于所述顶部部分的上表面。

进一步的，所述步骤S2中，所述开口位于所述脊波导结构的正上方，且所述开口的宽度大于两个侧壁部分的外壁之间的横向距离，在所述脊波导结构的左侧采用自上而下向右倾斜的光穿过所述开口对光阻层进行处理；在所述脊波导结构的右侧采用自上而下向左倾斜的光穿过所述开口对光阻层进行处理，以使显影后，所述凹陷结构的内壁呈自上而下向脊波导结构倾斜的斜面，且斜面的最低点低于所述顶部部分的上表面。

进一步的，在步骤S4中，对光阻层进行热处理的步骤中，对光阻层采用多次加热后冷却的方式进行分段式烘烤。

进一步的，在步骤S4中，对光阻层进行热处理的步骤包括以下步骤：

步骤S41.对光阻层进行第一次烘烤，烘烤温度为t1，以使所述凹陷结构熔化，持续第一时间后，烘烤温度恢复到室温，且凹陷结构的最低点低于所述顶部部分的上表面；

步骤S42.对光阻层进行第二次烘烤，烘烤温度为t2，所述t2高于t1，以使所述凹陷结构再次熔化，持续第二时间后，烘烤温度恢复到室温，且凹陷结构的最低点低于所述顶部部分的上表面；

步骤S43.对光阻层进行第三次烘烤，烘烤温度为t3，直到所述凹陷结构中的光刻胶的液面位于所述顶部部分的上表面的上方，烘烤温度恢复到室温。

进一步的，t1的取值范围为100～150℃；t2的取值范围为160～300℃。

进一步的，在步骤S4中，步骤S41中以a1速率将烘烤温度由室温提升至t1；步骤S42中以a2速率将烘烤温度由室温提升至t2，其中，a2小于a1。

进一步的，在步骤S42中，a2的取值范围为：5～20℃/min。

进一步的，所述光阻层的上表面与顶部部分的上表面之间的垂直距离比所述脊波导结构的高度大3～20μm。

进一步的，在步骤S5之后，还包括去除所述电介质层的表面的光阻层，并在电极接触窗口的表面形成导电金属层。

本发明实施例提供的半导体结构的制备方法包括以下步骤：提供一具有脊波导结构的衬底，所述脊波导结构的两侧分别具有沟槽结构，所述脊波导结构和沟槽结构沿横向排布设置；所述脊波导结构和所述沟槽结构的表面均沉积有电介质层，在所述电介质层的表面形成光阻层，其中，所述电介质层覆盖在所述脊波导结构顶部的部分形成顶部部分，所述电介质层覆盖在所述脊波导结构横向侧壁的部分形成侧壁部分。然后，在所述光阻层的上方设置具有开口的掩模版，通过所述开口对所述顶部部分上方的光阻层部分以及位于所述侧壁部分横行外侧第一宽度范围内的光阻层部分进行曝光。曝光后，对曝光后的光阻层进行显影处理，以使所述顶部部分上方的光阻层部分全部去除，并使所述光阻层在第一宽度范围内形成凹陷结构，所述凹陷结构与所述侧壁部分围成凹槽，通过控制曝光条件，可以使所述凹槽的最低点低于所述顶部部分的上表面。对光阻层进行热处理，形成凹陷结构的光刻胶融化，熔化后的光刻胶向所述凹槽内回流，逐渐填充凹槽，因光阻层与电介质层之间存在明显的界限，即两者表面性质不一样，由于表面张力的作用，回流过程中，光刻胶不会到达顶部部分的上表面，并且在表面张力的作用下，所述凹槽中的光刻胶的液面位于所述顶部部分的上表面的上方，从而能够对脊波导结构的侧壁的电介质层进行保护，保证电极开窗效果及半导体结构的性能良好。然后以斜坡形貌的光阻层为掩模对电介质层进行刻蚀，将覆盖在脊波导结构的上表面的电介质层去除，以形成电极接触窗口。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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半导体结构的制备方法中步骤S1提供的衬底的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中步骤S1提供的衬底沉积有电介质层的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中步骤S1中在电介质层的表面形成光阻层的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中一种步骤S2的示意图；

图5为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中按照图4中的曝光方式显影得到的产品示意图；

图6为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中另一种步骤S2的示意图；

图7为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中按照图6中的曝光方式显影得到的产品示意图；

图8为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中将图5中制备的产品根据步骤S41形成的产品结构示意图；

图9为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中将图8中制备的产品根据步骤S42形成的产品结构示意图；

图10为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中将图9中制备的产品根据步骤S43形成的产品结构示意图；

图11为图10中C处的局部放大图；

图12为本发明实施例提供的半导体结构的制备方法中将图10中制备的产品根据步骤S5形成的产品结构示意图；

图13为步骤S5之后去除电介质层表面的全部光阻层之后的形态结构示意图；

图14为在电极接触窗口的表面形成导电金属层之后的形态结构示意图。

图标：1-衬底；2-脊波导结构；3-沟槽结构；4-电介质层；41-顶部部分；42-侧壁部分；5-光阻层；51-凹陷结构；52-凹槽；6-掩模版；61-开口；7-电极接触窗口；8-导电金属层。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的半导体结构的制备方法包括以下步骤：

步骤S1.提供一具有脊波导结构2的衬底1，所述脊波导结构2的两侧分别具有沟槽结构3，所述脊波导结构2和沟槽结构3沿横向排布设置；所述脊波导结构2和所述沟槽结构3的表面均沉积有电介质层4，在所述电介质层4的表面形成光阻层5，其中，所述电介质层4覆盖在所述脊波导结构2顶部的部分形成顶部部分41，所述电介质层4覆盖在所述脊波导结构2横向侧壁的部分形成侧壁部分42。

为了方便对方法进行清楚的说明，设所述脊波导结构2与所述沟槽结构3的排布方向为横向排布，则图1中从左向右沿横向依次为沟槽结构3、脊波导结构2和沟槽结构3。

制备如图1所示的具有脊波导结构2的衬底1属于现有技术，制备过程不再赘述。所述脊波导结构2的两侧分别具有沟槽结构3，从而使位于中间的脊波导结构2呈向上凸出的结构。如图2所示，然后在脊波导结构2和所述沟槽结构3的表面均沉积有电介质层4，可选地，本实施例中的电介质层4为氮化硅。如图3所示，最后通过涂覆光刻胶的方式，采用正光刻胶形成的正光刻胶层在所述电介质层4的表面形成光阻层5，光阻层5位于沟槽结构3内的部分的高度值大于沟槽结构3的深度值。为了清楚简洁的描述制备过程，可以设所述电介质层4覆盖在所述脊波导结构2顶部的部分为顶部部分41，所述电介质层4覆盖在所述脊波导结构2横向侧壁的部分为侧壁部分42。可选地，所述光阻层的上表面与顶部部分的上表面之间的垂直距离D比所述脊波导结构的高度H大3～20μm，使光阻回流较容易控制，同时刻蚀会消耗一定光刻胶，光阻层5的厚度必须足够后才可以起到保护作用。

步骤S2.在所述光阻层5的上方设置具有开口61的掩模版6，通过所述开口61对所述顶部部分41上方的光阻层5部分以及位于所述侧壁部分42横行外侧第一宽度范围内的光阻层5部分进行曝光。

利用掩模版6或者控制光线入射角度对光阻层5的顶部部分41上方的光阻层5部分以及位于所述侧壁部分42横行外侧第一宽度范围内的光阻层5部分进行曝光。

如图4和图5所示，本实施例的一种实施方式，所述步骤S2中，掩模版6平行于光阻层5，所述开口61位于所述脊波导结构2的正上方，即开口61的中线与脊波导结构2的中线大致重合。在横向上，所述开口61的宽度大于两个侧壁部分42的外壁之间的横向距离，且开口61的左侧边缘位于左侧的侧壁部分42的左侧的第一宽度的位置处，开口61的右侧边缘位于右侧的侧壁部分42右侧的第一宽度的位置处，第一宽度可以为0.3-0.7μm。当采用自上而下的入射光对所述光阻层5进行曝光时，可以对顶部部分41上方的光阻层5部分以及位于所述侧壁部分42横行外侧第一宽度范围内的光阻层5部分进行曝光，通过控制曝光的时间，可以使显影后，在脊波导结构2的两侧形成凹陷结构51，如图5所示，所述凹陷结构51的内壁包括垂直连接的竖向内壁和横向底面，所述横向底面与侧壁部分42连接，且横向底面低于所述顶部部分41的上表面，具体的，横向底面下方对应的光刻胶部分的厚度W可以为0.1～1μm。

如图6和图7所示，本实施例的另一种实施方式，所述步骤S2中，所述开口61位于所述脊波导结构2的正上方，开口61的宽度大于两个侧壁部分42的外壁之间的横向距离。在所述脊波导结构2的左侧采用自上而下向右倾斜的光穿过所述开口61对光阻层5进行处理，可以对顶部部分41以及顶部部分41左侧第一宽度范围内的光阻层5进行曝光，而不对脊波导结构2右侧的光阻层部分进行曝光；在所述脊波导结构2的右侧采用自上而下向左倾斜的光穿过所述开口61对光阻层5进行处理，可以对顶部部分41以及顶部部分41右侧第一宽度范围内的光阻层5进行曝光，而不对脊波导结构2左侧的光阻层部分进行曝光。如图7所示，通过控制曝光的时间，可以使显影后，所述凹陷结构51的内壁呈自上而下向脊波导结构2倾斜的斜面，且斜面的最低点低于所述顶部部分41的上表面。采用倾斜的光对光阻层5进行曝光显影后，可以得到具有斜面的凹陷结构51，后续对光阻层5进行加热时，可以使光刻胶顺着该斜面向下回流，方便控制回流程度。

步骤S3.对曝光后的光阻层5进行显影处理，以使所述顶部部分41上方的光阻层5部分全部去除，并使所述光阻层5在第一宽度范围内形成凹陷结构51，所述凹陷结构51与所述侧壁部分42围成凹槽52，所述凹槽52的最低点低于所述顶部部分41的上表面。

如图5所示，在步骤S2中，通过控制曝光条件，可以使侧壁部分42外侧的光阻层5部分曝光深度大于顶部部分41上方的光阻层5部分的曝光深度，凹陷结构51的最低位置低于顶部部分41的上表面，凹陷结构51位于侧壁部分42的外侧，并与侧壁部分42连接围成凹槽52，用于容纳后续加热融化回流的光刻胶。

S4.对光阻层5进行热处理，以使所述凹陷结构51向所述凹槽52内回流，直到所述凹槽52中的光刻胶的液面位于所述顶部部分41的上表面的上方。

进一步的，在步骤S4中，对光阻层5进行热处理的步骤中，对光阻层5采用多次加热后冷却的方式进行分段式烘烤。

为了避免光刻胶大面积的熔化，导致凹槽52被填满，顶部部分41被覆盖，本实施例中，可以采用多次加热后冷却的方式对光阻层5进行分段式烘烤。

例如，先对光阻层5进行第一次烘烤，烘烤温度t1为100～150℃，时间为10～20min，经过第一次烘烤，光阻层5大致沿图5中的箭头方向A回流，形成凹陷结构51内侧壁的光刻胶软化后向下流动，开始填充凹槽52。回流后的形貌如图8所示，烘烤温度恢复到室温。

对经过第一次烘烤的光刻胶进行第二次烘烤，烘烤温度t2为160～300℃，经过第二次烘烤，光阻层5大致沿图8中的箭头方向B回流，即形成凹陷结构51内侧壁的光刻胶继续回流，进一步填充凹槽52，凹槽52的深度逐渐降低，并使凹槽52的底面逐渐接近顶部部分41的上表面。

回流后的形貌如图9所示，烘烤温度恢复到室温。

第二次烘烤的温度高于第一次烘烤的温度，且步骤S41中以a1速率将烘烤温度由室温提升至t1；步骤S42中以a2速率将烘烤温度由室温提升至t2，其中，a2小于a1，具体的，a2的取值范围为：5～20℃/min。如果第二次烘烤的温度升高过快，光阻层5回流过快，容易导致回流后的光阻层5再次覆盖顶部部分41上表面。如果第二次烘烤的温度升高过慢，光阻层5回流过慢，容易导致凹槽52内光刻胶的液面远低于顶部部分41的上表面。烘烤温度以5～20℃/min的速率逐渐升高至160～300℃。这样的方式能够保证光刻胶缓慢地回流，并接近脊波导结构2的上表面，为凹槽52内光刻胶液面超出顶部部分41的上表面提供了良好的条件。

步骤S43.对光阻层5进行第三次烘烤，烘烤温度t3为100～120℃，时间为1～3min，对光阻层5的形貌进行修饰，因光阻层5与电介质层4之间存在明显的界限，即两者表面性质不一样，由于表面张力的作用，回流过程中，光刻胶不会到达顶部部分41的上表面，并且在表面张力的作用下，所述凹槽52中的光刻胶的液面位于所述顶部部分41的上表面的上方，从而能够对脊波导结构2的侧壁的电介质层4进行保护，保证电极开窗效果及半导体结构的性能良好。

如图10和图11所示，通过对第一宽度范围的长度和凹槽52底面距离光阻层5上表面之间距离的控制，可以使步骤S43后，凹陷结构51的内侧壁固化呈斜面，斜面与脊波导结构2的高度方向之间的夹角α的角度为20～45°。当斜面与脊波导结构2的高度方向之间的夹角α的角度大于45°时，侧壁部分42会被刻蚀，侧壁部分42低于脊波导结构2的上表面，给后期形成导电金属层8带来了不利影响。

可选地，在步骤S4之后，如果有少量光刻胶回流至脊波导结构2的上表面，还需要对其进行灰化处理，以去除顶部部分41上表面的光刻胶。

S5.以所述光刻胶为掩模对所述电介质层4进行刻蚀，将顶部部分41去除，以形成电极接触窗口7。

可选地，在步骤S5中，以剩余的光阻层5为掩模对电介质层4进行干法刻蚀，时间为5～60min，以将覆盖在脊波导结构2的上表面的电介质层4去除，从图12可以看出，侧壁部分42两侧的光阻层5部分高于顶部部分41的上表面，从而能够有效地保护侧壁部分42。

可选地，在步骤S5之后，还包括去除电介质层4的表面的光阻层5，并在电极接触窗口7的表面形成导电金属层8。

去除电介质层4表面的全部光阻层5之后的形态结构如图13所示。在电极接触窗口7的表面形成导电金属层8之后的形态结构如图14所示。这一过程的具体工艺参数可以参照现有技术，本实施例不再详细描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种半导体结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1.提供一具有脊波导结构（2）的衬底（1），所述脊波导结构（2）的两侧分别具有沟槽结构（3），所述脊波导结构（2）和沟槽结构（3）沿横向排布设置；所述脊波导结构（2）和所述沟槽结构（3）的表面均沉积有电介质层（4），在所述电介质层（4）的表面形成光阻层（5），其中，所述电介质层（4）覆盖在所述脊波导结构（2）顶部的部分形成顶部部分（41），所述电介质层（4）覆盖在所述脊波导结构（2）横向侧壁的部分形成侧壁部分（42）；

步骤S2.在所述光阻层（5）的上方设置具有开口（61）的掩模版（6），通过所述开口（61）对所述顶部部分（41）上方的光阻层（5）部分以及位于所述侧壁部分（42）横行外侧第一宽度范围内的光阻层（5）部分进行曝光；

步骤S3. 对曝光后的光阻层（5）进行显影处理，以使所述顶部部分（41）上方的光阻层（5）部分全部去除，并使所述光阻层（5）在第一宽度范围内形成凹陷结构（51），所述凹陷结构（51）与所述侧壁部分（42）围成凹槽（52），所述凹槽（52）的最低点低于所述顶部部分（41）的上表面；

S4.对光阻层（5）进行热处理，以使所述凹陷结构（51）向所述凹槽（52）内回流，直到所述凹槽（52）中的光刻胶的液面位于所述顶部部分（41）的上表面的上方；

S5.以所述光刻胶为掩模对所述电介质层（4）进行刻蚀，将顶部部分（41）去除，以形成电极接触窗口（7）；

所述步骤S2中，所述开口（61）位于所述脊波导结构（2）的正上方，且所述开口（61）的宽度大于两个侧壁部分（42）的外壁之间的横向距离，在所述脊波导结构（2）的左侧采用自上而下向右倾斜的光穿过所述开口（61）对光阻层（5）进行处理；在所述脊波导结构（2）的右侧采用自上而下向左倾斜的光穿过所述开口（61）对光阻层（5）进行处理，以使显影后，所述凹陷结构（51）的内壁呈自上而下向脊波导结构（2）倾斜的斜面，且斜面的最低点低于所述顶部部分（41）的上表面。

2.根据权利要求1所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，对光阻层（5）进行热处理的步骤中，对光阻层（5）采用多次加热后冷却的方式进行分段式烘烤。

3.根据权利要求2所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，对光阻层（5）进行热处理的步骤包括以下步骤：

步骤S41.对光阻层（5）进行第一次烘烤，烘烤温度为t1，以使所述凹陷结构（51）熔化，持续第一时间后，烘烤温度恢复到室温，且凹陷结构（51）的最低点低于所述顶部部分（41）的上表面；

步骤S42. 对光阻层（5）进行第二次烘烤，烘烤温度为t2，所述t2高于t1，以使所述凹陷结构（51）再次熔化，持续第二时间后，烘烤温度恢复到室温，且凹陷结构（51）的最低点低于所述顶部部分（41）的上表面；

步骤S43.对光阻层（5）进行第三次烘烤，烘烤温度为t3，直到所述凹陷结构（51）中的光刻胶的液面位于所述顶部部分（41）的上表面的上方，烘烤温度恢复到室温。

4.根据权利要求3所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，t1的取值范围为100~150℃；t2的取值范围为160~300℃。

5.根据权利要求3所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，步骤S41中以a1速率将烘烤温度由室温提升至t1；步骤S42中以a2速率将烘烤温度由室温提升至t2，其中，a2小于a1。

6.根据权利要求5所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，在步骤S42中，a2的取值范围为：5~20℃/min。

7.根据权利要求1所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述光阻层（5）的上表面与顶部部分（41）的上表面之间的垂直距离比所述脊波导结构（2）的高度大3~20μm。

8.根据权利要求1所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，在步骤S5之后，还包括去除所述电介质层（4）的表面的光阻层（5），并在电极接触窗口（7）的表面形成导电金属层（8）。

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