專(zhuān)利名稱(chēng)：硅腐蝕局部終止層制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型的雙深槽硅基熱沉釋放工藝中的硅腐蝕局部終止層制作方法。
背景技術(shù)：
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代末，是建立在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上的，且已成為當(dāng)今國(guó)際高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。由于硅材料自身的卓越性質(zhì)和與超大規(guī)模集成電路(VLSI)的兼容性，體硅的微加工技術(shù)已經(jīng)成為MEMS工藝中的關(guān)鍵部分。采用氫氧化鉀(KOH)溶液對(duì)硅進(jìn)行的濕法腐蝕是微機(jī)械加工中最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于硅基元器件的空腔結(jié)構(gòu)中，如半導(dǎo)體激光器的諧振腔、MEMS共面波導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)帶阻濾波器件、非制冷紅外FPA等硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)。然而，在硅基MEMS器件的濕法釋放工藝中，由于濕法腐蝕速率的波動(dòng)性，將無(wú)法精確控制硅腐蝕深度。由于濕法腐蝕的均勻性差，其腐蝕表面的粗糙度隨著腐蝕深度的增加而增加。尤其在雙深槽硅基熱沉釋放工藝中，由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)硅腐蝕深度的精確控制和無(wú)法實(shí)現(xiàn)光滑的腐蝕表面，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪^(guò)腐蝕后，實(shí)現(xiàn)硅基熱沉釋放的同時(shí)，也導(dǎo)致硅基熱沉被嚴(yán)重腐蝕，進(jìn)而對(duì)器件性能產(chǎn)生極為嚴(yán)重的不利影響。因此，需 要一種工藝簡(jiǎn)單、與傳統(tǒng)微細(xì)加工工藝兼容、并可以自由選擇腐蝕終止區(qū)、緩解KOH溶液釋放工藝中對(duì)于硅腐蝕表面粗糙度的要求的新型基于KOH溶液的硅腐蝕局部終止層制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述雙深槽硅基熱沉KOH溶液濕法釋放工藝中硅基熱沉遭受?chē)?yán)重腐蝕的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)化工藝、與傳統(tǒng)微細(xì)加工工藝兼容、可以自由選擇腐蝕終止區(qū)、以及緩解KOH溶液釋放工藝中對(duì)于硅腐蝕表面粗糙度的要求。為此，本發(fā)明提供了一種硅腐蝕局部終止層制作方法，包括:在含硅的襯底中形成雙槽結(jié)構(gòu)，雙槽結(jié)構(gòu)之間的襯底構(gòu)成硅基熱沉；對(duì)雙槽結(jié)構(gòu)底部進(jìn)行垂直離子注入；執(zhí)行高溫激活和擴(kuò)散工藝，使得注入的離子在雙槽結(jié)構(gòu)底部形成閉合的重?fù)诫s區(qū)，所述重?fù)诫s區(qū)包圍硅基熱沉的底部，構(gòu)成硅腐蝕局部終止層。其中，雙槽結(jié)構(gòu)深度大于20 iim。其中，在襯底中形成雙槽結(jié)構(gòu)的步驟進(jìn)一步包括:提供襯底；在襯底上形成掩膜層；光刻/刻蝕掩膜層以及襯底，在襯底中形成雙槽結(jié)構(gòu)。其中，掩膜層包括氧化物、氮化物、氮氧化物、光刻膠。其中，注入的離子包括硼。其中，注入能量為50KeV 500KeV，注入劑量為 lE15atom/cm2 lE16atom/cm2。其中，執(zhí)行高溫激活和擴(kuò)散工藝的步驟中，溫度為1000°C 1100°C，擴(kuò)散時(shí)間為
Ih 8h o
其中，重?fù)诫s區(qū)的離子濃度高于2E19atom/cm3。此外，本發(fā)明還提供了一種雙槽硅基熱沉釋放方法，包括:采取上述的硅腐蝕局部終止層制作方法，在襯底中雙槽結(jié)構(gòu)底部形成硅腐蝕局部終止層；在雙槽結(jié)構(gòu)中形成抗腐蝕材料以及填充材料；采用濕法刻蝕液從背面釋放襯底直至硅腐蝕局部終止層；對(duì)襯底和雙槽結(jié)構(gòu)背面旋涂抗腐蝕溶液膠；對(duì)襯底和雙深槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行正面開(kāi)腐蝕孔和濕法釋放工藝，并去除抗腐蝕溶液膠，實(shí)現(xiàn)硅基熱沉的釋放。其中，抗腐蝕材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，填充材料包括多晶硅、非晶硅、微晶硅。依照本發(fā)明的基于KOH溶液的硅腐蝕局部終止層制作方法，其使用垂直低能高劑量的硼注入雙深槽底部、經(jīng)高溫激活和擴(kuò)散工藝在雙深槽底部間形成閉合重硼摻雜硅區(qū)，利用KOH溶液對(duì)重硼摻雜硅區(qū)的腐蝕速率大幅度下降特性，實(shí)現(xiàn)KOH溶液腐蝕硅的腐蝕局部終止層，最終實(shí)現(xiàn)完整的硅基熱沉制備。其工藝簡(jiǎn)單、與傳統(tǒng)微細(xì)加工工藝兼容、并可以自由選擇腐蝕終止區(qū)、緩解KOH溶液釋放工藝中對(duì)于硅腐蝕表面粗糙度的要求等。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請(qǐng)獨(dú)立權(quán)利要求的范圍內(nèi)得以滿(mǎn)足。本發(fā)明的實(shí)施例限定在獨(dú)立權(quán)利要求中，具體特征限定在其從屬權(quán)利要求中。


以下參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:圖1為本發(fā)明實(shí)施例的基于氫氧化鉀溶液的硅腐蝕局部終止層制作方法流程圖；圖2至圖10為本發(fā)明實(shí)施例的基于氫氧化鉀溶液的硅腐蝕局部終止層在各個(gè)制作階段的剖面示意圖；圖11為本發(fā)明 實(shí)施例中未采用基于氫氧化鉀溶液的硅腐蝕局部終止層時(shí)，經(jīng)釋放后的雙深槽硅基熱沉受到嚴(yán)重腐蝕的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通常涉及一種新型的基于氫氧化鉀溶液的硅腐蝕局部終止層制作方法。下文的公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”及/或“上方”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于氫氧化鉀溶液的硅腐蝕局部終止層制作方法流程圖。其中，圖2至圖10為本發(fā)明實(shí)施例的基于氫氧化鉀溶液的硅腐蝕局部終止層在各個(gè)制作階段的剖面示意圖。如圖所示，依照本發(fā)明的方法至少包括以下步驟:在步驟101中，首先提供襯底202。在本實(shí)施例中，襯底202優(yōu)選是半導(dǎo)體襯底，包括硅襯底、特別是體硅襯底，例如位于晶體結(jié)構(gòu)中的硅襯底(例如體硅晶片)。此外，襯底202也可以是表面為較厚含硅層的其他襯底，例如絕緣體上硅(SOI)襯底、Si/SiGe襯底、應(yīng)力硅襯底等，只要其厚度滿(mǎn)足MEMS器件制作需要。參考圖2，在步驟102中，在襯底202上生長(zhǎng)掩膜層204。掩膜層204可以是任意合適的介質(zhì)層，例如包括氧化物(例如二氧化硅)、氮化物(例如氮化硅)、氮氧化物(SiO/SiN疊層，ONO等等)、光刻膠等等。參考圖3，在步驟103中，以常規(guī)方法光刻/刻蝕掩膜層204形成掩膜圖形，并且以形成的掩膜圖形為掩膜繼續(xù)刻蝕襯底202，以在襯底202中形成雙深槽結(jié)構(gòu)，其雙槽結(jié)構(gòu)的深度例如大于20 u m，雙深槽間的襯底即構(gòu)成為硅基熱沉202’。氫氧化鉀溶液的硅腐蝕局部終止層的形成可以參考圖4和圖5。首先，在步驟104中，對(duì)襯底202、掩膜層204和雙槽結(jié)構(gòu)底部，進(jìn)行垂直離子注入，其中“垂直”意味著注入方向與襯底表面垂直或基本垂直，即注入方向與襯底法相成0度角注入或者夾角小于等于5度。注入離子例如包括硼(B)、碳(C)、氧(0)、氮(N)、氟(F)、硫(S)等并且優(yōu)選為硼。優(yōu)選是低能、高劑量的離子注入，具體地，其中注入能量為50KeV 500KeV，注入劑量為lE15atom/cm2 lE16atom/cm2，參考圖4。然后，在步驟105中，去除襯底202上剩余的掩膜層204。隨后，參考圖5，在步驟106中，在上述雙槽結(jié)構(gòu)底部形成閉合的重?fù)诫s區(qū)206。例如可以采用高溫激活和擴(kuò)散工藝(或簡(jiǎn)稱(chēng)退火工藝)，其溫度為1000°c 1100°C，其擴(kuò)散時(shí)間為Ih 8h，最終得到的摻雜濃度高于2E19atom/cm3。特別地，由于雙槽結(jié)構(gòu)較深、以及摻雜劑量較高，摻雜離子在相鄰的槽底部之間擴(kuò)散接合，形成的重?fù)诫s區(qū)連接起來(lái)并且包圍了硅基熱沉202’的底部，從而構(gòu)成稍后濕法刻蝕時(shí)的“閉合”的局部腐蝕終止層。參考圖6，在步驟107中，接著通過(guò)例如LPCVD、PECVD, HDPCVD等常規(guī)方法在襯底202和硅基熱沉202’ 表面沉積生長(zhǎng)第一抗腐蝕材料208，特別是抗KOH溶液腐蝕的材料，第一抗腐蝕材料208例如包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。第一抗腐蝕材料208厚度較薄，例如僅為10 200nm，也即并未完全填充上述雙槽而僅僅是貼附在其表面。在步驟108中，接著在第一抗腐蝕材料208上淀積填充材料210，并實(shí)現(xiàn)雙深槽完全填充，填充材料210例如包括多晶硅、非晶硅、微晶硅等。參考圖7，在步驟109中，接著對(duì)填充材料210和第一抗腐蝕材料208進(jìn)行回刻工藝,最終將襯底202表面的填充材料210和第一抗腐蝕材料208刻蝕干凈，也即暴露襯底202上表面且雙槽結(jié)構(gòu)中填充材料210頂部少許過(guò)刻蝕(例如過(guò)刻蝕約IOnm)。在步驟110中，接著在襯底202表面、硅基熱沉202’表面、第一抗腐蝕材料208表面和填充材料210表面沉積生長(zhǎng)第二抗腐蝕材料212。第二抗腐蝕材料212與第一抗腐蝕材料208形成工藝以及材質(zhì)可以相同，也可以不同。出于節(jié)約工序、減小成本考慮，可以采樣相同材料和工藝，但是出于提高抗腐蝕能力的考慮，第二抗腐蝕材料212可以比第一抗腐蝕材料208對(duì)于濕法腐蝕液尤其是KOH、TMAH等腐蝕液的抗刻蝕能力更高，換言之，也即濕法腐蝕液對(duì)于第二抗腐蝕材料212的腐蝕速率小于等于第一抗腐蝕材料208。特別地，第二抗腐蝕材料212的厚度大于等于第一抗腐蝕材料208，例如為50 500nm。參考圖8，在步驟111中，對(duì)襯底202底面采用例如KOH或TMAH溶液濕法釋放至局部腐蝕終止層(也即重?fù)诫s區(qū)206)。由于局部腐蝕終止層中大量摻雜離子的存在，改變了重?fù)诫s區(qū)206的局部晶體結(jié)構(gòu)以及化學(xué)特性，使得該區(qū)域中KOH等濕法腐蝕液的刻蝕速度大幅度下降。具體地，控制腐蝕溶液濃度配比以調(diào)整腐蝕速度，結(jié)合腐蝕時(shí)間來(lái)控制腐蝕深度，使得雙槽結(jié)構(gòu)、硅基熱沉202’、第一抗腐蝕材料208以及重?fù)诫s區(qū)206周?chē)母g速度明顯小于其他區(qū)域，因此最終使得硅基熱沉202’沒(méi)有受到腐蝕。上述具體腐蝕工藝參數(shù)依照結(jié)構(gòu)尺寸而合理選定，在此不再贅述。參考圖9，在步驟112中，在襯底202底面、重?fù)诫s區(qū)206表面、第一抗腐蝕材料208表面形成第三抗腐蝕材料，例如旋涂抗腐蝕溶液膠214，實(shí)現(xiàn)硅基熱沉202’的背面保護(hù)。最后，參考圖10，在步驟113中，采用光刻和刻蝕工藝在第二抗腐蝕材料212表面開(kāi)釋放腐蝕孔，隨后腐蝕襯底202實(shí)現(xiàn)硅基熱沉釋放，最后去除抗腐蝕溶液膠214。如果在硅基熱沉的制作過(guò)程中，沒(méi)有采用步驟104至步驟106的硅腐蝕局部終止層工藝，則經(jīng)步驟111的襯底202底面濕法釋放工藝后，硅基熱沉202’將受到嚴(yán)重腐蝕，參考圖11。依照本發(fā)明的基于KOH溶液的硅腐蝕局部終止層制作方法，其使用垂直低能高劑量的硼注入雙深槽底部 、經(jīng)高溫激活和擴(kuò)散工藝在雙深槽底部間形成閉合重硼摻雜硅區(qū)，利用KOH溶液對(duì)重硼摻雜硅區(qū)的腐蝕速率大幅度下降特性，實(shí)現(xiàn)KOH溶液腐蝕硅的腐蝕局部終止層，最終實(shí)現(xiàn)完整的硅基熱沉制備。其工藝簡(jiǎn)單、與傳統(tǒng)微細(xì)加工工藝兼容、并可以自由選擇腐蝕終止區(qū)、緩解KOH溶液釋放工藝中對(duì)于硅腐蝕表面粗糙度的要求等。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對(duì)于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說(shuō)明書(shū)中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對(duì)于目前已存在或者以后即將開(kāi)發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對(duì)它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種娃腐蝕局部終止層制作方法，包括: 在含硅的襯底中形成雙槽結(jié)構(gòu)，雙槽結(jié)構(gòu)之間的襯底構(gòu)成硅基熱沉； 對(duì)雙槽結(jié)構(gòu)底部進(jìn)行垂直離子注入； 執(zhí)行高溫激活和擴(kuò)散工藝，使得注入的離子在雙槽結(jié)構(gòu)底部形成閉合的重?fù)诫s區(qū)，所述重?fù)诫s區(qū)包圍硅基熱沉的底部，構(gòu)成硅腐蝕局部終止層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，雙槽結(jié)構(gòu)深度大于20iim。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在襯底中形成雙槽結(jié)構(gòu)的步驟進(jìn)一步包括:提供襯底；在襯底上形成掩膜層；光刻/刻蝕掩膜層以及襯底，在襯底中形成雙槽結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，掩膜層包括氧化物、氮化物、氮氧化物、光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，注入的離子包括硼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，注入能量為50KeV 500KeV，注入劑量為lE15atom/cm2 lE16atom/cm2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，執(zhí)行高溫激活和擴(kuò)散工藝的步驟中，溫度為1000°C 1100°C，擴(kuò)散時(shí)間為Ih 8h。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，重?fù)诫s區(qū)的離子濃度高于2E19atom/cm3。
9.一種雙槽硅基熱沉釋放方法，包括: 采取如權(quán)利要求1所述的方法，在襯底中雙槽結(jié)構(gòu)底部形成硅腐蝕局部終止層； 在雙槽結(jié)構(gòu)中形成抗腐蝕材料以及填充材料； 采用濕法刻蝕液從背面釋放襯底直至硅腐蝕局部終止層； 對(duì)襯底和雙槽結(jié)構(gòu)背面旋涂抗腐蝕溶液膠； 對(duì)襯底和雙深槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行正面開(kāi)腐蝕孔和濕法釋放工藝，并去除抗腐蝕溶液膠，實(shí)現(xiàn)硅基熱沉的釋放。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，抗腐蝕材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，填充材料包括多晶娃、非晶娃、微晶娃。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硅腐蝕局部終止層制作方法，包括在含硅的襯底中形成雙槽結(jié)構(gòu)，雙槽結(jié)構(gòu)之間的襯底構(gòu)成硅基熱沉；對(duì)雙槽結(jié)構(gòu)底部進(jìn)行垂直離子注入；執(zhí)行高溫激活和擴(kuò)散工藝，使得注入的離子在雙槽結(jié)構(gòu)底部形成閉合的重?fù)诫s區(qū)，所述重?fù)诫s區(qū)包圍硅基熱沉的底部，構(gòu)成硅腐蝕局部終止層。依照本發(fā)明的方法，使用垂直離子注入、經(jīng)高溫激活和擴(kuò)散工藝在雙深槽底部間形成閉合重硼摻雜硅區(qū)，利用腐蝕溶液對(duì)重?fù)诫s硅區(qū)的腐蝕速率大幅度下降特性，實(shí)現(xiàn)腐蝕溶液腐蝕硅的腐蝕局部終止層，最終實(shí)現(xiàn)完整的硅基熱沉制備。其工藝簡(jiǎn)單、與傳統(tǒng)微細(xì)加工工藝兼容、并可以自由選擇腐蝕終止區(qū)、緩解KOH溶液釋放工藝中對(duì)于硅腐蝕表面粗糙度的要求等。
文檔編號(hào)B81C1/00GK103241705SQ20121002454
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者尚海平, 焦斌斌, 劉瑞文, 陳大鵬, 李志剛, 盧迪克 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所