一種矽片表面圖形刻蝕方法及其矽片的製作方法

2023-09-16 13:20:05

專利名稱：一種矽片表面圖形刻蝕方法及其矽片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自組裝的矽片表面圖形刻蝕方法及其矽片。
技術背景半導體是製造電腦的重要元件，更先進的半導體製造工藝，可以生產出體積更小、 速度更快的晶片。因此半導體技術的發展，特別是半導體製造工藝的發展，對CPU和 晶片的性能起相當重要的作用。從1995年以來，晶片製造工藝的發展十分迅速，先 後從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米一直發展到目前的0.09微 米，而新一代的65納米工藝也己初顯端倪。不斷先進的半導體工藝，不僅意味著不斷減小的最小圖形實現能力，而且也意味 著成本的不斷提高。目前，以90納米工藝為例來說，如果用該技術代工藝製備納米 尺度的矽線條，雖然能夠成功製備而得卯納米的矽線條，但是由於已經達到了該工 藝的極限，會引入一系列的誤差和無法遇見的工藝不確定性。而且由於採用的是該技 術代最為苛刻的條件，製備過程要求極高，耗費大量的成本和設備。此外，傳統的矽工藝主要是傳統的矽表面圖形刻蝕技術。以製備納米尺度的矽線 條為例，首先需要製備與所期望形成圖形相同尺度的光刻版，然後通過光刻、刻蝕工 藝在矽表面形成所需要的圖形。這樣的做法不僅對光刻要求水平非常苛刻，而且需要 在工藝中滿足對準精度、小尺寸刻蝕等一系列高要求的工藝，因此成本高昂，且製備 效率較低。因此，如果利用微米級的低成本工藝製備納米級的材料，同時在製備納米尺度圖 形的時候能夠在所期望成形的位置形成所期望的結構圖形，即自組裝技術，業已成為 集成電路工藝中關注的焦點問題。發明內容本發明的目的是提供一種矽片表面圖形刻蝕方法。 本發明所提供的矽片表面圖形刻蝕方法，包括如下步驟1) 在矽片表面沉積氮化矽層，然後，刻蝕氮化矽層，在矽片表面形成若干刻蝕區 域；每個所述刻蝕區域的尺度為0.5 — 4微米；2) 將所述帶有刻蝕區域的矽片固定於加有腐蝕液的腐蝕槽中，通電進行陽極氧化
反應，在所述刻蝕區域處形成刻蝕圖形；所述腐蝕液為氫氟酸和乙醇的混和液或者氫 氟酸和二甲基甲醯胺的混和液；通電進行陽極氧化反應的電流密度為5-100mA/cm2。 優選的，刻蝕孔的尺度為2微米。在本發明的陽極氧化反應過程中，所選的腐蝕液與矽片的電阻率有關，當矽片電 阻率小於5Q ，cm時，腐蝕液為氫氟酸和乙醇的混和液，其中氫氟酸與乙醇的體積比為1: 10—10: 1，優選為1: 1;當矽片電阻率大於5 Q cm時，腐蝕液為氫氟酸和 二甲基甲醯胺的混和液，其中氫氟酸與二甲基甲醯胺的體積比為1: 10 — 10: 1，優選為l: 4。優選的，通電進行陽極氧化反應的電流密度為30mA/cm2。通電進行陽極氧化 反應的時間為1一60分鐘，優選為15分鐘。採用本發明方法所得到的矽片也屬於本發明的保護範圍。本發明自組裝的矽片表面圖形刻蝕方法能夠非常簡便而且有效地在矽表面刻蝕 出所需要的圖形，所得圖形的尺寸在亞微米尺度至納米尺度範圍內，製備過程不需要 使用現有光刻技術刻蝕如此量級尺寸所必須的高精密設備，設備、條件要求簡單，成 本低；而且圖形的形成是自組裝的，是在腐蝕槽中利用陽極氧化反應完成的，具有非 常好的確定性，成品率高；另外，本發明方法具有很好的兼容性，能夠與現有CMOS 工藝兼容，非常適用於基於CMOS工藝的矽基圖形的加工技術(如MEMS)。


圖la和圖lb分別為實施例1中矽片表面孔狀結構的俯視圖、側剖面圖；圖lc 和圖ld為實施例1中自組裝形成的矽島結構的俯視圖、側剖面圖。 圖2為所用腐蝕槽的結構示意圖。圖3a、 3b為實施例l得到的矽表面自組裝矽島結構的掃描電鏡(SEM)照片。 圖4a和圖4b分別為實施例2中矽片表面槽狀結構的俯視圖、側剖面圖；圖4c和圖4d為實施例2中自組裝形成的孤牆結構的俯視圖、側剖面圖。圖5a為實施例2得到的矽表面自組裝孤牆結構的掃描電鏡(SEM)照片，圖5b為孤牆結構的局部放大照片。
具體實施方式
本發明自組裝的矽片表面圖形刻蝕方法，主要包括如下步驟 l)如圖la—ld和圖4a—4d，在矽片(包括矽襯底層11和Si02層12)表面沉積 氮化矽層13，然後，利用光刻技術刻蝕氮化矽層形成光刻槽，再利用離子刻蝕(RIE) 方法對矽片進行刻蝕，使矽片表面形成刻蝕區域2;刻蝕區域2的尺度在0. 5_4微米。這裡，刻蝕區域2可以為多種形狀，可為如圖la、圖lb所示的孔狀結構，此時， 尺度表示為該孔狀結構的直徑，為0. 5 — 4微米；還可以為如圖4a、圖4b的槽狀結構， 此時，尺度表示槽狀結構的寬度，為0.5—4微米，其長度不限。2)將帶有刻蝕區域的矽片固定於加有腐蝕液的腐蝕槽中，通電進行陽極氧化反 應，在刻蝕區域處形成刻蝕圖形；腐蝕液為氫氟酸和乙醇的混和液或者氫氟酸和二甲 基甲醯胺的混和液；通電進行陽極氧化反應的電流密度為5-100mA/cm2。進行陽極氧化時，所用的腐蝕槽結構如圖2所示，圖中100為腐蝕槽，101為帶 有刻蝕區域的矽片，102為矽片上刻蝕區域所在的一側，103為支架，104為鉑Pt電 極，105為精密恆流源，106為腐蝕液入口， 107為腐蝕液。將帶有刻蝕區域的矽片固 定在腐蝕槽時，其帶有刻蝕區域的一側要朝向陰極。當刻蝕區域2為圖la、圖lb所示的孔狀結構時(直徑為0.5—4微米)，經過陽 極氧化腐蝕，在刻蝕區域內會刻蝕出四個直徑為0.8—1.2微米(常見為l微米)的 腐蝕孔31，從而在刻蝕區域內形成如圖lc、圖ld的矽島結構4。該矽島結構4的尺 寸在100納米一l. 2微米範圍內，並且與矽襯底通過自動形成的側牆41相連接。當刻蝕區域2為圖4a、圖4b的槽狀結構時(寬度為0.5 — 4微米，其長度不限)， 經過陽極氧化腐蝕，在刻蝕區域內會刻蝕出大小為0.8 — 1.2微米的腐蝕孔32，從而 在刻蝕區域內形成若干如圖4c、圖4d的孤牆42。該孤牆42的尺寸在100納米一L2 微米範圍內，與矽襯底的兩側槽相連接。本發明方法適用於各種類型的矽片，具體來說，對於不同類型(p型或者n型) 的矽片，甚至對於不同摻雜類型的矽片，本發明方法都能夠使用。在不同摻雜類型的 矽片上生長多孔矽的難易程度不一樣，具體來說，按生長多孔矽從易到難的順序為 高摻雜的n型矽片>高摻雜的p型矽片>低摻雜的p型矽片>低摻雜的n型矽片。目前， 工業界普遍常用的是不同電阻率的p型矽片。在進行腐蝕時，腐蝕液的選擇根據矽片的電阻率來確定矽片的電阻率小於5Q ，cm時，所述腐蝕液為氫氟酸和乙醇的混合溶液，氫氟酸與乙醇的體積比為l: 10—10: 1;優選為l: 1。矽片的電阻率大於5 Q cm時，所述腐蝕液為氫氟酸和二甲基甲醯胺的混合溶液，氫氟酸與二甲基甲醯胺的體積比為1: 10—10: 1;優選為l: 4。通過預先形成的刻蝕區域，能夠在矽表面選擇性地形成待腐蝕的區域。由於多孔 矽形成的過程是電化學腐蝕的過程，腐蝕的過程需要腐蝕液、矽內空穴以及腐蝕電流 三者同時參與才能進行。通過在矽面形成特性厚度的耗盡層可以阻止空穴在矽面積 累，從而使得在耗盡層區域不發生腐蝕作用，這樣就形成了上述的矽島、孤牆等特定結構。當待腐蝕的區域尺度在0.5—4微米範圍內，在矽面形成的耗盡層的尺度一般在 100納米一1.2微米範圍內，因此，所形成的矽島和孤牆的尺度也相應地控制在了 100 納米一1.2微米範圍內。下面結合實施例對本發明作進一步說明，但本發明並不限於以下實施例。 實施例l、自組裝的矽表面矽島結構刻蝕方法 本發明提供的自組裝的矽表面矽島結構刻蝕技術，包括如下步驟1) 利用傳統大尺度的CMOS工藝技術在矽片表面形成大尺度的孔狀結構，其具 體步驟為首先將氮化矽(SiN)澱積在矽片表面(矽片為p型矽片，電阻率為10Q tm)， 然後利用光刻技術，在矽表面形成大尺度孔狀結構的光刻槽，然後利用離子刻蝕(RIE) 的方法對矽片進行刻蝕，刻蝕掉矽片上面的氮化矽層和Si02層，使矽片表面形成如圖 la (俯視圖)和圖lb (側剖面圖)的孔狀結構，該孔狀結構的直徑為l微米。2) 將上述帶有孔狀結構的矽片固定於加有腐蝕液的腐蝕槽中，帶有刻蝕孔的一 側要朝向陰極，構成陽極氧化的反應結構；腐蝕液為氫氟酸和二甲基甲醯胺的混合溶 液，氫氟酸和二甲基甲醯胺的體積比為1: 4。3) 接通電極，加上電流密度為30 mA/cn^的恆定電流，進行陽極氧化反應，反 應時間為15分鐘，即可在矽片上未受氮化矽保護的孔狀結構處自組裝地形成矽島結 構，如圖lc (俯視圖)和圖ld (側剖面圖)所示，其電鏡照片如圖3a所示，其中， 矽島結構的尺寸為0.8微米，其與矽襯底相連接的側牆尺寸為0.4微米。採用與上同樣的操作，其中，孔狀結構的尺寸為2微米，所用的腐蝕液為氫氟酸 和二甲基甲醯胺的混合溶液，其體積比為l: 2;電流密度為15mA/cm2,氧化時間為 30分鐘，得到電鏡照片如圖3b的矽島結構，其中，矽島結構的尺寸為1.1微米，其 與矽襯底相連接的側牆尺寸為0.6微米。該矽島結構對於進一步進行矽表面器件或者結構的研究有著重要的意義，納米量 級的矽島結構能夠應用在量子點或者量子阱中，並通過其自動形成的側牆與矽襯底相 連，對於量子納米結構的進一步研究起到了重要的推動作用。實施例2、自組裝的矽表面孤牆結構刻蝕方法 本發明提供的自組裝的矽表面孤牆結構刻蝕技術，包括如下步驟 (1)利用傳統大尺度的CMOS工藝技術在矽片表面形成大尺度的槽狀結構，其 具體步驟為首先將氮化矽(SiN)澱積在矽片表面(矽片為p型矽片，電阻率為3 Q *cm)，然後利用光刻技術，在矽表面形成大尺度槽狀結構的光刻槽，然後利用離 子刻蝕(RIE)的方法對矽片進行刻蝕，刻蝕掉矽片上面的氮化矽層和Si02層，使矽 表面形成如圖4a (俯視圖)和圖4b (側剖面圖)的槽狀結構，其寬度為l微米，長度 為IO微米。(2)將上述帶有槽狀結構的矽片固定於加有腐蝕液的腐蝕槽中，帶有刻蝕孔的 一側要朝向陰極，構成陽極氧化的反應結構；其中，腐蝕液為氫氟酸和乙醇的混合溶 液，氫氟酸和乙醇的混合溶液的體積比為1: 1。3)接通電極，加上電流密度為20 mA/cn^的恆定電流，進行陽極氧化反應，反 應時間為20分鐘，即可在矽片上未受氮化矽保護的槽狀結構處自組裝地形成孤牆結 構，如圖4c (俯視圖)和圖4d (側剖面圖)所示，其電鏡照片如圖5a所示，孤牆的 局部放大圖如圖5b。其中，孤牆尺寸為0.15微米，相鄰孤牆之間的距離為l微米。該裝孤牆結構對於進一步進行矽表面器件或者結構的研究有著重要的意義，尤其 利用本技術所形成的納米量級的孤牆非常適用於Finfet (鰭狀結構場效應電晶體)的 柵結構中，將極大的簡化製備Finfet器件的工藝流程和複雜度，並能極大地減少製備 成本，對於Finfet器件的商用化起到了巨大的推動作用。
權利要求
1、一種矽片表面圖形刻蝕方法，包括如下步驟1)在矽片表面沉積氮化矽層，然後，刻蝕氮化矽層，在矽片表面形成若干刻蝕區域；每個所述刻蝕區域的尺度為0.5-4微米；2)將所述帶有刻蝕區域的矽片固定於加有腐蝕液的腐蝕槽中，通電進行陽極氧化反應，在所述刻蝕區域處形成刻蝕圖形；所述腐蝕液為氫氟酸和乙醇的混和液或者氫氟酸和二甲基甲醯胺的混和液；通電進行陽極氧化反應的電流密度為5-100mA/cm2。
2、 根據權利要求1所述的矽片表面圖形刻蝕方法，其特徵在於所述刻蝕區域 的尺度為2微米。
3、 根據權利要求1所述的矽片表面圖形刻蝕方法，其特徵在於所述刻蝕區域 為直徑為0. 5 — 4微米的孔狀結構。
4、 根據權利要求1所述的矽片表面圖形刻蝕方法，其特徵在於所述刻蝕區域 為槽狀結構，其寬度為0.5 — 4微米，其長度不限。
5、 根據權利要求1一4任一所述的矽片表面圖形刻蝕方法，其特徵在於所述氫氟酸和乙醇的混和液中，氫氟酸與乙醇的體積比為1: IO — IO: 1，優選為1: 1;所 述氫氟酸和二甲基甲醯胺的混和液中，氫氟酸與二甲基甲醯胺的體積比為1: IO—IO: 1，優選為1: 4。
6、 根據權利要求1一4任一所述的矽片表面圖形刻蝕方法，其特徵在於通電進行陽極氧化反應的電流密度為30mA/cm2。
7、 根據權利要求1一4任一所述的矽片表面圖形刻蝕方法，其特徵在於通電進 行陽極氧化反應的時間為1一60分鐘，優選為15分鐘。
8、 根據權利要求5所述的矽片表面圖形刻蝕方法，其特徵在於通電進行陽極 氧化反應的電流密度為30mA/cm2。
9、 根據權利要求5所述的矽片表面圖形刻蝕方法，其特徵在於通電進行陽極 氧化反應的時間為l一60分鐘，優選為15分鐘。
10、 權利要求l一9所述矽片表面圖形刻蝕方法得到的矽片。
全文摘要
本發明公開了一種矽片表面圖形刻蝕方法，包括如下步驟1)在矽片表面沉積氮化矽層，然後，刻蝕氮化矽層，在矽片表面形成刻蝕區域；所述刻蝕區域的尺度為0.5-4微米；2)將所述帶有刻蝕區域的矽片固定於加有腐蝕液的腐蝕槽中，通電進行陽極氧化反應，在所述刻蝕區域處形成刻蝕圖形；所述腐蝕液為氫氟酸和乙醇的混和液或者氫氟酸和二甲基甲醯胺的混和液；通電進行陽極氧化反應的電流密度為5-100mA/cm2。本發明自組裝的矽片表面圖形刻蝕方法能夠非常簡便而且有效地在矽表面刻蝕出所需要的圖形，所得圖形的尺寸在亞微米尺度至納米尺度範圍內，製備過程不需要使用現有光刻技術刻蝕如此量級尺寸所必須的高精密設備，設備、條件要求簡單，成本低。
文檔編號H01L21/02GK101159234SQ200710178369
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月29日 優先權日2007年11月29日
發明者周發龍, 廖懷林, 琛 李, 王陽元, 如 黃 申請人:北京大學