用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法

2023-04-29 01:58:06

專利名稱：用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法
技術領域：
本發明涉及一種用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，更確切地說涉及一種在(100)SOI矽片上製作單晶矽納米梁的加工方法，梁的橫截面為直角三角形，三個側面的寬度均小於100nm。屬微米/納米加工領域。
背景技術：
NEMS(Nano-Electro-Mechanical-System，納機電系統)技術是在MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微機電系統)技術上發展起來的，其特點是關鍵部件的特徵尺度小於100nm。它是納米技術的重要組成部分。而納米梁作為納機電諧振器、諧振式傳感器等多種納機電期間的核心部分，是納機電器件的基本結構之一。納米梁的性能對納機電系統的性能有著決定性的作用。
當前，納米梁結構用普通的光刻-腐蝕技術工藝一般不能達到所需要的控制精度，而需要用電子束光刻、聚焦離子束刻蝕等先進加工技術。例如A.N.Cleland等人[A.N.Cleland，M.Pophristic and I.Ferguson.Single CrystalAluminum Nitride Nanomechanical Resonators.Applied Physical Letters，Vol.79，No.13，2001，pp.2070-2072.]與A.Erbe等人[A.Erbe，C.Weiss，W.Zwerger，and R.H.Rlick，Nanomechanical Resonator Shuttling Single Electrons at RadioFrequencies.Physical Review Letters，Vol87，No.9，2001，096106.]均採用了電子束曝光來製作納米寬度的線條。它的缺點是價格昂貴，不適合批量化生產。
另外，通常製作的納米梁都只在一個維度上實現納米尺度，也就是只有在一個維度上尺寸在100nm以下。
向民等人在《基於半導體材料的納米線製作方法》發明專利中提出了利用半導體工藝中的「鳥嘴」效應和半導體材料的溼法腐蝕或幹法刻蝕技術在SOI矽片上加工納米線的方法。其製作過程如下(1)(100)晶向的SOI材料，單晶矽頂層介質1的厚度為小於300nm，清洗後澱積氮化矽形成保護膜4。光刻氮化矽保護膜4，邊界線條沿110方向，[如圖(1-a)所示]；(2)利用矽的各向異性腐蝕液(如氫氧化鉀溶液等)腐蝕矽頂層介質1至氧化矽中間介質層2，矽頂層介質1的(111)面由於腐蝕速率極低而出現自停止，形成側壁5，側壁5與底面夾角為54.7°。[如圖(1-b)所示]；(3)清洗後生長一層氧化矽，形成保護膜6和鳥嘴7，[如圖(1-c)所示]；(4)去除氮化矽保護膜4，露出下面的矽頂層介質1和氧化矽鳥嘴7，[如圖(1-d)所示]；(5)使用矽的各向異性腐蝕液(如氫氧化鉀溶液等)腐蝕沒有氧化矽側壁5和鳥嘴7遮擋的矽頂層介質1，在矽頂層介質1的(111)面出現自停止，形成側壁8，側壁8與底面夾角為54.7°。矽側壁8與矽側壁5所夾區域(橫截面為近似等腰梯形的稜柱)即為單晶矽納米線9，[如圖(1-e)所示]；(6)清洗後利用稀釋氫氟酸等溶液去除氧化矽保護膜6和矽納米線9下方的氧化矽中間介質層2，即形成懸空的矽納米線9，[如圖(1-f)所示]。
由此可見，向民等人的發明至少需要2次光刻才能製成納米梁。光刻次數是衡量工藝複雜性的重要標誌。本發明人試圖通過巧妙利用各向異性幹法腐蝕特性和矽各向異性溼法腐蝕特性，只需要1塊光刻版就可以實現納米梁結構的加工，從而引導出本發明的構思。

發明內容
本發明的目的在於利用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，本發明特徵在於一般同時形成2根納米梁，形成的納米梁截面為直角三角形。這是基於本發明巧妙地利用了(100)晶向矽材料的各向異性腐蝕特性，納米梁形成後腐蝕即自動停止，從而加工精度高、一致性高、重複性好。
本發明的關鍵工藝(1)梁區臺階的氧化減薄，(2)梁區臺階的側壁保護和(3)KOH腐蝕使梁成型。
本發明所述的溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其主要工藝為(1)梁區臺階的氧化減薄在當已經形成圖2所示的臺階後，要減小臺階的高度到需要的尺度。這裡用的使氧化減薄法。因為在微電子工藝中常用的熱氧化過程中，形成的氧化層的厚度和消耗矽的厚度有以下關係消耗矽的厚度＝氧化層厚度×0.46所以，通過熱氧化在表面生成氧化層，使上層矽的厚度減小到需要的尺度。
(2)梁區臺階的側壁保護在氧化減薄工藝後，再在表面用PECVD生長一層氮化矽，因為對氮化矽的刻蝕相對於氧化矽的刻蝕有更好的深寬比，也就是對側壁的影響更小，圖3(a)所示為此時臺階的橫截面圖。接著進行一次光刻，用光刻膠保護梁的兩端不受幹法刻蝕影響，然後用幹法刻蝕分別刻去臺階表面的氮化矽和氧化矽，而刻蝕對側壁的影響很小，於是側壁仍然被氧化矽和氮化矽保護著。
如圖3(b)所示。
(3)KOH腐蝕使梁成型當側壁形成保護後，用KOH腐蝕腐蝕臺階，由於臺階的側面被氮化矽和氧化矽保護著，不會被KOH腐蝕，只能從臺階的表面向下腐蝕，同時由於矽的各向異性腐蝕特性，會自動形成(111)面，而在(100)矽片上，(111)面與(100)的夾角是54.74度。如圖4所示。
具體的工藝步驟是(a)臺階的製作和減薄①臺階的製作使用光刻-刻蝕工藝先進行一次光刻，光刻時臺階方向和矽片(100)切邊方向垂直，然後用光刻膠作掩膜，等離子刻蝕掉窗口中的上層矽，從而形成臺階；②利用氧化減薄方法，進行臺階減薄，形成的氧化層的厚度和消耗矽的厚度關係是消耗矽的厚度＝氧化層的厚度×0.46；(b)側壁保護用PECVD生長一層氮化矽，接著進行一次光刻，使梁的兩端被光刻膠保護，然後進行兩次幹法刻蝕，分別刻蝕掉氮化矽和氧化矽；使臺階上的矽暴露出來；(c)梁的成型在步驟(b)完成側壁保護後，用KOH腐蝕臺階，使腐蝕從臺階的上表面向下進行，直至露出埋層氧化矽，同時自動形成(111)面；(d)梁結構的釋放用HF腐蝕埋層氧化矽實現梁結構的釋放，同時使梁的側壁和兩端的氮化矽和氧化矽被腐蝕掉。
所述的(100)矽片為(100)絕緣層上矽片。
所述的上層矽厚度為100-300nm，埋層氧化層厚度為300-500nm。
綜上所述，本發明提供的方法，其特點有(1)梁的橫截面是直角三角形，其斜面是(111)面，側面是(110)面，底面是(100)面，由矽的晶面關係有(111)面和(100)面夾角是54.74度。三個側面的寬度均小於100nm。
(2)梁的斜面和底面寬度由梁的高度決定，而梁的高度用氧化法進行控制的，有較高的精度。
(3)利用矽在各向異性腐蝕液中會自動找到(111)晶面的特點使梁成型，有較高的加工精度、一致性和重複性。


圖1向民等人提出基於半導體材料的納米線製作方法的工藝步驟圖2本發明關鍵工藝之一----梁區臺階的氧化減薄示意圖(a)梁區臺階的俯視圖(b)梁區臺階的A-A向的截面3梁區臺階的側壁保護(a)生長氮化矽後梁區臺階的橫截面圖(b)側壁保護形成後梁區臺階的橫截面4腐蝕成型後的橫截面5側壁保護形成後梁區臺階的橫截面6第二次光刻掩模板圖形圖7(a)幹法刻蝕後的俯視圖(b)幹法刻蝕後A-A』剖面圖(c)幹法刻蝕後B-B』剖面8KOH腐蝕後的圖形(a)俯視圖(b)A-A』剖面9釋放後的梁(a)俯視圖(b)A-A』剖面圖(c)B-B』剖面圖具體實施方式
下面通過具體實施例結合附圖的介紹以進一步闡明本發明實質性特點和顯著的進步。
實施例1本實例使用的矽片是(100)絕緣層上矽片即(100)SOI矽片，其上層矽是約200nm，埋層氧化矽層約為400nm。具體工藝流程包括(1)臺階的製作和減薄、(2)側壁保護、(3)梁的成型、(4)梁的釋放等四個主要步驟。下面對各工藝步驟作具體的介紹。
(1)臺階的製作和減薄臺階的製作使用普通的光刻一刻蝕工藝。先進行一次光刻，掩模板圖形如圖5所示，光刻時要控制臺階方向和矽片(110)切邊方向垂直，然後用光刻膠作掩膜，等離子刻蝕掉窗口中的上層矽，就形成了圖1所示的臺階。
接著對臺階進行減薄，本發明使用的是氧化減薄的方法。前面已經介紹了在熱氧化中，形成的氧化層的厚度和消耗矽的厚度有以下關係消耗矽的厚度＝氧化層厚度×0.46所以，只要在表面生長一層氧化層，通過控制氧化層的厚度來達到控制臺階厚度的效果。
(2)側壁保護本發明利用幹法刻蝕對側壁影響很小的特點，通過幹法刻蝕使臺階上表面的矽暴露出來，而側壁仍然被保護著。具體做法是用PECVD生長一層氮化矽，接著進行一次光刻，掩膜板圖形如圖6所示，這樣梁的兩端被光刻膠保護著，不受幹法刻蝕影響，然後進行兩次幹法刻蝕，分別刻掉氮化矽和氧化矽，使臺階上表面的矽暴露出來，而側壁仍然被保護著，如圖7所示。
(3)梁的成型在完成側壁保護後，用KOH腐蝕臺階。由於臺階的側壁被氮化矽和氧化矽保護著，不會被KOH腐蝕，腐蝕只能從臺階的上表面向下進行，直到露出埋層氧化矽，同時由於矽的各向異性腐蝕特性，會自動形成(111)面，從而形成了圖8所示的梁結構。
(4)梁的釋放本發明通過用HF腐蝕埋層氧化矽來實現梁結構的釋放，同時梁側壁的氧化矽和氮化矽，梁兩端的氮化矽和氧化矽都能被腐蝕掉，從而形成圖9所示的結構。
權利要求
1.一種用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於利用(100)晶向矽材料各向異性腐蝕特性，納米梁形成後腐蝕即自動停止；形成梁的橫截面為直角三角形；具體工藝步驟是(a)臺階的製作和減薄①臺階的製作使用光刻—刻蝕工藝先進行一次光刻，光刻時臺階方向和矽片(100)切邊方向垂直，然後用光刻膠作掩膜，等離子刻蝕掉窗口中的上層矽，從而形成臺階；②利用氧化減薄方法，進行臺階減薄，形成的氧化層的厚度和消耗矽的厚度關係是消耗矽的厚度＝氧化層的厚度×0.46；(b)側壁保護用PECVD生長一層氮化矽，接著進行一次光刻，使梁的兩端被光刻膠保護，然後進行兩次幹法刻蝕，分別刻蝕掉氮化矽和氧化矽；使臺階上的矽暴露出來；(c)梁的成型在步驟(b)完成側壁保護後，用KOH腐蝕臺階，使腐蝕從臺階的上表面向下進行，直至露出埋層氧化矽，同時自動形成(111)面；(d)梁結構的釋放用HF腐蝕埋層氧化矽實現梁結構的釋放，同時使梁的側壁和兩端的氮化矽和氧化矽被腐蝕掉。
2.按權利要求1所述的用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於所述的直角三角形的斜面為(111)面，側面是(110)面，底面是(100)面。
3.按權利要求1或2所述的用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於所述的直角三角形的斜面和側面之間夾角為54.74°。
4.按權利要求1或2所述的用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於所述的梁的斜面和底面寬度由梁的高度決定。
5.按權利要求4所述的用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於梁的高度是用氧化法進行控制的。
6.按權利要求1所述的用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於所述的(100)矽片為(100)絕緣層上矽片。
7.按權利要求1所述的用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於所述的上層矽厚度為100-300nm，埋層氧化層厚度為300-500nm。
8.按權利要求1所述的用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於同時形成兩根納米梁。
9.按權利要求1所述的用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於直角三角形的三個側面的寬度均小於100nm。
全文摘要
本發明涉及一種用溼法腐蝕工藝製作截面為直角三角形的納米梁加工方法，其特徵在於利用(100)晶向矽材料各向異性腐蝕特性，納米梁形成後腐蝕即自動停止；形成梁的橫截面為直角三角形，所述直角三角形的斜而為(111)面，側面是(110)面，底面是(100)面，梁的斜面和底面寬度由梁的高度決定，是用氧化法進行控制的。本發明巧妙利用各向異性幹法腐蝕特性和矽各向異性溼法腐蝕特性，只需一塊光刻版就可實現納米梁結構的加工。
文檔編號B81C1/00GK101062761SQ200610148119
公開日2007年10月31日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者許科峰, 楊恆, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所