CN100526208C - 在绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在SOI硅片上纳米宽度谐振结构及制作方法，其特征在于巧妙利用了(110)晶向硅片的各向异性湿法腐蚀特性，通过精确控制光刻掩模图形与(112)晶向间夹角，利用各向异性湿法腐蚀会自动校准晶向、同时结合腐蚀液对(111)晶面的低速腐蚀减小宽度，在(110)绝缘体上硅的硅片上制作出宽度小于光刻最小线宽、侧壁为(111)晶面的纳米梁结构，通过浓硼自终止技术很好地控制锚点和驱动电极的形貌。利用本发明可以制成宽度小于100纳米的纳米梁，在纳米梁两侧制作驱动/敏感电极，从而实现纳米谐振结构。由于各向异性湿法腐蚀对硅(111)晶面的腐蚀速率慢，可以通过控制腐蚀时间实现对纳米梁宽度的较精确控制。

Description

在绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种基于各向异性腐蚀技术的在绝缘体上硅(SOI)的硅片上纳米宽度谐振结构及其制作方法，更确切的说是一种在(110)晶面的SOI硅片上制作宽度小于100nm的单晶硅纳米梁谐振结构及其制作方法，属微米/纳米加工领域。
背景技术
纳米机电***技术(Nano-Electro-Mechanical-System，NEMS)通过集成纳米器件与微米器件、电路利用纳米效应实现器件性能的显著提高，是纳米技术的重要组成部分[A.N.Cleland，Foundations of Nanomechanics.ISBN 3-540-43661-8，Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003.]。纳米谐振结构是纳米机电器件的基本结构之一，是纳机电谐振器、谐振式传感器等多种纳机电器件的核心结构。
纳米谐振结构至少包括纳米尺度的谐振梁、力学支撑结构和金属压焊块等几部分，采用电容驱动或电容敏感的纳米谐振结构还需要驱动或敏感电极，其中纳米尺度的谐振梁是纳米谐振结构的核心。
对于宽度小于100nm的纳米梁结构，通常采用的光刻-腐蚀加工工艺一般不能达到所需要的控制精度，而需要采用电子束光刻、聚焦离子束刻蚀(FIB)等先进加工技术。例如，A.N.Cleland等人[A.N.Cleland，M.Pophristic and I.Ferguson.Single Crystal Aluminum Nitride Nanomechanical Resonators.Applied Physical Letters，Vol.79，No.13，2001，pp.2070-2072.]与A.Erbe等人[A.Erbe，C.Weiss，W.Zwerger，and R.H.Blick，NanomechanicalResonator Shuttling Single Electrons at Radio Frequencies.PhysicalReview Letters，Vol87，No.9，2001，096106.]均采用了电子束光刻来制作纳米宽度的线条。电子束光刻与FIB等先进加工技术的主要缺点是加工产能低、不适于批量化生产，设备也非常昂贵。另外现有的控制精度较高的干法刻蚀技术一般会在纳米梁表面形成一层厚度为几十纳米的晶格损伤层，严重影响纳米梁的力学和电学特性。
发明内容
本发明目的在于提供一种在(110)晶面的SOI(绝缘体上硅，Silicon onInsulator)硅片上制作梁宽度小于光刻最小线宽且在1-100nm范围内、有驱动/敏感电极的纳米谐振结构及其制作方法。
纳米宽度谐振结构的加工难度体现在以下几个方面：
(1)纳米宽度的谐振梁的成型技术。纳米宽度的范围是1-100nm。现有的光学光刻最小线宽在90nm左右，要进一步减小光刻线宽需要使用电子束光刻等技术。而电子束光刻的设备昂贵、生产效率低。
(2)纳米结构对应力非常敏感，一般需要使用单晶材料以降低应力。
本发明巧妙地利用了(110)硅片的各向异性湿法腐蚀特性，更确切地说利用了(110)硅片在各向异性湿法腐蚀时图形侧壁会自动校准为(111)晶面且(111)晶面的腐蚀速率远低于其他晶面的特性，通过控制掩模的晶向并采用腐蚀减小宽度实现宽度小于100nm的结构，利用浓硼自终止技术实现锚点与驱动/检测电极的形貌控制，在(110)SOI硅片上制作出宽度小于100nm的谐振梁以及驱动/检测电极等结构。
利用本发明制成的纳米谐振结构如图1所示，其特征在于纳米梁的宽度小于100nm，它是由锚点支撑，且在纳米梁的两侧有一对电极，这对电极可以用于对纳米梁的驱动或者用于检测纳米梁的振动。在锚点和电极上制作有金属压焊块，用于实现电学连接。纳米梁结构制作在SOI硅片上。所述的SOI硅片就是一种三层结构的硅片，下层为衬底层，中间层为二氧化硅埋层，上层为单晶硅层。本发明使用的是(110)SOI硅片，也就是说上层硅的上表面是(110)晶面。纳米梁、锚点和电极均制作在(110)SOI硅片的上层硅上。由于纳米梁下面的二氧化硅埋层被腐蚀去除，所以纳米梁可以自由振动。又由于纳米梁的宽度小于其厚度，以水平方向的振动为主。
本发明所述的制作方法，其特征在于利用上表面为(110)晶面的单晶硅的各向异性湿法腐蚀特性制作纳米宽度的结构和利用浓硼自终止技术控制锚点与驱动电极的形貌，在纳米梁两侧制作驱动/敏感电极、实现纳米谐振结构。
单晶硅在碱性腐蚀液中的各向异性腐蚀特性非常明显，例如在TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液中(100)晶面与(111)晶面的腐蚀速率比为30:1左右。对于(110)硅片(即上表面为(110)晶面的单晶硅片)，当掩模边界的晶向为<112>时，用碱性各向异性腐蚀液腐蚀在掩模边界处会形成垂直于硅片表面的(111)晶面，如图2所示。当掩模边界与<112>晶向偏一个很小的角度时，用碱性各向异性腐蚀液腐蚀一段时间，腐蚀侧壁会自动校准到(111)晶面，从而获得宽度小于初始掩模宽度的结构，如图3所示。图3中粗虚线表示经一段时间腐蚀、侧壁自动校准为(111)晶面后硅上图形。假设梁掩模的长度为l，宽度为w，与<112>晶向的夹角为α，则在(111)晶面的腐蚀速率可忽略时、形成的梁宽度近似为w-2lα。利用该方法可以实现宽度远小于最小光刻线宽的结构。由于在实际制作中很难与<112>晶向实现精确对准，很难用控制偏角的方法直接得到所需要的宽度。本发明提供的制作方法首先用控制偏角的方法获得接近目标的宽度，然后利用各向异性腐蚀液继续对(111)侧壁腐蚀从而得到目标宽度。由于(111)晶面的腐蚀速率很低，通过控制腐蚀时间能够精确控制结构的宽度。
为了避免锚点、电极等结构在制作纳米梁时被腐蚀损坏，需要对这些结构进行保护。本发明利用硅材料在重掺杂了硼离子后在各向异性腐蚀液中腐蚀速率变得很低的特性，对锚点、电极等部分进行浓硼扩散从而实现保护。
本发明采用的加工对象是上层硅的上表面为(110)晶面的SOI硅片，上层硅的厚度小于10μm。具体的工艺流程包括：(1)找晶向腐蚀、(2)浓硼扩散、(3)制作金属压焊块、(4)制作梁区掩模、(5)腐蚀形成纳米梁(6)纳米梁释放等六个主要工艺步骤。(具体请详见实施例描述)
综上所述，本发明的主要优点是可以使用廉价的方法较精确地实现宽度远小于光刻线宽、在纳米尺度的梁结构，且梁结构的侧壁为(111)晶面，表面粗糙度低。且本发明提供的制作方法易于实现批量化生产。
附图说明
图1为纳米谐振结构示意图，图a为俯视图，图b为图(a)中沿A-A’的剖面图，
图c为图(a)中沿B-B’的剖面图。
图2为(110)硅片上边界沿<112>晶向的掩模图形经各向异性湿法腐蚀后的示意图，图(a)为俯视图，图(b)为沿C-C’剖面图，图中8为掩模，9为侧壁的(111)晶面。
图3为(110)硅片上边界与<112>晶向有一很小夹角的掩模图形经各向异性湿法腐蚀后的示意图，图(a)为俯视图，图(b)为沿C-C’剖面图，腐蚀侧壁会自动校准为(111)晶面，其与硅片上表面的交线为<112>晶向。
图4为找晶向掩模图形，该图形制作在硅片上二氧化硅掩模层上，图中阴影部分的二氧化硅被去除，其他部分的二氧化硅保留。
图5为浓硼扩散后的结构示意图。图a为俯视图，图b为图(a)中沿A-A’的剖面图，图c为图(a)中沿B-B’的剖面图。
图6为制作金属压焊块后的结构示意图，图a为俯视图，图b为图(a)中沿A-A’的剖面图，图c为图(a)中沿B-B’的剖面图。在锚点2和电极3区域上制作了金属压焊块4。
图7为制作了纳米梁区掩模后的结构示意图。图(a)为俯视图，图(b)为图(a)中沿A-A’的剖面图，图(c)为图(a)中沿B-B’的剖面图。
图8为经过各向异性湿法腐蚀后的结构示意图，纳米梁区经腐蚀形成纳米梁。图a为俯视图，图b为图(a)中沿A-A’的剖面图，图c为图(a)中沿B-B’的剖面图。
图9为结构释放后的示意图。纳米梁下的二氧化硅埋层被腐蚀去除，因此纳米梁可以自由振动。图a为俯视图，图b为图(a)中沿A-A’的剖面图，图c为图(a)中沿B-B’的剖面图。
具体实施方法
下面通过实施例的描述，进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。
实施例1
本发明所述的SOI硅片上纳米宽度的谐振结构如图1所示。纳米梁1由锚点2支撑，在纳米梁1的两侧有一对电极3，在锚点2和电极3上制作有金属压焊块4，纳米梁结构是制作在SOI硅片上。所述的SOI硅片是一种三层结构的硅片，下层为衬底层5，中间层为二氧化硅埋层6，上层为单晶硅层7，使用的上层硅的上表面是(110)晶面，纳米梁1、锚点2和电极3均制作在(110)晶面的SOI硅片的上层硅7上。纳米梁1下的二氧化硅埋层6被局部腐蚀去除，所以它可以自由振动，纳米梁的宽度小于100nm，小于其厚度，以水平方向的振动为主，也即沿图1(a)中的y坐标方向。
所述的图1所示的谐振结构制作步骤由以下六步组成：
(1)找晶向腐蚀
为了精确控制纳米梁掩模图形与<112>晶向的夹角，需要通过各向异性腐蚀找到<112>晶向。找晶向腐蚀是微机电***技术(MEMS，Micro Electro MechanicalSystem)中常用的技术，在此仅作简要说明。首先通过热氧化在(110)SOI硅片表面生长一层二氧化硅层，然后在硅片上用集成电路中的光刻技术在硅片上涂光刻胶、光刻形成如图4所示的辐条状图形，并用腐蚀的方法去除辐条部分(即图4中的阴影部分)的二氧化硅从而将辐条状图形转移到二氧化硅层上。去除光刻胶后将硅片放入各向异性腐蚀液中进行腐蚀，可以使用的各向异性腐蚀液包括氢氧化钾(KOH)，TMAH(四甲基氢氧化铵)，EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)等。由于(111)晶面的腐蚀速率远小于其他晶面，大部分辐条图形宽度随腐蚀的进行迅速增大，而只有与<112>晶向接近的图形经过一段腐蚀后其侧壁自动校准为(111)晶面、与上表面的交线自动校准为<112>晶向，此后宽度几乎不变。
(2)浓硼扩散
去除硅片表面的二氧化硅层，重新热氧化生成一层二氧化硅层。该二氧化硅层将作为后续浓硼扩散和各向异性腐蚀的掩模层，其厚度应满足相应工艺的要求，具体的计算方法参见集成电路工艺[Simon M.Sze.Semiconductor devices：physics and technologies，2nd Edition.ISBN：0471333727，Wiley，2001.]与微机械工艺[黄庆安，硅微机械加工技术，科学出版社，1996.4]方面的教科书。然后用集成电路工艺中的光刻技术去除锚点和电极处的二氧化硅层。再用集成电路工艺中的扩散或离子注入工艺在锚点与电极处进行硼重掺杂，掺杂浓度应在整个上层硅厚度内均达到1020cm-3以上。制成的结构如图5所示。锚点2和电极3区域整个上层硅进行了重掺杂，掺杂浓度大于1020cm-3，其他区域表面覆盖有一层二氧化硅掩模。
(3)制作金属压焊块
在锚点和电极处采用溅射和电镀的方法制作金属压焊块用于实现电学引线。金属压焊块应能够承受后续的各向异性湿法腐蚀，例如可采用Cr/Au层。该工艺为微机电***技术中的常见工艺。制成的结构如图6所示，4为金属压焊块。
(4)制作梁区掩模
利用光刻技术形成与<112>晶向成一定夹角的梁区掩模，并去除锚点和电极周围的掩模。梁区与<112>晶向的夹角根据设计的需要设定。制成的结构如图7所示。
(5)腐蚀形成纳米梁
将如7所示的结构放入各向异性腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀液可以为氢氧化钾(KOH)、TMAH(四甲基氢氧化铵)或EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)任意一种。经过一段时间的腐蚀后纳米梁侧壁会自动校准为(111)晶面。采用各向异性腐蚀液进一步减薄纳米梁直至梁宽度达到设计要求，制成如图8所示结构。
(6)释放纳米梁
利用氢氟酸(HF)腐蚀去除纳米梁下的二氧化硅埋层，形成如图9所示的结构，使纳米梁可以自由振动。由于锚点和电极下的二氧化硅埋层也会同时被腐蚀，HF腐蚀的时间不能过长以避免将锚点和电极下的二氧化硅埋层被过度腐蚀。

Claims (7)

1.一种在绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构的制作方法，其特征在于利用上表面为(110)晶面的单晶硅的各向异性湿法腐蚀特性制作纳米宽度的结构和利用浓硼自终止技术控制锚点与驱动电极的形貌；在纳米梁两侧制作驱动/敏感电极，实现纳米谐振结构，制作步骤由以下六步组成：
①晶向腐蚀
首先通过热氧化在(110)SOI硅片表面生长一层二氧化硅层，然后在硅片上涂光刻胶、光刻并形成辐条状图形，并用腐蚀的方法去除辐条部分的二氧化硅从而将辐条状图形转移到二氧化硅层上；去除光刻胶后将硅片放入碱性各向异性腐蚀液中进行腐蚀，与<112>晶向接近的图形经过一段腐蚀后其侧壁自动校准为(111)晶面、与上表面的交线自动校准为<112>晶向，且宽度不变；
②浓硼扩散
去除硅片表面的二氧化硅层，重新热氧化生成一层二氧化硅层，所述的二氧化硅层将作为后续浓硼扩散和各向异性腐蚀的掩模层，然后用集成电路工艺中的光刻技术去除锚点和电极处的二氧化硅层，再用集成电路工艺中的扩散或离子注入工艺在锚点与电极处进行硼重掺杂，在整个上层硅厚度内掺杂浓度达到1020cm-3以上；其他区域表面覆盖有一层二氧化硅掩模；
③制作金属压焊块
在锚点和电极处采用溅射和电镀的方法制作金属压焊块用于实现电学引线；金属压焊块应能够承受后续的各向异性湿法腐蚀，所述的压焊块为Cr/Au层；
④作梁区掩模
利用光刻技术形成与<112>晶向成一定夹角的梁区掩模，并去除锚点和电极周围的掩模，梁区与<112>晶向的夹角根据设计的需要设定；
⑤腐蚀形成纳米梁
将步骤④所得的结构放入各向异性腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀梁侧壁会自动校准为(111)晶面，并采用各向异性腐蚀液进一步减薄纳米梁直至梁宽度达到设计要求；
⑥释放纳米梁
利用氢氟酸腐蚀去除纳米梁下的二氧化硅埋层，使纳米梁自由振动。
2.按权利要求1所述的在绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构的制作方法，其特征在于所使用碱性各向异性腐蚀液为KOH、四甲基氢氧化铵和EPW中一种，所述的EPW腐蚀液是由乙二胺、邻苯二酚和水组成。
3.按权利要求2所述的绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构的制作方法，其特征在于在步骤②中用碱性各向异性腐蚀液在掩膜边界处形成垂直于硅片表面的(111)晶面。
4.按权利要求1所述的在绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构的制作方法，其特征在于在步骤⑥去除纳米梁下的二氧化硅埋层的同时，锚点和电极下的二氧化硅同时被腐蚀。
5.按权利要求1所述的一种在绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构的制作方法，其特征在于所制作的纳米宽度谐振结构的纳米梁由锚点支撑，且在纳米梁的两侧有一对电极；在锚点和电极上制作有金属压焊块，实现电学连接；纳米梁、锚点和电极均制作在(110)晶面的SOI硅片的上层硅上；且纳米梁下面的二氧化硅埋层被腐蚀去除，纳米梁可以自由振动。
6.按权利要求5所述的绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构的制作方法，其特征在于所述的(110)晶面的SOI的硅片是一种三层结构的硅片，下层为衬底层，中间层为二氧化硅埋层，上层为单晶硅层。
7.按权利要求5所述的绝缘体上硅的硅片上纳米宽度谐振结构的制作方法，其特征在于所述纳米梁宽度小于厚度，以水平方向的振动为主。
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