CN102923642A - 一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法 - Google Patents

一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，先在硅衬底表面形成氧化硅掩膜，然后根据氧化硅掩膜于硅衬底中制作高深宽比硅结构，接着采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法或喷涂法于所述高深宽比硅结构侧壁形成含氟聚合物，最后去除氧化硅掩膜完成制备。本发明具有以下有益效果：1）本发明工艺简单，可控性强，且与现有半导体工艺完全兼容；2）本发明可实现对原结构完美薄膜包覆，快速提高侧壁的平滑度，且不影响高深宽比硅结构；3）特别适用于传感器件，模具或微流体沟道的应用场合，当高深宽比硅结构用作模具时，疏水性聚合物薄膜的沉积更利于脱模。

Description

一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，特别是涉及一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法。
背景技术
在半导体制造领域中，在硅衬底上刻蚀深沟槽或深孔是一种重要的加工手段。愈来愈多的器件正朝着高深宽比的结构发展，目前高深宽比结构已成为实现传感器件、模具和微流体沟道等结构的一个重要条件。
在高深宽比硅结构的制造过程中，常用的硅刻蚀方法主要有湿法刻蚀、金属掩蔽刻蚀、低温刻蚀和Bosch工艺交替刻蚀。其中湿法刻蚀利用KOH等化学溶液对硅进行腐蚀，反应生成物进入溶液通过清洗等步骤排出，其选择比较高，但各向异性较差，并且容易残留杂质离子；金属掩蔽刻蚀的选择比较大，但会形成微针效应；低温刻蚀采用低温钝化的方法来提高各向异性，需要复杂的低温控制***；Bosch工艺交替刻蚀采用交替进行的刻蚀和侧壁钝化来实现各向异性，该方法应用最广泛，但这种交替刻蚀的方法不可避免的将会在侧壁产生波纹，降低了侧壁的平滑度。因此，为了提高高深宽比结构的侧壁表面质量，需要研制一种提高侧壁平滑度的新方法。
目前，为了提高高深宽比硅结构的侧壁平滑度，公开号为CN 102431960A的专利文件公开了一种硅通孔刻蚀方法，该专利采用刻蚀气体和侧壁保护气体同时供应的刻蚀方法制备硅通孔，但该方法对刻蚀速率有很大的影响。还有的侧壁平滑方法在刻蚀到一定阶段，利用大量氧气将聚合物的氧化层分解掉，并将刻蚀形成的沟槽中暴露出来的晶体硅氧化形成氧化硅，但该方法过程时间长，氧化硅形成条件和厚度不易控制，且整个过程十分缓慢。因此，业界迫切需要一种简单易行，快速提高高深宽比硅结构侧壁平滑度的方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，用于解决现有技术中高深宽比硅结构制作过程时间过长、高深宽比硅结构侧壁平滑度低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，包括步骤：于硅衬底中形成高深宽比硅结构，并于所述高深宽比硅结构的侧壁形成含氟聚合物。
作为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法的一种优选方案，所述含氟聚合物为聚四氟乙烯。
作为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法的一种优选方案，所述侧壁平滑方法包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，采用热氧化法于所述硅衬底表面形成氧化硅层，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构的位置具有刻蚀窗口的氧化硅掩膜；
2）采用感应耦合等离子刻蚀法从所述刻蚀窗口对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，形成高深宽比硅结构；
3）以CF4、C4F8、C4F6、C5F8的一种或其任意混合为反应源气体，采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法于所述高深宽比硅结构侧壁沉积含氟聚合物；
4）去除所述氧化硅掩膜。
优选地，步骤2）中，采用SF6及O2混合气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。
进一步地，对所属硅衬底进行刻蚀时，所述SF6的流量为100~160sccm，所述O2的流量为10~16sccm，射频功率为500~700W，气压为90~100mtorr；对所属硅衬底进行钝化时，所述C4F8的流量为60~100sccm，射频功率为500~700W，气压为90~100mtorr。
作为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法的一种优选方案，所述反应源气体的流量为100~300sccm，射频功率为500~800W，气压为30~100mtorr。
作为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法的一种优选方案，所述侧壁平滑方法包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，采用热氧化法于所述硅衬底表面形成氧化硅层，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构的位置具有刻蚀窗口的氧化硅掩膜；
2）采用感应耦合等离子刻蚀法从所述刻蚀窗口对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，形成高深宽比硅结构；
3）将聚四氟乙烯的乙酸丁酯溶液采用喷涂法沉积于所述高深宽比硅结构侧壁表面，并进行加热以使所述乙酸丁酯溶剂全部挥发；
4）去除所述氧化硅掩膜。
优选地，步骤3）于真空中加热以使所述乙酸丁酯溶剂全部挥发，加热温度为60~80℃。
作为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法的一种优选方案，所述侧壁平滑方法包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，采用热氧化法于所述硅衬底表面形成氧化硅层，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构的位置具有刻蚀窗口的氧化硅掩膜；
2）将上述结构置于KOH溶液中进腐蚀以在所述刻蚀窗口下方的硅衬底中形成高深宽比硅结构；
3）以CF4、C4F8、C4F6、C5F8的一种或其任意混合为反应源气体，采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法于所述高深宽比硅结构侧壁沉积含氟聚合物；
4）去除所述氧化硅掩膜。
优选地，步骤2）中，腐蚀温度为40~60℃，腐蚀时间为5~12h。
如上所述，本发明提供一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，先在硅衬底表面形成氧化硅掩膜，然后根据氧化硅掩膜于硅衬底中制作高深宽比硅结构，接着采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法或喷涂法于所述高深宽比硅结构侧壁形成含氟聚合物，最后去除氧化硅掩膜完成制备。本发明具有以下有益效果：1）本发明工艺简单，可控性强，且与现有半导体工艺完全兼容；2）本发明可实现对原结构完美薄膜包覆，快速提高侧壁的平滑度，且不影响高深宽比硅结构；3）特别适用于传感器件，模具或微流体沟道的应用场合，当高深宽比硅结构用作模具时，疏水性聚合物薄膜的沉积更利于脱模。
附图说明
图1~4显示为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法步骤1）所呈现的结构示意图。
图5显示为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法步骤2）所呈现的结构示意图。
图6显示为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法步骤3）所呈现的结构示意图。
图7显示为本发明的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法步骤4）所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101    硅衬底
102    氧化硅层
103    光刻胶
104    氧化硅掩膜
105    刻蚀窗口
106    高深宽比硅结构
107    含氟聚合物
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1~图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图1~图7所示，本实施例提供一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，包括步骤：于硅衬底101中形成高深宽比硅结构106，并于所述高深宽比硅结构106侧壁形成含氟聚合物107。在本实施例中，所述高深宽比硅结构为硅深沟槽或硅深孔结构。
在本实施例中，所述侧壁平滑方法包括以下步骤：
如图1~图4所示，首先进行步骤1），提供一硅衬底101，采用热氧化法于所述硅衬底101表面形成氧化硅层102，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构106的位置具有刻蚀窗口105的氧化硅掩膜104。
具体地，本步骤包括以下步骤：
1-1）制作玻璃基金属掩膜版，得到所需刻蚀结构的图形，即与需制作高深宽比硅结构106对应的图形；
1-2）通过标准清洗工艺清洗所述硅衬底101，然后进行烘干，并所述硅衬底101进行热氧化形成氧化硅层102，氧化硅层102厚度为2~5μm，如图1~图2所示；
1-3）在所述氧化硅层102表面涂光刻胶103后，进行紫外曝光，将掩膜版的图形转移到所述氧化硅层102上，如图3所示；
1-4）上述显影过程后将上述所得结构置于100~160℃的烘箱中烘20~40min；
1-5）于30~40℃下使用质量比为5~8∶1的氟化铵腐蚀液去除暴露区域的氧化硅层102，获得刻蚀窗口105，刻蚀时间为8~15min，如图4所示。
如图5所示，然后进行步骤2），采用感应耦合等离子刻蚀法从所述刻蚀窗口105对所述硅衬底101交替进行刻蚀与钝化，形成高深宽比硅结构106；
在本实施例中，采用SF6及O2混合气体作为刻蚀气体对所述硅衬底101进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底101进行钝化。
进一步地，采用感应耦合等离子刻蚀机对所属硅衬底101进行刻蚀，在刻蚀过程中，所述SF6的流量为100~160sccm，所述O2的流量为10~16sccm，射频功率为500~700W，气压为90~100mtorr；对所属硅衬底101进行钝化时，所述C4F8的流量为60~100sccm，射频功率为500~700W，气压为90~100mtorr。在一具体的实施过程中，所述SF6的流量为130sccm，所述O2的流量为13sccm，射频功率为600W，气压为94mtorr；对所属硅衬底101进行钝化时，所述C4F8的流量为80sccm，射频功率为600W，气压为94mtorr。
如图6所示，然后进行步骤3），以CF4、C4F8、C4F6、C5F8的一种或其任意混合为反应源气体，采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法于所述高深宽比硅结构106侧壁沉积含氟聚合物107。由于上述的刻蚀方法会在所述高深宽比硅结构106侧壁形成大量的波纹结构，影响其侧壁的平滑度，如图5所示，所述含氟聚合物107能有效地提高所述高深宽比硅结构106侧壁的平滑度。
在本实施例中，所述含氟聚合物107为聚四氟乙烯。所述感应耦合等离子体增强化学气相沉积在感应耦合等离子体刻蚀机中进行，所述反应源气体的流量为100~300sccm，射频功率为500~800W，气压为30~100mtorr。在一具体的实施过程中，所述反应源气体采用C4F8，气体的流量为100sccm，射频功率为600W，气压为40mtorr。
如图7所示，最后进行步骤4），去除所述光刻胶103及氧化硅掩膜104。
在本实施例中，于30~40℃下使用质量比为5~8∶1的氟化铵腐蚀液去除所述氧化硅掩膜104，以获得侧壁平滑的高深宽比硅结构。在一具体的实施过程中，于35℃下使用质量比为7∶1的氟化铵腐蚀液去除所述氧化硅掩膜104。
实施例2
如图1~图7所示，本实施例提供一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，所述侧壁平滑方法包括以下步骤：
如图1~图4所示，首先进行步骤1），提供一硅衬底101，采用热氧化法于所述硅衬底101表面形成氧化硅层102，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构106的位置具有刻蚀窗口105的氧化硅掩膜104。
具体地，本步骤包括以下步骤：
1-1）制作玻璃基金属掩膜版，得到所需刻蚀结构的图形，即与需制作高深宽比硅结构106对应的图形；
1-2）通过标准清洗工艺清洗所述硅衬底101，然后进行烘干，并所述硅衬底101进行热氧化形成氧化硅层102，氧化硅层102厚度为2~5μm，如图1~图2所示；
1-3）在所述氧化硅层102表面涂光刻胶103后，进行紫外曝光，将掩膜版的图形转移到所述氧化硅层102上，如图3所示；
1-4）对所述光刻胶103显影后将上述所得结构置于100~160℃的烘箱中烘20~40min；
1-5）于30~40℃下使用质量比为5~8∶1的氟化铵腐蚀液去除暴露区域的氧化硅层102，获得刻蚀窗口105，刻蚀时间为8~15min，如图4所示。
如图5所示，然后进行步骤2），采用感应耦合等离子刻蚀法从所述刻蚀窗口105对所述硅衬底101交替进行刻蚀与钝化，形成高深宽比硅结构106。
在本实施例中，采用SF6及O2混合气体作为刻蚀气体对所述硅衬底101进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底101进行钝化。
进一步地，采用感应耦合等离子刻蚀机对所属硅衬底101进行刻蚀，在刻蚀过程中，所述SF6的流量为100~160sccm，所述O2的流量为10~16sccm，射频功率为500~700W，气压为90~100mtorr；对所属硅衬底101进行钝化时，所述C4F8的流量为60~100sccm，射频功率为500~700W，气压为90~100mtorr。在一具体的实施过程中，所述SF6的流量为130sccm，所述O2的流量为13sccm，射频功率为600W，气压为94mtorr；对所属硅衬底101进行钝化时，所述C4F8的流量为80sccm，射频功率为600W，气压为94mtorr。
如图6所示，然后进行步骤3），将聚四氟乙烯的乙酸丁酯溶液采用喷涂法沉积于所述高深宽比硅结构106侧壁表面，并进行加热以使所述乙酸丁酯溶剂全部挥发。
在本实施例中，于真空中加热以使所述乙酸丁酯溶剂全部挥发，加热温度为60~80℃。在一具体的实施过程中，将所述硅衬底101置于真空干燥其中，于70℃下使所述乙酸丁酯溶剂全部挥发。由于上述的刻蚀方法会在所述高深宽比硅结构106侧壁形成大量的波纹结构，影响其侧壁的平滑度，如图5所示，所述含氟聚合物107能有效地提高所述高深宽比硅结构106侧壁的平滑度。
如图7所示，最后进行步骤4），去除所述光刻胶103及氧化硅掩膜104。
在本实施例中，于30~40℃下使用质量比为5~8∶1的氟化铵腐蚀液去除所述氧化硅掩膜104，以获得侧壁平滑的高深宽比硅结构。在一具体的实施过程中，于35℃下使用质量比为7∶1的氟化铵腐蚀液去除所述氧化硅掩膜104。
实施例3
如图1~图7所示，本实施例提供一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，所述侧壁平滑方法包括以下步骤：
如图1~图4所示，首先进行步骤1），提供一硅衬底101，采用热氧化法于所述硅衬底101表面形成氧化硅层102，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构106的位置具有刻蚀窗口105的氧化硅掩膜104。其具体步骤如实施例1。
如图5所示，然后进行步骤2），将上述结构置于KOH溶液中进腐蚀以在所述刻蚀窗口105下方的硅衬底101中形成高深宽比硅结构106。在本实施例中，腐蚀温度为40~60℃，腐蚀时间为5~12h。在一具体的实施过程中，腐蚀温度为50℃，腐蚀时间为10h。此腐蚀过程容易在所述高深宽比硅结构106侧壁形成波浪结构，如图5所示。
如图6所示，然后进行步骤3），以CF4、C4F8、C4F6、C5F8的一种或其任意混合为反应源气体，采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法于所述高深宽比硅结构106侧壁沉积含氟聚合物107。其具体步骤如实施例1，所述含氟聚合物107可以有效提高所述高深宽比硅结构106侧壁的平滑度。
如图7所示，最后进行步骤4），去除所述光刻胶103及氧化硅掩膜104。其具体步骤如实施例1。
综上所述，本发明提供一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，先在硅衬底表面形成氧化硅掩膜，然后根据氧化硅掩膜于硅衬底中制作高深宽比硅结构，接着采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法或喷涂法于所述高深宽比硅结构侧壁形成含氟聚合物，最后去除氧化硅掩膜完成制备。本发明具有以下有益效果：1）本发明工艺简单，可控性强，且与现有半导体工艺完全兼容；2）本发明可实现对原结构完美薄膜包覆，快速提高侧壁的平滑度，且不影响高深宽比硅结构；3）特别适用于传感器件，模具或微流体沟道的应用场合，当高深宽比硅结构用作模具时，疏水性聚合物薄膜的沉积更利于脱模。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于，包括步骤：于硅衬底中形成高深宽比硅结构，并于所述高深宽比硅结构的侧壁形成含氟聚合物。
2.根据权利要求2所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于，所述含氟聚合物为聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1或2所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，采用热氧化法于所述硅衬底表面形成氧化硅层，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构的位置具有刻蚀窗口的氧化硅掩膜；
2）采用感应耦合等离子刻蚀法从所述刻蚀窗口对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，形成高深宽比硅结构；
3）以CF4、C4F8、C4F6、C5F8的一种或其任意混合为反应源气体，采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法于所述高深宽比硅结构侧壁沉积含氟聚合物；
4）去除所述氧化硅掩膜。
4.根据权利要求3所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于：步骤2）中，采用SF6及O2混合气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。
5.根据权利要求4所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于：对所属硅衬底进行刻蚀时，所述SF6的流量为100~160sccm，所述O2的流量为10~16sccm，射频功率为500~700W，气压为90~100mtorr；对所属硅衬底进行钝化时，所述C4F8的流量为60~100sccm，射频功率为500~700W，气压为90~100mtorr。
6.根据权利要求3所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于：所述反应源气体的流量为100~300sccm，射频功率为500~800W，气压为30~100mtorr。
7.根据权利要求1或2所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，采用热氧化法于所述硅衬底表面形成氧化硅层，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构的位置具有刻蚀窗口的氧化硅掩膜；
2）采用感应耦合等离子刻蚀法从所述刻蚀窗口对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，形成高深宽比硅结构；
3）将聚四氟乙烯的乙酸丁酯溶液采用喷涂法沉积于所述高深宽比硅结构侧壁表面，并进行加热以使所述乙酸丁酯溶剂全部挥发；
4）去除所述氧化硅掩膜。
8.根据权利要求7所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于：步骤3）于真空中加热以使所述乙酸丁酯溶剂全部挥发，加热温度为60~80℃。
9.根据权利要求1或2所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，采用热氧化法于所述硅衬底表面形成氧化硅层，并采用光刻工艺制备于需制作高深宽比硅结构的位置具有刻蚀窗口的氧化硅掩膜；
2）将上述结构置于KOH溶液中进腐蚀以在所述刻蚀窗口下方的硅衬底中形成高深宽比硅结构；
3）以CF4、C4F8、C4F6、C5F8的一种或其任意混合为反应源气体，采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积法于所述高深宽比硅结构侧壁沉积含氟聚合物；
4）去除所述氧化硅掩膜。
10.根据权利要求9所述的高深宽比硅结构的侧壁平滑方法，其特征在于：步骤2）中，腐蚀温度为40~60℃，腐蚀时间为5~12h。
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