一種制備圖形化多孔硅結構的方法
【專利摘要】本發明公開了一種制備圖形化多孔硅結構的方法，包括：步驟1：在硅片上依次淀積氧化硅和氮化硅，形成雙層掩膜結構；步驟2：在硅片上雙層掩膜結構的表面定義氮化硅／氧化硅掩膜圖形窗口區域，然后采用干法刻蝕依次去掉該圖形窗口區域中的氮化硅和氧化硅層，露出硅片的表面；步驟3：對露出的硅片表面進行濕法腐蝕，形成硅腔結構；步驟4：采用水熱腐蝕方法在硅腔結構內形成多孔硅層，完成圖形化多孔硅結構的制備。本發明提供的掩膜體系可以實現不同厚度和圖形尺寸的多孔硅圖形、單面／雙面多孔硅圖形及自支撐多孔硅圖形等。
【專利說明】一種制備圖形化多孔硅結構的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體制造【技術領域】，具體涉及到一種制備圖形化多孔硅結構的方法，該方法與現有的硅加工工藝兼容，為靈活制造多孔硅MEMS器件奠定基礎。
【背景技術】
[0002]多孔硅材料具有很多獨特的性質，如高的電阻率、大的比表面積、低熱導率、強吸附特性等，可以用在濕度探測器、氣體探測器、化學和生物傳感器中。自1990年人們發現多孔硅獨特的發光效應以來，多孔硅成了研究的熱點。一直以來針對多孔硅的研究工作大部分集中在多孔硅的制備方法、發光機理以及多孔硅作為犧牲層等方面。最近隨著對多孔硅的進一步研究和認識，多孔硅的研究也逐漸拓展到了微機械系統(MEMS)、生物傳感器等新的研究領域。
[0003]多孔硅的制備技術如物理的、化學的、電化學方法和相應的裝置層出不窮，各有其使用的范圍和特點。多孔硅的性能與其微觀結構如孔隙率、厚度等參數密切相關。針對多孔硅不同結構表現出的不同性能可以將多孔硅應用于硅的MEMS器件中提高性能，這種研究思路一方面得益于多孔硅的工藝可以與傳統的硅基加工工藝相兼容便于器件工藝整合，另一方面與IC工藝兼容便于器件與電路的集成進而實現實用化。多孔硅在MEMS和生物傳感器等新的研究領域的應用，通常需要在局部區域形成多孔硅圖形化，而不是傳統結構中覆蓋整個面積的多孔硅層，并且隨著硅器件尺寸的不斷縮小，也要求制備的多孔硅尺寸越來越小。因此，研究利用半導體微細加工技術區域性生長多孔硅或形成所需的不同結構的多孔娃成為研究多孔娃/娃基器件的關鍵。
[0004]由于多孔硅制備的腐蝕液條件，將多孔硅進行圖形化時掩膜的選擇成為關鍵，需要對非多孔硅區域實現有效的保護。一種方法是采用硼離子注入技術，在n型高阻硅襯底上的局部微區域通過離子注入形成易于腐蝕的P型硅，用電化學方法制備出圖形化的多孔硅陣列。通過控制硼離子注入能量控制其注入深度，從而準確控制制備的多孔硅厚度，但是由于注入能量的限制，所以這種方法只適合于制備薄層的多孔硅，且襯底硅片的類型和參數受到限制。
[0005]同樣采用離子注入方法，是在單晶硅中通過注入氫或氦離子等形成局部高阻硅掩膜作為選擇性腐蝕多孔硅的掩膜。高阻硅的掩蔽效果隨著腐蝕時間加長會下降，同時受離子注入能量的影響只能形成薄層多孔硅，如采用I U m厚的高阻層能夠形成約6 u m厚的多孔硅。
[0006]形成圖案化多孔硅的方法也可以采用無掩膜方法，如利用光照腐蝕的方法中在光源和硅片之間放置掩膜阻擋光照形成多孔硅圖形，或者電化學方法中在硅片下面水平放置圖案化的電極使電場局域化來制備多孔硅圖形，雖然省去了掩膜的選取和光刻過程，但是這些方法只適合于制備圖案簡單的多孔硅圖形。
[0007]針對多孔硅在MEMS領域的應用，比較有效的圖形化方法是采用淀積氮化硅或多晶硅掩膜的方法。而多晶硅通常也會受到腐蝕，多孔硅的厚度受多晶硅掩蔽層的影響和制 約。
【發明內容】
[0008](一)要解決的技術問題
[0009]本發明的目的在于提供一種制備圖形化多孔硅結構的方法，以解決多孔硅/硅MEMS器件制備中的工藝整合難題，并與硅MEMS器件工藝相兼容。
[0010](二)技術方案
[0011]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0012]一種制備圖形化多孔硅結構的方法，包括:
[0013]步驟1:在硅片上依次淀積氧化硅和氮化硅，形成雙層掩膜結構；
[0014]步驟2:在硅片上雙層掩膜結構的表面定義氮化硅/氧化硅掩膜圖形窗口區域，然后采用干法刻蝕依次去掉該圖形窗口區域中的氮化硅和氧化硅層，露出硅片的表面；
[0015]步驟3:對露出的硅片表面進行濕法腐蝕，形成硅腔結構；
[0016]步驟4:采用水熱腐蝕方法在硅腔結構內形成多孔硅層，完成圖形化多孔硅結構的制備。
[0017]上述方案中，步驟I中所述硅片采用單晶硅層。
[0018]上述方案中，步驟I中所述雙層掩膜結構中的氧化硅是采用熱氧化方法、等離子體化學氣相沉積方法、濺射方法或低壓化學氣相沉積方法，在硅片的一面或雙面形成的。
[0019]上述方案中，步驟I中所述雙層掩膜結構中的氮化硅是采用低壓化學氣相沉積方法、等離子體化學氣相沉積方法或濺射方法在氧化硅上形成的。
[0020]上述方案中，步驟I中所述雙層掩膜結構中的氮化硅是單層氮化硅，或者是富氮、富硅的氮化硅層的組合。
[0021]上述方案中，步驟2中所述在硅片上雙層掩膜結構的表面定義氮化硅/氧化硅掩膜圖形窗口區域是采用光刻技術實現的。
[0022]上述方案中，步驟4中所述多孔硅層是采用水熱腐蝕方法制備的，水熱腐蝕時通過由光刻和刻蝕技術定義的氮化硅/氧化硅掩膜圖形來形成。
[0023]上述方案中，步驟4中所述多孔娃層的厚度為0?100 ii m,圖形尺寸在nm到mm量級。
[0024](三)有益效果
[0025]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0026]1、本發明提供的制備圖形化多孔硅結構的方法，可以靈活實現不同結構尺寸和不同厚度的多孔硅圖形，有助于多孔硅在MEMS器件或生物領域的應用。工藝兼容性有助于縮小器件尺寸，進一步提高成品率降低成本，促進多孔硅基MEMS器件或生物芯片的真正實用化。
[0027]2、本發明提供的制備圖形化多孔硅結構的方法，能夠靈活實現不同尺寸和不同厚度的多孔硅圖形，同時氧化硅/氮化硅掩膜是硅MEMS器件加工中常用的掩膜，該掩膜在制備多孔硅前可以用于體硅MEMS結構的加工中。在制備多孔硅后，掩膜還可以用于隔離或絕緣膜存在，省去了再次去除掩膜的工序。
[0028]3、本發明提供的制備圖形化多孔硅結構的方法，與硅MEMS器件工藝完全兼容，易于解決多孔硅制備與硅MEMS加工工藝中存在的工藝整合問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實施例和附圖，對本發明進一步詳細說明，其中:
[0030]圖1是本發明提供的制備圖形化多孔硅結構的方法流程圖；
[0031]圖2至圖6是依照本發明實施例的制備圖形化多孔硅結構的工藝流程圖；
[0032]圖7是依照本發明實施例的采用干法刻蝕去掉這三個圖形窗口區域中的氮化硅和氧化硅層露出氧化硅層下的硅片的示意圖；
[0033]圖8是依照本發明實施例的在硅片正面有兩個小Si腔結構在硅片背面有一個大Si腔結構的示意圖；
[0034]圖9是依照本發明實施例的采用水熱腐蝕方法在硅片兩面的Si腔結構內形成多孔娃層的不意圖。
【具體實施方式】
[0035]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0036]如圖1所示，圖1本發明提供的制備圖形化多孔硅結構的方法流程圖，該方法包括:
[0037]步驟1:在硅片上依次淀積氧化硅和氮化硅，形成雙層掩膜結構；
[0038]步驟2:在硅片上雙層掩膜結構的表面定義氮化硅/氧化硅掩膜圖形窗口區域，然后采用干法刻蝕依次去掉該圖形窗口區域中的氮化硅和氧化硅層，露出硅片的表面；
[0039]步驟3:對露出的硅片表面進行濕法腐蝕，形成硅腔結構；
[0040]步驟4:采用水熱腐蝕方法在硅腔結構內形成多孔硅層，完成圖形化多孔硅結構的制備。
[0041]其中，步驟I中所述硅片采用單晶硅層1，該單晶硅層I的導電類型、電阻率和晶向的選取依據器件結構中制備的多孔硅層的參數。
[0042]步驟I中的雙層掩膜結構中的氧化硅是采用熱氧化方法、等離子體化學氣相沉積方法、濺射方法或低壓化學氣相沉積方法，在硅片的一面或雙面形成的，其厚度根據復合掩膜的應力調配或作為隔離層/絕緣層而定。
[0043]步驟I中的雙層掩膜結構中的氮化硅是采用低壓化學氣相沉積方法、等離子體化學氣相沉積方法或濺射方法在氧化硅上形成的，其厚度和N、Si比例根據多孔硅層的腐蝕而定，雙層掩膜結構中的氮化硅是單層氮化硅，或者是富氮、富硅的氮化硅層的組合。
[0044]步驟2中所述的在硅片上雙層掩膜結構的表面定義氮化硅/氧化硅掩膜圖形窗口區域是采用光刻技術實現的。
[0045]步驟4中的多孔硅層是采用水熱腐蝕方法制備的，水熱腐蝕時通過由光刻和刻蝕技術定義的氮化硅/氧化硅掩膜圖形來形成。根據實際需要，多孔硅層6的厚度可以實現0?100 Ii m,圖形尺寸可以在nm到_量級。
[0046]本發明提供的制備圖形化多孔硅結構的方法，多孔硅膜的厚度可以根據需要包括幾個微米量級的薄膜或者幾十到上百微米的厚膜，同時多孔硅膜的圖形尺寸可以靈活設計。這種圖形化技術采用的掩膜是氮化硅和氧化硅的復合膜，該復合膜結構可以根據實際需求為一種周期或多個周期復合膜，或者是在氧化硅上生長不同S1、N比例的多層SiNx膜。掩膜結構選取的原則一是基于能夠實現多孔硅的圖形，即掩膜能夠抗住制備多孔硅的腐蝕液；二是盡可能的降低掩膜的應力對基片的影響；三是為了硅MEMS器件加工的需要，掩膜能夠抗住KOH等硅腐蝕液的影響。
[0047]在本發明中，采取氮化硅/氧化硅的復合膜作為掩膜，通過控制淀積時S1、N的比例可以使氮化硅基本不受制備多孔硅的腐蝕液的影響或僅僅是極低的腐蝕速率。加入氧化硅層及在氧化硅上淀積富硅、富氮的雙層氮化硅結構可以解決氮化硅機械應力大對器件結構造成的影響。采用本發明提供的掩膜體系不僅可以有效實現圖形化多孔硅層，也很容易實現厚膜甚至自支撐多孔硅膜的圖形結構。該掩膜體系同時作為硅MEMS器件中的硅加工工藝掩膜、絕緣層或隔離層等，省去了去掩膜的復雜工藝，與硅MEMS器件的加工工藝兼容。
[0048]實施例1
[0049]圖2至圖6是依照本發明實施例的制備圖形化多孔硅結構的工藝流程圖，具體如下:
[0050](1)如圖2所示，選取雙面拋光的硅片I進行高溫氧化，在硅片上下表面均形成氧化娃層2。
[0051](2)如圖3所示，采用LPCVD方法在上述帶有氧化硅層2的硅片上下表面均淀積氮化硅層3，在硅片上下表面均形成雙層掩膜結構。在淀積氮化硅層時，合理調節反應時Si源和N源的比例，SiH2Cl2、NH3氣源比例為1: 3，生長溫度850°C。
[0052](3)如圖4所不,米用光刻技術在娃片上下表面中任一表面的雙層掩膜結構的表面定義氮化硅/氧化硅掩膜圖形窗口區域，然后采用干法刻蝕依次去掉該圖形窗口區域中的氮化娃層和氧化娃層，露出娃片的表面。在本實施例中是對娃片下表面的雙層掩膜結構進行刻蝕。
[0053](4)如圖5所示，采用氫氧化鉀(KOH)或四甲基氫氧化銨(TMAH)腐蝕液對露出的硅片表面進行濕法腐蝕，形成Si腔結構。硅腔結構可以根據實際器件需要不進行腐蝕或腐蝕到所需厚度。
[0054](5)如圖6所示，采用水熱腐蝕方法在Si腔結構內形成多孔硅層，完成圖形化多孔硅結構的制備；通過調節腐蝕液比例、腐蝕溫度及腐蝕時間來控制多孔硅層的厚度和孔隙率等結構參數。SiNx /氧化硅的窗口圖形定義了多孔硅層的圖形。
[0055]實施例2
[0056]以下為依照本發明另一個實施例的制備圖形化多孔硅結構的工藝，具體包括如下步驟:
[0057](I)選取雙面拋光的硅片I進行高溫氧化，在硅片上下表面均形成氧化硅層2。
[0058](2)采用LPCVD方法在上述帶有氧化硅層2的硅片上下表面均淀積氮化硅層3，在硅片上下表面均形成雙層掩膜結構。在本步驟中，調節反應時Si源和N源的比例，SiH2Cl2,NH3氣源比例為3: I或5: I，生長溫度800°C，得到富Si比例的SiNx膜。生長結束后，將爐子進行抽氣處理，爐溫設定850°C并穩定，調節反應時Si源和N源的比例，SiH2Cl2^NH3氣源比例為1: 3，得到富N比例的SiNx膜。[0059]采用這種結構的掩膜體系，再通過光刻、刻蝕開出掩膜窗口及實現多孔硅圖形化的工藝過程同實施例1中的(3)-(5)。與之不同的是，這種掩膜結構可以通過調整富硅、富氮結構層參數降低掩膜體系的應力，適用于需要低應力膜系的MEMS結構；同時，富硅的SiNx層的存在可以實現更厚的多孔硅膜。
[0060]實施例3
[0061]以下為依照本發明再一個實施例的制備圖形化多孔硅結構的工藝，具體包括如下步驟:
[0062](I)選取雙面拋光的硅片I進行高溫氧化，在硅片上下表面均形成氧化硅層2。
[0063](2)采用LPCVD方法在上述帶有氧化硅層2的硅片上下表面均淀積氮化硅層3，在硅片上下表面均形成雙層掩膜結構。調節反應時Si源和N源的比例，SiH2Cl2、NH3氣源比例為1: 3，生長溫度850°C。
[0064](3)采用光刻技術在硅片正反兩面雙層掩膜結構的表面定義氮化硅/氧化硅掩膜圖形窗口區域，其中在硅片正面有兩個小圖形窗口區域，在硅片背面有一個大圖形窗口區域；然后采用干法刻蝕去掉這三個圖形窗口區域中的氮化硅和氧化硅層，露出氧化硅層下的硅片，如圖7所示。
[0065](4)采用KOH或TMAH腐蝕液對露出的硅片正反兩面進行濕法腐蝕，在硅片的正反兩面均形成Si腔結構，其中在硅片正面有兩個小Si腔結構，在硅片背面有一個大Si腔結構；如圖8所示。
[0066](5)采用水熱腐蝕方法在硅片兩面的Si腔結構內形成多孔硅層，完成圖形化多孔硅結構的制備，如圖9所示；通過調節腐蝕液比例、腐蝕溫度及腐蝕時間來控制多孔硅層的厚度和孔隙率等結構參數，基片正反面的多孔硅圖形是由掩膜結構來定義。
[0067]其中的掩膜結構也可以采用實施例2中的氧化硅/雙層氮化硅的掩膜。雙面圖形化的多孔硅膜其結構參數由掩膜定義，可以同時實現不同結構的多孔硅層。根據實際器件需要，采用這種掩膜體系，也很容易實現自支撐的厚膜多孔硅結構層。
[0068]在實際應用中，也可以選擇單面拋光的硅片，在硅片拋光的這一面形成雙層掩膜結構，并以該雙層掩膜結構為掩模，形成Si腔結構，最終在該Si腔結構中形成多孔硅層。這與本發明上述實施例采用的技術思路是一致的，這里就不再贅述。
[0069]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種制備圖形化多孔硅結構的方法，其特征在于，包括: 步驟1:在硅片上依次淀積氧化硅和氮化硅，形成雙層掩膜結構； 步驟2:在硅片上雙層掩膜結構的表面定義氮化硅/氧化硅掩膜圖形窗口區域，然后采用干法刻蝕依次去掉該圖形窗口區域中的氮化硅和氧化硅層，露出硅片的表面； 步驟3:對露出的硅片表面進行濕法腐蝕，形成硅腔結構； 步驟4:采用水熱腐蝕方法在硅腔結構內形成多孔硅層，完成圖形化多孔硅結構的制備。
2.根據權利要求1所述的制備圖形化多孔硅結構的方法，其特征在于，步驟I中所述硅片采用單晶硅層。
3.根據權利要求1所述的制備圖形化多孔硅結構的方法，其特征在于，步驟I中所述雙層掩膜結構中的氧化硅是采用熱氧化方法、等離子體化學氣相沉積方法、濺射方法或低壓化學氣相沉積方法，在硅片的一面或雙面形成的。
4.根據權利要求1所述的制備圖形化多孔硅結構的方法，其特征在于，步驟I中所述雙層掩膜結構中的氮化硅是采用低壓化學氣相沉積方法、等離子體化學氣相沉積方法或濺射方法在氧化硅上形成的。
5.根據權利要求1所述的制備圖形化多孔硅結構的方法，其特征在于，步驟I中所述雙層掩膜結構中的氮化硅是單層氮化硅，或者是富氮、富硅的氮化硅層的組合。
6.根據權利要求1所述的制備圖形化多孔硅結構的方法，其特征在于，步驟2中所述在硅片上雙層掩膜結構的表面定義氮化硅/氧化硅掩膜圖形窗口區域是采用光刻技術實現的。
7.根據權利要求1所述的制備圖形化多孔硅結構的方法，其特征在于，步驟4中所述多孔硅層是采用水熱腐蝕方法制備的，水熱腐蝕時通過由光刻和刻蝕技術定義的氮化硅/氧化硅掩膜圖形來形成。
8.根據權利要求1所述的制備圖形化多孔硅結構的方法，其特征在于，步驟4中所述多孔娃層的厚度為O?100 ii m,圖形尺寸在nm到mm量級。
【文檔編號】B81C1/00GK103641063SQ201310706907
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】趙永梅, 楊香, 季安, 張明亮, 韓國威, 寧瑾, 王曉東, 楊富華 申請人:中國科學院半導體研究所