專利名稱：一種硅片表面圖形刻蝕方法及其硅片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種自組裝的硅片表面圖形刻蝕方法及其硅片。
技術背景半導體是制造電腦的重要元件，更先進的半導體制造工藝，可以生產出體積更小、 速度更快的芯片。因此半導體技術的發展，特別是半導體制造工藝的發展，對CPU和 芯片的性能起相當重要的作用。從1995年以來，芯片制造工藝的發展十分迅速，先 后從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制備納米 尺度的硅線條，雖然能夠成功制備而得卯納米的硅線條，但是由于已經達到了該工 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。而且由于采用的是該技 術代最為苛刻的條件，制備過程要求極高，耗費大量的成本和設備。此外，傳統的硅工藝主要是傳統的硅表面圖形刻蝕技術。以制備納米尺度的硅線 條為例，首先需要制備與所期望形成圖形相同尺度的光刻版，然后通過光刻、刻蝕工 藝在硅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，且制備 效率較低。因此，如果利用微米級的低成本工藝制備納米級的材料，同時在制備納米尺度圖 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硅片表面圖形刻蝕方法。 本發明所提供的硅片表面圖形刻蝕方法，包括如下步驟1) 在硅片表面沉積氮化硅層，然后，刻蝕氮化硅層，在硅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硅片固定于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 氟酸和二甲基甲酰胺的混和液；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，所選的腐蝕液與硅片的電阻率有關，當硅片電 阻率小于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;當硅片電阻率大于5 Q cm時，腐蝕液為氫氟酸和 二甲基甲酰胺的混和液，其中氫氟酸與二甲基甲酰胺的體積比為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。采用本發明方法所得到的硅片也屬于本發明的保護范圍。本發明自組裝的硅片表面圖形刻蝕方法能夠非常簡便而且有效地在硅表面刻蝕 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范圍內，制備過程不需要 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，非常適用于基于CMOS工藝的硅基圖形的加工技術(如MEMS)。
圖la和圖lb分別為實施例1中硅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中自組裝形成的硅島結構的俯視圖、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得到的硅表面自組裝硅島結構的掃描電鏡(SEM)照片。 圖4a和圖4b分別為實施例2中硅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中自組裝形成的孤墻結構的俯視圖、側剖面圖。圖5a為實施例2得到的硅表面自組裝孤墻結構的掃描電鏡(SEM)照片，圖5b為孤墻結構的局部放大照片。
具體實施方式
本發明自組裝的硅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，在硅片(包括硅襯底層11和Si02層12)表面沉積 氮化硅層13，然后，利用光刻技術刻蝕氮化硅層形成光刻槽，再利用離子刻蝕(RIE) 方法對硅片進行刻蝕，使硅片表面形成刻蝕區域2;刻蝕區域2的尺度在0. 5_4微米。這里，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)將帶有刻蝕區域的硅片固定于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 基甲酰胺的混和液；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 有刻蝕區域的硅片，102為硅片上刻蝕區域所在的一側，103為支架，104為鉑Pt電 極，105為精密恒流源，106為腐蝕液入口， 107為腐蝕液。將帶有刻蝕區域的硅片固 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的硅島結構4。該硅島結構4的尺 寸在100納米一l. 2微米范圍內，并且與硅襯底通過自動形成的側墻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的孤墻42。該孤墻42的尺寸在100納米一L2 微米范圍內，與硅襯底的兩側槽相連接。本發明方法適用于各種類型的硅片，具體來說，對于不同類型(p型或者n型) 的硅片，甚至對于不同摻雜類型的硅片，本發明方法都能夠使用。在不同摻雜類型的 硅片上生長多孔硅的難易程度不一樣，具體來說，按生長多孔硅從易到難的順序為 高摻雜的n型硅片>高摻雜的p型硅片>低摻雜的p型硅片>低摻雜的n型硅片。目前， 工業界普遍常用的是不同電阻率的p型硅片。在進行腐蝕時，腐蝕液的選擇根據硅片的電阻率來確定硅片的電阻率小于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。硅片的電阻率大于5 Q cm時，所述腐蝕液為氫氟酸和二甲基甲酰胺的混合溶液，氫氟酸與二甲基甲酰胺的體積比為1: 10—10: 1;優選為l: 4。通過預先形成的刻蝕區域，能夠在硅表面選擇性地形成待腐蝕的區域。由于多孔 硅形成的過程是電化學腐蝕的過程，腐蝕的過程需要腐蝕液、硅內空穴以及腐蝕電流 三者同時參與才能進行。通過在硅面形成特性厚度的耗盡層可以阻止空穴在硅面積 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硅島、孤墻等特定結構。當待腐蝕的區域尺度在0.5—4微米范圍內，在硅面形成的耗盡層的尺度一般在 100納米一1.2微米范圍內，因此，所形成的硅島和孤墻的尺度也相應地控制在了 100 納米一1.2微米范圍內。下面結合實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不限于以下實施例。 實施例l、自組裝的硅表面硅島結構刻蝕方法 本發明提供的自組裝的硅表面硅島結構刻蝕技術，包括如下步驟1) 利用傳統大尺度的CMOS工藝技術在硅片表面形成大尺度的孔狀結構，其具 體步驟為首先將氮化硅(SiN)淀積在硅片表面(硅片為p型硅片，電阻率為10Q tm)， 然后利用光刻技術，在硅表面形成大尺度孔狀結構的光刻槽，然后利用離子刻蝕(RIE) 的方法對硅片進行刻蝕，刻蝕掉硅片上面的氮化硅層和Si02層，使硅片表面形成如圖 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硅片固定于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酰胺的混合溶 液，氫氟酸和二甲基甲酰胺的體積比為1: 4。3) 接通電極，加上電流密度為30 mA/cn^的恒定電流，進行陽極氧化反應，反 應時間為15分鐘，即可在硅片上未受氮化硅保護的孔狀結構處自組裝地形成硅島結 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， 硅島結構的尺寸為0.8微米，其與硅襯底相連接的側墻尺寸為0.4微米。采用與上同樣的操作，其中，孔狀結構的尺寸為2微米，所用的腐蝕液為氫氟酸 和二甲基甲酰胺的混合溶液，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的硅島結構，其中，硅島結構的尺寸為1.1微米，其 與硅襯底相連接的側墻尺寸為0.6微米。該硅島結構對于進一步進行硅表面器件或者結構的研究有著重要的意義，納米量 級的硅島結構能夠應用在量子點或者量子阱中，并通過其自動形成的側墻與硅襯底相 連，對于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、自組裝的硅表面孤墻結構刻蝕方法 本發明提供的自組裝的硅表面孤墻結構刻蝕技術，包括如下步驟 (1)利用傳統大尺度的CMOS工藝技術在硅片表面形成大尺度的槽狀結構，其 具體步驟為首先將氮化硅(SiN)淀積在硅片表面(硅片為p型硅片，電阻率為3 Q *cm)，然后利用光刻技術，在硅表面形成大尺度槽狀結構的光刻槽，然后利用離 子刻蝕(RIE)的方法對硅片進行刻蝕，刻蝕掉硅片上面的氮化硅層和Si02層，使硅 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硅片固定于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^的恒定電流，進行陽極氧化反應，反 應時間為20分鐘，即可在硅片上未受氮化硅保護的槽狀結構處自組裝地形成孤墻結 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，孤墻的 局部放大圖如圖5b。其中，孤墻尺寸為0.15微米，相鄰孤墻之間的距離為l微米。該裝孤墻結構對于進一步進行硅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墻非常適用于Finfet (鰭狀結構場效應晶體管)的 柵結構中，將極大的簡化制備Finfet器件的工藝流程和復雜度，并能極大地減少制備 成本，對于Finfet器件的商用化起到了巨大的推動作用。
權利要求
1、一種硅片表面圖形刻蝕方法，包括如下步驟1)在硅片表面沉積氮化硅層，然后，刻蝕氮化硅層，在硅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硅片固定于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酰胺的混和液；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所述的硅片表面圖形刻蝕方法，其特征在于所述刻蝕區域 的尺度為2微米。
3、 根據權利要求1所述的硅片表面圖形刻蝕方法，其特征在于所述刻蝕區域 為直徑為0. 5 — 4微米的孔狀結構。
4、 根據權利要求1所述的硅片表面圖形刻蝕方法，其特征在于所述刻蝕區域 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任一所述的硅片表面圖形刻蝕方法，其特征在于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酰胺的混和液中，氫氟酸與二甲基甲酰胺的體積比為1: IO—IO: 1，優選為1: 4。
6、 根據權利要求1一4任一所述的硅片表面圖形刻蝕方法，其特征在于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任一所述的硅片表面圖形刻蝕方法，其特征在于通電進 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所述的硅片表面圖形刻蝕方法，其特征在于通電進行陽極 氧化反應的電流密度為30mA/cm2。
9、 根據權利要求5所述的硅片表面圖形刻蝕方法，其特征在于通電進行陽極 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所述硅片表面圖形刻蝕方法得到的硅片。
全文摘要
本發明公開了一種硅片表面圖形刻蝕方法，包括如下步驟1)在硅片表面沉積氮化硅層，然后，刻蝕氮化硅層，在硅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硅片固定于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酰胺的混和液；通電進行陽極氧化反應的電流密度為5-100mA/cm<sup>2</sup>。本發明自組裝的硅片表面圖形刻蝕方法能夠非常簡便而且有效地在硅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范圍內，制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