專利名稱：高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于半導(dǎo)體微電子技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及作為微器件的基底的硅基 片的刻蝕槽結(jié)構(gòu)，具體就是一種高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是近年來發(fā)展起來的高新技術(shù)，它采用先進(jìn)的半導(dǎo)體 工藝技術(shù)，把微機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路集成在一起，具有信息采集、.處理與執(zhí)行的功能， 而且有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。目前，隨著集成工藝和微(納)系統(tǒng)技術(shù) 的發(fā)展，高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)(high aspect ratio mi-crostructures， HARMS)成為 制作先進(jìn)微器件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。該結(jié)構(gòu)能顯著改善微器件的驅(qū)動力、使用頻率 范圍、靈敏度和位移量等技術(shù)指標(biāo)而廣泛應(yīng)用于微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)、信息存 儲、光通訊、大功率器件和極紫外及軟X射線光刻等諸多領(lǐng)域。干法刻蝕以其良 好的各向異性，高刻蝕速率,精確的深度和線寬控制以及與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的兼容性 等一系列優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于Si和常用的半導(dǎo)體、光電材料的深寬比結(jié)構(gòu)的制作中。
目前，德國Bosch公司開發(fā)的交替符合深刻蝕技術(shù)應(yīng)用廣泛，工藝也較成熟。 該技術(shù)的主要特點(diǎn)是在普通反應(yīng)離子刻蝕工藝中加入交替的淀積過程，以實現(xiàn)保 護(hù)側(cè)壁不被過度刻蝕的目的，達(dá)到較大范圍的垂直側(cè)壁。主要采用碳氟氣體作為 鈍化劑，SF"乍為刻蝕劑。在鈍化過程中，反應(yīng)室里通入碳氟氣體氣體，在等離 子體的作用下完成等離子聚合過程。該過程具有高度的各向同性，因此會在硅片 的表面和深槽內(nèi)都均勻地覆蓋一層聚合物保護(hù)膜。隨后的刻蝕過程中，反應(yīng)室內(nèi) 充入活性氣體SF6，并被分解為SF+s和F—,開啟偏壓，增加垂直方向的離子能量， 使平行于基片表面的聚合物區(qū)域被優(yōu)先去除。隨著這種高的定向性，在深槽底部 的硅表面優(yōu)先暴露出來，與F—反應(yīng)生成SiF4，從而被刻蝕。在硅深槽側(cè)壁上的聚 合物由于刻蝕速度較慢就起到了保護(hù)的作用，避免了側(cè)壁上的硅表面被刻蝕。通 過聚合和刻蝕過程的不斷交替循環(huán)就實現(xiàn)了高深寬比的硅深刻蝕。首先，這種工 藝一般都是基于ICP刻蝕系統(tǒng)對硅進(jìn)行深層加工。如英國STS公司生產(chǎn)的多路 ICP刻蝕系統(tǒng)(Multples-ICP)。這是一款自動化程度較高的刻蝕設(shè)備，其外部
3輔助設(shè)施和主控系統(tǒng)主要由帶機(jī)械手的裝片室、電路控制及計算機(jī)系統(tǒng)組成，整 個工藝過程完全由計算機(jī)程序控制，有利于高深寬比微結(jié)構(gòu)的加工。這種刻蝕設(shè) 備的自動化要求高，要能夠自動切換刻蝕氣體并控制刻蝕時間，所以大多數(shù)從國 外進(jìn)口，價格昂貴。其次，作為鈍化劑的碳氟氣不僅價格昂貴，并且在刻蝕過程 中產(chǎn)生的碳氟化合物也對人體有害。
此外，在硅深刻蝕中目前通常使用的掩蔽層材料為光刻膠、Si02、Al和Si3N4。 在深刻蝕過程中，掩蔽層材料要求選擇比高且能嚴(yán)格控制刻蝕輪廓。使用SFe作 為硅的刻蝕氣體時，Si02和Si:'N4的選擇比只有15:1,由于對硅的刻蝕深度大， 當(dāng)Si02和ShN,的厚度過大時易造成薄膜脫落；使用光刻膠雖可保證刻蝕輪廓和 刻蝕后的表面粗糙度，但其對Si的選擇性很差；使用A1作為掩蔽層，選擇性良 好，但刻蝕后硅表面總存在一些金屬殘渣，易造成污染。
本實用新型項目組近期通過互聯(lián)網(wǎng)以及圖書館現(xiàn)有的資料就本實用新型的 主題對國內(nèi)外專利文獻(xiàn)和公開發(fā)表的期刊論文檢索，尚未發(fā)現(xiàn)與本實用新型密切 相關(guān)的和一樣的報道或文獻(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中硅基刻蝕槽的側(cè)壁垂直度低，掩蔽層材 料刻蝕選擇比低且容易脫落的缺點(diǎn)，提供一種可重復(fù)性好，成本低，掩蔽層保護(hù) 性良好且刻蝕后易于去除，對硅進(jìn)行各向異性刻蝕且刻蝕速率快并能精確控制深 度和線寬的適于大量應(yīng)用的高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)。
下面對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明
本實用新型是一種高深寬比的硅深槽結(jié)構(gòu)，包括硅基底.，在硅基底上有刻
蝕的深槽，其特征在于在硅基底上沉積MgO薄膜作為刻蝕掩蔽層，在硅基底.
上刻蝕的槽具有高深寬比，槽深達(dá)420nm，深寬比為4: 1。
本實用新型通過刻蝕工藝實驗和研究得出，MgO既有大的刻蝕選擇比又能 很好的控制刻蝕輪廓，并容易去除，可以作為理想的掩蔽層材料。
本實用新型用刻蝕選擇比高的MgO薄膜作為掩蔽層材料，它能很好的控制 刻蝕輪廓，并容易去除，解決了掩蔽層在長時間刻蝕中刻蝕掉而失去對硅的保護(hù) 或掩蔽層過厚導(dǎo)致脫落的缺陷，從而提高了硅深槽結(jié)構(gòu)的邊緣清晰度。解決了高 深寬比的硅深槽的高質(zhì)量問題，提供了能在實際生產(chǎn)、測試以及科研中應(yīng)用的高
4深寬比的硅深槽結(jié)構(gòu)，滿足了微器件加工的客觀需要。
本實用新型的實現(xiàn)還在于刻蝕前的掩蔽層即沉積的MgO薄膜厚度為1.5 ixm，深槽刻蝕完畢后，硅基底上掩蔽層即刻蝕后的MgO薄膜厚度為100nm— 250nm。
硅基深槽的掩蔽層，與深槽的質(zhì)量有關(guān)，同時也會影響深槽深寬比，厚度過 大時易造成薄膜脫落。本實用新型根據(jù)高質(zhì)量的硅深槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化出了刻蝕前沉積 的MgO薄膜厚度為1.5ixm，經(jīng)深槽刻蝕完畢后，硅基底上掩蔽層也就是刻蝕后 的MgO薄膜厚度為100nm—250nm。既滿足了加工的需要，又能保證掩蔽層的 保護(hù)性能良好，從而提高了硅基深槽結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量和硅深槽的高深寬比。
本實用新型的實現(xiàn)還在于硅深槽結(jié)構(gòu)上部寬95—110iim，下部寬75—85 ym，槽深為400—420 u m,側(cè)壁垂直度達(dá)到88° —89° 。通常硅基高深寬比槽 結(jié)構(gòu)的加工采用國外的自動化設(shè)備，而國產(chǎn)設(shè)備具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但目前采用 國產(chǎn)手動設(shè)備還不能實現(xiàn)該硅基高深寬比槽結(jié)構(gòu)。本實用新型采用采用國產(chǎn)設(shè)備 實現(xiàn)了高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)。
本實用新型的實現(xiàn)還在于根據(jù)微器件的設(shè)計需要硅深槽能夠加工為通孔。
微機(jī)電系統(tǒng)中的硅基深槽是根據(jù)微器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的，所設(shè)計結(jié)構(gòu)有時可能
是深槽，有時可能是通 L，本實用新型可以根據(jù)微器件的設(shè)計需要將硅深槽加工
為通孔。這在微器件加工中尤其重要。
由于本實用新型在科研實踐中不斷試驗、探索，反復(fù)多次的實踐以及對于結(jié)
構(gòu)的修改和調(diào)整，設(shè)計、優(yōu)選而得到了可重復(fù)性好，成本低，無污染，在實際工
業(yè)生產(chǎn)中有廣泛前景的高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)，該高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)選
擇的掩蔽層對硅的刻蝕選擇比高，刻蝕后的槽邊緣清晰，掩蔽層易于去除。有效
地解決了掩蔽層在長時間刻蝕中刻蝕掉而失去對硅的保護(hù)或掩蔽層過厚導(dǎo)致脫
落的缺陷的技術(shù)問題。提供了一種精確深度和線寬控制、良好的各向異性快速深
刻蝕適于大量應(yīng)用的高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)。


圖1是本實用新型在刻蝕前的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型的成品結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本實用新型刻蝕硅槽掃描電鏡圖；圖4是本實用新型刻蝕通孔掃描電鏡圖；也是實施例1的掃描電鏡圖。
具體實施方式
-
以下結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明
實施例l:如圖l所示，微器件加工多釆用硅材料作為基底，需要對硅基 底2即基片機(jī)械清洗等一系列處理后，要在硅基底2即硅基片上作刻蝕掩蔽 層1。本實用新型是一種高深寬比的硅深槽結(jié)構(gòu)，包括硅基底，在硅基底上有
刻蝕的槽，本實用新型采用MgO薄膜為掩蔽層1的材料，對硅的刻蝕選擇比 高，對硅的選擇比可以高達(dá)3000:1。深槽刻蝕前MgO薄膜的厚度為1.5um， 刻蝕完畢后，Si基片上剩下200nm左右厚度的MgO薄膜，參見圖2。使得掩 蔽層1在長時間刻蝕中不會因被刻蝕掉而失去對硅的保護(hù)，同時MgO薄膜在 HC1、 NH4C1、 H202的混合溶液中可以既方便又快速的去除。
本實用新型采用國產(chǎn)手動設(shè)備進(jìn)行深刻蝕，具體是采用中科院微電子研究中 心ICP-98A高密度等離子體刻蝕機(jī)，使用SF6和02交替復(fù)合深刻蝕技術(shù)對硅深 刻蝕進(jìn)行工藝研究，具體刻蝕工藝如下
1刻蝕。氣體SF6;射頻功率500W;氣體流量50sccm;刻蝕時間8s， 刻蝕偏壓400V;
2鈍化。氣體02;射頻功率550W;氣體流量35sccm;鈍化時間7s。 采用國產(chǎn)手動設(shè)備進(jìn)行深槽刻蝕，節(jié)約設(shè)備經(jīng)費(fèi)，降低成本。且不會造成 環(huán)境污染。
刻蝕后，形成深槽3。見圖3。繼續(xù)刻蝕，硅基底2即硅基片被刻穿。見
圖2?？涛g后的槽3深420um，上部寬為98um，底部寬75um，側(cè)壁垂直度 為88.4° 。
所加工的微器件的硅基底1上刻蝕的槽3具有高深寬比，槽深達(dá)40(^m以 上，深寬比為4:1，經(jīng)多次實驗，產(chǎn)品的重復(fù)性好。參見圖4。
實施例2:硅基深槽的結(jié)構(gòu)和加工同實施例1。其中在硅基底2即硅基片
上沉積掩蔽層l，掩蔽層l采用MgO薄膜，刻蝕前MgO薄膜厚度1.5um。在 刻蝕之前必須在硅表面進(jìn)行掩蔽層圖形化。掩蔽層1是刻蝕過程中保護(hù)硅圖形的 膜層，對刻蝕結(jié)構(gòu)的深寬比和刻蝕后所得圖形的精確性有著至關(guān)重要的影響。選擇高質(zhì)量的掩蔽層1能夠嚴(yán)格控制所刻蝕的輪廓；對硅有很好的選擇性，即只對 硅刻蝕，對掩蔽材料不產(chǎn)生明顯的刻蝕；掩蔽材料易于去除，并和CMOS工藝兼 容。在本實用新型中，通過刻蝕工藝研究，MgO在SFe中的刻蝕速率為0.3 3.5nm/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Si02等的刻蝕速率，刻蝕選擇比至少為1500: 1，選擇性 良好，同時MgO薄膜在HCl、 NH4C1、 H202的混合溶液中可以既方便又快速的 去除，是理想的掩蔽層材料?？涛g氣體SF6的射頻功率為500W，氣體流量為 50sccm,刻蝕時間為8s，刻蝕過程中所加偏壓為400V;鈍化氣體02的射頻功 率為550W，氣體流量為50sccm，鈍化時間為7s。刻蝕后的MgO薄膜厚度為 100nm。槽3的上部寬為100 um，底部寬85，槽深為420 um，側(cè)壁垂直度為 89° 。
實施例3:硅基深槽的結(jié)構(gòu)和加工同實施例1。其中在硅基底2即硅基片上 沉積掩蔽層l，掩蔽層l采用MgO薄膜，刻蝕前MgO薄膜厚度1.5ixm?？涛g 氣體SF6的射頻功率為550W，氣體流量為50sccm，刻蝕時間為8s，刻蝕過程中 所加偏壓為400V;鈍化氣體02的射頻功率為550W，氣體流量為50sccm，鈍化 時間為7s?？涛g后的MgO薄膜厚度為140nm。槽3的上部寬為110ym，底部 寬82ixm，槽深為410ixm，側(cè)壁垂直度為88° 。
實施例4:硅基深槽的結(jié)構(gòu)和加工同實施例1。其中在硅基底2即硅基片
上沉積掩蔽層1，掩蔽層1采用MgO薄膜，刻蝕前MgO薄膜厚度1.5 u m?？?蝕氣體SF6的射頻功率為500W，氣體流量為60sccm，刻蝕時間為8s，刻蝕過程 中所加偏壓為400V;鈍化氣體02的射頻功率為550W，氣體流量為50sccm，鈍 化時間為7s。刻蝕后的MgO薄膜厚度為230nm。槽3的上部寬為105 um，底 部寬81tim,槽深為400iim，側(cè)壁垂直度為88.2° 。
實施例5:硅基深槽的結(jié)構(gòu)和加工同實施例1。其中在硅基底2即硅基片 上沉積掩蔽層l，掩蔽層l采用MgO薄膜，刻蝕前MgO薄膜厚度1.5um?？?蝕氣體SF6的射頻功率為500W,氣體流量為50sccm，刻蝕時間為9s，刻蝕過程 中所加偏壓為400V;鈍化氣體02的射頻功率為550W，氣體流量為50sccm，鈍 化時間為7s。刻蝕后的MgO薄膜厚度為250nm。槽3的上部寬為102 um，底 部寬80um,槽深為400nm，側(cè)壁垂直度為88.4° 。
7實施例6:硅基深槽的結(jié)構(gòu)和加工同實施例1。其中在硅基底2即硅基片
上沉積掩蔽層l，掩蔽層l采用MgO薄膜，刻蝕前MgO薄膜厚度1.5um?？?蝕氣體SF6的射頻功率為600W，氣體流量為50sccm，刻蝕時間為9s，刻蝕過程 中所加偏壓為400V;鈍化氣體02的射頻功率為550W，氣體流量為50sccm，鈍 化時間為7s?？涛g后的MgO薄膜厚度為180nm。槽3的上部寬為108 um，底 部寬82wm，槽深為400um，側(cè)壁垂直度為88.2° 。
實施例7:硅基深槽的結(jié)構(gòu)和加工同實施例1。其中在硅基底2即硅基片1
上沉積掩蔽層l，掩蔽層l采用MgO薄膜，刻蝕前MgO薄膜厚度1.5Pm。刻 蝕氣體SF6的射頻功率為500W,氣體流量為60sccm，刻蝕時間為9s，刻蝕過程 中所加偏壓為400V;鈍化氣體02的射頻功率為550W，氣體流量為50sccm，鈍 化時間為7s。刻蝕后的MgO薄膜厚度為160nm。槽3的上部寬為96ix m，底部 寬79um，槽深為400ym，側(cè)壁垂直度為89° 。
實施例8:硅基深槽的結(jié)構(gòu)和加工同實施例1。其中在鞋基底2即硅基片1
上沉積掩蔽層l，掩蔽層l采用MgO薄膜，刻蝕前MgO薄膜厚度1.5um?？?蝕氣體SF6的射頻功率為500W，氣體流量為50sccm，刻蝕時間為9s，刻蝕過程 中所加偏壓為350V;鈍化氣體02的射頻功率為550W，氣體流量為50sccm，鈍 化時間為7s。刻蝕后的MgO薄膜厚度為175nm。槽3的上部寬為101 ym，底 部寬75um，槽深為415ixm，側(cè)壁垂直度為88.3° 。
實施例9:硅基深槽的結(jié)構(gòu)和加工同實施例1。其中在硅基底2即硅基片1
上沉積掩蔽層l，掩蔽層l采用MgO薄膜，刻蝕前MgO薄膜厚度1.5um。刻 蝕氣體SF6的射頻功率為500W,氣體流量為50sccm，刻蝕時間為9s，刻蝕過程 中所加偏壓為400V;鈍化氣體02的射頻功率為550W，氣體流量為50sccm，鈍 化時間為7s?？涛g后的MgO薄膜厚度為134nm。槽3的上部寬為110 um，底 部寬76um,槽深為406um，側(cè)壁垂直度為88° 。
實施例10: (1)掩蔽層圖形化工藝如下
1，清洗。在KQ-100DB型數(shù)控超聲清洗器中進(jìn)行，并且用去離子水沖凈和 氮?dú)獯蹈伞?br> 82，鍍膜。使用電子槍熱蒸發(fā)的方法在Si片上沉積800nm的MgO作為掩蔽 層l。
3，甩膠。采用AZ光刻膠和KW-4A型臺式勻膠機(jī)，以500r/min的轉(zhuǎn)速旋 涂30s， 3000r/min的轉(zhuǎn)速旋涂60s。
4，前烘。采用熱板，105r烘烤60s。
5,曝光、顯影采用一組分別為3、 5、 10、20^im線寬的掩模版，使用JKG-2A 型光刻機(jī)進(jìn)行接觸式曝光。曝光時間60s。配置顯影液，使顯影時間控制在一分 鐘左右。
6，觀測。使用顯微鏡觀察轉(zhuǎn)移至光刻膠上的圖形是否達(dá)到要求。 7，后烘。采用熱板，12(TC烘烤120s。
8,配置相應(yīng)的掩蔽層腐蝕溶液，去除未被光刻膠保護(hù)的掩蔽層，使圖形轉(zhuǎn) 移至掩蔽層1上。
9，去膠。將Si片放入丙酮溶液中浸泡，去除表面的光刻膠。
10，測厚。使用MP-100S膜厚測量儀，測量薄膜厚度。 (2)采用SF6和02對進(jìn)行交替復(fù)合深刻蝕?？涛g氣體SF6的射頻功率為500W， 氣體流量為50sccm，刻蝕時間為8s，刻蝕過程中所加偏壓為400V;鈍化氣體 02的射頻功率為550W，氣體流量為35sccm，鈍化時間為7s。
使用SF6和02對硅進(jìn)行交替復(fù)合深刻蝕的工藝研究是本實用新型的關(guān)鍵。 該過程可被描述成一個"刻蝕一聚合(可看作淀積)一刻蝕"的循環(huán)過程。首先發(fā) 生短促的刻蝕，在反應(yīng)室內(nèi)充入活性氣體SF6，被分解為SF、和F—， Si與F反應(yīng)
生成SiF4，石圭基底2也即硅襯底以接近各向同性的方式被刻蝕；接著轉(zhuǎn)換到淀
積過程，也就是通常所說的鈍化。通入02，在掩蔽層和被刻蝕物表面形成一層 Si02;接下來是步驟3，開啟偏壓，增加垂直方向的離子能量，使結(jié)構(gòu)底部的Si02 被離子轟擊去除，F(xiàn)—與暴露的硅襯底反應(yīng)。由于的入射離子的方向性，側(cè)壁鈍化 層不易被轟擊，從而保護(hù)了側(cè)壁，避免其繼續(xù)被刻蝕。然后繼續(xù)刻蝕，可以使刻 蝕深度不斷增加，而側(cè)壁保持陡直。圖3是通過掃描電鏡得到的SF6和02交替
刻蝕后的硅深槽結(jié)構(gòu)圖。圖4是將硅基底2也即硅片上的深槽3刻蝕成為通孔
后在掃描電鏡下所得到的照片。
權(quán)利要求1.一種高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)，包括硅基底，在硅基底上有刻蝕的槽，其特征在于在硅基底(2)上沉積MgO薄膜作為掩蔽層(1)，在硅基底(2)上刻蝕的槽(3)槽深達(dá)420μm，深寬比為4∶1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的掩蔽層(1)在刻蝕前沉積的MgO薄膜厚度為1.5um，槽(3) 刻蝕完畢后，硅基底(2)上掩蔽層(1)即刻蝕后的MgO薄膜厚度為 畫nm—250nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)，其特征在 于所述的硅深槽結(jié)構(gòu)的槽(3)上部寬95um—110um，下部寬75 um—85um，側(cè)壁垂直度達(dá)到88° —89° 。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)，其特征在于-根據(jù)微器件的設(shè)計需要硅深槽能夠加工為通孔。
專利摘要本實用新型提供了一種掩蔽層保護(hù)性能良好、精確深度和線寬控制、對硅有良好的各向異性及快速深刻蝕速率，能大量應(yīng)用的高深寬比的硅基深槽結(jié)構(gòu)。在硅基底上沉積MgO薄膜作為刻蝕掩蔽層，在硅基底上刻蝕的槽深達(dá)420μm，深寬比為4∶1，側(cè)壁垂直度達(dá)89°。本實用新型采用MgO薄膜為掩蔽層材料，對硅的刻蝕選擇比高，刻蝕前沉積的MgO薄膜厚度為1.5μm，深槽刻蝕完畢后，硅基底上掩蔽層即刻蝕后的MgO薄膜厚度為100nm-250nm。有效地解決了掩蔽層在長時間刻蝕中會失去對硅的保護(hù)或掩蔽層過厚導(dǎo)致脫落的技術(shù)問題?？涛g后深槽具有一定深寬比，側(cè)壁垂直，可重復(fù)性好，成本低，無污染等優(yōu)點(diǎn)，在微器件加工中有廣泛的實用前景。
文檔編號H01L23/00GK201408748SQ20082022226
公開日2010年2月17日 申請日期2008年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月4日
發(fā)明者歡 劉, 劉衛(wèi)國, 順 周, 秦文罡, 蔡長龍, 睿 馬, 高愛華 申請人:西安工業(yè)大學(xué)