专利名称：一种硅片表面图形刻蚀方法及其硅片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自组装的硅片表面图形刻蚀方法及其硅片。
技术背景半导体是制造电脑的重要元件，更先进的半导体制造工艺，可以生产出体积更小、 速度更快的芯片。因此半导体技术的发展，特别是半导体制造工艺的发展，对CPU和 芯片的性能起相当重要的作用。从1995年以来，芯片制造工艺的发展十分迅速，先 后从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米一直发展到目前的0.09微 米，而新一代的65纳米工艺也己初显端倪。不断先进的半导体工艺，不仅意味着不断减小的最小图形实现能力，而且也意味 着成本的不断提高。目前，以90纳米工艺为例来说，如果用该技术代工艺制备纳米 尺度的硅线条，虽然能够成功制备而得卯纳米的硅线条，但是由于已经达到了该工 艺的极限，会引入一系列的误差和无法遇见的工艺不确定性。而且由于采用的是该技 术代最为苛刻的条件，制备过程要求极高，耗费大量的成本和设备。此外，传统的硅工艺主要是传统的硅表面图形刻蚀技术。以制备纳米尺度的硅线 条为例，首先需要制备与所期望形成图形相同尺度的光刻版，然后通过光刻、刻蚀工 艺在硅表面形成所需要的图形。这样的做法不仅对光刻要求水平非常苛刻，而且需要 在工艺中满足对准精度、小尺寸刻蚀等一系列高要求的工艺，因此成本高昂，且制备 效率较低。因此，如果利用微米级的低成本工艺制备纳米级的材料，同时在制备纳米尺度图 形的时候能够在所期望成形的位置形成所期望的结构图形，即自组装技术，业已成为 集成电路工艺中关注的焦点问题。发明内容本发明的目的是提供一种硅片表面图形刻蚀方法。 本发明所提供的硅片表面图形刻蚀方法，包括如下步骤1) 在硅片表面沉积氮化硅层，然后，刻蚀氮化硅层，在硅片表面形成若干刻蚀区 域；每个所述刻蚀区域的尺度为0.5 — 4微米；2) 将所述带有刻蚀区域的硅片固定于加有腐蚀液的腐蚀槽中，通电进行阳极氧化
反应，在所述刻蚀区域处形成刻蚀图形；所述腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混和液或者氢 氟酸和二甲基甲酰胺的混和液；通电进行阳极氧化反应的电流密度为5-100mA/cm2。 优选的，刻蚀孔的尺度为2微米。在本发明的阳极氧化反应过程中，所选的腐蚀液与硅片的电阻率有关，当硅片电 阻率小于5Q ，cm时，腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混和液，其中氢氟酸与乙醇的体积比为1: 10—10: 1，优选为1: 1;当硅片电阻率大于5 Q cm时，腐蚀液为氢氟酸和 二甲基甲酰胺的混和液，其中氢氟酸与二甲基甲酰胺的体积比为1: 10 — 10: 1，优选为l: 4。优选的，通电进行阳极氧化反应的电流密度为30mA/cm2。通电进行阳极氧化 反应的时间为1一60分钟，优选为15分钟。采用本发明方法所得到的硅片也属于本发明的保护范围。本发明自组装的硅片表面图形刻蚀方法能够非常简便而且有效地在硅表面刻蚀 出所需要的图形，所得图形的尺寸在亚微米尺度至纳米尺度范围内，制备过程不需要 使用现有光刻技术刻蚀如此量级尺寸所必须的高精密设备，设备、条件要求简单，成 本低；而且图形的形成是自组装的，是在腐蚀槽中利用阳极氧化反应完成的，具有非 常好的确定性，成品率高；另外，本发明方法具有很好的兼容性，能够与现有CMOS 工艺兼容，非常适用于基于CMOS工艺的硅基图形的加工技术(如MEMS)。
图la和图lb分别为实施例1中硅片表面孔状结构的俯视图、侧剖面图；图lc 和图ld为实施例1中自组装形成的硅岛结构的俯视图、侧剖面图。 图2为所用腐蚀槽的结构示意图。图3a、 3b为实施例l得到的硅表面自组装硅岛结构的扫描电镜(SEM)照片。 图4a和图4b分别为实施例2中硅片表面槽状结构的俯视图、侧剖面图；图4c和图4d为实施例2中自组装形成的孤墙结构的俯视图、侧剖面图。图5a为实施例2得到的硅表面自组装孤墙结构的扫描电镜(SEM)照片，图5b为孤墙结构的局部放大照片。
具体实施方式
本发明自组装的硅片表面图形刻蚀方法，主要包括如下步骤 l)如图la—ld和图4a—4d，在硅片(包括硅衬底层11和Si02层12)表面沉积 氮化硅层13，然后，利用光刻技术刻蚀氮化硅层形成光刻槽，再利用离子刻蚀(RIE) 方法对硅片进行刻蚀，使硅片表面形成刻蚀区域2;刻蚀区域2的尺度在0. 5_4微米。这里，刻蚀区域2可以为多种形状，可为如图la、图lb所示的孔状结构，此时， 尺度表示为该孔状结构的直径，为0. 5 — 4微米；还可以为如图4a、图4b的槽状结构， 此时，尺度表示槽状结构的宽度，为0.5—4微米，其长度不限。2)将带有刻蚀区域的硅片固定于加有腐蚀液的腐蚀槽中，通电进行阳极氧化反 应，在刻蚀区域处形成刻蚀图形；腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混和液或者氢氟酸和二甲 基甲酰胺的混和液；通电进行阳极氧化反应的电流密度为5-100mA/cm2。进行阳极氧化时，所用的腐蚀槽结构如图2所示，图中100为腐蚀槽，101为带 有刻蚀区域的硅片，102为硅片上刻蚀区域所在的一侧，103为支架，104为铂Pt电 极，105为精密恒流源，106为腐蚀液入口， 107为腐蚀液。将带有刻蚀区域的硅片固 定在腐蚀槽时，其带有刻蚀区域的一侧要朝向阴极。当刻蚀区域2为图la、图lb所示的孔状结构时(直径为0.5—4微米)，经过阳 极氧化腐蚀，在刻蚀区域内会刻蚀出四个直径为0.8—1.2微米(常见为l微米)的 腐蚀孔31，从而在刻蚀区域内形成如图lc、图ld的硅岛结构4。该硅岛结构4的尺 寸在100纳米一l. 2微米范围内，并且与硅衬底通过自动形成的侧墙41相连接。当刻蚀区域2为图4a、图4b的槽状结构时(宽度为0.5 — 4微米，其长度不限)， 经过阳极氧化腐蚀，在刻蚀区域内会刻蚀出大小为0.8 — 1.2微米的腐蚀孔32，从而 在刻蚀区域内形成若干如图4c、图4d的孤墙42。该孤墙42的尺寸在100纳米一L2 微米范围内，与硅衬底的两侧槽相连接。本发明方法适用于各种类型的硅片，具体来说，对于不同类型(p型或者n型) 的硅片，甚至对于不同掺杂类型的硅片，本发明方法都能够使用。在不同掺杂类型的 硅片上生长多孔硅的难易程度不一样，具体来说，按生长多孔硅从易到难的顺序为 高掺杂的n型硅片>高掺杂的p型硅片>低掺杂的p型硅片>低掺杂的n型硅片。目前， 工业界普遍常用的是不同电阻率的p型硅片。在进行腐蚀时，腐蚀液的选择根据硅片的电阻率来确定硅片的电阻率小于5Q ，cm时，所述腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混合溶液，氢氟酸与乙醇的体积比为l: 10—10: 1;优选为l: 1。硅片的电阻率大于5 Q cm时，所述腐蚀液为氢氟酸和二甲基甲酰胺的混合溶液，氢氟酸与二甲基甲酰胺的体积比为1: 10—10: 1;优选为l: 4。通过预先形成的刻蚀区域，能够在硅表面选择性地形成待腐蚀的区域。由于多孔 硅形成的过程是电化学腐蚀的过程，腐蚀的过程需要腐蚀液、硅内空穴以及腐蚀电流 三者同时参与才能进行。通过在硅面形成特性厚度的耗尽层可以阻止空穴在硅面积 累，从而使得在耗尽层区域不发生腐蚀作用，这样就形成了上述的硅岛、孤墙等特定结构。当待腐蚀的区域尺度在0.5—4微米范围内，在硅面形成的耗尽层的尺度一般在 100纳米一1.2微米范围内，因此，所形成的硅岛和孤墙的尺度也相应地控制在了 100 纳米一1.2微米范围内。下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。 实施例l、自组装的硅表面硅岛结构刻蚀方法 本发明提供的自组装的硅表面硅岛结构刻蚀技术，包括如下步骤1) 利用传统大尺度的CMOS工艺技术在硅片表面形成大尺度的孔状结构，其具 体步骤为首先将氮化硅(SiN)淀积在硅片表面(硅片为p型硅片，电阻率为10Q tm)， 然后利用光刻技术，在硅表面形成大尺度孔状结构的光刻槽，然后利用离子刻蚀(RIE) 的方法对硅片进行刻蚀，刻蚀掉硅片上面的氮化硅层和Si02层，使硅片表面形成如图 la (俯视图)和图lb (侧剖面图)的孔状结构，该孔状结构的直径为l微米。2) 将上述带有孔状结构的硅片固定于加有腐蚀液的腐蚀槽中，带有刻蚀孔的一 侧要朝向阴极，构成阳极氧化的反应结构；腐蚀液为氢氟酸和二甲基甲酰胺的混合溶 液，氢氟酸和二甲基甲酰胺的体积比为1: 4。3) 接通电极，加上电流密度为30 mA/cn^的恒定电流，进行阳极氧化反应，反 应时间为15分钟，即可在硅片上未受氮化硅保护的孔状结构处自组装地形成硅岛结 构，如图lc (俯视图)和图ld (侧剖面图)所示，其电镜照片如图3a所示，其中， 硅岛结构的尺寸为0.8微米，其与硅衬底相连接的侧墙尺寸为0.4微米。采用与上同样的操作，其中，孔状结构的尺寸为2微米，所用的腐蚀液为氢氟酸 和二甲基甲酰胺的混合溶液，其体积比为l: 2;电流密度为15mA/cm2,氧化时间为 30分钟，得到电镜照片如图3b的硅岛结构，其中，硅岛结构的尺寸为1.1微米，其 与硅衬底相连接的侧墙尺寸为0.6微米。该硅岛结构对于进一步进行硅表面器件或者结构的研究有着重要的意义，纳米量 级的硅岛结构能够应用在量子点或者量子阱中，并通过其自动形成的侧墙与硅衬底相 连，对于量子纳米结构的进一步研究起到了重要的推动作用。实施例2、自组装的硅表面孤墙结构刻蚀方法 本发明提供的自组装的硅表面孤墙结构刻蚀技术，包括如下步骤 (1)利用传统大尺度的CMOS工艺技术在硅片表面形成大尺度的槽状结构，其 具体步骤为首先将氮化硅(SiN)淀积在硅片表面(硅片为p型硅片，电阻率为3 Q *cm)，然后利用光刻技术，在硅表面形成大尺度槽状结构的光刻槽，然后利用离 子刻蚀(RIE)的方法对硅片进行刻蚀，刻蚀掉硅片上面的氮化硅层和Si02层，使硅 表面形成如图4a (俯视图)和图4b (侧剖面图)的槽状结构，其宽度为l微米，长度 为IO微米。(2)将上述带有槽状结构的硅片固定于加有腐蚀液的腐蚀槽中，带有刻蚀孔的 一侧要朝向阴极，构成阳极氧化的反应结构；其中，腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混合溶 液，氢氟酸和乙醇的混合溶液的体积比为1: 1。3)接通电极，加上电流密度为20 mA/cn^的恒定电流，进行阳极氧化反应，反 应时间为20分钟，即可在硅片上未受氮化硅保护的槽状结构处自组装地形成孤墙结 构，如图4c (俯视图)和图4d (侧剖面图)所示，其电镜照片如图5a所示，孤墙的 局部放大图如图5b。其中，孤墙尺寸为0.15微米，相邻孤墙之间的距离为l微米。该装孤墙结构对于进一步进行硅表面器件或者结构的研究有着重要的意义，尤其 利用本技术所形成的纳米量级的孤墙非常适用于Finfet (鳍状结构场效应晶体管)的 栅结构中，将极大的简化制备Finfet器件的工艺流程和复杂度，并能极大地减少制备 成本，对于Finfet器件的商用化起到了巨大的推动作用。
权利要求
1、一种硅片表面图形刻蚀方法，包括如下步骤1)在硅片表面沉积氮化硅层，然后，刻蚀氮化硅层，在硅片表面形成若干刻蚀区域；每个所述刻蚀区域的尺度为0.5-4微米；2)将所述带有刻蚀区域的硅片固定于加有腐蚀液的腐蚀槽中，通电进行阳极氧化反应，在所述刻蚀区域处形成刻蚀图形；所述腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混和液或者氢氟酸和二甲基甲酰胺的混和液；通电进行阳极氧化反应的电流密度为5-100mA/cm2。
2、 根据权利要求1所述的硅片表面图形刻蚀方法，其特征在于所述刻蚀区域 的尺度为2微米。
3、 根据权利要求1所述的硅片表面图形刻蚀方法，其特征在于所述刻蚀区域 为直径为0. 5 — 4微米的孔状结构。
4、 根据权利要求1所述的硅片表面图形刻蚀方法，其特征在于所述刻蚀区域 为槽状结构，其宽度为0.5 — 4微米，其长度不限。
5、 根据权利要求1一4任一所述的硅片表面图形刻蚀方法，其特征在于所述氢氟酸和乙醇的混和液中，氢氟酸与乙醇的体积比为1: IO — IO: 1，优选为1: 1;所 述氢氟酸和二甲基甲酰胺的混和液中，氢氟酸与二甲基甲酰胺的体积比为1: IO—IO: 1，优选为1: 4。
6、 根据权利要求1一4任一所述的硅片表面图形刻蚀方法，其特征在于通电进行阳极氧化反应的电流密度为30mA/cm2。
7、 根据权利要求1一4任一所述的硅片表面图形刻蚀方法，其特征在于通电进 行阳极氧化反应的时间为1一60分钟，优选为15分钟。
8、 根据权利要求5所述的硅片表面图形刻蚀方法，其特征在于通电进行阳极 氧化反应的电流密度为30mA/cm2。
9、 根据权利要求5所述的硅片表面图形刻蚀方法，其特征在于通电进行阳极 氧化反应的时间为l一60分钟，优选为15分钟。
10、 权利要求l一9所述硅片表面图形刻蚀方法得到的硅片。
全文摘要
本发明公开了一种硅片表面图形刻蚀方法，包括如下步骤1)在硅片表面沉积氮化硅层，然后，刻蚀氮化硅层，在硅片表面形成刻蚀区域；所述刻蚀区域的尺度为0.5-4微米；2)将所述带有刻蚀区域的硅片固定于加有腐蚀液的腐蚀槽中，通电进行阳极氧化反应，在所述刻蚀区域处形成刻蚀图形；所述腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混和液或者氢氟酸和二甲基甲酰胺的混和液；通电进行阳极氧化反应的电流密度为5-100mA/cm<sup>2</sup>。本发明自组装的硅片表面图形刻蚀方法能够非常简便而且有效地在硅表面刻蚀出所需要的图形，所得图形的尺寸在亚微米尺度至纳米尺度范围内，制备过程不需要使用现有光刻技术刻蚀如此量级尺寸所必须的高精密设备，设备、条件要求简单，成本低。
文档编号H01L21/02GK101159234SQ200710178369
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者周发龙, 廖怀林, 琛 李, 王阳元, 如 黄 申请人:北京大学