一种光波导屏蔽层的刻蚀方法与流程

本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，尤其涉及一种光波导屏蔽层的刻蚀方法。

背景技术：

硅材料制作光波导的优势是芯层和包层有高的折射率对比，单位面积内的集成度可以做的更高、尺寸可以做的更小。但是硅基光子集成技术的发展还面临的许多问题，其中的一个问题就是光波导的损耗。

在半导体集成电路制造中，往往需要对硅衬底进行刻蚀，如集成电路的STI(shallow trench isolation)隔离工艺，在硅片表面沉积一薄层氧化硅，在氧化硅上沉积一层氮化硅，在氮化硅表面涂布光刻胶，通过光刻工艺在光刻胶上形成需要的图形窗口，然后以光刻胶为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行氮化硅层和氧化硅层刻蚀，接下来去除表面残留的光刻胶，以氮化硅为屏蔽层进行硅沟槽刻蚀，刻蚀出需要深度、侧壁角度的硅沟槽，在形成的硅沟槽内填充氧化硅实现STI隔离工艺。

在实际的生产过程中，刻蚀后硅沟槽的侧壁存在竖直方向的条纹(通常叫“striation”，在本发明中把有这种条纹的侧壁称为“粗糙侧壁”，以“侧壁粗糙度”评价这种条纹的严重程度。)，由于STI隔离工艺只是使不同的功能结构从物理上隔离开来，这种条纹的影响还可以接受。但是这种工艺应用到光器件的光波导形成过程中，会在波导侧壁形成这种竖直方向的条纹，增加波导内传输光的散射损耗，进而导致光波导的传输损耗的增加。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种光波导屏蔽层的刻蚀方法，能够大大改善硅沟槽的侧壁粗糙度，降低硅基光波导的散射损耗和传输损耗。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种光波导屏蔽层的刻蚀方法，包括如下步骤：S1)在硅衬底表面上依次沉积第一氧化硅层、多晶硅层和氮化硅层；S2)利用光波导加工光刻版在氮化硅层表面形成光刻胶的屏蔽图形；S3)采用干法等离子体刻蚀工艺对所述氮化硅层进行第一次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶，形成氮化硅层沟槽并裸露出部分多晶硅层；S4)以第一次刻蚀后的氮化硅层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺对所述多晶硅层进行第二次刻蚀，形成多晶硅层沟槽并裸露出部分硅衬底；S5)在所述硅片表面沉积第二氧化硅层，所述第二氧化硅层低台阶处的表面高于氮化硅层的上表面，并与第一氧化硅层连成一体；S6)采用化学机械研磨法对第二氧化硅层进行研磨，直至裸露氮化硅层；S7)湿法剥离剩余的氮化硅层，采用干法等离子体刻蚀工艺剥离表面残留的多晶硅层，得到需要的光波导屏蔽层。

上述的光波导屏蔽层的刻蚀方法，其中，所述步骤S1中氮化硅层的厚度根据化学机械研磨时消耗氮化硅的水平厚度预先设定。

上述的光波导屏蔽层的刻蚀方法，其中，所述步骤S4中多晶硅层刻蚀时，控制多晶硅在氧化硅层沟槽位置处的侧壁角度为87度～90度，并对刻蚀后的多晶硅层进行热处理。

上述的光波导屏蔽层的刻蚀方法，其中，所述步骤S4中热处理过程如下：在多晶硅层表面采用湿氧氧化生长热氧化层再剥离的方法对多晶硅侧壁进行光滑处理，所述热氧化层的厚度范围为150nm～200nm；并控制热处理温度为1150度，热处理时间大于0.5小时，对多晶硅层侧壁进行再结晶处理。

上述的光波导屏蔽层的刻蚀方法，其中，所述步骤S6中完成第二氧化硅层的化学机械研磨后，继续对第二氧化硅层进行干法刻蚀处理，使得第二氧化硅层的上表面等于或略低于多晶硅层的上表面。

上述的光波导屏蔽层的刻蚀方法，其中，所述步骤S7中剥离多晶硅层后，采用氧化硅湿法腐蚀工艺对裸露的硅衬底表面做如下微处理：去除剥离多晶硅层后残留的第一氧化硅层，降低硅沟槽刻蚀的底面的粗糙度。

上述的光波导屏蔽层的刻蚀方法，其中，所述第二次刻蚀气体以Cl/HBr为主，带有少量的CF4，压力为15mt，上部电极功率为600W，下部电极功率为140W，刻蚀时间为80s。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的光波导屏蔽层的刻蚀方法，利用多晶硅刻蚀侧壁比氧化硅刻蚀侧壁的粗糙度更低的特点，以及多晶硅经热处理后更好的侧壁粗糙度等优势，采用在多晶硅窗口内沉积氧化硅实现光波导屏蔽层刻蚀的图形传递，最终降低硅沟槽刻蚀的侧壁粗糙度，降低以该工艺加工的光波导的传输损耗。

附图说明

图1为现有硅沟槽及屏蔽层侧壁表面形貌照片图；

图2为现有硅沟槽屏蔽层及光刻胶侧壁表面形貌照片图；

图3为本发明待加工的硅片表面淀积第一氧化硅层、多晶硅层和氮化硅层后示意图；

图4为本发明硅片表面涂布光刻胶并经过光刻在光刻胶上形成图形结构；

图5为本发明完成氮化硅层刻蚀和去除光刻胶层后的结构示意图；

图6为本发明完成多晶硅层刻蚀后的结构示意图；

图7为本发明继续沉积第二氧化硅层后的结构示意图；

图8为本发明完成平坦化研磨后的结构示意图；

图9为本发明完成硅刻蚀屏蔽层图形传递的结构；

图10为本发明对第二氧化硅层进行干法刻蚀优化后的结构示意图；

图11为本发明研磨优化后完成硅刻蚀屏蔽层图形传递的结构示意图。

图中：

11 硅衬底 21 多晶硅层 31 第一氧化硅层

41 氮化硅层 51 光刻胶窗口 61 第二氧化硅层

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为现有硅沟槽及屏蔽层侧壁表面形貌照片图；图2为现有硅沟槽屏蔽层及光刻胶侧壁表面形貌照片图。

参见图1和图2，逐层分析该条纹产生的源头，发现硅沟槽侧壁的条纹与屏蔽层氮化硅的侧壁条纹一致，是由氮化硅(或氧化硅)侧壁条纹传递下来的，并且从硅沟槽的顶部到底部，条纹有逐渐变浅的趋势。氮化硅上的条纹又是在以光刻胶做屏蔽层刻蚀氮化硅的时候产生的。因此硅沟槽侧壁产生竖直方向条纹的源头是屏蔽层刻蚀后，屏蔽层的侧壁形成了竖直方向的条纹。

分析原因：氮化硅屏蔽层刻蚀时采用的是干法刻蚀，干法刻蚀是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点，不仅分辨率高，而且刻蚀速率快，通过调整二者的强弱比例，可以调节刻蚀侧壁的角度、刻蚀的速率等。而氮化硅刻蚀的屏蔽层是光刻胶，光刻胶是由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体，经过光刻工艺处理后，光刻胶的耐等离子体轰击的能力还较弱，轰击会在光刻胶的表面形成凸凹不平的形貌，同时在干法刻蚀过程中，还会产生一种聚合物(polymer)，这种聚合物会沉积在光刻胶的表面和侧壁以及氮化硅的表面和刻蚀窗口侧壁，有聚合物沉积的位置，聚合物下面的氮化硅不会被刻蚀掉。由轰击形成的光刻胶的凸凹不平的表面和聚合物沉积保护的共同作用，形成了氮化硅刻蚀后侧壁的竖直方向条纹。

为解决上述技术问题，本发明通过采用多晶硅层或非晶硅层替代光刻胶做硅刻蚀屏蔽层的屏蔽层，利用多晶硅层或非晶硅层比光刻胶更好的抗干法刻蚀能力，消除或减小氮化硅(或氧化硅)刻蚀后形成的侧壁竖直方向的条纹，进而改善硅沟槽刻蚀的侧壁形貌，降低以该工艺加工的光波导的传输损耗。具体工艺步骤如下：

S1：在硅衬底11表面上依次沉积第一氧化硅层31、多晶硅层21和氮化硅层41；所述氮化硅层41的厚度根据后续化学机械研磨时消耗氮化硅的水平厚度预先设定，所述多晶硅层21的厚度依据硅沟槽刻蚀时需要的氧化硅屏蔽层厚度确定，如图3所示。

S2：利用光波导加工光刻版在氮化硅层41表面形成光刻胶的屏蔽图形，如图4中的光刻胶窗口51。

S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对所述氮化硅层41进行第一次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶，形成氮化硅层屏蔽沟槽并裸露出部分多晶硅层21，如图5所示；第一次刻蚀采用标准条件即可，比如气体以C4F6为主，带有一定量的O2和Ar，压力为40mt，上部电极功率1200W，磁场为15Gaus。

S4：以第一次刻蚀后的氮化硅层41为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺对所述多晶硅层21进行第二次刻蚀，形成多晶硅层沟槽并裸露出部分硅衬底21，如图6所示；第二次刻蚀气体以Cl/HBr为主，带有少量的CF4，压力为15mt，上部电极功率为600W，下部电极功率为140W，刻蚀时间为80s。在对多晶硅层21刻蚀时，控制多晶硅在氧化硅层沟槽位置处的侧壁角度为87度～90度，并对刻蚀后的多晶硅层21进行热处理，改善多晶侧壁的粗糙度水平。热处理过程如下：在多晶硅层21表面采用湿氧氧化生长热氧化层再剥离的方法对多晶硅侧壁进行光滑处理，所述热氧化层的厚度范围为150nm～200nm；并控制热处理温度为1150度，热处理时间大于0.5小时，对多晶硅层21侧壁进行再结晶处理。

S5：在所述硅片表面沉积第二氧化硅层61，所述第二氧化硅层61低台阶处的表面高于氮化硅层41的上表面，并与第一氧化硅层31连成一体，如图7所示；

S6：采用化学机械研磨法对第二氧化硅层61进行研磨，直至裸露氮化硅层41，如图8所示；

S7：湿法剥离剩余的氮化硅层41，采用干法等离子体刻蚀工艺剥离表面残留的多晶硅层21，得到需要的光波导屏蔽层，如图9所示。

本发明提供的光波导屏蔽层的刻蚀方法，化学机械研磨后可继续对第二氧化硅层61进行干法刻蚀处理，使得第二氧化硅层61的上表面等于或略低于多晶硅层21的上表面，如图10所示。湿法剥离剩余的氮化硅层41，采用干法等离子体刻蚀工艺剥离表面残留的多晶硅层21，得到需要的光波导屏蔽层如图11所示。多晶硅层干法剥离过程中，会过刻蚀多晶和单晶硅之间的第一氧化层，导致第一氧化层被剥离，但是剥离的过程中会不均匀，这样会导致接下来的硅沟槽刻蚀的底面不平，本发明在剥离多晶硅层21后，还可采用氧化硅湿法腐蚀工艺对裸露的硅衬底11表面做如下微处理：去除剥离多晶硅层21后残留的第一氧化硅层31，降低硅沟槽刻蚀的底面的粗糙度。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。