硅的各向异性刻蚀方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体制造领域，涉及一种硅的各向异性刻蚀方法。
【背景技术】
[0002] 在三维集成电路制造技术中，硅的各向异性湿法蚀刻工艺被广泛应用各种微机械 结构制程上，使用的蚀刻化学品多为TMAH等化学品。硅的各向异性湿法蚀刻工艺是利用腐 蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩模，采用湿法腐蚀手段进 行较大深度的腐蚀。
[0003] 通常在硅的各向异性湿法蚀刻制程中硅被蚀刻厚度达到300~700微米，以形成 设计所需要的各种腔体结构。当前技术中使用TMAH蚀刻速率在0. 3-0. 8微米/分钟，一次 工艺过程时间需要10~20小时，甚至更多；大量生产时，严重影响产能和生产效率。
[0004] 为了控制离子污染，当前技术通常采用TMAH(tetramethylammoniumhydroxide, 四甲基氢氧化铵）进行硅的蚀刻，TMAH是一种有机、无色的水溶液，具有毒性低的优点； TMAH蚀刻具有以下特点：（1)硅蚀刻速率随浓度升高而降低，随温度升高而升高；在22wt% 的浓度、80°C的温度下，蚀刻速率为0. 5~0. 6微米/分钟；在5%wt的浓度、90°C的温度下， 蚀刻速率可以达到1. 4微米/分钟；在5%wt的浓度、KKTC的温度下，蚀刻速率可以达到 2. 4um/min; (2) (100)面金字塔型的小丘密度随浓度变化而变化，22wt%时最好；所以目前 半导体业内通常使用22wt%@8(TC的工艺条件；其工艺过程时间较长，达21小时以上，高浓 度的TMAH溶液价格高昂，无法广泛应用。
[0005] 因此，提供一种新的硅的各向异性刻蚀方法以缩短制程时间，提高生产效率，同时 保证工艺质量并节约成本实属必要。
【发明内容】
[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅的各向异性刻蚀方 法，用于解决现有技术中制程时间太长，严重影响产能和生产效率的问题。
[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅的各向异性刻蚀方法，至少 包括以下步骤：
[0008] S1 :提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶 硅衬底背面形成一保护层；
[0009] S2:以所述图形化掩模层为掩模，采用第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅 衬底进行湿法刻蚀并维持第一预设时间；
[0010] S3:进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用第二浓度的各向异性腐蚀液对所述 单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构；所述第二浓度的各向异性 腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率小于所述第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅 衬底的腐蚀速率。
[0011] 可选地，所述第二浓度大于第一浓度。
[0012] 可选地，所述各向异性腐蚀液为TMAH溶液。
[0013] 可选地，所述第一浓度为5wt%~15wt%，该第一浓度的TMAH溶液的温度是80~ 100°c;所述第二浓度为20wt%~25wt%，该第二浓度的TMAH溶液的温度是70~90°C。
[0014] 可选地，于所述步骤S2中进行湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清 洗的步骤；于所述步骤S3中进行湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗并干 燥的步骤。
[0015] 可选地，于所述步骤S1中在形成所述保护层之后，进一步将所述保护层图形化， 形成图形化的保护层；所述图形化的保护层的图案与所述图形化掩模层的图案相对应；于 所述步骤S2及步骤S3中，同时以所述图形化的保护层为掩模进行湿法刻蚀；所述腔体结构 为上下贯穿的通孔结构。
[0016] 可选地，所述腔体结构的限制面包括硅的（100)面及（111)面，所述第二预设时间 大于1. 5小时。
[0017] 可选地，所述腔体结构的限制面包括硅的（110)面及（111)面，所述第二预设时间 大于1. 5小时。
[0018] 可选地，所述腔体结构的限制面为硅的（111)面及所述保护层，所述第一预设时间 为所述第二预设时间的4~20倍。
[0019] 可选地，所述第二预设时间小于1. 5小时。
[0020] 可选地，于所述步骤S1中在形成所述保护层之前，首先在所述单晶硅衬底背面形 成一多晶硅层；所述多晶硅层与所述图形化掩模层的开口位置相对应；所述保护层覆盖所 述多晶硅层。
[0021] 如上所述，本发明的硅的各向异性刻蚀方法，具有以下有益效果：本发明在湿法腐 蚀过程中使用不同的工艺条件进行两步蚀刻，对于TMAH溶液，第一步蚀刻使用低浓度高温 度的工艺条件以实现快速蚀刻的目的，完成整个工艺过程的75%~95% ;第二步蚀刻使用优 化的量产工艺条件进行后段处理，以得到理想的晶面表面。本发明可以显著缩短制程时间、 提高生产效率、减少产能需求，同时保证工艺质量、晶面无缺陷，并且由于采用了低浓度的 蚀刻液，可以减少蚀刻液使用量，节省生产成本。
【附图说明】
[0022] 图1显示为本发明的硅的各向异性刻蚀方法的工艺流程图。
[0023] 图2至图5显示为本发明的硅的各向异性刻蚀方法在实施例一中各步骤形成的结 构示意图。
[0024] 图6至图11显示为本发明的硅的各向异性刻蚀方法在实施例二中各步骤形成的 结构示意图。
[0025] 元件标号说明
[0026]
【主权项】
1. 一种硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于，至少包括以下步骤： Sl:提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶硅衬 底背面形成一保护层； S2:以所述图形化掩模层为掩模，采用第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底 进行湿法刻蚀并维持第一预设时间； S3 :进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶 硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构；所述第二浓度的各向异性腐蚀 液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率小于所述第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底 的腐蚀速率。
2. 根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述第二浓度大于第 一浓度。
3. 根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述各向异性腐蚀液 为TMH溶液。
4. 根据权利要求3所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述第一浓度为 5wt%~15wt%，该第一浓度的TMAH溶液的温度是80~KKTC;所述第二浓度为20wt%~ 25wt%，该第二浓度的TMAH溶液的温度是70~90°C。
5. 根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：于所述步骤S2中进行 湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗的步骤；于所述步骤S3中进行湿法刻 蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗并干燥的步骤。
6. 根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：于所述步骤Sl中在形 成所述保护层之后，进一步将所述保护层图形化，形成图形化的保护层；所述图形化的保护 层的图案与所述图形化掩模层的图案相对应；于所述步骤S2及步骤S3中，同时以所述图形 化的保护层为掩模进行湿法刻蚀；所述腔体结构为上下贯穿的通孔结构。
7. 根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述腔体结构的限制 面包括硅的（100)面及（111)面，所述第二预设时间大于1. 5小时。
8. 根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述腔体结构的限制 面包括硅的（110)面及（111)面，所述第二预设时间大于1. 5小时。
9. 根据权利要求1所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述腔体结构的限制 面为硅的（111)面及所述保护层，所述第一预设时间为所述第二预设时间的4~20倍。
10. 根据权利要求9所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：所述第二预设时间小 于1. 5小时。
11. 根据权利要求9所述的硅的各向异性刻蚀方法，其特征在于：于所述步骤Sl中在 形成所述保护层之前，首先在所述单晶硅衬底背面形成一多晶硅层；所述多晶硅层与所述 图形化掩模层的开口位置相对应；所述保护层覆盖所述多晶硅层。
【专利摘要】本发明提供一种硅的各向异性刻蚀方法，包括以下步骤：S1：提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶硅衬底背面形成一保护层；S2：以所述图形化掩模层为掩模，采用高腐蚀速率的第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第一预设时间；S3：进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用低腐蚀速率的第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构。本发明使用不同的工艺条件进行两步蚀刻，可以显著缩短制程时间、提高生产效率、减少产能需求，同时保证工艺质量、晶面无缺陷，并且由于采用了低浓度的蚀刻液，可以减少蚀刻液使用量，节省生产成本。
【IPC分类】C30B33-10, B81C1-00
【公开号】CN104843633
【申请号】CN201410052013
【发明人】丁敬秀, 金滕滕, 张先明
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2014年2月14日