基于TMAH的气相刻蚀方法及气相刻蚀装置

摘要

本发明公开了一种基于TMAH的气相刻蚀方法，包括：（1）、在单晶硅基片上利用热氧生长一层SiO

说明书

技术领域

本发明属于硅晶圆湿法刻蚀领域，具体是一种基于TMAH溶液气相刻蚀方式的新型刻蚀方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，晶圆的关键尺寸不断缩小，单晶硅的各向异性湿法刻蚀被广泛用于各种微电子机械系统（MEMS）器件，比如压力传感器、加速度传感器。湿法刻蚀是一种液体中进行的化学反应过程，相比与反应离子刻蚀等干法刻蚀，湿法刻蚀技术具有刻蚀深度均一，三维结构丰富，生产效率高等优点，工艺制作过程相对简单，且加工成本也更为低廉。常用的湿法刻蚀液为氢氧化钾（KOH）和四甲基氢氧化铵（Tetramethylammonium hydroxide，TMAH）。KOH一方面会引入金属离子污染，另一方面针对SiO₂做掩膜单晶硅刻蚀选择比较差，TMAH是一种具有优良刻蚀性能的各向异性刻蚀液，选择性好、低毒性、低污染，与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容。TMAH水浴湿法刻蚀速率及粗糙度与溶液的浓度、温度有关。根据报道，刻蚀浓度介于5%～40%（质量百分比），刻蚀温度介于60～90℃，温度越高，湿法刻蚀速率越快。当浓度为5%，温度90℃时速率为1.5µm/min，会在刻蚀结构表面会形成小山丘状起伏，表面粗糙度达到几微米；当浓度为22%，温度为90℃时速率降低至不到1µm/min，刻蚀表面依然会出现桔皮状起伏，表面粗糙度约为100nm；当浓度为40%，温度为90℃时刻蚀速率约为0.5µm/min。在水浴湿法刻蚀方法中，刻蚀结构的凸角处许多不同晶面同时暴露在腐蚀剂中，造成相当大的过度蚀刻，从而导致定义形状的严重变形。此外，水浴湿法刻蚀、干法刻蚀都无法实现结构阵列均匀性较好的刻蚀，其中深反应离子刻蚀（DRIE）均匀性为5.4%～10%。传统的刻蚀方法还未能同时获得光滑刻蚀表面、较快刻蚀速率、阵列结构均匀性良好、刻蚀边线良好的刻蚀方法。为解决如何利用湿法刻蚀技术加工结构边线良好、刻蚀均匀性较好且粗糙度较低结构的问题，本发明提出了一种基于TMAH溶液气相刻蚀方式的新型刻蚀方法。

发明内容

本发明为解决采用常规TMAH水浴湿法刻蚀等技术方案带来的刻蚀结构边线不规整，刻蚀表面粗糙度较大，结构阵列刻蚀均匀性较差等问题，同时也为解决晶圆水浴刻蚀无法实现背面结构保护的问题，提出了一种基于TMAH气相刻蚀方式新型刻蚀方法。

为达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种基于TMAH的气相刻蚀方法，包括如下步骤：

（1）、在单晶硅基片上利用热氧生长一层SiO₂掩膜层薄膜；

（2）、利用紫外光刻实现在基片图形化工艺；

（3）、利用光刻胶做掩膜，采用体积比HF：NH4F=1:4配制BOE溶液刻蚀SiO₂，丙酮洗掉光刻胶形成以SiO₂为掩膜的刻蚀窗口；

（4）、利用密闭且冷凝循环的刻蚀装置在磁力搅拌加热器上实现刻蚀气体的阵列结构刻蚀。

刻蚀装置的结构为，包括气相刻蚀腔体，所述气相刻蚀腔体内盛装TMAH刻蚀液，所述气相刻蚀腔体由腔盖密封；所述腔盖上安装伸入腔体内的温度计及冷凝进管、冷凝回流管，所述冷凝进管和冷凝回流管连接冷凝装置；所述TMAH刻蚀液为含5分子结晶水的四甲基氢氧化铵晶体与水配成质量分数为20%～45%的溶液，液面位置淹没冷凝回流管；所述腔盖内安装刻蚀基片放置箱，所述刻蚀基片放置箱包括无底的箱体，所述箱体内底面放置硅晶圆基片，所述硅晶圆基片背面密封压合形成密闭背面保护壳，所述箱体上安装箱盖，所述箱盖通过连接杆与位于腔盖外的固定块连接。

本发明使用TMAH气相刻蚀方式，具有以下技术效果：

1、TMAH为强碱，具有强腐蚀性。本发明基于气相刻蚀方式是由气体与基片结构阵列面反应以实现刻蚀，相对于传统水浴湿法刻蚀而言，无需基片浸泡刻蚀液体中，结合聚四氟乙烯基片放置箱设计保证基片背面密闭，从而实现背面结构、材料功能层等保护。

2、低浓度TMAH水浴湿法刻蚀会出现小山丘状起伏，无法实现结构底部平整刻蚀，高浓度TMAH会出现桔皮状起伏且刻蚀速率不到0.5µm/min，本发明采用质量分数25%～40% TMAH的蒸汽刻蚀可以实现1.2～1.5µm/min高刻蚀速率，且刻蚀结构底部表面粗糙度小于10nm的刻蚀效果。

3、在高深度、长时间湿法刻蚀中，传统水浴湿法刻蚀、干法刻蚀都无法实现结构阵列均匀性较好的刻蚀，其中深反应离子刻蚀（DRIE）起伏为刻蚀深度的5.4%～10%，不利于微纳器件阵列结构的精确加工，本发明气相刻蚀方法可实现阵列结构均匀性良好的刻蚀效果，阵列结构均匀性可达到1.2%。

4、传统水浴湿法刻蚀温度介于60～95℃，由于横向钻蚀不均匀造成刻蚀结构边线不规整，无法达到理想刻蚀效果。本发明基于气相刻蚀方式的新型刻蚀方法使刻蚀温度介于110℃～115℃，可以做到定量控制横向钻蚀比，达到边线整齐、尺寸理想的刻蚀效果。

本发明方法设计合理，是一种单晶硅湿法刻蚀方法，使用TMAH溶液作为刻蚀液，在高温密闭可循环境中利用蒸汽来达到选择性刻蚀单晶硅的目的。该方法可突破TMAH湿法刻蚀同时实现硅结构刻蚀表面粗糙度较小，凸角保护良好，结构阵列刻蚀均匀性良好，速率稳定的技术难题，可用于微传感器、微执行器等微纳器件图形结构的加工工艺。

附图说明

图1表示本发明所用气相刻蚀装置总体示意图。

图2表示刻蚀结构底部边角及底部平整度SEM图。

图3表示刻蚀结构上边角SEM图。

图4表示刻蚀结构整体SEM图。

图中：1-TMAH刻蚀液，2-气相刻蚀腔体，21-腔盖，3-硅晶圆基片，31-箱体，32-箱盖，33-连接杆，34-固定块，4-背面保护壳，5-温度计，6-冷凝装置，61-冷凝进管，62-冷凝回流管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

气相刻蚀装置包括气相刻蚀腔2，硅片放置箱，密封背面保护壳4，耐酸碱温度计5，冷凝装置6；具体连接关系如图1所示，气相刻蚀腔体2由腔盖21密封；腔盖21上安装伸入腔体内的温度计5及冷凝进管61、冷凝回流管62；气相刻蚀腔体2为气相刻蚀的蒸汽刻蚀环境，刻蚀环境温度由耐酸碱温度计5显示，温度保持在110℃～115℃。气相刻蚀腔体2内盛装TMAH刻蚀液1，刻蚀液为含5分子结晶水的四甲基氢氧化铵晶体与水配成20%～45%（质量分数）的溶液，液面位置淹没冷凝回流管62；冷凝进管61和冷凝回流管62连接冷凝装置6；冷凝装置保证了刻蚀环境密闭且循环，使刻蚀溶液浓度保持不变，刻蚀环境的压强保持不变。

如图1所示，腔盖21内安装刻蚀基片放置箱，刻蚀基片放置箱包括无底的箱体31，所述箱体31内底面放置硅晶圆基片3（硅晶圆基片搁置于箱体的底面凸缘上），针对SiO₂掩膜的硅晶圆基片刻蚀图形加工是通过标准的光刻工艺：首先设计方形窗口阵列制成掩膜版，旋涂光刻胶曝光显影，然后以光刻胶为掩膜刻蚀SiO₂，丙酮洗掉光刻胶得到刻蚀阵列窗口。

如图1所示，硅晶圆基片3背面密封压合有背面保护壳4，密封背面保护壳4保证了刻蚀蒸汽环境与晶圆背面的分离，避免高温的TMAH溶液腐蚀性破坏背面结构及功能层；箱体31上安装箱盖32，箱盖32通过连接杆33与位于腔盖21外的固定块34连接，将刻蚀基片放置箱吊于腔盖内。

具体实施时，基于TMAH的气相刻蚀方法，如下：

（1）、在单晶硅基片上利用热氧生长一层SiO₂掩膜层薄膜；

（2）、利用紫外光刻实现在基片图形化工艺；

（3）、利用光刻胶做掩膜，采用体积比HF：NH4F=1:4配制BOE溶液刻蚀SiO₂，丙酮洗掉光刻胶形成以SiO₂为掩膜的刻蚀窗口；

（4）、利用密闭且冷凝循环的刻蚀装置在磁力搅拌加热器上实现刻蚀气体的阵列结构刻蚀；磁力搅拌加热器设置转速为400～600r/min，保证整个刻蚀环境中蒸汽刻蚀气体分布均匀来保证刻蚀结构阵列的均匀性；刻蚀腔内温度保持在110℃～115℃。

最后要说明的是，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本技术领域的普通技术人员也应当理解，在本发明的实质范围内所做的变化，改性，添加或替换，也应属于本发明的保护范围。