衬底中的凹入部分及形成凹入部分的方法

摘要

提供一种半导体衬底中的凹入部分及形成所述凹入部分的方法。所述方法包括：在所述半导体衬底上形成掩模；在所述掩模的顶表面上及在所述掩模的至少一个侧壁上，及在由所述掩模暴露的所述半导体衬底的至少一个表面上形成保护层；执行第一蚀刻工艺以去除在所述掩模的所述顶表面上及在由所述掩模暴露的所述半导体衬底的底表面上的所述保护层；及执行第二蚀刻工艺以去除其余保护层及蚀刻所述半导体衬底以形成所述凹入部分。以此方式，可实现具有相对平滑及竖直的侧壁的凹入部分。

说明书

技术领域

本公开涉及一种包含凹入部分的半导体结构，且更确切地说，涉及一种通过使用蚀刻技术的方法形成的半导体衬底中的凹入部分。

背景技术

在半导体工业中，广泛使用及制造半导体衬底中的深凹口，例如深孔或深沟槽。然而，深孔或深沟槽的侧壁通常粗糙及倾斜。因此，需要提供一种改进的制造方法，以便形成具有期望形状及轮廓的深孔或深沟槽。

发明内容

在一方面中，提供一种形成衬底中的凹入部分的方法。所述方法包括：(a)在衬底上形成掩模(mask)；(b)在掩模的至少一个侧壁上及在由掩模暴露的衬底的至少一个表面上形成保护层；(c)执行第一蚀刻工艺以去除在由掩模暴露的衬底的至少一个表面上的保护层；及(d)执行第二蚀刻工艺以去除在掩模的至少一个侧壁上的保护层及蚀刻衬底以形成凹入部分(recessed portion)。

在一方面中，提供一种半导体衬底中的结构。所述结构包括：半导体衬底中的凹入部分，所述凹入部分包含至少一个侧壁及底表面，其中所述至少一个侧壁包括包含多个凹面的轮廓，及所述凹面沿着所述至少一个侧壁具有基本上均匀(uniform)的形状及大小。

在一方面中，提供一种半导体衬底中的结构。所述结构包括：凹入部分，其包含至少一个侧壁及底表面，其中所述至少一个侧壁基本上垂直于所述底表面，及所述凹入部分的竖直深度在约160μm到400μm的范围内。

附图说明

当结合附图阅读时，根据以下详细描述容易地理解本公开的一些实施例的各方面。应注意，各种结构可能未按比例绘制，且出于论述的清楚起见，各种结构的尺寸可任意增大或减小。

图1A说明例示光学电子装置的示意性俯视图。

图1B说明例示光学电子装置中的沟槽及光纤的截面图。

图2A-2E各自说明在使用根据实施例的方法制造中的结构的截面图。

图2F说明根据实施例的完整结构的截面图。

图3A说明根据实施例的完整结构的两个电子显微镜图像。

图3B说明根据实施例的结构的侧壁的示意性截面图。

图3C说明根据实施例的展示结构的侧壁的截面图的电子显微镜图像。

图3D说明根据实施例的结构的侧壁中的凹面的示意性截面图。

图4A-4G各自说明根据本公开的实施例的在制造中的结构的截面图。

图4H说明根据本公开的实施例的完整结构的截面图。

图5A说明根据本公开的实施例的完整结构的两个电子显微镜图像。

图5B说明根据本公开的实施例的结构的侧壁的示意性截面图。

图5C说明根据本公开的实施例的展示结构的侧壁的截面图的电子显微镜图像。

图5D说明根据本公开的实施例的结构的侧壁中的凹面的示意性截面图。

具体实施方式

贯穿图式及

以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件及布置的具体实例以解释本公开的某些方面。当然，这些组件及布置仅为实例且并不意欲进行限制。举例来说，在以下描述中，第一特征在第二特征上方或在第二特征上形成可包含第一特征及第二特征直接接触地形成或安置的实施例，且还可包含附加特征可在第一特征与第二特征之间形成或安置，使得第一特征及第二特征可不直接接触的实施例。另外，本公开可在各种实例中重复参考标号及/或字母。这种重复是出于简化及清楚的目的且本身并不规定所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

除非另外规定，否则例如“在……上方”、“顶部”、“底部”、“较高”、“较低”、“在……下方”等空间描述是相对于图中所示的定向指示。应理解，本文中所使用的空间描述仅出于说明的目的，并且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何定向或方式在空间上布置，其限制条件为本公开的实施例的优点不会因此布置而有偏差。如本文中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一”、“一个”及“所述”可包含多个提及物。

在光通信的领域中，光纤通常用作用于传输光波的介质。在例如光子集成电路(PIC)的光学电子装置中，通常在半导体装置中设计及制造例如沟槽的凹入部分，使得光纤可容纳在其中。光纤可与波导耦合。以此方式，光可透射穿过与波导耦合的光纤。实际上，包含多个光纤的光纤阵列单元(FAU)通常用于传输波带中具有不同波长的光。

图1A说明例示光学电子装置的示意性俯视图。在图1A中，展示沟槽101、光纤阵列单元(FAU)102、第一裸片103，及第二裸片104。如图1中所示，FAU 102安置于位于第二裸片104中的沟槽101，及FAU 102传输从波导接收的光。然而，在一些情况下，沟槽的形状及轮廓可能不是期望的。

图1B说明在图1A中所示的例示光学电子装置中的沟槽101及FAU 102的截面图。沟槽101及FAU 102的截面图取自图1A中的A到A'。图1B中的沟槽101是通过根据实施例的工艺制造。如图1B中所示，沟槽101的侧壁不垂直于沟槽101的底表面。如图1B中所示，侧壁与顶表面之间的角度表示为θ，其可为约82度及显然比90度小得多。当FAU 102安置于具有此梯形截面的沟槽中时，FAU可在沟槽中移位，这可能导致不希望的信号传输损失。

图2A-2E各自说明在使用根据实施例的方法制造中的结构的截面图，其中所述方法用于制造凹入部分。图2F说明根据实施例的完整结构的截面图。应注意，这些图并不按比例绘制；相反，这些图为了便于说明及解释而绘制。

在图2A中，提供半导体衬底201。掩模202由例如光刻技术形成，其界定一开口，使得半导体衬底201的部分暴露以形成暴露区203。在图2B中，形成保护层204，以便覆盖掩模202及暴露区203。在图2C中，执行蚀刻工艺。应注意，在实施例中，蚀刻工艺利用各向同性蚀刻，使得在如由图2C中的箭头所示的每一方向上均匀地执行蚀刻。蚀刻工艺去除保护层204及因此暴露衬底的部分，并且还蚀刻暴露衬底以形成半导体衬底201中的凹入部分205，如图2D中所示。通过重复形成保护层及执行蚀刻工艺的上述步骤，凹入部分205变得较深及较宽，如图2E中所示。如图2F中所示，在去除掩模202之后，获得完整凹入部分205及制造过程完成。应注意，因为需要在蚀刻保护层204之后连续地执行各向同性蚀刻以进一步蚀刻衬底，所以掩模204也可通过重复的各向同性蚀刻工艺被部分地蚀刻。如图2E中可见，由于蚀刻的方向(如图2C中的箭头所示)，在重复蚀刻工艺之后，对掩模进行蚀刻，使得掩模204的开口变宽并且掩模的侧壁变成向外倾斜。这可能导致蚀刻的凹入部分的开口不合需要地较大，并且因此导致蚀刻的凹入部分在重复的蚀刻工艺期间变得越来越宽并且最终变成锥形。如图2F中可见，完整凹入部分205具有梯形截面。当FAU安置于此凹入部分中时，其可能在凹入部分中移位，这可能导致不希望的信号传输损失。

应注意，图2A-2F展示截面图，而凹入部分的类型可通过掩模开口的形状确定。举例来说，如果掩模开口呈矩形形状，则凹入部分将为沟槽。另一方面，如果掩模开口呈环形形状，则凹入部分将为圆形孔。

图3A说明根据实施例制造的完整结构的两个电子显微镜图像。在凹入部分是圆形孔的情况下，使用电子显微镜获得两个图像。在图3A的右侧处的图像是展示圆形孔的侧壁表面的轮廓的放大图。如图像中所示，侧壁的表面粗糙。图3B说明图3A中的孔的侧壁的示意性截面图。如图3B中可见，侧壁含有多个扇贝形凹面，及凹面的大小随着孔深度的增加而减小。而且，如图3C中可见，侧壁显著倾斜，也就是说，侧壁与孔的底表面之间的角度通常小于85度及在一些情况下约82度。在图3C中，“D”表示孔的竖直深度，及“S”表示在侧壁的底部处的边缘与在侧壁的顶部处的边缘之间的水平距离。根据实施例，S与D的比率在0.02到0.045的范围内。因此，根据实施例，随着凹入部分被蚀刻得越来越深，凹入部分的底表面将比凹入部分的开口大得多，即，凹入部分将被底切蚀刻。当凹入部分的深度在200μm到300μm的范围内并且当长宽比在0.5到10的范围内时，这可能更大。上述问题可能是由于重复相同的各向同性蚀刻步骤所致。

图3D说明根据实施例的结构的侧壁中的凹面的示意性截面图。应注意，图3D不按比例绘制，而仅仅是为了说明凹面的形状及尺寸。如图3D中所示，凹面是扇贝形的，及凹面的竖直尺寸表示为“Y”及凹面的水平尺寸表示为“X”。根据一些实施例，当凹面在凹入部分的侧壁的顶侧中时，凹面的竖直尺寸Y与水平尺寸X的比率在3到5的范围内，当凹面在凹入部分的侧壁的中间侧中时，凹面的竖直尺寸Y与水平尺寸X的比率在2到4的范围内，及凹面的竖直尺寸Y与水平尺寸X的比率在1到3的范围内。也就是说，根据实施例，扇贝形凹面的形状及大小沿着凹入部分的侧壁不均匀且不一致。

在一些应用中，具有这种粗糙且倾斜的侧壁的凹入部分不够理想，所述凹入部分含有大小及形状不一致的凹面。举例来说，如果凹入部分是沟槽及光纤安置于此沟槽中，则粗糙且倾斜的侧壁将影响光纤中的信号传输效率。

本公开提供一种具有高长宽比的改进凹入部分的改进结构，及形成所述结构的方法。改进的凹入部分在侧壁中具有相对均匀及一致的凹面，及侧壁基本上垂直于凹入部分的底表面。

图4A-4G各自说明根据本公开的实施例的在通过改进方法制造中的结构的截面图。图4H说明根据本公开的实施例的完整结构的截面图。应注意，这些图并不按比例绘制；相反，这些图为了便于说明及解释而绘制。

在图4A中，提供半导体衬底401。掩模402例如由光刻技术形成，其界定一开口，使得半导体衬底401的部分暴露以形成暴露区403。根据本公开的实施例，半导体衬底是硅衬底。在图4B中，形成保护层404，以便覆盖掩模402及暴露区403的每一表面。也就是说，存在形成于掩模402的顶表面上的保护层404A的部分、形成于掩模402的至少一个侧壁上的保护层404C的部分，及形成于暴露区403的表面上的保护层404B的部分。根据本公开的实施例，保护层是聚合物及使用利用钝化气体的钝化工艺形成，所述钝化气体包括六氟丙烯(C

在图4C中，执行第一蚀刻工艺。根据本公开的实施例，使用干式蚀刻技术，且例如六氟化硫(SF

在图4E中，执行第二蚀刻工艺。根据本公开的实施例，使用干式蚀刻技术，且例如六氟化硫(SF

在下一循环中，再次形成保护层，以便覆盖掩模及凹入部分的每一表面。也就是说，存在形成于掩模的顶表面上的保护层的部分、形成于掩模的至少一个侧壁上的保护层的部分、形成于凹入部分的底表面上的保护层的部分，及还形成于凹入部分的至少一个侧壁上的保护层的部分。随后，再次执行第一蚀刻工艺以去除形成于掩模的顶表面上的保护层的部分，及去除形成于凹入部分的包含底表面的至少一个表面上的保护层的部分。并且随后，再次执行第二蚀刻工艺以去除保护层的其余部分，即，形成于掩模的至少一个侧壁上的保护层的部分，及形成于凹入部分的至少一个侧壁上的保护层的部分，并且还蚀刻凹入部分的底部以便深化凹入部分。

应注意，根据本公开的实施例，用于驱动在第一蚀刻工艺中施加的蚀刻剂的第一驱动能量大于用于驱动在第二蚀刻工艺中施加的蚀刻剂的第二驱动能量。根据本公开的一些实施例，第一驱动能量与第二驱动能量的比率在从约1.2到约8的范围内。通过实例，第一驱动能量与第二驱动能量的比率可为1.46、2、2.9、3.2、4.8、6.45或7.3。根据本公开的实施例，第一驱动能量比第二驱动能量高约四倍。根据本公开的实施例，第一驱动能量在60瓦±10％，即54瓦-66瓦的范围内，及第二驱动能量在15瓦±5％，即14.25瓦-15.75瓦的范围内。

此外，应注意，根据本公开的实施例，用于执行第一蚀刻工艺的时间短于用于执行第二蚀刻工艺的时间。根据本公开的实施例，用于形成保护层的时间与用于执行第一蚀刻工艺的时间的比率在1.2到6的范围内，且用于形成保护层的时间与用于执行第二蚀刻工艺的时间的比率在0.2到1.8的范围内。具体来说，根据本公开的实施例，用于形成保护层的时间在2.3秒±10％的范围内，用于执行第一蚀刻工艺的时间在2秒±10％的范围内，且用于执行第二蚀刻工艺的时间在4秒±10％的范围内。

通过重复形成保护层、执行第一蚀刻工艺及执行如图4B到4E中所示的第二蚀刻工艺的上述步骤，凹入部分410变得较深，如图4G中所示。根据本公开的实施例，重复形成保护层、执行第一蚀刻工艺及执行第二蚀刻工艺的上述步骤，直到凹入部分的深度在160μm到400μm的范围内。如图4H中所示，在去除掩模402之后，获得完整凹入部分410，且制造过程完成。

如在图4H中可见，完整凹入部分410的至少一个侧壁411含有扇贝形的多个凹面。应注意，与根据如图3A-3D中所示的实施例的凹入部分相比，在本公开的实施例中，扇贝形凹面413在大小及形状方面更均匀及一致，且至少一个侧壁411更垂直于底表面412。这是由于第一蚀刻工艺及第二蚀刻工艺的交替使用。通过第一蚀刻工艺及第二蚀刻工艺的重复及交替使用，凹入部分可笔直向下加深，而不必横向地蚀刻凹入部分的侧壁，因为凹入部分的侧壁总是由保护层保护，以免在第一及第二蚀刻工艺期间被蚀刻。

应注意，图4A-4H展示截面图，而凹入部分的类型可通过掩模开口的形状确定。举例来说，如果掩模开口呈矩形形状，则凹入部分将为沟槽。另一方面，如果掩模开口呈环形形状，则凹入部分将为圆形孔。根据本公开的实施例，在凹入部分是沟槽的情况下，凹入部分的长宽比在0.1到15的范围内。根据本公开的实施例，在凹入部分是孔的情况下，凹入部分的长宽比在0.3到26的范围内。

图5A说明根据本公开的实施例的完整结构的两个电子显微镜图像。图5A展示在凹入部分是圆形孔的情况下使用电子显微镜获得的两个图像。在图5A的右侧处的图像是展示圆形孔的侧壁表面的轮廓的放大图。图5B说明图5A中的孔的侧壁的示意性截面图。如图5B中可见，圆形孔的侧壁含有多个扇贝形凹面，及凹面的大小沿着整个侧壁保持类似。而且，如在图5C中可见，侧壁基本上垂直于孔的底表面。根据本公开的实施例，侧壁与底表面之间的角度为约88度到约90度。

图5D说明根据本公开的实施例的结构的侧壁中的凹面的示意性截面图。应注意，图5D不按比例绘制，而仅仅是为了说明凹面的形状及尺寸。如图5D中所示，凹面是扇贝形的，及凹面的竖直尺寸表示为“Y”及凹面的水平尺寸表示为“X”。根据本公开的实施例，凹面的竖直尺寸Y与水平尺寸X的比率在3到5的范围内，无论凹面是否位于凹入部分的侧壁的顶侧、中间侧或底侧。也就是说，根据本公开，扇贝形凹面的形状及大小在凹入部分的整个侧壁中几乎均匀或一致。

根据本公开的改进结构及改进方法在多个方面中有利。举例来说，改进方法实现蚀刻半导体衬底以形成凹入部分的更高速率；也就是说，所述方法实现用于蚀刻的更高UPH(单位小时产能)。在一些其它实施例中，各向同性蚀刻用于蚀刻凹入部分上的保护层及还连续地蚀刻在凹入部分的底部处的暴露半导体。相反地，在根据本公开的实施例中，由于凹入部分的底表面上的保护层通过各向异性第一蚀刻工艺(较高能量及较短时间蚀刻)快速地去除，因此各向同性第二蚀刻(较低能量及较长时间蚀刻)可用于蚀刻在凹入部分的底部处的更多暴露半导体。因此，可实现较高蚀刻速率(较高UPH)。此外，与在一些其它实施例中的凹入部分相比，在本公开的实施例中的凹入部分的侧壁更平滑及均匀，也就是说，侧壁中的扇贝形凹面的形状及大小在整个侧壁中较小及更一致，这在凹入部分用作容纳光纤的沟槽时导致更佳的光透射效率。此外，与在一些其它实施例中的凹入部分相比，本公开中的凹入部分的侧壁更竖直；也就是说，侧壁更垂直于凹入部分的底表面，这在凹入部分用作容纳光纤的沟槽时导致更佳的信号传输效率。

除非另外规定，否则例如“上方”、“下方”、“上”、“左”、“右”、“下”、“顶部”、“底部”、“竖直”、“水平”、“侧面”、“高于”、“低于”、“上部”、“上方”、“下面”等等的空间描述是相对于图中所示的定向来指示的。应理解，本文中所使用的空间描述仅出于说明的目的，并且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何定向或方式在空间上布置，其限制条件为本公开的实施例的优点不会因此布置而有偏差。

如本文所使用，术语“大约”、“大体上”、“大体”及“约”用于描述及解释小的变化。当与事件或情况结合使用时，所述术语可指事件或情况精确发生的例子以及事件或情况极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差小于或等于所述值的平均值的±10％，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％，那么可认为所述两个数值“基本上”相同或相等。

如本文中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一”、“一个”及“所述”可包含多个提及物。

另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率及其它数值。应理解，此范围格式是为了便利及简洁而使用，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围极限的数值，而且包含涵盖于那个范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

尽管已参考本公开的特定实施例描述并说明本公开，但这些描述及说明并不是限制性的。本领域技术人员应理解，可在不脱离如由所附权利要求书界定的本公开的真实精神及范围的情况下，作出各种改变且取代等效物。所述说明可能未必按比例绘制。归因于制造过程及公差，本公开中的工艺再现与实际设备之间可能存在区别。可能存在并未具体说明的本公开的其它实施例。应将本说明书及图式视为说明性的而非限制性的。可进行修改，以使特定情形、材料、物质组成、方法或工艺适宜于本公开的目标、精神及范围。所有此类修改预期在所附权利要求书的范围内。虽然本文中公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作加以描述，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。相应地，除非本文中特别指示，否则操作的次序及分组并非本公开的限制。