[发明专利]一种制备图形化多孔硅结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及到一种制备图形化多孔硅结构的方法，该方法与现有的硅加工工艺兼容，为灵活制造多孔硅MEMS器件奠定基础。

背景技术

多孔硅材料具有很多独特的性质，如高的电阻率、大的比表面积、低热导率、强吸附特性等，可以用在湿度探测器、气体探测器、化学和生物传感器中。自1990年人们发现多孔硅独特的发光效应以来，多孔硅成了研究的热点。一直以来针对多孔硅的研究工作大部分集中在多孔硅的制备方法、发光机理以及多孔硅作为牺牲层等方面。最近随着对多孔硅的进一步研究和认识，多孔硅的研究也逐渐拓展到了微机械系统(MEMS)、生物传感器等新的研究领域。

多孔硅的制备技术如物理的、化学的、电化学方法和相应的装置层出不穷，各有其使用的范围和特点。多孔硅的性能与其微观结构如孔隙率、厚度等参数密切相关。针对多孔硅不同结构表现出的不同性能可以将多孔硅应用于硅的MEMS器件中提高性能，这种研究思路一方面得益于多孔硅的工艺可以与传统的硅基加工工艺相兼容便于器件工艺整合，另一方面与IC工艺兼容便于器件与电路的集成进而实现实用化。多孔硅在MEMS和生物传感器等新的研究领域的应用，通常需要在局部区域形成多孔硅图形化，而不是传统结构中覆盖整个面积的多孔硅层，并且随着硅器件尺寸的不断缩小，也要求制备的多孔硅尺寸越来越小。因此，研究利用半导体微细加工技术区域性生长多孔硅或形成所需的不同结构的多孔硅成为研究多孔硅／硅基器件的关键。

由于多孔硅制备的腐蚀液条件，将多孔硅进行图形化时掩膜的选择成为关键，需要对非多孔硅区域实现有效的保护。一种方法是采用硼离子注入技术，在n型高阻硅衬底上的局部微区域通过离子注入形成易于腐蚀的p型硅，用电化学方法制备出图形化的多孔硅阵列。通过控制硼离子注入能量控制其注入深度，从而准确控制制备的多孔硅厚度，但是由于注入能量的限制，所以这种方法只适合于制备薄层的多孔硅，且衬底硅片的类型和参数受到限制。

同样采用离子注入方法，是在单晶硅中通过注入氢或氦离子等形成局部高阻硅掩膜作为选择性腐蚀多孔硅的掩膜。高阻硅的掩蔽效果随着腐蚀时间加长会下降，同时受离子注入能量的影响只能形成薄层多孔硅，如采用1μm厚的高阻层能够形成约6μm厚的多孔硅。

形成图案化多孔硅的方法也可以采用无掩膜方法，如利用光照腐蚀的方法中在光源和硅片之间放置掩膜阻挡光照形成多孔硅图形，或者电化学方法中在硅片下面水平放置图案化的电极使电场局域化来制备多孔硅图形，虽然省去了掩膜的选取和光刻过程，但是这些方法只适合于制备图案简单的多孔硅图形。

针对多孔硅在MEMS领域的应用，比较有效的图形化方法是采用淀积氮化硅或多晶硅掩膜的方法。而多晶硅通常也会受到腐蚀，多孔硅的厚度受多晶硅掩蔽层的影响和制约。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种制备图形化多孔硅结构的方法，以解决多孔硅／硅MEMS器件制备中的工艺整合难题，并与硅MEMS器件工艺相兼容。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种制备图形化多孔硅结构的方法，包括：

步骤1：在硅片上依次淀积氧化硅和氮化硅，形成双层掩膜结构；

步骤2：在硅片上双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域，然后采用干法刻蚀依次去掉该图形窗口区域中的氮化硅和氧化硅层，露出硅片的表面；

步骤3：对露出的硅片表面进行湿法腐蚀，形成硅腔结构；

步骤4：采用水热腐蚀方法在硅腔结构内形成多孔硅层，完成图形化多孔硅结构的制备。

上述方案中，步骤1中所述硅片采用单晶硅层。

上述方案中，步骤1中所述双层掩膜结构中的氧化硅是采用热氧化方法、等离子体化学气相沉积方法、溅射方法或低压化学气相沉积方法，在硅片的一面或双面形成的。

上述方案中，步骤1中所述双层掩膜结构中的氮化硅是采用低压化学气相沉积方法、等离子体化学气相沉积方法或溅射方法在氧化硅上形成的。

上述方案中，步骤1中所述双层掩膜结构中的氮化硅是单层氮化硅，或者是富氮、富硅的氮化硅层的组合。

上述方案中，步骤2中所述在硅片上双层掩膜结构的表面定义氮化硅／氧化硅掩膜图形窗口区域是采用光刻技术实现的。

上述方案中，步骤4中所述多孔硅层是采用水热腐蚀方法制备的，水热腐蚀时通过由光刻和刻蚀技术定义的氮化硅／氧化硅掩膜图形来形成。