[发明专利]基于浓硼掺杂硅的可动微纳结构的制备方法

说明书

一种基于浓硼掺杂硅的可动微纳结构的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在单晶硅衬底的上、下两面做掺杂，形成高浓度硼掺杂层、氧化硅层和硼硅相层；步骤2：用氢氟酸清洗，碱溶液清洗，RCA清洗；步骤3：采用低压化学气相沉积的方法双面生长富氮氮化硅层；步骤4：在富氮氮化硅层的一面光刻、刻蚀，制作出微纳结构凹槽；步骤5：在碱性溶液中溶解掉单晶硅衬底的部分本体硅，形成可动微纳结构；步骤6：在氢氟酸中除去富氮氮化硅层，RCA清洗，获得浓硼掺杂硅的可动微纳结构。本发明的制备方法，可以准确、低成本制作出所设计的单晶硅微纳可动结构，有望在MEMS传感器制备加工中得到广泛应用。

技术领域

本发明涉及微纳电子加工、MEMS器件加工制作领域，尤其涉及一种基于浓硼掺杂硅的可动微纳结构的制备方法。

背景技术

在硅中掺入高浓度的硼，体浓度大于5E19cm^-3时，该硅层在碱溶液中腐蚀速率大大降低。例如，硼掺杂浓度1E20cm^-3与1E18cm^-3的硅在110℃的EPWS(乙二胺，邻苯二酚，吡嗪，水配制)溶液中腐蚀速率约1：200。一般掺杂硼的浓度越大，腐蚀选择比越高。在有机碱溶液中腐蚀比在无机碱溶液中腐蚀选择比高。在低浓度碱溶液中腐蚀比在高浓度碱溶液中腐蚀选择比高。在较低温度下腐蚀比在较高温度下腐蚀选择比高。关于这种高浓度硼掺杂引起的自停止腐蚀的机理，到目前为止，也没有研究的很清楚。比较被接受的有三种模型：应变模型、复合模型和电化学模型。应变模型认为，高浓度杂质原子的掺入，引起单晶硅的晶格变化，产生大的应力，导致表面钝化层氧化硅的快速生长，该钝化层会大大减低单晶硅的腐蚀速率。该模型也说明了，在集成电路制作中，高掺杂的单晶硅湿法氧化的速率明显高于低掺杂硅。复合模型提出，高掺杂硼后硅体内产生大量的空穴，这些空穴能以极快的速度捕获电子进行复合，大大减少了电子向表面的扩散，而这些电子是溶解硅的氧化还原反应所必需的。这种空穴电子复合中心越多，硅的腐蚀速率就会越慢。电化学模型指出，高掺杂浓度硅的表面能级慢慢发生简并，行为接近金属，费米能级基本进入价带，空间电荷层的宽度快速下降到1-2个原子层的数量级，能带弯曲引起的势阱宽度变得极窄。表面氧化还原反应发生后，产生的电子快速穿过薄薄的空间电荷区，被体内的大量空穴所复合。缺少了电子，还原半反应无法进行，导致硅的腐蚀速率大大降低。

在硅中掺杂高浓度的磷也能降低腐蚀速率，但效果较差。例如，在21℃的10％氢氧化钾溶液中，磷掺杂浓度1E21cm^-3与1E18cm^-3的硅，腐蚀速率比约1：10。掺入浓度1E21cm^-3磷到硅中，会大量破坏单晶硅晶格，引起极大的应力，无法用于实际器件。因此，自停止腐蚀层单晶硅的制作一般不采用高浓度磷掺杂。高浓度的锗很容易掺入到硅中，但是，锗的掺入并不能有效减低碱腐蚀速率。例如，5E21cm^-3锗掺入硅后，与低掺杂的硅比较，腐蚀速度仅仅减小了一半。所以，到目前为止，利用高浓度掺杂硼来制作自停止腐蚀层硅，还是最有效的。与绝缘体上硅(SOI)相比较，浓硼掺杂硅工艺的成本优势明显，前者大约10倍多高于后者。另外，利用高浓度掺杂硼制作自停止腐蚀层硅的空间构型、尺寸都可以任意定义，对于SOI来说，就非常困难了。

由于对结深、浓度、均匀性的更高要求，高温扩散掺杂在1980年之后慢慢被离子注入工艺取代。离子注入工艺同样可以用于浓硼掺杂硅工艺，但需要依据具体的结构设计目标，可能需要采用多次注入、激活再分布工艺步骤循环。针对利用高浓度掺杂硼制作自停止腐蚀层硅，高温扩散工艺可以满足工艺加工需求。硼扩散一般采用固态源，硼微晶玻璃或者氮化硼陶瓷片。氮化硼陶瓷先高温氧化转化成三氧化二硼，再使用。一般用高温管式炉，根据炉体恒温区长度，几十片单晶硅片可以一批次完成高浓度硼掺杂。相比离子注入需要复杂昂贵设备，还需要高温设备退火激活再分布，利用高温管式炉的高温扩散掺杂工艺拥有明显成本优势。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于浓硼掺杂硅的可动微纳结构的制备方法，可以准确、低成本制作出所设计的单晶硅微纳可动结构，有望在MEMS传感器制备加工中得到广泛应用。