[发明专利]基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米电子学技术领域，具体涉及一种基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法。

技术背景

早在1956年时，美国贝尔实验室Uhlir首次发现并报道了通过电化学腐蚀法可以形成多孔硅薄膜。随后1958年，D.Turner对阳极氧化法成膜的机理进行了研究，并详细论述了多孔硅薄膜的刻蚀条件及其相关性质。

目前，制备多孔硅的方法有多种，但总体可归纳为电化学腐蚀法、光化学腐蚀法、刻蚀法、化学浸湿法和水热腐蚀法等。制备多孔硅采用的材料主要有不同晶向的P型和N型硅片及其他一些粉末材料等。例如，中国专利200610031944描述了一种方法，通过以去离子水为溶剂，加入不大于溶剂重量1%的一氧化硅粉末，混合后置入密封的反应釜中搅拌，将剪裁好的硅片悬挂在该密封反应釜中，于200-500℃温度、3-40MPa压力下保温1-5h，在悬挂的硅片上制得多孔硅。这种类型的制备方法虽然无酸性物质参与反应，但需要的制备环境要求偏高，并且制备出的整个硅片上都有多孔硅存在，但是，在某些应用场合不需整个硅片上都有多孔硅，即该方法不能实现选择性制备出可控结构参数的多孔硅层。

近年来，由于基于绝缘体上硅（SOI，Silicon On Insulator）衬底的技术与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路工艺兼容性很好，所以关于SOI制备多孔硅的研究深得亲睐，其主要制备方法有化学浸湿和气相刻蚀。但传统的电化学腐蚀法无法在SOI硅片上制备高质量的多孔硅层。如果对传统的电化学腐蚀加工工艺加以改进，就能扩充多孔硅的制备方法，还能很好的控制多孔硅的多种结构参数。比如，中国专利201010266478描述了一种新方法，通过在SOI上层硅上通横向电流的电化学腐蚀制备多孔硅，该方法通过垫片（密封圈）将腐蚀面分成内外两个区域，在外区域施加正电流，内区域为负极，进行阳极电化学法腐蚀出多孔硅。这种类型的制备方法采用了横向电流在SOI硅材料上制备多孔硅，但制备过程中需将垫片压紧，这样很容易使比较脆的硅片压碎，并且要把硅片压在垫片上后保证致密性，以防止内外两个区域的溶液相通。

发明内容

为了解决在绝缘体上硅上选择性制备出可控结构参数的多孔硅层的问题，本发明提供一种基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的方法。

基于绝缘体上硅选择性制备多孔硅的具体操作步骤如下：

（1）备片：绝缘体上硅的硅片由上层硅1、绝缘材料层2和底层硅3形成的三层结构的整体硅片，所述上层硅1的材料和底层硅3的材料均为硅，所述绝缘材料层2材料为二氧化硅或氮化硅；用99.5%分析纯的丙酮溶液对硅片进行超声清洗5min，去除表面的油脂污染物，用去离子水冲洗干净；然后用无水乙醇进行超声清洗5min，去除表面的有机残留物，用去离子水冲洗干净；将硅片在氮气保护下、温度150℃的热板上脱水烘焙1min；

（2）湿法刻蚀底层硅：

    1）采用匀胶机在硅片的底层硅3上旋涂一层厚度1μm的光刻胶，形成光刻胶层6，匀胶机的旋转速度为3000-5000转/min，旋涂时间为50s；在氮气保护下、温度90℃的热板上烘焙120s；

    2）在光刻胶层6上贴上掩膜板7，所述掩膜板7上设有透光区域，所述透光区域与生成多孔硅的表面形状和尺寸相一致；在光刻机下曝光，曝光时间为30s，取下掩膜板7，对已曝光的硅片在氮气保护下、温度110℃的热板上烘焙60s；

    3）采用正胶显影液对曝光后的硅片进行显影，消除曝光区域（8）的光刻胶；显影后的硅片在氮气保护下、温度120℃的热板上烘焙120s，将残余的显影液蒸干；

    4）采用浓度5%的氢氧化钾溶液对曝光区域8的底层硅3刻蚀，刻蚀到绝缘材料层2的表面时停止；由于未曝光的光刻胶区域的硅受到保护不被腐蚀，曝光区域8没有受到光刻胶保护而被腐蚀，从而形成一凹槽；

    5）使用99.5%分析纯的丙酮溶液去除硅片的底层硅3表面上剩余的光刻胶；

（3）干法刻蚀凹槽处露出的绝缘层：

    1）当绝缘材料层2材料为二氧化硅时，利用体积流量比为50:3的三氟甲烷和氧气（CHF₃:O₂）的混合气体对与曝光区域8对应凹槽处露出的绝缘材料层2进行垂直刻蚀，其刻蚀速率为30-50nm/min，刻蚀到与凹槽处相对应的上层硅1的下表面4时停止；