[发明专利]硅的各向异性刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造领域，涉及一种硅的各向异性刻蚀方法。

背景技术

在三维集成电路制造技术中，硅的各向异性湿法蚀刻工艺被广泛应用各种微机械结构制程上，使用的蚀刻化学品多为TMAH等化学品。硅的各向异性湿法蚀刻工艺是利用腐蚀液对单晶硅不同晶向腐蚀速率不同的特性，使用抗蚀材料作掩模，采用湿法腐蚀手段进行较大深度的腐蚀。

通常在硅的各向异性湿法蚀刻制程中硅被蚀刻厚度达到300～700微米，以形成设计所需要的各种腔体结构。当前技术中使用TMAH蚀刻速率在0.3-0.8微米/分钟，一次工艺过程时间需要10～20小时，甚至更多；大量生产时，严重影响产能和生产效率。

为了控制离子污染，当前技术通常采用TMAH(tetramethylammonium hydroxide，四甲基氢氧化铵)进行硅的蚀刻，TMAH是一种有机、无色的水溶液，具有毒性低的优点；TMAH蚀刻具有以下特点：（1）硅蚀刻速率随浓度升高而降低，随温度升高而升高；在22wt%的浓度、80℃的温度下，蚀刻速率为0.5～0.6微米/分钟；在5%wt的浓度、90℃的温度下，蚀刻速率可以达到1.4微米/分钟；在5%wt的浓度、100℃的温度下，蚀刻速率可以达到2.4um/min；（2）(100)面金字塔型的小丘密度随浓度变化而变化，22wt%时最好；所以目前半导体业内通常使用22wt%@80℃的工艺条件；其工艺过程时间较长，达21小时以上，高浓度的TMAH溶液价格高昂，无法广泛应用。

因此，提供一种新的硅的各向异性刻蚀方法以缩短制程时间，提高生产效率，同时保证工艺质量并节约成本实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅的各向异性刻蚀方法，用于解决现有技术中制程时间太长，严重影响产能和生产效率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅的各向异性刻蚀方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底正面形成图形化掩模层，并在所述单晶硅衬底背面形成一保护层；

S2：以所述图形化掩模层为掩模，采用第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第一预设时间；

S3：进一步以所述图形化掩模层为掩模，采用第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底进行湿法刻蚀并维持第二预设时间，形成腔体结构；所述第二浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率小于所述第一浓度的各向异性腐蚀液对所述单晶硅衬底的腐蚀速率。

可选地，所述第二浓度大于第一浓度。

可选地，所述各向异性腐蚀液为TMAH溶液。

可选地，所述第一浓度为5wt%～15wt%，该第一浓度的TMAH溶液的温度是80～100℃；所述第二浓度为20wt%～25wt%，该第二浓度的TMAH溶液的温度是70～90℃。

可选地，于所述步骤S2中进行湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗的步骤；于所述步骤S3中进行湿法刻蚀之后，还包括用纯水将获得的结构进行清洗并干燥的步骤。

可选地，于所述步骤S1中在形成所述保护层之后，进一步将所述保护层图形化，形成图形化的保护层；所述图形化的保护层的图案与所述图形化掩模层的图案相对应；于所述步骤S2及步骤S3中，同时以所述图形化的保护层为掩模进行湿法刻蚀；所述腔体结构为上下贯穿的通孔结构。

可选地，所述腔体结构的限制面包括硅的（100）面及（111）面，所述第二预设时间大于1.5小时。

可选地，所述腔体结构的限制面包括硅的（110）面及（111）面，所述第二预设时间大于1.5小时。

可选地，所述腔体结构的限制面为硅的（111）面及所述保护层，所述第一预设时间为所述第二预设时间的4～20倍。

可选地，所述第二预设时间小于1.5小时。

可选地，于所述步骤S1中在形成所述保护层之前，首先在所述单晶硅衬底背面形成一多晶硅层；所述多晶硅层与所述图形化掩模层的开口位置相对应；所述保护层覆盖所述多晶硅层。