[发明专利]三维半导体制造

说明书

本文描述了与通过激光器控制半导体的电化学蚀刻有关的各种技术，所述激光器发射具有低于半导体的带隙能量的能量的光。

相关申请

本申请要求于2017年3月31日提交的名称为“THREE-DIMENSIONAL SILICONFABRICATION”的美国临时专利申请号62/480,259和2018年1月17日提交的名称为“THREE-DIMENSIONAL SEMICONDUCTOR FABRICATION”的美国临时专利申请号62/618,205的优先权，所述申请的全部内容通过引用方式合并于本文中。

背景技术

微制造是指用于制造集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)的各种技术。通过传统微制造技术制造的IC和MEMS具有微米或纳米量级的特征尺寸。常规地，IC和MEMS的微制造是逐层工艺，其中沉积半导体(和各种其他材料)的层，用光刻工具图案化，然后蚀刻以限定最终几何形状的部分。通常，这些传统的微制造技术限于产生具有类似于二维挤压几何形状的形状的结构，有时称为2.5D。

此外，这些传统的微制造技术复杂，耗时且昂贵。在一个例子中，单层器件的制造可以包括以下步骤：1)在衬底或晶片上沉积薄膜；2)用光致抗蚀剂掩模层涂覆薄膜，3)光致抗蚀剂掩模层的光刻图案化，4)通过光致抗蚀剂掩模层蚀刻薄膜层，5)剥离光致抗蚀剂掩模层，以及6)在以类似方式沉积和图案化后续层之前彻底清洁衬底或晶片。

发明概述

以下是本文更详细描述的主题的简要概述。本发明内容并非旨在限制权利要求的范围。

本文描述了与通过选择性蚀刻半导体来制造半导体中的结构有关的各种技术。这些技术适用于制造半导体中的各种三维(3D)结构(例如，三维空隙)。此外，这些技术适用于蚀刻半导体中具有比传统选择性蚀刻技术通常可能的更小的特征尺寸的结构。

在各种示例性实施方案中，通过在暴露于蚀刻剂溶液的半导体表面处的电化学反应来蚀刻半导体。基于半导体的原子晶格中的空穴的受控产生(即，晶格中通常被建模为带正电粒子的电子的缺失，称为空穴)，选择性地蚀刻半导体的暴露表面。在蚀刻反应中，半导体的暴露表面处的空穴引起半导体的氧化，随后通过蚀刻剂溶液蚀刻氧化。通过具有低于半导体的带隙能量的能量的照射源(例如，激光器)照射半导体来选择性地产生空穴。单个子带隙能量光子没有足够的能量将半导体中的电子从价带移动到导带。因此，通常子带隙能量光不能在半导体的原子晶格中产生空穴。由照射源发射的子带隙能量光聚焦到足够强的焦斑，以在半导体内引起多光子吸收(MPA)。当发生这种情况时，多个光子的光子能量被组合以超过半导体的带隙能量，从价带激发电子到导带，从而在照射源的焦斑处在半导体的原子晶格中产生空穴。可以在希望执行蚀刻的照射源的焦斑附近的区域中选择性地产生空穴，从而将蚀刻限制在焦斑附近的区域。

由于由照射源发射的光是不经历线性吸收的子带隙能量光，因此半导体对于由照射源发射的光是透明的。通过在半导体的主体内移动照射源的焦斑，可以选择性地控制半导体的蚀刻以在根据传统的半导体蚀刻方法不能被蚀刻的位置处发生。因此，可以在半导体的主体内蚀刻三维特征，这些三维特征不容易通过传统的微制造技术产生。在示例性实施方案中，照射源可以面向半导体的与暴露于蚀刻剂溶液的表面相对的第二表面(例如，背侧表面)定位。在该实施方案中，照射源朝向半导体的第二表面发射光并且通过半导体发射到半导体本体内的焦斑。通过与蚀刻表面相对的第二表面照射半导体避免了发射光的潜在散射，散射可能导致不期望的半导体蚀刻或者可能降低半导体特征的可实现的分辨率。