一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法技术

本发明专利技术公开了一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，包括：S1：在硅衬底表面上依次沉积一介质层和一屏蔽层，所述介质层为氧化硅层或氮化硅层，所述屏蔽层为多晶硅层或非晶硅层；S2：利用硅沟槽加工光刻版在屏蔽层表面形成光刻胶的屏蔽图形；S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对所述屏蔽层进行第一次刻蚀；S4：以第一次刻蚀后的多晶硅层或非晶硅层为屏蔽层对所述介质层进行第二次刻蚀；S5：采用硅沟槽加工光刻版的反版或者光刻胶平坦化的方法，在裸露的硅衬底表面形成光刻胶的屏蔽图形进行第三次刻蚀；S6：以残留的介质层为屏蔽层进行硅刻蚀得到需要的硅沟槽。本发明专利技术能够大大改善硅沟槽的侧壁粗糙度，降低硅基光波导的散射损耗和传输损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体集成电路制造方法，尤其涉及一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法。
技术介绍
硅材料制作光波导的优势是芯层和包层有高的折射率对比，单位面积内的集成度可以做的更高、尺寸可以做的更小。但是硅基光子集成技术的发展还面临的许多问题，其中的一个问题就是光波导的损耗。在半导体集成电路制造中，往往需要对硅衬底进行刻蚀，如集成电路的STI(shallowtrenchisolation)隔离工艺，在硅片表面沉积一薄层氧化硅，在氧化硅上沉积一层氮化硅，在氮化硅表面涂布光刻胶，通过光刻工艺在光刻胶上形成需要的图形窗口，然后以光刻胶为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行氮化硅层和氧化硅层刻蚀，接下来去除表面残留的光刻胶，以氮化硅为屏蔽层进行硅沟槽刻蚀，刻蚀出需要深度、侧壁角度的硅沟槽，在形成的硅沟槽内填充氧化硅实现STI隔离工艺。在实际的生产过程中，刻蚀后硅沟槽的侧壁存在竖直方向的条纹(通常叫“striation”，在本专利技术中把有这种条纹的侧壁称为“粗糙侧壁”，以“侧壁粗糙度”评价这种条纹的严重程度。)，由于STI隔离工艺只是使不同的功能结构从物理上隔离开来，这种条纹的影响还可以接受。但是这种工艺应用到光器件的光波导形成过程中，会在波导侧壁形成这种竖直方向的条纹，增加波导内传输光的散射损耗，进而导致光波导的传输损耗的增加。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，能够大大改善硅沟槽的侧壁粗糙度，降低硅基光波导的散射损耗和传输损耗。本专利技术为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，包括如下步骤：S1：在硅衬底表面上依次沉积一介质层和一屏蔽层，所述介质层为氧化硅层或氮化硅层，所述屏蔽层为多晶硅层或非晶硅层；S2：利用硅沟槽加工光刻版在屏蔽层表面形成光刻胶的屏蔽图形；S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对所述屏蔽层进行第一次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶，形成屏蔽层沟槽并裸露出部分介质层；S4：以第一次刻蚀后的多晶硅层或非晶硅层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺对所述介质层进行第二次刻蚀，形成介质层沟槽并裸露出部分硅衬底；S5：采用硅沟槽加工光刻版的反版或者光刻胶平坦化的方法，在裸露的硅衬底表面形成光刻胶的屏蔽图形，采用干法等离子体刻蚀工艺对裸露的屏蔽层进行第三次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶；S6：以残留的介质层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行硅刻蚀，去除残留的介质层得到需要的硅沟槽。上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述多晶硅层采用CVD沉积方式或外延方式沉积在硅衬底表面。上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述步骤S3还包括采用在多晶硅层表面生长热氧化层再剥离的方法对多晶硅侧壁进行光滑处理。上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述步骤S3采用湿氧氧化生长热氧化层，所述热氧化层的厚度范围为150nm～200nm。上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述步骤S3还包括采用热处理方式对多晶硅层侧壁进行再结晶处理，热处理温度为1150度，热处理时间大于0.5小时。上述的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其中，所述步骤S5中采用的光刻胶平坦化的方法包括如下步骤：在多晶硅层及裸露出的硅衬底表面涂布一层光刻胶，使得多晶硅层高低台阶处对应的光刻胶表面基本共面，采用干法去胶工艺慢慢剥离光刻胶，直至多晶硅层表面露出。本专利技术对比现有技术有如下的有益效果：本专利技术提供的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，通过采用多晶硅层或非晶硅层替代光刻胶做硅刻蚀屏蔽层的屏蔽层(氧化硅层是硅刻蚀的屏蔽层，多晶硅层是氧化硅层刻蚀的屏蔽层)，利用多晶硅层或非晶硅层比光刻胶更好的抗干法刻蚀能力，消除或减小氮化硅(或氧化硅)刻蚀后形成的侧壁竖直方向的条纹，进而改善硅沟槽刻蚀的侧壁形貌，降低以该工艺加工的光波导的传输损耗。附图说明图1为现有硅沟槽及屏蔽层侧壁表面形貌照片图；图2为现有硅沟槽屏蔽层及光刻胶侧壁表面形貌照片图；图3为本专利技术待加工的硅片示意图；图4为本专利技术硅片表面淀积了介质层后示意图；图5为本专利技术硅片表面淀积了介质层和多晶硅层后示意图；图6-图7为图5表面涂布光刻胶并经过光刻在光刻胶上形成图形结构；图8-图9为本专利技术完成多晶硅层刻蚀和去除光刻胶层后的结构示意图；图10-图11为本专利技术完成介质层刻蚀和去除多晶硅层后的结构示意图；图12为本专利技术完成硅沟槽刻蚀的示意图；图13为本专利技术去除表面残留的介质层后的结构示意图。图中：21硅衬底23硅沟槽31介质层33介质层沟槽41光刻胶43光刻胶窗口51多晶硅层53多晶硅层沟槽20加工后的硅沟槽20a加工中的硅晶圆具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的描述。图1为现有硅沟槽及屏蔽层侧壁表面形貌照片图；图2为现有硅沟槽屏蔽层及光刻胶侧壁表面形貌照片图。参见图1和图2，逐层分析该条纹产生的源头，发现硅沟槽侧壁的条纹与屏蔽层氮化硅的侧壁条纹一致，是由氮化硅(或氧化硅)侧壁条纹传递下来的，并且从硅沟槽的顶部到底部，条纹有逐渐变浅的趋势。氮化硅上的条纹又是在以光刻胶做屏蔽层刻蚀氮化硅的时候产生的。因此硅沟槽侧壁产生竖直方向条纹的源头是屏蔽层刻蚀后，屏蔽层的侧壁形成了竖直方向的条纹。分析原因：氮化硅屏蔽层刻蚀时采用的是干法刻蚀，干法刻蚀是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点，不仅分辨率高，而且刻蚀速率快，通过调整二者的强弱比例，可以调节刻蚀侧壁的角度、刻蚀的速率等。而氮化硅刻蚀的屏蔽层是光刻胶，光刻胶是由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体，经过光刻工艺处理后，光刻胶的耐等离子体轰击的能力还较弱，轰击会在光刻胶的表面形成凸凹不平的形貌，同时在干法刻蚀过程中，还会产生一种聚合物(polymer)，这种聚合物会沉积在光刻胶的表面和侧壁以及氮化硅的表面和刻蚀窗口侧壁，有聚合物沉积的位置，聚合物下面的氮化硅不会被刻蚀掉。由轰击形成的光刻胶的凸凹不平的表面和聚合物沉积保护的共同作用，形成了氮化硅刻蚀后侧壁的竖直方向条纹。为解决上述技术问题，本专利技术通过采用多晶硅层或非晶硅层替代光刻胶做硅刻蚀屏蔽层的屏蔽层，利用多晶硅层或非晶硅层比光刻胶更好的抗干法刻蚀能力，消除或减小氮化硅(或氧化硅)刻蚀后形成的侧壁竖直方向的条纹，进而改善硅沟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：在硅衬底(21)表面上依次沉积一介质层(31)和一屏蔽层，所述介质层(31)为氧化硅层或氮化硅层，所述屏蔽层为多晶硅层(51)或非晶硅层；S2：利用硅沟槽加工光刻版在屏蔽层表面形成光刻胶的屏蔽图形；S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对所述屏蔽层进行第一次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶，形成屏蔽层沟槽并裸露出部分介质层(31)；S4：以第一次刻蚀后的多晶硅层或非晶硅层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺对所述介质层(31)进行第二次刻蚀，形成介质层沟槽(33)并裸露出部分硅衬底(21)；S5：采用硅沟槽加工光刻版的反版或者光刻胶平坦化的方法，在裸露的硅衬底表面形成光刻胶的屏蔽图形，采用干法等离子体刻蚀工艺对裸露的屏蔽层进行第三次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶；S6：以残留的介质层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行硅刻蚀，去除残留的介质层得到需要的硅沟槽(23)。

【技术特征摘要】
1.一种用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在硅衬底(21)表面上依次沉积一介质层(31)和一屏蔽层，所述介质层
(31)为氧化硅层或氮化硅层，所述屏蔽层为多晶硅层(51)或非晶硅层；
S2：利用硅沟槽加工光刻版在屏蔽层表面形成光刻胶的屏蔽图形；
S3：采用干法等离子体刻蚀工艺对所述屏蔽层进行第一次刻蚀，刻蚀后去除表
面的聚合物以及光刻胶，形成屏蔽层沟槽并裸露出部分介质层(31)；
S4：以第一次刻蚀后的多晶硅层或非晶硅层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀
工艺对所述介质层(31)进行第二次刻蚀，形成介质层沟槽(33)并裸露出部分硅
衬底(21)；
S5：采用硅沟槽加工光刻版的反版或者光刻胶平坦化的方法，在裸露的硅衬底
表面形成光刻胶的屏蔽图形，采用干法等离子体刻蚀工艺对裸露的屏蔽层进行第三
次刻蚀，刻蚀后去除表面的聚合物以及光刻胶；
S6：以残留的介质层为屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺进行硅刻蚀，去除
残留的介质层得到需要的硅沟槽(23)。
2.如权利要求1所示的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，所述
多晶硅层采用CVD沉积方式或外延方式沉积在硅衬底表面。
3.如权利要求1所示的用于光波导的硅片沟槽刻蚀方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冰，姜剑光，陈东石，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十三研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31