CN100345251C - 在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法，用于微电子机械系统(MEMS)可动部件制造中。该方法步骤包括：先在硅基衬底上制作深槽图形时制作沟槽，连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片的外边缘，与大气相通，然后与另一硅片进行硅/硅键合，形成键合片，再用减薄、抛光方法减薄另一硅片，获得所需的硅薄膜。该方法巧妙地消除了键合和后面工序高温处理中由于键合片空腔内空气受热膨胀，造成硅膜变形，甚至薄膜断裂、脱落的问题，使制作在带深槽图形的硅基衬底上的硅薄膜晶格结构损伤小、厚度均匀，大大提高了硅薄膜成品率，以满足制作硅基MEMS可动部件所需薄膜的要求。

Description

在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法

(一)技术领域

本发明涉及一种在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法。用于在具有图形的硅基衬底上制备符合微电子机械糸统(MEMS)可动部件制造要求的硅薄膜。

(二)背景技术

目前，半导体集成电路制造技术中，在硅基衬底上制作符合要求的硅薄膜的方法主要有：

1.离子注入形成硅薄膜技术。它是采用离子注入氧(SIMOX)的原理，把氧离子注入到硅片表面下，通过退火处理形成一层埋层氧化层，从而在绝缘硅基上获得一层硅薄膜。这种方法获得的硅薄膜均匀性好，但厚度仅有0.25微米，绝缘氧化层也仅有0.4微米，并且离子注入造成的损伤和缺陷难以消除。

2.硅-硅键合减薄抛光技术。它是将一个硅片氧化，然后与另一硅片键合，再进行高温退火处理，使两硅片通过硅氧键牢固地键合在一起，然后将一硅片减薄、抛光，获得所要求的硅薄膜。这种方法的优点在于硅薄膜晶格完整性好，完全达到体硅水平，薄膜厚度可以根据需要随意控制。缺点是薄膜的均匀性和界面缺陷难以控制，通过改进键合技术和提高减薄、抛光技术，目前已经能够把硅薄膜厚度控制在±0.5微米误差以内，缺陷密度降到了集成电路工艺规范值以内，成为高性能集成电路研制、生产中常用的硅薄膜制造技术。

3.智能剥离(Smart-cut)技术。该方法是采用高能离子注入把氢离子注入一硅片中，然后与氧化后的另一硅片进行硅-硅键合，高温退火，硅片自动从氢区域剥离开来，在绝缘硅基衬底上得到了一层0.3-0.4微米的硅薄膜。但是硅薄膜表面受氢的分布影响，表面比较粗糙，需要进行抛光处理。

在微电子机机械系统(MEMS)中，利用硅基集成电路工艺技术与微机械精密技术结合的方法，获得硅基MEMS可动部件，就需要在有图形的绝缘硅基衬底上制作硅薄膜，以保证在后序加工中能够把可动部件成功地释放开来。上述三种制作硅薄膜的方法中，离子注入技术和智能剥离技术在绝缘硅基衬底上形成硅薄膜的方法都不能采用，其主要原因是不能形成较厚的硅薄膜，不能用于制作硅基可动部件。虽然采用硅—硅键合减薄抛光技术能够获得制作硅基MEMS可动部件所需厚度的硅膜，但仍存在如下问题：由于硅基表面有图形，有效硅/硅键合面积减少，尤其是带图形的衬底与上面键合的硅片在图形区域形成一个个小的空腔，在键合和后面IC加工中，高温处理会使空腔中空气受热膨胀，造成硅膜变形，甚至薄膜断裂、脱落，严重影响硅薄膜的成品率。

(三)发明内容

本发明所要解决的技术问题在于发明一种在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法。以消除在键合和后面IC加工中高温处理会使深槽图形的空腔内空气受热膨胀，造成硅基衬底上硅薄膜变形，甚至薄膜断裂、脱落的问题，使制作在带深槽图形的硅基衬底上的硅薄膜晶格结构损伤小、厚度均匀，从而提高其硅薄膜成品率，以满足制作硅基MEMS可动部件所需硅薄膜的要求。

本发明解决上述技术问题的技术方案在于该方法包括如下步骤：

(1)在硅基衬底上制作深槽图形时制作沟槽，连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片的外边缘，与大气相通：

(2)将制作有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片与另一硅片进行硅/硅键合，形成键合片；

(3)用减薄、抛光方法减薄另一硅片，获得所需硅基衬底上的硅薄膜。

所述在硅基衬底上制作深槽图形时制作沟槽，连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘，与大气相通的方法包括：

(1)用RCA清洗方法清洗作为硅基衬底的硅片；

(2)将硅基衬底片的表面进行氧化，在其上形成二氧化硅氧化层；

(3)用常规光刻方法在形成二氧化硅氧化层的硅基衬底片上刻蚀出深槽图形所需的图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽所需的图形，然后，用有掩模/无掩模方法进行干法深槽刻蚀，对深槽图形所需的图形和沟槽所需的图形进行加工，直至达到两图形所要求的槽深度。

硅/硅键合，形成键合片的方法包括：

(1)用湿法腐蚀方法漂光具有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片上的氧化层，所述湿法腐蚀方法是用HF∶NH₄F＝1∶5的稀释液在39℃下腐蚀氧化层，腐蚀5分钟，直到露出硅层。

(2)用RCA清洗方法清洗经漂光氧化层的具有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片；

(3)将清洗后的具有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片的表面进行氧化，形成二氧化硅氧化层。

(4)将经氧化后的具有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片与表面未进行氧化的另一硅片进行常温键合，形成键合片；

(5)对常温键合获得的键合片进行高温退火处理，在1200℃下退火3小时。

连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽深20-40微米，宽20-30微米。

有益效果。由于本发明方法采用了上述的技术方案，采用制作一些沟槽把所有深槽图形连接起来，并贯穿到硅基衬底硅片外边缘，与大气相通的方法，在键合和后面工序的高温处理过程中，消除了高温处理中硅基衬底与硅膜形成的微腔中空气受热膨胀，造成硅膜变形，甚至薄膜断裂、脱落的问题，使制作在带深槽图形的硅基衬底上的硅薄膜晶格结构损伤小、厚度均匀，大大提高了在具有深槽图形的硅基衬底上制各硅薄膜的成品率，满足了制作硅基MEMS可动部件所需硅薄膜的要求。并且本方法的硅硅键合工艺不需要在真空条件下进行，简化了硅基衬底上制作硅薄膜的工艺步骤，由此降低了成本。

(四)附图说明

图1为本发明对硅片氧化形成带二氧化硅氧化层后的硅基衬底片的剖面示意图；

图2为本发明图1的硅基衬底片上光刻出深槽图形所需的图形后的剖面示意图；

图3为本发明图2的硅基衬底片上制作有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外缘的沟槽后的剖面示意图；

图4为本发明图3制作有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外缘的沟槽后的硅基衬底片的俯视示意图；

图5为本发明图3或图4的硅基衬底片上通过漂光氧化层、清洗、再氧化形成绝缘氧化层后的剖面示意图；

图6为本发明图5带绝缘氧化层的硅基衬底片与未经氧化的另一硅片键合形成键合片后的剖面示意图。

图7为本发明图6的键合片经减薄、抛光获得厚度符合要求的硅薄膜后的剖面示意图；

图8为本发明方法的步骤方框图。

(五)具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述。下面结合附图对本发明方法加以进一步说明。

本发明方法的步骤(见图8)在于：

首先，在硅基衬底上制作深槽图形时制作沟槽，连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片的外边缘，与大气相通。即先用通用的光刻方法将在有氧化层的硅片2(硅基衬底)上刻出深槽图形3和连接每个深槽图形3并贯穿到硅基衬底片2的外边缘，与大气相通的沟槽4所需的图形，再用有掩模/无掩模方法进行干法深槽刻蚀，在硅片2上获得深槽图形3和沟槽4，达到两图形所要求的槽深度，并且每个深槽图形3用沟槽4连接，通向硅片2外边缘，与大气相通。具体方法如下：

(1)用通用的RCA清洗方法清洗硅片(硅基衬底)2，即将硅片2分别用1号液NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶7和2号液HCL∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶7各清洗10分钟。

(2)用通用的氢氧合成硅片氧化方法将清洗后的硅片2的表面进行氧化，形成厚600±50nm的二氧化硅(SiO₂)氧化层1，如图1所示。

(3)将具有氧化层1的硅片2用常规的光刻方法进行光刻，在硅片2上光刻出深槽图形3所需的图形，如图2所示。

(4)将刻出有深槽图形3所需的图形的硅片2再次进行光刻，在硅片2上光刻出连接每个深槽图形3并通向硅片2外边缘与大气相通的沟槽4所需的图形，根据深槽图形3所需的图形与沟槽4所需的图形的深浅要求，如果深槽图形3所需的图形要求比沟槽4所需的图形深时，就用光刻胶作掩蔽层进行常规光刻，先对深槽图形3所需的图形进行干法深槽刻蚀，如在ALCATEL601E干法刻蚀机上刻蚀，到该所需的图形的槽深度为深槽图形3所需的图形的深度减去沟槽4所需的图形的深度时，用常规的干法或湿法去胶方法去掉光刻胶，这样深槽图形3所需的图形与沟槽4所需的图形都露出来，其它区域由二氧化硅保护，再利用干法刻蚀机进行所述两个所需的图形的干法刻蚀，直至达到沟槽4的槽深度，同时，深槽图形3的深度也达到要求，这种方法又叫有掩模/无掩模的方法。如果深槽图形3所需的图形需要比沟槽4所需的图形浅时，与上述制作方法相同，只是用光刻胶作掩蔽层进行常规光刻，先干法刻蚀沟槽4所需的图形而已，如图3、图4所示。连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽深20-40微米，宽20-30微米。

然后，将所述的制作有深槽图形和连接每个深槽图形3并贯穿到硅基衬底片2外边缘的沟槽4的硅基衬底片与另一硅片5进行硅/硅键合，形成键合片。即将所获得带深槽图形3和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片的外边缘、与大气相通的沟槽4的硅片2进行漂光氧化层、清洗、氧化，得到绝缘氧化层6，如图5所示，再与无氧化层的另一硅片5进行硅/硅键合，形成键合片，如图6所示。具体方法如下：

(1)将制作有深槽图形3和连接每个深槽图形3并贯穿到硅基衬底片2外边缘的沟槽4的硅基衬底片用常规的湿法腐蚀方法，漂光其上的二氧化硅，所述湿法腐蚀方法(氢氟酸腐蚀法)是用HF∶NH₄F＝1∶5的HF稀释液在39℃下腐蚀氧化层1，腐蚀5分钟左右，直到露出硅基衬底2的硅表面，然后进行RCA清洗，用通用的氢氧合成硅片氧化方法对表面进行氧化，形成厚600±50nm的二氧化硅(SiO₂)绝缘氧化层6，如图5所示，

(2)将制作有绝缘氧化层6的带深槽图形3和连接每个深槽图形3并贯穿到硅基衬底片2外边缘的沟槽4的硅基衬底片和表面未经氧化的另一硅片5装于通用键合机，如KARLSUSS公司的CL键合机中，用通用的硅/硅键合方法清洗甩干后进行常温键合，形成键合片，如图6所示。

(3)对所述键合片进行高温退火处理，在1200℃下退火3小时，以加固键合。

最后，用减薄抛光方法减薄另一硅片5，获得所需的硅薄膜。即用通用的减薄、抛光方法，减去多余的硅，得到厚度符合要求的硅薄膜，从而在具有深槽图形的硅基衬底上制作成符合要求的硅薄膜5。如图7所示。其具体方法如下：

经高温退火处理的键合片在通用减薄机，如EVG公司的VG200MKII机上用通用的减薄方法对另一硅片5进行减薄，在通用抛光机，如美国生产的AVANTI427型机上用日本产的WP622或WP8040抛光液抛光，形成厚度符合要求的硅薄膜键合片，如图7所示，即在具有深槽图形的硅基衬底上制作成硅薄膜。

本发明方法中的单项工艺技术，如上述的清洗、氧化、硅/硅常温键合及其高温退火、减薄、抛光、硅及硅氧化层的干法、湿法腐蚀方法及其腐蚀液、光刻及其涂胶、去胶等的工艺方法及其参数条件均为本领域技术人员通用技术，也不是本发明方法的主题，在此不在详述。

Claims (4)

1.一种在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法，其特征在于，该方法步骤包括：

(1)在硅基衬底上制作深槽图形时制作沟槽，连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片的外边缘，与大气相通；

(2)将制作有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片与另一硅片进行硅/硅键合，形成键合片；

(3)用减薄、抛光方法减薄另一硅片，获得所需硅基衬底上的硅薄膜。

2.根据权利要求1所述的在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法，其特征在于，所述在硅基衬底上制作深槽图形时制作沟槽，连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘，与大气相通的方法包括：

(1)用RCA清洗方法清洗作为硅基衬底的硅片；

(2)将硅基衬底片的表面进行氧化，在其上形成二氧化硅氧化层；

(3)用常规光刻方法在形成二氧化硅氧化层的硅基衬底片上刻蚀出深槽图形所需的图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽所需的图形，然后，用有掩模/无掩模方法进行干法深槽刻蚀，对深槽图形所需的图形和沟槽所需的图形进行加工，直至达到两图形所要求的槽深度。

3.根据权利要求1所述的在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法，其特征在于，硅/硅键合，形成键合片的方法包括：

(1)用湿法腐蚀方法漂光具有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片上的氧化层，所述湿法腐蚀方法是用HF∶NH₄F＝1∶5的稀释液在39℃下腐蚀氧化层，腐蚀5分钟，直到露出硅层；

(2)用RCA清洗方法清洗经漂光氧化层的具有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片；

(3)将清洗后的具有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片的表面进行氧化，形成二氧化硅氧化层；

(4)将经氧化后的具有深槽图形和连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽的硅基衬底片与表面未进行氧化的另一硅片进行常温键合，形成键合片；

(5)对常温键合获得的键合片进行高温退火处理，在1200℃下退火3小时。

4.根据权利要求1、2或3所述的在具有深槽图形的硅基衬底上制作硅薄膜的方法，其特征在于，连接每个深槽图形并贯穿到硅基衬底片外边缘的沟槽深20-40微米，宽20-30微米。

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