CN101774531B - 一种mems微桥结构接触孔制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS微桥结构接触孔制备方法，在半导体硅衬底上依次完成反射层、介质层、牺牲层、释放保护和支撑层、金属层，以及形成于金属电极表面和未被金属电极覆盖的释放保护和支撑层表面的敏感材料层的沉积与图形化。本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法中，使用同一块光刻掩膜版实现支撑孔和位于支撑孔内部的接触孔图形的光刻曝光，不仅极大的降低了该产品的生产和研发成本，而且提高了工艺窗口，相应地可提高该MEMS的性能、成品率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS制造工艺，具体涉及MEMS微桥结构的制备，属于半导体技术领域。
背景技术
微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanica System，MEMS)技术具有微小、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，故其已开始广泛应用于诸多领域。
MEMS微桥结构是MEMS领域中应用非常广泛的一种结构，它利用牺牲层释放工艺形成桥结构，可以广泛的应用于探测器、传感器等产品中。在MEMS微桥结构中，接触孔在一些无柱连接中对微桥结构电连接起到非常关键的作用，因此基础空对整个探测器来说是非常关键的。现有技术中，在制备MEMS微桥结构接触孔时，首先在牺牲层上光刻刻蚀形成支撑孔图形，然后通过化学气相淀积(CVD)方法依次在支撑孔内沉积释放保护层、支撑层等介质材料，并光刻刻蚀打开支撑孔底部介质，形成接触孔，接着沉积金属层薄膜实现其电连接。在该制备过程中，支撑孔和接触孔的图形化工艺需要两步光刻和两块光刻掩膜版，研发和生产成本较高，同时，对准精度也难以精确控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种MEMS微桥结构接触孔制备方法，使用一块光刻掩膜版来实现支撑孔和接触孔两步图形化工艺中的光刻曝光，大幅度提高对准精度，并能够极大的降低研发和生产成本。
为解决上述技术问题，本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法包括以下步骤：
(1)在硅衬底上依次完成反射层、介质层和牺牲层的制备；
(2)刻蚀牺牲层表至曝露出反射层表面，实现支撑孔的图形化；
(3)在步骤(2)制备完成的器件结构表面沉积第一释放保护层；
(4)在支撑孔内刻蚀第一释放保护层至曝露出反射层表面，实现接触孔的图形化；
(5)在步骤(4)制备完成的器件结构表面沉积金属层，并将其图形化；
(6)在步骤(5)制备完成的器件结构表面沉积敏感材料层，并将其图形化；
(7)在步骤(6)制备完成的器件结构表面沉积第二释放保护层；
其中，步骤(2)中支撑孔的图形化和步骤(4)中接触孔的图形化过程中使用同一光刻掩膜版，通过欠曝光技术实现不同尺寸孔图形的光刻。
本发明提供的MEMS微桥结构接触孔的制备方法中，反射层材料为Ti或TiN或Al，介质层材料为二氧化硅，其厚度均为二者表面经化学机械抛光后在同一水平面上。
进一步的，牺牲层功过涂敷或化学气相淀积方法沉积，并通过化学刻蚀工艺释放，其材料为多孔硅或非晶硅或二氧化硅或聚酰亚胺。
进一步的，第一释放保护层和第二释放保护层通过原子层沉积或化学气相淀积方法沉积，二者材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅中的一种，或者非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种，或者掺杂有磷或硼或碳或氟元素的上述材料中的一种，其中，第一释放保护层和第二释放保护层的材料可以相同，也可以不同，第一释放保护层和第二释放保护层的厚度均为
进一步的，敏感材料层通过化学气相淀积或物理汽相淀积方法沉积，其材料为掺硼或磷的非晶硅或V2O5或多晶SiGe或YBaCuO，其厚度为
进一步的，金属层通过物理汽相淀积方法沉积，其材料为钛、钽、上下层叠的氮化钛和钛、上下层叠的钽和氮化钽中的一种，其厚度为
本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法中，步骤(4)和步骤(5)的工艺顺序可以互换，在沉积金属层前先沉积敏感材料层时，敏感材料层的图形化为在接触孔位置开窗口，刻蚀至曝露出反射层表面。
本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法中，还可以包括一支撑层的淀积，该步骤在第一释放保护层淀积完成后进行。步骤(3)完成后，第一释放保护层表面首先沉积一支撑层，再进行接触孔的图形化，该支撑层的材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅中的一种，或者非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种，或者掺杂有磷或硼或碳或氟元素的上述材料中的一种，支撑层的厚度为
在本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法中，化学气相淀积(CVD)方法可以为低压化学气相淀积(LPCVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)或常压化学气相淀积(APCVD)或亚常压化学气相淀积(SACVD)或高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)。
本发明的技术效果是，在制备MEMS微桥结构及其接触孔的过程中，使用制备支撑孔的光刻板和相同的对准模式，通过欠曝光技术来减小光刻后孔的尺寸，实现接触孔的制备工艺，从而避免因制备光刻掩膜版而引入的对准误差，进一步提高对准精度和工艺窗口，极大的提高了MEMS产品的性能、成品率和可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法第一具体实施方式流程图；
图2至图6为本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法第一具体实施方式工艺步骤剖面结构图；
图7为本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法第二具体实施方式流程图；
图8至图12为本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法第二具体实施方式工艺步骤剖面结构图；
图13为欠曝光技术中曝光能量和曝光出的图形尺寸关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法第一具体实施方式流程图。
如图1所示，本具体实施方式提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法包括以下步骤：
步骤一，在硅衬底101上依次完成反射层103、介质层102的制备。
该步骤中，首先生长用作连接电极的反射层103，并光刻刻蚀实现其图形化，然后沉积介质层102，并采用化学机械抛光方法(CMP)抛光至曝露出反射层103表面。所生长反射层103的材料为Ti或TiN或Al，介质层102为SiO2，其厚度均为如图2所示，二者表面平齐，在同一水平面上。
步骤二，生长牺牲层104，并实现支撑孔105的图形化。
该步骤中，如图3所示，牺牲层104为聚酰亚胺(polymide)、非晶硅、多孔硅、二氧化硅中任一种或其中任意几种的组合物，其通过涂敷或化学气相淀积(CVD)方法制备，并通过化学刻蚀工艺进行释放，刻蚀至曝露出反射层103表面，形成支撑孔105。
步骤三，沉积第一释放保护层106a及敏感材料层107，并实现接触孔108的图形化。
该步骤中，第一释放保护层106a通过原子层沉积(ALD)或化学气相淀积(CVD)方法沉积，其材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅中的一种，或者非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种，或者掺杂有磷或硼或碳或氟元素的上述材料中的一种，其厚度为 在本实施例中，第一释放保护层106a为二氧化硅，厚度为
该步骤中，敏感材料层107通过化学气相淀积(CVD)或物理汽相淀积(PVD)方法沉积，其材料为掺硼或磷的非晶硅或V2O5或多晶SiGe或YBaCuO，其厚度为在本实施例中，敏感材料层107为掺硼的非晶硅，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法沉积。
该步骤中，如图4所示，刻蚀第一保护层106a和敏感材料层107在支撑孔105内覆盖反射层103的部分，直至曝露反射层103的表面，来实现接触孔108的图形化。
接触孔108的图形化使用与支撑孔105图形化过程中相同的光刻掩膜版来实现。由于任一支撑孔105内部都需要光刻并刻蚀出一个接触孔108，故可以使用相同的光刻掩膜版及对准模式来实现。由于接触孔108的尺寸小于支撑孔105的尺寸，在光刻工艺中，可利用欠曝光技术，即减小曝光能量来减小曝光出的图形尺寸来实现。对同一光刻胶，曝光能量和曝光出的图形尺寸关系如图13所示。在本实施例中，支撑孔105的尺寸为1μm～3μm，曝光能量在40mJ/cm2左右，接触孔108的尺寸为0.5μm～1μm，曝光能量在25mJ/cm2左右。同时，在刻蚀过程中，通过增加SF6、CF4、CHF3等能产生聚合物(polymer)的反应气体比例，在刻蚀时沉积聚合物在接触孔105侧壁以保护侧壁，也可进一步控制和减小接触孔108的尺寸。
步骤四，沉积金属层109，并将其图形化。
在该步骤中，如图5所示，金属层109通过物理汽相淀积(PVD)方法沉积，其材料为钛、钽、上下层叠的氮化钛和钛、上下层叠的钽和氮化钽中的一种，其厚度为在本实施例中，金属层109为上下层叠的氮化钛和钛，在金属层109实现图形化时，其金属层109刻蚀工艺停留在敏感材料层107上，金属层109与敏感材料层107的刻蚀选择比大于一预设安全值，该预设安全值为10，在此可通过刻蚀气体为氩气(Ar)或三氟甲烷(CHF3)或三氯化硼(BCl3)或氯气(Cl2)的等离子干法刻蚀工艺刻蚀金属层109。在本实施例中，通过刻蚀气体为氩气的等离子干法刻蚀工艺刻蚀金属层109。
步骤五，沉积第二释放保护层106b，并实现其图形化。
在该步骤中，如图6所示，第二释放保护层106b通过原子层沉积(ALD)或化学气相淀积(CVD)方法沉积，其材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅中的一种，或者非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种，或者掺杂有磷或硼或碳或氟元素的上述材料中的一种，其厚度为第二释放保护层106b的材料与第一释放保护层106a的材料可以相同，也可以不同。在本实施例中，第二释放保护层106b的材料与第一释放保护层106a的材料相同，为二氧化硅，其厚度也为
在本具体实施方式中，所涉及的化学气相淀积(CVD)方法可以为低压化学气相淀积(LPCVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)或常压化学气相淀积(APCVD)或亚常压化学气相淀积(SACVD)或高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)。
图7为本发明提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法第二具体实施方式流程图。
如图7所示，本具体实施方式提供的MEMS微桥结构接触孔制备方法包括以下步骤：
步骤一，在硅衬底201上依次完成反射层203、介质层202的制备。
该步骤中，首先生长用作连接电极的反射层203，并光刻刻蚀实现其图形化，然后沉积介质层202，并采用化学机械抛光方法(CMP)抛光至曝露出反射层203表面。所生长反射层203的材料为Ti或TiN或Al，介质层202为SiO2，其厚度均为如图8所示，二者表面平齐，在同一水平面上。
步骤二，生长牺牲层204，并实现支撑孔205的图形化。
该步骤中，如图9所示，牺牲层204为聚酰亚胺(polymide)、非晶硅、多孔硅、二氧化硅中任一种或其中任意几种的组合物，其通过涂敷或化学气相淀积(CVD)方法制备，并通过化学刻蚀工艺进行释放，刻蚀至曝露出反射层203表面，形成支撑孔205。
步骤三，沉积第一释放保护层206a和支撑层207，并实现接触孔208的图形化。
该步骤中，第一释放保护层206a和支撑层207通过原子层沉积(ALD)或化学气相淀积(CVD)方法沉积，其材料均为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅中的一种，或者非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种，或者掺杂有磷或硼或碳或氟元素的上述材料中的一种，第一释放保护层206a的厚度为在本实施例中，第一释放保护层206a和支撑层207均为二氧化硅，第一释放保护层206a的厚度为
该步骤中，如图10所示，刻蚀第一保护层206a和支撑层207在支撑孔205内覆盖反射层203的部分，直至曝露反射层203的表面，来实现接触孔208的图形化。
接触孔208的图形化使用与支撑孔205图形化过程中相同的光刻掩膜版来实现。由于任一支撑孔205内部都需要光刻并刻蚀出一个接触孔208，故可以使用相同的光刻掩膜版及对准模式来实现。由于接触孔208的尺寸小于支撑孔205的尺寸，在光刻工艺中，可利用欠曝光技术，即减小曝光能量来减小曝光出的图形尺寸来实现。对同一光刻胶，曝光能量和曝光出的图形尺寸关系如图13所示。在本实施例中，支撑孔205的尺寸为1μm～3μm，曝光能量在40mJ/cm2左右，接触孔208的尺寸为0.5μm～1μm，曝光能量在25mJ/cm2左右。同时，在刻蚀过程中，通过增加SF6、CF4、CHF3等能产生聚合物(polymer)的反应气体比例，在刻蚀时沉积聚合物在接触孔205侧壁以保护侧壁，也可进一步控制和减小接触孔208的尺寸。
步骤四，沉积金属层209，并将其图形化。
在该步骤中，如图11所示，金属层209通过物理汽相淀积(PVD)方法沉积，其材料为钛、钽、上下层叠的氮化钛和钛、上下层叠的钽和氮化钽中的一种，其厚度为在本实施例中，金属层109为上下层叠的钽和氮化钽，在金属层209实现图形化时，其金属层209刻蚀工艺停留在第一释放保护层206a和支撑层207上，金属层209与第一释放保护层106a和支撑层207的刻蚀选择比大于一预设安全值，该预设安全值为10，在此可通过刻蚀气体为氩气(Ar)或三氟甲烷(CHF3)或三氯化硼(BCl3)或氯气(Cl2)的等离子干法刻蚀工艺刻蚀金属层209。在本实施例中，通过刻蚀气体为氯气的等离子干法刻蚀工艺刻蚀金属层209。
步骤五，沉积敏感材料层210和第二释放保护层206b，并实现其图形化。
在该步骤中，如图12所示，敏感材料层210通过化学气相淀积(CVD)或物理汽相淀积(PVD)方法沉积，其材料为掺硼或磷的非晶硅或V2O5或多晶SiGe或YBaCuO，其厚度为在本实施例中，敏感材料层107为掺磷的V2O5，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法沉积。
在该步骤中，如图12所示，第二释放保护层206b通过原子层沉积(ALD)或化学气相淀积(CVD)方法沉积，其材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅中的一种，或者非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种，或者掺杂有磷或硼或碳或氟元素的上述材料中的一种，其厚度为第二释放保护层206b的材料与第一释放保护层206a的材料可以相同，也可以不同。在本实施例中，第二释放保护层206b的材料与第一释放保护层206a的材料不同，为非化学计量的二氧化硅，其厚度也为
在本具体实施方式中，所涉及的化学气相淀积(CVD)方法可以为低压化学气相淀积(LPCVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)或常压化学气相淀积(APCVD)或亚常压化学气相淀积(SACVD)或高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)。
上述两具体实施方式提供的MEMS微桥结构制备方法，使用制备支撑孔的光刻板和相同的对准模式，通过欠曝光技术来减小光刻后孔的尺寸，实现接触孔的制备工艺，从而避免因制备光刻掩膜版而引入的对准误差，进一步提高对准精度和工艺窗口，极大的提高了MEMS产品的性能、成品率和可靠性。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
Claims (10)
1.一种MEMS微桥结构接触孔的制备方法，包括以下步骤：
(1)在硅衬底上依次完成反射层、介质层和牺牲层的制备；
(2)刻蚀所述牺牲层至曝露出所述反射层表面，实现支撑孔的图形化；
(3)在步骤(2)制备完成的器件结构表面沉积第一释放保护层；
(4)在所述支撑孔内刻蚀所述第一释放保护层和支撑层至曝露出所述反射层表面，实现接触孔的图形化；
(5)在步骤(4)制备完成的器件结构表面沉积金属层，并将其图形化；
(6)在步骤(5)制备完成的器件结构表面沉积敏感材料层，并将其图形化；
(7)在步骤(6)制备完成的器件结构表面沉积第二释放保护层；
其特征在于：
所述步骤(2)中支撑孔的图形化和步骤(4)中接触孔的图形化过程中使用同一光刻掩膜版，通过欠曝光技术实现不同尺寸孔图形的光刻；所述的步骤(3)与步骤(4)之间还包括以下步骤：
(31)所述第一释放保护层表面首先沉积一支撑层。
2.根据权利要求1所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述反射层材料为Ti或TiN或Al，所述介质层材料为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述牺牲层通过涂敷或化学气相淀积方法沉积，并通过化学刻蚀工艺释放，所述牺牲层材料为多孔硅或非晶硅或二氧化硅或聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述第一释放保护层和所述第二释放保护层通过原子层沉积或化学气相 淀积方法沉积，二者材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅中的一种，或者非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种，或者掺杂有磷或硼或碳或氟元素的上述材料中的一种。
5.根据权利要求4所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述第一释放保护层和所述第二释放保护层的材料相同。
6.根据权利要求4所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述第一释放保护层和所述第二释放保护层的材料不同。
7.根据权利要求1所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述敏感材料层通过化学气相淀积或物理汽相淀积方法沉积，其材料为掺硼或磷的非晶硅或V2O5或多晶SiGe或YBaCuO。
8.根据权利要求1所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述金属层通过物理汽相淀积方法沉积，其材料为钛、钽、上下层叠的氮化钛和钛、上下层叠的钽和氮化钽中的一种。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述步骤(4)和步骤(5)的工艺顺序可以互换，在沉积金属层前先沉积敏感材料层时，所述敏感材料层的图形化为在所述接触孔位置开窗口，刻蚀至曝露出所述反射层表面。
10.根据权利要求9所述的MEMS微桥结构接触孔制备方法，其特征在于，所述支撑层的材料为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或碳化硅中的一种，或者非化学计量比的二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种，或者掺杂有磷或硼或碳或氟元素的上述材料中的一种。
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- 2010-01-05 CN CN201010022429.2A patent/CN101774531B/zh active Active
Patent Citations (4)
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