CN101913550B - 微电子机械系统微桥结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出微电子机械系统微桥结构及其制造方法，该结构，包括：半导体衬底；金属层，其间隔设置于所述半导体衬底上；介质层，设置于所述金属层之间；牺牲层，设置于所述金属层和介质层上。其中，所述牺牲层为非晶硅牺牲层，且为多层复合结构。本发明使用多步工艺形成牺牲层，不仅可以解决牺牲层与相邻材料的接触问题，也可以满足非晶硅表面形貌及相关集成要求，同时也充分降低热过程可控，降低高温热过程对前面工艺和器件的影响，从而提高相关MEMS产品的性能、成品率和可靠性。

Description

微电子机械系统微桥结构的制造方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统制造技术领域，且特别涉及一种微电子机械系统微桥结构的制造方法。
背景技术
微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)技术具有微小、智能、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，可以广泛的利用于探测器、传感器等产品中。而CMOS与MEMS的集成可以结合CMOS的高性能和MEMS的多功能，成为推动MEMS技术走向大规模应用的关键。
MEMS微桥结构是利用牺牲层实现微桥结构的，牺牲层在MEMS工艺完成后，通过释放工艺去除。牺牲层在MEMS微桥结构中起到承上启下的作用，非常关键，一般会使用有机物或者硅材料。有机物材料(如聚酰亚胺)一般使用旋涂及烘烤的方法进行成膜，使用有机物可以很好地实现硅片表面的平坦化，并与上层相邻的材料有很好的表面接触特性，同时有机物材料的释放工艺也比较简单；但是有机物材料作牺牲层的高温挥发特性，会给后续工艺设备带来严重的沾污问题。硅材料作牺牲层不存在该沾污问题，是业界使用较多的方案。牺牲层硅材料一般使用PECVD工艺形成，500C左右以上一般是多晶硅，该温度以下是非晶硅；高温多晶硅晶粒较大，表面平坦度比较差，相反低温工艺的表面平坦度比较好；作为牺牲层，需要成膜温度比较低，以便于不影响前面工艺所形成的器件和结构，但低温非晶硅与下层相邻的材料接触非常差，会发生严重的剥离现象，严重地影响到MEMS产品的成品率和可靠性。
发明内容
有鉴于非晶硅牺牲层存在的难题，本发明解决的技术问题在于提供一种应用于MEMS微桥结构牺牲层的非晶硅工艺集成方案，使用多步工艺形成牺牲层，不仅可以解决牺牲层与相邻材料的接触问题，也可以满足非晶硅表面形貌及相关集成要求，同时也充分降低热过程可控，降低高温热过程对前面工艺和器件的影响，从而提高相关MEMS产品的性能、成品率和可靠性。
为了达到上述目的，本发明提出一种微电子机械系统微桥结构，包括：
半导体衬底；
金属层，其间隔设置于所述半导体衬底上；
介质层，设置于所述金属层之间；
牺牲层，设置于所述金属层和介质层上，所述牺牲层为非晶硅牺牲层，且为多层复合结构。
进一步的，所述牺牲层包括第一牺牲层和其上的第二牺牲层。
进一步的，所述第一牺牲层的厚度范围为100埃～2000埃，所述第二牺牲层的厚度范围为2000埃～20000埃。
进一步的，所述金属层为铝金属层，所述介质层为二氧化硅介质层。
为了达到上述目的，本发明还提出一种微电子机械系统微桥结构的制造方法，包括下列步骤：
提供一半导体衬底；
在所述半导体衬底上制作金属层，并实现其图形化，同时形成沟槽；
化学气相沉积介质层，实现沟槽填充；
对所述介质层进行平坦化处理，使其表面与金属层齐平；
在所述金属层和介质层上依次沉积第一牺牲层和第二牺牲层。
进一步的，所述金属层为铝金属层，所述介质层为二氧化硅介质层，所述第一牺牲层和第二牺牲层为非晶硅牺牲层。
进一步的，所述化学气相沉积介质层步骤采用PECVD、HDPCVD、SACVD或APCVD技术。
进一步的，所述平坦化处理采用化学机械研磨，刻蚀或两者的结合。
进一步的，所述沉积第一牺牲层的处理温度为320℃～550℃，厚度范围为100埃～2000埃。
进一步的，所述沉积第二牺牲层的处理温度为200℃～380℃，厚度范围为2000埃～20000埃。
与现有技术相比，本发明提供了一种非晶硅工艺集成方案，首先利用高温工艺形成一层比较薄的硅材料，由于温度较高，该硅材料本身与下层材料的接触会比较好。同时，牺牲层下面一般是金属层，起到电连接等用途，其金属材料一般是Al。而高温过程会在一定程度上引起硅和金属Al的反应，从而在不影响整体性能的情况下形成良好的接触。且由于该层材料比较薄，故其热过程的时间比较短，因而不会影响前面工艺和器件。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的微电子机械系统微桥结构示意图。
图2所示为本发明较佳实施例的微电子机械系统微桥结构制造方法流程图。
图3～图7所示为本发明较佳实施例的微电子机械系统微桥结构制造方法结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的微电子机械系统微桥结构示意图。本发明提出一种微电子机械系统微桥结构，包括：半导体衬底10；金属层20，其间隔设置于所述半导体衬底10上；介质层30，设置于所述金属层20之间；牺牲层40，设置于所述金属层20和介质层30上。
其中，所述金属层20为铝金属层，所述介质层30为二氧化硅介质层，所述牺牲层40为非晶硅牺牲层，且为多层复合结构，在本发明较佳实施例中所述牺牲层40包括第一牺牲层41和其上的第二牺牲层42。进一步的，所述第一牺牲层41的厚度范围为100埃～2000埃，所述第二牺牲层42的厚度范围为2000埃～20000埃。
再请参考图2，图2所示为本发明较佳实施例的微电子机械系统微桥结构制造方法流程图。本发明还提出一种微电子机械系统微桥结构的制造方法，包括下列步骤：
步骤S1：提供一半导体衬底；
步骤S2：在所述半导体衬底上制作金属层，并实现其图形化以形成沟槽；
步骤S3：化学气相沉积介质层，实现沟槽填充；
步骤S4：对所述介质层进行平坦化处理，使其表面与金属层齐平；
步骤S5：在所述金属层和介质层上依次沉积第一牺牲层和第二牺牲层。
其中，所述金属层为铝金属层，所述介质层为二氧化硅介质层，所述第一牺牲层和第二牺牲层为非晶硅牺牲层。
参考图3，首先在半导体衬底100上制作金属Al层200，并光刻刻蚀实现其图形化。再请参考图4，在上述结构上沉积SiO2薄膜300，进行沟槽填充，进一步的，所述化学气相沉积介质层步骤采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)、次常压化学气相沉积(SACVD)或常压化学气相沉积(APCVD)技术。
接着利用化学机械研磨(CMP)技术将SIO2薄膜300研磨到距离金属Al层200上表面一定高度(1000A-5000A)，然后利用介质刻蚀将SiO2薄膜300刻蚀到与金属Al层200表面平齐，示意图见图5。进一步的，所述平坦化处理可采用化学机械研磨，刻蚀或两者的结合。
之后在上述结构上次沉积第一牺牲层410，即沉积一层比较薄的高温非晶硅，所述沉积第一牺牲层410的处理温度为320℃～550℃，厚度范围为100埃～2000埃，在本发明较佳实施例中，其沉积温度为400℃，其厚度为1000埃，参考图6。
最后在上述结构上次沉积第二牺牲层420，即在高温非晶硅上沉积一层低温非晶硅，所述沉积第二牺牲层420的处理温度为200℃～380℃，厚度范围为2000埃～20000埃，在本发明较佳实施例中，其沉积温度为300℃，其厚度为10000埃，参考图7。
在本发明较佳实施例中非晶硅牺牲层沉积采用PECVD，利用SIH4、H2等反应气体和惰性气体在等离子体环境下形成，SiH4流量设定范围为50～500sccm、H2流量为50～500sccm。
其中，除了上述2步沉积牺牲层400的方法外，可以利用多步非晶硅成膜工艺，逐步降低沉积温度，从而形成渐变温度的非晶硅薄膜，以便于优化硅材料牺牲层与相邻层的接触问题；渐变温度梯度牺牲层方案会增加额外的成本，须要在特性和成本之间作折中。
综上所述，本发明提供了一种非晶硅工艺集成方案，首先利用高温工艺形成一层比较薄的硅材料，由于温度较高，该硅材料本身与下层材料的接触会比较好。同时，牺牲层下面一般是金属层，起到电连接等用途，其金属材料一般是Al。而高温过程会在一定程度上引起硅和金属Al的反应，从而在不影响整体性能的情况下形成良好的接触。且由于该层材料比较薄，故其热过程的时间比较短，因而不会影响前面工艺和器件。本发明提供的应用于MEMS微桥结构牺牲层的非晶硅工艺集成方案，使用多步工艺形成牺牲层，不仅可以解决牺牲层与相邻材料的接触问题，也可以满足非晶硅表面形貌及相关集成要求，同时也充分降低热过程可控，降低高温热过程对前面工艺和器件的影响，从而提高相关MEMS产品的性能、成品率和可靠性。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种微电子机械系统微桥结构的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
提供一半导体衬底；
在所述半导体衬底上制作金属层，并实现其图形化，同时形成沟槽；
化学气相沉积介质层，实现沟槽填充；
对所述介质层进行平坦化处理，使其表面与金属层齐平；
在所述金属层和介质层上依次沉积第一牺牲层和第二牺牲层，所述第一牺牲层与所述金属层相接触，所述第一牺牲层和第二牺牲层为非晶硅牺牲层，所述沉积第一牺牲层的处理温度为320℃～550℃，所述沉积第二牺牲层的处理温度为200℃～380℃，所述沉积第一牺牲层的处理温度高于所述沉积第二牺牲层的处理温度。
2.根据权利要求1所述的微电子机械系统微桥结构的制造方法，其特征在于，所述金属层为铝金属层，所述介质层为二氧化硅介质层。
3.根据权利要求1所述的微电子机械系统微桥结构的制造方法，其特征在于，所述化学气相沉积介质层步骤采用PECVD、HDPCVD、SACVD或APCVD技术。
4.根据权利要求1所述的微电子机械系统微桥结构的制造方法，其特征在于，所述平坦化处理采用化学机械研磨，刻蚀或两者的结合。
5.根据权利要求1所述的微电子机械系统微桥结构的制造方法，其特征在于，所述沉积第一牺牲层的厚度范围为100埃～2000埃。
6.根据权利要求1所述的微电子机械系统微桥结构的制造方法，其特征在于，所述沉积第二牺牲层的厚度范围为2000埃～20000埃。
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