CN102205942B - Mems牺牲层结构制造方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的MEMS牺牲层结构制造方法包括：金属层形成步骤；牺牲层沉积前硅片表面处理步骤，用于改善硅片表面特性；牺牲层沉积步骤，用于沉积牺牲层；支撑孔图形化步骤，用于实现在牺牲层内的支撑孔图形化；以及牺牲层后处理步骤，用于对牺牲层进行处理，以在牺牲层表面形成表面薄膜。所形成的薄膜把牺牲层有效地封盖住，以解决H溢出后导致的薄膜与非晶硅剥离问题，从而提高相关MEMS产品的性能、成品率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及涉及MEMS制造技术领域，具体地说，涉及一种MEMS牺牲层结构制造方法。
背景技术
微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,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(等离子体增强化学气相沉积)工艺形成，500℃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。
现有的制造方法包括：首先，形成金属功能层，并实现其图形化；其次，可选的，可以在在金属功能层上形成黏附层；然后，使用PECVD技术在200℃-450℃温度范围内利用SiH4分解的技术直接在黏附层上形成非晶硅，一般工艺方案会使用惰性气体稀释SiH4，部分方案会加入H2已增强分解速度；之后，在牺牲层上实现支撑孔图形化；最后，直接在具有支撑孔图形的衬底上沉积释放保护层、敏感材料层等介质，实现微桥结构。
由于低温非晶硅薄膜是由SiH4在等离子环境分解形成的，薄膜本身富含H等缺陷，且因成膜温度低其结构比较疏松；其H(氢)缺陷会在一定温度下发生团聚并溢出，导致与上、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，并对相关设备和硬件造成严重的影响。常用方法是通过高温退火或使用高温成膜工艺，降低薄膜的H含量，提高其致密性，但CMOS-MEMS单芯片集成需要对MEMS工艺的温度进行控制，不能超过400℃，以避免对器件和互连线的影响，故而没有很好的解决方案。
更具体地，现有技术中使用CMOS-MEMS技术，在CMOS读取电路制作结束后，利用MEMS工艺在其上制作微桥探测器结构；同时为提高探测器性能，通常在CMOS读取电路上制作一层图形化的金属层作为功能层，实现PAD及相关功能，然后在图形化后的金属层上淀积硅牺牲层，利用与CMOS工艺兼容的硅牺牲层工艺形成微桥结构。
现有CMOS-MEMS单芯片集成技术中使用PECVD技术利用SiH4分解形成非晶硅，用于实现硅牺牲层成膜工艺，以与CMOS工艺兼容；由于牺牲层要求比较厚，且此种方法形成的非晶硅薄膜含H量非常高，薄膜也相对比较疏松，因而与前面工艺形成的薄膜接触不好；同时，后续工艺中，非晶硅薄膜中的H缺陷会随时间和温度不断团聚并溢出，导致后续薄膜与非晶硅薄膜发生严重剥离，造成硅片的废弃，并会影响到相关设备，引起交叉沾污问题。
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尤其可应用于MEMS微桥结构牺牲层的非晶硅工艺集成方案，使用对硅牺牲层前后工艺的处理，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。
根据本发明，提供了一种MEMS牺牲层结构制造方法，其包括：金属层形成步骤；牺牲层沉积前硅片表面处理步骤，用于改善硅片表面特性,其中，所述牺牲层沉积前硅片表面处理步骤，包括利用紫外光照和O2、O3等离子体对硅片表面进行处理；牺牲层沉积步骤，用于沉积牺牲层，所述牺牲层沉积步骤后，进行退火处理步骤；支撑孔图形化步骤，用于实现在牺牲层内的支撑孔图形化；以及牺牲层后处理步骤，用于对牺牲层进行处理，以在牺牲层表面形成表面薄膜(牺牲层薄膜)，其中，所述牺牲层后处理步骤中采用O2或O3、或O2与O3的混合气体、与惰性气体对牺牲层表面进行处理。
具体地说，例如可以在牺牲层表面的包括支撑孔内和侧壁上的区域中形成一层致密的牺牲层薄膜。
在上述的MEMS牺牲层结构制造方法中，所述MEMS牺牲层结构制造方法被用于实现MEMS微桥结构。
在上述的MEMS牺牲层结构制造方法中，所述牺牲层为非晶硅牺牲层。
在上述的MEMS牺牲层结构制造方法中，所述MEMS牺牲层结构制造方法被用于CMOS-MEMS工艺。
在上述的MEMS牺牲层结构制造方法中，还包括表面平坦化步骤，用于在金属层图形之间形成介质填充并实现表面平坦化；在表面平坦化步骤中，先沉积介质SiO2，并利用CMP工艺和介质回刻蚀实现表面平坦化。其中，介质填充为基于SiO2介质的薄膜。
可选地，可在牺牲层沉积前处理之前，沉积一层SiO2黏附层以进一步增强牺牲层与下表面的黏附性。
在上述的MEMS牺牲层结构制造方法中，在所述退火处理中，退火温度为300℃-420℃，时间为5min-15min。
所述惰性气体为Ar、He、N2O中的一种或几种，所述O2或O3、或O2与O3的混合气体与惰性气体的比例大于2:1。
在上述的MEMS牺牲层结构制造方法中，所述牺牲层沉积步骤包括对SiH4进行分解，其中的反应气体包括SiH4和/或惰性气体和/或H2。
与现有技术相比，本发明提供了一种非晶硅工艺集成方案，在不改动基本工艺的基础上，利用O3/UV光照对前层薄膜的处理，以提高非晶硅牺牲层与前层薄膜的接触；并且，本发明利用低温退火、和等离子致密化表面处理(例如O2/O3/Ar/He/N2O)，在非晶硅牺牲层表面形成一层致密且含H量很低的薄膜，把非晶硅牺牲层有效的封盖住，以解决H溢出后导致的薄膜与非晶硅剥离问题，从而提高相关MEMS产品的性能、成品率和可靠性。
可以看出，本发明提供了如下优点：1)沉积牺牲层前对硅片表面进行前处理，增强了牺牲层与衬底的黏附性；2)牺牲层致密化处理(densify)，通过等离子体将牺牲层表面和支撑孔内及侧壁上进行致密化处理，形成一层致密的表面层，将牺牲层封住，防止缺陷团聚和溢出造成的剥落(peeling)问题。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的MEMS牺牲层结构制造方法的流程图；
图2至图5示意性地示出了根据本发明实施例的MEMS牺牲层结构制造方法各个步骤所得到的半导体器件结构示图；以及
图6示意性地示出了根据本发明实施例的MEMS牺牲层结构制造方法得到的MEMS牺牲层结构的示图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示意性地示出了根据本发明实施例的MEMS牺牲层结构制造方法的流程图。同时，图2至图5示意性地示出了根据本发明实施例的MEMS牺牲层结构制造方法各个步骤所得到的半导体器件结构示图。
如图1所示，在步骤S1中，在硅衬底上制作金属，例如金属铝，然后光刻刻蚀去胶清洗实现其图形化。优选地，MEMS结构在前层金属层图形化工艺后，执行牺牲层沉积前硅片表面处理，其中牺牲层生长前用紫外线和等离子体处理，以增强牺牲层与下层薄膜的黏附性，防止薄膜剥落。具体可利用光照和等离子体处理对前层硅片表面进行处理，以改变表面层特性，改变其活性，增强其表面黏附性，避免非晶硅沉积在上面引起的剥落问题。优选地，所述光照采用了UV(紫外)光线。也就是说，在MEMS牺牲层结构制造方法中，在牺牲层沉积前硅片表面处理步骤中，可在表面平坦化后，利用O3和紫外光照对所得到的结构的表面进行处理。
并且，可选的，可以在牺牲层沉积前处理之前，沉积一层SiO2黏附层以进一步增强牺牲层与下表面的黏附性。需要说明的是，该SiO2黏附层是优选的，而非现实本发明所必须的。加入黏附层会增加顶层金属和牺牲层的黏附性，但也会增加后续工艺的难度，如支撑孔/接触孔的刻蚀等。如果加入黏附层，则紫外线和等离子体表面处理应在黏附层成膜后进行。
在步骤S2中，沉积SiO2薄膜，填充Al图形之间的孔隙。
在步骤S3中，利用CMP(化学机械抛光)工艺、刻蚀和清洗工艺实现表面平坦化；请参见图2。更具体地说，在步骤S3中，可利用CMP将SiO2研磨到距离Al上表面1000A-5000A之间。
在步骤S4中，利用介质刻蚀使SiO2介质表面与Al表面平齐。
前面描述了采用金属铝的工艺，但是本发明同样可以采用其他金属。因此，本领域技术人员可以理解的是，如果采用其他金属，例如可用大马士革工艺等，则形成顺序会有差异，这是本领域已知的，因此省略详细描述。
优选地，随后可利用UV光线对硅片表面进行照射，改善表面状态，并把一些可能的有机物高分子残留的分子键打断，提高表面黏附性。
并且，优选地，可对半导体器件结构进行湿法清洗，去除可能存在的断裂的高分子残留。
并且，可选地或者附加地，可利用O2/O3等离子体对硅片表面进行处理，温度为100℃-400℃，以改变表面活性，提高黏附性。
在步骤S5中，多步沉积硅材料薄膜。
其中，利用PECVD设备和SiH4分解技术在硅片表面沉积一层非晶硅薄膜，优选地，在一些实施例中，在沉积工艺中，温度200℃-450℃，厚度范围为1000A-20000A；请参见图3。此外，优选地，在一些实施例中，牺牲层为CVD(化学气相沉积)非晶硅牺牲层，其制备工艺是通过等离子SiH4分解形成的，典型设备为PECVD设备。
在MEMS硅牺牲层成膜中，利用低温退火和等离子体对其进行后处理操作，以使非晶硅表面(包括支撑孔内和侧壁上)形成一层致密化且含H量低的表面薄膜层，封盖住非晶硅牺牲层，保证后续薄膜能和非晶硅牺牲层形成良好接触。
也就是说，本实施例的方法使得该表面薄膜层是致密化的且含H量低的。现有技术中的PECVD-SiH4分解形成的非晶硅薄膜一般含有10％-20％，甚至更高；而本发明实施例中致密的表面薄膜层是为了降低H含量。并且，具体地说，通过该方法可以使得H含量达到降低的效果；更具体地说，可使得H含量在10％以下。
也就是说，优选地，在MEMS牺牲层结构制造方法中，硅片表面处理可以包括两个步骤：1)牺牲层沉积前硅片表面处理，其中牺牲层生长前用紫外线和等离子体处理，以增强牺牲层与下层薄膜的黏附性，防止薄膜剥落；2)牺牲层后处理，其中牺牲层生长后且支撑孔形成后，通过等离子处理，将露出的牺牲层表面(包括牺牲层平面上，和支撑孔内壁)进行致密化，防止后续工艺是发生H团聚和溢出，避免后续工艺的薄膜剥落，低温退火也是这个目的。
在一个实施例中，对于低温退火工艺，其退火温度为300℃-420℃，时间为5min-15min。具体地，例如，退火工艺是在非晶硅成膜之后在CVD工艺腔内原位地(in-situ)进行的其退火温度为300℃-420℃，时间为5min-15min。
随后可进行光刻刻蚀去胶清洗，以实现支撑孔图形化工艺；请参见图4。
之后，在例如刻蚀工艺腔中，使用O3或O3/O2与Ar/He/N2O的混合气体等离子体对硅片表面进行处理，工艺的功率为100W到1200W，温度为100℃到400℃，时间为30S到300S。其中O3或O2处理可以提高表面黏附性，Ar或He或N2O处理可以使表面非晶硅薄膜致密化。
具体地说，对于混合气体，可以采用O3与Ar的组合，O3与He的组合，O3与N2O的组合，O2与Ar的组合，O2与He的组合、O2与N2O的组合，O2、O3与Ar的组合，O2、O3与He的组合、O2、O3与N2O的组合，O3与Ar、He、N2O的组合，O2与Ar、He、N2O的组合，O2、O3与Ar、He、N2O的组合等。只要混合气体中含有O3及O2之一、并且/或者含有Ar、He、N2O之一即可。
并且，例如，等离子体处理工艺是使用等离子体刻蚀设备或者灰化(ASH)设备中在等离子体环境下进行的。所述的等离子体处理可以使用O3或者O2与O3的混合气体。或者，等离子体处理可以使用Ar、N2O、He气体之一，并且使用O2或者O3、或者O2与O3的混合气体，其中O2和/或O3与其他气体的比例应大于2：1。
最后，利用CVD技术沉积释放保护层(保护介质和支撑介质)；这样，所得到的具有牺牲层的结构可用于进行后续工艺；请参见图5。
图6示意性地示出了根据本发明实施例的MEMS牺牲层结构制造方法得到的MEMS牺牲层结构的示图。其中，箭头6标示出了非晶硅牺牲层与前层的接触界面，箭头7标示出了非晶硅牺牲层与后层的接触界面。
对于本领域技术人员来说明显的是，可在不脱离本发明的范围的情况下对本发明进行各种改变和变形。所描述的实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明；本发明并不限于所述实施例，而是仅由所附权利要求限定。
Claims (9)
1.一种MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于包括：
金属层形成步骤；
牺牲层沉积前硅片表面处理步骤，用于改善硅片表面特性,其中，所述牺牲层沉积前硅片表面处理步骤，包括利用紫外光照和O2、O3等离子体对硅片表面进行处理；
牺牲层沉积步骤，用于沉积牺牲层，所述牺牲层沉积步骤后，进行退火处理步骤；
支撑孔图形化步骤，用于实现在牺牲层内的支撑孔图形化；以及
牺牲层后处理步骤，用于对牺牲层进行处理，以在牺牲层表面形成表面薄膜，其中，所述牺牲层后处理步骤中采用O2或O3、或O2与O3的混合气体、与惰性气体对牺牲层表面进行处理。
2.根据权利要求1所述的MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于，其中所述MEMS牺牲层结构制造方法被用于实现MEMS微桥结构。
3.根据权利要求1所述的MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于，其中所述牺牲层为非晶硅牺牲层。
4.根据权利要求1至3之一所述的MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于，其中所述MEMS牺牲层结构制造方法被用于CMOS-MEMS工艺。
5.如权利要求1所述的MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于，还包括表面平坦化步骤，用于在金属层图形之间形成介质填充并实现表面平坦化；在表面平坦化步骤中，先沉积介质SiO2，并利用CMP工艺和介质回刻蚀实现表面平坦化。
6.如权利要求1所述的MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于，在牺牲层沉积前处理之前，沉积一层SiO2黏附层以进一步增强牺牲层与下表面的黏附性。
7.根据权利要求1所述的MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于，其中在所述退火处理中，退火温度为300℃-420℃，时间为5min-15min。
8.根据权利要求1所述的MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于，所述惰性气体为Ar、He、N2O中的一种或几种，所述O2或O3、或O2与O3的混合气体与惰性气体的比例大于2:1。
9.根据权利要求3所述的MEMS牺牲层结构制造方法，其特征在于，其中所述牺牲层沉积步骤包括对SiH4进行分解，其中的反应气体包括SiH4和/或惰性气体和/或H2。
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