CN102616734A

CN102616734A - 双掩膜soi mems加工方法

Info

Publication number: CN102616734A
Application number: CN2012101107454A
Authority: CN
Inventors: 张照云; 高杨; 彭勃; 施志贵; 苏伟
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102616734B

Abstract

本发明提供了一种双掩膜SOI MEMS加工方法，属于微电子机械系统微加工领域。SOI晶圆包括硅结构层、硅衬底层以及位于硅结构层和硅衬底层之间的绝缘层。本发明的SOI晶圆片的硅结构层进行了浓硼掺杂，掺杂浓度大于5×10¹⁸/cm³。本发明的方法包括：在硅片正面溅射一层铝，光刻，刻蚀铝，在硅片上定义出完整的MEMS结构图形；光刻，在硅片上形成细线宽结构图形；采用ICP刻蚀方法刻蚀细线宽结构；去除光刻胶，采用ICP刻蚀方法同时刻蚀宽细线宽结构；刻蚀结构层下的绝缘层；采用KOH溶液腐蚀方法刻蚀硅衬底。本发明可利用SOI材料制作多种MEMS器件，具有结构层厚度可控性好、减小footing效应和寄生电容、加工流程简单等特点。

Description

双掩膜SOI MEMS加工方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统微加工技术领域，特别涉及一种双掩膜绝缘体上的硅（Silicon on insulator，SOI）微电子机械系统（Micro-electromechanical Systems，MEMS）加工方法的微加工工艺研究。

背景技术

近几年，SOI技术取得巨大发展，将其用于MEMS领域具有如下的优势：单晶硅结构层具有出色的机械特性；以SiO2埋氧层作为牺牲层和绝缘层具有出色的腐蚀停止能力，在MEMS加工中容易获得完整、无缺陷、厚度均匀和精确控制的结构层；能提高结构层厚度；全硅结构，与CMOS工艺兼容，可与更密集的电路集成。因此，与体硅MEMS相比，SOI MEMS能克服体硅材料的不足，比如短沟道效应、闩锁效应、寄生电容和功耗等，充分发挥硅集成技术的潜力，使得SOI器件在高温、高压、抗辐射、低压低功耗以及三维集成等领域有着广泛的应用。因此，研究基于SOI MEMS工艺的下一代MEMS技术已成为一个新的热点。

但是当前SOI MEMS加工技术面临的主要问题是：全硅结构寄生电容增加；SOI在DRIE中的Footing效应等。为了克服这些问题，国内外都广泛在开展SOI MEMS加工技术研究，但是现有的加工方法要么只能够较小寄生电容、要么只能够降低Footing效应，因此，需要开发一种既能减小寄生电容又能改善Footing效应的加工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能减小寄生电容又能改善Footing效应的双掩膜SOI MEMS加工方法。

本发明是通过如下方式实现的：

双掩膜SOI MEMS加工方法，其步骤包括：（a）在硅片正面溅射一层铝，光刻，刻蚀铝，在硅片上定义出完整的MEMS结构图形；（b）光刻，在硅片上形成细线宽结构图形；（c）采用ICP刻蚀方法刻蚀细线宽结构；（d）去除光刻胶，采用ICP刻蚀方法同时刻蚀宽细线宽结构；（e）刻蚀结构层下的绝缘层；（f）采用KOH溶液腐蚀方法刻蚀硅衬底。

其特点是所述步骤（a）中的硅片为SOI硅片，包括硅结构层、硅衬底层以及位于硅结构层和硅衬底层之间的绝缘层，硅结构层进行了浓硼掺杂，掺杂浓度大于

。

步骤（c）中控制细线宽结构的刻蚀时间，以使得步骤（d）中宽细线宽结构刻蚀到绝缘层上的时间基本相同。

步骤（e）中绝缘层的去除包括湿法腐蚀。

步骤（f）中硅衬底层的刻蚀包括各向异性腐蚀。

最后得到MEMS器件具有如下特征：硅结构层包括浓硼掺杂的可动结构；绝缘层上位于可动结构下的部分被去除；硅衬底层上位于可动结构下的未被绝缘层保护的部分硅利用各向异性刻蚀被去除。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：该加工方法利用SOI材料，单晶硅结构层具有出色的机械特性；以SiO2埋氧层作为牺牲层和绝缘层具有出色的腐蚀停止能力，在MEMS加工中容易获得完整、无缺陷、厚度均匀和精确控制的结构层；采用双掩膜，能有效控制结构宽细线宽的刻蚀时间，有效减小Footing效应；利用浓硼掺杂保护结构层，对硅衬底进行各向异性湿法腐蚀，能有效减小寄生电容。

附图说明

图1~图4为本发明方法加工MEMS器件的工艺流程示意图。

图1为第一次DRIE后结构示意图；图2为第二次DRIE后结构示意图；图3为绝缘层的去除示意图；图4为各向异性腐蚀示意图。

具体实施方式

图1-图4为双掩膜SOI MEMS加工方法工艺流程示意图。该加工方法利用SOI晶圆1制造MEMS器件，采用双掩膜技术，能有效减小硅结构层2底部的Footing效应以及减小硅结构层2上的质量块和其它结构与硅衬底层4之间的寄生电容。

在图1中，SOI晶圆1包括一层位于硅结构层2和硅衬底层4之间的二氧化硅（SiO2）层3，硅结构层2进行了浓硼掺杂，掺杂浓度大于

。该加工方法通过如下工艺步骤来实现：

（1）在硅片正面溅射一层铝，光刻，刻蚀铝，在硅片上定义出完整的MEMS结构图形；

（2）光刻，在硅片上定义细线宽结构图形；

（3）通过深反应离子刻蚀（deep reactive ion etch，DRIE）刻蚀硅结构层2上的细线宽结构部分，控制细线宽结构部分的刻蚀深度，以使得宽细线宽结构刻蚀到绝缘层上的时间基本相同，如图1所示；

（4）去除光刻胶，通过深反应离子刻蚀，同时刻蚀硅结构层2上的宽细线宽结构，刻蚀深度一直到绝缘层3上，二氧化硅层3具有刻蚀自停止的功能，能阻挡进一步的刻蚀。从而，预先定义好的图形结构在硅结构层2上被刻蚀出来，如图2所示；

（5）硅结构层2上可动结构部分下面的二氧化硅被去除。通过湿法腐蚀，如利用HF溶液，将绝缘层3上的部分二氧化硅腐蚀掉，以释放微结构，硅能阻止HF溶液的腐蚀，或者说HF溶液腐蚀硅的速度很慢，如图3所示；

（6）通过硅结构层2上的孔或腔，利用EDP（Ethylene-Diamene-Pyrocatechol）溶液（或KOH溶液）对硅衬底层4上二氧化硅被去掉的硅衬底部分进行各向异性腐蚀，浓硼掺杂的硅结构层2能阻止EDP溶液的腐蚀，EDP腐蚀的时间依赖于硅腐蚀的深度。腐蚀后，在硅衬底层4上形成的空腔使得硅衬底层4和硅结构层2上的可动结构进一步分开，从而减小了硅结构层2上可动结构与硅衬底层4之间的寄生电容；另外，硅结构层2和硅衬底层4之间的摩擦和短路现象也能够消除。当然，也能够利用其它的各向异性腐蚀方法，如图4所示。

Claims

1.双掩膜SOI MEMS加工方法，其步骤包括：

（a）在硅片正面溅射一层铝，光刻，刻蚀铝，在硅片上定义出完整的MEMS结构图形；

（b）光刻，在硅片上形成细线宽结构图形；

（c）采用ICP刻蚀方法刻蚀细线宽结构；

（d）去除光刻胶，采用ICP刻蚀方法同时刻蚀宽细线宽结构；

（e）刻蚀结构层下的绝缘层；

（f）采用KOH溶液腐蚀方法刻蚀硅衬底。

2.根据权利1所述的双掩膜SOI MEMS加工方法，其特征在于所述步骤（a）中的硅片为SOI硅片（1），包括硅结构层（2）、硅衬底层（4）以及位于硅结构层（2）与硅衬底层（4）之间的绝缘层（3）。

3.根据权利1所述的双掩膜SOI MEMS加工方法，其特征在于硅结构层（2）进行了浓硼掺杂，掺杂浓度大于

。

4.根据权利1所述的双掩膜SOI MEMS加工方法，其特征在于步骤（c）中控制细线宽结构的刻蚀时间，以使得步骤（d）中宽细线宽结构刻蚀到绝缘层（3）上的时间基本相同。

5.根据权利1所述的双掩膜SOI MEMS加工方法，其特征在于步骤（e）中绝缘层（3）的去除包括湿法腐蚀。

6.根据权利1所述的双掩膜SOI MEMS加工方法，其特征在于步骤（f）中硅衬底层（4）的刻蚀包括各向异性腐蚀。

7.根据权利1所述的双掩膜SOI MEMS加工方法，其特征在于最后得到MEMS器件具有如下特征：硅结构层（2）包括浓硼掺杂的可动结构；绝缘层（3）上位于可动结构下的部分被去除；硅衬底层（4）上位于可动结构下的未被绝缘层（3）保护的部分硅利用各向异性刻蚀被去除。