CN103241706B - 应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，包括：在衬底上采用LPCVD沉积应力为F1的压应力SiO2膜，F1＜0；对压应力SiO2膜注入掺杂剂，在其表面形成重掺杂SiO2膜退火使得压应力SiO2膜转变为应力为F2的张应力SiO2膜，F2＞0；控制淀积温度，在重掺杂SiO2膜上方形成具有应力为F3的Al薄膜，其中F3＝F2。依照本发明的应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，其工艺简单、与传统微细加工工艺兼容，不但实现双材料悬臂梁的应力完全匹配，而且明显增强SiO2的抗XeF2腐蚀能力，最终使采用Al和SiO2双材料的、应力完全匹配的悬臂梁制作成功实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件制造方法，特别是涉及一种应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法。
背景技术
随着真空科学技术、光电子技术和半导体技术的飞速发展，薄膜光学器件以及薄膜电子器件得到了日益广泛的应用。在基于MEMS的微悬臂梁阵列结构的光学读出非制冷红外焦平面成像系统中，其核心结构为非制冷红外探测器系统，即双材料微悬臂梁红外焦平面阵列(FPA)，由一系列成像像元组成面阵列，每个像元是由两种热膨胀差别很大的材料构成。像元通过吸收物体的红外辐射，将辐射能量转化为热能，利用构成微悬臂梁双材料的热膨胀，将热能转化为微悬臂梁的转角或位移，通过检测这些转角或位移信号可得到被测物体的信息，进而将物体的特征表现出来。
在非制冷红外探测器技术中，噪声等效温差(NETD)是衡量系统在噪声中辨别小信号能力的一个参数，它标志红外探测系统可探测的最小温差，是衡量红外探测器系统性能的重要指标之一。对于采用光读出的双材料微悬臂梁红外焦平面阵列，其理想的反光板结构的曲率半径为无限大，使入射到其表面的读出光有效的反射回读出光路。但是由于双材料之间的应力失配问题，反光板通常会弯曲成弧形，从而造成其反射光谱展宽，最终导致读出系统灵敏度的大幅下降，使噪声等效温差增加。所以，当采用本征应力相同的两种材料组成双材料微悬臂梁红外焦平面阵列时，将使反光板的曲率半径增加，从而使NETD减小。
由于二氧化硅(SiO2)和铝(Al)不但其热膨胀系数差别大，而且是微细加工中的常规材料、且价格便宜，所以成为双材料微悬臂梁的最佳选择。在微细加工中，Al通常具有应力为-60MPa～200MPa。当采用等离子增强型化学气相淀积(PECVD)方法生长SiO2时，根据其生长条件的不同，其本征应力为-300MPa～300MPa。当采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法生长SiO2时，根据其生长条件的不同，其本征应力为-120MPa～-20MPa。仅从本征应力考虑，似乎PECVDSiO2可以满足与Al膜的应力匹配，能够用于组成双材料微悬臂梁红外焦平面阵列。
然而，在双材料微悬臂梁红外焦平面阵列的制备工艺中，通常使用XeF2从正面刻蚀释放硅衬底，故要求SiO2具有良好的抗XeF2腐蚀能力，否则微结构可能在释放衬底过程中断裂或脱离，造成器件失效。然而，采用PECVD生长的SiO2其XeF2腐蚀能力差，而采用LPCVD生长的SiO2其抗XeF2腐蚀能力强。因此，LPCVDSiO2虽然满足抗XeF2腐蚀能力，但是其无法实现与Al膜的应力匹配。所以，在SiO2的选择上，即要实现SiO2与Al的应力匹配，又要增强SiO2的抗XeF2腐蚀能力。
虽然，采用杂质注入工艺和退火工艺可以实现张应力LPCVDSiO2膜制备，但是由于LPCVDSiO2膜淀积设备、生长条件和膜厚的差别，其制备的LPCVDSiO2膜经杂质注入工艺和退火工艺后，形成的张应力LPCVDSiO2膜的应力值具有较大的变化范围，其值为0MPa～200MPa，无法实现Al膜应力与LPCVDSiO2膜应力的完全匹配，而现有的工艺无法使得Al膜应力也同样在负应力至正应力间连续调节。
综上所述，现有技术的SiO2薄膜制备工艺无法兼顾应力完全匹配和抗腐蚀能力，无法有效用于双材料微悬臂梁红外焦平面阵列的制备工艺。
发明内容
本发明目的在于利用现有的设备和制备工艺，以低廉成本制造出兼顾应力完全匹配和抗腐蚀能力的LPCVDSiO2薄膜与Al薄膜构成的双材料微悬臂梁。
为此，本发明提供了一种应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，包括：在衬底上采用LPCVD沉积应力为F1的压应力SiO2膜，F1＜0；对压应力SiO2膜注入掺杂剂，在其表面形成重掺杂SiO2膜；退火使得压应力SiO2膜转变为应力为F2的张应力SiO2膜，F2＞0；控制淀积温度，在重掺杂SiO2膜上方形成具有应力为F3的Al薄膜，其中F3＝F2。
其中，采用LPCVD工艺，利用TEOS热分解，在衬底上生长压应力SiO2膜。
其中，F1为-120MPa～-20MPa。其中，F2为0～200MPa。
其中，注入能量为10KeV～30KeV，注入剂量为5E14～3E15。
其中，注入离子种类包括磷、砷、碳、氮、氧、氟。
其中，退火温度为750℃～800℃，退火时间为1h～4h。
其中，Al膜淀积温度为25℃～400℃。
本发明还提供了一种应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，包括：在衬底上采用LPCVD沉积应力为F1的压应力SiO2膜，F1＜0；控制淀积温度，在压应力SiO2膜上方形成具有应力为F3的Al薄膜，其中F3＝F1。其中，Al膜淀积温度为25℃～400℃。
依照本发明的应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，其工艺简单、与传统微细加工工艺兼容，不但实现双材料悬臂梁的应力完全匹配，而且明显增强SiO2的抗XeF2腐蚀能力，最终使采用Al和SiO2双材料的、应力完全匹配的悬臂梁制作成功实现。
本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。
附图说明
以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：
图1显示了依照本发明方法实施例的示意性流程图；
图2显示了依照本发明方法的工艺步骤剖面图，其中在衬底上形成压应力SiO2膜；
图3显示了依照本发明方法的工艺步骤剖面图，其中对压应力SiO2膜低能高剂量注入掺杂剂在其表面形成重掺杂SiO2膜；
图4显示了依照本发明方法的工艺步骤剖面图，其中退火使得压应力SiO2膜转变为张应力SiO2膜；以及
图5显示了依照本发明方法的工艺步骤剖面图，其中根据淀积温度不同形成相应应力的Al膜；
图6显示了依照本发明方法另一实施例的示意性流程图。
附图标记
1衬底
2压应力SiO2膜
3重掺杂SiO2膜
4张应力SiO2膜
5应力Al膜
具体实施方式
以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了兼顾应力完全匹配和抗腐蚀能力的双材料微悬臂梁的制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系。
本发明提供一种应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，其一个实施例的流程参照图1，其具体工艺步骤参照图2至图5如下所示：
步骤S1、在衬底上采用LPCVD沉积压应力SiO2膜，如图2所示。衬底1例如为体硅、SOI、体锗、GeOI、化合物半导体等等，化合物半导体例如包括GaN、GaAs、GeSi、InSb等等。对于MEMS领域，衬底优选为体硅或SOI的晶片。例如采用LPCVD工艺，利用四乙氧基硅烷(TEOS)热分解，在衬底1上生长残余应力为F1(F1＜0)的压应力SiO2膜2。F1例如为-120MPa～-20MPa，并且优选-60MPa～-20MPa。
步骤S2、对压应力SiO2膜注入掺杂剂，在其表面形成重掺杂SiO2膜，如图3所示。采用低能高剂量的离子注入工艺，在压应力SiO2膜2表面形成重掺杂SiO2膜3。其中，注入能量例如为10KeV～30KeV，注入剂量例如为5E14～3E15，注入离子种类例如为磷(P)、砷(As)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)等等。优选地，注入离子为P，由于其荷质此适中，可以最佳地控制注入参数，从而有效去除硅悬键。具体地，该重掺杂SiO2膜3由于在很浅例如1～10nm的厚度范围内包含很浓的掺杂离子，使得薄膜表层结构改变，特别是可以去除上述LPCVD法TEOS源制备得到的氧化硅薄膜(可简称LPTEOS膜)表面的硅悬键，阻止空气中水分子对于LPTEOS膜的影响。
步骤S3、退火使得压应力SiO2膜转变为张应力SiO2膜，如图4所示。采用炉管退火，使得压应力SiO2膜2转变为具有应力为F2(F2＞0)的稳定的张应力SiO2膜4，而重掺杂SiO2膜3本身并未变化。在高温退火的作用下，压应力SiO2膜2内的Si和O重新排列，特别是使LPTEOS膜中的H-键去除及结构重组，并最终成为张应力。但是它有一个缺点就是应力随时间变化，例如如果不采取注入掺杂剂去除硅悬挂键，则这些悬挂键将与空气中水分子的OH-键结合，使LPTEOS膜应力逐步降低，并重新回到压应力状态，难以用于MEMS悬臂梁。而通过依照本发明的上述掺杂剂注入的工序步骤，可以去除LPTEOS表面的硅悬键，阻止空气中水分子对于LPTEOS膜的影响，故其张应力特性可以永久保持。其中，退火温度例如为750℃～800℃，退火时间例如为1h～4h，如此可以控制退火参数改变F2，使得F2例如为0～200MPa，从而与后续Al膜的应力相匹配，适于双材料应力匹配的悬臂梁制作。特别地，P较之其他注入掺杂剂而言，调整得到的F2更能与Al的应力匹配，或者匹配程度更高，例如其他注入掺杂剂退火得到的应力范围可能与上述F2有部分重叠，而P注入得到的应力范围与上述F2完全重合。依照不同的设计要求、制造设备和工艺条件，上述LPCVDSiO2膜叠层的整体应力范围是F1～F2。
步骤S4、根据淀积温度形成不同应力的Al膜，如图5所示。采用CVD、PVD等常规方法在重掺杂SiO2膜3上方淀积形成Al薄膜5。依照淀积温度的不同，得到的Al薄膜5的残余应力也不同，例如淀积温度为25℃～400℃时，Al膜5的残余应力F3可以为-60MPa～200MPa。如果前述的压应力SiO2膜2的应力F1不在F3的范围内，则控制Al膜淀积温度使得F3等于张应力SiO2膜4的应力F2，例如当温度为60℃～400℃时，F3可以为0～200MPa从而与F2的范围完全或部分重合，并且可以特定选择温度使得F3完全等于F2，得到应力完全匹配的SiO2/Al叠层以便制作双材料微悬臂梁。
图6显示了依照本发明方法另一实施例的示意性流程图，其中：
首先与上述步骤S1相同，在衬底1上采用LPCVD沉积压应力F1的SiO2膜2。
然后，如果F1在将要形成的Al膜具有的应力F3的范围内，则采取步骤S4’，采用CVD、PVD等常规方法在压应力SiO2膜2上方淀积形成Al薄膜5，控制Al膜淀积温度使得F3等于压应力SiO2膜2的应力F1，例如当温度为25℃～60℃时，F3可以为-60～0MPa从而与F1的范围完全或部分重合，并且可以特定选择温度使得F3完全等于F1，得到应力完全匹配的SiO2/Al叠层以便制作双材料微悬臂梁。
依照本发明的应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，其工艺简单、与传统微细加工工艺兼容，不但实现双材料悬臂梁的应力完全匹配，而且明显增强SiO2的抗XeF2腐蚀能力，最终使采用Al和SiO2双材料的、应力完全匹配的悬臂梁制作成功实现。
尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。
Claims (10)
1.一种应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，包括：
在衬底上采用LPCVD沉积应力为F1的压应力SiO2膜，F1<0；
对压应力SiO2膜注入掺杂剂，在其1～10nm厚度范围内的表面形成重掺杂SiO2膜；
退火使得压应力SiO2膜转变为应力为F2的张应力SiO2膜，F2>0；
控制淀积温度，在重掺杂SiO2膜上方形成具有应力为F3的Al薄膜，其中F3＝F2。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，采用LPCVD工艺，利用TEOS热分解，在衬底上生长压应力SiO2膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，F1为-120MPa～-20MPa。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，注入能量为10KeV～30KeV，注入剂量为5E14～3E15。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，注入离子种类为磷、砷、碳、氮、氧、氟。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，退火温度为750℃～800℃，退火时间为1h～4h。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，F2为0～200MPa。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，Al膜淀积温度为25℃～400℃。
9.一种应力匹配的双材料微悬臂梁的制造方法，包括：
在衬底上采用LPCVD沉积应力为F1的压应力SiO2膜，F1<0；
控制淀积温度，在压应力SiO2膜上方形成具有压应力为F3的Al薄膜，其中F3＝F1且F3为-60～0MPa。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，Al膜淀积温度为25℃～60℃。
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Families Citing this family (1)
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Citations (7)
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2012
- 2012-02-06 CN CN201210024934.XA patent/CN103241706B/zh active Active
Patent Citations (7)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "Stress Variations in TEOS-Based Si02 Films During Ex-Situ Thermal Cycling";K. Ramkumar et al.;《J. Electrochem. Soc.》;19930930;第140卷(第9期);第2669页实验-第2670页第1段、第2672页结论部分，图1，表1 * |
Also Published As
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| CN103241706A (zh) | 2013-08-14 |
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