CN103420327B - 一种应用于图形化soi材料刻蚀工艺的界面保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，涉及在基片内或其上制造或处理的装置或系统技术领域。包括以下步骤：（1）衬底硅热氧化；（2）SOI空腔的制备；（3）介质保护薄膜制备；（4）硅硅键合；（5）结构层硅片磨抛；（6）干法刻蚀形成可动结构；（7）释放结构。使用所述方法避免了刻蚀过程中或后序去胶清洗中异物进入硅腔室而影响器件性能且结构层硅片刻蚀完成后，可动结构通过介质保护薄膜临时键合固定，提高了MEMS器件中可动结构的可靠性，从而提高了器件加工成品率。
Description
技术领域
本发明涉及在基片内或其上制造或处理的装置或系统技术领域。
背景技术
微电子机械系统（MEMS）器件应用领域的多样化也决定了MEMS加工技术的多样化，目前硅MEMS加工技术主要包括MEMS表面工艺与MEMS体硅工艺，这两种工艺都存在着各自的优点。为了适应不同器件与应用需求，一些新的和更具有优势的加工技术在不断出现，如集中了体硅与表面加工优点于一体的MEMS SOI加工技术目前已被多家研究单位采用，美国AD公司为了提高加速度计精度已开始采用绝缘体上的硅（SOI）工艺开展微惯性器件的研究。其中体硅工艺中SOI加工技术正在成为高精度MEMS惯性器件的主流加工技术。
MEMS表面工艺通常采用牺牲层的去除实现可动结构的释放，牺牲层在释放前临时固定可动结构，对可动结构起保护作用，避免后续工艺对结构的损伤，牺牲层的制备以及去除是MEMS表面工艺的关键工序之一，为了提高器件成品率，表面工艺可以通过优化工艺流程以及牺牲层的去除技术降低结构的损伤及粘附。
而对于MEMS体硅SOI工艺，通常采用带空腔的SOI材料，利用高深宽比干法刻蚀技术（DRIE）实现可动结构的制备，采用这种工艺，会遇到以下技术难点：首先带空腔结构的SOI硅硅键合后在DRIE工艺过程中，刻蚀的终点为结构层刻蚀透，因此空腔底面难免会被刻蚀，出现凹凸不平的现象，其次由于空腔的存在会造成刻蚀过程中产生的硅针及异物掉入腔体而难以清洗出来，使器件性能出现异常，如图9所示，另外由于刻蚀完成后可动结构已经释放，后序工艺可能对可动结构造成损坏，因此，如何实现SOI体硅工艺结构层和空腔刻蚀完整性以及可动结构与后序工艺的兼容性成为体硅SOI工艺提高成品率的必要考虑因素之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，使用所述方法避免了刻蚀过程中或后序去胶清洗中异物进入硅腔室而影响器件性能且结构层硅片刻蚀完成后，可动结构通过介质保护薄膜临时键合固定，提高了MEMS器件中可动结构的可靠性，从而提高了器件加工成品率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）衬底硅热氧化：采用半导体热氧化工艺，在衬底硅层的上下表面各形成一层氧化层；
（2）SOI空腔的制备：采用硅干法刻蚀或湿法刻蚀工艺形成硅腔室；
（3）介质保护薄膜制备：在结构层硅片的下表面制备介质保护薄膜，介质保护薄膜图形化的原则是保证结构层硅片正面刻蚀完成不露出硅腔室；
（4）硅硅键合：将结构层硅片与带腔体的衬底硅层通过高温退火完成圆片级的硅硅键合，形成带腔体的SOI材料；
（5）结构层硅片磨抛：采用硅磨抛工艺，将结构层硅片减薄到指定厚度；
（6）干法刻蚀形成可动结构：采用DRIE工艺在结构层硅片上刻蚀形成MEMS器件的可动结构，刻蚀的终点为介质保护薄膜；
（7）释放结构：通过干法刻蚀或湿法腐蚀键合点周围的介质保护薄膜，实现结构的释放。
优选的，氧化层的厚度为100nm-2μm。
优选的，所述硅腔室的面积为102-103μm2，深度范围为10-102μm。
优选的，采用热氧化、LPCVD或PECVF制备介质保护薄膜，介质保护薄膜为氮化硅或氧化硅材料，厚度为200-2000 nm。
优选的，步骤（7）具体为，在刻蚀、清洗、去胶等工艺完成后或者有损结构层工艺完成后或者圆片级封装工艺前，通过干法刻蚀或湿法腐蚀键合点周围的介质保护薄膜，实现结构的释放，根据腐蚀速率与腐蚀宽度，采用2-3倍过腐蚀时间即可完成结构的释放。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明针对采用带空腔的SOI材料制备的MEMS器件，通过结构设计，使ICP刻蚀可动结构的终点为介质保护薄膜，通过在SOI键合前在结构层硅片的背面制备介质保护薄膜，实现可动结构在DIRE刻蚀完成后与腔体隔离。首先，对于可动结构来说，刻蚀的终点不再是空腔的底面，而是制备的介质保护薄膜，因此保护了空腔不会被刻蚀；其次，介质保护薄膜的存在也避免了刻蚀过程中或后序去胶清洗过程中异物进入腔室而影响器件性能。另外，在结构层硅片刻蚀完成后，可动结构通过介质保护薄膜临时键合固定，在后序对结构存在损伤的工艺完成后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀完成结构的释放，提高了MEMS器件中可动结构的可靠性，从而提高了器件加工成品率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明经过步骤（1）后的结构示意图；
图2是本发明经过步骤（2）后的结构示意图；
图3是本发明经过步骤（3）后的结构示意图；
图4是本发明经过步骤（4）后的结构示意图；
图5是本发明经过步骤（5）后的结构示意图；
图6是本发明经过步骤（6）后的结构示意图；
图7是本发明经过步骤（7）后的结构示意图；
图8是采用非图形化保护层腐蚀释放后的结构示意图；
图9是现有技术的结构示意图；
图10是结构层硅片与图形化介质保护薄膜交叠示意图；
其中：1、衬底硅层 2、氧化层 3、硅腔室 4、结构层硅片 5、介质保护薄膜 6、电极 7、异物。
具体实施方式
如图1-7所示，一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，包括以下步骤：
（1）衬底硅热氧化：采用半导体热氧化工艺，在衬底硅层1的上下表面各形成一层氧化层2，氧化层的厚度为100nm-2μm。
（2）SOI空腔的制备：采用硅干法刻蚀或湿法刻蚀工艺形成硅腔室3，所述硅腔室的面积为102-103μm2，深度范围为10-102μm。
（3）介质保护薄膜制备：在结构层硅片4的下表面制备介质保护薄膜5，介质保护薄膜图形化的原则是保证结构层硅片正面刻蚀完成不露出硅腔室，采用热氧化、LPCVD或PECVF制备介质保护薄膜，介质保护薄膜为氮化硅或氧化硅材料，厚度为200-2000 nm。。
（4）硅硅键合：将结构层硅片4与带腔体的衬底硅层1通过高温退火完成圆片级的硅硅键合，形成带腔体的SOI材料；
（5）结构层硅片磨抛：采用硅磨抛工艺，将结构层硅片4减薄到指定厚度；
（6）干法刻蚀形成可动结构：采用DRIE工艺在结构层硅片4上刻蚀形成MEMS器件的可动结构，刻蚀的终点为介质保护薄膜5；
（7）释放结构：在刻蚀、清洗、去胶等工艺完成后或者有损结构层工艺完成后或者圆片级封装工艺前，通过干法刻蚀或湿法腐蚀键合点周围的介质保护薄膜，实现结构的释放，根据腐蚀速率与腐蚀宽度，采用2-3倍过腐蚀时间即可完成结构的释放。
图7显示了带空腔SOI器件的横切面示意图，主要由3层结构组成，最上层为器件结构层，对于MEMS器件，由于深刻蚀工艺深宽比的要求，结构层厚度一般小于100微米，氧化层厚度根据器件电绝缘要求和氧化工艺的限制，厚度一般为几百纳米到几微米的范围；介质保护薄膜可以采用图形化介质保护和非图形化介质保护2种方法，根据器件工艺的需要生长方式可以是热氧化、LPCVD或PECVD，厚度为200-2000nm，最下面为衬底硅层，为硅单晶材料，厚度在几百微米量级，硅腔室通过硅湿法腐蚀或干法刻蚀在衬底硅上形成。在结构层硅片刻蚀完成后，刻蚀终点为介质保护薄膜，可动结构通过介质保护薄膜固定，在后序清洗工艺或者对结构存在损伤的工艺完成后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀完成结构的释放。
图7-8显示了2种保护结构腐蚀释放完成后的结构示意图，图形化介质保护只是保护刻蚀开口位置，非图形化采用界面整面保护，图形化介质保护由于最后能完全腐蚀掉保护层，针对于对界面氧化层残留有要求的工艺，非图形化介质保护最后不能完全腐蚀掉保护层，如图8所示，只能腐蚀掉开口位置附近的氧化层，因此工艺相对简单。
如图10所示，显示了结构层硅片与图形化介质保护薄膜交叠示意图，可动结构最终需要将介质保护薄膜腐蚀实现结构的释放，由于采用各向同性腐蚀，为了避免可动结构其他硅硅键合区域出现过度腐蚀，因此必须优化设计腐蚀结构，为了满足键合强度的要求，减少释放时间以及腐蚀工艺难度。交叠宽度的尺寸为5-20μm即可，这样的尺寸定义能够保证图形化介质层去除干净而不影响正常结构的硅硅键合强度。
本发明针对采用带空腔的SOI材料制备的MEMS器件，通过结构设计，使ICP刻蚀可动结构的终点为介质保护薄膜，通过在SOI键合前在结构层硅片的背面制备介质保护薄膜，实现可动结构在DIRE刻蚀完成后与腔体隔离。首先，对于可动结构来说，刻蚀的终点不再是空腔的底面，而是制备的介质保护薄膜，因此保护了空腔不会被刻蚀；其次，介质保护薄膜的存在也避免了刻蚀过程中或后序去胶清洗过程中异物进入腔室而影响器件性能。另外，在结构层硅片刻蚀完成后，可动结构通过介质保护薄膜临时键合固定，在后序对结构存在损伤的工艺完成后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀完成结构的释放，提高了MEMS器件中可动结构的可靠性，从而提高了器件加工成品率。
Claims (5)
1.一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，所述方法包括：
（1）衬底硅热氧化：采用半导体热氧化工艺，在衬底硅层（1）的上下表面各形成一层氧化层（2）；
（2）SOI空腔的制备：采用硅干法刻蚀或湿法刻蚀工艺形成硅腔室（3）；
（3）介质保护薄膜制备：在结构层硅片（4）的下表面制备介质保护薄膜（5），介质保护薄膜图形化的原则是保证结构层硅片正面刻蚀完成不露出硅腔室；
（4）硅硅键合：将结构层硅片（4）与带腔体的衬底硅层（1）通过高温退火完成圆片级的硅硅键合，形成带腔体的SOI材料；
（5）结构层硅片磨抛：采用硅磨抛工艺，将结构层硅片（4）减薄到指定厚度；
（6）干法刻蚀形成可动结构：采用DRIE工艺在结构层硅片（4）上刻蚀形成MEMS器件的可动结构，刻蚀的终点为介质保护薄膜（5）；
其特征在于所述方法还包括：
（7）释放结构：通过干法刻蚀或湿法腐蚀键合点周围的介质保护薄膜（5），实现结构的释放。
2.根据权利要求1所述的一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，其特征在于氧化层（2）的厚度为100nm-2μm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，其特征在于所述硅腔室（3）的面积为102-103μm2，深度范围为10-102μm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，其特征在于采用热氧化、LPCVD或PECVF制备介质保护薄膜（5），介质保护薄膜（5）为氮化硅或氧化硅材料，厚度为200-2000 nm。
5.根据权利要求1所述的一种应用于图形化SOI材料刻蚀工艺的界面保护方法，其特征在于步骤（7）具体为，在刻蚀、清洗、去胶等工艺完成后或者有损结构层工艺完成后或者圆片级封装工艺前，通过干法刻蚀或湿法腐蚀键合点周围的介质保护薄膜（5），实现结构的释放，根据腐蚀速率与腐蚀宽度，采用2-3倍过腐蚀时间即可完成结构的释放。
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