CN103482566B - 用于mems工艺中的深槽制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的用于MEMS工艺中的深槽制造方法，通过在一用于MEMS封帽的硅衬底的正面上依次形成一缓冲层和一掩蔽层，在硅衬底的背面形成一接触层；对掩蔽层进行刻蚀，形成暴露出缓冲层的腐蚀窗口；第一酸性溶液去除暴露出的缓冲层，利用电化学腐蚀在腐蚀窗口对应的硅衬底位置处形成多孔硅层后，停止电化学腐蚀，利用多孔硅层在碱性溶液中腐蚀速率快的特点形成深槽，或者多孔硅层易于氧化后，使用第二酸性溶液去除热氧化硅层以形成深槽。本发明的腐蚀方向与晶向无关，可形成类似的U型槽，实现的设备简单、成本低廉、能达到更高的深宽比。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造工艺技术领域，尤其涉及一种用于MEMS工艺中的深槽制造方法。
背景技术
微机电系统（Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS）有多种原材料和制造技术，选择条件是系统的应用、市场等等。MEMS的基础制造技术主要包括的体型微加工技术、表面微加工技术、特殊MEMS加工技术中的键合、LIGA（即Lithographie（光刻）、Galvanoformung（电铸）及Abformung（塑铸）的缩写）技术、电沉积技术等，已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术。其中，体型微加工技术与深层刻蚀类似，是另一种去除硅的方法，即沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀，是实现三维结构的重要方法。体型微加工技术包括湿法腐蚀工艺和干法刻蚀工艺：
干法刻蚀工艺：是目前深槽制造工艺中采用的主要方法，采用干法刻蚀工艺制备深槽的方法在陀螺仪、加速度计等惯性传感器中取得了巨大的成功，但是这种方法存在诸多的缺陷，如深反应刻蚀设备昂贵、加工成本高。
湿法腐蚀工艺：1，使用HNA酸(Hydrofluoricacid，Nitricacid，Aceticacid混合液，简称HNA)腐蚀，只能进行各向同性腐蚀；2，使用碱性溶液如KOH（氢氧化钾）、TMAH（TetramethylAmmoniumHydroxide，全称为四甲基氢氧化铵，简称TMAH，分子式为(CH3)4NOH）或EDP(EthyleneDiaminePyrochatechol，简称EDP，又叫EPW)腐蚀，这些碱性溶液腐蚀时能进行各向异性腐蚀，腐蚀方向由晶向决定，沿一定的晶向的腐蚀速度比其它的高1000倍，比如，<100>晶向的硅衬底只能腐蚀形成V型槽或者类似V型槽。
可见，湿法腐蚀工艺的腐蚀方向与晶向有关，使用湿法腐蚀工艺腐蚀深槽存在各种限制，只能腐蚀形成V型槽或者类似V型槽，无法形成U型槽；而使用干法刻蚀工艺制造的深槽深度大于20μm以上时，就必须购买专门的深槽刻蚀设备。因此，需要提出一种新的深槽制造方法用于MEMS工艺中，实现深槽沿着硅片衬底定向腐蚀，并要求实现的设备简单、成本低廉，以及能达到更高的深宽比。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于MEMS工艺中的深槽制造方法，所述的制造方法利用常规的电化学腐蚀，在硅的特定窗口区域中形成多孔硅层，再通过腐蚀溶液腐蚀多孔硅的速度远远大于腐蚀硅的特性，形成深槽。
为了解决上述问题，本发明提供一种用于MEMS工艺中的深槽制造方法，包括如下步骤：
在一用于MEMS封帽的硅衬底的正面上，由下至上分别形成一缓冲层和一掩蔽层；
在所述硅衬底的背面形成一接触层；
刻蚀形成在所述硅衬底正面的掩蔽层，以形成暴露出缓冲层表面的腐蚀窗口；
采用第一酸性溶液去除暴露出的缓冲层，并通过电化学腐蚀在所述腐蚀窗口对应的硅衬底位置处形成多孔硅层后，停止所述电化学腐蚀，所述多孔硅层的厚度为一深槽的深度；
所述第一酸性溶液去除剩余的掩蔽层和缓冲层后，使用碱性溶液去除所述多孔硅层，形成所述深槽，或者，采用热氧化工艺使所述多孔硅层成为热氧化硅层后，采用第二酸性溶液去除所述热氧化硅层、剩余的掩蔽层及缓冲层，形成所述深槽。
进一步的，所述第一酸性溶液为HF酸与乙醇的混合溶液，所述第二酸性溶液为HF酸溶液或者BOE溶液。
进一步的，在一用于MEMS封帽的硅衬底的正面上，由下至上分别形成一缓冲层和一掩蔽层的方法包括如下步骤：
在一用于MEMS封帽的硅衬底的正反两面上，分别形成一缓冲层；
在每一所述的缓冲层的表面上，采用LPCVD方法淀积一掩蔽层；
在所述硅衬底正面的掩蔽层的表面上淀积第一光刻胶；
刻蚀去除所述硅衬底背面的掩蔽层和缓冲层后，去除所述第一光刻胶。
进一步的，刻蚀形成在所述硅衬底正面的掩蔽层，以形成暴露出缓冲层表面的腐蚀窗口的方法包括如下步骤：
刻蚀形成在所述硅衬底正面的掩蔽层表面上的第二光刻胶，以形成暴露出掩蔽层表面的深槽腐蚀窗口；
以所述第二光刻胶为掩模，对暴露出的掩蔽层的表面进行刻蚀，以形成暴露出缓冲层表面的腐蚀窗口后，去除所述第二光刻胶。
优选的，所述缓冲层使用的材料为氧化硅薄膜。
优选的，所述掩蔽层使用的材料为氮化硅薄膜，用于电化学腐蚀工艺过程中对所述缓冲层进行保护。
进一步的，去除所述第一光刻胶的方法为干法氧气等离子去胶或3#湿法刻蚀去胶。
优选的，向所述硅衬底的背面注入硼离子，并通过快速热退火或高温退火的方式激活硼离子，以形成所述的接触层。
进一步的，去除所述第二光刻胶的方法为干法氧气等离子去胶或3#湿法刻蚀去胶。
优选的，在所述硅衬底的背面溅射一铝层，以形成所述的接触层。
进一步的，去除所述第二光刻胶的方法为干法氧气等离子去胶。
进一步的，所述电化学腐蚀产生的方法为电气连接线的正负两极分别与所述接触层和位于所述硅衬底正面的掩蔽层连接。
由上述技术方案可见，本发明公开的用于MEMS工艺中的深槽制造方法，在第一酸性溶液中，通过常规的电化学腐蚀，实现深槽沿着硅片衬底定向腐蚀，以在硅的特定窗口区域中形成多孔硅层，所述多孔硅层的厚度为所需深槽的深度，停止电化学腐蚀后，由于所述第一酸性溶液长时间腐蚀以去除掩蔽层，当去除所述掩蔽层后，所述第一酸性溶液会快速地去除暴露出的缓冲层，再通过碱性溶液腐蚀多孔硅层，由于碱性腐蚀溶液具有腐蚀多孔硅层的速度远远大于腐蚀硅的特性，从而形成深槽；或者所述第一酸性溶液会长时间腐蚀以去除掩蔽层，当去除所述掩蔽层后，所述第一酸性溶液会快速地去除暴露出的缓冲层，再利用多孔硅层易于氧化的特点，通过热氧化工艺使所述多孔硅层成为热氧化硅层后，采用第二酸性溶液腐蚀所述热氧化硅层，由于所述方法使第二酸性溶液腐蚀热氧化硅层的速度加快，远远大于腐蚀硅的特性，从而形成深槽。
由此可见，本发明公开的用于MEMS工艺中的深槽制造方法，其腐蚀工艺的腐蚀方向与硅衬底的晶向无关，可以形成类似的U型槽而不是形成V型槽或者类似V型槽，也无需购买专门的深槽刻蚀设备，实现的设备简单、成本低廉、能达到更高的深宽比，以及本发明的制造方法与CMOS工艺兼容。
附图说明
图1为本发明实施例一和实施例二的用于MEMS工艺中的深槽制造方法的流程示意图；
图2a至图2j为图1所示的实施例一的制造方法的剖面结构示意图；
图2a至图2h以及图2k和图2l为图1所示的实施例二的制造方法的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
实施例一
下面以图1所示的制作流程为例，结合附图2a至2j，对一种用于MEMS工艺中的深槽制造方法进行详细描述。
在步骤S1中，首先，参见图2a，在一用于MEMS封帽的硅衬底100的正反两面上，分别形成一缓冲层101。其中，所述硅衬底100为p型掺杂后具有一定浓度的硅片。所述缓冲层101的材料为二氧化硅（SiO2），所述缓冲层101是采用热氧化的方法形成的，所述缓冲层的厚度约为
其次，参见图2b，在已形成的每一所述缓冲层101的表面上，采用低压化学气相沉积方法（LowPressureChemicalVaporDepositionSystem，LPCVD)淀积一定厚度的掩蔽层102，所述掩蔽层102的厚度约为所述掩蔽层102使用的材料为氮化硅薄膜（Si3N4）。
其中，通过LPCVD方法所形成的掩蔽层102的膜质比通常的化学气相沉积方法（ChemicalVaporDeposition，CVD）所形成的膜质更紧致，在后续湿法腐蚀时，可以更好的用于阻挡腐蚀溶液进入掩蔽层102其下的缓冲层101，而使腐蚀溶液在指定区域中形成特殊的多孔硅层。
然后，参见图2c，在所述硅衬底的正面上已形成的掩蔽层102的表面上，淀积第一光刻胶103并烘烤，所述第一光刻胶103的厚度一般在1μm-3μm。
接着，参见图2d，刻蚀去除所述硅衬底背面的掩蔽层102和缓冲层101后，再去除所述第一光刻胶103。其中，在刻蚀所述硅衬底100背面的掩蔽层102和缓冲层101时，所述第一光刻胶103作为所述硅衬底100的正面保护层。去除所述第一光刻胶103的方法为干法氧气（O2）等离子去胶或3#湿法刻蚀去胶。所述3#湿法刻蚀中所使用的3#溶液为本领域的普通技术人员所熟知的，在此不在一一赘述其内容。
在步骤S2中，参见图2e，在所述硅衬底100的背面形成一接触层104。
其中，形成所述接触层104的第一种方法是：向所述硅衬底100的背面注入硼（B）离子，以在所述硅衬底100背面形成一P+层，离子注入的剂量一般需要大于1015/cm2，并通过快速热退火（TRA退火）或炉管高温退火等方式激活P+层中的硼离子，退火温度一般需大于900℃，以形成所述接触层104。形成所述接触层104的第二种方式是：在所述硅衬底100的背面溅射一铝（Al）层，以形成所述接触层104。所述接触层104的目的是在后续湿法腐蚀时使所述硅衬底100与腐蚀溶液形成良好的接触。
在步骤S3中，首先，参见图2f，在所述硅衬底正面的掩蔽层102的表面上，淀积第二光刻胶105，通过光刻、显影等工艺使所述第二光刻胶105中形成深槽腐蚀窗口D1，所述深槽腐蚀窗口D1暴露出掩蔽层102的表面。
其次，参见图2g，以所述第二光刻胶105为掩模，对暴露出的掩蔽层102的表面进行刻蚀，以形成暴露出缓冲层101表面的腐蚀窗口D2，之后，去除所述第二光刻胶105。
其中，当步骤S2采用第一种方法形成所述接触层104时，去除所述第二光刻胶105的方法为干法氧气（O2）等离子去胶或3#湿法刻蚀去胶；当步骤S2采用第二种方法形成所述接触层104时，去除所述第二光刻胶105的方法为干法氧气等离子去胶。
在步骤S4中，参见图2h，将电气的正负两极分别与所述接触层和位于所述硅衬底正面的掩蔽层连接（图中未示），然后，将上述结构浸入第一酸性溶液中，所述第一酸性溶液可对暴露出的缓冲层101进行腐蚀，在腐蚀的过程中，所述掩蔽层102对其下的缓冲层101进行保护，此时在所述硅衬底100中流过电流，电流密度一般为20～100mA/cm2，最佳电流密度为30mA/cm2～70mA/cm2，流过的电流在所述腐蚀窗口D2对应的硅衬底位置处因产生电化学腐蚀而形成多孔硅层D3，所述多孔硅层的厚度为一深槽的深度H，然后将电器的正负两极从所述接触层和掩蔽层上撤除，停止电化学腐蚀。
其中，所述第一酸性溶液为HF酸与乙醇（C2H5OH）溶液中，所述HF酸与乙醇溶液的体积比为HF:C2H5OH=1:5～5:1（体积比），典型的体积比为HF:C2H5OH=1:1，其中，所使用的HF酸溶液的质量浓度为49%，所使用的乙醇溶液的质量浓度为99%。
在步骤S5中，首先，参见图2i，所述第一酸性溶液需长时间腐蚀剩余的掩蔽层102，腐蚀速率较慢，当腐蚀掉剩余的所述硅衬底正面的掩蔽层102后，所述第一酸性溶液会快速地腐蚀掉暴露出的缓冲层101。
其次，参见图2j，使用碱性溶液腐蚀去掉所述多孔硅层，由于碱性腐蚀溶液具有腐蚀多孔硅层的速度远远大于腐蚀硅的特性，从而形成所述深槽107。所述碱性溶液为TMAH溶液或者KOH溶液。
实施例二
下面以图2所示的制作流程为例，结合附图2a至2h以及结合图2k和2l，对另一种用于MEMS工艺中的深槽制造方法进行详细描述。
在本实施例中，步骤S1至步骤S4的具体内容请分别参见实施例一中的步骤S1至步骤S4的内容，在此不再一一赘述。
在步骤S5中，首先，参见图2k，利用多孔硅层易于氧化的特点，采用热氧化工艺使所述多孔硅层D3成为热氧化硅层106’。
其中，当所述接触层104是向所述硅衬底100的背面注入B离子而形成的，则在所述硅衬底的背面也形成热氧化硅层106’；当所述接触层104是铝层时，则在所述硅衬底的背面不存在热氧化硅层。
其次，参见图2l，由于所述热氧化硅层更易在酸性溶液被快速腐蚀，因此采用第二酸性溶液腐蚀热氧化硅层的速度与所述第一酸性溶液腐蚀多孔硅层的速度相比更快，远远大于腐蚀硅的速度，因此采用所述第二酸性溶液能够快速腐蚀掉所述热氧化硅层，当所述第二酸性溶液腐蚀热氧化硅层时，所述第二酸性溶液腐蚀掩蔽层的速率较慢，当所述第二酸性溶液腐蚀掉所述硅衬底正面剩余的掩蔽层后，所述第二酸性溶液会快速地腐蚀掉暴露出的缓冲层，形成深槽。其中，所述第二酸性溶液为HF酸溶液或者BOE溶液。
由此可见，本发明公开的用于MEMS工艺中的深槽制造方法，其腐蚀工艺的腐蚀方向与硅衬底的晶向无关，可以形成类似的U型槽而不是形成V型槽或者类似V型槽，也无需购买专门的深槽刻蚀设备，实现的设备简单、成本低廉、能达到更高的深宽比，以及本发明的制造方法与CMOS工艺兼容。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (12)
1.一种用于MEMS工艺中的深槽制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
在一用于MEMS封帽的硅衬底的正面上，由下至上分别形成一缓冲层和一掩蔽层；
在所述硅衬底的背面形成一接触层；
刻蚀形成在所述硅衬底正面的掩蔽层，以形成暴露出缓冲层表面的腐蚀窗口；
采用第一酸性溶液去除暴露出的缓冲层，并通过电化学腐蚀在所述腐蚀窗口对应的硅衬底位置处形成多孔硅层后，停止所述电化学腐蚀，所述多孔硅层的厚度为一深槽的深度；
所述第一酸性溶液去除剩余的掩蔽层和缓冲层后，使用碱性溶液去除所述多孔硅层，形成所述深槽，或者，
采用热氧化工艺使所述多孔硅层成为热氧化硅层后，采用第二酸性溶液去除所述热氧化硅层、剩余的掩蔽层及缓冲层，形成所述深槽。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一酸性溶液为HF酸与乙醇的混合溶液，所述第二酸性溶液为HF酸溶液或者BOE溶液。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在一用于MEMS封帽的硅衬底的正面上，由下至上分别形成一缓冲层和一掩蔽层的方法包括如下步骤：
在一用于MEMS封帽的硅衬底的正反两面上，分别形成一缓冲层；
在每一所述的缓冲层的表面上，采用LPCVD方法淀积一掩蔽层；
在所述硅衬底正面的掩蔽层的表面上淀积第一光刻胶；
刻蚀去除所述硅衬底背面的掩蔽层和缓冲层后，去除所述第一光刻胶。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，刻蚀形成在所述硅衬底正面的掩蔽层，以形成暴露出缓冲层表面的腐蚀窗口的方法包括如下步骤：
刻蚀形成在所述硅衬底正面的掩蔽层表面上的第二光刻胶，以形成暴露出掩蔽层表面的深槽腐蚀窗口；
以所述第二光刻胶为掩模，对暴露出的掩蔽层的表面进行刻蚀，以形成暴露出缓冲层表面的腐蚀窗口后，去除所述第二光刻胶。
5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述缓冲层使用的材料为氧化硅薄膜。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述掩蔽层使用的材料为氮化硅薄膜，用于电化学腐蚀工艺过程中对所述缓冲层进行保护。
7.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于：去除所述第一光刻胶的方法为干法氧气等离子去胶或3#湿法刻蚀去胶。
8.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：向所述硅衬底的背面注入硼离子，并通过快速热退火或高温退火的方式激活硼离子，以形成所述的接触层。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于：去除所述第二光刻胶的方法为干法氧气等离子去胶或3#湿法刻蚀去胶。
10.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：在所述硅衬底的背面溅射一铝层，以形成所述的接触层。
11.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于：去除所述第二光刻胶的方法为干法氧气等离子去胶。
12.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述电化学腐蚀产生的方法为电气连接线的正负两极分别与所述接触层和位于所述硅衬底正面的掩蔽层连接。
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