CN104003349A - 利用soi片制备mems器件的表面牺牲层工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用SOI片制备MEMS器件的表面牺牲层工艺方法，其步骤包括：1)在SOI基片上光刻定义MEMS器件结构区，并刻蚀器件层单晶硅和埋氧层氧化硅至衬底表面，埋氧层作为第一层牺牲层；2)淀积氧化硅作为第二层牺牲层；3)根据MEMS器件结构光刻定义氧化硅区域，并对氧化硅进行刻蚀；4)进行光刻，以氧化硅和光刻胶作双层掩膜刻蚀隔离槽；5)去除光刻胶，以氧化硅为掩膜刻蚀制作凸点槽和锚点槽；6)淀积第二层结构层，进行刻蚀以形成MEMS器件结构；7)制作通孔和引线；8)冷阱释放。本发明采用单晶硅作为主体结构层，加入预应力和凸点防止结构层黏附，工艺难度低，成品率高，可广泛应用于MEMS器件的制作。

Description

利用SOI片制备MEMS器件的表面牺牲层工艺方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，特别应用在MEMS表面牺牲层工艺领域，涉及利用SOI片制作MEMS的表面牺牲层工艺方法。

背景技术

九十年代以来，微电子机械系统(MEMS)技术进入了高速发展阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以及性能更优的前景特点。在常规的表面牺牲层工艺中，结构层采用淀积的方式制作。由于衬底材料和结构层材料不一样，可能引入衬底/结构层失配，往往需要设置距离很近的锚点，限制了锚点甚至是结构的设计。

SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。利用SOI片制作MEMS结构的思想在MEMS发展中期就曾被提出。简单来说，就是刻蚀SOI片的器件层和埋氧(BOX)层，腐蚀作为牺牲层的BOX层，释放器件层作为MEMS结构。SOI-MEMS技术的主要优点为无须额外淀积结构层，工艺简单，且不存在淀积出现的应力问题。但SOI-MEMS技术尚存在一些问题。根据文献报道，采用键合方法制作的SOI片的器件硅层一般有60-80MPa的残余应力,如果需要使用低应力的SOI片则需要特殊工艺制作。另外，它无法完成一些特定的结构，比如可动的齿轮的制作。由于结构层为单晶硅，单晶硅层的粗糙度很低，牺牲层为BOX层(厚度往往仅为几μm)，非常容易粘附。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种利用SOI片的表面牺牲层工艺，此工艺方法可以完成齿轮等结构层完全可动的结构的制作，可以获得单晶硅结构层的MEMS器件结构，且通过预应力和凸点设计，不会发生黏附。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用SOI片制备MEMS器件的表面牺牲层工艺方法，其步骤包括：

1)在SOI基片上光刻定义MEMS器件的结构区，并刻蚀器件层单晶硅和埋氧(BOX)层氧化硅至衬底表面，其中埋氧层作为第一层牺牲层；

2)在刻蚀后的衬底和单晶硅表面淀积氧化硅，作为第二层牺牲层；

3)根据MEMS器件结构光刻定义氧化硅区域，并对氧化硅进行刻蚀；

4)进行光刻，以氧化硅和光刻胶作双层掩膜，刻蚀器件层单晶硅的隔离槽；

5)去除光刻胶，以氧化硅为掩膜刻蚀制作凸点(dimple)槽和锚点(anchor)槽；

6)淀积第二层结构层，并进行刻蚀以形成MEMS器件结构；

7)制作通孔和引线；

8)冷阱释放，即去掉牺牲层，释放器件结构。

进一步地，步骤1)所述SOI片选用低应力SOI片，器件层Si层厚度即为MEMS结构层厚度，BOX层厚度即为第一层牺牲层厚度，Si层厚度优选为1.5μm，BOX层厚度优选为1.5μm。

进一步地，步骤2)所述氧化硅采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法淀积，淀积的氧化硅厚度为第二层牺牲层厚度，同时作为后续刻蚀的掩膜，其厚度根据步骤1)的光刻窗口大小确定，需要填充满释放孔，且厚度足够做刻蚀掩膜，厚度优选为2μm。

进一步地，步骤3)所述的刻蚀SiO₂自停止于Si表面，可以适量过刻蚀，优选刻蚀厚度为2μm。

进一步地，步骤5)所述anchor槽为环形的封闭槽。

进一步地，步骤6)对淀积第二层结构层进行退火处理以加入预应力，防止黏附。优选地，所述淀积第二层结构层，包括淀积氮化硅层(Si₃N₄)和淀积多晶硅层(Poly-Si)，并进行多晶硅掺杂及退火处理，然后刻蚀氮化硅和多晶硅，形成MEMS器件的结构层。所述氮化硅层和多晶硅层优选采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法淀积。Si₃N₄用于电学隔离Poly-Si和器件层单晶硅。在淀积了Si₃N₄之后退火的作用是为结构层加入预应力，防止黏附。

进一步地，在步骤6)形成中空的dimple。这种中空dimple可以同时作为释放孔和dimple的作用，还有减小结构层应力弯曲的作用。

进一步地，步骤7)所述引线的金属优选采用溅射或者蒸发的方法淀积，材料优选为金(Au)，增加铬(Cr)薄层增加金属粘附性。

进一步地，步骤8)释放所有的牺牲层，包括BOX的SiO₂和步骤2)淀积的SiO₂，释放方法可以选用干法释放或湿法释放。

本发明方法选用更复杂的多层牺牲层工艺(包含淀积多个电极，多层结构)也依然适用，此时需要在步骤6)之后，步骤7)之前加入淀积材料和刻蚀等工艺。

本发明为MEMS领域人员提供了一种采用SOI片的牺牲层工艺，采用了单晶硅作为主体结构层，加入了预应力和dimple防止结构层黏附，可以完成中空的dimple减少结构层弯曲。与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1.本发明可以完成低应力的两层牺牲层的MEMS结构，利用了单晶硅作为结构层。

2.本发明方法的工艺步骤以传统的表面牺牲层工艺为依托，充分考虑前后工艺的影响，是可以单片集成的工艺。

3.本发明设计的工艺包含合理的工艺厚度特征，使用了预应力和dimple防黏附。

4.本发明所设计的工艺可以广泛应用于MEMS芯片的制作。

5.本发明的工艺流程包含的结构的工艺难度比较低，易获得较高的成品率。

6.本发明的测试结构可以与IC工艺兼容，有很大的商业价值和市场。

附图说明

图1-8为本发明的利用SOI片的表面牺牲层工艺流程示意图。

图9为含有环形anchor槽的扫描电镜照片。

图10a和图10b分别为中空dimple的示意图和扫描电镜照片。

图11为SOI表面牺牲层工艺制作的齿轮扫描电镜照片。

图中：1—衬底；2—器件层单晶硅；3—BOX氧化硅层；4—底层氧化硅5—隔离槽；6—光刻胶；7—anchor槽；8—dimple槽；9—多晶硅结构层；10—氮化硅层；11—内外互联线；A—刻蚀过程中形成的氧化硅侧墙；B—封闭的环形anchor槽；C—中空的dimple；D—齿轮的多晶硅固定转轴。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

图1-8为本发明的利用SOI片制备MEMS器件的表面牺牲层工艺方法的步骤流程图，对其步骤具体说明如下：

1)在SOI基片上光刻定义结构区，刻蚀器件层单晶硅2和埋氧(BOX)层氧化硅3至衬底1表面，其中埋氧层作为第一层牺牲层，如图1所示。

该步骤所述SOI片选用低应力SOI片，器件层Si层厚度即为MEMS结构层厚度，BOX层厚度即为第一层牺牲层厚度，Si层厚度优选为1.5μm，BOX层厚度优选为1.5μm。

2)采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法淀积SiO₂层4，作为第二层牺牲层，如图2所示。

该步骤所述的LPCVD SiO₂厚度为第二层牺牲层厚度，同时作为后续刻蚀的掩膜，其厚度根据步骤1)的光刻窗口大小确定，需要填充满释放孔，且厚度足够做刻蚀掩膜，厚度优选位2μm。

3)根据MEMS器件结构光刻定义SiO₂区域，并刻蚀SiO₂，如图3所示。

该步骤所述的刻蚀SiO₂自停止于Si表面，可以适量过刻蚀，优选刻蚀厚度为2μm。

4)光刻，以氧化硅4和光刻胶6作双层掩膜，刻蚀器件层单晶Si的隔离槽5，如图4所示。

该步骤所述双掩膜步骤刻蚀隔离槽目的为：刻蚀隔离槽之后，由于存在高台阶，很难进行步骤5)需要刻蚀的dimple和anchor槽的光刻，通过双掩膜可以完成仅一次光刻，制作两种深度的槽。隔离槽用于隔离槽的左侧和槽的右侧的器件硅，当隔离槽被光刻为一个闭合槽(或称环形的封闭槽)时，内部的BOX层硅将被隔离，不会在释放时被腐蚀，于是可以完成固定器件层硅的作用，器件硅层不会由于长时间释放而发生脱落。

5)去除光刻胶，以氧化硅4为掩膜刻蚀制作凸点(dimple)槽8和锚点(anchor)槽7，如图5所示。

该步骤所述的刻蚀是将全片同时刻蚀Si，隔离槽也会被刻蚀。dimple槽和anchor槽均为预留的凹槽，在填充材料后，用于制作出dimple(凸点)和anchor(锚点)。dimple可以防止结构层发生黏附，而anchor槽用于固定多晶硅层，防止MEMS部分在释放过程中发生脱落。anchor槽同样可以用于隔离槽的左侧和右侧，当anchor槽被光刻为一个封闭槽时，内部的BOX层硅将被隔离，不会再释放时被腐蚀，于是可以完成固定多晶硅结构的作用，不会由于长时间释放而发生脱落。如图9中B所示为一个环形的封闭anchor槽，A为刻蚀过程中形成的氧化硅侧墙。

6)淀积氮化硅层10(Si₃N₄)和多晶硅层9(Poly-Si)，并进行多晶硅掺杂及退火处理，然后刻蚀Si₃N₄、Poly-Si，形成MEMS器件的结构层，如图6所示。

Si₃N₄、Poly-Si淀积用于填充三种槽并形成MEMS结构，优选采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法淀积。Si₃N₄用于电学隔离Poly-Si和器件层单晶硅。在淀积了Si₃N₄之后退火的作用是为结构层加入预应力，防止黏附。

步骤5)所述的dimple槽将在步骤6)中填充并刻蚀，若步骤6)选择的填充厚度无法填满dimple槽，将在步骤6)刻蚀Si₃N₄、Poly-Si时出现中空的dimple，如图10中C所示，这种中空dimple可以同时作为释放孔和dimple的作用，还有减小结构层应力弯曲的作用。

7)通孔和引线11制作，如图7所示。

引线的金属优选采用溅射或者蒸发的方法淀积，材料优选为金(Au)，增加铬(Cr)薄层增加金属粘附性。

8)冷阱释放，如图8所示。该步骤释放腐蚀所有的牺牲层，包括BOX的SiO₂和步骤2)淀积的SiO₂。

本发明的SOI表面牺牲层工艺可以适用于表面牺牲层集成化技术加工的可动结构的MEMS器件芯片，如：加速度计、陀螺等传感器、可调电容结构等执行器。以制作齿轮为例，具体形貌如图9所示，对其说明如下：

1.基片选择为P(100)SOI片，器件层和BOX层厚度均为1.5μm，电阻率7-13Ωcm。

2.光刻定义结构区，刻蚀1.5μm Si和1.5μm SiO2至衬底表面。

3.LPCVD SiO₂2μm作为第二层牺牲层。

4.光刻定义SiO₂区域，并刻蚀SiO₂，再次光刻，以氧化硅和光刻胶作双层掩膜，刻蚀器件层单晶Si刻蚀隔离槽。

5.去除光刻胶，以氧化硅为掩膜刻蚀制作dimple槽和anchor槽。

6.淀积Si₃N₄ Poly-Si2μm，多晶硅掺杂，退火，刻蚀氮化硅和多晶硅结构。

7.通孔和引线(Al)制作。

8.光刻胶保护非释放区域，冷阱释放。

图11为实际流片完成的齿轮扫描电镜照片。实际制作完成了中空的dimple，如图11中C所示，实测发现中空dimple可以缓解结构层翘曲。图11中D为齿轮的多晶硅固定转轴。

上述制备方法中，用于第二层结构层材料除了多晶硅以外，可以选用别的材料；引线也可以选用其它金属材料。释放方法可以选用干法释放或湿法释放。

通过流片，发现未发生黏附，上述工艺可以成功通过预应力和dimple防止SOI片的牺牲层工艺中发生黏附，测得器件层内残余应力为[17.3～23.5]MPa。该应力可以通过后退火等工艺进一步减小。

实测证实由于衬底和结构层同为单晶硅结构，之间无失配，无须考虑工作温度造成的失陪问题，非常适合MEMS结构的制作，不会限制MEMS器件的anchor设计。

上述实施例中的选择齿轮结构作例子说明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以针对本发明中器件结构、材料选择和制备方法的工艺步骤做一定的变化和修改，MEMS牺牲层工艺选用更复杂的多层牺牲层工艺(包含淀积多个电极，多层结构)也依然适用。本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种利用SOI片制备MEMS器件的表面牺牲层工艺方法，其步骤包括：

1)在SOI基片上光刻定义MEMS器件的结构区，并刻蚀器件层单晶硅和埋氧层氧化硅至衬底表面，其中埋氧层作为第一层牺牲层；

2)在刻蚀后的衬底和单晶硅表面淀积氧化硅，作为第二层牺牲层；

3)根据MEMS器件结构光刻定义氧化硅区域，并对氧化硅进行刻蚀；

4)进行光刻，以氧化硅和光刻胶作双层掩膜，刻蚀器件层单晶硅的隔离槽；

5)去除光刻胶，以氧化硅为掩膜刻蚀制作凸点槽和锚点槽；

6)淀积第二层结构层，并进行刻蚀以形成MEMS器件结构；

7)制作通孔和引线；

8)去掉牺牲层，释放器件结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述SOI基片为低应力SOI片。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述氧化硅采用LPCVD方法淀积，其厚度根据步骤1)的光刻窗口大小确定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)所述隔离槽和步骤5)所述锚点槽为环形的封闭槽。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6)对淀积的第二层结构层进行退火处理以加入预应力。

6.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤6)所述淀积第二层结构层，包括淀积氮化硅层和淀积多晶硅层，并进行多晶硅掺杂及退火处理以加入预应力，然后刻蚀氮化硅和多晶硅，形成MEMS器件的结构层。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤6)形成中空的凸点。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤7)所述引线的金属采用溅射或者蒸发的方法淀积，引线的材料为金，并增加铬薄层以增加金属粘附性；步骤8)采用干法释放或湿法释放。

9.如权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于：在步骤6)之后，步骤7)之前加入淀积材料和刻蚀步骤，采用多层牺牲层工艺制备MEMS器件。

10.根据权利要求1～9中任一项所述方法制备的MEMS器件。