CN105217564B

CN105217564B - 一种去除mems焊垫上残留物的方法

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Publication number: CN105217564B
Application number: CN201410242664.9A
Authority: CN
Inventors: 金滕滕; 杨勇
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: CN105217564A

Abstract

本发明提供一种去除MEMS器件焊垫上残留物的方法，包括步骤：首先，提供一经过刻蚀工艺之后暴露出焊垫的MEMS器件，所述焊垫上由于刻蚀工艺残留有残留物；然后，将所述MEMS器件放置于反应腔中，并通入SiH₄和N₂O气体至所述反应腔，使所述气体等离子化发生反应，在所述焊垫表面生成中间产物SiO_x薄膜层；所述残留物与该SiO_X薄膜层反应生成离子团簇基团而去除。本发明通过SiH₄和N₂O气体反应生成SiO_x薄膜层，该薄膜层与残留物进一步反应生成离子团簇基团而被去除，利用该方法可以彻底去除残留物，同时保持焊垫表面光滑平整，满足MEMS器件制造的工艺要求。

Description

一种去除MEMS焊垫上残留物的方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，特别是涉及一种去除MEMS焊垫上残留物的方法。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是一种可集成化生产，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路于一体的微型器件或系统。它是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术发展而发展起来的。采用MEMS技术的微电子器件在航空、航天、环境监控、生物医学以及几乎人们所接触到的所有领域中有着十分广阔的应用前景。相对于传统的机械结构，MEMS器件的尺寸更小，最大不超过一个厘米，甚至仅仅为数个微米，其中的器件层厚度就更加微小，随着半导体技术的引入，利用半导体材料以及和CMOS兼容的工艺制作的MEMS芯片尺寸进一步缩小。其中微机械结构作为传感、传动以及运动机构的最重要的组成部分，因此微机械结构的完整可靠，决定了MEMS的功能的优良。

CMOS芯片或者MEMS芯片完成之后，都要进行封装。也就是把芯片上的电路管脚，用导线键合接引到外部接头处，以便与其它器件连接。芯片上与外界键合的结构是焊垫，进行封装工艺前的最后一道半导体制造工艺就是刻蚀去除焊垫上的多层组分结构，该多层组分结构一般包括SiGe层、Ge层、氧化物、Cl^-以及F^-等。由于该多层组分结构的厚度比较厚，约为5μm，所以刻蚀和清洗该多层组分结构是一项艰巨的任务。

通常，对多层组分结构的刻蚀分两步进行，每一步刻蚀工艺后跟随清洗工艺，第一步刻蚀去除焊垫上的SiGe层、氧化物、Ge层以及部分SiGe插塞(Plug)；第二步刻蚀掉焊垫上的介质层及介质层中剩余的SiGe插塞。由于多层结构较厚(约5μm)，进行两步刻蚀之后焊垫上仍有约1μm的残留物。

现有技术中，为了彻底清除掉的焊垫上的残留物，一般使用高浓度的HF酸进行1.5～2分钟的湿法清洗，这种方法虽然可以彻底去除残留物，但是同时焊垫会被HF酸严重腐蚀导致其表面粗糙不平；另一方法是利用正常的EKC湿法清洗方法清洗，即利用碱性化学液体(如NH₄F)进行清洗，但是这种方法就算进行长时间清洗也无法保证完全去除残留物。

因此，提供一种新的去除MEMS焊垫上残留物的方法实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种去除MEMS器件焊垫上残留物的方法，用于解决现有技术中不能有效去除焊垫上的残留物，或者去除残留物后导致焊垫表面粗糙不平的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种去除MEMS器件焊垫上残留物的方法，所述方法至少包括以下步骤：

1)提供一经过刻蚀工艺之后暴露出焊垫的MEMS器件，所述焊垫上由于刻蚀工艺残留有残留物；

2)将所述MEMS器件放置于反应腔中，并通入SiH₄和N₂O气体至所述反应腔，使所述气体等离子化发生反应，在所述焊垫表面生成中间产物SiO_x薄膜层；所述残留物与该SiO_X薄膜层反应生成离子团簇基团而被去除。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述步骤2)的气体反应发生在电介质化学气相沉积装置的反应腔中。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述步骤2)中的反应发生的温度范围为400～480℃。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述步骤2)中通入SiH₄的流量范围为3000～4500sccm，所述N₂O的流量范围为750～900sccm。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述步骤2)中所述MEMS器件与气体入口的距离范围为200～300毫米。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述步骤2)中所述反应腔中的压力范围为2.5～3.5Torr。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述SiO_X薄膜层的厚度范围为1.5～2μm。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述步骤2)之后还包括采用低浓度的HF或H₂SO₄进行清洗的步骤。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述步骤1)中MEMS器件在刻蚀之前至少包括半导体衬底、形成于所述半导体衬底上的焊垫、形成在所述焊垫上的介质层、形成于所述介质层中的导电插塞、自下而上依次沉积在所述介质层上的Ge层、氧化层、SiGe层。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述步骤1)中刻蚀工艺分两步进行：首先，在所述SiGe层上涂敷光刻胶层，并图形化所述光刻胶形成开口，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述开口以下的SiGe层、氧化层、Ge层以及导电插塞的部分材料；之后，再采用干法刻蚀工艺刻蚀剩余的导电插塞以及介质层。

作为本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法的一种优化的方案，所述氧化层为二氧化硅；所述导电插塞的材料为SiGe。

如上所述，本发明去除MEMS器件焊垫上残留物的方法，包括步骤：首先，提供一经过刻蚀工艺之后暴露出焊垫的MEMS器件，所述焊垫上由于刻蚀工艺残留有残留物；然后，将所述MEMS器件放置于反应腔中，并通入SiH₄和N₂O气体至所述反应腔，使所述气体等离子化发生反应，在所述焊垫表面生成中间产物SiO_x薄膜层；所述残留物与该SiO_X薄膜层反应生成离子团簇基团而被去除。本发明通过SiH₄和N₂O气体反应生成SiO_x薄膜层，该薄膜层与残留物进一步反应生成离子团簇基团而被去除，利用该方法可以彻底去除残留物，同时保持焊垫表面光滑平整，满足MEMS器件制造的工艺要求。

附图说明

图1为本发明去除MEMS焊垫上残留物的方法的工艺流程图。

图2为本发明刻蚀前MEMS器件的结构的示意图。

图3为本发明进行第一步刻蚀后的MEMS器件示意图。

图4为本发明进行第二步刻蚀后的MEMS器件示意图。

图5为本发明焊垫上残留有残留物的结构示意图。

图6为本发明生成的SiO_X薄膜层与残留物反应的示意图。

图7为本发明去除焊垫表面残留物之后的效果图。

图8为现有技术中去除焊垫表面残留物之后的效果图。

元件标号说明

1 半导体衬底

2 焊垫

3 介质层

4 导电插塞

5 Ge层

6 氧化层

7 SiGe层

8 光刻胶层

9 残留物

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种去除MEMS器件焊垫上残留物的方法，如图1所示，所述去除MEMS器件焊垫上残留物的方法至少包括步骤：

S1，提供一经过刻蚀工艺之后暴露出焊垫的MEMS器件，所述焊垫上由于刻蚀工艺残留有残留物；

S2，将所述MEMS器件放置于反应腔中，并通入SiH₄和N₂O气体至所述反应腔，使所述气体等离子化发生反应，在所述焊垫表面生成中间产物SiO_x薄膜层；所述残留物与该SiO_X薄膜层反应生成离子团簇基团而被去除。

下面结合具体附图对本发明的去除MEMS焊垫上残留物的方法进行详细的介绍。

首先执行步骤S1，如图4和5所示，提供一经过刻蚀工艺之后暴露出焊垫2的MEMS器件，所述焊垫2上由于刻蚀工艺残留有残留物9。

需要说明的是，请参阅附图2，该步骤中MEMS器件在刻蚀暴露所述焊垫2之前，其结构至少包括半导体衬底1、形成于所述半导体衬底1上的焊垫2、形成在所述焊垫2上的介质层3、形成于所述介质层3中的导电插塞4、以及自下而上依次沉积在所述介质层3上的Ge层5、氧化层6、SiGe层7。

具体的，所述半导体衬底1可以为常规的半导体衬底，如Si、Ge、SOI、GOI等，所述半导体衬底1中还可以包括CMOS器件、金属互连层等。

所述氧化层6可以为二氧化硅，所述导电插塞4的材料可以是SiGe，在此不限。在所述导电插塞4的四周及底部沉积有粘附层(未予以图示)，所述粘附层可以是TiN。

刻蚀暴露所述焊垫2的工艺分两步进行：首先，在所述SiGe层7上涂敷光刻胶层8，并图形化所述光刻胶层8形成开口，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述开口以下的SiGe层7、氧化层6、Ge层5以及导电插塞4的部分材料，第一步刻蚀后获得的结构如图3所示；之后，再采用干法刻蚀工艺刻蚀剩余的导电插塞4以及介质层3，通常第二步刻蚀时还会刻蚀掉一定厚度的焊垫2表面，两步刻蚀之后理论上应该获得如图4所示结构。但是由于两步刻蚀的结构包括SiGe层、氧化层、Ge层、以及介质层组成的多层组分结构，该结构厚度太厚，约为5μm，因此，两次刻蚀工艺完成后，仍然有约1μm的残留物残留在焊垫2上，其中，粘附在所述多层组分结构侧壁上的残留物厚度大于焊垫表面残留物的厚度，如图5所示。所述残留物9的成分包括SiGe、氧化材料、介质材料、光刻胶材料以及刻蚀工艺引进的F^-和Cl^-。

之后执行步骤S2，将所述MEMS器件放置于反应腔中，并通入SiH₄和N₂O气体至所述反应腔，使所述气体等离子化发生反应，在所述焊垫2表面生成中间产物SiO_x薄膜层；所述残留物9与该SiO_X薄膜层反应生成离子团簇基团而被去除。

所述气体反应可以在电介质化学气相沉积(DCVD)反应腔中进行，当然，也可以在其他合适的工艺腔中进行，在此不限。为了获得合适厚度的中间产物SiO_X，一般要求气体比率较低，反应腔的压力较高，并且MEMS器件与气体通入的入口(shower head)之间的距离较大。

具体地，通入所述SiH₄的流量范围为3000～4500sccm，所述N₂O的流量范围为750～900sccm；所述反应腔中的压力范围为2.5～3.5Torr；所述MEMS器件与气体入口的距离范围为200～300毫米。

作为示例，本实施例中，通入所述SiH₄的流量为3500sccm，所述N₂O的流量为800sccm；所述反应腔中的压力为3Torr；所述MEMS器件与气体入口的距离为280毫米。

在300～400W的电源功率下，所述SiH₄和N₂O气体被等离子化形成等离子体；当反应腔中的温度控制在400～480℃范围内时，SiH₄和N₂O气体发生如下反应：

SiH₄+N₂O→SiO_X+N₂+H₂+其他挥发性物质

在上述条件下，所述SiO_X薄膜层形成在残留物表面，反应生成的SiO_X薄膜层的厚度为1.5～2μm。该厚度的SiO_X薄膜层进而可以与所述残留物完全发生化学反应，如图6所示，生成离子团簇基团。

此时，生成的离子团簇基团只需使用低浓度的HF或H₂SO₄进行清洗。本实施例中，采用浓度为100：1的HF酸进行清洗。

再请参阅图7和图8，其中，图7为本发明采用中间产物SiO_X与残留物反应后的焊垫表面的形貌照片；图8为现有技术利用高浓度清洗液进行残留物清洗后的形貌照片。可以看出，现有技术去留残留之后，焊垫表面凹凸不平；而利用本发明的方法去除残留物之后，焊垫光滑平整，不会影响后续键合质量，符合MEMS工艺要求。

综上所述，本发明提供一种去除MEMS器件焊垫上残留物的方法，包括步骤：首先，提供一经过刻蚀工艺之后暴露出焊垫的MEMS器件，所述焊垫上由于刻蚀工艺残留有残留物；然后，将所述MEMS器件放置于反应腔中，并通入SiH₄和N₂O气体至所述反应腔，使所述气体等离子化发生反应，在所述焊垫表面生成中间产物SiO_x薄膜层；所述残留物与该SiO_X薄膜层反应生成离子团簇基团而被去除。本发明通过SiH₄和N₂O气体反应生成SiO_x薄膜层，该薄膜层与残留物进一步反应生成离子团簇基团而被去除，利用该方法可以彻底去除残留物，同时保持焊垫表面光滑平整，满足MEMS器件制造的工艺要求。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于，所述去除MEMS焊垫上残留物的方法至少包括步骤：

1)提供一经过刻蚀工艺之后暴露出焊垫的MEMS器件，所述焊垫上由于刻蚀工艺残留有残留物；所述残留物的成分包括SiGe、氧化材料、介质材料、光刻胶材料以及刻蚀工艺引进的F-和Cl-；

2)将所述MEMS器件放置于反应腔中，并通入SiH₄和N₂O气体至所述反应腔，使所述气体等离子化发生反应，在所述焊垫表面生成中间产物SiOx薄膜层；所述残留物与该SiO_X薄膜层反应生成离子团簇基团而被去除。

2.根据权利要求1所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述步骤2)的气体反应发生在电介质化学气相沉积装置的反应腔中。

3.根据权利要求1所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述步骤2)中的反应发生的温度范围为400～480℃。

4.根据权利要求1所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述步骤2)中通入SiH₄的流量范围为3000～4500sccm，所述N₂O的流量范围为750～900sccm。

5.根据权利要求1所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述步骤2)中所述MEMS器件与气体入口的距离范围为200～300毫米。

6.根据权利要求1所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述步骤2)中所述反应腔中的压力范围为2.5～3.5Torr。

7.根据权利要求1所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述SiO_X薄膜层的厚度范围为1.5～2μm。

8.根据权利要求1所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述步骤2)之后还包括采用低浓度的HF或H₂SO₄进行清洗的步骤。

9.根据权利要求1所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述步骤1)中MEMS器件在刻蚀之前至少包括半导体衬底、形成于所述半导体衬底上的焊垫、形成在所述焊垫上的介质层、形成于所述介质层中的导电插塞、以及自下而上依次沉积在所述介质层上的Ge层、氧化层、SiGe层。

10.根据权利要求9所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述步骤1)中的刻蚀工艺分两步进行：首先，在所述SiGe层上涂敷光刻胶层，并图形化所述光刻胶形成开口，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述开口以下的SiGe层、氧化层、Ge层以及导电插塞的部分材料；之后，再采用干法刻蚀工艺刻蚀剩余的导电插塞以及介质层。

11.根据权利要求10所述的去除MEMS焊垫上残留物的方法，其特征在于：所述氧化层为二氧化硅；所述导电插塞的材料为SiGe。