CN106044704B - 微电子机械系统结构形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种微电子机械系统结构形成方法，包括如下步骤：提供衬底；在衬底上沉积阻挡层；在阻挡层上沉积基材层；在基材层上形成金属层；图形化所述金属层，形成沟槽；沉积介质层，进行沟槽填充；在金属层上沉积多晶硅层；对多晶硅层进行处理，使多晶硅层转变成多孔多晶硅层；在多孔多晶硅层上形成光刻胶层；通过等离子体轰击的方式图形化光刻胶层和多孔多晶硅层，并去除光刻胶层；在图形化的多孔多晶硅层上沉积结构层；释放多孔多晶硅层。本发明提供的微电子机械系统结构形成方法，所制造的微电子机械系统，结构稳定、性能优良、尺寸均一，与CMOS结合时能够实现良好的接触。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统制造领域，尤其涉及微电子机械系统结构形成方法。
背景技术
微电子机械系统技术具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，近年来得到了快速发展。但是传统的微电子机械系统结构形成方法具有如下缺点：
(1)传统技术中，图形化光刻胶层过程中容易因光刻胶层过度腐蚀而出现微机械结构尺寸偏大的问题；
(2)传统技术中，在释放多晶硅层的过程中容易造成微电子机械系统结构中可活动结构发生粘连而导致微电子机械系统的失效；
(3)微电子机械系统结构稳定性差，尺寸不均匀。
发明内容
为克服现有技术的缺点，提供一种结构稳定、性能优良、尺寸均一的微电子机械系统结构，本发明提供一种微电子机械系统结构形成方法，其包括如下步骤：
S1：提供衬底，所述衬底的厚度介于150-180埃；
S2：在衬底上沉积阻挡层，所述阻挡层的材质为氮化硅结合碳化硅，厚度介于80-120埃，氮化硅与碳化硅的质量比为1:1.2-1:1.75；
S3：在阻挡层上沉积基材层，所述基材层的材质为聚酰亚胺，所述聚酰亚胺由芳香四酸二烷酯与芳香二胺聚合而成，两种单体摩尔质量比介于2:1-4:1，所述基材层的厚度介于100-120埃；
S4：在基材层上形成金属层，所述金属层为镍金属层，厚度介于100-120埃；
S5：图形化所述金属层，形成与金属层等厚的沟槽，所述沟槽上表面积为图形化之前的金属层上表面积的30-50％；
S6：在沟槽处沉积介质层，进行沟槽填充，所述介质层的材质为结晶型二氧化硅，所述介质层的厚度与所述金属层的厚度相等；
S7：在金属层上沉积多晶硅层；
S8：对多晶硅层进行处理，使多晶硅层转变成多孔多晶硅层，所述多孔多晶硅层的厚度介于90-110埃；
S9：在多孔多晶硅层上形成光刻胶层，并对整个衬底、阻挡层、基材层、金属层、介质层及多孔多晶硅层进行加热处理和紫外线处理，其中，加热处理的温度为80-90℃，时间介于30-40min，紫外线处理中所使用的紫外线的强度为60-70mW/cm2，时间在两小时以上；
S10：通过等离子体轰击的方式图形化光刻胶层和多孔多晶硅层，并去除光刻胶层；
S11：在图形化的多孔多晶硅层上沉积结构层，所述结构层的材质为碳化硅；
S12：释放多孔多晶硅层。
其中，所述阻挡层的厚度介于90-100埃。
其中，所述基材层的厚度介于105-115埃。
其中，所述金属层的厚度介于105-115埃。
其中，所述衬底的厚度介于160-165埃。
其中，所述聚酰亚胺中，芳香四酸二烷酯与芳香二胺两种单体的摩尔质量比为3:1。
其中，所述沟槽的上表面积为图形化之前的金属层上表面积的40-45％。
其中，所述多孔多晶硅层的厚度介于100-105埃。
其中，氮化硅与碳化硅的质量比为1:1.36。
本发明提供的微电子机械系统结构形成方法，所制造的微电子机械系统结构，结构稳定、性能优良、尺寸均一，与CMOS结合时能够实现良好的接触。
附图说明
图1：本发明的微电子机械系统结构形成方法的流程图；
图2-图10：本发明的微电子机械系统结构形成方法的各步骤对应的剖面结构示意图。
附图标记说明
10 衬底
20 阻挡层
30 基材层
40 介质层
50 金属层
60 多孔多晶硅层
70 光刻胶层
80 结构层
具体实施方式
现就本发明提供的方法步骤，及所能产生的功效与优点，配合附图，举本发明的一较佳实施例详细说明如下：
如图1所示，本发明提供的微电子机械系统结构形成方法的流程图，包括如下步骤：
S1：提供衬底10；
S2：在衬底10上沉积阻挡层20，形成如图2所示的结构；
S3：在阻挡层20上沉积基材层30，形成如图3所示的结构；
S4：在基材层30上形成金属层50；
S5：图形化所述金属层50，形成与金属层50等厚的沟槽；
S6：沉积介质层40，进行沟槽填充，形成如图4所示的结构；
S7：在金属层50上沉积多晶硅层；
S8：对多晶硅层进行处理，使多晶硅层转变成多孔多晶硅层60，形成如图5所示的结构；
S9：在多孔多晶硅层60上形成光刻胶层70，并对整个衬底10、阻挡层20、基材层30、金属层50、介质层40及多孔多晶硅层60进行加热处理和紫外线处理，形成如图6所示的结构；
S10：通过等离子体轰击的方式图形化光刻胶层70和多孔多晶硅层60，形成图7所示的结构，并去除光刻胶层70，形成如图8所示的结构；
S11：在图形化的多孔多晶硅层60上沉积结构层80，形成如图9所示的结构；
S12：释放多孔多晶硅层60，形成如图10所示的结构。
发明人通过对比实验证明，在其它各层材质、厚度均相同的情况下，设有阻挡层20的微电子机械系统结构比没有设阻挡层20的微电子机械系统结构，其稳定性更好，在后期的刻蚀工艺中，尺寸也更均匀。同时，阻挡层20的存在，也能在后期将多晶硅层转化为多孔多晶硅层60的过程中，防止衬底10的硅层转化为多孔硅层。
在本发明的阻挡层20的研发过程中，选用了大量材料，比如碳化硅、碳化硅、硅等，最后发现氮化硅结合碳化硅的效果最好。对氮化硅、碳化硅的比例进行调节，有代表性的比例如下：
| 氮化硅 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 碳化硅 | 2.54 | 1.75 | 0.28 | 4.3 | 1.36 | 1.29 | 2.2 | 3 | 1.2 | 3.8 | 1.48 |
经过无数次对比实验，反复验证，发现当选用1:1.2-1:1.75的比例时，本发明的微电子机械系统结构可达到很好的效果，当选用1:1.36的比例时，达到最佳效果，稳定性最好，尺寸最均匀。
因此，本发明中，所述阻挡层20的材质优选为氮化硅结合碳化硅，氮化硅与碳化硅的质量比为1:1.36。
步骤S3中，基材层30作为阻挡层20与金属层50、介质层40之间的物质，其主要作用在于作为阻挡层20和金属层50之间的过度介质，保证金属层50在微电子机械系统结构中的顺利形成，本发明中，基材层30的材质优选为聚酰亚胺，同时，发明人通过对比实验证实：选用由芳香四酸二烷酯与芳香二胺聚合合成的聚酰亚胺作为基材层30，并且在两种单体的摩尔质量比介于2:1-4:1的情况下，在其上图形化金属层50之后，微电子机械系统结构几乎不存在副产物残留和电极金属残留，同时，将芳香四酸二烷酯与芳香二胺的摩尔质量比设为3:1的情况下，这种防止副产物残留和电极金属残留的效果最理想。
在图形化工艺条件相同的情况下，优选金属层50为镍材质时，金属层50上形成自然氧化层的速度非常慢，从而可以保证本领域技术人员有充足的时间沉积介质层40，并且在沉积介质层40，进行沟槽填充完毕后，沉积多晶硅层之前，不用再进行预清洗工艺，从而能够保证微电子机械系统结构在与CMOS结合时能够实现良好的接触。
步骤S5中，沟槽上表面积过大时，金属层50与介质层40的上表面积比偏小，使多晶硅层不能很好地沉积在金属层50上；沟槽上表面积过小时，工艺难度偏大，不利于形成符合规格的孔径，本发明中，优选沟槽上表面积为图形化之前的金属层50上表面积的30-50％，更佳的，优选其为图形化之前的金属层50上表面积的40-45％，优选介质层40的材质为结晶型二氧化硅。
步骤S8中，多晶硅层转化为多孔多晶硅层60的方法有很多种，本发明中，优选双槽电化学阳极氧化方法：将多晶硅层的相对两侧分别连通电源的阴极和阳极，在氢化氟溶液中氧化一小时，使多晶硅层转化为多孔多晶硅层60，形成的多孔多晶硅层60，在后期随着光刻胶层70曝光、显影、刻蚀的过程中，抗刻蚀的能力与光刻胶层70更一致，也即，光刻胶层70被刻蚀掉的部分，多孔多晶硅层60一同被刻蚀掉，光刻胶层70被保留的部分，多孔多晶硅层60也被保留，从而保证在将光刻胶层70去除后，剩下的多孔多晶硅层60的尺寸和结构满足工艺需要。
步骤S9中对整个衬底10、阻挡层20、基材层30、金属层50、介质层40及多孔多晶硅层60进行加热处理和紫外线处理的过程中，先进行加热处理，再进行紫外线照射处理。经过加热处理，光刻胶层70下的多孔多晶硅层60、金属层50、介质层40以及基材层30中的水气能够释放，特别是对于聚酰亚胺，前期的热处理有助于里面水气的挥发，这样后续的紫外线作用就不会对基材层30产生大的影响。另外，经过加热处理，光刻胶层70能够受热均匀，在后续的紫外线处理中更加容易刻蚀，从而达到更好地保护基材层30、金属层50、介质层40和多孔多晶硅层60的目的。其中，加热处理的温度为80-90℃，时间介于30-40min，紫外线处理中所使用的紫外线的强度为60-70mW/cm2，时间在两个小时以上。
步骤S11-S12中，为了防止结构层80在之后的释放多孔多晶硅层60的步骤中被刻蚀，需要选择比多孔多晶硅层60刻蚀选择比(刻蚀速率)大的材料作为结构层80的材料，发明人通过实验证明，当结构层80的材质为碳化硅时，在释放多孔多晶硅层60的过程中，结构层80的稳定性完全不会受到影响。
本发明中，从微电子机械系统结构的整体稳定性，沉积形成各材料层时的稳定性以及在各工艺中各材料层的抗粘连性等综合考虑，优选所述衬底10的厚度介于150-180埃；所述阻挡层20的厚度介于80-120埃；所述基材层30的厚度介于100-120埃；所述金属层50的厚度介于100-120埃；所述介质层40的厚度与所述金属层50的厚度相等；所述多孔多晶硅层60的厚度介于90-110埃。更佳的，优选所述衬底10的厚度介于160-165埃；所述阻挡层20的厚度介于90-100埃；所述基材层30的厚度介于105-115埃；所述金属层50的厚度介于105-115埃；所述多孔多晶硅层60的厚度介于100-105埃。
虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。
Claims (8)
1.一种微电子机械系统结构形成方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：提供衬底，所述衬底的厚度介于150-180埃；
S2：在衬底上沉积阻挡层，所述阻挡层的材质为氮化硅结合碳化硅，厚度介于80-120埃，氮化硅与碳化硅的质量比为1:1.2-1:1.75；
S3：在阻挡层上沉积基材层，所述基材层的材质为聚酰亚胺，所述聚酰亚胺由摩尔质量比为3:1的芳香四酸二烷酯与芳香二胺聚合而成，所述基材层的厚度介于100-120埃；
S4：在基材层上形成金属层，所述金属层为镍金属层，厚度介于100-120埃；
S5：图形化所述金属层，形成与金属层等厚的沟槽，所述沟槽的上表面积为图形化之前的金属层上表面积的30-50％；
S6：在沟槽处沉积介质层，进行沟槽填充，所述介质层的材质为结晶型二氧化硅，所述介质层的厚度与所述金属层的厚度相等；
S7：在金属层上沉积多晶硅层；
S8：对多晶硅层进行处理，使多晶硅层转变成多孔多晶硅层，所述多孔多晶硅层的厚度介于90-110埃；
S9：在多孔多晶硅层上形成光刻胶层，并对整个衬底、阻挡层、基材层、金属层、介质层及多孔多晶硅层进行加热处理和紫外线处理，其中，加热处理的温度为80-90℃，时间介于30-40min，紫外线处理中所使用的紫外线的强度为60-70mW/cm2，时间在两小时以上；
S10：通过等离子体轰击的方式图形化光刻胶层和多孔多晶硅层，并去除光刻胶层；
S11：在图形化的多孔多晶硅层上沉积结构层，所述结构层的材质为碳化硅；
S12：释放多孔多晶硅层。
2.如权利要求1所述的微电子机械系统结构形成方法，其特征在于：所述阻挡层的厚度介于90-100埃。
3.如权利要求1所述的微电子机械系统结构形成方法，其特征在于：所述基材层的厚度介于105-115埃。
4.如权利要求1所述的微电子机械系统结构形成方法，其特征在于：所述金属层的厚度介于105-115埃。
5.如权利要求1所述的微电子机械系统结构形成方法，其特征在于：所述衬底的厚度介于160-165埃。
6.如权利要求1所述的微电子机械系统结构形成方法，其特征在于：所述沟槽的上表面积为图形化之前的金属层上表面积的40-45％。
7.如权利要求1所述的微电子机械系统结构形成方法，其特征在于：所述多孔多晶硅层的厚度介于100-105埃。
8.如权利要求1-7任一项所述的微电子机械系统结构形成方法，其特征在于：所述氮化硅与碳化硅的质量比为1:1.36。
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