CN107235470A - 一种湿法腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料的保护技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种湿法腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料的保护技术，腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料采用氮化硅薄膜保护。氮化硅薄膜采用平板型等离子体化学气相沉积(PECVD)设备淀积。淀积温度350～420℃，13.56MHz射频电源的功率在10‑30W之间。采用氨气和硅烷作为反应气体，氨气流量在3‑10sccm之间，硅烷和氨气的流量比在1.3～2.6之间。利用上述工艺参数淀积的氮化硅薄具有针孔密度和缺陷少的优点，可以光刻并刻蚀后在双面或正面湿法腐蚀过程中保护芯片正面的特定区域的金属及多晶硅材料。

Description

一种湿法腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料的保护技术
技术领域
本发明涉及一种湿法腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料的保护技术，特别是在芯片正面及双面腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料的保护技术，属于微电子机械系统(MEMS)领域。
背景技术
湿法腐蚀硅是将欲腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液里进行的腐蚀。腐蚀液对硅的不同晶面腐蚀速率不同，可在硅衬底上加工出梁、槽、薄膜、齿轮等微型三维结构。它是硅微结构加工的关键技术，具有腐蚀装置简单、腐蚀均匀性好、批量生产、成本低、腐蚀面质量好、腐蚀速度快、安全性和一致性好等优点，被广泛用来制作各种微电子机械系统或器件，比如压力传感器、加速度传感器、墨水喷射打印头和化学分析系统等。
湿法腐蚀的腐蚀液一般分为两类：一类是有机腐蚀液，包括EPW(乙二胺、邻苯二酸和水)和联胺等；另一类是无机腐蚀，包括碱性腐蚀液，如KOH、NaOH、LiOH、CsOH和NH4OH等。氢氧化钾(KOH)和四甲基氢氧化铵(TMAH)是最常用的两种腐蚀液。腐蚀液在腐蚀硅的同时也会腐蚀金属连线及电极、多晶硅电阻或合金电阻。为了解决这一问题，可以先进行深硅腐蚀再进行正面金属、合金及多晶硅薄膜的淀积和光刻工艺。但这种方法会使硅片的机械强度降低，在后续的淀积和光刻工艺中容易碎片，影响器件加工的成品率。第二种方法先进行金属、合金及多晶硅薄膜的淀积、光刻和刻蚀工艺，再进行深硅湿法腐蚀。这也是目前最常用的方法。但是，如何保护芯片正面金属、合金及多晶硅材料是工艺设计人员面临的一个关键问题。
硅的湿法腐蚀的深度通常在几百微米的量级，腐蚀时间较长，为了保护芯片正面的金属、合金及多晶硅材料，文献报道了以下方法：
【1】夹具保护金属表面。这也是目前最为广泛使用保护方法。尽管不同夹具在结构上有一定的差别，但大都是将夹具和芯片之间进行密封处理，只有芯片的背面与腐蚀溶液相接触。对夹具的精度、密封性要求较高。如果密封夹具的加工精度不高，腐蚀溶液渗透到硅片正面腐蚀金属电极。由于夹具体积较大，因此需要较大的容器和较多的刻蚀剂液。当硅片不完整时无法使用夹具保护进行湿法腐蚀。如果将夹具与芯片夹得过紧的话，有可能导致芯片损坏；反之则会有腐蚀液渗透至芯片正面的危险。使用机械夹具会限制批量制造传感器，不利于降低成本。
【2】黑腊保护。采用黑蜡进行金属表面防护，污染性强，黑蜡去除困难。
【3】有机聚合物保护。美国布鲁尔科技公司开发了一种PROTEK胶，可以采用类似光刻胶涂覆方法进行工艺加工，采用这种新的工艺可以在MEMS体硅工艺传感器的加工过程中，完成所有IC工艺的加工后再进行MEMS体硅工艺的加工。ALLRESIST GmbH公司也提供了一种AR-PC 504耐KOH腐蚀胶，在硅片表面涂覆该耐腐蚀胶，在烘箱中140℃烘烤1小时后可80℃，40％KOH中承受4-8个小时的腐蚀。但PROTEK胶和AR-PC 504价格十分昂贵。
上述方法虽然适合背面腐蚀时对正面金属、合金及多晶硅材料的保护，但并不适合微结构的正面腐蚀。从芯片正面腐蚀特定区域以释放微结构时如何保护芯片正面金属、合金及多晶硅材料更具有挑战性。
硅的各向异性腐蚀腐蚀深度通常在几百微米的量级，腐蚀时间较长，要求掩蔽层薄膜针孔密度小，腐蚀选择比高。硅腐蚀工艺中常用的热氧化二氧化硅掩蔽只能生长在单晶硅上，且工艺温度较高(一般大于950℃)，溅射的二氧化硅薄膜耐腐蚀性能差，均不适合作为腐蚀掩蔽层。LPCVD的工艺淀积的氮化硅薄膜在KOH或TMAH溶液中腐蚀速率极小，但工艺温度高(800℃左右)，会破坏金属引线与P+硅之间的欧姆接触。因此工艺温度较低的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺淀积的氮化硅薄膜引起了人们的注意。但是，PECVD工艺淀积的氮化硅薄膜的致密性较差，表面针孔比较多，在长时间腐蚀工艺中，腐蚀液会渗入芯片表面而腐蚀金属或多晶硅。所以直接应用代工厂的PECVD工艺淀积的氮化硅薄膜不能达到保护芯片的目的。
发明内容
本发明的目的在于优化淀积工艺参数，利用PECVD设备在芯片正面淀积出耐KOH和TMAH溶液腐蚀的氮化硅薄膜，以保护芯片正面金属及多晶硅材料。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：采用平板型PECVD设备淀积氮化硅薄膜。淀积温度350～420℃，13.56MHz射频电源的功率在10-30W之间。采用氨气和硅烷作为反应气体，氨气流量在3-10sccm之间，硅烷和氨气的流量比在1.3～2.6之间。
本发明所涉及的湿法腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料的保护技术具有以下优点：利用上述工艺参数淀积的氮化硅薄具有针孔密度和缺陷少的优点，可以光刻并刻蚀后在双面或正面湿法腐蚀过程中保护芯片正面的特定区域的金属及多晶硅材料。
附图说明
图1是采用本发明所提供的工艺条件淀积的氮化硅薄膜保护硅片正面金属引线及多晶硅电阻的结构示意图。
附图中：
1-硅片 2-绝缘层
3-多晶硅电阻 4-金属引线
5-氮化硅 6-腐蚀窗口
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。
实施例：
本发明所涉及的湿法腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料的保护技术，其保护方法如下：
【1】初始硅片(1)表面的绝缘层(2)上制作有金属引线(4)和多晶硅电阻(3)，在丙酮、酒精和去离子水中清洗，高纯氮气吹干硅片(1)。(见附图(1))
【2】采用平板型PECVD设备淀积氮化硅(5)薄膜。淀积温度400℃，13.56MHz射频电源的功率为20W。采用氨气和氩气稀释到5％的硅烷作为反应气体，氨气流量5sccm，5％硅烷流量为175sccm。(见附图1(2))
【3】光刻，去除欲腐蚀区域的光刻胶，干法刻蚀PECVD氮化硅(5)薄膜，去胶。(见附图1(3))
【4】80℃、40％KOH溶液中腐蚀硅(1)。(见附图1(4))
显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种湿法腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料的保护技术，其特征在于：腐蚀过程中芯片正面金属及多晶硅材料采用氮化硅薄膜保护，氮化硅薄膜采用平板型等离子体化学气相沉积(PECVD)设备淀积，淀积温度350～420℃，13.56MHz射频电源的功率在10-30W之间。采用氨气和硅烷作为反应气体，氨气流量在3-10sccm之间，硅烷和氨气的流量比在1.3～2.6之间。
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