CN112047294B - 红外mems桥梁柱结构及工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外MEMS桥梁柱结构及形成方法，所述结构采用多层薄膜复合结构，包括第一释放保护层、金属介质层以及第二释放保护层；所述第一释放保护层为氧化硅层；所述第二释放保护层为四层结构，从下至上依次为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层；所述金属介质层包括三层结构，从下至上依次是Ti、TiN以及Ti层。本发明在淀积金属介质层时将薄膜层追加一层金属Ti层，在刻蚀DARC时，金属Ti层可以有效的阻挡刻蚀去胶时氧离子的轰击导致TiN层被氧化，后续湿法刻蚀更容易去除干净，防止残留。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，特别是指一种MEMS产品桥梁结构中，能够有效的支撑MEMS镂空的红外MEMS桥梁柱结构，可以有效的降低桥梁结构翘曲带来的后续封装异常。
本发明还涉及所述红外MEMS桥梁柱结构的工艺方法。
背景技术
微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。
MEMS具有以下几个基本特点：微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，侧重于超精密机械加工，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：1.理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响(Scaling Effects)，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。2.技术基础研究：主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。3.微机械在各学科领域的应用研究。
微机电系统是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。
非晶硅是硅的同素异形体形式，能够以薄膜形式沉积在各种基板上，为各种电子应用提供某些独特的功能。非晶硅被用在大规模生产的微机电系统(MEMS)和纳米机电系统(NEMS)、太阳能电池、微晶硅和微非晶硅、甚至对于各种基板上的滚压工艺技术都是有用的。传统MEMES器件比较依赖于在硅基层电路制造中使用的那些典型材料，例如单晶硅，多晶硅，氧化硅和氮化硅。由于MEMS器件的机械本质，像杨氏模量、热膨胀系数和屈服强度这些材料属性对于MEMS的设计来说是非常重要的。MEMS结构中经常会有无支撑(或悬垂)的元件，因此对于薄膜中的应力和应力梯度需要严格控制，否则无支撑元件将会断裂或卷曲，致使结构失效。
现有的工艺包括如下的步骤：
步骤一，在半导体基片上形成非晶硅薄膜层；
步骤二，淀积Ti/TiN金属介质层及一层DARC层；
步骤三，淀积光刻胶并光刻，使光刻胶图案化；
步骤四，在光刻胶的定义下对DARC层进行刻蚀；
步骤五，去除光刻胶；
步骤六，进行DRY Treat工艺，对TiN层进行刻蚀；
步骤七，继续对TiN层及TiN层下方的Ti层进行刻蚀。
上述工艺在光刻去胶刻蚀时，氧离子会对TiN层进行轰击而使TiN层被氧化，后续的湿法刻蚀工艺难以将氧化的TiN层刻蚀干净，容易残留。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种红外MEMS桥梁柱结构及形成方法，优化膜层结构，解决桥梁柱形成过程中刻蚀不干净的问题。
为解决上述问题，本发明所述的红外MEMS桥梁柱结构，所述桥梁柱结构形成与半导体衬底之上，其结构包括第一释放保护层、金属介质层以及第二释放保护层；
所述第一释放保护层为氧化硅层；
所述第二释放保护层为四层结构，从下至上依次为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层；
所述金属介质层为三层结构，从下至上依次为Ti、TiN以及Ti层，即两层Ti金属层夹着TiN形成三明治结构。
进一步的改进是，在所述桥梁柱结构以外的区域，还具有由其他多种膜层形成的MEMS结构，在桥梁柱结构区域以外的层次包括衬底、金属反射层、介质层、释放层、第一释放保护层、感光敏感层、金属电极、DARC层以及第二释放保护层；
所述第一释放保护层沉积于释放层之上，并一起位于介质层之上；
所述感光敏感层沉积于第一释放保护层之上；
所述DARC层淀积于金属电极上之上；
所述第二释放保护层沉积于DARC层之上。
进一步的改进是，所述的衬底为硅衬底，是用来读取红外传感信号的电路基片。
进一步的改进是，所述的金属反射层为高反射率的金属薄膜，材料为金、银、铝或者铜，或者是其中几种材料混合体。
进一步的改进是，所述的介质层、第一释放保护层、DARC层，均是电性绝缘层，材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和碳化硅中的一种或几种；或者非化学计量比的氮化硅、氮氧化硅的一种或者几种；所述碳化硅可替换氧化硅。
进一步的改进是，所述的感光敏感层材料，为红外吸收的非晶硅材料。
进一步的改进是，所述的金属电极，材料为Ti/TiN结构的金属薄膜。
进一步的改进是，还包括支撑孔区域。
为解决上述问题，本发明提供一种红外MEMS的桥梁柱结构的工艺方法，所述方法包含：
步骤一，提供一半导体基片，在所述半导体基片上沉积一层非晶硅薄膜；
步骤二，在所述半导体基片上整体依次淀积Ti、TiN以及Ti层，形成金属介质层，再淀积一层DARC膜层；
步骤三，通过光刻胶定义出桥梁柱刻蚀区；
步骤四，通过图案化的光刻胶的遮蔽向下对DARC膜层进行刻蚀；
步骤五，去除光刻胶；
步骤六，继续向下对Ti、TiN以及Ti层进行刻蚀，直到露出非晶硅薄膜层。
进一步的改进是，所述的半导体基片为用来读取红外传感信号的电路基片。
进一步的改进是，所述的半导体基片为硅衬底。
进一步的改进是，所述桥梁柱结构包含第一释放保护层、金属介质层及第二释放保护层。
进一步的改进是，所述第一释放保护层为氧化硅层，所述第二释放保护层为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层所形成的复合层。
本发明所述的红外MEMS桥梁柱结构及形成方法，在淀积金属介质层时将薄膜层追加一层金属Ti层，在刻蚀DARC时，去除光刻胶时，金属Ti层能阻挡刻蚀时候的氧离子对TiN层的氧化作用，防止TiN层被氧化，后续湿法刻蚀更容易去除干净，防止残留。
附图说明
图1是普通红外MENS结构的示意图，包含支撑孔及桥梁柱结构。
图2是本发明提供的桥梁柱结构，包含第一释放保护层、金属介质层及第二释放保护层。
图3是现有技术的红外MEMS结构的制作工艺步骤示意图，包括S1～S7共七步工艺。
图4是本发明红外MEMS结构的制作工艺步骤示意图。
具体实施方式
本发明所述的红外MEMS桥梁柱结构，主要针对MEMS结构桥梁柱的膜层进行了改进。如图1中所示，图中是一种红外MEMS结构的剖面图，包含有支撑孔结构，桥梁柱结构以及桥梁柱区域以外的膜层结构，图中支撑孔位于两端，两支撑孔之间为MEMS结构，图1中的虚线圆圈处即为红外MEMS结构的桥梁柱结构区。传统的桥梁柱膜层包括第一释放保护层、金属介质层、第二释放保护层。其中金属介质层包括TiN及Ti层，由于在传统的工艺中，在对膜层进行刻蚀形成桥梁柱的过程中，在对移除光刻胶的刻蚀过程以及刻蚀DARC层时，TiN层对刻蚀的氧离子的抵挡作用稍弱，从而导致下层Ti层被氧化，后续湿法刻蚀难以去除干净，存在残留的情况。
本发明提供一种新的桥梁柱膜层结构，与传统结构相比，本发明主要对金属介质层进行改进，在TiN上方再追加一层金属Ti膜层。具体结构如图2所示，其中金属介质层上方及下方分别是第二释放保护层、第一释放保护层。
所述第一释放保护层为氧化硅层。
所述第二释放保护层为四层结构，从下至上依次为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层。
所述金属介质层为三层结构，从下至上依次为Ti、TiN以及Ti层，即两层Ti金属层夹着TiN形成三明治结构。
本发明在淀积金属介质层时将薄膜层追加一层金属Ti层，在刻蚀DARC时，金属Ti层阻挡刻蚀时候的氧离子对TiN层的影响，从而保护下层TiN层不被氧化，后续湿法刻蚀更容易去除干净，防止残留。
在MEM结构中，除桥梁柱结构以外的区域形成其他结构时还需要淀积其他膜层，如前文所述的比如支撑孔区域等，在此不再赘述。
本发明提供一种红外MEMS的桥梁柱结构的工艺方法，所述方法结合附图4说明如下，包含S1～S6共六个步骤：
步骤一，提供一半导体基片，所述的半导体基板比如为硅衬底，为能接收红外传感信号的电路基片。在所述半导体基片上沉积一层非晶硅薄膜。
步骤二，在所述半导体基片上整体依次淀积Ti、TiN以及Ti层，形成金属介质层，再淀积一层DARC膜层。
步骤三，通过光刻胶定义出桥梁柱刻蚀区。
步骤四，通过图案化的光刻胶的遮蔽向下对DARC膜层进行刻蚀。
步骤五，去除光刻胶。
步骤六，继续向下对Ti、TiN以及Ti层进行刻蚀，直到露出非晶硅薄膜层。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种红外MEMS的桥梁柱结构，其特征在于：所述桥梁柱结构形成与半导体衬底之上，其结构包括第一释放保护层、金属介质层以及第二释放保护层；
所述第一释放保护层为氧化硅层；
所述第二释放保护层为四层结构，从下至上依次为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层；
所述金属介质层为三层结构，从下至上依次为Ti、TiN以及Ti层，即两层Ti金属层夹着TiN形成三明治结构。
2.根据权利要求1所述的红外MEMS的桥梁柱结构，其特征在于：在所述桥梁柱结构以外的区域，还具有由其他多种膜层形成的MEMS结构，在桥梁柱结构区域以外的层次包括衬底、金属反射层、介质层、释放层、第一释放保护层、感光敏感层、金属电极、DARC层以及第二释放保护层；
所述第一释放保护层沉积于释放层之上，并一起位于介质层之上；
所述感光敏感层沉积于第一释放保护层之上；
所述DARC层淀积于金属电极上之上；
所述第二释放保护层沉积于DARC层之上。
3.根据权利要求1所述的红外MEMS的桥梁柱结构，其特征在于：所述的衬底为硅衬底，是用来读取红外传感信号的电路基片。
4.根据权利要求2所述的红外MEMS的桥梁柱结构，其特征在于：所述的金属反射层为高反射率的金属薄膜，材料为金、银、铝或者铜，或者是其中几种材料混合体。
5.根据权利要求2所述的红外MEMS的桥梁柱结构，其特征在于：所述的介质层、第一释放保护层、DARC层，均是电性绝缘层，材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和碳化硅中的一种或几种；或者非化学计量比的氮化硅、氮氧化硅的一种或者几种；所述碳化硅可替换氧化硅。
6.根据权利要求2所述的红外MEMS的桥梁柱结构，其特征在于：所述的感光敏感层材料，为红外吸收的非晶硅材料。
7.根据权利要求2所述的红外MEMS的桥梁柱结构，其特征在于：所述的金属电极，材料为Ti/TiN 结构的金属薄膜。
8.根据权利要求2所述的红外MEMS的桥梁柱结构，其特征在于：还包括支撑孔区域。
9.一种红外MEMS的桥梁柱结构的工艺方法，其特征在于：所述方法包含：
步骤一，提供一半导体基片，在所述半导体基片上沉积一层非晶硅薄膜；
步骤二，在所述半导体基片上整体依次淀积Ti、TiN以及Ti层，形成金属介质层，再淀积一层DARC膜层；
步骤三，通过光刻胶定义出桥梁柱刻蚀区；
步骤四，通过图案化的光刻胶的遮蔽向下对DARC膜层进行刻蚀；
步骤五，去除光刻胶；
步骤六，继续向下对Ti、TiN以及Ti层进行刻蚀，直到露出非晶硅薄膜层。
10.根据权利要求9所述的红外MEMS的桥梁柱结构的工艺方法，其特征在于：所述的半导体基片为用来读取红外传感信号的电路基片。
11.根据权利要求10所述的红外MEMS的桥梁柱结构的工艺方法，其特征在于：所述的半导体基片为硅衬底。
12.根据权利要求9所述的红外MEMS的桥梁柱结构的工艺方法，其特征在于：所述桥梁柱结构包含第一释放保护层、金属介质层及第二释放保护层。
13.根据权利要求12所述的红外MEMS的桥梁柱结构的工艺方法，其特征在于：所述第一释放保护层为氧化硅层，所述第二释放保护层为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层所形成的复合层。
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