CN114751367A - 一种微系统薄膜平坦化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微系统薄膜平坦化方法，其中，所述微系统薄膜平坦化方法，包括：提供形成有图形化薄膜的半导体衬底；在图形化薄膜上形成第一平坦层，对图形化薄膜形成图形化填充；抛光所述第一平坦层；在抛光后的第一平坦层上形成第二平坦层，第一平坦层和第二平坦层的总厚度达到预设厚度。本发明方法可有效控制得到的平坦层薄膜的厚度、平坦度及稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微系统技术领域，尤其涉及一种微系统薄膜平坦化方法。
背景技术
电容式麦克风一般通过声波作用于电容的薄膜，由于薄膜的振动导致上下极板之间的间距的改变，从而改变电容的大小，进而获得对应的检测电信号；其中电容间形成的上下基板的距离(牺牲层的厚度)和表面的平坦度(牺牲层的表面平整度)对于检测信号的灵敏度尤为重要。现有技术中制作该电容式麦克风的方法如下，对标准硅片进行热氧化形成二氧化硅薄膜；然后在二氧化硅薄膜上上先后淀积氮化硅，多晶硅，氮化硅形成图形化薄膜；接着，淀积两层平坦层，并对平坦层进行化学机械平坦化处理(chemical-mechanicalplanarization，CMP)得到牺牲层；接着形成上下电极；最后释放牺牲层后可形成电容结构。在对两次积淀平坦层进行抛光处理的过程中，由于需要去除的厚度高达2-3um，远远超过IC(Integrated Circuit，集成电路)薄膜工艺厚度的二氧化硅，且要保证剩余二氧化硅的厚度在要求厚度范围之内。不仅如此，制造过程中还要求在经过CMP后，牺牲层的中心区域的台阶差较小。然而，CMP是一种十分精细化的平坦化方法，以化学和机械的平衡达到高精度的表面平坦化，以去除高点比低点快的方法从而达到全局平坦化，去除率以埃计算且氧化物的典型去除率2000埃-5000埃，而微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)厚膜工艺要求至少去除2um以上，这将导致抛光时间长达4分钟以上，由此形成的晶圆内部积聚大量的热量从而致使化学反应增强，化学反应和机械去除的动态平衡将难以在这么长时间维持稳定，部分低矮的区域由于化学反应活跃将会出现大面积的化学侵蚀，导致片内非均匀性(WIWNU)较差，厚度也难以控制在指定的范围内，且MEMS一般图形间距较大，长时间抛光将导致蝶形缺陷(Dishing)持续增大，中心区域的平坦难以有效保证。
综上可见，目前在微系统薄膜的制作过程中所使用的平坦化方法会导致牺牲层薄膜的厚度、平坦度及稳定性难以控制。
发明内容
本申请实施例通过提供一种微系统薄膜平坦化方法，可有效控制微系统薄膜的制作过程中得到的平坦层薄膜的厚度、平坦度及稳定性。
本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：
一种微系统薄膜平坦化方法，包括：
提供形成有图形化薄膜的半导体衬底；在所述图形化薄膜上形成第一平坦层，对图形化薄膜形成图形化填充；抛光所述第一平坦层；在抛光后的第一平坦层上形成第二平坦层，所述第一平坦层和所述第二平坦层的总厚度达到预设厚度。
可选的，所述在所述图形化薄膜上形成第一平坦层，包括：
在所述图形化薄膜上沉积平坦层薄膜，以对图形化薄膜形成图形化填充；对所述平坦层薄膜进行快速热退火处理，形成所述第一平坦层。
可选的，所述图形化薄膜的沟槽中沉积的平坦层薄膜厚度较所述沟槽的深度大0.2um-0.3um。
可选的，所述抛光所述第一平坦层，包括：
采用非选择比抛光液对所述第一平坦层进行批量去除抛光；采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行二次抛光。
可选的，所述采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行二次抛光，包括
采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行二次抛光至所述图形化薄膜表面。
可选的，所述采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行抛光至所述图形化薄膜表面，包括：
采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行抛光处理并控制所述抛光头的转速不变，监测所述抛光头的力矩；所述力矩的变化率大于预设的力矩阈值时，停止对所述第一平坦层的抛光处理；采用精抛光垫和去离子水继续执行抛光处理，以去除所述第一平坦层上的抛光液。
可选的，所述第一平坦层和所述第二平坦层的材料为以下任一种或多种：
硼磷硅玻璃、磷硅玻璃。
可选的，所述在抛光后的第一平坦层上形成第二平坦层之后，还包括：
对所述第二平坦层进行快速热退火处理。
可选的，所述第一平坦层的材料为硼磷硅玻璃或磷硅玻璃。
可选的，所述第二平坦层的材料为硼磷硅玻璃或磷硅玻璃。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例中提供的一种微系统薄膜平坦化方法，通过在图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层；然后，在图形化薄膜上形成第一平坦层，对图形化薄膜形成图形化填充；接着，抛光所述第一平坦层；最后，在抛光后的第一平坦层上形成第二平坦层，第一平坦层和第二平坦层的总厚度达到预设厚度。本实施例中通过在第一平坦层上进行抛光处理，可保证得到平坦的第二平坦层，也就避免了对第二平坦层的抛光处理，而第一平坦层的抛光处理产生的缺陷可在沉积第二平坦层时得到修复；并且第二平坦层的厚度在PECVD工艺过程中更易于控制且控制精度更高。因此，本实施例的一种微系统薄膜平坦化方法可有效控制得到的平坦层薄膜的厚度、平坦度及稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的微系统薄膜平坦化方法的流程图；
图2-图8为本发明实施例提供的电容式麦克风的不同制作工艺阶段的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
请参阅图1，本发明中提供的一种微系统薄膜平坦化方法，可用于在制作各种微系统中相类似的薄膜，并对该薄膜进行平坦化处理时进行使用；例如，在压力传感器、电容式麦克风的工艺过程中使用。下面以制造电容式麦克风的实施例对本发明中的微系统薄膜平坦化方法进行说明。在制作电容式麦克风过程中，需要两次采用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积)沉积PSG(磷硅玻璃)，在完成沉积后磷硅玻璃的台阶差达到1.2um，且膜厚总计高达到6um以上；但是最终要求的厚度为4um-4.5um，且剩余厚度范围需要控制在±0.2um，在图形区域台阶差小于±0.1um。由于去除的膜层厚度较厚，若长时间研磨会导致热量大量聚集，致使晶圆产生不良，并且使用CMP抛光时对牺牲层的厚度也难以控制。
请参阅图2-图8，示出了本实施例中的一种电容式麦克风制造方法的在不同阶段形成的结构示意图，其中，包含了微系统薄膜平坦化方法的工艺流程所形成的结构，可用于对制作电容式麦克风工艺流程中的牺牲层(平坦层40)进行处理。以避免上述问题，并抑制新的不良产生。具体步骤流程如下：
提供半导体衬底10，半导体衬底10可为硅衬底、蓝宝石、碳化硅、氮化镓等等，不做限制。接着，在半导体衬底10上形成绝缘层20，如图2所示；例如，以硅衬底为例，可对硅衬底进行氧化，从而在硅衬底上形成二氧化碳薄膜层。绝缘层20的厚度大约为0.5um。再接着，在绝缘层20上线沉积第一氮化硅层31，接着采用低压化学气相沉积(Low Pressure ChemicalVapor Deposition，LPCVD)在第一氮化硅层31上沉积掺杂的多晶硅层32，接着在多晶硅层32上沉积第二氮化硅层3完成沉积后，对第一氮化硅层31、多晶硅层32和第二氮化硅层33进行图形化刻蚀，从而形成图形化薄膜30，如图3所示。图形化薄膜30上的沟槽形状大小不做限制。
上述工艺过程也可采用现有技术中的其他方案进行替代，不做限制。
接着，在图形化薄膜30上形成第一平坦层41(电容式麦克风制作过程中的牺牲层的一部分)，如图4所示。需要说明的是，在本实施例中采用的第一平坦层41材料可为以下的任一种或多种：硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)。需要说明的是，采用了BPSG材料可避免PSG材料在制造完成后产生的吸水特性，导致薄膜质量变差且不稳定；而BPSG材料能够克服PSG的吸水特性。同时，由于PSG材料需要在不小于1100℃才能够实现回流，而BPSG材料可在850℃时实现回流热预算更少。由于，采用BPSG材料可实现更好的回流以及更稳定的薄膜质量，可在快速退火处理后使硼硅玻璃层表面更加平坦，更小的阶梯差，减少研磨抛光的厚度和时间。
在制作第一平坦层41时，可采用离子体增强化学的气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)工艺制作。沉积的过程中可将图形化薄膜30完整的进行图形化填充，保证后续研磨抛光工艺过程中能够形成更加平坦的表面，如图4所示。例如，所述图形化薄膜30的沟槽中沉积的平坦层薄膜厚度较所述沟槽的深度大0.2um-0.3um，保证图形化薄膜30中的沟道被完全填充，同时避免后续的研磨抛光过程中需要去除较厚的平坦层材料。可以理解的是，第一平坦层41的能够完全将图形化薄膜30的沟槽填充，并且在沟槽位置第一平坦层41的上表面还高于图形化薄膜30的上表面，实现良好的填充图形化薄膜30。
完成图形化填充之后，可对第一平坦层41进行快速热退火(Rapid ThermalProcessing，RTP)处理；例如，对于硼磷硅玻璃的第一平坦层41而言，可控制加热温度在800℃～850℃，持续时间在5-10s，以保证硼磷硅玻璃良好回流；对于磷硅玻璃的第一平坦层41而言，可控制加热温度在不小于1100℃，以保证硼磷硅玻璃良好回流。通过对第一平坦层41进行快速热退火处理，对第一平坦层41的表面进行一定程度的平坦，从而减少抛光处理的时间和抛光的量。
进一步的，对第一平坦层41进行研磨抛光处理，以平坦第一平坦层41的表面，如图5所示。具体的，可采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)方式进行抛光工艺。本实施例中采用多次抛光处理手段，以实现抛光过程的方便可控性，从而保证抛光效果降低成本。首先，采用非选择比抛光液对第一平坦层41进行批量去除抛光，可有效的缩短抛光时间，降低成本；然后，采用高选择比抛光液对第一平坦层41进行二次抛光。在进行第二抛光处理时，可抛光处理至达到图形化薄膜30的表面；抛光结束时的终止控制，可采用电机电流终点检测的方法，使得抛光停止在氮化硅表面，保证抛光位置的精确可控。
具体的，采用高选择比抛光液对第一平坦层41进行抛光处理时，控制抛光头的转速不变，监测抛光头的转动力矩，也即电流变化。高选择比的抛光液从一个材质(二氧化硅)抛光到另一种材质(氮化硅)时，会出现的界面摩擦力显著改变，CMP设备在维持转速不变的情况下力矩将发生明显改变，设备检测到电机的驱动电流发生明显改变即可启动终点检测，从而使得抛光停止在氮化硅的表面，且可以有效遏制边缘去除量过大的效应(因阻挡层的存在，且去除率较少)。所以，力矩的变化率大于预设的力矩阈值时，可停止对第一平坦层41的抛光处理；其中，力矩阈值(电流的变化率)可根据具体的CMP设备，以及抛光液进行具体测试标定。最后，采用精抛光垫和去离子水继续执行抛光处理，从而去除第一平坦层41上的抛光液，改善了第一平坦层41上表面的粗糙度，得到平坦度良好的第一平坦层41。
再接着，采用PECVD工艺制作第二平坦层42(电容式麦克风制作过程中的牺牲层的一部分)，如图6所示，第二平坦层42的材料可参照第一平坦层41的材料选择。由于第一平坦层41的上表面已经完成了平坦化处理，此时，制作第二平坦层42时就可精确的制作厚度进行控制，得到最终的平坦层。可按照所需要的平坦层厚度进行准确控制沉积厚度得到第二平坦层42，例如，第二平坦层42的厚度可控制在4um-4.5um。由于PECVD工艺对厚度更易于控制，且控制精确度远高于CMP设备抛光工艺。因此，可进一步的提高平坦层的厚度精确度。同时，通过形成第二平坦层42可保证有效弥补修复第一平坦层41抛光处理过程中所形成的蝶形缺陷，化学气相淀积在低凹处将淀积的更多，从而达到全局的平坦化。
在完成第二平坦层42的沉积后，可对第二平坦层42进行快速热退火处理，以再一次修复CMP处理过程中的各种缺陷，如蝶形缺陷，侵蚀，腐蚀等。对第二平坦层42的快速热退火处理可参照对第一平坦层41的快速热退火处理，不在赘述。最后，还可对形成的完整的平坦层(第一平坦层41和第二平坦层42)进行平坦度检测，若未达到厚度要求，还可再次对第二平坦层42的表面进行少量的传统薄膜(2000埃-8000埃)的化学机械平坦化。
本实施例中，由于第二平坦层42为一体成型，不会有任何掺杂浓度的不同，因此湿化蚀刻在侧面形成的边墙更加平滑、稳定。并且上述工艺过程还可避免对第二平坦层42进行长时间抛光，避免了碟形缺陷，还避免了晶圆内部热量积聚从而致使化学反应增强，保证化学反应和机械去除的动态平衡维持稳定。在第二平坦层42上也不会出现低矮区域的大面积化学侵蚀，提高了片内非均匀性(WIWNU)，厚度更加容易控制。
在现有传统的方案中，化学机械平坦化设备的关键组件抛光头和抛光台均采用旋转方式去除对应的材料，在实际操作过程中，控制的是转速，也就是角速度，但是其去除量却跟线速度有关(普莱斯顿方程：MRR＝KPV，其中P是晶圆承担的压力之和，V则是晶圆在改点的线速度矢量和)，因此晶圆的边缘部分去除量比其他区域明显快一些；即使采用抛光头多区域压力控制，由于长时间的抛光，其补偿的精度和稳定性也面临极大的挑战；边缘部分的去除量过多导致周围区域的有效区域的芯片失效。而本实施例中将抛光处理过程控制在第一平坦层41上，再沉积第二平坦层42时可对第一平坦层41上的缺陷形成修复，有效避免了第二平坦层42上产生缺陷，保证产品稳定性。
最后，形成隔膜层50，并释放平坦层形成腔体结构、上电极和下电极等结构。形成腔体结构、上电极和下电极等结构可采用现有的成熟工艺，本实施例中不做限制。例如，采用LPCVD在平坦层上形成掺杂的多晶硅隔膜层50，并进行，然后进行湿法刻蚀形成平滑稳定的侧面，如图7所示；最后形成上下电极(多晶硅隔膜层50形成上电极，多晶硅层32形成下电极)并释放平坦层40，以完成电容式麦克风的制造，如图8所示。
需要说明的是，本实施中的处理对象平坦层，在其他的产品中还可对应为其他的薄膜层，例如其他的牺牲层、隔膜层、绝缘层等等，不做限定。
综上所述，本发明实施例中提供的一种微系统薄膜平坦化方法，通过在图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层；然后，在图形化薄膜上形成第一平坦层，对图形化薄膜形成图形化填充；接着，抛光所述第一平坦层；最后，在抛光后的第一平坦层上形成第二平坦层，第一平坦层和第二平坦层的总厚度达到预设厚度。本实施例中通过在第一平坦层上进行抛光处理，可保证得到平坦的第二平坦层，也就避免了对第二平坦层的抛光处理，而第一平坦层的抛光处理产生的缺陷可在沉积第二平坦层时得到修复；并且第二平坦层的厚度在PECVD工艺过程中更易于控制且控制精度更高。因此，本实施例的一种微系统薄膜平坦化方法可有效控制得到的平坦层薄膜的厚度、平坦度及稳定性。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种微系统薄膜平坦化方法，其特征在于，包括：
提供形成有图形化薄膜的半导体衬底；
在所述图形化薄膜上形成第一平坦层，对所述图形化薄膜形成图形化填充；
抛光所述第一平坦层；
在抛光后的第一平坦层上形成第二平坦层，所述第一平坦层和所述第二平坦层的总厚度达到预设厚度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述图形化薄膜上形成第一平坦层，包括：
在所述图形化薄膜上沉积平坦层薄膜，以对所述图形化薄膜形成图形化填充；
对所述平坦层薄膜进行快速热退火处理，形成所述第一平坦层。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述图形化薄膜的沟槽中沉积的平坦层薄膜厚度较所述沟槽的深度大0.2um-0.3um。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抛光所述第一平坦层，包括：
采用非选择比抛光液对所述第一平坦层进行批量去除抛光；
采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行二次抛光。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行二次抛光，包括
采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行二次抛光至所述图形化薄膜表面。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行抛光至所述图形化薄膜表面，包括：
采用高选择比抛光液对所述第一平坦层进行抛光处理并控制所述抛光头的转速不变，监测所述抛光头的力矩；
所述力矩的变化率大于预设的力矩阈值时，停止对所述第一平坦层的抛光处理；
采用精抛光垫和去离子水继续执行抛光处理，以去除所述第一平坦层上的抛光液。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一平坦层和所述第二平坦层的材料为以下任一种或多种：
硼磷硅玻璃、磷硅玻璃。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在抛光后的第一平坦层上形成第二平坦层之后，还包括：
对所述第二平坦层进行快速热退火处理。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一平坦层的材料为硼磷硅玻璃或磷硅玻璃。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二平坦层的材料为硼磷硅玻璃或磷硅玻璃。
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