CN1334594A - 硅基单面加工悬浮结构微机械电感的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件及集成电路制作技术领域,包括:备片、清洗;热氧化;淀积氮化硅阻挡层;第一次光刻,刻蚀氮化硅阻挡层;刻蚀二氧化硅;阳极氧化,形成多孔硅;去除二氧化硅、氮化硅;淀积二氧化硅支撑膜;致密;在硅片上溅射铝;第二次光刻,腐蚀铝,形成下层铝线;淀积氮化硅绝缘层;第三次光刻,刻蚀氮化硅绝缘层;在绝缘膜上溅射铝,作为上层金属;第四次光刻,腐蚀铝,形成上层铝线;合金;第五次光刻,形成释放孔;释放多孔硅;清洗、烘干。本方法不仅可以制作出悬浮结构MEMS电感,而且可以制作采用类似悬浮结构的滤波器、振荡器等,同时,完全的CMOS兼容工艺可以大大提高系统的集成度,降低系统成本,可望得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件及集成电路制作技术领域，特别涉及硅基单面加工悬浮结构微机械电感的制作方法。
背景技术
九十年代以来，无线通讯系统的集成度不断提高，利用硅工艺制作单片射频集成电路(RFIC)，已成为目前IC的研究热点。电感是无线通信系统中的重要元件，它的质量直接决定了整个电路的性能。目前集成电路中广泛采用CMOS工艺，各种工艺参数、加工步骤已经形成了行业标准。若采用CMOS标准工艺将电感集成到硅集成电路中，可以很容易的实现射频无源元件和CMOS电路的兼容，但由于硅衬底的寄生效应，得到的电感值、Q值均非常有限，不利于系统整体性能的提高。微机械(MEMS)技术的发展为硅RFIC提供了新的解决方案，已经成为目前射频电路、器件研究中的一个重要领域。由于采用牺牲层、深刻蚀等工艺，硅微机械平面螺旋电感可以有效控制集成电路中的各种寄生效应，明显提高电感的性能，人们已经研制出不同结构、不同制作方法的微机械平面螺旋电感。
目前，已经比较成熟的微机械工艺技术主要有：各向异性体硅腐蚀技术、干法刻蚀技术、硅片键合(bonding)技术、厚正性光刻胶刻蚀技术、牺牲层技术等等。适当的采用这些工艺，可以制作出性能良好的微机械器件，但由于这些硅微机械加工工艺中存在与CMOS工艺不兼容的步骤，不利于系统的单片集成。
目前已有了采用各向异性体硅腐蚀方法制作的平面螺旋结构微机械电感，其结构如图1及图2所示，其制作方法如下。
(1)在硅片正面淀积一层绝缘膜，作为悬浮结构支撑膜1；(2)从硅片背面采用体硅腐蚀工艺腐蚀出空腔6，只留下绝缘支撑膜；(3)在支撑膜上依次制作螺旋结构电感下层金属布线2、螺旋结构上下层连线之间的绝缘层4、上下层连线的接触孔3、螺旋结构电感上层线圈5；(4)在没有去除硅衬底8的位置用标准工艺制作CMOS电路7(未作详细表示)，实现系统集成。
这种结构通过去除线圈下面的硅衬底来消除衬底的损耗，从而减小寄生效应，同时实现无源元件和有源CMOS电路的单片集成。其优点是通过彻底去除衬底，可以将电感的性能做的非常好，得到高性能的元件。其缺点是工艺过于复杂，需要双面加工，工艺难度大。同时由于体硅腐蚀工艺与CMOS兼容性不好，制作过程中必须对硅CMOS电路进行良好的保护，否则将造成系统的失效。这些都决定了这种设计难以得到广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种硅基单面加工悬浮结构微机械电感的制作方法，采用多孔硅牺牲层技术，在硅衬底上用单面工艺制作出悬浮结构，可制作出与CMOS工艺完全兼容同时保证电路性能的电感元件。
本发明包括以下步骤：
1)备片、清洗：以厚度为400-600μm、单面抛光的硅片作为衬底，采用硫酸＋双氧水煮沸的方法进行清洗后去离子水漂洗并烘干；
2)氧化：将准备好的硅片放入氧化炉中，在1000-1100℃下与纯氧气反应，在硅片的抛光面生成45-55nm的二氧化硅作为去应力层；
3)淀积氮化硅阻挡层：采用化学气相淀积的方法，在硅片正面形成厚度为180-220nm的氮化硅，作为后续工艺“阳极氧化”的阻挡层；
4)第一次光刻，刻蚀氮化硅阻挡层：对已淀积了氮化硅的硅片进行光刻，暴露出需要去除的氮化硅区域，然后进行刻蚀，去除待阳极氧化区域的氮化硅，露出下面的二氧化硅层；
5)刻蚀二氧化硅：将暴露的二氧化硅去除，露出硅衬底，然后将光刻胶去除；
6)阳极氧化，形成多孔硅：在15～25％的氢氟酸溶液中进行阳极氧化，氧化的电流密度为40±5mA/cm2，在暴露的硅片正面生成厚度为15-30μm的多孔硅；
7)去除二氧化硅、氮化硅：将生成好多孔硅的硅片置于8％～10％的氢氟酸溶液中常温浸泡2～3小时，彻底除去硅片表面的二氧化硅和氮化硅，此工序的目的在于提高后续工艺中薄膜与硅衬底的接触，提高器件的整体质量；
8)淀积二氧化硅：在硅片正面淀积厚度为500±50nm的二氧化硅，作为悬浮结构的支撑薄膜；
9)致密：将淀积了二氧化硅薄膜后的硅片在氧气中加热至900～1000℃，保持20～30分钟，进行致密，以改善二氧化硅薄膜的力学性能，提高薄膜的质量；
10)在硅片上溅射铝：根据电学设计参数的要求，在硅片上溅射厚度为400～600nm的铝，作为下层金属；
11)第二次光刻，腐蚀铝，形成下层铝线：首先在铝表面形成一定的起保护作用的光刻胶图形，然后进行腐蚀，形成满足设计要求的下层铝线图形，腐蚀完毕后将光刻胶去除；
12)淀积氮化硅绝缘层：采用等离子体化学气相淀积的方法，在硅片正面淀积300nm±50nm的氮化硅，作为两层金属之间的绝缘层；
13)第三次光刻，刻蚀氮化硅绝缘层：在氮化硅绝缘层上刻蚀出两层金属间的接触孔，以便进行两层金属的互联；
14)在绝缘层上溅射铝，作为上层金属：根据电路设计参数的要求，溅射厚度为1～5μm的铝；
15)第四次光刻，腐蚀铝，形成上层铝线：采用与第11步工艺相同的光刻、腐蚀、去胶工艺，对铝进行腐蚀，形成满足设计要求的上层铝线图形；
16)合金：将形成了双层金属的硅片置于400～500℃环境中，同时通入保护气体，加热25±5分钟，进行合金，以改善两层金属铝的接触，减小接触电阻，提高电感性能；
17)第五次光刻，形成释放孔：采用采用与第4、第5步相同的光刻及刻蚀工艺，形成一些腐蚀孔，暴露出多孔硅，以便进行多孔硅的释放，最后将光刻胶去除；
18)释放多孔硅：将硅片置于掺入硅粉和过硫酸铵的四甲基氢氧化铵溶液中，在水浴中加热15～30分钟，进行多孔硅的释放，形成悬浮结构；
19)清洗、烘干：将制作好的硅片用大量去离子水浸泡、清洗后置于不高于100℃烘箱中烘干。
上述第16步中的保护气体可采用氮气或氮气氢气混合气体或其它保护气体。
上述第18步中的溶液中各成分的质量浓度的一种实例为：四甲基氢氧化铵5％、硅粉1.6％、过硫酸铵0.6％。
本发明的优点：
1，完全采用单面加工工艺，避免了双面加工带来的各种问题(如对准、双面光刻等)。
2，创新性的提出了采用多孔硅牺牲层的悬浮MEMS结构，解决了去除衬底与加工难度之间的矛盾。
3，多孔硅的厚度、性质可以通过阳极氧化参数的设定进行控制，可用于不同结构、不同用途的元件。
4，采用特殊的湿法腐蚀液，可以在释放多孔硅牺牲层时不腐蚀铝，同时此腐蚀液不含碱金属离子，完全与CMOS工艺兼容。
采用这种工艺流程，不仅可以制作出悬浮结构MEMS电感，而且可以制作采用类似悬浮结构的滤波器、振荡器等，为微波MEMS器件的广泛应用打下了良好的基础。同时，完全的CMOS兼容工艺可以大大提高系统的集成度，降低系统成本，可望得到广泛应用。
附图说明：
图1为采用已有的工艺制作的悬浮结构螺旋电感结构剖面示意图。
图2为采用已有的工艺制作的悬浮结构螺旋电感及其电路应用示意图。
图3为采用本发明方法制作悬浮结构电感的工艺步骤实施例流程图，其中：
图3(1)为备片、清洗后得到的衬底；
图3(2)为氧化后的剖面图；
图3(3)为淀积氮化硅后的剖面图；
图3(4)为刻蚀过氮化硅后的剖面图；
图3(5)为刻蚀过二氧化硅后的剖面图；
图3(6)为阳极氧化形成多孔硅后的剖面图；
图3(7)为去除二氧化硅、氮化硅后的剖面图；
图3(8)为气相淀积二氧化硅薄膜后的剖面图；
图3(9)为进行致密后的剖面图(与(8)相同)；
图3(10)为溅射了下层金属铝后的剖面图；
图3(11)为对铝进行了刻蚀后的剖面图；
图3(12)为淀积氮化硅绝缘层后的剖面图；
图3(13)为刻蚀过氮化硅之后的剖面图；
图3(14)为在绝缘膜上溅射上层金属铝后的剖面图；
图3(15)为对上层金属铝进行刻蚀后的剖面图；
图3(16)为合金后的剖面图(与(15)相同)；
图3(17)为刻蚀过氮化硅、二氧化硅，形成多孔硅腐蚀孔后的剖面图；
图3(18)为多孔硅释放后的剖面图。
图4为采用本实施例方法制作的悬浮结构电感结构示意图。
图5为用于本实施例方法中的一种阳极氧化专用设备结构示意图。
具体实施方式
本发明的一种硅基单面加工悬浮结构微机械电感的制作方法实施例，如图3所示。图中，各层材料分别为：a为硅衬底；b为热氧化得到的二氧化硅层；c为低压气相淀积(LPCVD)得到的氮化硅；d为阳极氧化生成的多孔硅；e为低压气相淀积得到的二氧化硅支撑膜；f为下层金属铝；g为等离子体气相淀积得到的氮化硅绝缘层；h为两层金属之间的接触孔；i为上层金属铝；j为多孔硅腐蚀孔。
本实施例制作流程如下：
1)以厚度为550μm单面抛光的N型高搀杂硅片a(电阻率为0.01Ω·cm)作为衬底，将此硅片放入硫酸双氧水混合溶液(按照浓硫酸∶双氧水＝4∶1的体积比配置)中煮沸15分钟，然后去离子水漂洗并烘干。如图3(1)所示。
2)将硅片放入氧化炉中，在1050℃下与纯氧气反应15分钟，在硅片正面生成49.3nm二氧化硅b。如图3(2)所示。
3)采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法，700℃下淀积50分钟，在硅片正面形成厚度为200nm的氮化硅c，作为后续工艺“阳极氧化”的阻挡层。如图3(3)所示。
4)在已淀积了氮化硅的硅片正面涂上负性光刻胶，依靠设计好的光刻版作为掩膜进行曝光。在光刻版上，不同区域的透光性质不同，由于负性光刻胶在光照下会形成不易溶解于显影液的物质，因此在曝光后将整个硅片置于显影液中，未曝光区域的光刻胶被溶解。这样，一部分氮化硅暴露出来，而其余氮化硅被光刻胶保护。光刻结束的硅片经烘干后放置于反应离刻蚀(RIE)设备中，暴露的氮化硅被刻蚀，露出下面的二氧化硅，被光刻胶保护处的氮化硅不与这些离子反应。如图3(4)所示。
5)氮化硅刻蚀结束后，将硅片置于氢氟酸-氟化铵缓冲溶液(简称为BHF溶液)中，暴露的二氧化硅与BHF溶液反应，被去除，暴露出硅衬底。然后用发烟硝酸将光刻胶去除。如图3(5)所示。
6)在20％的氢氟酸溶液中进行阳极氧化，在暴露着的硅片正面生成多孔硅d。氧化的电流密度为40mA/cm2，反应时间10分钟，反应后的硅片上形成了厚度为15μm的多孔硅。反应结束后用大量去离子水清洗，并烘干。如图3(6)所示。
7)将硅片置于10％的氢氟酸溶液中常温浸泡2小时15分，彻底除去硅片表面的二氧化硅和氮化硅。在浸泡过程中，通过目测及显微镜观察确定是否反应彻底。如图3(7)所示。
8)采用低压化学气相淀积的方法(LPCVD)，在硅片正面形成厚度为530nm的二氧化硅e，作为悬浮结构的支撑薄膜。如图3(8)所示。
9)将硅片在纯氧气中加热至960℃，保持30分钟，进行致密。此工艺的目的是改善二氧化硅薄膜的力学性能，提高薄膜的质量，器件的结构和外形并不发生变化。如图3(9)所示。
10)溅射500nm铝，作为下层金属f。如图3(10)所示。
11)在已溅射了铝的硅片正面涂上负性光刻胶，依靠设计好的光刻版作为掩膜进行曝光，在铝膜表面形成一定的起保护作用的光刻胶图形。然后将硅片置于磷酸中进行腐蚀。在未受到光刻胶保护的地方，铝与磷酸反应，被腐蚀掉，其余地方的铝未受腐蚀，形成满足设计要求的下层铝线图形。为加快腐蚀速度，将腐蚀容器置于超声装置中，腐蚀时间为5分钟。腐蚀完毕后用发烟硝酸将光刻胶去除。如图3(11)所示。
12)采用等离子体化学气相淀积(PECVD)的方法，在硅片正面淀积310nm的氮化硅g，作为两层金属铝之间的绝缘层。如图3(12)所示。
13)采用采用与第4步工艺相同的光刻工艺，在氮化硅表面形成一定的起保护作用的光刻胶图形。将光刻结束的硅片置于反应离子刻蚀设备中进行反应，刻蚀6分钟，暴露的氮化硅被刻蚀，而被光刻胶保护处的氮化硅不与这些离子反应。这样，根据设计图形，得到两层金属之间的接触孔h，以便进行两层金属的互联。刻蚀完毕后，使用发烟硝酸将光刻胶去除。如图3(13)所示。
14)溅射1000nm铝，作为上层金属i。如图3(14)所示。
15)采用与第11步工艺相同的光刻、腐蚀、去胶工艺，形成满足设计要求的上层铝线图形。刻蚀时，将腐蚀容器置于超声装置中，腐蚀时间为10分钟。腐蚀完毕后用发烟硝酸将光刻胶去除。如图3(15)所示。
16)将已形成双层金属的硅片置于420℃环境中，同时通入氢气、氮气混合气体(其体积比为H2∶N2＝1∶10)加热25分钟，进行合金。本工艺的目的在于改善两层金属铝的接触，减小接触电阻，提高电学性能，器件的结构和外形并不发生变化。如图3(16)所示。
17)采用与第4步工艺相同的光刻及刻蚀工艺，首先在硅片表面形成一定的光刻胶图形，用反应离子刻蚀设备刻蚀作为绝缘膜的氮化硅，露出二氧化硅，然后用第5步工艺相同的腐蚀方法，用氢氟酸-氟化铵缓冲溶液腐蚀二氧化硅支撑膜，这样就形成了腐蚀孔j，暴露出多孔硅，以便进行多孔硅的释放。最后用发烟硝酸将光刻胶去除。如图3(17)所示。
18)将硅片置于掺入硅粉和过硫酸铵的的四甲基氢氧化铵溶液(此溶液中各成分的质量浓度：四甲基氢氧化铵5％、硅粉1.6％、过硫酸铵0.6％)中，在85℃水浴中加热15分钟，释放多孔硅，形成悬浮结构。如图3(18)所示。
19)将制作好的硅片用大量去离子水浸泡、清洗，然后置于80℃烘箱中烘干。
采用本实施例制作的悬浮结构电感结构如图4所示。其中，1为悬浮结构支撑膜；2为螺旋结构电感下层金属布线；3为上下层连线的接触孔；4为螺旋结构上下层连线之间的绝缘层；5为螺旋结构电感上层线圈；8为硅衬底(1～5以及8均与与图1、2中对应的结构相同)；9为多孔硅牺牲层腐蚀后得到的空腔，10为多孔硅腐蚀孔。与上述已有技术的方法相比，两种结构的不同在于本发明方法制作的电感由于采用了单面工艺，不将硅衬底腐蚀穿。
本实施例中，采用了一个专用的阳极氧化设备，其结构示意图如图5所示。此阳极氧化容器由聚四氟乙烯制成，硅片13置于固定板12的孔内，密封圈11和固定板12将整个容器分隔为两个部分，两侧各放置一铂电极14。阳极反应时，两个铂电极分别接直流稳压电源的正极和负极，由于固定板和密封圈将两侧阳极反应溶液(氢氟酸)15完全隔开，电流的唯一通路是经溶液穿过硅片。这样，面对负电极的硅片成为电化学反应的阳极，发生阳极氧化，生成多孔硅。这种设计完全做到了单面加工，减小了工艺难度，提高了兼容性。
Claims (1)
1、一种硅基单面加工悬浮结构微机械电感的制作方法，包括以下步骤：
1)备片、清洗：以厚度为400-600μm、单面抛光的硅片作为衬底，采用硫酸＋双氧水煮沸的方法进行清洗后去离子水漂洗并烘干；
2)热氧化：将准备好的硅片放入氧化炉中，在1000-1100℃下与纯氧气反应，在硅片的抛光面生成45-55nm的二氧化硅作为去应力层；
3)淀积氮化硅阻挡层：采用化学气相淀积的方法，在硅片正面形成厚度为180-220nm的氮化硅，作为后续工艺“阳极氧化”的阻挡层；
4)第一次光刻，刻蚀氮化硅阻挡层：对已淀积了氮化硅的硅片进行光刻，暴露出需要去除的氮化硅区域，然后进行刻蚀，去除待阳极氧化区域的氮化硅，露出下面的二氧化硅层；
5)刻蚀二氧化硅：将暴露的二氧化硅去除，露出硅衬底，然后将光刻胶去除；
6)阳极氧化，形成多孔硅：在15～25％的氢氟酸溶液中进行阳极氧化，氧化的电流密度为40±5mA/cm2，在暴露的硅片正面生成厚度为15-30μm的多孔硅；
7)去除二氧化硅、氮化硅：将生成好多孔硅的硅片置于8％～10％的氢氟酸溶液中常温浸泡2～3小时，彻底除去硅片表面的二氧化硅和氮化硅，以提高后续工艺中薄膜与硅衬底的接触，提高器件的整体质量；
8)淀积二氧化硅：在硅片正面淀积厚度为500±50nm的二氧化硅，作为悬浮结构的支撑薄膜；
9)致密：将淀积了二氧化硅薄膜后的硅片在氧气中加热至900～1000℃，保持20～30分钟，进行致密，以改善二氧化硅薄膜的力学性能，提高薄膜的质量；
10)在硅片上溅射铝：根据电学设计参数的要求，在硅片上溅射厚度为400～600nm的铝，作为下层金属；
11)第二次光刻，腐蚀铝，形成下层铝线：首先在铝表面形成一定的起保护作用的光刻胶图形，然后进行腐蚀，形成满足设计要求的下层铝线图形，腐蚀完毕后将光刻胶去除；
12)淀积氮化硅绝缘层：采用等离子体化学气相淀积的方法，在硅片正面淀积300nm±50nm的氮化硅，作为两层金属之间的绝缘层；
13)第三次光刻，刻蚀氮化硅绝缘层：在氮化硅绝缘层上刻蚀出两层金属间的接触孔，以便进行两层金属的互联；
14)在绝缘层上溅射铝，作为上层金属：根据电路设计参数的要求，溅射厚度为1～5μm的铝；
15)第四次光刻，腐蚀铝，形成上层铝线：采用与第11步工艺相同的光刻、腐蚀、去胶工艺，对铝进行腐蚀，形成满足设计要求的上层铝线图形；
16)合金：将形成了双层金属的硅片置于400～500℃环境中，同时通入保护气体，加热25±5分钟，进行合金，以改善两层金属铝的接触，减小接触电阻，提高电感性能；
17)第五次光刻，形成释放孔：采用采用与第4、第5步相同的光刻及刻蚀工艺，形成一些腐蚀孔，暴露出多孔硅，以便进行多孔硅的释放，最后将光刻胶去除；
18)释放多孔硅：将硅片置于掺入硅粉和过硫酸铵的四甲基氢氧化铵溶液中，在水浴中加热15～30分钟，进行多孔硅的释放，形成悬浮结构；
19)清洗、烘干：将制作好的硅片用大量去离子水浸泡、清洗后置于不高于100℃烘箱中烘干。
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