标准工艺——三层多晶硅的表面牺牲层工艺设计手册.doc

三层多晶硅表面牺牲层标准工艺流程介绍及设计规则TPSMP process overview and design rules（Three-layer Polysilicon Surface Micromachining Process）北京市颐和园路5号北京大学微米/纳米加工技术国家重点实验室Copyright 2004 by IMEPKU MEMSLAB. All rights reserved.目 录1文件信息11.1标准工艺名称11.2文件版本11.3文件范围11.4文件目标11.5内容11.6订定依据11.7其他12设计规则内容32.1各层薄膜材料32.2工艺流程说明42.3版图设计规则142.3.1定义图层名称142.3.2规则分类说明142.3.3各图层最小线宽、最小间距及最大间距等152.3.4各图层之间的相互关系的规则163其他事项183.1其他版图设计注意事项183.2制版相关事宜183.3材料特征183.4其他18参考文献19北京大学微电子所MEMS国家重点实验室1 文件信息1.1 标准工艺名称三层多晶硅表面牺牲层工艺，TPSMP（Threelayer Polysilicon Surface Micromachining Process）。1.2 文件版本版1.3 文件范围本文件仅适用于北京大学微电子所MEMS国家重点实验室的三层多晶硅表面牺牲层工艺。1.4 文件目标为将北大微纳加工国家重点实验室建成一个开放的加工平台的对外开放，根据本实验室的工艺加工能力及表面牺牲层工艺之特点，编定出该文件，供以本实验为加工平台的客户在进行工艺设计时参考。1.5 内容客户从该文件可以获得以下信息：a 工艺流程的介绍；b 版图的设计规则；c 其他版图设计需注意的事项；1.6 订定依据本文件中提到的各项规则乃根据三方面考量得出：多数客户的需求；本实验室加工能力；成品率最高。由于表面牺牲层的工艺研究尚在不断进行中，本文件还会不断进行相应的修改。1.7 其他a 版图设计完成后，勿必将工艺结构示意图、工艺流程、版图、版图说明一并交本实验室人员审查，审查修改通过后方可由客户或本实验室代为制版；对于未经相关人员审查而擅自制版，造成的流水损失，实验室不予负责；b 投片前，请将上述文件的最终版本、按规定明确标识版号的光刻版交付实验室；c 版图及文件提交方式：版图需为GDSii、cif、或tdb格式。4/incoming/外加工2 设计规则内容2.1 各层薄膜材料图21、22是采用本标准工艺加工的转轴及悬臂梁这两种典型结构的剖面图，选择多晶硅（POLY0）为电气连接层材料，多晶硅(POLY1/POLY2)为结构层材料，PSG为牺牲层材料，氮化硅（NITRIDE）为绝缘层、抗腐蚀层材料，氧化硅（OXIDE）为氮化硅的应力缓冲层，金属层（METAL）用金或铝。表21为各层材料的厚度以及加工精度等指标，膜厚是工艺参数为确定值，不作为设计参数提供给客户进行设计。客户只能在2维方向上设计器件尺寸。客户如在厚度上有特殊需求，请与实验室联系确定可行性。表21 材料选择总结各层材料厚度()精度片内均匀性片间均匀性SiO23000835Si3N41800835POLY03000835PSG120000835POLY120000835PSG27000835POLY220000835Cr/Au300/1500835Al（可选）100006/图21 释放前的结构剖面图图22 释放后的结构剖面图2.2 工艺流程说明下面介绍本标准工艺的工艺流程，采用较为典型的转轴与悬臂梁结构的剖面图来说明工艺流程。1. 硅片的选择选用4寸（100mm）片，N型，晶向，电阻率24cm，电阻率不宜选择较大，否则容易在衬底与二氧化硅界面积累电荷，进而导致衬底和POLY0有电荷穿通现象。图23 裸硅片2. 氧化硅层制备采用湿法氧化方法加工得到氧化硅，氧化温度为1000。 图24 淀积氧化层3. 氮化硅层制备氮化硅采用LPCVD方法制备，淀积温度为780。图25 淀积氮化硅层4. 零层多晶硅制备多晶硅采用LPCVD方法制备，温度610。图26 淀积多晶硅层5. 零层多晶硅掺杂注入磷31，剂量5E15，能量80Kev。图27 零层多晶硅掺杂6. 第一次光刻在光刻胶上得到POLY0图形。图28 第一次光刻7. 刻蚀得到POLY0图形采用反应离子刻蚀（RIE）方法将光刻胶图形转移至POLY0层。 图29 刻蚀得到POLY0图形8. 牺牲层制备采用LPCVD的方法制备PSG，温度为680。图210 牺牲层制备9. 第二次光刻此次光刻在光刻胶上得到DIMPLE图形。 图211 第二次光刻10. 在PSG上得到DIMPLE图形BHF湿法腐蚀PSG形成DIMPLE图形，此次图形的主要作用为在POLY1下底面形成突起以防止黏附。DIMPLE是指在PSG上的小坑，由于LPCVD是保形淀积，在LPCVD淀积POLY1后，即在POLY1上形成朝向衬底突起的BUMPER，该BUMPER可有3点作用：1) 防止黏附，在释放过程以及使用过程中可以减少POLY1与衬底的接触面积】。2) 在某些设计中可以当作滑动结构的支撑点； 3) 可以利用来防止pull-in。DIMPLE的深度可以根据需要进行选择，在防黏附的应用中一般选用3000 就可；在起机械支撑的应用中可选1m；在防止pull-in的应用中可以设计为6000。上述值均为参考，可以根据实际使用进行设计。图212 DIMPLE图形11. 第3次光刻在光刻胶上得到ANCHOR图形。 图213 第三次光刻12. 刻蚀PSG1得到ANCHOR图形本次加工在PSG1上得到ANCHOR图形，即在PSG1上开孔，在淀积POLY1后，该孔被POLY1填满形成ANCHOR，ANCHOR起到的作用为：一方面可以电气连接POLY0与POLY1；一方面作为悬臂梁或者双支梁的固定端。图214 得到ANCHOR图形13. POLY1制备，同前采用LPCVD方法，温度为610。图215 淀积得到POLY1层14. POLY1层掺杂注入磷31。 图216 掺杂POLY1层15. 制备PSG并退火采用LPCVD方法制备PSG，厚度为2000 ，温度为680；接着在1000下，N2气氛中退火，退火时间为1小时。该步骤激活多晶硅中所掺杂质并消除应力。16. 用BHF腐蚀掉退火用PSG。17. 第四次光刻，在光刻胶上得到POLY1结构层图形。图217 第四次光刻18. 得到POLY1图形采用刻蚀方法将光刻胶图形转移到POLY1图形。图218 刻蚀POLY1得到结构层图形19. 得到PSG2采用LPCVD方法制备PSG2，厚度为7000，该层作用是第二层牺牲层，使得POLY1与POLY2之间有活动空间。图219 淀积PSG220. 第五次光刻本次工艺在光刻胶上得到POLY1与POLY2之间的通孔图形。图220 第五次光刻21. 刻蚀得到POLY1与POLY2之间的通孔图形图221 刻蚀得到通孔图形22. 第六次光刻在光刻胶上得到POLY2与POLY0之间的通孔图形（ANCHOR2）。 图222 第六次光刻23. 得到ANCHOR2图形图223 刻蚀得到ANCHOR图形ANCHOR2为在PSG上的坑，在淀积POLY2后，该坑填满多晶硅，实现POLY0以及POLY2的电气连接，同时也起到支撑POLY2的作用。图224 淀积得到POLY224. POLY2制备采用LPCVD方法制备POLY2，温度为610。25. POLY2掺杂注入磷31。图225 掺杂POLY226. 得到退火用PSG并退火退火温度为1000，气氛为N2，退火时间为1小时，作用同第15步。27. BHF湿法腐蚀掉退火用PSG约2000”28. 第7次光刻图226 第七次光刻在光刻胶上得到POLY2图形。29. 得到POLY2图形采用刻蚀方法得到POLY2图形。图227 刻蚀得到POLY2图形30. 剥离方法制备电极采用剥离的方法得到电极，金属为Cr/Au,厚度为300A/1500。该层金属不仅可以做电极、互联线，还可以作为镜面等，但作为镜面，可能有应力大的问题。图228 剥离方法得到电极31. 释放，采用BHF腐蚀PSG牺牲层，最终得到可动结构。图229 释 放2.3 版图设计规则本节讨论版图设计规则，版图设计规则是加工能力的反映，是在保证成品率最高这个原则下确定的。 表22 用于设计MEMS结构的版图的各层名称定义光刻序号12345678版图层名称1_POLY02_DIMPLE3_ANCHOR14_POLY15_p2_p1_via6_ANCHOR27_POLY28_METAL阴/阳阳版阴版阴版阳版阴版阴版阳版阴版2.3.1 定义图层名称在讨论版图规则的制定之前，先定义各版图层名称，掩模板图层共有8层，具体内容见表2-6。版图中图层名称及阴阳应采用表中规定；对应掩膜版的阴阳依据正胶所定。2、3、5、6、8定为阴版是考虑到该层图形一般为小面积刻蚀，为方便绘图故定为阴版。2.3.2 规则分类说明版图规则可以分为几种类型，用字母分别编号，简述如下。1) A规则： 反应两版图层之间的包含关系，如图所示。图230 A规则示意图2) B规则：反应两版图层之间的最小间距，如图所示。图231 B规则示意图3) C规则：反应两版图层之间的最小覆盖关系。图 232 C规则示意图4) D规则，反映两版图层之间的最小过覆盖（cut out）规则。 图 233 D规则示意图5) E、F、G、H规则E、F、G、H规则为同一版图层内图形之间的规则，H规则为图形最大间距。图234 E、F、G、H规则示意图2.3.3 各图层最小线宽、最小间距（space）及最大间距等表27为各图层相关图形之最小线宽、最小间距（space）及最大间距等。表23 版图规则123规则编号规则分类规则（m）说明1.E2POLY0层图形最小线宽2.F2POLY0层图形最小间隔（space）3.F33POLY0方孔图形最小尺寸4.H300悬臂梁最长尺寸（宽度为30m）5.H800双支梁最长尺寸6.E33DIMPLE 层图形最小线宽采用33，图形最终为接近圆形，而非方形7.E2ANCHOR1 层图形最小线宽8.F2ANCHOR1 层图形最小间距9.33ANCHOR1 层方孔图形最小尺寸10.E2POLY1 层图形最小线宽11.F2POLY1 层图形最小间距12.E33POLY1 层释放孔最小尺寸图形最终为类似圆形，而非方形13.G8/14POLY1层释放孔最大间隔，金属分别为Au/Al14.E33p2_p1_via层图形最小尺寸，圆形则为直径15.F4p2_p1_via层图形最小间距16.E33p2_p0_via图形最小尺寸, 圆形则为直径17.F4p2_p0_via层图形最小间距18.E4POLY2图形最小线宽19.F2POLY2图形最小间距20.E33POLY2 层释放孔最小尺寸图形最终为类似圆形，而非方形21.G10POLY2 层释放孔最大间隔22.E2METAL层图形最小线宽在做东南大学王佩瑶（外6174）的片子时，发现：最细金属线条宽度4微米（器件编号是310、311），而实际这个宽度很难做出来，即使使用干法刻蚀与湿法腐蚀相结合，也很难保住。4微米的金属线条在光刻并腐蚀后就不见了。23.F5METAL层最小图形间距2.3.4 图层之间的相互关系的规则下表是各层图形之间的相互关系的规则，主要为A、B、C、D四种类型的规则，两两层之间皆有可能，下面将按顺序予以讨论。表24 版图规则2452规则编号规则分类规则m规则说明24.A3POLY0 与 DIMPLE的最小包含25.B3POLY0 与 DIMPLE的最小间距26.A3POLY0与ANCHOR1的最小包含27.B3POLY0与ANCHOR1层图形的最小间距28.A3POLY0对POLY1的包含关系29.B3POLY0与POLY1的最小间距30.C3POLY0与POLY1的最小覆盖31.D3POLY0与POLY1的最小过覆盖32.A5POLY0对 ANCHOR2的最小包含33.B5POLY0与ANCHOR2的最小间距34.C3POLY0与POLY2的最小覆盖35.D5POLY0与POLY2的最小过覆盖36.B3DIMPLE与ANCHOR1的最小间距37.A3POLY1对DIMPLE的包含关系38.B5DIMPLE与ANCHOR2的最小间距关系39.A3ANCHOR1与POLY1的包含关系40.A5POLY1对p2_p1_via的包含关系41.B4POLY1与p2_p1_via最小间距关系42.B5POLY1与ANCHOR2最小间距43.A3POLY1对POLY2的包含关系44.C5POLY2对POLY1过覆盖关系45.D5POLY2对POLY1的覆盖关系46.A5POLY2对p2_p1_via包含关系47.A5POLY2对p2_p0_via包含关系48.A5POLY2对 METAL的包含关系49.E150150Pad最小尺寸50.F100Pad最小间距51.E100划片槽最小尺寸52.F10的倍数单元尺寸3 其他事项3.1 版图设计注意事项1) 为方便划片，单元尺寸应定为10微米的倍数。2) 若单元（dies）中有两个或两个以上的图形，建议编号，各压焊点也应顺序编号，以利于测试。3.2 制版相关事宜客户制版前需将版图文件提交实验室，由实验室工程师确认设计是否满足设计规则。实验室工程师将在合格的版图中添加测试结构、对准标记及划片槽等