（微电子学与固体电子学专业论文）cmos后处理中体硅正面释放及保护技术的研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：燃导师签名： 日 期： 单片集成是传感器发展的未来趋势，它将m e m s 器件和接口电路、处理电路集成在一块芯片上。 c m o s 后处理工艺释放制作的微型传感器能够实现低成本、高性能、高度一致性和大规模生产，这 也是m 匣m s 传感器相对于传统传感器的显著优势。 从正面释放体硅结构，简化了工艺流程、降低了操作难度，容易形成工艺标准，并且相对于背 面释放技术，腐蚀时间大大缩短，因此越来越受到研究者的重视。 本课题的目标是建立与c m o s 工艺兼容的体硅正面释放技术，主要是实现湿法腐蚀中芯片正面 的结构保护，并利用p n 结自停止腐蚀来释放n 阱结构。 利用掺硅的n 嗄a h 溶液对铝的腐蚀速率慢并且与c m o s 工艺兼容的特点，可实现对用铝做腐 蚀掩膜的c m o s 结构的保护。本文研究了掺硅t m a h 溶液的相关特性，确定溶液配比为 “5 眦m h + 1 8 雠s i ”，其腐蚀硅较快，且几乎不腐蚀铝和氧化层。在此基础上分析了影响电 钝化腐蚀特性的各种因素，测量了不同类型的硅片在改进t m a h 溶液中的i v 特性，其中p 型硅片 的开路电势为1 3 3 v ，n 型硅片的钝化势为0 9 3 v 。 本文设计了体硅正面释放实验，在版图中加入常用的各种m e m s 结构，在铝保护层完好的情况 下，分别采用三电极系统及四电极系统成功释放出了结构；并设计了多晶硅保护实验，5 0 以上多 晶硅保护良好，结构也基本释放。 实验结果表明与c m o s 工艺兼容的体硅正面释放技术完全可行，为以后利用此技术制作各类传 感器奠定了一定的基础，应该做进一步的研究将其应用于后处理工艺。 关键词：c m o s 兼容性、n 似h 、正面释放、正面保护 a b s t r a c t a bs t r a c t m o n o l i t h i ci n t e g r a t i o ni n t e 卿e sm e m sd e v i c e s ，i n t e r f 弛c i r c u i t s 锄dp r o c e s s i n gc i r c u i t so nas i n g l e c h i pa 1 1 db e c o m e st h et r e n do fs e n s o rd e v e l 叩m e n t f o rm i c r 0 s e l l s o 体f a b r i c a t e db y 咖d a r dc m o s p r o c e s s e sa 1 1 dm e m sp o s t - p r o c e s s i n gc o u l da c h i e v el o 、v - c 0 瓯h i g hp e r f 0 加a n c e ，h i g hu n i f o 肌i 秒锄d m 嬲sp r o d u c t i o n ，t h i sm a yb eas i 印i 6 c 锄ta d v 锄t a g ec o m p a r e dw i t l lt h en a d i t i o n a lo 舱s f r o n t - s i d er e i e 瓠et e c h n o l o 影o fb u l ks i l i c o nn o to n l ys i m p l i f i e st h ep r o c e s s 锄do p e r a t i o nb u ta l s oi s e a s yt 0f o m l a tt e c h n o l o g ys t a n d a r d s ，b e s i d e s ，i tg r e a t l yr e d u c et h ec o r r o s i o nt i m er e l a t i v ew i t hb a c k - s i d e r e l e a s et e c t l n o l o g y ，t t l 吣m o 陀锄dm o r er e s e a r c h e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt oi t t h ep u r p o s eo ft h i ss u b j e c ti st 0e s t a b i i s hac m o sc o m p a t i b l em e m sp o s t - p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f 仃o n t s i d er e l e a s eo f b u l ks i l c o n ，m a i n l yt h ep r o t e c t i o no fs t 门t u r e so nt l l e 、v a f e rw h i l ee t c h i n g 觚dr e l e 签e t h en - w e u b yp nj u n c t i o ne t c hs t o p i nc o n s i d e r a t i o no ft h a tt h es i l i c 伽一d o p e d1 m a hs 0 l u t i o ni sc o m p a t i b l ew i 廿lc m o sp r o c e s s 矾d h a r d l ye t c h e sa l u m i n u m ，w em a yu s ea l u m i n 啪嬲t i 圮e t c hm 雒ko fc m o ss t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r s i l i c o n d o p e d 卟似hs o l u t i o nr e l a t e dc h a r a c t e r i s t i c sa r ec a r e f h l l ys t u d i e d ，锄dt h es o l u t i o nr a t i o ”5 叭 1 m a h + 1 8 叭s i 竹w h i c hc a i lr e a l i z eh i 曲s i l i c o ne t c hr a t e ，l o n gt i m ep r o t e c t i o no fa l u m i n 啪雒do x i d e i ss e l e c t e d o l lt h j sb 嬲i st h ei - vc h a r a c t e r i s t i c so fd i 位r e n tt ) r p e so f 、v a f e ri n 舭s o l u t i o ni sm e 删r e d ，i n w h i c ht h eo p e n - c i r c u i tp o t e m i a lo fp 够p es i l i c o n 嬲一1 3 3 v 觚dp 雒s i v a t i o np o t e m i a lo fn 呵p es i l i c o n 舔 - o 9 3 v t h e n 觚e x p e m e n to f 舶n t s i d er e l e 私ei sd e s i 印e d 觚dv 撕。邯h n d so fm e m ss 仃1 l c t u 陀si s m c l u d e di nt i el a y o u t w es u c c e e di 1 1r e l e 器i n gt l l es t r i j c t u r e sb yf 两n t - s i d ep r o t e c t i o n 锄dp nj u n c t i o ne t c h s t o pw h i l et i l ep r o t e c t i v ea l 啪i n u mi si ng o o dc o n d i t i o n a ne x p e 打m e n to fp o l y - s i l i c o np r o t e c t i o ni sa l s o d e s i g n e d t h es n l j c t u r ei sa i m o s tr e l e 嬲e dw h i l e5 0 o fp o l y - s i l i c o ni sw e np r e s e r v e d r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt l a tt l l ec m o sc o m p a t i b l e 五o n t s i d e 陀l e 弱et e c t m o l o g yo fb u l k s i l i c o ni sc o m p l e t e l yf e a s i b l e af o u n d a t i o nf o r 协ep r o d u c t i o no fv a r i o u st y p e so fs e i l s o f si sl a i d 觚d 如n h e rs t u d ya i m st 0u s em i st e c h n o l o g yi np o s t _ p r o c e s s i n g k e yw b r d s ：c m o sc o m p a t i b l e 、t m a h 、劬i l t - s i d er e l e 雒e 、五? o m - s i d ep r o t e c t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录错误! 未定义书签。 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2m e m s 单片集成的方法。l 1 3c m o s 后处理中结构的释放方案。3 1 3 1 体硅干法刻蚀。4 1 3 2 体硅湿法腐蚀。4 1 4 从正面湿法释放结构所面临的问题一5 1 5 本文的主要工作和纲要7 第二章c m o s 后处理中正面释放腐蚀液的选择8 2 1 引言8 2 2 腐蚀剂的相关参数8 2 3 各向异性腐蚀液的概述8 2 4t m a h 的腐蚀特性研究。9 2 5 改进的t m a h 溶液。l3 2 5 1t m a h 溶液浓度选择1 3 2 5 2t m a h 溶液保护铝的研究1 4 2 5 3 关于过硫酸铵的讨论1 5 2 6 掺硅t m a h 溶液中芯片铝保护的实验1 6 2 7 本章小结17 第三章基于改进t m a h 溶液的p n 结自停止腐蚀1 8 3 1 现有腐蚀停止技术的比较。1 8 3 2 电钝化腐蚀的原理及相关因素1 8 3 2 1 电钝化腐蚀的原理。1 8 3 2 2 影响电钝化腐蚀的因素。2 0 3 2 3p n 结自停止腐蚀2 0 3 3 掺硅卟似h 溶液中钝化电势测量2 2 3 3 1 测量方案和平台搭建2 2 3 3 2 测量结果与分析2 4 3 3 3 一些失败的教训2 5 3 4 本章小结一2 6 第四章体硅正面释放微结构技术的验证2 7 4 1 引言2 7 4 2 版图设计方案2 7 4 3 采用电化学方法从正面释放结构的工艺验证3 0 4 3 1k o h ( 三电极系统) 从正面释放结构3 0 4 3 2 采用改进t m a h 溶液的正面释放( 三电极系统) 3 0 4 3 3 采用改进t m a h 溶液来进行正面释放( 四电极系统) 3 7 i 目录 4 4 本章小结3 9 第五章c m o s 后处理正面释放中的电路保护4 0 5 1c m o s 后处理正面释放中电路的保护方案4 0 5 2 多晶硅保护实验4 3 5 2 1 多晶硅结构设计4 3 5 2 2 实验的工艺流程4 3 5 2 3 实验结果4 4 5 3 本章小结4 6 第六章论文总结与展望4 7 6 1 论文总结4 7 6 2 存在的问题和改进方向4 8 参考文献一4 9 作者简介。5 2 攻读硕士学位期间发表论文。5 2 致谢! ；：； i v 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 微机电系统( m i c r o e l e c 仃0 m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 指可以批量制造的、集微结构、微传感 器、微执行器以及信号处理和控制电路以及通讯接口和电源等于一体的器件或系统。m e m s 是在i c 工艺的基础上发展起来的，其为多学科交叉的新兴学科，涉及微电子学、机械学、力学、材料学等 多种工程技术和学科。发展m e m s 的目的是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功 能的微型系统，构成功能强大的智能传感器。 m e m s 的尺寸在微米到毫米范围，相对于宏观的机电传感器，m e m s 技术有两个重要的优点， 即高灵敏度和低噪声。同时，由于m e m s 技术采用批量生产，而不是手工组装的方式，有效地降低 了传感器的使用成本。 单片集成是m e m s 传感器发展的趋势。所谓单片集成，就是以i c 工艺为基础，把传感器结构 和检测电路集成到一个芯片上。它继承了标准i c 工艺批量生产、大规模制造的优点，在降低成本的 同时，还减少了寄生效应，提高了电路性能。因而单片集成是实现传感器微型化、智能化、低成本 的有效途径。 本章主要对m e m s 单片集成作一些简单的介绍。1 2 节给出了m e m s 单片集成的方法。1 3 节 介绍了c m o sm e m s 后处理中的结构释放方法。1 4 节讨论了c m o sm e m s 后处理中从正面湿法 释放结构所面临的问题。1 5 节给出了本论文的主要工作以及论文纲要。 1 2m e m s 单片集成的方法 m e m s 传感器发展的趋势是低成本、低功耗、高性能、微型化和智能化。以i c 工艺为基础，实 现传感器与信号处理电路的集成则是实现该趋势的有效途径。目前主要有以下两种方式实现传感器 和接口电路的集成：混合集成( h y b 咖) 和单片集成( m o n o l i t h i c ) 。 混合集成是指分别在不同的芯片上完成传感器和处理电路制作，并将传感器芯片和处理电路芯 片固定在同一个衬底上，两者通过引线键合实现电气连接；单片集成则是指传感器和接口电路制作 在同一个芯片上，通过多层金属实现互连。其中以主流的c m o s 技术实现传感器与电路的单片集成 技术，称之为c m o sm e m s 技术。 与单片集成相比较，混合集成的方法避免了m e m s 工艺与标准i c 工艺之间的不利影响，实现方 式相对简单，但是引线键合的方式又会带来可靠性降低和传感器性能下降等问题。此外，混合集成 方法要求将传感器和信号处理电路分别进行封装，也增加了制造成本。而c m o sm 匣m s 技术相对混 合方法总的来说有如下优势j ： ( 1 ) 可以实现高信噪比。一般而言，随着传感器的面积减小，其输出的信号也变小，对于输出信 号变化在n a ( 电流输出) 、牡v ( 电压输出) 或f f ( 电容输出) 量级的传感器，敏感位置与外部仪器引 线的寄生效应会严重影响测量，而单片集成可降低寄生效应和交叉影响； ( 2 ) 可以制备大阵列的敏感单元。大阵列的单元信号连接到片外仪器时，互连线制备和可靠性是 主要问题。对于较小阵列，引线键合等技术就可以满足要求，但对于较大阵列，互连问题会影响生 产成本、成品率甚至造成大阵列不可能实现。因此，采用片上多路转换器串行读出，不仅降低了信 号调理电路的复杂性，而且大大降低了键合引线的数量，提高了可靠性和成品率； ( 3 ) 可以实现智能化。除信号处理功能外，诸如校准、控制以及自测试等功能也可以在芯片上实 现： 东南大学硕士毕业论文 ( 4 ) 可以采用标准f o u n d 巧进行c m o s 电路和部分m e m s 工艺加工，提高了器件的加工可靠性，同 时c m o s 与m e m s 的集成也方便了m e m s 系统的封装。 由于以上这些优点，c m o sm e m s 技术正成为近年国际前沿研究领域之一。 c m o sm e m s 技术按照m e m s 结构部分与c m o s 电路部分加工顺序不同可以分为c m o s 前处理 ( p r e c m o s ) 、内c m o s ( i n t e 咖e d i 细e c m o s ) 、c m o s 后处理( p o s t - c m o s ) 三种集成方法【3 j 。 ( 1 ) 前c m o s 微机械加工 c m o s 前处理微机械加工技术指的是，在硅片上先制作完成m e m s 器件，然后在标准i c 工艺 线上制作信号处理电路并实现m e m s 器件与电路的互连。 使用c m o s 前处理微机械加工技术，可以避免制作m e m s 器件期间的高温工艺( 达1 1 0 0 ) 对电路的影响。这种集成方法的难点在于后续c m o s 工艺所需的表面平坦化以及m e m s 与电路间 的互连上。 ( 2 ) 内c m o s 微机械加工 内c m o s 微机械加工技术指的是，在正常的i c 工艺流水过程中，工艺流程先进行几步然后打 断，开始制作微机械机构，在结构完成后，重新恢复i c 流程，完成后续电路的制作以及m e m s 器 件与电路的连接。 使用内c m o s 微机械加工技术对电子和结构器件性能影响较小，但它需要打断i c 流程，并且 在完成m e m s 器件制作后，又要将经过非标准i c 工艺处理过的硅片重新放到i c 工艺线上流水，这 点对于工艺代工厂商而言，往往难以接受。因此该方法具有很大的局限性。 ( 3 ) c m o s 后处理微机械加工技术 c m o s 后处理微机械加工技术指的是，在所有正常的i c 工艺流程结束之后，进行m e m s 器件 的制作。其最大优点是整个微系统的制造都可能在外面工厂加工完成。原则上，标准的c m o s 工艺 流程可在任何c m o s 工厂完成，c m o s 工艺流程之后，微机械的加工又可以在专门的m e m s 工厂 完成。这样c m o sm e m s 的制造有充分的灵活性。 c m o sm e m s 的局限是，铝金属化后的标准c m o s 芯片，在后续微结构加工中，必须严格控 制所有的热处理加工温度。c m o s 后处理温度最高不能超过4 5 0 0 c ，因此不能进行l p c v d 多晶硅 ( 温度达) 以及随后的高温退火。而p e c v d 、溅射、电镀、大多数的湿法和干法体表面微机械加 工工艺都是适合c m o s 后处理的。并且在微机械腐蚀，释放工艺中，c m o s 电路可能需要特殊保护。 本实验室有开展了许多c m o sm e m s 后处理的研究l 到。图1 1 所示为用p 0 s t c m o s 方法得到 的电容式压力传感器的流程图，传感器结构为一固态电容，标准c m o s 工艺用于制造传感器电容多 层膜结构和电容检测电路。该电容由多晶硅栅氧n 阱硅构成，是c m o s 中常见的m o s 电容，因 而完全与c m o s 工艺兼容。传感器的工作机制是电致伸缩增强效应。所谓电致伸缩效应是指介质层 的介电常数因介质层的形状改变而发生变化，它是弹性电介质中普遍存在的物理效应。 后处理工艺主要包括p n 结自停止腐蚀和阳极键合。p n 结自停止腐蚀用于释放结构，形成空腔， 并精确控制多层膜的厚度。阳极键合用于实现腔体密封，与硅一硅热键合等其他密封技术比较，阳 极键合对温度以及键合表面要求较低，因此避免了对硅片电路的破坏。在进行p n 结自停止腐蚀时， 使用t i a u 作为腐蚀阻挡层。 2 第一章绪论 藤溪蠢l 翟 e 一：鬻器黪墓鬈i _ o ：? l ；搿鬻霪戳瀚 、 ， 、 - i ，、m 女& # h 等 钐钐钐钐钐彩黝 c ) 图1 1 单片集成电容式传感器制造流程【射。( a ) 标准c m o s 工艺制造电路； ( b ) p n 结自停止腐蚀释放结构：( c ) 阳极键合形成密封腔 以上对c m o s 前处理微机械加工、内c m o s 微机械加工、c m o s 后处理微机械加工等三种 c m o sm e m s 技术进行了简单的介绍。比较以上三种技术，c m o s 前处理微机械加工技术在硅片进 行正常i c 工艺之前，已经对硅片进行了非标准i c 工艺的处理，而内c m o s 微机械加工需要打断正 常i c 工艺流程。由于对标准的i c 工艺顺序以及设计规则所作的任何修改都可能会对工艺线产生很 大的影响，导致元件的性能变差，成品率变低，另外也增加了厂商许多成本，因而以上技术往往是 工艺厂商不能接受的。对于设计者而言，更多的是使自身的设计方案去迎合工艺商的要求，因而 c m o s 后处理微机械加工技术是目前实现单片集成的主流技术。 1 3c m o s 后处理中结构的释放方案 c m o s 流水后，需要由m e m s 后处理来完成传感器的结构部分。m e m s 后处理工艺包含的范 围非常广泛，包括任何与c m o s 兼容的低温工艺如光刻、低温键合、溅射、湿法刻蚀、干法刻蚀等 工艺。 硅基m e m s 工艺的两种最基本的制造技术是：体微机械加工【3 】和表面微机械加工1 4 j 。体微机械 加工工艺指选择性的去除体( 硅衬底) 材料以形成特定的三维结构或机械元件，如薄膜或梁；表面 微机械加工指通过选择性的去除薄膜结构下的支撑层来获得可动的机械单元，而不是在衬底下面加 工，其中，这种间隔层就是所谓的牺牲层。前者的微结构已经在常规的工艺流程基本形成，仅需刻 蚀就可以释放微结构。 表面微机械加工工艺的典型代表是伯克利大学开发的集成c m o s 与m e m s 的工艺模块( m o d u l 盯 i n t e g r a t i o no f c m o sw i t hm i c r o s t m c t u r e s ，m i c s ) 5 1 。这种方案是以多晶硅为微结构层，磷硅玻璃( p s g ) 作为牺牲层的表面微细加工技术。这里不再详细讨论。 本节讨论c m o s 后处理中体硅结构的释放问题，即如何用体微机械加工技术来释放结构。按照 刻蚀( 腐蚀) 技术的不同，体硅刻蚀( 腐蚀) 技术可分为两类：湿法腐蚀和干法刻蚀。硅湿法腐蚀 指采用液态的化学腐蚀液去除材料，而干法刻蚀采用等离子体( 含有电离粒子的高能气体) 或者气 相刻蚀剂去除材料。 3 东南大学硕士毕业论文 1 3 1 体硅干法刻蚀 利用干法刻蚀的加工工艺可以实现高深宽比的结构，如梳状谐振器，加速度计等。典型的体硅 m e m s 和c m o s 的集成工艺主要是s c r e a m 工艺和c m o s 的集成【6 】，以及卡耐基一梅隆大学基于干法 刻蚀工艺的正面体微机械加工工掣7 1 ，如图1 2 所示， d - a 口n 比洲 - g a 瞄 叼m 日冒焉 口c j 口簟 口图圉。 _ l 图1 2 干法刻蚀工艺正面体微机械加工工艺 这种工艺的优点在于进行无掩膜后处理，其采用项层金属作为结构的刻蚀掩膜。对于由c m o s 介质层、多晶硅和金属层构成的微结构，其释放采用三步干法刻蚀：第一步，采用c h f 3 0 2 作为反应 气体进行各向异性腐蚀，控制工艺的参数并选择合适的刻蚀时间，无金属掩膜保护的钝化层被刻蚀 至硅衬底：第二步，采用s f 6 一0 2 各向异性刻蚀硅衬底至一定深度；第三步，仍然采用s f 6 0 2 作为反应 气体，但是通过调整s f 6 及0 2 的比例及压力参数，各向同性刻蚀硅衬底以释放所需要的结构。 北京大学在卡耐基一梅隆大学干法体硅工艺的基础上提出了采用介质隔离实现m e m s 器件的电 隔离和支撑的c m o sm e m s 工艺方案并申请了相关专利瞵j 。 上面两种工艺都不需要任何附加的光刻工艺，但是需要多步r i e 刻蚀工艺的支持，成本较高且依 赖参数因素较大，工艺较为复杂。因此本文讨论采用湿法腐蚀工艺实现芯片结构。 1 3 2 体硅湿法腐蚀 由于魁e 干法刻蚀需要的成本相对较高，工艺较为复杂，很多研究者把目光投向用湿法腐蚀工 艺实现芯片结构。 硅湿法腐蚀有各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。各向同性腐蚀液对硅的不同晶面腐蚀速率相同， 该方法主要采用以h f 、h n 0 3 和h 2 0 ( 或c h 3 c o o h ) 组成的腐蚀溶液。各向同性腐蚀难以实现选择 性腐蚀。各向异性腐蚀对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。根据腐蚀溶液的各向异性，可以在芯 片上加工出各种结构。因此本节讨论使用各向异性腐蚀来释放结构。 b a l t e s 和其同事用各向异性腐蚀剂从硅片正面释放了微结构1 们，s e l i m 也开展了许多研究1 1 1 l ( 图 1 4 ) 。 4 一齿 第一章绪论 图1 4 结合自停止腐蚀，从正面各向异性腐蚀来释放的红外线探测器【1 1 l 国内在采用各向异性腐蚀来释放结构方面也开展了多年研究，其中东南大学在c m o s 流水后， 通过各向异性腐蚀从背面成功释放了m e m s 压力和风速等传感器，实现了其与电路的集成【2 j 。图1 5 是从背面各向异性腐蚀来释放的集成电容式压力传感器图片，传感器由a l s i 0 2 n 啊p es i 构成。 t o p 日t r o d e 图1 5 使用k o h 溶液从背面各向异性腐蚀来实现的电容式压力传感器乜1 通过以上的论述，干法腐蚀具有分辨率高、各向异性腐蚀能力强、腐蚀的选择比大，简化了衬 底的清洗步骤等优点，但是成本相对较高，工艺较为复杂。各向异性湿法腐蚀释放结构，大大降低 了成本，因此被广泛用于释放结构。本文进一步讨论如何通过各向异性湿法腐蚀释放微结构。 1 4 从正面湿法释放结构所面临的问题 硅湿法腐蚀被广泛用于释放梁、膜等结构，其可选择从正面或背面来释放。机械加工已成为一 种标准的后c m o s 微机械加工模块，其不仅可以释放膜，还可以释放悬臂梁和悬浮的微结构。e t h z u r i c h n 2 1 已经在这方面做大量的工作( 图1 6 ) 。 5 州鏊， 。一。参鳖 东南大学硕士毕业论文 h e a t i n g r e s i s t o r p i e z o r e s l s t o 噶 图1 6 从正面释放的结构照片，图中集成有加热电阻及压阻n 2 1 但是从背面释放结构有一定的局限，具体如下： ( a ) 腐蚀时间比较长，一般1 0 小时左右，消耗大量的腐蚀液； ( b ) 需要双面对准，一定程度上增加了工艺难度： ( c ) 占用芯片面积过大； ( d ) 腐蚀中若需要精确控制结构的厚度，常用办法是电化学腐蚀自停止技术。长时间腐蚀过程中需 要保护芯片的正面，最可靠方法是把每一片硅片都固定到机械夹具上( 图1 7 ) ，从而来保护正 面结构和硅片边缘。这样比较麻烦，无法完成批量生产。最近，也提出了一些基于金属膜m 1 或 高分子层的保护方案。 ( a ) 孔 ( b ) 图1 7 用于硅片正面保护的硅片( a ) 夹具结构示意图；( b ) 夹具实物照片 6 第一章绪论 b a l t e s 和其同事们开创了用各向异性腐蚀剂从硅片正面后c m o s 释放微结构的先河1 9 儿1 0 】。通过在 集成的微结构设计中加入有源区、接触孔、通孔、和压焊块的开孔，在常规的c m o s 工艺流程结束 时，硅片表面的硅区域就暴露在周围环境中。各向异性湿法腐蚀剂将会在这些区域中腐蚀硅衬底， 从而释放介质微结构。在这些微结构中嵌入多晶硅和金属层，可以制造各种微传感器，包括流量传 感别”】，功率传感器【1 4 】和i r 传感器【1 5 j ( 图1 4 ) 。在腐蚀期间，必须小心保护c m o s 工艺的铝接触压 焊块。为了允许微结构上存在有源器件，c m o s 硅片的正面体微机械加工已成功和c m o sn 阱上的电 化学腐蚀自停止技术结合在一起【l6 1 。 与从背面释放结构相比，从硅片正面释放微结构只需正面光刻( 无需双面光刻) 、腐蚀时间短( 3 小时左右) 、耗液体少、可以批量生产，从而降低了成本。因此正面释放技术得到广泛发展。 但是，从正面释放结构也面临几个问题。 首先，硅各向异性腐蚀液都为碱性，包括e d p 、k o h 及未掺添加剂的t m a h 等，铝在碱性溶液 中腐蚀较快。并且长时间( 3 小时) 腐蚀中，钝化层表面会出现针孔，从而溶液会通过针孔渗到钝化 层以下腐蚀铝及多晶硅结构，引起电路的性能下降甚至失效。因此，腐蚀中，应该对铝及电路部分 加以保护。 其次，从正面释放结构，希望能精确控制结构的厚度，从而提高器件的性能。传统的计时法、 浓硼掺杂自停止技术等有其自身的缺陷，因此需要进行工艺探索研究。 1 5 本文的主要工作和纲要 本文主要讨论c m o s 后，采用正面释放的方法来释放硅微结构的方案。其中选择改进的n 舱h 溶液作为腐蚀液，其保持了较快的硅腐蚀速率，且不腐蚀铝；采用铝膜作为c m o s 电路部分的保护 膜，实现了长时间腐蚀中的电路保护；采用p - n 结自停止腐蚀的方法来精确控制结构的厚度。论文 主要包括以下部分： 第一章回顾了m e m s 单片集成的主要方法，确定了从正面释放结构的方案，分析了此方案所面 临的问题，最后给出了本文的主要工作以及要达到的目标。 第二章确定了正面释放所选用的腐蚀液。首先分析各腐蚀液的特点，最后选择n 舱h 溶液作为 正面释放的腐蚀液，在系统研究t m a h 特点的情况下，确定了腐蚀液配比。 第三章介绍了各种控制结构厚度的方法，确定使用电化学的方法来精确控制结构的厚度，在介 绍电钝化腐蚀原理的基础上，测定了硅在第二章选用溶液中的i v 特性。 第四章从工艺上实现了微结构的释放。首先设计了版图，包含常用的m e m s 结构，然后分别采 用三电极及四电极系统实现了结构的成功释放。 第五章确定了腐蚀中电路正面的保护方案。首先分析了现有的电路保护技术，确定用铝做为保 护膜，并且腐蚀液也要选择改进的t m a h 溶液，并有三电极系统释放了结构。 第六章对全文进行小结，并对下一步工作展望。 7 第二章c m o s 后处理中正面释放腐蚀液的选择 第二章c m o s 后处理中正面释放腐蚀液的选择 2 1 引言 c m o s 流水后，从硅片正面各向异性湿法腐蚀来释放结构。如1 4 节所述，存在如下问题：1 硅各向异性腐蚀液都为碱性，包括e d p 、k o h 及未掺添加剂的t m a h 等，铝在碱性溶液中腐蚀较 快：2 长时间( 3 小时) 腐蚀中，钝化层表面会出现针孔，从而溶液会通过针孔渗到钝化层以下腐蚀 铝及多晶硅结构，引起电路的性能下降甚至失效，这就是所谓的“渗透腐蚀”。因此，腐蚀中，应该 选择合适的溶液来释放结构。 本章主要讨论了正面释放结构中腐蚀液的选择问题。2 2 节介绍了选择腐蚀剂时需要考虑的问 题。2 3 节概述了各向异性腐蚀液的特点。2 4 节研究了t m a h 腐蚀特性。2 5 节确定了选用溶液的 配比。2 6 节给出了本章的小结。 2 2 腐蚀剂的相关参数 各向异性腐蚀剂的性质差别很大，本节主要从以下角度来考虑腐蚀剂： 1 ) 腐蚀速率。刻蚀材料的速度非常重要，较高的腐蚀速率意味着较短的腐蚀时间以及较高的产 量。 2 ) 腐蚀选择比。选择比是指待腐蚀材料的刻蚀速率与掩膜等的刻蚀速率比率。选择比越大越好， 理想情况下，腐蚀剂根本不腐蚀掩膜材料。 3 ) 腐蚀的均匀性。腐蚀速率在衬底表面各处经常不相等。当衬底尺寸比较大时，工艺控制变得 复杂。 4 ) 腐蚀剂的安全性及成本。联氨以及e d p 等，有毒性，操作困难并且废液处理比较麻烦。 5 ) 表面平滑度和缺陷。不同的刻蚀材料会得到不同程度的表面平滑度及缺陷密度。表面平滑度 对器件性能有重要影响。 6 1 与c m o s 工艺的兼容性。 本文设计的器件尺寸较大，因此从正面湿法释放，更关注腐蚀速率、腐蚀的均匀性这两个参数； 为了保护铝电极不受刻蚀，希望溶液能刻蚀铝很慢：另外，考虑到操作的安全性，希望溶液安全低 毒。由于采用电化学自停止的方法来控制尺寸厚度，因此对腐蚀腔的表面平滑度要求不高。下一节 结合这些参数对各向异性腐蚀液进行比较。 2 3 各向异性腐蚀液的概述 硅机械性能良好【1 1 。硅的湿法各向异性腐蚀，被广泛用于实现复杂的3 维微结构。硅体加工工 艺中用的腐蚀液包括：无机水溶液，如k o h 【2 1 ，n h 4 0 h 1 3 1 等，以及有机溶液，如e d p 【4 】和n 似h 【5 川。 最广泛使用的腐蚀液为k o h ，t m a h ，和e d p 。下面具体讨论以上三种溶液。 ( 1 ) k o h 溶液 k o h 是最常用的各向异性硅腐蚀剂。k o h 溶液腐蚀硅的速率相当高，如9 5 时，6 mk o h 溶 液在 晶向的腐蚀速率为1 5 0 肛m h ， 和 晶向之间的腐蚀速率比为( 3 0 一1 0 0 ) ：l 【8 1 ；溶 液很稳定，因此腐蚀结果可重复性好，且价格相对便宜。因此，k o h 在工业中被广泛使用。但是 8 东南大学硕士学位论文 k o h 溶液作为腐蚀剂有缺点主要有两个： 1 k o h 溶液能够与铝发生反应( 式2 1 ) ，且速度相当快； 彳，+ 3 皿d 专彳，( 明) 3 + 3 皿个( 碱性溶液中) ( 2 1 ) 2 k o h 溶液中的碱金属离子会对电路造成影响，如扩散至氧化层，改变阈值电压等。 因此，k o h 溶液与标准的c m o s 工艺不兼容，c m o s 正面释放中一般不考虑使用。但在背面 腐蚀中，可以使用k o h 溶液，不过要注意的是：需要采用机械夹具( 图1 7 ) 来保护芯片的正面。 使用机械夹具将会限制批量制造传感器，增加了成本。 ( 2 ) 腐蚀液e d p e d p 由乙二胺，邻苯二酚及水三种组分组成。e d p 的性质与k o h 溶液有类似之处，s i 0 2 、s i 3 n 4 、 a u 、c r 、a g 、c u 以及t a 等材料都可要作为e d p 腐蚀采用的掩膜材料。e d p 腐蚀a l ，但a l 在e d p 中的腐蚀速率仅为硅的1 1 8 0 ，因此若腐蚀时间少于4 小时，那么c m o s 后处理中可以使用e d p 进 行微机械加工。e d p 的优点在于对凸角的腐蚀比任何各向异性腐蚀液都快，且腐蚀表面较光滑，因 此常用于释放悬臂梁等结构【9 。1 0 1 ( 图2 1 ) 。 缺点在于： 1 ) 加热时浓度易变化，需要回流冷凝装置以保证溶液浓度的稳定； 2 ) 在腐蚀表面会有一种棕色残留物质难以去除，且残留物会继续腐蚀硅结构； 3 ) 溶液有致癌的危险，难以操作，且废液处理较麻烦。 图2 1 使用e d p 正面释放出的测量多品硅s e e b e c k 系数的微结构1 9 j 1 1 0 】 ( 2 ) 腐蚀液t 姒h n 雌h 为有机的中强碱，组分中不含碱金属离子，因此不存在类似k o h 的碱金属污染的问题； 毒性较低，相比e d p 而言，安全易操作；刻蚀钝化层时速度较慢：通过在溶液中掺加添加剂等办法， 可以大大降低a l 的刻蚀速度。综合上面考虑，n 从h 与标准c m o s 加工工艺良好兼容，因此在实 现m e m s 与信号处理电路的片上集成时，1 m a h 越来越受青睐。 综合上面所述，k o h 溶液与c m o s 标准工艺不兼容，一般不用于正面释放；e d p 对身体危害较 大，难以操作；而改进的t m a h 溶液，大大降低了铝的刻蚀速率，与c m o s 工艺完全兼容，因此本 文选择卟似h 作为基础腐蚀液。下面详细讨论其性质。 2 4t m a h 的腐蚀特性研究 t m a h ( 四甲基氢氧化铵，( c h 3 ) 4 n o h ) 是一种有机的硅各向异性湿法腐蚀剂。其本身为无色 9 第二章c m o s 后处理中正面释放腐蚀液的选择 结晶物，极易吸潮，在空气中能迅速吸收二氧化碳，1 3 0 时分解为甲醇和三甲胺，无色无味。溶液 加热时易挥发，引起浓度变化，腐蚀时要采用冷凝装置来保持浓度。 t m a h 与硅的反应过程如下【1 1 j ： s i + 6 0 h 。一4 e s i 0 3 2 。+ 3 h 2 0 ( 2 2 ) 4 h 2 0 + 4 e 一4o h + 2 h 2f ( 2 3 ) 总的反应为：2 ( c h 3 ) 4 n o h + s i + h 2 0 一【( c h 3 ) 4 n 】2 s i 0 3 + 2 h 2f ( 2 - 4 ) 由于t m a h 与c m o s 工艺良好兼容，对t m a h 腐蚀特性的研究很多【协19 1 ，研究成果具体如下： ( 1 ) 各向异性腐蚀特性 与e d p 、k o h 一样，其腐蚀硅呈现为各向异性，且表现为浓硼腐蚀停止的特性，即当硼的浓 度达到1 0 2 0 c m 。3 时，t m a h 的腐蚀速率下降十倍( 刑a h 的浓度2 2 州，温度9 0 ) 。 ( 2 ) 硅刻蚀速率 t m a h 的硅刻蚀速率，与温度及溶液浓度密切相关，其规律是：当温度一定时，随着溶液浓度 的下降，腐蚀速率上升【1 3 1 7 】；一定浓度的溶液，随着温度的升高，腐蚀速率大大提高；硅的腐蚀速 率与导电类型关系不大，即同样温度和浓度下，刻蚀n 型与p 型硅的速率基本一致( 见图2 2 ) 。 s i t l o e e t c h t gr a k o1 0 0 鼍8 0 3 36 0 篆4