（微电子学与固体电子学专业论文）cmos工艺中体硅正面释放技术研究.pdf

摘要 c m o sm e m s 是传感器发展的一大趋势，它将m e m s 器件和接口电路集成在一块芯片上。利 用c m o s 标准流程+ m e m s 后处理工艺制造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 e m s 传感器相对于传统传感器的显著优势。 体硅正面释放技术简化了工艺流程和操作难度，容易形成工艺标准，并且相对与背面释放技术， 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 i 艺兼容的体硅正面释放m e m s 后处理技术，主要是实现湿法腐 蚀中芯片正面的结构保护，并利用p n 结自停止腐蚀释放n 阱。 利用掺硅的t m 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。本文研究了用于释放铝保护芯片的掺硅t m a h 溶液相关特性，主要 包括：t m a h 溶液浓度、掺入硅粉的比例、掺入过硫酸铵的影响、硅片的腐蚀形貌、腐蚀硅片的速 率、长时间腐蚀时铝保护膜的情况等，结合各方面因素最终确定既能很快腐蚀硅又能实现铝保护并 且便于实现电钝化腐蚀的溶液配比。在此基础上分析了影响电钝化腐蚀特性的各种因素，对已确定 的腐蚀溶液进行深入研究，测量了不同类型的硅片在其中的i v 特性。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，利用正面保护+ p n 结自停止腐蚀技术在铝保护层完好的情 况下成功释放出了结构。 实验结果证明c m o s 兼容的体硅正面释放技术完全可行，可以做进一步研究将其应用于后处理 工艺中，为以后利用此技术制作各类传感器奠定了良好的基础。 关键词：c m o s 兼容、掺硅t m a h 、正面释放 a b s t r a c t c m o sm e m si n t e g r a t e sm e m sd e v i c e sa n di n t e r f a c ec i r c u i t so nas i n g l ec h i pa n db e c o m e st h e t r e n do fs e n s o rd e v e l o p m e n t m i c r o - s e n s o r sf a b r i c a t e db ys t a n d a r dc m o sp r o c e s s e sa n dm e m s p o s t p r o c e s s i n gc o u l da c h i e v el o w c o s t , h i ：g hp e r f o r m a n c e ，h i 曲u n i f o r m i t ya n dm a s sp r o d u c t i o n , t h i sm a y b eas i g n i f i c a n ta d v a n t a g ec o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e s f r o n t - s i d er e l e a s et e c h n o l o g yo 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 sa n do p e r a t i o nb u ta l s o e a s yt of o r m 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 ht h e b a c k s i d er e l e a s et e c h n o l o g y , t h u sm o r ea n 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 oe s t a b l i s hac m o s c 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 f r o n t - s i d er e l e a s eo f b u l ks i l i c o n , m a i n l yt h ep r o t e c t i o no fs t r u c t u r e so nt h ew a f e rw h i l ee t c h i n ga n dr e l e a s e t h en - w e l lb 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 o n - d o p e dt m a hs o l u t i o ni sc o m p a t i b l ew i t hc m o sp r o c e s sa n 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 u ma st h ee t c hm a s ko fc m o ss t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r , p r o t e c t i v el a y e ro fa l u m i n u m ，e t c hr a t eo fs i l i c o n , s u r f a c em o r p h o l o g ya r ec a r e f u l l ys t u d i e di nd i f f e r e n t s o l u t i o nr a t i o s ，a n do n er a t i ow h i c hc a nr e a l i z el o n gt i m ea l u m i n u mp r o t e c t i o na n dh i g hs i l i c o ne t c hr a t ei s s e l e c t e d o nt h i sb a s i sw em e a s u r et h ei vc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt y p e so fw a f e ri nt h es o l u t i o n t h e n a ne x p e r i m e n to ff r o n t s i d er e l e a s ei sd e s i g n e da n dv a r i o u sk i n d so fm e m ss t r u c t u r e si si n c l u d e di nt h e l a y o u t w es u c c e e di nr e l e a s i n gt h es t r u c t u r e sb yf r o n t s i d ep r o t e c t i o na n dp nj u n c t i o ne t c hs t o pw h i l et h e p r o t e c t i v ea l u m i n u mi si ng o o dc o n d i t i o n r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ec m o sc o m p a t i b l ef r o n t s i d er e l e a s et e c h n 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 f u r t h e rs t u d ya i m st ou s et h i st e c h n o l o g yi np o s t p r o c e s s i n ga n dl a ya f o u n d a t i o nf o rt h ep r o d u c t i o no fv a r i o u st y p e so fs e n s o r s k e yw o r d s ：c m o sc o m p a t i b l e ，s i l i c o n - d o p e dt m a h ，f r o n t - s i d er e l e a s e 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： 孵日期：弛 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。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 微电子机械系统( m e m s ) 是在集成电路工艺的基础上发展起来多学科交叉的新型学科，涉及微电 子学、机械学、力学、自动控制学、材料学等多种工程技术和学科。完整的m e m s 是由微传感器、 微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等组成的一体化微型器件系统。其目的是把信息 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。由于 微系统的尺寸在毫米到微米范围，因此具有体积小，集成度高，质量轻，耗能低，可靠性高，成本 低，可批量生产等优点。自1 9 8 9 年美国国家自然科学基金会( n s f ) 首次提出m e m s 以来，m e m s 技术 在航空、航天、军事、医学、生物等领域得到了广泛发展，被认为是微电子技术的又一次革命。m e m s 已成为当前世界上极有发展前景的一个交叉技术领域。 m e m s 微传感器的特点在于尺寸很小，可以在微观空间内完成传统传感器所不能完成的功能， 它的加工方法与传统传感器的加工有所不同，在加工技术上可以分为三类1 1 j ： ( 1 ) 以日本为代表的传统机械加工方法，日本研究m e m s 的重点是超精密机械加工，它更多的 是传统机械加工的微型化，这种加工方法利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器，可以 用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，例如微型机械手、微型工作台等。 ( 2 ) 以德国为代表的l i g a 工艺，l i g a 方法是指采用同步x 射线深层光刻、微电铸制模和注塑 复制等主要工艺步骤组成的一种综合性微机械加工技术。l i g a 技术首先利用同步x 射线光刻技术光 刻出所需要的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻图形相反的金属模具，再利用微注塑制造微机 械结构。它可以制成高数百微米而宽仅约1 微米的微机械结构，可加工多种金属材料和塑料、陶瓷等 非金属材料，它是进行非硅材料三维立体加工的首选工艺。已经用l i g a 方法制作出电磁马达，其扭 矩比静电马达大为提高。但由于要使用同步辐射x 射线光源，使这种技术的工业应用受到了限制， 近年来已经出现了一种在工艺上更容易实现的准l i g a 技术。l i g a 技术弥补了表面微加工技术的不 足，可用来制作高纵横比的三维立体结构，并可实现大批量生产，使成本大大降低。 ( 3 ) 以美国为代表的与传统i c 工艺兼容半导体硅微机械加工方法，利用化学腐蚀或集成电路工 艺技术对硅材料进行加工，形成硅微电子机械系统的器件，可以实现微电子与微机械的系统集成， 并适合于批量生产，已经成为m e m s 的主流技术。 1 2 论文背景 与传统i c 工艺相兼容的硅微机械加工工艺是制作微传感器、微执行器和m e m s 的主流技术， 是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于 微电子加工的技术，目前越来越多地用于m e m s 的加工中，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学 气体淀积、外延、扩散、腐蚀、光刻等。在以硅为基础的m e m s 加工工艺中，主要的加工工艺有腐 蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等。 随着m e m s 技术的日益成熟，集成片上电路的智能传感器是未来发展的方向。采用c m o s i 艺 制作m e m s 传感器的优势在于将传感器结构和c m o s 电路集成在同一片芯片上。目前的集成传感器 采用了一种混合集成的方法，即分别制造m e m s 传感器和c m o s 集成电路，然后从各自的晶片上分 离，封装在一个共同的衬底上，并且通过引线互连，这样就实现两者的集成，这就是所谓的混合( h y b r i d ) 方法。而通过将m e m s 结构部分和c m o s 电路做在同一块衬底上，这种c m o s i 艺兼容单片集成 m e m s 技术被称为c m o s m e m s 技术。这种方法相对混合方法总的来说有如下优势 2 1 ： 车南太学碗学位论文 ( 1 ) 可毗实现高信噪比。一般而言，随着传感罄的面积减小，其输出的信号也变小，对于输出信 号变化在n a ( 电流输出) 、i 【v ( 电压输出) 或忭( 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： g ) 可以制各大阵列的敏感单元。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、成品辜甚至造成大阵，0 不可能实现。因此，采用片上多路转换嚣串行读出，不仅降低了信 号调理电路的复杂性，而且大大降低了键舍引线的数量，提高了可靠性和成品章： ( 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苍片上实 现： ( 4 ) 可以采用标准f o u n d r y 进行c m o s 电路和部分m e m s i 艺加工，提高了器件的加_ _ i = 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， 单片集成m e m s 技术根据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前 c m o s ( p r e 4 z m o s ) 、混台c m o s ( i n t e r m e d l a l e c m o s ) 、后c m o s f p o s m 0 s ) 三种集成方法吼 p r e - c m o s 是先制造m e m s 结构、后制造c m o s 电路的方法。这种集成c m o s 技术克服了 p o s t - c m o s 方法中m e m s 高温工艺对c m o s 电路的影响。避免了在m e m s 制造期间对热加工的限制， 这就使需要高温退火来减少应力的厚多品硅微结构可以和c m o s 电路集成。这种方法的难点在于后 续c m o s ；e 艺所需的平坦化以及m e m s 和电路之间的互连。e h 于存在垂直的微结构存在传感嚣与 电路互连台阶覆盖性问题，而且在c m o s 电路工艺过程中对微结构的保护也是一个需要考虑的问题。 s 拍f l i a n a t i o n a ll a b o r a t o r i e s 的研究人员对这种工艺方法进行了研究】，首先在硅片表面各向异性腐蚀 形成槽，在槽内制作多层多品硅结构后填入l p c v d 氧化硅，再用c m p 抛光圆片表面，此硅片就作为 c m o s i 艺的起始材料。工艺后端需要外加掩膜来刻蚀m e m s 区上的氮化砖保护层，之后再刻蚀二 氧化硅牺牲层来释放多晶硅微结构，如图1l 。 图ll 用丁制造单片集成多品微结构的p r e c m o s m e m s 技术工艺截面图 混台c m o s 是在c m o s 电路生产过程中插入一些m e m s 微加工工艺采实现单片集成m e m s 的方 法。一般在后续互连金属化之前插入微机槭加工工艺确保多晶硅淀积和退火的工艺兼容。为了不影 响c m o s i 艺中的掺杂分布r 多晶硅退火温度一般限制在9 0 0 c 左右。但由于需要对现有的标准c m o s 或b i c m o s i 艺进行较大的修改t 因此这种方法的使用有一定限制。如德国i n f l n e o nt e c h n o l o g i e sa g 公司的压力传感嚣( 图1 2 ) p j 其微结构膜层尺寸为7 0 岬x 7 0 哪，膜厚为4 0 0 r i m 。采用标准的1 5 2 4 c m b i c m o s j ；点先在基底上形成一层场氧作为牺牲层，然后先后沉积掺杂的多品硅层及末掺杂多晶硅 层作为微结构层，完成后用干法刻蚀去掉牺牲层释放微结构，最后回t g c m o s 流程中将做好的微 结构表面淀积一层氧化硅以增加其机械强度井同时制作其他外围电路。 第一章绪论 p r e 翳u r e 图i2 幌合c m o s i 艺制作的电容绝对压力传感器 p o s t 。c m o s 方法是在加工完c m o s 电路的硅片上，附加一些m e m s 微加工技术以实现单片集成 m e m s 系统，目前单片集成m e m s 技术以这种方法为主，一般我们称之为m e m s 后处理工艺。这种 方法对c m 0 s 工艺线的要求是最低的，微系统制造可以全部在代工厂加工完成。c m o s i 之后，后c m o s 微机械加工步骤可在专门的m e m s 工厂完成，如图l3 所示。 ( c ) 图1 3 本实验室单片集成电容式压力传感器制造流程”。( 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 ) 阳极键舍形成密封腔 p o s t - c m o s 方法主要问题是m e m s 自f lll 艺温度会对前面的c m o s 电路性能产生影响，而且后面 高温m e m s m 工工艺温度与前面c m o s 金属化工艺不兼容，c m o s 之后的处理温度堆高不超过4 5 0 c ， 田此不能进行l p c v d 淀积多晶硅和高温退火。另一个主要问题是刻蚀释放【= 艺可能对c m o s 电路产： 生影响需要考虑对芯片电路结构的特殊保护。值得庆幸的是，绝大部分的m e m s 后处理工艺都可 以不影响c m o s i 艺中的晶体管和无源器件的性能而且这种方法可以大大降低了无生产线设计公 司的成本- 因此，p o s t + m e m s 是目前最流行的c m o s m e m s 集成j 二艺，也是研究的热点课题。 1 3 论文主要工作 本论文的目标是建立与c m o s 丁艺兼容的体硅正面释放m e m s 后处理技术具体工作包括 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 优化与c m o s 工艺兼容的m e m s 后处理湿法腐蚀溶液。现行技术中常用的k o h 腐蚀液 由于其自身存在的缺点与c m o s 工艺不兼容，而t m a h 溶液则符合c m o sm e m s 后处理的要求， 被广泛地研究应用。本论文利用在t m a h 溶液中掺入硅粉可以使其不腐蚀铝等金属的特性，在后处 理过程中用铝来保护硅片上的c m o s 结构不受腐蚀液的破坏，作为湿法腐蚀的掩膜。 ( 2 ) 建立能够用于正面释放的p n 结自停止腐蚀技术。传统的背面释放需要光刻时双面对准， 且要使用夹具保护正面结构不被腐蚀，这不仅增加了工艺复杂程度，使得对光刻要求比较高的结构 容易出现偏差，降低了良品率，而且也不适合大规模生产。而正面释放的p h i 结自停止腐蚀不仅不 需要双面对准光刻，而且能够精确地腐蚀出需要的膜结构，降低了加工难度，有利于m e m s 产业化 发展。 ( 3 ) 利用正面保护+ p n 结自停止腐蚀的方法释放一些常用m e m s 结构，验证与c m o s 工艺兼 容的体硅正面释放技术的可行性，同时，对释放出的结构进行观察分析，不足的地方提出改进方法。 1 4 论文纲要 第一章，主要介绍了课题的背景并概述了论文所要做的主要工作，着重介绍了c m o sm e m s 几种实现方法及各自的优缺点。 第二章介绍了p o s t - c m o s 中常用的表面微机械加工和体微机械加工技术，以及当前体硅正面释 放技术的国内外研究概况，并提出本论文的研究方案。 第三章讲述的是体硅正面释放时的芯片保护方案，主要是决定各种成分的比例使腐蚀液在较快 腐蚀硅片的同时不腐蚀作为正面保护层的铝材料。 第四章在介绍电钝化腐蚀原理的基础上，测量了第三章所配溶液中硅片的钝化势，为实现p n 结自停止打下基础。 第五章综合利用前两章的技术条件，对一些常用的m e m s 结构进行正面自停止释放，并对腐 蚀后的硅片进行观察，证实了该技术在m e m s 后处理工艺中的可行性并分析存在的不足。 第六章对全论文进行了总结，并对下一步的工作进行展望。 4 第二章m e m s 后处理工艺 2 1 引言 第二章m e m s 后处理工艺 c m o s 工艺+ m e m s 后处理被认为是制造m e m s 传感器的主流技术之一，由m e m s 后处理完 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，任何c m o s 兼容的低温工艺如光 刻、低温键合、溅射、湿法刻蚀、干法刻蚀等工艺都可以被归纳进m e m s 后处理工艺的范围，需要 考虑的是这些后处理工艺对c m o s 部分的影响，如后续的工艺步骤改变了结构的应力分布以及湿法 刻蚀破坏了芯片表面结构和焊盘等。 简单来说，m e m s 后处理工艺又可分为两种：一种是在c m o s 结构层上面再淀积结构层，即表面 微机械加工i h ；另一种是直接以c m o s 原有的结构层作为m e m s 结构层，即体微机械加工1 2 j 。后者的 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。 2 2 表面微机械加工技术 表面微加工是在硅片正面上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工形成微结构的技术，加工工 艺仅涉及到硅片正面的薄膜。最常用的表面微机械加工工艺是牺牲层刻蚀，这种工艺的微结构是通 过去除之前淀积在微结构之下的牺牲层薄膜材料而释放形成的。通过去除二氧化硅牺牲层薄膜来释 放多晶硅微结构是最常见的表面微机械加工技术。 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 a r i m e g r a t i o no f c m o sw i t hm i c r o - s t r u c t u r e s ，m i c s ) 1 3 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。采用难熔金属钨的金属化互连代替铝金属化互连以承受后面的生 长多晶硅微结构所需要的高温。但是，在6 0 0 时，钨容易与硅形成反应，伯克利是通过在接触孔上 放一层t i n 阻挡层来解决这一问题的。m i c s 工艺基本流程是：完成钨金属化的c m o s - e 艺后，淀积 低温氧化物( l t o ) ，然后，低压化学气相淀积氮化硅薄膜保护已加工的c m o s 电路，腐蚀完微结构 与c m o s 电路的接触孔后，淀积第1 层掺杂多晶硅作为c m o s 电路与微结构的互连线，再在上面淀积 l l a m 厚的p s g 作为牺牲层以及淀积厚度为2 1 m a 多晶硅结构层。通过在第2 层多晶硅上再淀积一层0 5 1 t m 的p s g ，以及在氮气环境下的1 0 0 0 。c 快速退火l m i n 来降低作为结构层的多晶硅应力。最后，刻蚀多 晶硅结构图形以及腐蚀掉其下面的牺牲层( p s g ) 以释放微结构。 图2 1 钨金属互连替代铝金属互连的表面微机械工艺结构剖面图 由于多晶硅的生长温度过高，比利时i m e c 的研究人员采用多晶锗硅代替多晶硅，实现了c m o s 5 东南大学硕士学位论文 和m e m s 的单片集成。多晶硅锗不仅有与多晶硅相似的优良机械性能，而且淀积温度低与c m o s 工艺兼容。此外，不得不提的是t e x a si n s m u n e n t s 公司开发的低温表面微细加工技术，其利片j 光刻胶 作为牺牲层材料，金属铝作为结构材料”i 。利用这种工艺制备的d l v l d ( 数字微镜器件) 是屉早商业 化的m e m s 器件之。 图22 表面微机械工艺加工出来的柒结构 本实验室封装可靠性课题组也利用表面微机械加ii 艺制作了不同长度的悬臂粱“用于疲劳特 性测试，如图22 。 2 3 体微机械加工技术 体硅加工是在较厚的硅衬底加工微结构的技术。常采用的是各向异性湿法腐蚀，利用某些腐蚀 液在硅的各个晶向上以不同的腐蚀速率来制作不同的微机械结构或微机械零件。体硅加 技术主要 通过对硅的深腐蚀和硅片键合来实现，通过刻蚀硅村底可以得到自停止或时间控制的薄膜，这步工 艺经常应用在压力传感器的制造中，它需要双面对准光刻工艺的支持。另一种常用技术为电化学腐 蚀自停止技术( e c e ) j ，现已发展为电化学自停止腐蚀，腐蚀停止在p n 结处，这种方法己被广 泛用于释放硅膜和n 阱结构。 2 3 1 体硅干法刻蚀 随着干法刻蚀的广泛应用，利用d r i e 设备进行体微机械加工也成为可能。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 t 艺和c m o s 的集成f ，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_ 厂工艺，如图23 所示， 第二章m e m s 后处理i 艺 r 岣抽 圈曩 图23 干法刻蚀工艺正面体微机械加 工艺 其采用上层金属互连层作为刻蚀掩膜。对于出c m o s 介质层、多晶硅和金属层构成微结构，其 释放采用两步干法刻蚀在第一步千法刻蚀中采用c h f o 作为刻蚀化学剂，没有金属掩膜保护的氧 化层被刻蚀至硅衬底：在第二个各项同性干注刻蚀步中，采用s f , o z 作为刻蚀化学剂，各向同性腐 蚀硅释放微结构。利用d r i e i 艺可以将结构扩展到单晶硅部分，类似丁s c r e a m 工艺，该工艺可 以形成可达1 0 0 l m l 的微结构。 北京大学在卡耐基梅隆大学干法体硅工艺的基础上提出了采用介质龋离实现m e m s 器件的电 隔离和支撑的c m o sm e m s ：i - 艺方案并申请了相关专利1 。 2 32 体硅湿法腐蚀 由于r i 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。各向同性腐蚀渡对硅的不同晶面腐 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 ，c o o h ) 组成的腐蚀溶渡。用这种腐蚀液 实现选择性腐蚀相当困难，因为这种腐蚀溶液的腐蚀速率相当快。湿法腐蚀的另外一种腐蚀是各向 异性腐蚀，各向异性腐蚀溶液对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。根据腐蚀溶渡的各向异性，可 以在芯片上加工出各种结构。各向异性腐蚀溶液可以分为两类：一类是有机腐蚀溶液，包括e p w ( 乙 二胺，邻苯= 酸和水1 、t m a h 和联胺氧这类腐蚀液由于含有苯而不宜采用k 另一类是无机腐蚀溶 液，主要是k o h 、n a o h 、l i o h 、c s o h 和n h 4 0 h 等。 k o h 溶液腐蚀速度快，性质稳定，腐蚀重复性好，价格也很便宜，所以它成为体微机械加工中 最常用的湿法腐蚀剂。但是k o h 溶液对s i 0 2 有一定的腐蚀速率，特别是p e c v d 淀积的$ i 0 2 膜致 密性不佳，腐蚀速率相对热氧生成的s j 0 2 和l p c v d 淀积的s i 0 2 膜会更高一些。所以一般采取的方 固 霄山 东南大学硕士学位论文 案是利用s i 3 n d s i 0 2 复合膜作为k o h 溶液腐蚀的掩模，这样既避免了单独用s i 0 2 膜不能作为深 槽刻蚀掩模的问题，又解决了单独用s i 3 n j 膜作为掩蔽膜所导致的热应力不匹配而使得s i 她膜剥离 的问题。 但是应用k o h 溶液作为腐蚀剂主要有两个缺点使其与c m o s 工艺不兼容： ( 1 ) k o h 溶液能够与铝发生反应： ( 2 ) k o h 溶液中的碱金属离子会对m o s f e t 结构造成影响( 如闺值电压改变等) 。 而t m a h 溶液不存在这些问题，通过控制t m a h 溶液的州值( 在溶液中溶解硅粉、过硫酸铵等) ， 能够减少铝金属层的腐蚀速率”。 为了控制腐蚀的效果，除了时间停止腐蚀0 4 1 之外，常常利用二氧化硅( 氮化硅) 、重掺杂的p + + 区和p n 结作为腐蚀停止层。采用硅衬底上的场氧作为腐蚀自停止来释放c m o s 介质层构成的薄膜 ”t 基于s o l 的c m o s 工艺，为了释放单晶硅结构，可以用掩埋氧化层作为腐蚀自停止层；另一种就 是在c m o s l 2 艺流程之前，通过高剂量氧化注入和随后的高温退火，局部制造腐蚀自停止氧化硅埋 层【1 6 1 。w i s e 和他的课题组将p + + 腐蚀自停止技术广泛应用于制造基于c m o s 的质量流量传感器【”i 和 i r 传感器等”。 在背面腐蚀的工艺中，需要在硅片的背面淀积一层阻挡层如p e c v d 氮化硅作为掩模，同时需 要对正面进行保护。这涉及到背面腐蚀的两个难点：双面光刻和正面保护。目前正面保护的方法主 要有以下几种： ( 1 ) 选择台适配比的腐蚀液。如在t m a h 中擦加适当硅粉，可以使得腐蚀液对 j 基本上不腐 蚀1 1 3 1 1 1 ”。 ( 2 ) 使用有机分子层、钝化层或金属层对硅片正面进行保护。在硅片背面备向异性腐蚀时使用 a b s 胶( 由丙烯腈丁二烯苯乙烯与化学有机溶剂按照一定比例配制而成) 对硅片正面进行保护p i 。 s i 3 n 4 也常用作微机械加工的阻挡层但是，在硅片进行完成i c 工艺以后，只能使用p e c v d 方法 在硅片表面淀积s i ，n 4 层，这种方法淀积s i 3 n 4 的往往针孔密度较大且台阶的覆盖性差，腐蚀液可能 会通过针孔渗透，对a l 引线进行腐蚀。针对上述问题n u n e h 等人提出了通过控制s i 州一薄膜的应 力1 ，来降低薄膜针孔密度，提高s i g n 4 膜的保护效果。金或铂等惰性金属也有可用于硅的正面保 护口”。 ( 3 ) 使用夹具对硅片正面进行保护( 如图2 4 ) 。夹具使用不锈铜或四氟乙烯等酎碱的材科制作， 使用夹具可以达到很好的保护效果。这种方法的缺点在于它不适合批量制造、效率较低，且夹具产 生的应力可能会破坏m e m s 器件。 ( a )( b ) 图2 4 使用夹具对硅片正面进行保护( a ) 夹具结构示意幽：( b ) 夹具实物照片 国内在c m o sm e m s 2 e 艺方面也开展了多年的研究东南大学利用c m o s i 艺后的m e m s 后处 理技术实现了m e m s 温湿度、压力、和风速传感器与电路的集成刨。图25 是利用背面p n 结自停止腐 蚀工艺制作的集成电容式压力传感器图片，传感器由a 惦i 0 2 n 4 y p es i 构成。 * = m e m s6 * 目i 艺 图25 k o h 溶液背面p n 结自停止腐蚀制作的电容式压力传感器 正面腐蚀工艺通过在微结构设计中，通过有源区、接触 l 、通孔和压焊块的开孔来定义腐蚀窗 口，从而在常规c m o s i 艺流程结束时，利用各向异性腐蚀液在凸角处的钻蚀或对芯片表面图形方 向的敏感性实现桥和悬臂粱的释放。在正面腐蚀时，利用掺硅的t m a h 溶液对铝的腐蚀速幸慢的特 点，可用在一定时问内实现对芯片铝压焊块的保护。实现电板引线的引出也是一个在确定保护方案 时必需考虑的因素。目前，绝大部分的m e m s 器件如压力传感器，微流量传感器等都采片j 这种湿法 腐蚀的方法进行加工。文献”4 1 报道了一种无需电极引线的p n 鲒自停止腐蚀的方法。该自停止腐蚀系 统 自a u c r s i t t n l k h 组成。与传统的通过外加偏压来提供钝化势的方法不同，它主要通过金属与半 导体之问能带差来提供钝化势。这种方法需要对溶液配比、温度等进行严格控制，同时对于目前以 铝作为金属引线的i c z 艺而言，该方法具有一定局限性。 b a l t e s 领导的课题组开刨了用各向异性腐蚀剂从硅片正面释放微结构的先河“”“。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 i e 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村底，从而 释放介质礅结杜j 。在这些微结构中嵌入多晶硅和金属层，可毗制造各种微传感器，包括流量传感器 ，功率传感器懈1 和i r 传感器口”。在腐蚀期间，必须小心保护c m o s i 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 s n 阱上的电化学腐蚀自停 止技术结台在一起”。 基于备向异性湿法腐蚀和电化学腐蚀自停止技术的c m o s 后处理微机械加工，需要在作为结构 的n 阱和衬底硅片接触上加上腐蚀电势9 ”。为了提供腐蚀电势，在c m o s 工艺的金属l 和金属2 层上形 成的接触阿，将压焊块上的电势均匀传送到每个接触孔。所蚪每个金属掩膜步进区都被预先确定的 框架围绕( 凹2 6 ) ，使金属l 和金属2 层上的电势互不干扰，以减少腐蚀网络问的短路风险mo 。通过 放在划片槽中的金属结构，将这些框架在步进场拐角处相互连接起来，也就是在步进式光刻期问， 每个金属层步进场实际上是重叠的。这些金属桥结构一定不能影响划片槽中的常规目4 试结构。在标 线内，每个腐蚀接触孔与金属框架相连。为了有一个太的接触块用于提供腐蚀电势和弹射接触，印 刷了一个与其他步进场大小相同的专j j “接触”步进场。这是在第二极金属掩膜上，利用一个特殊 的“接触”标线做的。另外，“空白”标线用于出去围绕在硅片边缘周围的金届，以避免硅片边缘 上腐蚀网络的短路。上面所讲的方法需要外加三块掩膜，但如果其他的设计中标线尺寸没有变化， 这些掩膜就可以重复利用。 东南学硕士学位论文 s i n g l es t e pf i e l d ( b o r d e r i s d a s h e d ) w i t hm i c r o s y s t e m d e s i g n 、 嚣粪 碧喜轼 ( a ) _ 一 ( b ) 一墅 第二章m e m s 后处理工艺 b u r a ko k c a n 和t a y f u na k i n 成功地利用标准c m o s 工艺+ 掺硅t m a h 溶液p n 结自停止腐蚀制 作出湿度传感器和红外探测器【3 4 l 。其采用的溶液配比为5 w t t m a h + 1 6 9 r ls i + o 4 9 r l o o m la p ， 用四电极系统实现n 阱的自停止释放，取得了很好的效果。 2 4 本章小结 由于可以在电路区域进行淀积刻蚀等加工，表面微机械与c m o s 的集成可以有效减小芯片面 积，但生长温度限制、薄膜应力控制和释放、膜的有限厚度等问题限制了其通用性，目前只能对某 些特殊的m e m s 进行加工；体硅m e m s 和c m o s 的集成正好弥补了表面微机械的不足，但m e m s 结构的隔离变得难以实现，卡耐基一梅隆大学的工艺采用器件表面的介质膜实现器件的悬浮和隔离， 工艺可靠性难以控制且强度受到限制，北京大学提出的专利方案中采用介质预填充隔离深槽，虽然 很好地解决了隔离和支撑的问题，但由于在c m o s 电路后进行的工艺较多，如深槽介质填充、c m p 磨平、金属引线重新布线等，工艺复杂且难度较大。因此需要开发一套简单、廉价的c m o s 后处理 工艺，以满足大多数m e m s 器件与c m o s 的集成。 东南大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章体硅正面释放中的硅片保护 在m e m s 后处理工艺中需要考虑后处理工艺对前面c m o s 结构的影响，最直接的是高温热处 理和湿法腐蚀。高温的热处理工艺会造成两方面的影响：一是高温有可能造成c m o s 工艺形成的扩 散结发生再分布从而改变器件的性能；二是一般c m o s 工艺中金属引线材料是铝，而铝的熔点在 6 3 0 左右，所以高温工艺将会改变铝引线的性能。湿法腐蚀的优点和存在的问题上一章已经分析过， 本章着重要解决的问题就是在体硅正面电化学腐蚀中如何保护前面c m o s 工艺做好的结构不受湿 法腐蚀的影响。 盆撑梁 图3 1 体硅正面释放后的结构【1 1 正面体硅腐蚀释放出所需的结构时，根据所采用工艺的不同，释放出的可以是电路也可以只是 结构。不做任何处理时，由芯片表面的腐蚀窗口腐蚀，最终体硅部分将会被腐蚀掉，剩下只是绝缘 介质膜。而通过控制t m a h 溶液的p h 值( 在溶液中溶解硅粉、过硫酸铵等) ，能够减少铝在溶液 中的腐蚀速率，利用铝来保护c m o s 结构在溶液中长时间不被腐蚀是本章的研究重点。 3 2 掺硅t m a h 溶液的相关性质 t m a h ( 四甲基氢氧化铵，( c h 3 ) 4 n o h ) 是一种常用的各向异性刻蚀硅的湿法腐蚀剂。本身为 无色结晶物，极易吸潮，在空气中能迅速吸收二氧化碳，1 3 0 。c 时分解为甲醇和三甲胺，无色无味。 t m a h 和e d p 、k o h 的性质一样，它腐蚀硅呈现各向异性，而且表现出浓硼腐蚀停止特性，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( t m a h 的浓度2 2 w t ，温度9 0 ) 。t m a h 另一个很有用的特性是：对于典型的掩模层的腐蚀速率很低，对于l t o 、p e c v d 氮化硅相对于( 1 0 0 ) 硅的选择性分别高达5 2 x 1 0 3 、3 6 x 1 0 3 。与目前工艺另外常用的两种各向异性腐蚀剂k o h 和e d p 相比，e d p 、联铵这些有机腐蚀剂的腐蚀特性很好，但是这些腐蚀剂本身有毒，给实际操作带来不 便，k o h 水溶液具有选择性好、腐蚀速率快、腐蚀表面光滑等优点，但是k o h 是强碱性溶液而且 溶液中含有金属离子，所以t m a h 水溶液在工艺中越来越受到重视。t m a h 在各种条件下的性质 是本节研究的主要内容： ( 1 ) t m a h 的水溶液具有随着溶液浓度下降腐蚀速率上升的特性【2 巧】，并且腐蚀速率与温度有 很大关系，如图3 2 。但是在实际应用中，t m a h 溶液很少应用在小于5 w t 浓度的情况。因为随着 1 2 第三章体硅正面释放中的硅片保护 溶液浓度下降的同时，腐蚀表面的粗糙度也随之上升，最终将会阻止反应的继续进行。关于溶液浓 度下降而最终导致反应停止的另一种解释是：随着溶液浓度的下降，腐蚀的表面容易产生以( 11 1 ) 面构成微型凸起，当这种微型凸起足够多，就会减缓溶液腐蚀硅的速率。添加适当的氧化剂能够消 除这些微型凸起。 图3 2 不同温度不同浓度t m a h 溶液腐蚀硅的速率对比 ( 2 ) 在t m a h 溶液中添加适量硅粉后，t m a h 溶液腐蚀铝的速率会降低( 图3 3 ) 【6 】【7 】文献 【8 】【9 】中有进一步的研究。对于这一特性，文献上并没有给出一个确定的解释，一般认为硅粉的加入 有两方面的作用。一方面作用是t m a h 溶液与硅发生反应生成一种硅酸铝化合物，这种化合物覆盖 在铝焊盘的表面而且在中度碱性溶液中难溶；另一方面作用是硅粉的加入降低了溶液的p h 值使得 硅酸铝化合物的抗腐蚀时间变长。 j c _ e 、 暑 i - _ ， 叫 i - 芷 o 1 1 ，0 1 0 0 1 o123 4 d i s s o l v e ds i l i c o n ( m o i i i ) 图3 3 腐蚀铝的速率随掺入硅粉数量的函数( 8 5 c ，1 0 w t t m a h ，2 2 w t t m a h ) 【7 】 ( 3 ) 在t m a h 溶液中添加一定范围内的硅粉，溶液腐蚀硅的速率反而会提高5 】【7 】。 1 3 一=ll_暑=11一o=叶篮io-锄 侈zzq卜雌警。芝一zt 东南大学硕士学位论文 譬 霎 z 苗 室 嚣 d i s s o l v e d 翻_ c 渊( m o l 图3 4 在t m a h 溶液中加入硅粉可使溶液腐蚀硅的速率提高 ( 4 ) 随着掺入硅粉的数量不断增多，溶液的p h 值不断下降。这就为利用溶液p h 值监测其对 铝的腐蚀速率提供了可能( 图3 5 ) 。当溶液的p h 值到达1 1 5 以下时，溶液的腐蚀铝的速率非常小， 可认为此时基本实现了铝的保护( 图3 6 ) 。 z 氩 d i s s o l v e ds i l i c o n ( m