（微电子学与固体电子学专业论文）mems后处理中体硅腐蚀的芯片保护.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 c m o s - m e m s 工艺制造的微型传感器能够利用标准c m o s 工艺实现传感器的低成本、 批量生产，这也是m e m s 传感器相对于传统传感器的优势之一。湿法腐蚀是c m o s m e m s 工艺中较为常用的m e m s 后处理工艺，利用k o h 、t m a h 、e d p 等碱性溶液的各向异性腐 蚀特性实现传感器的腔，槽等结构。但是c m o s 工艺中制作的a l 焊盘和多晶结构极易为上 述的腐蚀液所腐蚀，所以c m o s 工艺完成的芯片不适宜直接进行后续后处理中的湿法腐蚀， 需要采取一定的措施加以保护。 本课题的目的在于如何保护湿法腐蚀中芯片的焊盘和结构。根据湿法腐蚀在实际体硅 腐蚀中的不同作用，湿法腐蚀又可以分为背面腐蚀和正面结构释放。因此，本课题采取了不 同的解决方案。a b s ( 丙烯腈丁二烯苯乙烯) 是一种工程塑料，它具有良好的耐碱特性和 粘附性，所以对于背面腐蚀工艺，我们采用一种新的利用a b s 有机膜作为芯片正面结构的 保护膜的方案，a b s 胶由a b s 粒子和化学有机溶剂按照一定比例配制而成，胶膜的涂敷、 坚膜等处理过程与光刻胶的处理过程类似，大量的实验试验了胶膜的特性，研究了不同厚度 胶膜、不同坚膜温度对实际芯片保护的影响，并应用此工艺对风速计和压力传感器的背面进 行了释放。对风速计释放的目的是降低传感器的热容量，从而提高了传感器的反应灵敏度。 对芯片的正面结构释放时同样需要考虑保护芯片上的电路。通常k o h 、t m a h 等各向异性 腐蚀溶液腐蚀铝的速率较快，但是掺硅的t m a h 溶液的对铝的腐蚀速率会随着掺硅数量的 增多而下降，所以采用掺硅的t m a h 溶液实现芯片的正面结构释放。在实验中，研究了不 同硅浓度t m a h 溶液的腐蚀速率以及腐蚀表面形貌以及添加剂过硫酸铵的影响，并利用了 测试图形测试了腐蚀溶液的横向腐蚀速率。应用此方案对风速计的正面结构进行了释放，并 获得了成功。 课题的研究实验皆利用东南大学教育部m e m s 重点实验室的工艺条件进行，实验采取 的方案具有简单易行，成本较低等优势。 关键词：a b $ 、t m a h 、保护、腐蚀 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e 嫩l s o r sf a b r i c a t e dw i t hc m o s m e m s 口r o c e s sh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t 、 e a s yt o h i e v eb u t c h f a b d c a f i o no v e rt h ef r e d i l i o n a ls e n s o r s w e te t c h i n gi sat y p i c a lm e m s p r o c e s si nc m o s - m e m sp r o c e s s 1 1 坨m i e r o - s t r u e t u r e ss u c h 嬲c a v e $ a n dg r o o v e sc a nb e f a b r i c a t e dw i t ht h ea n i s u t r o p i cp r o p e r t yo f a l k a l i n es o l u t i o n sa n dk o h 、e d pa n dt m a ha r e t h e m o s tc o m m o nc h o i c e s b u tt h ep r o b l e mi st h a tt h ea l u m i n u mp a da n dp o l y - s t r u c t i l r e sc a l l tr e s i s t t h ee r o s i o no ft h es o l u t i o n sa b o v e s ot h ec h i p sc a n tb ep r o c e s s e db yw e te t c h i n gw i t h o u ts o m e p r o t e c t i o ns t e p s t h ep u r p o s eo f t h i sp a p e ri st of i n dw a y st op r o t e c tt h ep a da n dt h es t r u c t u r e so nc h i pd u r i n g t h ew e te t c h i n g w e te t c h i n gh a sd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n si nt h eb u l k - s i l i c o ne t c h i n g , s om e t h o d st o p r o t e c tt h ec h i p s 玳d i v i d e di n t op r o t e c t i o no fb a c k - s i d ee t c h i n ga n dp r o t e c t i o no ff r o n t - s i d e e t c h i n g a e r y l o n i t r i l e - b u t a d i e n e - s t y r e n e ( a a s ) i sak i n do fp l a s t i co fe n g i n e e r i n g , i th a sg o o d a d h e s i o nt ot h es u b s t r a t ea n dc 锄r e s i s tt h ee r o s i o no fa j k a l i n es o l u t i o n s s oan o v e lp r o c e s st o p r o t e c tt h ef r o n ts i d eo f c h i p sw i t ha b sf i l mi sa p p l i e di nt h eb a c k - s i d ee t c h i n g t h ea b sc l u ei s m i x e db ya b sp o w d e ra n db u t a n o n ea c c x d i n gt os o m er a t i o t h ep r o c e s st od e p o s i ta n db a k et h e f i l mi sj u s tl i k et h ep h o t o l i t h o g r a p h yp r o c e s s al o to fe x p e r i m e n t st e s tt h ep r o p e r t i e so f t h ef i l m a n dt h e e f f e c to fp r o t e c t i o ni sr e s e a r c h e db yv a r y i n gt h ep a r a m e t e r so ft h i c k n e s so ff i l m sa n d t e m p e r a t u r e so fb a k i n g w i t ht h i sp r o t e c t i o nm e t h o d , t h eb u c k - s i d eo ft h ef l o ws e n s o ra n dt h e p r e s s u r es e n s o ri se t c h e d t h ef u n c t i o no f b u c k - s i d ee t c h i n gi st om i n i m i z et h et h e r m a lc a p a c i t yo f t h es e n s o r s , s ot h es a n s i t i v i t yo ft h es e n bw i l lb ej m p r o v e d t h ep r o t e c t i o i lo ft h ec i r c u i t so n c h i pi sa l s on e e d e dt oc o n s i d e ri nt h ef r o n t - s i d ee t c h i n g o e n e m l l vt l l ea l k a l i n es o l u t i o n ss u c ha s k o ha n dt m a he t c ht h ea l u m i n u mv e r yf a s t , b u tt h ea le t c h i n gr a t e w i l ld r o pw i t ht h ei n c r e a s e o f a m o u n t so f d o p e ds i l i c o n s ot i l em e t h o do f t m a hs o l u t i o n sd o p e dw i t hs i l i c o ni sa d o p t e dt o r e l e a s et h es t r u c t u r e t h ep r o p e r t i e so f d i f i e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f t m a hs o l u t i o na r er e s e a r c h e d a n dt h ee f f e c to f t h ea d d i t i v e si sa l s oc o n s i d e r e d 1 1 1 ef r o n t - s i d em i c r o s t r u c t u r e so f t h ec h i p sa r e s u c c e s s f u l l yr e l e a s e dw i t h o u te t c h i n gt h ep a d a l l t h ee x p e r i m e n t sa r ec o m p l e t e dw i t ht h ef a c i l m e si nt l l ek e yl a b o r a t o r yo fm e m so f m i n i s t r yo f e d u c a t i o n 1 1 1 em e t h o d sw ep r e s e n th a v et h ea d v a n t a g e so f s i m p l i c i t ya n dl o wc o s t k e yw o r d s ：a b s 、t m a h 、p r o t e c t i o n 、e t c h 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 选至经日 期：盥吗 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：遂至! 幺导师签名：叠业日期：w 岁哆 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的背景 微电子机械系统h 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 己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”j ： l 、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_ f 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 i 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。它可以制成高数白t 微米而宽仅约l 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l c i 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。当前硅微加工技术可分为体 硅加工技术和表面微加工技术。 体硅加工是对硅的衬底进行加工的技术。一般采用各向异性化学腐蚀，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。另一种常用技 术为电化学腐蚀，现已发展为电化学自停止腐蚀，它主要用于硅的腐蚀以制备薄而均匀的硅 膜。体硅加工技术主要通过对硅的深腐蚀和硅片键合来实现，能够将几何尺寸控制在微米级。 由于各向异性化学腐蚀可以对整片硅片进行，使得m e m s 器件可以高精度地批量生产，同时 又消除了研磨加工所带来的残余机械应力，提高了m e m s 器件的稳定性和成品率。 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。用这种技术可以淀积二氧化硅膜、氮化硅膜和多晶硅膜； 用蒸发镀膜和溅射镀膜可以制备铝、钨、钛、镍等金属膜；薄膜的加工一般采用光刻技术， 如紫外线光刻、x 射线光刻、电子束光刻和离子束光刻。通过光刻将设计好的微机械结构图 形转移到硅片上，再用等离子体腐蚀、反应离子腐蚀等工艺来腐蚀多晶硅膜、氧化硅膜以及 各种金属膜，牺牲层的释放以形成微机械结构。这一技术避免了体硅加工所要求的双面对准、 背面腐蚀等问题，与集成电路的工艺兼容。 糸南大学硕士学位论文 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上艺发展起来的，它是离子束、电子柬、分子束、辙光束和化 学刻蚀等用于礅电子加工的技术，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、键台、光刻、氧化、扩散、溅射等。 采用c m o s 工艺制作m e m s 传感器的优势在于将传感嚣结构和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台集成的方法，即分别制造h 侄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 晰d ) 方法。而通过将m e m s 结构部分希i 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l z j ： 1 、性能得到很大的提高，因为寄生电容和串扰效应可以显著减小； 2 、混合方法需要复杂的封装技术以减小传感器接口的影响，而单片集成方法需要的封 装技术相对简单，所以降低了传感器成本： 3 、单片集成传感器技术也是阵列传感器的需要，是克服阵列传感器与外围译码电路互 连瓶颈的一种有效方法； 4 、开发单片集成m e m $ 产品比开发混合m e m s 产品所需的时间短，而且开发成本低。 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 = c m o s ) 、混= a c m o s ( i n t e r m e d i a t e - c m o s ) x 及后c m 0 s ( p o 们m 0 s ) 三种集成方法。 p r e c m o s 集成方法是先$ 1 j 造t , m e m s 结构后制造c m o s 电路( 图i 1 ) 。u n i v e r s i t y o f u t a h 的研究人员对这种工艺方法进行了研究p 】，首先各向异性腐蚀出大约6 u r n 深的浅槽，在槽内 制作m e m s 结构后淀积s i 0 2 ，c m p 抛光圆片表面并进行高温逼火以释 牧 4 e m s 结构中的多晶 硅应力。这种集：戎c m o s 技术虽然克服d 0 s m o s 方法q 。m e m s 高温工艺对c m o s 电路的影 响，但由于存在垂直的微结构，所以存在传感器与电路互连台阶覆盖性问题，而且在c m o s 电路上艺过程中对微结构的保护也是一个需要考虑的问题。 图1 ie m b e d d e d - m e m s 集成技术的结构剖面图 混合c m o s 是在c m o s 电路生产过程中插入- - 些m e m s 微细加工工艺来实现单片集成m e m s 的方法。这种方法已很成熟，并已有很多商品化产品，也是研究最早的一种单片集成方法， 是解决p r e c m o s 和p o s m o s 方法存在问题的有效方法。如德国i 而n 咖t e c h n o l o g i e sa g 公司的压力传培器( 圈1 2 ) 4 1 ，其微结构膜层尺寸为7 0 u l r lx 7 0 l i r a 。膜厚为4 0 0 n m 。采用标 2 第一章绪论 准的1 5 2 4 e r ab i c m o s i 艺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晶 硅层及未掺杂多晶硅层作为微结构层，完成后用干法腐蚀去掉牺牲层，释放微结构，最后回 到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，并同时制作其他外 围电路。但是，由于需要对现有的标准c m o s 或b i c m o s 工艺进行较大的修改，因此这种方 法的使用有一定限制。 阔1 2 表面微机械加工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 技术主要以这种方法为主。一般我们称之为m e m s 后处理工艺。p o s t - c m o s 方法主要问题是m e m s 加工工艺温度会对前面的c m o s 电路性能产 生影响而且后面高温m e m s 加工工艺温度与前面c m o s 金属化丁艺不兼容。另一个主要问 题是后处理_ 下艺包括湿法腐蚀丁艺，需要考虑工艺对芯片表面结构和金属引线的影响。以目 前研究晟多的多晶硅作为结构层的m e m s 工艺为例，使磷硅玻璃致密化退火温度为9 5 0 ( 2 ， 而使作为结构层多晶硅的应力退火温度则达茔j o s o ，这将使c m o s 器件的结深发生迁移。 特别是8 0 0 c 时形成的浅结器件的结深迁移将会影响器件的性能。另一方面，采用常规铝金 属化工艺时，当温度达剑4 0 0 c 4 5 0 c 时，c m o s 电路可靠性将受到严重的影响。目前，国 际上解决这个问题基本是通过3 种方式：第一种是以难熔金属化互连代替铝金属化互连线， 如伯克利大学的以钨代替铝金属互连方案( 图1 3 ) m ，这样可避免_ l 青续m e m s 加工工艺高温 的影响；第二种方式是寻找低淀积温度且机械性能优良的材料代替多晶硅作为结构层材料； 第三种方式是利用c m o s 本身已有结构层作为m e m s 结构层。 图1 3 钨金属互连替代铝金属互连的c m o s f i r s t 工艺结构剖面图 对于第二种方法，国内夕 很多研究人员也做了大量的研究，提出用多品硅锗作为结构层 材料，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 i 艺兼容。 采用铝作为结构层材料也获得很大成功，最为成功的是德州仪器开发低温表面微加工技术， 并用这种技术成功生产了数字微镜设备( d m d ) 嗍。它的技术创新点主要表现在采用溅射的铝 3 东南大学硕士学位论文 膜作为结构层材料，并且采用光致抗蚀剂作为牺牲层，这种低温后处理使得已生产的s r a m 单元不被破坏。 利用c m o s 本身已有结构层作为m e m s 结构层仍然是利用现有c m o s 工艺的最佳选择。 由此展开研究并得到应用的工艺有：s a l e ( s a c r i f i c i a la l u m i n u me t c h i n g ) i 艺、s c r e a m ( s i n g l e c r y s t a lr e a c t i v ee t c h i n ga n dm c t a l l i z a t i o a ) i 艺、h i g h - a s l c tr a t i oc m o s m e m s 工艺、 b u l k - e t c h i n gc m o s m e m s 工艺等。在这些工艺中，除了以瑞士苏黎世大学为代表 c m o s m e m s i 艺外，其它工艺的加工成本都比较高，不适用于我们现有的工艺条件。 在b u l k - e t c h i n g c m o s m e m s i 艺中，可以从正面刻蚀硅衬底以达到结构释放的目的， 也可以从芯片背面腐蚀硅衬底，利用各向异性腐蚀( 1 0 0 ) 方向的特性。硅的正面刻蚀可以得 到释放的微结构，如粱、支撑膜等，可选用的刻蚀剂可以是氢氧化四甲基铵水溶液( t m a h ) 或乙烯二胺溶液fe d p ) 。通过从已完成的芯片背部刻蚀硅衬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，通常采 用的刻蚀剂是k o h ，因为腐蚀时间较长，而k o h 腐蚀硅的速率相对较快。上述提及的三种 刻蚀剂k o h 、t m a h 、e d p 溶液都会对芯片金属引线和多品结构产生影响，从而使得器件不 能正常工作。所以c m o s 工艺完成的芯片不适宜直接进行后续后处理中的湿法腐蚀，需要采 取一定的措施加以解决。 1 2 本论文的工作 正因为上述所提及的刻蚀剂会损伤m e m s 结构和表面的金属引线，本课题希望对后处 理中的芯片结构和电路的保护做一些研究工作。添加合适的工艺对芯片进行保护，然后再对 芯片进行湿法腐蚀。额外的保护措施可以保护芯片的易受腐蚀部分不被腐蚀溶液浸入腐蚀， 提高了芯片的良品率，降低了成本，使得c m o s 工艺+ m e m s 后处理这种制作传感器的工 艺方法成为可能。 1 3 本论文的架构 本论文的总体结构如下所述：本章所讲述的主要内容是介绍m e m s 传感器的加工途径， 着重介绍了c m o s + m e m s 这种方法的实现方式以及各自的优缺点；第二章将会介绍国内外 相关的解决措施以及各种方案的比较分析，并会简要介绍本论文的相应解决路径；第三章讲 述的是芯片背面腐蚀时的正面保护方案，本文采用了以a b s 胶膜作为芯片的保护膜的方法， 并详细介绍a b s 胶膜的特性以及相应的工艺步骤；第四章分析了对芯片进行正面释放的芯 片保护方法，利用了掺硅的t m a h 溶液腐蚀铝速率下降的特性，做了大量的实验研究；第 五章的内容描述了相应的工艺方案在本实验室所研究的气象芯片中风速传感器和压力传感 器的应用；第六章对全论文进行了总结分析，提出存在的问题以及下一步的工作。 4 第二章狐峪后处理工艺 第二章m e m s 后处理工艺 c m o s 工艺+ m e m s 后处理是现在被认为是制造m e m s 传感器的主流技术之一，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 后处理工艺考虑的范围。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。本文所关注的方 面将会集中在各向异性湿法腐蚀工艺对芯片的影响。 对于湿法腐蚀对芯片的影响，大致可分为两种途径去解决出现的问题。一种方法是避免 用湿法腐蚀这步工艺，采用干法刻蚀工艺刻蚀所需的结构；另一种方法是寻找合适的保护措 施来解决湿法腐蚀带来的问题。 2 1 体硅干法刻蚀 c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y 的研究者提出了一种干法刻蚀的后处理方法i ”，这种后处理 工艺主要应用在芯片的正面结构释放。这种工艺主要利用了近年来获得很大发展的d r i e 技 术，从而可以得到高纵横比( h 出a s p e c t - r a t i o ) 结构。研究人员的成果需要多层金属布线的支 持，因为这种工艺的优点在于进行无掩模后处理，它利用了顶层金属作为结构的掩蔽层。首 先c h f 9 0 2 气氛中各向异性刻蚀工艺线流水出来的芯片的钝化层至硅衬底，在这步工艺中， 需要控制工艺的参数选择合适的刻蚀时间，因为根据文献中所介绍( 图2 1 ) ，所利用的工艺 是h p o s u m 3 m e t a l 的c m o s 工艺。在c h f 3 0 2 气氛中各向异性刻蚀9 0 m i n 后，大约有3 5 0 0 a 厚的金属膜被刻蚀掉；然后一步可选工艺s f d 0 2 气氛中各向异性刻蚀硅衬底至一定深度； 最后仍然在s f 6 0 2 气氛中各向同性刻蚀硅衬底以释放所需要的结构，这一步的s f d 0 2 气氛 与前一步气氛差别在于s f 6 与0 2 的比例和压力参数不同，前者的0 2 浓度和压力相对比较高， 因为相对较高的0 2 浓度和高压力条件有助于生成s i o x f y 这种化合物，这种化合物覆盖在刻 蚀的硅衬底的侧面从而实现了各向异性刻蚀。 图2 1p o s t - c m o s 工艺刻蚀出的微结构的剖面图 在后续的研究中，研究人员为了改进所释放的多品硅的机械特性，对工艺作了适当调整， 基本思想是引进单晶砗层( s c s ) 嘲，单晶硅层主导微结构部分的机械特性，微结构部分提供 结构的电学互连部分，这样解决了前述结构的应力而引起结构翘曲的问题。新工艺首先对芯 片背面进行各向异性刻蚀至所需的s c s 层的厚度，然后分别各向异性刻蚀芯片的正面钝化 层和芯片正面的硅衬底，仍然以第三层金属为掩模，并不需要各向同性刻蚀这步工艺( 图 5 东南大学硕士学位论文 2 2 ) 。研究人员利用了上述工艺制作了所需的结构( 图2 3 ) 。 图2 2 采用改进工艺得到的结构的剖面图图2 3 利用这种工艺制造的梳状谐振器嘲 这种工艺例与s c r e a m ( s i n g l ec r y s t a lr e a c t i v ee t c h i n ga n dm e t a l l i z a t i o n ) 工艺的区别在于 s c r e a m 工艺需要一步光刻工艺光刻出芯片表面的钝化层，然后各向异性刻蚀钝化层至硅 衬底，r i e 刻蚀出1 0 u r n 左右的硅沟槽，淀积二氧化硅保护沟槽的侧壁，r i e 刻蚀沟槽水平 面的二氧化硅层后第二次r i e 刻蚀硅沟槽，最后各向同性刻蚀释放出微结构。而c a r n e g i e m e l l o nu n i v e r s i t y 提出的工艺不需要任何附加的光刻工艺。但是这二者都需要多步r i e 刻蚀 工艺的支持，成本较高且依赖工艺参数因素较大。 2 2 体硅湿法刻蚀 正因为r l e 干法刻蚀需要的成本相对较高，工艺较为复杂。所以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 液对硅的不同品面腐蚀速率相同，该方法主要采用以h f 、h n 0 3 和h 2 0 ( c h 3 c o o h ) 组成的 腐蚀溶液。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。根据腐蚀溶液的各向异性，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 ( 7 , - - 胺，邻苯二酸和水) 、t m a h 和联胺等( 这 类腐蚀液由于含有苯而不宜采用) ；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 a o h 等，应用得最为广泛的是k o h 腐蚀溶液。k o h 腐蚀溶液成本较低，且腐蚀 速率也较快。 k o h 溶液具有高腐蚀速率、均一性和可重复性好等优点而被应用于体硅加工中以实现 腔、槽等结构1 9 。k o h 与硅的反应机理是：k o h 的水溶液与硅发生反应，其反应式为： s 。+ h ，o + 2 k o h = k 、s 0 1 + 2 h ， 需要注意的是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s i 0 2 膜致 密性不佳，腐蚀速率相对热氧生成的s i 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 采取的方案是利用s i 3 n ds 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 膜不能作为超过1 0 0 u m 深槽刻蚀掩模的问题，又解决了单独用s i 3 n 4 膜作为掩蔽膜所导致的 热应力不匹配而使得s i 3 n 4 膜剥离的问题。但是应用k o h 溶液作为腐蚀荆的缺点主要有两 点： l 、k o h 溶液能够与铝发生反应； 2 a i + 6 h 2 0 _ 2 a i ( o h ) 3 + 3 h 2 0 ( 碱性溶液中) 6 第二章皿蟠后处理工艺 2 、k o h 溶液中的碱金属离子会对电路造成影响( 如阈值电压改变等) 。 为避免上述所提及的k o h 溶液会与铝焊盘发生反应的问题，最为广泛使用的是采用机 械夹具作为保护芯片正面的手段。尽管在具体夹具的制造上有一定的差别，但大致原理都是 将夹具和芯片之间进行密封处理( 图2 4 ) ，避免腐蚀溶液渗透，使得只有芯片的背面与腐 蚀溶液相接触。机械夹具的缺点是如果将夹具与芯片夹得过紧的话，有可能导致芯片损坏； 反之则会有腐蚀溶液渗透至芯片正面的危险。而且使用机械夹具将会限制批量制造传感器， 不利于降低成本。 图2 4 机械夹具的效果框图 l p c v d 技术淀积的s i 3 n 4 膜在k o h 溶液中腐蚀速率非常低，所以可以采用淀积一层 l p c v d i 艺s i 3 n 4 膜作为保护膜，但是l p c v d 的工艺实现条件( 7 0 0 8 0 0 ) 与之前所做 的铝金属连线工艺有冲突，而且l p c v d 形成的薄膜改变了结构的应力分布并且有可能使得 浅结发生再分布，对较易损坏的结构和片上c m o s 电路产生影响，所以淀积工艺只能采用低 温的p e c v d i 艺。p e c v d i 艺淀积的s i 3 n 4 膜的致密性相对较差，表面针孔比较多，在长时 间腐蚀工艺中，会发生溶液渗入之芯片表面现象而导致芯片破坏。所以直接应用集成电路工 艺厂家的p e c v d i 艺不能达到保护芯片的目的。 s w i t z e r l a n d 的u m u n c h 等研究人员对p e c v d 淀积的s i 3 n 4 膜的性质做了详细的研究”j 。 根据常规p e c v d i 艺淀积的s i g n 4 膜的缺点是针孔密度较大和s i 3 n 4 膜的台阶覆盖性不是很 好这两个方面，分别提出了解决方法。对于膜针孔密度较大的问题，研究者研究了p e c v d 工艺参数功率转换频率对淀积的膜表面针孔的影响。发现随着参数的改变。膜表面的针孔密 度会随着x 轴压应力的增加而变小( 图2 5 ) ，图2 5 所描述的硅片为6 ”。所以应该控制工艺参 血 赫 辞 士 士 0 , , 勒r c s s ( m p a ) 图2 5 不同应力条件下氮氧化硅和氮化硅的表面针孔密 7 东南大学硕士学位论文 数使得膜的压应力很大。而对于s i 3 n 4 膜的台阶覆盖性不佳的问题。研究人员提出在芯片与 保护膜之间淀积一层缓冲膜( t e o s ) p a 改善保护膜的对于芯片表面台阶的覆盖性问题( 图 2 6 ) 。t e o s 膜可以在低温下淀积形成，它的延展性较好，相对台阶覆盖性较佳。实验发现 在高压应力工艺条件下，附加一步缓冲膜的淀积工艺，最终芯片的良率可达到9 9 以上。淀 积的s i 3 n 4 膜和t e o s 膜都可以通过r i e 去除。对于使用k o h 溶液可能导致电路栅氧层上存在 金属离子的问题，可通过标准r c a 清洗工艺去除k o h 腐蚀引进的钠离子等碱金属离子。标 准r c a 工艺清洗工艺如下所示：首先使用l # 液去除硅片表面颗粒和残留有机物，1 # 液组成 为体积配比1 ：1 ：5 的n h 4 0 h - h 2 0 2 h 2 0 的溶液，第二步是用体积配比为l ：1 5 的 h c l - h 2 0 2 一h 2 0 溶液去除金属玷污，硅片需在6 5 1 2 条件下浸于这两种溶液2 0 分钟。s i m s ( 次 级离子质谱1 分析显示经过r c a 清洗工艺后，碱金属离子引起的影响可被忽略 保护腰 介质层 图2 6 采用t e o s 和保护膜保护的结构剖面 金膜的一个良好特性是能够抵抗碱性溶液的腐蚀，由此可以在芯片表面淀积一层金膜作 为各向异性刻蚀的保护膜。这种保护膜工艺利用了i c 封装中倒装焊接技术”“，在常规的 c m o s 工艺做完之后( 图2 7 ) ，首先溅射一层耵w 合金作为缓冲层然后溅射籽金层，旋涂 一层厚光刻胶并光刻出焊盘图形，以厚胶作为塑模，籽金层作为电镀的电学接触层电镀金( 图 2 8 ) 。耵缓冲层和籽金层作为k o h 腐蚀的保护膜。籽金层应该是无针孔的以防止k o h 溶液腐蚀硅片正面结构，但是由于金膜和硅衬底之间的粘附性能不是很好，所以缓冲层的选 择就十分重要，它不仅能保证硅片正面和籽金层具有良好的粘附性，而且应该能够耐得住 k o h 的腐蚀，因为k o h 有可能通过籽金层上的针孔渗透至芯片表面。试验首先对啊，t w ， 啊w n 和t i n 这四种缓冲层作了分析比较，发现除了砸膜之外，其它三种缓冲膜在k o h 溶液中的腐蚀速率都比较低，满足实验的要求。除此之外，还对缓冲膜的表面平整度以及与 s i ，s i o n ，a i 的粘附性作了比较，发现啊w 最终能够满足各项参数的需要。另外在实验中 需要考虑的是溅射的膜的应力有可能损坏微结构的介质膜从而导致良率的降低，所以在进一 步的试验中试验者将引入钝化层以补偿应力从而保证硅片平整而且稳定。 图2 7c m o s 工艺完成后芯片的剖面图图2 8b u m p i n g 工艺后芯片的剖面图 另外s i c 作为一种材料，在微机械的应用上，具有许多优良性质，机械强度高、热导性 8 第二章舵蝣后处理工艺 和绝缘性好。在一些电解液中具有极端惰性，因而既可作为钝化层又可作为一种机械结构层。 利用p e c v d 工艺可在较低的温度下淀积出应力很低的s i c 薄膜，此薄膜对于任何电解液， 如h f 、k o h 等，都具有优良的抗腐蚀性，而且与标准c m o s 工艺兼容。可用于保护i c 进 行后续的微机械加工【1 “，淀积的薄膜还可用作微机械结构材料。p e c v d 淀积s i c 层同样需 要控制实际工艺参数以达到低应力、抗腐蚀性的特点。 以上介绍的三种方法虽然能够提供较令人满意的结果，但是要求的条件比较复杂，不利 于降低成本。因为只有通过一种较为通用的工艺制造出来的传感器才能真正实现低成本化， 所以研究人员并没有将研究领域局限在这些方面。 e d p ：乙二氨，邻苯二酚，水( e t h y l e n ed i a m i n ep y r o c a t e c h 0 1 ) 的别称又为e p w ( e t h y l e a e d i a m i n e - p y r o c a t e c h 0 1 w a t e r ) 。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 ，t a 等材料都可以作为e d p 腐蚀采用的掩膜材料，但是e d p 仍然会腐蚀a l 。但是 因为铝在e d p 中的腐蚀速率仅为硅的l ，1 8 0 。所以如果腐蚀时间少于4 小时，那么硅片仍能 在9 5 ce d p 溶液中进行微机械加工。e d p 的优点在于对凸角的腐蚀比其它任何各向异性腐 蚀液都快，所以常用于释放悬臂梁结构，而且腐蚀表面较光滑。缺点在于需要回流冷凝装置 以保证溶液浓度的恒定，而且在腐蚀表面会有一种棕色残留物质难以去除。对于典型的e d p 配方：l l 乙二氨州h 2 - c h 2 h 2 - n h 2 ) 、1 6 0 9 邻苯二酚( c 6 h 4 ( o h ) 2 ) 、6 9 c 4 i l i n 2 、1 3 3 m l h 2 0 其反应过程如下： 首先是乙二氨的离化： n h ，( c h 2 ) ，n h ，+ 月j d 专n h 2 ( c h 2 ) 2 n h 3 + o h 一 然后硅、碱性根离子和水发生反应： 彤+ 2 0 h 一“皿d 专s i ( o h ) 。+ 2 h ， e d p w h e t c h i n g 被e t h z u r i c h 的研究人员应用释放正面结构。根据乙二氨、邻苯二酚、 水三种物质配比的不同，e d p 可分为b 、t 、s 、f 四种配比溶液。配方t 和配方f 被认为 它们的腐蚀硅速率高于配方s 和配方b 【1 3 1 。具体哪种配比溶液与铝的反应更剧烈可能与实 际工艺参数有关，因为关于此方面的描述有冲突之处。e t h 实验室采用了配方s 作为腐蚀 硅的溶液，认为这种溶液的硅铝腐蚀选择比最高。e d p 溶液一般的腐蚀温度控制在 9 0 1 0 0 c 左右，需要注意的是对于腐蚀完毕后芯片表面存在的难溶物质要及时清除，因为 这种残留物质长时间会腐蚀硅结构。芯片表面结构的腐蚀窗口可通过修改版图文件而不需要 附加一步光刻工艺，即在假设结构的腐蚀窗口是实际的焊盘窗口图形，这样在c m o s 工艺 最后一步光刻钝化层时，同时结构的腐蚀窗口也被刻蚀出来。e t h 实验室应用这种方法释 放了芯片表面结构以测量膜的热导系数( 图2 9 ) 和多晶硅的s e e b e e k 系数( 图2 1 0 ) 1 4 - 1 5 1 实际需要考虑的问题是结构的腐蚀窗口刻蚀出来需要r i e 过刻蚀钝化层至硅衬底，实际 图2 9 测量薄膜的热导率的微结构图2 1 0 测量多晶硅的s e e b e e k 系数的微结构 9 东南大学硕士学位论文 f o u n d r y 工艺中发现过长时间的p i e 刻蚀有可能导致表面铝焊盘的损伤，对于m p w ( 多项 目晶圆) 加工，有可能对其它芯片造成影响，所以工艺线并不乐意提供这样的工艺。另外虽 然通过实验可以探索某种配比的e d p 溶液的硅铝腐蚀选择比最高，实际实验时需要考虑长 时间的腐蚀对铝焊盘造成的影响。 如果在i c 和敏感元件上淀积一层薄膜材料，保护i c 和敏感元件受腐蚀溶液的影响，薄 膜的质晕要求很高，除了具备一般均匀性、化学稳定性等特点外，还应具备如下几个重要特 点：与衬底的粘附性好、应力小、表面台阶的覆盖性好、淀积温度要低。有机聚合物的化学 性质非常稳定，而且淀积也比较方便，满足上述的要求。因此有机聚合物也不断走进人们的 视野，传统的有机胶是光刻胶，但是光刻胶的效果并不令人满意。黑腊在试验室中常用来保