專利名稱：應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制造方法，特別是涉及一種應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法。
背景技術(shù)：
隨著真空科學(xué)技術(shù)、光電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜光學(xué)器件以及薄膜電子器件得到了日益廣泛的應(yīng)用。在基于MEMS的微懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)讀出非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)中，其核心結(jié)構(gòu)為非制冷紅外探測器系統(tǒng)，即雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列(FPA)，由一系列成像像元組成面陣列，每個像元是由兩種熱膨脹差別很大的材料構(gòu)成。像元通過吸收物體的紅外輻射，將輻射能量轉(zhuǎn)化為熱能，利用構(gòu)成微懸臂梁雙材料的熱膨脹，將熱能轉(zhuǎn)化為微懸臂梁的轉(zhuǎn)角或位移，通過檢測這些轉(zhuǎn)角或位移信號可得到被測物體的信息，進(jìn)而將物體的特征表現(xiàn)出來。在非制冷紅外探測器技術(shù)中，噪聲等效溫差(NETD)是衡量系統(tǒng)在噪聲中辨別小信號能力的一個參數(shù)，它標(biāo)志紅外探測系統(tǒng)可探測的最小溫差，是衡量紅外探測器系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。對于采用光讀出的雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列，其理想的反光板結(jié)構(gòu)的曲率半徑為無限大，使入射到其表面的讀出光有效的反射回讀出光路。但是由于雙材料之間的應(yīng)力失配問題，反光板通常會彎曲成弧形，從而造成其反射光譜展寬，最終導(dǎo)致讀出系統(tǒng)靈敏度的大幅下降，使噪聲等效溫差增加。所以，當(dāng)采用本征應(yīng)力相同的兩種材料組成雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列時，將使反光板的曲率半徑增加，從而使NETD減小。由于二氧化硅(SiO2)和鋁(Al)不但其熱膨脹系數(shù)差別大，而且是微細(xì)加工中的常規(guī)材料、且價格便宜，所以成為雙材料微懸臂梁的最佳選擇。在微細(xì)加工中，Al通常具有應(yīng)力為-60MPa 200MPa。當(dāng) 采用等離子增強型化學(xué)氣相淀積(PECVD)方法生長SiO2時，根據(jù)其生長條件的不同，其本征應(yīng)力為_300MPa 300MPa。當(dāng)采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)方法生長SiO2時，根據(jù)其生長條件的不同，其本征應(yīng)力為_120MPa _20MPa。僅從本征應(yīng)力考慮，似乎PECVD SiO2可以滿足與Al膜的應(yīng)力匹配，能夠用于組成雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列。然而，在雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列的制備工藝中，通常使用XeF2從正面刻蝕釋放硅襯底，故要求SiO2具有良好的抗XeF2腐蝕能力，否則微結(jié)構(gòu)可能在釋放襯底過程中斷裂或脫離，造成器件失效。然而，采用PECVD生長的SiO2其XeF2腐蝕能力差，而采用LPCVD生長的SiO2其抗XeF2腐蝕能力強。因此，LPCVD SiO2雖然滿足抗XeF2腐蝕能力，但是其無法實現(xiàn)與Al膜的應(yīng)力匹配。所以，在SiO2的選擇上，即要實現(xiàn)SiO2與Al的應(yīng)力匹配，又要增強SiO2的抗XeF2腐蝕能力。雖然，采用雜質(zhì)注入工藝和退火工藝可以實現(xiàn)張應(yīng)力LPCVD SiO2膜制備，但是由于LPCVD SiO2膜淀積設(shè)備、生長條件和膜厚的差別，其制備的LPCVD SiO2膜經(jīng)雜質(zhì)注入工藝和退火工藝后，形成的張應(yīng)力LPCVD SiO2膜的應(yīng)力值具有較大的變化范圍，其值為OMPa 200MPa，無法實現(xiàn)Al膜應(yīng)力與LPCVD SiO2膜應(yīng)力的完全匹配，而現(xiàn)有的工藝無法使得Al膜應(yīng)力也同樣在負(fù)應(yīng)力至正應(yīng)力間連續(xù)調(diào)節(jié)。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的SiO2薄膜制備工藝無法兼顧應(yīng)力完全匹配和抗腐蝕能力，無法有效用于雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列的制備工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于利用現(xiàn)有的設(shè)備和制備工藝，以低廉成本制造出兼顧應(yīng)力完全匹配和抗腐蝕能力的LPCVD SiO2薄膜與Al薄膜構(gòu)成的雙材料微懸臂梁。為此，本發(fā)明提供了一種應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，包括:在襯底上采用LPCVD沉積應(yīng)力為Fl的壓應(yīng)力SiO2膜，F(xiàn)l < O ;對壓應(yīng)力SiO2膜注入摻雜劑，在其表面形成重?fù)诫sSiO2膜；退火使得壓應(yīng)力SiO2膜轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力為F2的張應(yīng)力SiO2膜，F(xiàn)2 > O ；控制淀積溫度，在重?fù)诫sSiO2膜上方形成具有應(yīng)力為F3的Al薄膜，其中F3 = F2。其中，采用LPCVD工藝，利用TEOS熱分解，在襯底上生長壓應(yīng)力SiO2膜。其中，F(xiàn)l為-120M Pa _20MPa。其中，F(xiàn)2 為 O 200MPa。其中，注入能量為IOKeV 30KeV，注入劑量為5E14 3E15。其中，注入離子種類包括磷、砷、碳、氮、氧、氟。其中，退火溫度為750°C 800°C，退火時間為Ih 4h。其中，Al膜淀積溫度為25°C 400°C。本發(fā)明還提供了一種應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，包括:在襯底上采用LPCVD沉積應(yīng)力為Fl的壓應(yīng)力SiO2膜，F(xiàn)l < O ;控制淀積溫度，在壓應(yīng)力SiO2膜上方形成具有應(yīng)力為F3的Al薄膜，其中F3 =` F1。其中，Al膜淀積溫度為25°C 400°C。依照本發(fā)明的應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，其工藝簡單、與傳統(tǒng)微細(xì)加工工藝兼容，不但實現(xiàn)雙材料懸臂梁的應(yīng)力完全匹配，而且明顯增強SiO2的抗XeF2腐蝕能力，最終使采用Al和SiO2雙材料的、應(yīng)力完全匹配的懸臂梁制作成功實現(xiàn)。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請獨立權(quán)利要求的范圍內(nèi)得以滿足。本發(fā)明的實施例限定在獨立權(quán)利要求中，具體特征限定在其從屬權(quán)利要求中。


以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:圖1顯示了依照本發(fā)明方法實施例的示意性流程圖；圖2顯示了依照本發(fā)明方法的工藝步驟剖面圖，其中在襯底上形成壓應(yīng)力SiO2膜；圖3顯示了依照本發(fā)明方法的工藝步驟剖面圖，其中對壓應(yīng)力SiO2膜低能高劑量注入摻雜劑在其表面形成重?fù)诫sSiO2膜；圖4顯示了依照本發(fā)明方法的工藝步驟剖面圖，其中退火使得壓應(yīng)力SiO2膜轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力SiO2膜；以及圖5顯示了依照本發(fā)明方法的工藝步驟剖面圖，其中根據(jù)淀積溫度不同形成相應(yīng)應(yīng)力的Al膜；圖6顯示了依照本發(fā)明方法另一實施例的示意性流程圖。附圖標(biāo)記
I 襯底2壓應(yīng)力SiO2膜3重?fù)诫sSiO2膜4張應(yīng)力SiO2膜5應(yīng)力Al膜
具體實施例方式以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了兼顧應(yīng)力完全匹配和抗腐蝕能力的雙材料微懸臂梁的制造方法。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹夑P(guān)系。本發(fā)明提供一種應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，其一個實施例的流程參照圖1，其具體工藝步驟參照圖2至圖5如下所示:步驟S1、在襯底上采用LPCVD沉積壓應(yīng)力SiO2膜，如圖2所示。襯底I例如為體硅、SO1、體鍺、GeO1、化合物半導(dǎo)體等等，化合物半導(dǎo)體例如包括GaN、GaAs, GeSi, InSb等等。對于MEMS領(lǐng)域，襯底優(yōu)選為體硅或SOI的晶片。例如采用LPCVD工藝，利用四乙氧基硅烷(TEOS)熱分解，在襯底I上生長殘余應(yīng)力為Fl (Fl < O)的壓應(yīng)力SiO2膜2。Fl例如為-120MPa -20MPa，并且優(yōu)選 _60MPa _20MPa。步驟S2、對壓應(yīng)力SiO2膜注入摻雜劑，在其表面形成重?fù)诫sSiO2膜，如圖3所示。采用低能高劑量的離子注 入工藝，在壓應(yīng)力SiO2膜2表面形成重?fù)诫sSiO2膜3。其中，注入能量例如為IOKeV 30KeV，注入劑量例如為5E14 3E15，注入離子種類例如為磷(P)、砷(As)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)等等。優(yōu)選地，注入離子為P，由于其荷質(zhì)此適中，可以最佳地控制注入?yún)?shù)，從而有效去除硅懸鍵。具體地，該重?fù)诫sSiO2膜3由于在很淺例如I IOnm的厚度范圍內(nèi)包含很濃的摻雜離子，使得薄膜表層結(jié)構(gòu)改變，特別是可以去除上述LPCVD法TEOS源制備得到的氧化硅薄膜(可簡稱LPTEOS膜)表面的硅懸鍵，阻止空氣中水分子對于LPTEOS膜的影響。步驟S3、退火使得壓應(yīng)力SiO2膜轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力SiO2膜，如圖4所示。采用爐管退火，使得壓應(yīng)力SiO2膜2轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袘?yīng)力為F2 (F2 > O)的穩(wěn)定的張應(yīng)力SiO2膜4，而重?fù)诫sSiO2膜3本身并未變化。在高溫退火的作用下，壓應(yīng)力SiO2膜2內(nèi)的Si和O重新排列，特別是使LPTEOS膜中的H-鍵去除及結(jié)構(gòu)重組，并最終成為張應(yīng)力。但是它有一個缺點就是應(yīng)力隨時間變化，例如如果不采取注入摻雜劑去除硅懸掛鍵，則這些懸掛鍵將與空氣中水分子的OH-鍵結(jié)合，使LPTEOS膜應(yīng)力逐步降低，并重新回到壓應(yīng)力狀態(tài)，難以用于MEMS懸臂梁。而通過依照本發(fā)明的上述摻雜劑注入的工序步驟，可以去除LPTEOS表面的硅懸鍵，阻止空氣中水分子對于LPTEOS膜的影響，故其張應(yīng)力特性可以永久保持。其中，退火溫度例如為750°C 800°C，退火時間例如為Ih 4h，如此可以控制退火參數(shù)改變F2，使得F2例如為O 200MPa，從而與后續(xù)Al膜的應(yīng)力相匹配，適于雙材料應(yīng)力匹配的懸臂梁制作。特別地，P較之其他注入摻雜劑而言，調(diào)整得到的F2更能與Al的應(yīng)力匹配，或者匹配程度更高，例如其他注入摻雜劑退火得到的應(yīng)力范圍可能與上述F2有部分重疊，而P注入得到的應(yīng)力范圍與上述F2完全重合。依照不同的設(shè)計要求、制造設(shè)備和工藝條件，上述LPCVDSiO2膜疊層的整體應(yīng)力范圍是Fl F2。步驟S4、根據(jù)淀積溫度形成不同應(yīng)力的Al膜，如圖5所示。采用CVD、PVD等常規(guī)方法在重?fù)诫sSiO2膜3上方淀積形成Al薄膜5。依照淀積溫度的不同，得到的Al薄膜5的殘余應(yīng)力也不同，例如淀積溫度為25°C 400°C時，Al膜5的殘余應(yīng)力F3可以為_60MPa 200MPa。如果前述的壓應(yīng)力SiO2膜2的應(yīng)力Fl不在F3的范圍內(nèi)，則控制Al膜淀積溫度使得F3等于張應(yīng)力SiO2膜4的應(yīng)力F2，例如當(dāng)溫度為60°C 400°C時，F(xiàn)3可以為O 200MPa從而與F2的范圍完全或部分重合，并且可以特定選擇溫度使得F3完全等于F2，得到應(yīng)力完全匹配的Si02/Al疊層以便制作雙材料微懸臂梁。圖6顯示了依照本發(fā)明方法另一實施例的示意性流程圖，其中:首先與上述步驟S I相同，在襯底I上采用LPCVD沉積壓應(yīng)力Fl的SiO2膜2。然后，如果Fl在將要形成的Al膜具有的應(yīng)力F3的范圍內(nèi)，則采取步驟S4’，采用CVD, PVD等常規(guī)方法在壓應(yīng)力SiO2膜2上方淀積形成Al薄膜5，控制Al膜淀積溫度使得F3等于壓應(yīng)力SiO2膜2的應(yīng)力Fl，例如當(dāng)溫度為25°C 60°C時，F(xiàn)3可以為-60 OMPa從而與Fl的范圍完全或部分重合，并且可以特定選擇溫度使得F3完全等于F1，得到應(yīng)力完全匹配的Si02/Al疊層以便制作雙材料微懸臂梁。依照本發(fā)明的應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，其工藝簡單、與傳統(tǒng)微細(xì)加工工藝兼容，不但實現(xiàn)雙材料懸臂梁的應(yīng)力完全匹配，而且明顯增強SiO2的抗XeF2腐蝕能力，最終使采用Al和SiO2雙材料的、應(yīng)力完全匹配的懸臂梁制作成功實現(xiàn)。盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對器件結(jié)構(gòu)做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實 現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，包括: 在襯底上采用LPCVD沉積應(yīng)力為Fl的壓應(yīng)力SiO2膜，F(xiàn)l < O ; 對壓應(yīng)力SiO2膜注入摻雜劑，在其表面形成重?fù)诫sSiO2膜； 退火使得壓應(yīng)力SiO2膜轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力為F2的張應(yīng)力SiO2膜，F(xiàn)2 > O ； 控制淀積溫度，在重?fù)诫sSiO2膜上方形成具有應(yīng)力為F3的Al薄膜，其中F3 = F2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，采用LPCVD工藝，利用TEOS熱分解，在襯底上生長壓應(yīng)力SiO2膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，F(xiàn)l為-120MPa _20MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，注入能量為IOKeV 30KeV，注入劑量為5E14 3E15。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，注入離子種類包括磷、砷、碳、氮、氧、氟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，退火溫度為750°C 800°C，退火時間為Ih 4h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，F(xiàn)2為O 200MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，Al膜淀積溫度為25°C 400°C。
9.一種應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，包括； 在襯底上采用LPCVD沉積應(yīng)力為Fl的壓應(yīng)力SiO2膜，F(xiàn)l < O ;· 控制淀積溫度，在壓應(yīng)力SiO2膜上方形成具有應(yīng)力為F3的Al薄膜，其中F3 = F1。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，Al膜淀積溫度為25°C 400°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，包括在襯底上采用LPCVD沉積應(yīng)力為F1的壓應(yīng)力SiO2膜，F(xiàn)1＜0；對壓應(yīng)力SiO2膜注入摻雜劑，在其表面形成重?fù)诫sSiO2膜退火使得壓應(yīng)力SiO2膜轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力為F2的張應(yīng)力SiO2膜，F(xiàn)2＞0；控制淀積溫度，在重?fù)诫sSiO2膜上方形成具有應(yīng)力為F3的Al薄膜，其中F3＝F2。依照本發(fā)明的應(yīng)力匹配的雙材料微懸臂梁的制造方法，其工藝簡單、與傳統(tǒng)微細(xì)加工工藝兼容，不但實現(xiàn)雙材料懸臂梁的應(yīng)力完全匹配，而且明顯增強SiO2的抗XeF2腐蝕能力，最終使采用Al和SiO2雙材料的、應(yīng)力完全匹配的懸臂梁制作成功實現(xiàn)。
文檔編號C23C16/40GK103241706SQ20121002493
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月6日
發(fā)明者尚海平, 焦斌斌, 劉瑞文, 陳大鵬, 李志剛, 盧迪克 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所