專利名稱：一種防止mems器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS器件制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被 電化學(xué)腐蝕的方法，即防止帶貴金屬的MEMS器件的結(jié)構(gòu)層材料在SiO2濕法腐蝕過程中被 電化學(xué)腐蝕的方法。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì) 80 年代微機電系統(tǒng)(Micro Electromechanical System, MEMS)技術(shù)蓬 勃發(fā)展以來，各種MEMS器件的市場價值迅速上升。從汽車安全氣囊中的微加速度計，輪胎 中的微壓力傳感器，到導(dǎo)航儀中的微陀螺儀，再到無線通訊系統(tǒng)中的微諧振器，濾波器、以 及雷達(dá)中的微開關(guān)陣列。這些MEMS器件促進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步，提高了人們的生活品質(zhì)。MEMS器件的加工是利用同微電子集成電路(IC)制作技術(shù)相兼容的微機械加工 工藝。常見的MEMS器件是一種多層結(jié)構(gòu)，主要包括結(jié)構(gòu)層、犧牲層以及金屬層。MEMS器 件一般由半導(dǎo)體材料，如低壓氣相沉積(LPCVD)的多晶硅或單晶硅材料等，作為器件結(jié)構(gòu) 層，并選用氧化硅作為器件絕緣層或犧牲層，主要由于氧化硅在IC工藝中被廣泛應(yīng)用，可 以經(jīng)受薄膜淀積和退火等高溫過程，并在HF基腐蝕液中有較快的腐蝕速率，且相對硅、 氮化硅等一些材料有較高的選擇性。犧牲層SiO2在HF基腐蝕液中發(fā)生的反應(yīng)過程為 Si02+6HF — H2SiF6+2H20。由于MEMS器件功能需求，常需要貴金屬材料作為結(jié)構(gòu)層、電學(xué)連線層以及壓焊盤 等。然而，在用HF基腐蝕液對這種帶有貴金屬的MEMS器件進(jìn)行SiO2的濕法腐蝕時，往往 會對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料產(chǎn)生嚴(yán)重電化學(xué)腐蝕，使器件的電學(xué)性能以及機械性能明顯惡化， 如，結(jié)構(gòu)層材料的電阻率顯著增大，楊氏模量降低，機械強度下降以及材料內(nèi)部應(yīng)力梯度上 升等，從而降低了 MEMS器件的成品率及可靠性。這類電化學(xué)腐蝕是由于貴金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)電勢高于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料的 電化學(xué)電勢，在HF基腐蝕液中，相連的貴金屬與半導(dǎo)體材料構(gòu)成原電池，作為原電池正極 的結(jié)構(gòu)層材料在HF基腐蝕液中發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕。以多晶硅結(jié)構(gòu)層為例，其發(fā)生的電 化學(xué)腐蝕反應(yīng)為Si+2HF+ λ h+ — SiF2+2H.+ (2_ λ ) e_SiF2+2HF — SiF4+H2SiF4+2HF — H2SiF6其中，h+為貴金屬提供的價帶空穴，λ為所需參與反應(yīng)的空穴數(shù)。其產(chǎn)物H2SiF6 溶于水，導(dǎo)致MEMS器件的多晶硅結(jié)構(gòu)層表面會形成多孔硅。如果釋放溶液為40%以上的濃 氫氟酸或者氣態(tài)純氫氟酸，還會發(fā)生如下反應(yīng)Si+2H20+4h+ — Si02+4H+
Si02+6HF — SiF:+2H20+2H+ 此外，由于結(jié)構(gòu)層材料被腐蝕，附著于其上的金屬層材料也會發(fā)生分層，甚至剝 落。因此，為了提高器件的成品率及可靠性，探索在SiO2濕法腐蝕工藝中有效避免結(jié)構(gòu)層材料被腐蝕的方法極為重要。目前，避免MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料在SiO2的濕法腐蝕過程中被電化學(xué)腐蝕的方法 大致分為兩類。一類是通過改變器件結(jié)構(gòu)，如在器件結(jié)構(gòu)層上打孔，來縮短SiO2層在HF基 腐蝕液中的腐蝕時間，或者減小貴金屬層在器件結(jié)構(gòu)中所占有的面積比，來減弱電化學(xué)腐 蝕對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層的攻擊。這類方法可以減輕HF基腐蝕液對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料的腐蝕，但 是效果有限，且因此而對器件結(jié)構(gòu)所作的改變最終導(dǎo)致器件性能變化，所以這類方法的使 用范圍非常有限。另一類方法，是利用外加電路來改變結(jié)構(gòu)層半導(dǎo)體材料與貴金屬層材料 的電化學(xué)電勢差，或是通過在腐蝕液中加入氧化還原緩沖劑，來減緩對結(jié)構(gòu)層材料的電化 學(xué)腐蝕。這類方法可有效緩解電化學(xué)腐蝕的影響，但工藝復(fù)雜、成本高、不適用于MEMS器件 的大規(guī)模制造。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對許多MEMS器件制作工藝中長期面臨的一個關(guān)鍵技術(shù)問題，即HF基腐蝕液對 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料的電化學(xué)腐蝕，本發(fā)明的主要目的在于提供一種防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層 材料被電化學(xué)腐蝕的方法，以防止帶貴金屬的MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料在SiO2濕法腐蝕過程 中被HF基腐蝕液電化學(xué)腐蝕。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的 方法，該方法是在MEMS器件的金屬化工藝中，在貴金屬層表面進(jìn)一步淀積一層金屬Ti層， 然后用光刻膠覆蓋該金屬Ti層。上述方案中，所述金屬Ti層同所述貴金屬層在同一步金屬化工藝中完成，且位于 所述貴金屬層表面。上述方案中，所述金屬Ti層的厚度由SiOjM法腐蝕時間的長短以及結(jié)構(gòu)層和貴 金屬在腐蝕液中的暴露面積比決定，SiO2濕法腐蝕時間越長，或者貴金屬與結(jié)構(gòu)層面積比 越大，所需的金屬Ti層就越厚。上述方案中，該方法通過光刻實現(xiàn)光刻膠對整個金屬Ti層的覆蓋保護(hù)。上述方案中，該方法采用光刻來定義腐蝕孔，使HF基腐蝕液通過腐蝕孔直接接觸 腐蝕SiO2層。上述方案中，該方法在對SiO2濕法腐蝕結(jié)束后，進(jìn)一步包括去除光刻膠和貴金屬 表面未被HF基腐蝕液耗盡的金屬Ti層，獲得被保護(hù)的器件結(jié)構(gòu)。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、利用本發(fā)明，由于金屬Ti在HF基腐蝕液中的電化學(xué)電勢低于結(jié)構(gòu)層半導(dǎo)體材 料的電化學(xué)電勢，因而Ti替代半導(dǎo)體材料，與貴金屬層構(gòu)成原電池，并作為原電池正極在 HF基腐蝕液中發(fā)生氧化反應(yīng)，從而有效避免了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕，并保證了 金屬層與其它結(jié)構(gòu)層的牢固結(jié)合。2、利用本發(fā)明，無需在MEMS器件的制作過程中增加復(fù)雜工藝步驟，就可以有效避 免在SiO2的濕法腐蝕過程中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕，保證器件性能不被影響。這
4一方法可用于SiO2的長時間濕法腐蝕(1 2小時)，不僅簡單可靠，且同IC工藝兼容，可 推廣為MEMS器件批量生產(chǎn)中的一步常規(guī)技術(shù)。該方法無需對原有器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改變， 工藝實施簡單、成本低，適用于器件的批量制作。


圖1是沒有貴金屬層存在的情況下MEMS器件的SiO2層濕法腐蝕的示意圖；圖2是有貴金屬層存在的情況下，結(jié)構(gòu)層(如多晶硅)在SiO2濕法腐蝕工藝中的 腐蝕機理示意圖；圖3是本發(fā)明提供的避免MEMS器件結(jié)構(gòu)層在SiO2濕法腐蝕工藝中被腐蝕的方法 示意圖；圖4是在無金屬層、有貴金屬層及有Ti保護(hù)層條件下，MEMS器件中多晶硅結(jié)構(gòu)層 在SiO2濕法腐蝕工藝中電阻率與腐蝕時間的關(guān)系；圖5是帶不同厚度Ti保護(hù)層的MEMS器件中多晶硅結(jié)構(gòu)層在SiO2濕法腐蝕工藝 中電阻率與腐蝕時間的變化關(guān)系；圖中1.結(jié)構(gòu)層(如多晶硅)，2. SiO2層，3.貴金屬層(如Au、Pt)，4.金屬Ti保 護(hù)層，5.光刻膠覆蓋層，6.腐蝕孔，7.隔離層(如SiNx), 8.襯底(如硅片，石英玻璃片等)。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的這種保護(hù)MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料在SiO2濕法腐蝕工藝中不被電化學(xué) 腐蝕的方法，是在器件的金屬化工藝中，在貴金屬層表面淀積一層金屬Ti層，然后用光刻 膠覆蓋整個金屬層。由于金屬Ti層在HF基腐蝕液中的電化學(xué)電勢低于結(jié)構(gòu)層半導(dǎo)體材料 的電化學(xué)電勢，因而Ti替代半導(dǎo)體材料，與貴金屬層構(gòu)成原電池，并作為原電池正極在HF 基腐蝕液中發(fā)生氧化反應(yīng)，從而有效避免了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕，并保證了金 屬層與其它結(jié)構(gòu)層的牢固結(jié)合。在MEMS器件的金屬化工藝中，在所需淀積的貴金屬層表面淀積一層金屬Ti層，金 屬Ti層同其他貴金屬層在同一步金屬化工藝中完成。然后通過標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝(涂膠、等溫 前烘、曝光、顯影、等溫后烘)，實現(xiàn)光刻膠對整個金屬層的覆蓋保護(hù)；并通過光刻定義的腐 蝕孔，使HF基腐蝕液直接腐蝕SiO2層。根據(jù)SiO2濕法腐蝕時間的長短，以及結(jié)構(gòu)層和貴金屬在腐蝕液中的暴露面積比， 可制作不同厚度的金屬Ti層。過薄的T i層會在長時間濕法腐蝕過程中被耗盡，不能有效 防止半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)攻擊；過厚的Ti層會增加器件的制造成本。金屬Ti層在HF基腐蝕液中極易被氧化生成3價離子鈦Ti3+ 2Ti+6HF — 2TiF3+3H2。本發(fā)明所公開的方法中，HF基腐蝕液滲透過光刻膠與Ti發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的Ti3+游 離在光刻膠與貴金屬層包圍形成的小區(qū)域內(nèi)。由于Ti3+到Ti4+的電化學(xué)電勢低于半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)層材料的電化學(xué)電勢，Ti3+優(yōu)先與貴金屬在HF基腐蝕液中構(gòu)成原電池電路。Ti3+貢獻(xiàn)一 個電子給在原電池負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)的陽離子而被氧化成Ti4+
TiFs+3HF+ λ h+ — H2TiF6+H++ (1_ λ ) e_。由于金屬Ti層替代結(jié)構(gòu)層材料在HF基腐蝕液中發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，從而有效避 免了結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕。如果沒有光刻膠層，Ti會直接發(fā)生如下反應(yīng)Ti+6HF — TiF:+2H++2H2Ti+2H20 — Ti02+4H++4e"Ti02+6HF — TiF:+2H++2H20其產(chǎn)物TiF62_溶于水，金屬Ti層會過快耗盡，不能保護(hù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料。下面以含有多晶硅結(jié)構(gòu)層MEMS器件結(jié)構(gòu)為例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為不帶金屬層的MEMS器件在HF基腐蝕液中濕法腐蝕SiO2的示意圖。其中， SiO2層在HF基腐蝕液中有較快的腐蝕速率，其反應(yīng)過程為Si02+6HF — H2SiF6+2H20其產(chǎn)物H2SiF6溶于水，所以SiO2層被腐蝕掉。而相較于SiO2層2，多晶硅結(jié)構(gòu)層 1與HF反應(yīng)極慢，通常不會對器件性能造成過大影響。在圖2中，MEMS器件表面帶有貴金屬層3，并且其與多晶硅結(jié)構(gòu)層1相連。由于在 HF基腐蝕液中貴金屬材料3的標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)電勢高于多晶硅結(jié)構(gòu)層1的電化學(xué)電勢，因此在 HF基腐蝕液中，相連的貴金屬3與多晶硅結(jié)構(gòu)層1構(gòu)成原電池，作為原電池正極的多晶硅結(jié) 構(gòu)層1在HF基腐蝕液中發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕。其反應(yīng)式為Si+2HF+ λ h+ — SiF2+2H.+ (2- λ ) e_SiF2+2HF — SiF4+H2SiF4+2HF — H2SiF6其產(chǎn)物H2SiF6溶于水，多晶硅結(jié)構(gòu)層1被腐蝕，生成多孔硅，導(dǎo)致使器件性能降低 甚至失效。圖3中，實施MEMS器件的金屬化工藝時，在所需淀積的貴金屬層3表面淀積一層 金屬Ti層4，金屬Ti層4同其他貴金屬層3在同一步金屬化工藝中完成。然后通過標(biāo)準(zhǔn)的 光刻工藝涂膠、等溫前烘、曝光、顯影、等溫后烘，用AZ6130光刻膠覆蓋層5覆蓋金屬Ti層 4。再通過光刻在光刻膠覆蓋層5上定義出腐蝕孔6。通過該腐蝕孔6可以使HF基腐蝕液 直接接觸SiO2層2，使SiO2的濕法腐蝕不受影響。因為金屬Ti層4極易被滲透過光刻膠覆 蓋層5的HF基腐蝕液氧化成3價離子鈦Ti3+，而游離在光刻膠覆蓋層5與貴金屬層3包圍 形成的小區(qū)域的Ti3+，在HF基腐蝕液中的電化學(xué)電勢低于多晶硅結(jié)構(gòu)層1的電化學(xué)電勢， 因此替代多晶硅結(jié)構(gòu)層1與貴金屬3構(gòu)成原電池并被氧化腐蝕，從而有效避免了多晶硅結(jié) 構(gòu)層1被電化學(xué)腐蝕。由于有光刻膠覆蓋層5的保護(hù)，不會造成金屬Ti層4的過快耗散， 可以長時間保護(hù)多晶硅結(jié)構(gòu)層1不被電化學(xué)腐蝕。從圖4可以看出，對于沒有進(jìn)行任何保護(hù)措施的帶貴金屬層3的MEMS器件，其多 晶硅結(jié)構(gòu)層1的電阻率隨著SiO2層2的腐蝕時間的延長而顯著增大，在腐蝕30分鐘后多晶 硅結(jié)構(gòu)層1的電阻率大于1000 Ω · cm;而對于不帶貴金屬的MEMS器件以及有金屬Ti層4 的帶貴金屬層3的MEMS器件，其多晶硅結(jié)構(gòu)層1的電阻率在60分鐘的SiO2濕法腐蝕過程 中沒有發(fā)生明顯變化。由圖5可知，金屬Ti層4在保護(hù)MEMS器件多晶硅結(jié)構(gòu)層1的過程中被消耗。SiO2層2的濕法腐蝕時間越長，即多晶硅結(jié)構(gòu)層1所需保護(hù)的時間越長，需要的金屬Ti層4越 厚。因此根據(jù)SiO2層2濕法腐蝕時間的長短，以及多晶硅結(jié)構(gòu)層1和貴金屬3在腐蝕液中 的暴露面積比，可制作不同厚度的金屬Ti層4。過薄的金屬Ti層4會在長時間濕法腐蝕過 程中被耗盡，不能完全防止多晶硅結(jié)構(gòu)層1被電化學(xué)腐蝕；過厚的金屬Ti層4會增加器件 的制造成本。SiO2層2的濕法腐蝕結(jié)束后，需去除光刻膠，并去除貴金屬3表面未被HF基腐蝕 液耗盡的金屬Ti層4，來獲得被保護(hù)的器件結(jié)構(gòu)。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的方法，其特征在于，該方法是在MEMS器件的金屬化工藝中，在貴金屬層表面進(jìn)一步淀積一層金屬Ti層，然后用光刻膠覆蓋該金屬Ti層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的方法，其特征在 于，所述金屬Ti層同所述貴金屬層在同一步金屬化工藝中完成，且位于所述貴金屬層表
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的方法，其特征在 于，所述金屬Ti層的厚度由SiO2濕法腐蝕時間的長短以及結(jié)構(gòu)層和貴金屬在腐蝕液中的 暴露面積比決定，SiO2濕法腐蝕時間越長，或者貴金屬與結(jié)構(gòu)層面積比越大，所需的金屬Ti 層就越厚。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的方法，其特征在 于，該方法通過光刻實現(xiàn)光刻膠對整個金屬Ti層的覆蓋保護(hù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的方法，其特征在 于，該方法采用光刻來定義腐蝕孔，使HF基腐蝕液通過腐蝕孔直接接觸腐蝕SiO2層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的方法，其特征在 于，該方法在對SiO2濕法腐蝕結(jié)束后，進(jìn)一步包括去除光刻膠和貴金屬表面未被HF基腐 蝕液耗盡的金屬Ti層，獲得被保護(hù)的器件結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種防止MEMS器件結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕的方法，該方法是在MEMS器件的金屬化工藝中，在貴金屬層表面進(jìn)一步淀積一層金屬Ti層，然后用光刻膠覆蓋該金屬Ti層。由于金屬Ti在HF基腐蝕液中的電化學(xué)電勢低于結(jié)構(gòu)層半導(dǎo)體材料的電化學(xué)電勢，因而Ti替代半導(dǎo)體材料，與貴金屬層構(gòu)成原電池，并作為原電池正極在HF基腐蝕液中發(fā)生氧化反應(yīng)，從而有效避免了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)層材料被電化學(xué)腐蝕，并保證了金屬層與其它結(jié)構(gòu)層的牢固結(jié)合。
文檔編號B81C1/00GK101905858SQ201010235870
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者劉云飛, 楊富華, 楊晉玲, 解婧 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所