專利名稱：Mems犧牲層結構制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及涉及MEMS制造技術領域，具體地說，涉及一種MEMS犧牲層結構制造方法。
背景技術：
微電子機械系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem, MEMS)技術具有微小、 智能、可執(zhí)行、可集成、工藝兼容性好、成本低等諸多優(yōu)點，故其已開始廣泛應用諸多領域。 MEMS微橋結構是MEMS領域中應用非常廣泛的一種結構，它利用犧牲層釋放工藝形成橋結構，可以廣泛的利用于探測器、傳感器等產品中。而CMOS與MEMS的集成可以結合CMOS的高性能和MEMS的多功能，成為推動MEMS技術走向大規(guī)模應用的關鍵。MEMS微橋結構是利用犧牲層實現(xiàn)微橋結構的，犧牲層在MEMS工藝完成后，通過釋放工藝去除。犧牲層在MEMS微橋結構中起到承上啟下的作用，非常關鍵，一般會使用有機物或者硅材料。有機物材料(如聚酰亞胺)一般使用旋涂及烘烤的方法進行成膜，使用有機物可以很好地實現(xiàn)硅片表面的平坦化，并與上層相鄰的材料有很好的表面接觸特性，同時有機物材料的釋放工藝也比較簡單；但是有機物材料作犧牲層的高溫揮發(fā)特性，會給后續(xù)工藝設備帶來嚴重的沾污問題。硅材料作犧牲層不存在該沾污問題，是業(yè)界使用較多的方案。犧牲層硅材料一般使用PECVD (等離子體增強化學氣相沉積)工藝形成，500°C左右以上一般是多晶硅，該溫度以下是非晶硅；高溫多晶硅晶粒較大，表面平坦度比較差，相反低溫工藝的表面平坦度比較好。作為犧牲層，需要成膜溫度比較低，以便于不影響前面工藝所形成的器件和結構?，F(xiàn)有的制造方法包括首先，形成金屬功能層，并實現(xiàn)其圖形化；其次，可選的，可以在在金屬功能層上形成黏附層；然后，使用PECVD技術在200°C -450°C溫度范圍內利用 SiH4分解的技術直接在黏附層上形成非晶硅，一般工藝方案會使用惰性氣體稀釋SiH4，部分方案會加入H2已增強分解速度；之后，在犧牲層上實現(xiàn)支撐孔圖形化；最后，直接在具有支撐孔圖形的襯底上沉積釋放保護層、敏感材料層等介質，實現(xiàn)微橋結構。由于低溫非晶硅薄膜是由SiH4在等離子環(huán)境分解形成的，薄膜本身富含H等缺陷，且因成膜溫度低其結構比較疏松；其H(氫)缺陷會在一定溫度下發(fā)生團聚并溢出，導致與上、下層相鄰的材料接觸非常差，會發(fā)生嚴重的剝離現(xiàn)象，嚴重地影響到MEMS產品的成品率和可靠性，并對相關設備和硬件造成嚴重的影響。常用方法是通過高溫退火或使用高溫成膜工藝，降低薄膜的H含量，提高其致密性，但CM0S-MEMS單芯片集成需要對MEMS工藝的溫度進行控制，不能超過400°C，以避免對器件和互連線的影響，故而沒有很好的解決方案。更具體地，現(xiàn)有技術中使用CM0S-MEMS技術，在CMOS讀取電路制作結束后，利用 MEMS工藝在其上制作微橋探測器結構；同時為提高探測器性能，通常在CMOS讀取電路上制作一層圖形化的金屬層作為功能層，實現(xiàn)PAD及相關功能，然后在圖形化后的金屬層上淀積硅犧牲層，利用與CMOS工藝兼容的硅犧牲層工藝形成微橋結構?，F(xiàn)有CM0S-MEMS單芯片集成技術中使用PECVD技術利用SiH4分解形成非晶硅，用于實現(xiàn)硅犧牲層成膜工藝，以與CMOS工藝兼容；由于犧牲層要求比較厚，且此種方法形成的非晶硅薄膜含H量非常高，薄膜也相對比較疏松，因而與前面工藝形成的薄膜接觸不好； 同時，后續(xù)工藝中，非晶硅薄膜中的H缺陷會隨時間和溫度不斷團聚并溢出，導致后續(xù)薄膜與非晶硅薄膜發(fā)生嚴重剝離，造成硅片的廢棄，并會影響到相關設備，引起交叉沾污問題。

發(fā)明內容
有鑒于非晶硅犧牲層存在的難題，本發(fā)明解決的技術問題在于提供一種尤其可應用于MEMS微橋結構犧牲層的非晶硅工藝集成方案，使用對硅犧牲層前后工藝的處理，不僅可以解決犧牲層與相鄰材料的接觸問題，也可以滿足非晶硅表面形貌及相關集成要求，同時也充分降低熱過程可控，降低高溫熱過程對前面工藝和器件的影響，從而提高相關MEMS 產品的性能、成品率和可靠性。根據本發(fā)明，提供了一種MEMS犧牲層結構制造方法，其包括金屬層形成步驟；犧牲層沉積前硅片表面處理步驟，用于改善硅片表面特性；犧牲層沉積步驟，用于沉積犧牲層；支撐孔圖形化步驟，用于實現(xiàn)在犧牲層內的支撐孔圖形化；以及犧牲層后處理步驟，用于對犧牲層進行處理，以在犧牲層表面形成表面薄膜(犧牲層薄膜)。具體地說，例如可以在犧牲層表面的包括支撐孔內和側壁上的區(qū)域中形成一層致密的犧牲層薄膜。在上述的MEMS犧牲層結構制造方法中，所述MEMS犧牲層結構制造方法被用于實現(xiàn)MEMS微橋結構。在上述的MEMS犧牲層結構制造方法中，所述犧牲層為非晶硅犧牲層。在上述的MEMS犧牲層結構制造方法中，所述MEMS犧牲層結構制造方法被用于 CM0S-MEMS 工藝。在上述的MEMS犧牲層結構制造方法中，還包括表面平坦化步驟，用于在金屬層圖形之間形成介質填充并實現(xiàn)表面平坦化；在表面平坦化步驟中，先沉積介質SiO2,并利用 CMP工藝和介質回刻蝕實現(xiàn)表面平坦化。其中，介質填充為基于Si02介質的薄膜。在上述的MEMS犧牲層結構制造方法中，所述犧牲層沉積前硅片表面處理步驟，包括利用紫外光照和02、O3等離子體對硅片表面進行處理。在這種情況下，可選地，可在犧牲層沉積前處理之前，沉積一層S^2黏附層以進一步增強犧牲層與下表面的黏附性。在上述的MEMS犧牲層結構制造方法中，所述犧牲層后處理步驟包括退火處理和/ 或等離子表面致密化表面處理。在上述的MEMS犧牲層結構制造方法中，在所述退火處理中，退火溫度為 3000C -420°C，時間為 5min-15min。所述犧牲層后處理步驟中采用&或O3、或&與O3的混合氣體、與惰性氣體對犧牲層表面進行處理。所述惰性氣體為Ar、He、N20中的一種或幾種，所述仏或O3、或仏與O3的混合氣體與惰性氣體的比例大于2 1。在上述的MEMS犧牲層結構制造方法中，所述犧牲層沉積步驟包括對SH4進行分解，其中的反應氣體包括SiH4和/或惰性氣體和/或H2。
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與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供了一種非晶硅工藝集成方案，在不改動基本工藝的基礎上，利用03/uv光照對前層薄膜的處理，以提高非晶硅犧牲層與前層薄膜的接觸；并且， 本發(fā)明利用低溫退火、和等離子致密化表面處理(例如A/03/Ar/He/N20)，在非晶硅犧牲層表面形成一層致密且含H量很低的薄膜，把非晶硅犧牲層有效的封蓋住，以解決H溢出后導致的薄膜與非晶硅剝離問題，從而提高相關MEMS產品的性能、成品率和可靠性。可以看出，本發(fā)明提供了如下優(yōu)點1)沉積犧牲層前對硅片表面進行前處理，增強了犧牲層與襯底的黏附性；幻犧牲層致密化處理(densify)，通過等離子體將犧牲層表面和支撐孔內及側壁上進行致密化處理，形成一層致密的表面層，將犧牲層封住，防止缺陷團聚和溢出造成的剝落(peeling)問題。


結合附圖，并通過參考下面的詳細描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點和特征，其中圖1示意性地示出了根據本發(fā)明實施例的MEMS犧牲層結構制造方法的流程圖；圖2至圖5示意性地示出了根據本發(fā)明實施例的MEMS犧牲層結構制造方法各個步驟所得到的半導體器件結構示圖；以及圖6示意性地示出了根據本發(fā)明實施例的MEMS犧牲層結構制造方法得到的MEMS 犧牲層結構的示圖。需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。并且，附圖中，相同或者類似的元件標有相同或者類似的標號。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的內容更加清楚和易懂，下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內容進行詳細描述。圖1示意性地示出了根據本發(fā)明實施例的MEMS犧牲層結構制造方法的流程圖。同時，圖2至圖5示意性地示出了根據本發(fā)明實施例的MEMS犧牲層結構制造方法各個步驟所得到的半導體器件結構示圖。如圖1所示，在步驟Sl中，在硅襯底上制作金屬，例如金屬鋁，然后光刻刻蝕去膠清洗實現(xiàn)其圖形化。優(yōu)選地，MEMS結構在前層金屬層圖形化工藝后，執(zhí)行犧牲層沉積前硅片表面處理，其中犧牲層生長前用紫外線和等離子體處理，以增強犧牲層與下層薄膜的黏附性，防止薄膜剝落。具體可利用光照和等離子體處理對前層硅片表面進行處理，以改變表面層特性，改變其活性，增強其表面黏附性，避免非晶硅沉積在上面引起的剝落問題。優(yōu)選地，所述光照采用了 UV(紫外)光線。也就是說，在MEMS犧牲層結構制造方法中，在犧牲層沉積前硅片表面處理步驟中，可在表面平坦化后，利用O3和紫外光照對所得到的結構的表面進行處理。并且，可選的，可以在犧牲層沉積前處理之前，沉積一層SW2黏附層以進一步增強犧牲層與下表面的黏附性。需要說明的是，該SiO2黏附層是優(yōu)選的，而非現(xiàn)實本發(fā)明所必須的。加入黏附層會增加頂層金屬和犧牲層的黏附性，但也會增加后續(xù)工藝的難度，如支撐孔/接觸孔的刻蝕等。如果加入黏附層，則紫外線和等離子體表面處理應在黏附層成膜后進行。在步驟S2中，沉積SW2薄膜，填充Al圖形之間的孔隙。在步驟S3中，利用CMP(化學機械拋光)工藝、刻蝕和清洗工藝實現(xiàn)表面平坦化；請參見圖2。更具體地說，在步驟S3中，可利用CMP將SiO2研磨到距離Al上表面 1000A-5000A 之間。在步驟S4中，利用介質刻蝕使SW2介質表面與Al表面平齊。前面描述了采用金屬鋁的工藝，但是本發(fā)明同樣可以采用其他金屬。因此，本領域技術人員可以理解的是，如果采用其他金屬，例如可用大馬士革工藝等，則形成順序會有差異，這是本領域已知的，因此省略詳細描述。優(yōu)選地，隨后可利用UV光線對硅片表面進行照射，改善表面狀態(tài)，并把一些可能的有機物高分子殘留的分子鍵打斷，提高表面黏附性。并且，優(yōu)選地，可對半導體器件結構進行濕法清洗，去除可能存在的斷裂的高分子殘留。并且，可選地或者附加地，可利用仏/03等離子體對硅片表面進行處理，溫度為 IOO0C -400°C，以改變表面活性，提高黏附性。在步驟S5中，多步沉積硅材料薄膜。其中，利用PECVD設備和SiH4分解技術在硅片表面沉積一層非晶硅薄膜，優(yōu)選地， 在一些實施例中，在沉積工藝中，溫度200°C _450°C，厚度范圍為1000A-20000A ；請參見圖 3。此外，優(yōu)選地，在一些實施例中，犧牲層為CVD(化學氣相沉積)非晶硅犧牲層，其制備工藝是通過等離子SiH4分解形成的，典型設備為PECVD設備。在MEMS硅犧牲層成膜中，利用低溫退火和等離子體對其進行后處理操作，以使非晶硅表面(包括支撐孔內和側壁上)形成一層致密化且含H量低的表面薄膜層，封蓋住非晶硅犧牲層，保證后續(xù)薄膜能和非晶硅犧牲層形成良好接觸。也就是說，本實施例的方法使得該表面薄膜層是致密化的且含H量低的?，F(xiàn)有技術中的PECVD-SiH4分解形成的非晶硅薄膜一般含有10% -20%，甚至更高；而本發(fā)明實施例中致密的表面薄膜層是為了降低H含量。并且，具體地說，通過該方法可以使得H含量達到降低的效果；更具體地說，可使得H含量在10%以下。也就是說，優(yōu)選地，在MEMS犧牲層結構制造方法中，硅片表面處理可以包括兩個步驟1)犧牲層沉積前硅片表面處理，其中犧牲層生長前用紫外線和等離子體處理，以增強犧牲層與下層薄膜的黏附性，防止薄膜剝落；幻犧牲層后處理，其中犧牲層生長后且支撐孔形成后，通過等離子處理，將露出的犧牲層表面(包括犧牲層平面上，和支撐孔內壁) 進行致密化，防止后續(xù)工藝是發(fā)生H團聚和溢出，避免后續(xù)工藝的薄膜剝落，低溫退火也是這個目的。在一個實施例中，對于低溫退火工藝，其退火溫度為300°C _420°C，時間為5min-15min。具體地，例如，退火工藝是在非晶硅成膜之后在CVD工藝腔內原位地 (in-situ)進行的其退火溫度為300°C _420°C，時間為5min_15min。隨后可進行光刻刻蝕去膠清洗，以實現(xiàn)支撐孔圖形化工藝；請參見圖4。之后，在例如刻蝕工藝腔中，使用O3或03A)2與Ar/He/^0的混合氣體等離子體對硅片表面進行處理，工藝的功率為100W到1200W，溫度為100°C到400°C，時間為30S到300S。其中O3或A處理可以提高表面黏附性，Ar或He或隊0處理可以使表面非晶硅薄膜致密化。具體地說，對于混合氣體，可以采用O3與Ar的組合，O3與He的組合，O3與N2O的組合，A與Ar的組合，&與He的組合、仏與N2O的組合，02、O3與Ar的組合，02、O3與He的組合、02、O3 與 N2O 的組合，O3 與 Ar、He、N2O 的組合，O2 與 Ar、He、N2O 的組合，02、O3 與 Ar、He、 N2O的組合等。只要混合氣體中含有O3及&之一、并且/或者含有Ar、He、N2O之一即可。并且，例如，等離子體處理工藝是使用等離子體刻蝕設備或者灰化(ASH)設備中在等離子體環(huán)境下進行的。所述的等離子體處理可以使用O3或者O2與O3的混合氣體?；蛘?，等離子體處理可以使用Ar、N2O, He氣體之一，并且使用仏或者O3、或者仏與O3的混合氣體，其中02和/或O3與其他氣體的比例應大于2 1。最后，利用CVD技術沉積釋放保護層(保護介質和支撐介質)；這樣，所得到的具有犧牲層的結構可用于進行后續(xù)工藝；請參見圖5。圖6示意性地示出了根據本發(fā)明實施例的MEMS犧牲層結構制造方法得到的MEMS 犧牲層結構的示圖。其中，箭頭6標示出了非晶硅犧牲層與前層的接觸界面，箭頭7標示出了非晶硅犧牲層與后層的接觸界面。對于本領域技術人員來說明顯的是，可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對本發(fā)明進行各種改變和變形。所描述的實施例僅用于說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明；本發(fā)明并不限于所述實施例，而是僅由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于包括金屬層形成步驟；犧牲層沉積前硅片表面處理步驟，用于改善硅片表面特性；犧牲層沉積步驟，用于沉積犧牲層；支撐孔圖形化步驟，用于實現(xiàn)在犧牲層內的支撐孔圖形化；以及犧牲層后處理步驟，用于對犧牲層進行處理，以在犧牲層表面形成表面薄膜。
2.根據權利要求1所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，其中所述MEMS犧牲層結構制造方法被用于實現(xiàn)MEMS微橋結構。
3.根據權利要求1所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，其中所述犧牲層為非晶硅犧牲層。
4.根據權利要求1至3之一所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，其中所述 MEMS犧牲層結構制造方法被用于CM0S-MEMS工藝。
5.如權利要求1所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，還包括表面平坦化步驟，用于在金屬層圖形之間形成介質填充并實現(xiàn)表面平坦化；在表面平坦化步驟中，先沉積介質Si02，并利用CMP工藝和介質回刻蝕實現(xiàn)表面平坦化。
6.如權利要求1所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，所述犧牲層沉積前硅片表面處理步驟，包括利用紫外光照和02、O3等離子體對硅片表面進行處理。
7.如權利要求6所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，在犧牲層沉積前處理之前，沉積一層S^2黏附層以進一步增強犧牲層與下表面的黏附性。
8.如權利要求1所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，在犧牲層沉積步驟后， 還包括退火處理步驟。
9.根據權利要求8所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，其中在所述退火處理中，退火溫度為300°C _420°C，時間為5min-15min。
10.根據權利要求1、2、3、8之一所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，所述犧牲層后處理步驟中采用A或O3、或A與O3的混合氣體、與惰性氣體對犧牲層表面進行處理。
11.根據權利要求10所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，所述惰性氣體為Ar、He、N20中的一種或幾種，所述仏或O3、或仏與O3的混合氣體與惰性氣體的比例大于 2 I0
12.根據權利要求3所述的MEMS犧牲層結構制造方法，其特征在于，其中所述犧牲層沉積步驟包括對SiH4進行分解，其中的反應氣體包括SiH4和/或惰性氣體和/或H2。
全文摘要
根據本發(fā)明的MEMS犧牲層結構制造方法包括金屬層形成步驟；犧牲層沉積前硅片表面處理步驟，用于改善硅片表面特性；犧牲層沉積步驟，用于沉積犧牲層；支撐孔圖形化步驟，用于實現(xiàn)在犧牲層內的支撐孔圖形化；以及犧牲層后處理步驟，用于對犧牲層進行處理，以在犧牲層表面形成表面薄膜。所形成的薄膜把犧牲層有效地封蓋住，以解決H溢出后導致的薄膜與非晶硅剝離問題，從而提高相關MEMS產品的性能、成品率和可靠性。
文檔編號B81C1/00GK102205942SQ20111012460
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權日2011年5月13日
發(fā)明者左青云, 康曉旭, 李佳青 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司