[发明专利]大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS器件制造技术领域，尤其涉及一种大规模防止MEMS器件结构层材料被电化学腐蚀的方法，以保护带贵金属的MEMS器件结构层材料在SiO₂层的湿法腐蚀过程中不被电化学腐蚀。

背景技术

自上世纪80年代微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)技术蓬勃发展以来，越来越多的MEMS器件被广泛应用到人们的日常生活当中。从汽车安全气囊中的微加速度计，轮胎中的微压力传感器，到导航仪中的微陀螺仪，再到无线通讯系统中的微谐振器、滤波器以及雷达中的微开关阵列。这些MEMS器件促进了技术的发展，提高了人们的生活品质。

MEMS器件的加工是利用同微电子集成电路(IC)制作技术相兼容的微机械加工工艺。常见的MEMS器件是一种多层结构，主要包括结构层、牺牲层以及金属层。MEMS器件一般由半导体材料，如低压气相沉积(LPCVD)的多晶硅或单晶硅材料等，作为器件结构层，并选用氧化硅材料作为器件绝缘层及牺牲层。选用氧化硅作为绝缘层及牺牲层材料，是由于氧化硅在IC工艺中被广泛应用，可以经受薄膜淀积和退火等高温过程，并在HF基腐蚀液中有较快的腐蚀速率，相对硅、氮化硅等一些材料有较高的选择性。牺牲层SiO₂在HF基腐蚀液中发生的反应过程为：SiO₂+6HF→H₂SiF₆+2H₂O。

基于对MEMS器件更高性能及功能的需求，贵金属材料被越来越多的引入到MEMS器件结构当中。例如，贵金属被用来增强光学表面的反射率、减小传输线电阻，以及作为焊接盘、电极和长寿命结构材料等。然而，在用HF基腐蚀液对这种带有贵金属的MEMS器件进行SiO₂的湿法腐蚀时，往往会对半导体结构层材料产生严重腐蚀，使器件的电学性能以及机械性能明显恶化，如，结构层材料的电阻率显著增大，杨氏模量降低，机械强度下降以及材料内部应力梯度上升等，从而降低了MEMS器件的成品率及可靠性。

这种电化学腐蚀是由于贵金属材料的标准电化学电势高于半导体结构层材料的电化学电势，在HF基腐蚀液中，相连的贵金属与半导体材料构成原电池，作为原电池正极的结构层材料在HF基腐蚀液中发生氧化反应而被腐蚀。以多晶硅结构层为例，其发生的电化学腐蚀反应为：

Si+2HF+λh⁺→SiF₂+2H⁺+(2-λ)e^-

SiF₂+2HF→SiF₄+H₂

SiF₄+2HF→H₂SiF₆

其中，h⁺为贵金属提供的价带空穴，λ为所需参与反应的空穴数。其产物H₂SiF₆溶于水，多数MEMS器件的多晶硅结构层表面会生成多孔硅。如果释放溶液为40％以上的浓氢氟酸或者气态纯氢氟酸，还会发生如下反应：

Si+2H₂O+4h⁺→SiO₂+4H⁺

SiO₂+6HF→SiF₆^2-+2H₂O+2H⁺

此外，由于结构层材料被腐蚀，附着于其上的金属层材料也会发生分层，甚至剥落。因此，为了提高器件的成品率及可靠性，探索在SiO₂湿法腐蚀工艺中避免结构层材料被腐蚀的方法极为重要。

目前，避免MEMS器件结构层材料在SiO₂的湿法腐蚀过程中被电化学腐蚀的方法大致分为如下几类。一类是通过改变器件结构，例如在器件结构层上打孔来缩短SiO₂层的腐蚀时间，或者在HF基腐蚀液中，增大结构层材料对贵金属层材料的面积比，来减弱电化学腐蚀能力，以此降低腐蚀液对结构层材料的腐蚀。这类方法可以减轻HF基腐蚀液对半导体结构层材料的腐蚀，但是效果有限，且因此而对器件结构所作的改变最终导致器件性能变化，所以这类方法的使用范围非常有限。

另一类是不改变器件结构，而是通过外加电路来改变结构层材料与贵金属材料的电化学电势差。第二类方法对于减弱结构层材料的电化学腐蚀也具有显著的效果，但往往工艺复杂，成本高，不利于MEMS器件的批量生产。