[发明专利]深沟槽中感应材料的成膜方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及微机械系统中，在深沟槽表面形成特定形状感应材料膜的方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉前沿研究领域。就半导体产业来说，MEMS与生产工艺技术的整合将为系统单芯片带来极大的跃进。未来的单芯片中可望整合音讯、光线、化学分析及压力、温度感测等子系统，因而发展出人体眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等感官功能的芯片；如果再加入对电磁、电力的感应与控制能力，那就超越人体的能力了。

目前，常用的制作MEMS器件的技术主要有三种：

第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。这种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。

第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。

第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法，是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。

以美国为代表的MEMS制造工艺主要是利用体硅工艺和表面牺牲层工艺，前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。典型的工艺流程是成膜—光刻—刻蚀—去除下层材料，对此循环来实现，然后再采用特殊的检测和划片工艺释放保护出来的机械结构，随后在封装时暴露部分需要的零件，最后机电系统全部测试。体硅工艺和表面牺牲层工艺方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。

在硅基MEMS技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。

各向异性腐蚀技术是体硅微机械加工的关键技术，最早采用的是湿法化学腐蚀，利用化学腐蚀得到的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度，但该方法与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺寸较大等缺点，因此，目前主要采用干法等离子体刻蚀技术，例如采用感应耦合等离子体、高密度等离子体刻蚀设备等，都可以得到比较理想的深宽比大的硅槽。

键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用，将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位，它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。最常用的键合技术是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。

表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺，其基本思路为：首先在衬底上淀积牺牲层材料，并利用光刻、刻蚀形成一定的图形，然后淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形，最后再将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉，这样就形成了悬浮的可动的微机械结构部件。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用的牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶等。

在半导体产业中，用与集成电路工艺兼容的工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件是目前的主流技术。其主要工艺流程是生长牺牲氧化层，然后涂上一层光刻胶，曝光显影后，刻蚀形成深沟槽（深沟槽通常用于形成压力或者温度传感器的Z方向的感应连接），随后淀积感应材料（导电或者磁性材料，如铝、钨、氮化钽、镍、铁等，感应材料只要部分搭在深沟槽的底部和侧壁，同时表面也需要部分覆盖），再涂上一层光刻胶，并曝光显影，将感应材料需要留下的部分通过光刻定义出来，形成最终的图形。由于采用的是深沟槽工艺，在曝光将感应材料需要留下的部分通过光刻定义出来时，常常会遇到光刻无法一步完成的瓶颈，如果使用的是正性光刻胶（正性光刻胶曝光的区域溶解的快，理想情况下未曝光的区域保持不变，负性光刻胶则刚好相反），就会发生沟槽底部的光刻胶无法被光曝开而在沟槽底部形成光刻胶残留的情况（见图1、2），如果使用的是负性光刻胶，则情况刚好相反，在沟槽内和侧壁无法保留光刻胶，究其原因主要是深沟槽底部的光强不够，目前仅仅通过提供能量或者是变动焦距都无法取得满意的效果。