MicronanoelectronicFechnology/July～August2007 37 微纳电子技术　2007年第7/8期一种控制硅深刻蚀损伤方法的研究阮　勇1,叶双莉1,张大成2,任天令1,刘理天1(1.清华大学微电子所微/纳器件与系统实验室,北京　100084;2.北京大学微电子研究院,北京　100871)摘要:提出了提高硅深反应离子刻蚀的新方法。该方法在硅的侧壁PECVD淀积SiO2,硅的底部采用热氧化的方法形成SiO2。由于在刻蚀中硅与SiO2的刻蚀选择比为120∶1～125∶1,因此SiO2层可以抑制在硅2玻璃结构的刻蚀中出现的lag和footing效应,扫描电镜结果也证明,采用改进工艺后的硅结构在经过长时间的过刻蚀后仍然保持了完整性。硅陀螺测试结果也证明了改进工艺的正确性。关键词:微电子机械系统;硅2玻璃阳极键合;硅深刻蚀;刻蚀损伤中图分类号:TN405.983　文献标识码:A　文章编号:167124776(2007)07/0820037203StudyonMethodstoProtectSiliconMicrostructuresfromtheDamagesinDeepReactiveIonEtchingRUANYong1,YEShuang2li1,ZHANGDa2cheng2,RENTian2ling1,LIULi2tian1(1.Micro/NanoDevicesandSystemsDivision,InstituteofMicroelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.InstituteofMicroelectronics,PekingUniversity,Beijing100871,China)Abstract:Newmethodsforimprovingthequalityofthesilicondeepreactiveionetching(DRIE)procedurewereinvestigated.ItsuggestedthataPECVDoxidelayerwasdepositedatthesiliconsidewallandathermaloxidelayerwasformedatthesiliconbackside.DuetothesilicontoSiO2etchingselectivity(120∶1～125∶1),theseoxidelayerscouldprotectthesiliconmicrostructuresfromthedamagescausedbythelagandfootingeffectsusuallyoccurredinthebasicsilicon2on2glass(SOG)process.TheSEMresultconfirmsthatthesiliconstructurecanendurealongtimeoveretchandthestructuresurfacecanremainintactbythemodifiedprocesses.Thegyroscopede2vicetestresultsarealsoingoodagreementwithnewprocessmethods.Keywords:MEMS;silicon2glassanodicbonding;siliconDRIE;etchingdamage1　引　言在(MEMS)器件的制备中,硅反应离子刻蚀是一项重要的加工技术,特别在体硅与玻璃键合的MEMS结构上(SOG),硅反应离子深刻蚀更是被广泛使用。由于SOG结构MEMS器件使用的单晶硅材料没有残余应力,这一特性更加适用于如陀螺、加速度计等惯性器件的使用。而且高深宽比的硅结构(highaspectratiosilicon,HARS)能够使器件具有更高的灵敏度[123]。因此,很多类型的高密度等离子体刻蚀设备被不断开发出来。感应耦合等离子体刻蚀是一种应用较广的设备,其代表有英国STS公司的ASE○R工艺[426]。在高深宽比刻蚀中与刻蚀速率有关的包括刻蚀尺寸与面积、形貌、深宽比以及刻蚀工艺参数(刻蚀、钝化交替时间,线圈功率,偏压,气体压力,气体流速,收稿日期:2007204202© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net微纳电子技术　2007年第7/8期 38 MicronanoelectronicFechnology/July～August2007气流方向,自动压控角等)。窄槽通常情况下会比宽槽的刻蚀速度慢,叫做lag效应。在SOG结构器件的硅/玻璃界面由于过刻蚀会造成横向钻蚀,这种效应叫footing/notching效应,由于footing/notching与lag效应的影响,在刻蚀过程中会造成硅结构的侧壁与底部的损伤。对于footing/notching与lag效应的特性以及消除受到越来越多的关注[728]。 研究人员针对这一现象,提出了许多改进方法,例如STS公司将13.56MHz的射频等离子发生源改为380Hz,在快完成刻蚀时,降低刻蚀速率和等离子体的密度,但是该方法需要调整硬件,并且切换射频源的时机不易掌握[6],MatsuuraT和KimCH等人[728]提出使用金属层放置在玻璃表面或硅结构底部,用以抑制刻蚀结构底部的电荷聚积,YoshidaY等人[9]使用indiumtinoxide(ITO)层代替金属层,效果与金属类似。这些方法会引入寄生电容,也会使玻璃上金属连线的布局较困难。本文提出了一种基于硅2玻璃键合结构控制硅刻蚀损伤的方法,实验结果证明,该方法可以较好地抑制footing/notching效应的影响[10212]。2　原理与方法图1(a)给出了SOG结构刻蚀时由于footing/图1　硅深刻蚀原理示意图notching效应,宽槽部分刻蚀完成后,窄槽部分仍然没有刻蚀穿通,但是对于整个结构又需要释放,那么宽槽部分过刻蚀就是必然的。过刻蚀会造成宽槽结构的侧壁与底部损坏。原因是由于刻蚀正离子在玻璃绝缘结构底部聚集,使得刻蚀离子的方向发生改变,损伤硅结构侧壁与底部。图1(b)是提出的一种硅2玻璃键合结构控制硅刻蚀损伤的方法,在硅正常深刻蚀后在硅结构侧壁加入SiO2作为刻蚀保护层(硅与SiO2的刻蚀选择比为120∶1～125∶1),在该步工艺中会出现由于Lag效应造成的宽窄槽刻蚀速率不同即深浅不同的情况,用RIE的方法去除硅底部氧化层,硅2玻璃键合后KOH湿法减薄硅结构,最后ICP刻蚀穿通硅结构完成结构释放。由于硅的侧壁和底部始终有氧化硅保护,因此可以抑制footing效应造成的影响。3　实验与讨论基本工艺的改进如图2所示,(a)热氧化30nmSiO2,LPCVD100nmSi3N4,光刻形成图案;(b)RIESi3N4,BHF湿法(V(DI)∶V(HF)=6∶1)过腐蚀SiO2;(c)去胶,KOH浅槽湿法腐蚀4±0.5μm,去K+;(d)热氧化300nmSiO2;(e)RIESi3N4层;(f)HF湿法去SiO2(V(DI)∶V(HF)=10∶1),台阶表面没有氧化层,硅底部仍然有氧化层;(g)表面注入重掺杂;(h)玻璃上溅射Ti/Pt/Au层,剥离形成金属电极;(i)硅/玻璃阳极键合,KOH减薄;(j)溅射60nm铝,光刻剥离形成图案,ICP刻蚀;(k)PECVD淀积表面和侧壁;(l)STS公司AOE○R刻蚀氧化层;DRIE刻蚀,RIE穿通释放结构。图2　工艺步骤© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netMicronanoelectronicFechnology/July～August2007 39 微纳电子技术　2007年第7/8期由于在硅结构侧壁和底部的氧化硅层的保护,硅与氧化硅的刻蚀选择比为120∶1～125∶1,lag效应和footing效应的影响可以避免,图3为工艺结果的扫描电镜照片,经过6min的过刻蚀,硅结构仍然完整。图3　工艺结果(经过6min过刻蚀)本方法应用于陀螺结构,如图4所示。标准工艺为没有SiO2层的测试结果,新体硅工艺是有SiO2层的测试结果。经测试可得具有SiO2层的方法确实可以提高器件性能。图4　陀螺性能对比测试结果4　结　论论文提出的方法经过实验验证,可得硅结构经过刻蚀后仍然完整。由于在刻蚀时硅与SiO2的选择比为1∶120～1∶125,而在刻蚀的硅结构侧壁和底部均有SiO2层,经过DRIE过刻蚀4～10min,硅结构仍然完整。而且SiO2层具有高介电常数,对于电容式MEMS器件具有提高器件电容值和线性灵敏度特性的功能,并且可以提高器件结构完整性和成品率。今后对于该方法在简化工艺步骤和调整工艺参数方面需要进一步研究。感谢北京大学微米/纳米微加工重点实验室李婷和王颖老师的讨论和帮助。参考文献:[1]　LIZH,YANGZC,XIAOZX,etal.Abulkmicromachinedvibratorylateralgyroscopefabricatedwithwaferbondinganddeeptrenchetching[J].SensorsandActuators,2000,A83(123):24229.[2]　SANGJUNP,JONGPALK,DONGHUNK,etal.AnewisolationmethodforsinglecrystalsiliconMEMSanditsappli2cationtoZ2axismicrogyroscope[C]//IEEEInternationalE2lectronDevicesMeeting(IEDM).US,2003,39:9692972.[3]　ISHIHARAK,YUNGCF,AYδNAA,etal.Inertialsen2sortechnologyusingDRIEandwaferbondingwithintercon2nectingcapability[J].JMicroelectromechSyst,1999,8(4):4032408.[4]　CRAIGIECJD,SHEEHANT,JOHNSONVN,etal.Poly2merthicknesseffectsonBoschetchprofiles[J].JVacSciTechnol,2002,B20(6):222922232.[5]　ABRAHAMIC,WOODWORTHJR,RILEYME,etal.ElectricalandplasmapropertymeasurementsofadeepreactiveionetchingBoschProcess[J].JVacSciTechnol,2003,B21(3):111221119.[6]　LARMERF,SCHILPA.Methodofanisotropicallyetchingsilicon:US,5501893[P].1996203226.[7]　MATSUURAT,CHABLOZM,JIAOJ,etal.Amethodtoevadesiliconbacksidedamageindeepreactiveionetchingforanodicallybondedglass2siliconstructures[J].SensorsandAc2tuators,2001,A89(122):71275.[8]　KIMCH,KIMYK.Preventionmethodofanotchingcausedbysurfacecharginginsiliconreactiveionetching[J].JMicro2mechMicroeng,2005,15:3582361.[9]　YOSHIDAY,KUMAGAIM,TSUTSUMIK.Studyofsili2conbacksidedamageindeepreactiveionetchingforbondedsil2icon-glassstructures[J].MicrosystemTechnology,2003,9(1-2):1672170.[10]　ZOUH.AnisotropicSideepbeametchingwithprofilecon2trolusingSF6/O2Plasma[J].MicrosystemTechnologies,2004,10(829):6032607.[11]　MATSUURAT,CHABLOZM,JIAOJ,etal.Amethodtoevadesiliconbacksidedamageindeepreactiveionetchingforanodicallybondedglass2siliconstructures[J].SensorsandActuators,2001,A89(122):71275.[12]　MCAULEYSA,ASHRAFH,ATBOL,etal.Siliconmi2cromachiningusingahigh2densityplasmasource[J].JApplPhys,2001,34(18):276922774.作者简介:阮　勇　(1976—),男,1998年毕业于西安电子科技大学计算机系,2000年北京大学微电子所硕博连续,研究方向为微电子机械系统(MEMS)器件及工艺,2006年清华大学微电子所博士后,主要研究方向为MEMS工艺、器件和MOCVD制备PZT薄膜材料及其在铁电、压电器件方面的应用,E2mail:ruanyong@tsinghua.edu.cn。© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net