專利名稱：硅基單面加工懸浮結構微機械電感的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體器件及集成電路制作技術領域，特別涉及硅基單面加工懸浮結構微機械電感的制作方法。
背景技術：
九十年代以來，無線通訊系統的集成度不斷提高，利用硅工藝制作單片射頻集成電路(RFIC)，已成為目前IC的研究熱點。電感是無線通信系統中的重要元件，它的質量直接決定了整個電路的性能。目前集成電路中廣泛采用CMOS工藝，各種工藝參數、加工步驟已經形成了行業標準。若采用CMOS標準工藝將電感集成到硅集成電路中，可以很容易的實現射頻無源元件和CMOS電路的兼容，但由于硅襯底的寄生效應，得到的電感值、Q值均非常有限，不利于系統整體性能的提高。微機械(MEMS)技術的發展為硅RFIC提供了新的解決方案，已經成為目前射頻電路、器件研究中的一個重要領域。由于采用犧牲層、深刻蝕等工藝，硅微機械平面螺旋電感可以有效控制集成電路中的各種寄生效應，明顯提高電感的性能，人們已經研制出不同結構、不同制作方法的微機械平面螺旋電感。
目前，已經比較成熟的微機械工藝技術主要有各向異性體硅腐蝕技術、干法刻蝕技術、硅片鍵合(bonding)技術、厚正性光刻膠刻蝕技術、犧牲層技術等等。適當的采用這些工藝，可以制作出性能良好的微機械器件，但由于這些硅微機械加工工藝中存在與CMOS工藝不兼容的步驟，不利于系統的單片集成。
目前已有了采用各向異性體硅腐蝕方法制作的平面螺旋結構微機械電感，其結構如圖1及圖2所示，其制作方法如下。
(1)在硅片正面淀積一層絕緣膜，作為懸浮結構支撐膜1；(2)從硅片背面采用體硅腐蝕工藝腐蝕出空腔6，只留下絕緣支撐膜；(3)在支撐膜上依次制作螺旋結構電感下層金屬布線2、螺旋結構上下層連線之間的絕緣層4、上下層連線的接觸孔3、螺旋結構電感上層線圈5；(4)在沒有去除硅襯底8的位置用標準工藝制作CMOS電路7(未作詳細表示)，實現系統集成。
這種結構通過去除線圈下面的硅襯底來消除襯底的損耗，從而減小寄生效應，同時實現無源元件和有源CMOS電路的單片集成。其優點是通過徹底去除襯底，可以將電感的性能做的非常好，得到高性能的元件。其缺點是工藝過于復雜，需要雙面加工，工藝難度大。同時由于體硅腐蝕工藝與CMOS兼容性不好，制作過程中必須對硅CMOS電路進行良好的保護，否則將造成系統的失效。這些都決定了這種設計難以得到廣泛的應用。
發明內容
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種硅基單面加工懸浮結構微機械電感的制作方法，采用多孔硅犧牲層技術，在硅襯底上用單面工藝制作出懸浮結構，可制作出與CMOS工藝完全兼容同時保證電路性能的電感元件。
本發明包括以下步驟1)備片、清洗以厚度為400-600μm、單面拋光的硅片作為襯底，采用硫酸＋雙氧水煮沸的方法進行清洗后去離子水漂洗并烘干；2)氧化將準備好的硅片放入氧化爐中，在1000-1100℃下與純氧氣反應，在硅片的拋光面生成45-55nm的二氧化硅作為去應力層；3)淀積氮化硅阻擋層采用化學氣相淀積的方法，在硅片正面形成厚度為180-220nm的氮化硅，作為后續工藝“陽極氧化”的阻擋層；4)第一次光刻，刻蝕氮化硅阻擋層對已淀積了氮化硅的硅片進行光刻，暴露出需要去除的氮化硅區域，然后進行刻蝕，去除待陽極氧化區域的氮化硅，露出下面的二氧化硅層；5)刻蝕二氧化硅將暴露的二氧化硅去除，露出硅襯底，然后將光刻膠去除；6)陽極氧化，形成多孔硅在15～25％的氫氟酸溶液中進行陽極氧化，氧化的電流密度為40±5mA/cm2，在暴露的硅片正面生成厚度為15-30μm的多孔硅；7)去除二氧化硅、氮化硅將生成好多孔硅的硅片置于8％～10％的氫氟酸溶液中常溫浸泡2～3小時，徹底除去硅片表面的二氧化硅和氮化硅，此工序的目的在于提高后續工藝中薄膜與硅襯底的接觸，提高器件的整體質量；8)淀積二氧化硅在硅片正面淀積厚度為500±50nm的二氧化硅，作為懸浮結構的支撐薄膜；9)致密將淀積了二氧化硅薄膜后的硅片在氧氣中加熱至900～1000℃，保持20～30分鐘，進行致密，以改善二氧化硅薄膜的力學性能，提高薄膜的質量；10)在硅片上濺射鋁根據電學設計參數的要求，在硅片上濺射厚度為400～600nm的鋁，作為下層金屬；11)第二次光刻，腐蝕鋁，形成下層鋁線首先在鋁表面形成一定的起保護作用的光刻膠圖形，然后進行腐蝕，形成滿足設計要求的下層鋁線圖形，腐蝕完畢后將光刻膠去除；12)淀積氮化硅絕緣層采用等離子體化學氣相淀積的方法，在硅片正面淀積300nm±50nm的氮化硅，作為兩層金屬之間的絕緣層；13)第三次光刻，刻蝕氮化硅絕緣層在氮化硅絕緣層上刻蝕出兩層金屬間的接觸孔，以便進行兩層金屬的互聯；14)在絕緣層上濺射鋁，作為上層金屬根據電路設計參數的要求，濺射厚度為1～5μm的鋁；15)第四次光刻，腐蝕鋁，形成上層鋁線采用與第11步工藝相同的光刻、腐蝕、去膠工藝，對鋁進行腐蝕，形成滿足設計要求的上層鋁線圖形；
16)合金將形成了雙層金屬的硅片置于400～500℃環境中，同時通入保護氣體，加熱25±5分鐘，進行合金，以改善兩層金屬鋁的接觸，減小接觸電阻，提高電感性能；17)第五次光刻，形成釋放孔采用采用與第4、第5步相同的光刻及刻蝕工藝，形成一些腐蝕孔，暴露出多孔硅，以便進行多孔硅的釋放，最后將光刻膠去除；18)釋放多孔硅將硅片置于摻入硅粉和過硫酸銨的四甲基氫氧化銨溶液中，在水浴中加熱15～30分鐘，進行多孔硅的釋放，形成懸浮結構；19)清洗、烘干將制作好的硅片用大量去離子水浸泡、清洗后置于不高于100℃烘箱中烘干。
上述第16步中的保護氣體可采用氮氣或氮氣氫氣混合氣體或其它保護氣體。
上述第18步中的溶液中各成分的質量濃度的一種實例為四甲基氫氧化銨5％、硅粉1.6％、過硫酸銨0.6％。
本發明的優點1，完全采用單面加工工藝，避免了雙面加工帶來的各種問題(如對準、雙面光刻等)。
2，創新性的提出了采用多孔硅犧牲層的懸浮MEMS結構，解決了去除襯底與加工難度之間的矛盾。
3，多孔硅的厚度、性質可以通過陽極氧化參數的設定進行控制，可用于不同結構、不同用途的元件。
4，采用特殊的濕法腐蝕液，可以在釋放多孔硅犧牲層時不腐蝕鋁，同時此腐蝕液不含堿金屬離子，完全與CMOS工藝兼容。
采用這種工藝流程，不僅可以制作出懸浮結構MEMS電感，而且可以制作采用類似懸浮結構的濾波器、振蕩器等，為微波MEMS器件的廣泛應用打下了良好的基礎。同時，完全的CMOS兼容工藝可以大大提高系統的集成度，降低系統成本，可望得到廣泛應用。
圖1為采用已有的工藝制作的懸浮結構螺旋電感結構剖面示意圖。
圖2為采用已有的工藝制作的懸浮結構螺旋電感及其電路應用示意圖。
圖3為采用本發明方法制作懸浮結構電感的工藝步驟實施例流程圖，其中圖3(1)為備片、清洗后得到的襯底；圖3(2)為氧化后的剖面圖；圖3(3)為淀積氮化硅后的剖面圖；圖3(4)為刻蝕過氮化硅后的剖面圖；圖3(5)為刻蝕過二氧化硅后的剖面圖；圖3(6)為陽極氧化形成多孔硅后的剖面圖；圖3(7)為去除二氧化硅、氮化硅后的剖面圖；圖3(8)為氣相淀積二氧化硅薄膜后的剖面圖；
圖3(9)為進行致密后的剖面圖(與(8)相同)；圖3(10)為濺射了下層金屬鋁后的剖面圖；圖3(11)為對鋁進行了刻蝕后的剖面圖；圖3(12)為淀積氮化硅絕緣層后的剖面圖；圖3(13)為刻蝕過氮化硅之后的剖面圖；圖3(14)為在絕緣膜上濺射上層金屬鋁后的剖面圖；圖3(15)為對上層金屬鋁進行刻蝕后的剖面圖；圖3(16)為合金后的剖面圖(與(15)相同)；圖3(17)為刻蝕過氮化硅、二氧化硅，形成多孔硅腐蝕孔后的剖面圖；圖3(18)為多孔硅釋放后的剖面圖。
圖4為采用本實施例方法制作的懸浮結構電感結構示意圖。
圖5為用于本實施例方法中的一種陽極氧化專用設備結構示意圖。
具體實施例方式
本發明的一種硅基單面加工懸浮結構微機械電感的制作方法實施例，如圖3所示。圖中，各層材料分別為a為硅襯底；b為熱氧化得到的二氧化硅層；c為低壓氣相淀積(LPCVD)得到的氮化硅；d為陽極氧化生成的多孔硅；e為低壓氣相淀積得到的二氧化硅支撐膜；f為下層金屬鋁；g為等離子體氣相淀積得到的氮化硅絕緣層；h為兩層金屬之間的接觸孔；i為上層金屬鋁；j為多孔硅腐蝕孔。
本實施例制作流程如下1)以厚度為550μm單面拋光的N型高攙雜硅片a(電阻率為0.01Ω·cm)作為襯底，將此硅片放入硫酸雙氧水混合溶液(按照濃硫酸∶雙氧水＝4∶1的體積比配置)中煮沸15分鐘，然后去離子水漂洗并烘干。如圖3(1)所示。
2)將硅片放入氧化爐中，在1050℃下與純氧氣反應15分鐘，在硅片正面生成49.3nm二氧化硅b。如圖3(2)所示。
3)采用低壓化學氣相淀積(LPCVD)方法，700℃下淀積50分鐘，在硅片正面形成厚度為200nm的氮化硅c，作為后續工藝“陽極氧化”的阻擋層。如圖3(3)所示。
4)在已淀積了氮化硅的硅片正面涂上負性光刻膠，依靠設計好的光刻版作為掩膜進行曝光。在光刻版上，不同區域的透光性質不同，由于負性光刻膠在光照下會形成不易溶解于顯影液的物質，因此在曝光后將整個硅片置于顯影液中，未曝光區域的光刻膠被溶解。這樣，一部分氮化硅暴露出來，而其余氮化硅被光刻膠保護。光刻結束的硅片經烘干后放置于反應離刻蝕(RIE)設備中，暴露的氮化硅被刻蝕，露出下面的二氧化硅，被光刻膠保護處的氮化硅不與這些離子反應。如圖3(4)所示。
5)氮化硅刻蝕結束后，將硅片置于氫氟酸-氟化銨緩沖溶液(簡稱為BHF溶液)中，暴露的二氧化硅與BHF溶液反應，被去除，暴露出硅襯底。然后用發煙硝酸將光刻膠去除。如圖3(5)所示。
6)在20％的氫氟酸溶液中進行陽極氧化，在暴露著的硅片正面生成多孔硅d。氧化的電流密度為40mA/cm2，反應時間10分鐘，反應后的硅片上形成了厚度為15μm的多孔硅。反應結束后用大量去離子水清洗，并烘干。如圖3(6)所示。
7)將硅片置于10％的氫氟酸溶液中常溫浸泡2小時15分，徹底除去硅片表面的二氧化硅和氮化硅。在浸泡過程中，通過目測及顯微鏡觀察確定是否反應徹底。如圖3(7)所示。
8)采用低壓化學氣相淀積的方法(LPCVD)，在硅片正面形成厚度為530nm的二氧化硅e，作為懸浮結構的支撐薄膜。如圖3(8)所示。
9)將硅片在純氧氣中加熱至960℃，保持30分鐘，進行致密。此工藝的目的是改善二氧化硅薄膜的力學性能，提高薄膜的質量，器件的結構和外形并不發生變化。如圖3(9)所示。
10)濺射500nm鋁，作為下層金屬f。如圖3(10)所示。
11)在已濺射了鋁的硅片正面涂上負性光刻膠，依靠設計好的光刻版作為掩膜進行曝光，在鋁膜表面形成一定的起保護作用的光刻膠圖形。然后將硅片置于磷酸中進行腐蝕。在未受到光刻膠保護的地方，鋁與磷酸反應，被腐蝕掉，其余地方的鋁未受腐蝕，形成滿足設計要求的下層鋁線圖形。為加快腐蝕速度，將腐蝕容器置于超聲裝置中，腐蝕時間為5分鐘。腐蝕完畢后用發煙硝酸將光刻膠去除。如圖3(11)所示。
12)采用等離子體化學氣相淀積(PECVD)的方法，在硅片正面淀積310nm的氮化硅g，作為兩層金屬鋁之間的絕緣層。如圖3(12)所示。
13)采用采用與第4步工藝相同的光刻工藝，在氮化硅表面形成一定的起保護作用的光刻膠圖形。將光刻結束的硅片置于反應離子刻蝕設備中進行反應，刻蝕6分鐘，暴露的氮化硅被刻蝕，而被光刻膠保護處的氮化硅不與這些離子反應。這樣，根據設計圖形，得到兩層金屬之間的接觸孔h，以便進行兩層金屬的互聯。刻蝕完畢后，使用發煙硝酸將光刻膠去除。如圖3(13)所示。
14)濺射1000nm鋁，作為上層金屬i。如圖3(14)所示。
15)采用與第11步工藝相同的光刻、腐蝕、去膠工藝，形成滿足設計要求的上層鋁線圖形。刻蝕時，將腐蝕容器置于超聲裝置中，腐蝕時間為10分鐘。腐蝕完畢后用發煙硝酸將光刻膠去除。如圖3(15)所示。
16)將已形成雙層金屬的硅片置于420℃環境中，同時通入氫氣、氮氣混合氣體(其體積比為H2∶N2＝1∶10)加熱25分鐘，進行合金。本工藝的目的在于改善兩層金屬鋁的接觸，減小接觸電阻，提高電學性能，器件的結構和外形并不發生變化。如圖3(16)所示。
17)采用與第4步工藝相同的光刻及刻蝕工藝，首先在硅片表面形成一定的光刻膠圖形，用反應離子刻蝕設備刻蝕作為絕緣膜的氮化硅，露出二氧化硅，然后用第5步工藝相同的腐蝕方法，用氫氟酸-氟化銨緩沖溶液腐蝕二氧化硅支撐膜，這樣就形成了腐蝕孔j，暴露出多孔硅，以便進行多孔硅的釋放。最后用發煙硝酸將光刻膠去除。如圖3(17)所示。
18)將硅片置于摻入硅粉和過硫酸銨的的四甲基氫氧化銨溶液(此溶液中各成分的質量濃度四甲基氫氧化銨5％、硅粉1.6％、過硫酸銨0.6％)中，在85℃水浴中加熱15分鐘，釋放多孔硅，形成懸浮結構。如圖3(18)所示。
19)將制作好的硅片用大量去離子水浸泡、清洗，然后置于80℃烘箱中烘干。
采用本實施例制作的懸浮結構電感結構如圖4所示。其中，1為懸浮結構支撐膜；2為螺旋結構電感下層金屬布線；3為上下層連線的接觸孔；4為螺旋結構上下層連線之間的絕緣層；5為螺旋結構電感上層線圈；8為硅襯底(1～5以及8均與與圖1、2中對應的結構相同)；9為多孔硅犧牲層腐蝕后得到的空腔，10為多孔硅腐蝕孔。與上述已有技術的方法相比，兩種結構的不同在于本發明方法制作的電感由于采用了單面工藝，不將硅襯底腐蝕穿。
本實施例中，采用了一個專用的陽極氧化設備，其結構示意圖如圖5所示。此陽極氧化容器由聚四氟乙烯制成，硅片13置于固定板12的孔內，密封圈11和固定板12將整個容器分隔為兩個部分，兩側各放置一鉑電極14。陽極反應時，兩個鉑電極分別接直流穩壓電源的正極和負極，由于固定板和密封圈將兩側陽極反應溶液(氫氟酸)15完全隔開，電流的唯一通路是經溶液穿過硅片。這樣，面對負電極的硅片成為電化學反應的陽極，發生陽極氧化，生成多孔硅。這種設計完全做到了單面加工，減小了工藝難度，提高了兼容性。
權利要求
1.一種硅基單面加工懸浮結構微機械電感的制作方法，包括以下步驟1)備片、清洗以厚度為400-600μm、單面拋光的硅片作為襯底，采用硫酸＋雙氧水煮沸的方法進行清洗后去離子水漂洗并烘干；2)熱氧化將準備好的硅片放入氧化爐中，在1000-1100℃下與純氧氣反應，在硅片的拋光面生成45-55nm的二氧化硅作為去應力層；3)淀積氮化硅阻擋層采用化學氣相淀積的方法，在硅片正面形成厚度為180-220nm的氮化硅，作為后續工藝“陽極氧化”的阻擋層；4)第一次光刻，刻蝕氮化硅阻擋層對已淀積了氮化硅的硅片進行光刻，暴露出需要去除的氮化硅區域，然后進行刻蝕，去除待陽極氧化區域的氮化硅，露出下面的二氧化硅層；5)刻蝕二氧化硅將暴露的二氧化硅去除，露出硅襯底，然后將光刻膠去除；6)陽極氧化，形成多孔硅在15～25％的氫氟酸溶液中進行陽極氧化，氧化的電流密度為40±5mA/cm2，在暴露的硅片正面生成厚度為15-30μm的多孔硅；7)去除二氧化硅、氮化硅將生成好多孔硅的硅片置于8％～10％的氫氟酸溶液中常溫浸泡2～3小時，徹底除去硅片表面的二氧化硅和氮化硅，以提高后續工藝中薄膜與硅襯底的接觸，提高器件的整體質量；8)淀積二氧化硅在硅片正面淀積厚度為500±50nm的二氧化硅，作為懸浮結構的支撐薄膜；9)致密將淀積了二氧化硅薄膜后的硅片在氧氣中加熱至900～1000℃，保持20～30分鐘，進行致密，以改善二氧化硅薄膜的力學性能，提高薄膜的質量；10)在硅片上濺射鋁根據電學設計參數的要求，在硅片上濺射厚度為400～600nm的鋁，作為下層金屬；11)第二次光刻，腐蝕鋁，形成下層鋁線首先在鋁表面形成一定的起保護作用的光刻膠圖形，然后進行腐蝕，形成滿足設計要求的下層鋁線圖形，腐蝕完畢后將光刻膠去除；12)淀積氮化硅絕緣層采用等離子體化學氣相淀積的方法，在硅片正面淀積300nm±50nm的氮化硅，作為兩層金屬之間的絕緣層；13)第三次光刻，刻蝕氮化硅絕緣層在氮化硅絕緣層上刻蝕出兩層金屬間的接觸孔，以便進行兩層金屬的互聯；14)在絕緣層上濺射鋁，作為上層金屬根據電路設計參數的要求，濺射厚度為1～5μm的鋁；15)第四次光刻，腐蝕鋁，形成上層鋁線采用與第11步工藝相同的光刻、腐蝕、去膠工藝，對鋁進行腐蝕，形成滿足設計要求的上層鋁線圖形；16)合金將形成了雙層金屬的硅片置于400～500℃環境中，同時通入保護氣體，加熱25±5分鐘，進行合金，以改善兩層金屬鋁的接觸，減小接觸電阻，提高電感性能；17)第五次光刻，形成釋放孔采用采用與第4、第5步相同的光刻及刻蝕工藝，形成一些腐蝕孔，暴露出多孔硅，以便進行多孔硅的釋放，最后將光刻膠去除；18)釋放多孔硅將硅片置于摻入硅粉和過硫酸銨的四甲基氫氧化銨溶液中，在水浴中加熱15～30分鐘，進行多孔硅的釋放，形成懸浮結構；19)清洗、烘干將制作好的硅片用大量去離子水浸泡、清洗后置于不高于100℃烘箱中烘干。
全文摘要
本發明屬于半導體器件及集成電路制作技術領域,包括:備片、清洗;熱氧化;淀積氮化硅阻擋層;第一次光刻,刻蝕氮化硅阻擋層;刻蝕二氧化硅;陽極氧化,形成多孔硅;去除二氧化硅、氮化硅;淀積二氧化硅支撐膜;致密;在硅片上濺射鋁;第二次光刻,腐蝕鋁,形成下層鋁線;淀積氮化硅絕緣層;第三次光刻,刻蝕氮化硅絕緣層;在絕緣膜上濺射鋁,作為上層金屬;第四次光刻,腐蝕鋁,形成上層鋁線;合金;第五次光刻,形成釋放孔;釋放多孔硅;清洗、烘干。本方法不僅可以制作出懸浮結構MEMS電感,而且可以制作采用類似懸浮結構的濾波器、振蕩器等,同時,完全的CMOS兼容工藝可以大大提高系統的集成度,降低系統成本,可望得到廣泛應用。
文檔編號H01F41/00GK1334594SQ0113079
公開日2002年2月6日 申請日期2001年8月24日 優先權日2001年8月24日
發明者劉澤文, 丁勇, 劉理天, 李志堅 申請人:清華大學