專利名稱：用于mems微機(jī)械加工的多層絕緣體上的硅材料及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于MEMS微機(jī)械加工的多層SOI (絕緣體上硅)材 料及方法，屬于SOI材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于體硅材料自身的局限性，SOI材料已經(jīng)成為在MEMS領(lǐng)域硅材料 最有力的候選和替代之一。在SOI結(jié)構(gòu)中，單晶硅薄膜與單晶硅襯底之間通 過絕緣埋層加以隔離，埋層的存在之于MEMS工藝應(yīng)用體現(xiàn)出諸多優(yōu)點 作為硅的各向異性刻蝕中的腐蝕停止層，二氧化硅和氮化硅對于KOH和四 甲基氫氧化銨(TMAH)腐蝕液都能非常好的自停止腐蝕，和電化學(xué)自停腐蝕 相比硅片不需要電連接，而且能夠批量生產(chǎn)；二氧化硅在進(jìn)行表面微機(jī)械加 工時可以作為犧牲層；有二氧化硅用來做電介質(zhì)絕緣，因此這種晶片漏電流 低，在髙溫下應(yīng)用可以達(dá)到400X:。 SOI的頂層硅具有單晶質(zhì)量，具有優(yōu)異的 力學(xué)性質(zhì)如屈服強度高、殘余應(yīng)力小以及抗疲勞性好等。SOI圓片制備的微 機(jī)械系統(tǒng)還非常有利于實現(xiàn)與CMOS電路集成，這是MEMS最重要的一個 發(fā)展方向，也是近年來髙性能的SOI基MEMS受到越來越多的關(guān)注和研究 的原因。從整個系統(tǒng)的角度來說，SOI材料所帶來的工藝穩(wěn)定性也是體硅材 料所不可比擬的，因此采用SOI晶片制備的MEMS產(chǎn)品良品率較之體硅上 的同類產(chǎn)品也會有顯著的提高。
盡管如此，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，SOI之于MEMS的諸多優(yōu)勢依然不能完 全的得到體現(xiàn)和發(fā)揮。本發(fā)明的目的就是提出一種更有利于MEMS器件實 現(xiàn)的多埋層SOI材料。
本發(fā)明的目的在于提供一種本發(fā)明用于MEMS微機(jī)械加工的多層SOI 材料及方法，可將方便地用于MEMS復(fù)雜結(jié)構(gòu)和器件加工的多層SOI襯底 材料，在單片襯底上充分的發(fā)揮傳統(tǒng)單層SOI用于MEMS的各種優(yōu)點，達(dá) 到提高M(jìn)EMS器件的良品率，拓展SOI-MEMS的應(yīng)用范圍的目的。
本發(fā)明所涉及的用于MEMS器件的多層SOI材料，包括兩層、三層或 多層絕緣介質(zhì)，由這些絕緣介質(zhì)所隔離開來不同層的單晶硅，在MEMS器 件的結(jié)構(gòu)中起到不同的作用，而不同的絕緣介質(zhì)也可以在器件加工過程和器 件工作時起到不同的功能，如作為電學(xué)隔離層、腐蝕停止層或者犧牲層，從 而使一些特定的MEMS結(jié)構(gòu)和器件實現(xiàn)起來更為方便，可靠性和長期穩(wěn)定 性也得到提高。本發(fā)明所涉及的多層SOI結(jié)構(gòu)其特征在于具有單晶硅一絕 緣埋層一單晶硅一絕緣埋層一單晶硅相疊分布的雙埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料或
單晶硅一絕緣埋層一單晶硅一絕緣埋層一單晶硅一絕緣埋層一單晶硅的三 埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料以及更多疊加層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述的絕緣埋層包括二氧 化硅、氮化硅或二氧化硅和氮化硅的復(fù)合埋層，整個復(fù)合材料中所有的埋層 為同一種材料或者各種材料的組合。用于埋層的二氧化硅包括采用SIMOX (注氧隔離)或熱氧化形成的和CVD方法生長的二氧化硅；氮化硅由CVD 方法制備，復(fù)合埋層是以上各種方法形成的介質(zhì)的組合，可以通過調(diào)節(jié)組合 的兩者厚度比的方法比來調(diào)整整個圓片的應(yīng)力減少多層結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力；各 埋層的厚度均在0.2Mm-10Mm之間，以滿足MEMS器件加工時作為介質(zhì)隔離 或者犧牲層的厚度要求。頂層和中間部分的單晶硅層厚度在lum-lOOum之 間，以方便地在頂層即器件層實現(xiàn)各類MEMS結(jié)構(gòu)需要；并且在材料制備 過程還可根據(jù)需要進(jìn)行P型或N型摻雜。
本發(fā)明所提出的材料的制備方法
對于(圖1)所示的雙埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料
1、采用雙面拋光的SOI圓片和單晶硅片，在SOI的頂層或者硅片表面 或者以上兩個表面都生長埋層氧化層，所述的埋層氧化層為二氧化硅、氮化硅或兩者的組合；根據(jù)需要在其中一個表面采用CVD方法生長氮化硅；
2、經(jīng)過半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗后，采用Ar等離子體轟擊5 120秒以增加表 面活性，通過常溫真空狀態(tài)下硅一硅直接鍵合或熔融鍵合，鍵合面為SOI 的頂層硅面和硅片生長介質(zhì)的表面，熔融鍵合的溫度范圍在200 5001C，壓 力范圍lbar-50bar，鍵合后經(jīng)2小時以上的卯0-110(TC的高溫退火過程，然 后通過研磨和化學(xué)機(jī)械拋光或者智能剝離獲得所需厚度和粗糙度的雙層SOI 結(jié)構(gòu)。
對于(圖2)所示的三埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料
1、 采用雙面拋光的SOI圓片，在其中一片SOI的頂層或者兩個界面都 生長氧化層，所述的埋層氧化層為二氧化硅、氮化硅或兩者的組合；根據(jù)具 體需要可以在其中一個表面采用CVD方法生長氮化硅。
2、 經(jīng)過半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗后，采用Ar等離子體轟擊5 120秒增加 表面活性，通過常溫真空狀態(tài)下硅硅直接鍵合或熔融鍵合，鍵合接觸面為兩 片SOI的頂層硅面。熔融鍵合的溫度范圍在200 500C，壓力范圍 lbar-50bar,鍵合后經(jīng)2小時以上的900-1100C的高溫退火過程，然后通過 研磨和化學(xué)機(jī)械拋光獲得所需厚度和粗糙度的三層SOI結(jié)構(gòu)。
二氧化硅和氮化硅在硅各向異性腐蝕和深反應(yīng)離子束刻蝕中作為腐蝕 停止層或者作為犧牲層以及電學(xué)隔離層的作用可以在多層SOI材料的 MEMS加工過程中得到結(jié)合，從而避免了傳統(tǒng)單層SOI材料在MEMS應(yīng)用 中的局限。例如在壓力傳感器的應(yīng)用中，單層SOI材料的絕緣埋層可以作為 壓阻讀出機(jī)制中的電學(xué)隔離或者作為腐蝕停止層獲得平滑、厚度準(zhǔn)確的應(yīng)力 薄膜，但是兩者卻木能兼顧，多層SOI材料則很好的解決了這一矛盾。氮化 硅作為絕緣埋層或者絕緣埋層的一部分用于調(diào)節(jié)應(yīng)力而且可以發(fā)揮更好的
這也是MEMS最重要的發(fā)展方向。在本發(fā)明中的制備方法所涉及的核心工 藝如硅硅鍵合和化學(xué)機(jī)械拋光都是相對比較成熟的工藝，是容易實現(xiàn)的。


圖1為本發(fā)明中雙層埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料的側(cè)視圖，
圖2為本發(fā)明中三埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料的側(cè)視圖，
圖3為圖1所示的雙埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料的制備過程，(a)待鍵合的單晶 硅片和SOI片，(b)氧化后的SOI片和硅片，(c)鍵合和高溫加固(虛線部分 為采用智能剝離時的起泡位置)，(d)磨平和拋光；
圖4為圖2所示的三埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料的制備過程，(a)待鍵合的SOI 片，(b)氧化后的SOI片，(c)鍵合和髙溫加固，(d)磨平和拋光；
圖中l(wèi)單晶硅，2二氧化硅、氮化硅或二氧化硅和氮化硅的復(fù)合層，3 待鍵合的雙面拋光的SOI圖片
脈雄襯
本發(fā)明中用于MEMS微機(jī)械加工的的雙層SOI材料和三層SOI材料的 具體制備過程舉例，通過實施例的描述將進(jìn)一步將有助于理解本發(fā)明，但并 不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
實施例l
對于雙層SOI材料，如圖3(a)所示，采用雙面拋光的SOI圓片和單晶硅 片，在SOI的頂層和硅片表面生長氧化層，如圖3(b)。經(jīng)過半導(dǎo)體RCA標(biāo) 準(zhǔn)清洗后，采用Ar等離子體轟擊5 120秒增加表面活性后，通過真空狀態(tài) 下熔融鍵合，鍵合面為SOI的頂層硅面和硅片下表面，熔融鍵合的溫度取 500度，壓力范圍lObar,鍵合后經(jīng)2小時1100度的高溫退火過程，鍵合過 程如圖3(c)中所示。最后如圖3(d)所示，通過研磨和化學(xué)機(jī)械拋光獲得所需 厚度和粗糙度的雙層SOI結(jié)構(gòu)。
實施例2
對于三層SOI材料，如圖4(a)所示，采用兩片雙面拋光的SOI圓片，在 SOI的表面生長氧化層，如圖4(b)。經(jīng)過半導(dǎo)體RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗后，采用Ar 等離子體轟擊5 120秒增加表面活性后，通過真空狀態(tài)下熔融鍵合，鍵合
面為兩片SOI的頂層硅面，熔融鍵合的溫度取500度，壓力范圍10bar,鍵 合后經(jīng)2小時1100度的髙溫退火過程，鍵合過程如圖4(c)中所示。最后如 圖2或圖4(d)所示，通過研磨和化學(xué)機(jī)械拋光獲得所需厚度和粗糙度的三層 SOI結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種用于MEMS微機(jī)械加工的多層SOI材料，其特征在于所述的SOI材料具有單晶硅-絕緣埋層-單晶硅-絕緣埋層-單晶硅相疊分布的雙埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料，或單晶硅-絕緣埋層-單晶硅-絕緣埋層-單晶硅-絕緣埋層-單晶硅的三埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料，或更多疊加層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
8、 按權(quán)利要求8所述的用于MEMS微機(jī)械加工的多層SOI材料的制備 方法，其特征在于作為埋層氧化層的二氧化硅采用注氧隔離、熱氧化或CVD 方法生長氧化硅則由CVD方法生長；復(fù)合埋層則是所述方法形成的介質(zhì) 組合。
9、 按權(quán)利要求8所述的用于MEMS微機(jī)械加工的多層SOI材料的制備 方法，其特征在于在生成雙埋層或三埋層結(jié)構(gòu)的SOI材料中，在雙面拋光的 SOI圓片或單晶硅片上采用CVD方法生長氮化硅。
10、 按權(quán)利要求1或2所述的用于MEMS微機(jī)械加工的多層SOI材料 的應(yīng)用，其特征在于在壓力傳感器中，氮化硅絕緣埋層或絕緣埋層一部分用 于調(diào)節(jié)應(yīng)力或用于溝槽隔離的IC電路和MEMS元件的單片集成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域的多層SOI材料及制備方法，其特征在于采用SOI(Silicon-On-Insulator絕緣體上的硅)材料或者具有類SOI的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)襯底，采用硅硅直接鍵合或熔融鍵合、結(jié)合研磨和拋光或者智能剝離的方法獲得具有晶體硅層和絕緣埋層相疊分布的多層結(jié)構(gòu)的SOI材料。該材料可便利的實現(xiàn)特定的MEMS復(fù)雜器件的制造，精確控制器件中的某些特征尺寸，從而完善SOI之于MEMS的應(yīng)用。對于一些溝槽隔離的微機(jī)械加工的微電子器件，該材料也是其實現(xiàn)單片集成的有效解決方案。
文檔編號H01L21/762GK101110428SQ200710043680
公開日2008年1月23日 申請日期2007年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月11日
發(fā)明者孫佳胤, 武愛民, 曦 王, 靜 陳 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所