專利名稱:一種減少埋層空洞型soi晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制備工藝,尤其是一種減少埋層空洞型SOI晶片拋光加工過程中容易產(chǎn)生頂層硅膜破裂的工藝,屬于微電子材料工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
MEMS技術(shù)發(fā)展迅速,SOI MEMS技術(shù)受到越來越廣泛的重視。在S0IMEMS技術(shù)中常需要在埋層結(jié)構(gòu)中制造圖形,形成埋層空洞型SOI結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了埋層空洞型SOI晶片產(chǎn)品被開發(fā)出來。芬蘭Okmetic公司、美國IceMOS公司已開始銷售埋層空洞型SOI晶片(Cavity SOI)產(chǎn)品。國內(nèi)中國電子科技集團(tuán)公司第48所、中國電子科技集團(tuán)公司第M所和上海新傲科技均已掌握關(guān)鍵技術(shù)。埋層空洞型SOI晶片(Cavity SOI)制備的主要步驟,包括氧化、刻蝕、鍵合、減薄、拋光五個過程。MEMS器件常要求埋層空洞型SOI晶片的頂層硅膜厚度在Iym-IO μ m。 由于頂層硅膜很薄,在最終拋光時空洞內(nèi)的氣壓(或真空)受摩擦熱(或外部正壓)的影響,使得空洞位置的頂層硅膜變形甚至破裂,因而使得頂層硅膜厚度一致性變差,產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至報廢。通常厚膜SOI晶片制備工藝中,鍵合過程主要有真空鍵合和常壓鍵合兩種,如
圖1 所示,通過鍵合形成了 “硅/ 二氧化硅/硅”三層結(jié)構(gòu)。對空洞型SOI晶片而言經(jīng)真空鍵合后,鍵合腔3存在負(fù)壓。當(dāng)鍵合的SOI晶片減薄至3 μ m-10 μ m時,如圖2所示,鍵合腔3 的內(nèi)外壓力差就會導(dǎo)致空洞型SOI晶片的頂層硅膜下凹5。經(jīng)常壓鍵合后,鍵合腔3氣壓為一個大氣壓。在最終拋光時的研磨作用刻導(dǎo)致被拋SOI晶片的接觸面溫度升高20°C以上, 如圖3所示,鍵合腔3內(nèi)的氣體因受熱膨脹致空洞型SOI晶片的頂層硅膜上凸6。而且鍵合腔3的頂層硅膜7越薄,變形越嚴(yán)重,直至破裂。所述破裂是指埋層空洞型SOI晶片的頂層硅膜完整性遭到破壞。可以說,減少破裂是進(jìn)一步提高埋層空洞型SOI晶片品質(zhì)的一個重要課題。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的SOI晶片制備工藝使得埋層空洞型SOI晶片中空洞位置的頂層硅膜容易變形甚至破裂,從而導(dǎo)致頂層硅膜厚度一致性變差,產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至報廢的不足, 本發(fā)明旨在提供一種減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,該工藝可以有效地減少Sih CMP過程中埋層空洞型SOI晶片頂層硅膜的破裂,改進(jìn)SDB (Silicon-silicon Direct Bonding)工藝,提高埋層空洞型SOI晶片的品質(zhì)和成品率。為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是所述減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,包括如下步驟a)、氧化;對硅襯底進(jìn)行氧化,在硅襯底表面形成二氧化硅介質(zhì)層;b)、刻蝕;刻蝕二氧化硅介質(zhì)層,在SW2介質(zhì)層表面開出窗洞,窗洞的底部至S^2 介質(zhì)層和硅襯底的臨界面,形成鍵合腔;
C)、鍵合;將刻蝕的硅襯底與一頂部硅層鍵合,形成“Si/Si02/Si”三層結(jié)構(gòu);d)、研磨;對鍵合好的“Si/Si02/Si”三層結(jié)構(gòu)的頂層硅膜進(jìn)行研磨;e)、拋光;繼續(xù)對頂層硅膜進(jìn)行拋光,直至將頂層硅膜厚度減薄至設(shè)定目標(biāo)厚度;其結(jié)構(gòu)特點是,在步驟b)之后,步驟C)之前,還包括設(shè)定鍵合腔內(nèi)壓力的步驟。所述設(shè)定鍵合腔內(nèi)壓力的步驟為,將硅材料的彈性模量、鍵合腔尺寸、頂層硅膜厚度等參數(shù)代入下式計算,根據(jù)埋層空洞型SOI晶片頂層硅膜厚度目標(biāo)值,計算壓差對頂層硅膜變形量的影響;
權(quán)利要求
1.一種減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,包括如下步驟a)、氧化;對硅襯底(4)進(jìn)行氧化,在硅襯底(4)表面形成二氧化硅介質(zhì)層O);b)、刻蝕;刻蝕二氧化硅介質(zhì)層0),在SiO2介質(zhì)層(2)表面開出窗洞,窗洞的底部至 SiO2介質(zhì)層(2)和硅襯底(4)的臨界面,形成鍵合腔(3);c)、鍵合;將刻蝕的硅襯底⑷與一頂部硅層(1)鍵合,形成“Si/Si02/Si”三層結(jié)構(gòu);d)、研磨;對鍵合好的“Si/Si02/Si”三層結(jié)構(gòu)的頂層硅膜(7)進(jìn)行研磨;e)、拋光;繼續(xù)對頂層硅膜(7)進(jìn)行拋光,直至將頂層硅膜(7)厚度減薄至設(shè)定目標(biāo)厚度;其特征是,在步驟b)之后,步驟c)之前,還包括設(shè)定鍵合腔(3)內(nèi)壓力的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,其特征是,所述設(shè)定鍵合腔(3)內(nèi)壓力的步驟為,將硅材料的彈性模量、鍵合腔C3)尺寸、頂層硅膜 (7)厚度等參數(shù)代入下式(1)計算,根據(jù)埋層空洞型SOI晶片頂層硅膜(7)厚度目標(biāo)值,計算壓差對頂層硅膜(7)變形量的影響;rHP χ / χ wdh~^-= kr...................................... (1)t式中p為鍵合腔(3)內(nèi)壓力;1為鍵合腔( 長度;W為鍵合腔(3)寬度;h為鍵合腔 ⑶高度;t為頂層硅膜(7)厚度;T為溫度差;k為修正系數(shù),取值范圍為1. 6 4. 8 ;由式(1)計算出鍵合腔(3)內(nèi)壓力P,平衡化學(xué)機械研磨過程的熱致頂層硅膜(7)變形,根據(jù)計算出的鍵合腔(3)內(nèi)壓力值,設(shè)定晶片鍵合工藝過程的壓力參數(shù)值與計算出的鍵合腔(3)內(nèi)壓力值一致,再晶片鍵合,形成“Si/Si02/Si”三層結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,其特征是,所述研磨保留頂層硅膜(7)厚度至30μπι-80μπι。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,其特征是,所述拋光包括粗磨和精拋兩個過程,采取兩級S^2 CMP藝,粗磨保留頂層硅膜(7)厚度至10 μ m-30 μ m,精拋通過調(diào)整拋光工藝參數(shù)達(dá)到最終目標(biāo)范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,其特征是,所述粗磨和精拋兩個過程選用不同的研磨參數(shù)、研磨料和研磨墊,兩級SiA CMP工藝過程不得交叉污染。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,其特征是,對厚度為300 μ m的硅襯底(4)進(jìn)行氧化,形成厚1 μ m的二氧化硅介質(zhì)層O); 然后刻蝕二氧化硅介質(zhì)層O),在SW2介質(zhì)層(2)表面開出3 μ mX3 μ m的窗洞,形成 3ymX3ymXlym鍵合腔(3);設(shè)定鍵合腔(3)內(nèi)壓力為0.45 X IO5Pa,研磨步驟將頂層硅膜(7)厚度從300 μ m減薄至45 μ m,拋光步驟將頂層硅膜(7)厚度減薄至5 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減少埋層空洞型SOI晶片化學(xué)機械研磨破裂的工藝,屬于微電子材料工藝技術(shù)領(lǐng)域。針對埋層空洞型SOI晶片(Cavity SOI)的化學(xué)機械研磨減薄,主要步驟為壓力設(shè)定、鍵合、粗磨、精拋,完成埋層空洞型SOI晶片的制作。根據(jù)SOI晶片頂層硅膜的最終厚度設(shè)定鍵合腔內(nèi)壓力,以及粗磨、精拋兩級化學(xué)機械拋光的步驟。通過設(shè)定鍵合腔內(nèi)壓力可以平衡化學(xué)機械研磨過程的熱致頂層硅膜變形,從而避免或減少SOI晶片頂層硅膜的破裂,提高了頂層硅膜厚度一致性,很好地控制了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了加工成本。
文檔編號H01L21/762GK102332423SQ201110136688
公開日2012年1月25日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者劉咸成, 朱宗樹, 蔣超, 賈京英, 顏秀文 申請人:湖南紅太陽光電科技有限公司