4.3微机械工艺的主要技术.ppt

4.3 微机械工艺的主要技术 ; 最初的SOI工艺是在非晶衬底(如SiO2)上沉积硅膜，衬底上沉积的硅膜只能是非晶硅或多晶硅，要获得单晶硅还需要再结晶， 图 4-23 是用条形加热源使沉积的多晶硅膜再结晶， 以制作SOI晶片的一种方法。制作过程是： (1) 在平整的硅衬底上氧化生成一个SiO2薄层。 (2) 利用光刻方法在SiO2上刻出一定的图形， 图形内裸露出硅。 (3) 在表面上气相淀积一层厚 0.5~1 μm的多晶硅。 (4) 加上热源使多晶硅熔化， 一直熔到硅衬底上， 对熔硅来说这时衬底起籽晶作用。 (5) 横向移动热源， 在氧化层上横向生长出单晶硅。 ;图 4 - 23 用条形加热源使多晶硅膜再结晶，制作SOI晶片 ; 这种方法主要缺点是不能用来制作大面积SOI晶片。 SIMOX(Separation by Ion Implantation of Oxygen)是目前工业上制造SOI晶片的主要技术，也是最成熟的技术。利用SIMOX可制作 4~8 英寸的晶片，而且晶片上部的硅层(0.2 μm)能够满足LSI电路要求，SiO2埋层在整个晶片中都具有很高的质量。其主要的制作过程是在硅衬底中注入氧离子，然后进行高温退火。 氧离子的注入剂量为 1.8×1018 cm-2，远高于普通的注入剂量。 ; 为了防止衬底非晶化，需要在 500 ℃时进行离子注入，而且注入剂量、 离子束方向和离子能量都需要严格控制， 高温退火(1 300 ℃)几乎可以消除注入过程中产生的所有缺陷。例如用SIMOX技术制作上部硅层厚 200 nm，SiO2埋层厚 400 nm的SOI晶片的位错密度小于 105 cm-2，通过SiO2埋层的漏电流密度小于 0.1 nAcm-2。 ; 利用SDB(Silicon Wafer Direct Bonding)方法，可获得与本体硅同样质量的硅膜，具有缺陷少、界面态低、工艺简单等优点， 是另一种制作大面积SOI晶片的方法。 SDB键合主要依靠氧化了的硅片表面具有很强的亲水性，在一定温度下，硅片重合的界面上，氢键的作用是使表面吸附的OH-聚合分解成水和硅的氧化物，在高温下依靠硅的塑性变形而形成一体。具体方法是将硅片在湿氧中氧化得到所需要的SiO2膜厚度，放入硫酸加双氧水溶液中处理，去离子水中冲洗，甩干。在室温下面对面重合放入扩散炉中，在氮气保护下， 在高于 1 000 ℃温度下烧结， 形成Si/SiO2/Si结构，键合强度随键合温度提高而增强。最后根据器件需要， 采用自停止腐蚀或磨片、 抛光的方法将硅片减薄。 ;4.3.2 硅的各向异性刻蚀技术 ; 例如用NaOH溶液对Si进行腐蚀时，腐蚀速率沿(100)晶面最快，(110)晶面次之，(111)相对而言最慢， 因此对(100)的硅片表面，其深度方向的刻蚀呈现各向异性。 (见图4 - 24)由于硅(100)与(111)的夹角为 54.7°，所以宽度为W1的腐蚀图形，腐蚀深度为h时，得到下面的宽度W2近似为 W2=W1-2hcot 54.7 如果是各向同性腐蚀的话，其W2近似为 W2=W1-2h cot 45° ;表 4-1常用的刻蚀剂特性 ; EDP有三个特性使它非常适合于微机械制造： (1) 各向异性腐蚀特性能实现特殊的几何结构。  (2) EDP具有非常好的选择性，可以用很多材料作为掩模(例如SiO2, Si3N4, Cr和Au等)。  (3) 腐蚀速率同掺杂浓度有关， 对掺硼浓度很高的硅， 它的腐蚀速率几乎为零。 ; KOH水溶液的腐蚀速率也同晶向有关，而且对(110)与(111)晶向的腐蚀速率之比要远高于EDP。因此在(110)晶片腐蚀槽时非常有效，利用这一特性可以腐蚀出纵横比很高的槽，KOH水溶液的不足之处是对SiO2也有腐蚀作用，这样就不能用SiO2作腐蚀过程中的掩模，Si3N4是适合KOH水溶液的掩模材料。 HNA的腐蚀速率和腐蚀特性与掺杂浓度关系非常大，三种组分的混合比和腐蚀速率在表 4 - 1 中给出，不幸的是SiO2对不同的混合比都有腐蚀产生，使它的掩模很难得到。尽管能够用SiO2做短时间腐蚀的掩模, Si3N4和Au做长时间腐蚀的掩模，与EDP掩模特性相比，它的掩模特性仍然对微机械结构的加工有些不足。 ;单晶硅腐蚀有下列四个基本过程： (1) 空穴进入半导体Si中，使Si成为Si+。 (2) OH-与Si+接触。 (3) 氢氧化硅与溶液中