1、ClF3 腐蚀多晶硅牺牲层薄膜封装高深宽比硅加速度传感器摘要我们为多晶硅多层工艺表面微机电传感器提供一种新的薄膜封装技术，这种封装工艺最主要的特点是有硅传感器结构之上的牺牲层和由外延多晶硅构成的保护层。牺牲层由ClF3 通过保护层内的通气口无等离子气相腐蚀除去。有通气口的保护层薄膜通过非保角氧化沉积覆盖。这种方法已经应用到高深宽比硅表面微加工加速度传感器，并且具有广泛的适用性。电容电压测量可表示加速计的电类功能。2006 爱思唯尔 B.V. 版权所有关键词：牺牲腐蚀，加速度传感器，表面微加工，封装。1.介绍带有可移动结构的微机电器件比如说加速度、角速度传感器对损坏和硅片加工后的沾污非常敏感。例
2、如，晶圆切割和随后的清洗会对脆弱的未保护的结构造成损坏。而且，为了能正常的操作和封装，耐久保护或者真空环境也是必要的。在传感器晶圆加工过程中封装（零级封装）这种情况更为必要。封装在大多数情况会用到大量的微加工硅覆盖晶圆。覆盖晶圆通常与传感器晶圆用玻璃熔块粘到一起1。宽阔的围绕在传感器周围的覆盖结构要确保完全封闭，要达到核心尺寸。用一种薄膜微壳覆盖到传感器的封装技术对于显著减少核心尺寸和芯片厚度有着潜在的可能性。这种可能性会减少成本，创新封装思路。一些薄膜硅片级封装工艺已经被论证。Lin et al 用低压化学气相沉积氮化物层作为微壳材料2,3 ，HF 可渗透多晶硅也用作膜材料46。因此注意力就
3、集中到真空封装共振器件而不是在覆盖物的化学稳定性。Partridge et al描述了以一个厚的外延多晶硅覆盖层为特色的薄膜封装工艺。在这项工作中，多晶硅膜为机械系统的稳定性而设计，目的是能够抵挡在塑料封装过程中的巨大机械压力。在所提到的技术中的共有特点是，除了在传感器结构之下的一般牺牲层之外，覆盖层和传传感器层之间的厚牺牲氧化膜的作用。可移动的传感器结构通过 HF 腐蚀上面和下面的牺牲层来释放38。对于在大量生产下成本和收益的最优化，氧化物填充技术有一些不足：(A)几微米厚的氧化物层（在牺牲层之上）内部的压力需要仔细调整以避免硅片膜弯折或碎裂，尤其是在高温膜沉积的过程中。(B)厚氧化膜和缓慢
4、的氧化速率导致牺牲层氧化层的腐蚀时间过长。(C)在牺牲层的气相腐蚀中以粒子形式存在的杂质会对传感器的品质产生不良影响。比如炭和氮混合物在等离子体增强化学气相沉积过程中产生(D)由于氧化层厚度的限制，传感器结构和覆盖层的垂直高度被限制在几微米，侧面的传感器也是。因此侧传感器的限制导致设计灵活性的限制，尤其在陀螺仪方面。以下将会介绍一种用多晶硅填充代替上层牺牲氧化层的技术。本次研究的加速度传感器封装在芯片表面的结构原理图 Fig. 1. 在这个传感器结构中，上层牺牲层和保护层由外延多晶硅组成。这样，功能层（传感器结构和覆盖层）就需要用有保护作用的氧化层来覆盖来抵挡填充多晶硅的牺牲层腐蚀。多晶硅填充
5、技术比氧化物填充技术有这些优越性：(A)多晶硅填充层可以以高沉积速率沉积来适应厚度达 20m 多的要求。内部压力可以在更大的范围控制。10 (B)牺牲层多晶硅腐蚀可以用 ClF3 或 XeF2 11 高速进行。(C)多晶硅填充的去除产生更少的杂质。(D) 可以实现设计大的横向振幅的传感器，因为可以很容易的通过将多晶硅填充到比传感器结构更厚的厚度使传感器结构有大的缝隙。具体的制造工艺在第 2 部分讲述。在第 3 部分讲述在演示芯片上的电类结果。2.制造薄膜封装技术的制造顺序由图 Fig. 2 所示。首先形成一个标准 150mm 硅衬底，生长出厚的热氧化层由 Fig. 2a 所示。这层氧一方面作为
6、绝缘层，另一方面作为牺牲层为了释放结构而被部分除去。一个光刻的步骤决定了通往氧化层的连接孔。简而言之，掩埋的互连层在图 Ref. 12 未在图 Fig. 2 中表示下一步，12m 厚的多晶硅层外延如图 Fig. 2b，外延多晶由低压化学气相沉积的多晶硅凝结而成13外延多晶-1 通过化学机械抛光(CMP)成最终的 10.5m 的厚度。然后外延多晶- 1 用 POCl3 掺杂来减少薄层电阻。接下来的光刻步骤决定了传感器结构的几何位置。外延多晶-1 层采用博世腐蚀工艺。上文简短地讲述了博世工艺的一部分标准表面微加工工艺，这个工艺曾经用在加速度传感器12，陀螺仪1，也曾用在晶圆代工服务15.。薄膜封装
7、工艺步骤由氧化沉积-1 层开始。这层用来保护传感器结构免受 ClF3 腐蚀牺牲层时的侵蚀。因此氧化沉积-1 层必须将所有硅结构覆盖住，尤其是高深宽比的结构。正硅酸乙酯等离子增强化学气相沉积氧化膜提供足够的覆盖，然后钝化的传感器结构就被厚的无掺杂的外延多晶-2 层填充，外延多晶 -2 层由低压化学气相沉积 -多晶硅种子层和一个 10m厚的多晶硅外延层形成。很明显，通孔位置在传感器结构的边槽(Fig. 3)这可以由高深宽比的屏蔽效应来解释。由于传感器外延多晶-2 层非常粗糙，化学机械抛光步骤可以用来加工表面。传感器上面的牺牲外延多晶-2 层的最终厚度为 6m。外延多晶-2 层用博世工艺刻蚀出图案。
8、然后钝化-2 层通过热氧化生长在多晶重填板上（100nm） 。这层薄的氧化钝化-2 层在硅牺牲层腐蚀时保护外延多晶-3 层。氧化钝化-1 层和钝化 -2 层在同一步骤里用湿化学腐蚀法（缓冲 HF）刻上图案。然后第三层 20m 厚的外延多晶 -3 层就生长出来了。再做一次化学机械抛光，来获得平坦的硅片表面以便为后续的工艺做准备。外延多晶-3 层的最终厚度可以通过外延工艺和化学机械抛光进行调整。在这些经验中，外延多晶-3 层在连接区的厚度为 10m。外延多晶-3 层用 POCl3 掺杂。掺杂后氧化层作为后续深反应离子刻蚀的硬掩膜版，它连接了通往牺牲多延多晶-2 层的连接柱和通口，这层硬掩膜版也使覆
9、盖层在用ClF3.腐蚀外延多晶-2 层时钝化。因为这些连接的隔离槽和通口的深度不同，所以分两步腐蚀覆盖层很有必要。连接柱在第一步腐蚀（通过外延多晶-3 层和-1 层下至掩埋氧化层，通口被光刻胶保护）时被刻出图案。如图 Fig. 2e and f。5m 的槽围绕在连接柱的周围为了电隔离。等离子体使光刻胶灰化，3 m 8 m 的通口通过第二次腐蚀被刻出图案，从外延多晶-3 层下至钝化-2 层。侧边的隔离沟和通孔被一个 100 纳米的热氧化层保护，防止 CLF3 腐蚀牺牲层所带来的伤害。通孔底部的氧化钝化层用反应离子刻蚀除去，保护侧边。如图Figs. 2g and 3. In Fig. 3。可以看到
10、外延多晶-2 牺牲层在反应离子刻蚀过程中被除去。在实验中SF6 反应离子刻蚀过程被应用在高速硅刻蚀上而不是在氧刻蚀。另一种方法， CF4/CHF3 反应离子刻蚀也可以用作之前的讨论中。这步是自对准的，不需要光刻。底部氧的除去打开了一个直接通向牺牲外延多晶-2 层的通口。Fig. 3 表示扫描式电子显微镜扫描出的在除去通口底部氧的传感器横截面的一部分。随后硅牺牲层用纯的 ClF3 气体除去。在图 Fig. 2h 显示的外延多晶-3 层通口中完成气体交换。 ClF3 表现出与硅的剧烈化学反应。 16,17. 多晶硅没有离子刺激自发的腐蚀。在 ClF3 环境，部分加压为 5 毫巴衬底温度为-20C
11、时腐蚀速率可达到每分 1m。因此 6 分钟的短时腐蚀可充分清洁传感器上方的腔。因为 ClF3 对 10000 多种二氧化硅有选择性，所以钝化外延多晶层和传感器结构不会被破坏。Fig. 4 显示了在除去外延多晶-2 层的封装传感器的一部分。在这幅图中薄的钝化层可以辩认。接下来钝化层用 HF 气相腐蚀工艺完全除去18。同时掩埋氧化层被部分除去以便放开可活动的传感器结构如图 Fig.2i。扫描电子显微镜照片 Fig.5 显示了除去钝化层放开可活动传感器器后的封装传感器的俯视图。这幅图中薄膜被部分去除。从扫描电子显微镜图像分析，可以确认避免了在腐蚀牺牲层时的颗粒玷污。在下一步通口和隔离沟被厚氧化层所覆
12、盖（Fig.2j） 。在 3托真空 400 度下进行等离子体增强化学气相沉积。这种工艺下，在腔内通口表面沉积少于50 纳米的钝化层。为了确保可靠的封闭沉积，需要 10m 的氧化层（Fig.6 ） 。惊奇的是，通口之下的传感器结构的钝化层小于 50 纳米。 （未在 Fig.6 中表示） 。在 Fig.7 中显示了氧化层覆盖的封装传感器的俯视图。氧化物沉积后的表面图形为以后的过程提供了方便。最后一步是确定氧化物沉积与铝布线之间的连接孔（Fig.2j） 。Fig.8 显示了完整传感器芯片的光学照片，封装的传感器结构被固定在芯片的上方。显示了由薄产生的干涉条纹。这种覆盖由 4m 的薄膜引起。它可以通过
13、增加外延多晶 -3 的厚度或者引入支柱加固巨大的750 m 750 m 的膜来避免。吕走线是在掩埋多晶硅中连接传感器结构的电连接。需要说明的是在传感器周围的空区域可以就芯片尺寸而优化设计。3.电测量结果在硅片级的电测量中显示了封装加速度传感器的功能。连接柱和周围的外延多晶之间的绝缘可以用电流-电压方法测量。大于 600M 的高绝缘电阻在窒温下测出。连接柱的串联电阻大约是 25。在电容-电压测量方法中，传感器的 C/V 特性被测量出来。质量块和固定电极之间的正常电容是 C0 = 557 fF。在固定电极和质量块之间施加电压引起可移动结构的位移。传感器电容的改变如果 Fig.9 所示。低电压时传感
14、器电容根据机械和电力之间的平衡改变。 3.3V为不稳定点，这时传感器崩坏19。偏差表示结构完全释放。颗粒污染物在这里没有测量。这个系统的固有频率是 5.4KHz，振动阻尼很低（Q=3.8） 。这个品质因数可以与腔体的剩余压力联系起来，压力估算为 1.5 托。4.结论高深宽比硅表面微机电加速度传感器成功的用多层多晶硅工艺封装。其中一个卓越技术的特性是多晶硅功能上的和牺牲层方面的应用。牺牲层用无杂质 ClF3 气相腐蚀除去。结构用非保角氧化沉积目的是放入部分真空。封装的加速度传感器的功能已经在电测量中展示。因为所展示的薄膜封装技术只用到标准 IC 制造的材料和工艺，CMOS 与 MEMS 可能集成到一起。致谢
