深硅刻蚀方法及硅基MEMS运动传感器的制造方法与流程

本发明涉及一种半导体集成电路制造工艺方法，特别是涉及一种深硅刻蚀方法。本发明还涉及一种硅基MEMS运动传感器的制造方法。

背景技术：

如图1所示，是硅基MEMS运动传感器的示意图，包括了3片键合在一起的硅晶圆，即第一硅晶圆101、第二硅晶圆102和第三硅晶圆103。

其中，硅基MEMS运动传感器的主体部分形成于第二硅晶圆102上，第一硅晶圆101作为第二硅晶圆102的封盖层，第二硅晶圆103上形成CMOS集成电路，通过CMOS集成电路对硅基MEMS运动传感器进行控制。

第一硅晶圆101上形成有空腔1。

硅基MEMS运动传感器的主体部分包括了固定电极和可动电极，固定电极和可动电极之间间隔由沟槽3，沟槽3通过深硅刻蚀工艺实现，也即固定电极和可动电极是通过深硅刻蚀实现。其中空腔1在位置上和可动电极相对应并为可动电极的移动提供空间。通过固定电极和可动电极的相对位置的变化，能够实现运动状态的检查，如实现压力传感器，加速度传感器等，这在智能设备如智能手机、汽车和医疗等方面都有很好的应用。

第三硅晶圆103形成有CMOS集成电路，CMOS集成电路的顶部形成有层间膜5，各层层间膜5之间具有金属层，并通过顶层金属层(TM)6实现电极的引出。

第一硅晶圆101和第二硅晶圆102之间通过氧化层如二氧化硅层2键合在一起。

第三硅晶圆103和第二硅晶圆102之间通过共晶键合。令，第一硅晶圆101是和第二硅晶圆102的第一面键合，则第三硅晶圆103会和第二硅晶圆102的第二面键合，第一面和第二面为第二硅晶圆102的正反两面。

通常，共晶键合中，第一键合层4为形成于第二硅晶圆102的固定电极的第二面上的锗层4，第二键合层7为形成于顶层金属层6和层间膜5表面的金属层组成；第二键合层7对应的金属层为多层金属层的叠加层如Ti、TiN和Al的叠加层，或第二键合层7的金属层由单层金属组成。第一键合层4和第二键合层7之间进行共晶键合后，第三硅晶圆103和第二硅晶圆102会接合在一起，且实现电连接。

现有硅基MEMS运动传感器的制造方法中，通常为：

先在第一硅晶圆101上形成空腔1，之后在通过氧化2实现第一硅晶圆101和第二硅晶圆102之间的键合。

之后、通过深硅刻蚀工艺对第二硅晶圆102进行刻蚀并形成沟槽3，沟槽3形成后也就自然形成了固定电极和可动电极。由于沟槽3在深度上要穿过整个第二硅晶圆102的厚度，故属于深沟槽，为了实现高深宽比的深沟槽，需要采用特需的深硅刻蚀工艺，通常，现有深硅刻蚀工艺一般都采用BOSCH刻蚀工艺，属于深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)。BOSCH刻蚀工艺是由聚合物沉积工艺、聚合物刻蚀工艺和硅刻蚀工艺交替往复循环进行，在硅刻蚀工艺中，聚合物覆盖在沟槽的侧壁作为刻蚀阻挡层即钝化层；也即通过聚合物覆盖在沟槽的侧壁做阻挡层，使得沟槽能够继续往下刻蚀，从而能得到具有较高的深宽比以及侧壁垂直的沟槽。通常，BOSCK刻蚀工艺中刻蚀气体采用SF₆，钝化气体采用C₄F₈。

如图1所示可知，在位置上，可动电极和空腔1相对应，也即沟槽3通常都在空腔1的位置上方，这样在刻蚀形成沟槽3时，钝化气体会跑到空腔1中并形成用于钝化的聚合物，而由于空腔1的存在，使得聚合物不太容易被去除，往往会造成聚会物的残留，残留的聚会物最后会使对应的硅基MEMS运动传感器产生失效缺陷(defect)，这会降低产品的良率。如图2所示，是现有方法形成的硅基MEMS运动传感器所具有的聚合物残留缺陷的照片；图2中虚线圈201所示位置处就具有聚会物残留。

同时，现有方法形成的硅基MEMS运动传感器还容易产生固定电极和可动电极粘合在一起(stiction)的缺陷，如图3所示，是现有方法形成的硅基MEMS运动传感器的固定电极和可动电极产生的粘合缺陷的照片；图3中标记203和204分别对应于固定电极和可动电极，两个电极正常情况下是有沟槽3间隔的，但是图3中固定电极和可动电极粘合在一起了，这也会使器件产生失效，从会降低产品的良率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种深硅刻蚀方法，能降低聚合物残留，提高产品良率。为此，本发明还提供一种硅基MEMS运动传感器的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的深硅刻蚀方法包括如下步骤：

步骤11、采用光刻工艺硅晶圆上定义出需要刻蚀的区域。

步骤12、采用BOSCH刻蚀工艺对定义的区域进行深硅刻蚀。

步骤13、进行光刻胶的干法剥离工艺，所述干法剥离工艺的温度设定到避免所述BOSCH刻蚀工艺形成的聚合物产生硬化的低温范围。

步骤14、进行光刻胶的湿法剥离工艺，所述湿法剥离工艺对未硬化的所述聚合物进行完全去除，防止聚合物残留在器件中产生缺陷。

进一步的改进是，步骤13中所述干法剥离工艺的温度范围为80℃～140℃。

进一步的改进是，步骤14中，多片所述硅晶圆同时进行所述湿法剥离工艺，多片所述硅晶圆放置在同一载片架上，相邻两片所述硅晶圆的间距要求保证使各所述硅晶圆在所述湿法剥离工艺得到充分处理。

进一步的改进是，相邻两片所述硅晶圆的间距大于一个载片槽的间距。

进一步的改进是，所述湿法剥离工艺在化学清洗结束后进行异丙醇(IPA)蒸汽干燥工艺。

进一步的改进是，步骤12中的所述BOSCH刻蚀工艺由聚合物沉积工艺、聚合物刻蚀工艺和硅刻蚀工艺交替往复循环进行，在硅刻蚀工艺中，聚合物覆盖在沟槽的侧壁作为刻蚀阻挡层。

进一步的改进是，所述BOSCH刻蚀工艺的刻蚀气体采用SF₆，钝化气体采用C₄F₈。

为解决上述技术问题，本发明提供的硅基MEMS运动传感器的制造方法包括如下步骤：

步骤一、提供具有空腔结构的第一硅晶圆，所述第一硅晶圆键合在所述第二硅晶圆的第一面上。

步骤二、在所述第二硅晶圆上进行深硅刻蚀形成硅基MEMS运动传感器的固定电极和可动电极，所述深硅刻蚀包括如下分步骤：

步骤11、采用光刻工艺在第二硅晶圆的第二面上定义出需要刻蚀的区域。

步骤12、采用BOSCH刻蚀工艺对定义的区域进行深硅刻蚀。

步骤13、进行光刻胶的干法剥离工艺，所述干法剥离工艺的温度设定到避免所述BOSCH刻蚀工艺形成的聚合物产生硬化的低温范围。

步骤14、进行光刻胶的湿法剥离工艺，所述湿法剥离工艺对未硬化的所述聚合物进行完全去除，防止聚合物残留在器件中产生缺陷。

进一步的改进是，步骤13中所述干法剥离工艺的温度范围为80℃～140℃。

进一步的改进是，步骤14中，多片所述第二硅晶圆同时进行所述湿法剥离工艺，多片所述第二硅晶圆放置在同一载片架上，相邻两片所述第二硅晶圆的间距要求保证使各所述第二晶圆在所述湿法剥离工艺得到充分处理。

进一步的改进是，相邻两片所述第二硅晶圆的间距大于一个载片槽的间距。

进一步的改进是，所述湿法剥离工艺在化学清洗结束后进行异丙醇蒸汽干燥工艺。

进一步的改进是，步骤12中的所述BOSCH刻蚀工艺由聚合物沉积工艺、聚合物刻蚀工艺和硅刻蚀工艺交替往复循环进行，在硅刻蚀工艺中，聚合物覆盖在沟槽的侧壁作为刻蚀阻挡层。

进一步的改进是，所述BOSCH刻蚀工艺的刻蚀气体采用SF₆，钝化气体采用C₄F₈。

进一步的改进是，所述第一硅晶圆的空腔结构和所述可动电极的位置向对应并为所述可动电极的移动提供空间。

进一步的改进是，还包括：

步骤三、提供第三硅晶圆，在所述第三硅晶圆上形成CMOS集成电路。

步骤四、将所述第三硅晶圆和所述第二硅晶圆的第二面键合。

进一步的改进是，所述第一硅晶圆和所述第二硅晶圆之间通过氧化层键合。

进一步的改进是，所述第三硅晶圆和所述第二硅晶圆之间通过共晶键合。

进一步的改进是，所述共晶键合是通过由形成于所述第二硅晶圆的固定电极的第二面的锗组成的第一键合层以及形成于所述第二硅晶圆的顶层金属层以及层间膜表面的第二键合层之间键合而成，第二键合层由多层金属叠加而成或者由单层金属组成。

本发明深硅刻蚀方法在BOSCH刻蚀工艺的基础上做了进一步的改进，主要时对后续的光刻胶的剥离工艺中的干法剥离工艺的温度做了特定的设定，将干法剥离工艺的温度设定到避免BOSCH刻蚀工艺形成的聚合物产生硬化的低温范围，也即本发明通过干法剥离工艺的低温设定来防止聚合物的硬化，从而能够结合光刻胶的干法剥离工艺和湿法剥离工艺来防止聚合物残留，这样能够防止聚合物残留在器件中产生缺陷，从而能提高产品的良率。

另外，当光刻胶的湿法剥离工艺中，当同时对多片硅晶圆进行时，本发明特定对硅晶圆之间的间距进行了特别的设定，即相邻两片硅晶圆的间距要求保证使各硅晶圆在湿法剥离工艺得到充分处理，湿法剥离工艺中包括了化学清洗以及化学清洗之后的干燥的步骤，本发明通过对硅晶圆之间的间距的设置，使能化学清洗以及干燥工艺都能充分进行，从而能够通过充分的化学清洗很好的去除聚合物的残留以及通过充分的干燥工艺使化学清洗后的液体残留去除，这样能在干燥工艺完成后使沟槽之间的电极片不会粘在一起，从而能进一步的提高产品的良率。

通过将深硅刻蚀方法整合到硅基MEMS运动传感器的制造方法中，本发明降低直至消除硅基MEMS运动传感器的聚会物的残留，并防止硅基MEMS运动传感器的固定电极和可动电极粘贴在一起，从而能提高产品的良率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是硅基MEMS运动传感器的示意图；

图2是现有方法形成的硅基MEMS运动传感器所具有的聚合物残留缺陷的照片；

图3是现有方法形成的硅基MEMS运动传感器的固定电极和可动电极产生的粘合缺陷的照片；

图4是本发明实施例深硅刻蚀方法的流程图。

具体实施方式

如图4所示，是本发明实施例深硅刻蚀方法的流程图，本发明实施例深硅刻蚀方法包括如下步骤：

步骤11、采用光刻工艺硅晶圆上定义出需要刻蚀的区域。通常，光刻工艺形成的光刻胶图形中，光刻胶打开的区域作为需要刻蚀的区域，光刻胶覆盖的区域作为保护的区域。

步骤12、采用BOSCH刻蚀工艺对定义的区域进行深硅刻蚀。

所述BOSCH刻蚀工艺由聚合物沉积工艺、聚合物刻蚀工艺和硅刻蚀工艺交替往复循环进行，在硅刻蚀工艺中，聚合物覆盖在沟槽的侧壁作为刻蚀阻挡层。

较佳为，所述BOSCH刻蚀工艺的刻蚀气体采用SF₆，钝化气体采用C₄F₈。钝化气体也即用于形成聚合物的气体源。

步骤13、进行光刻胶的干法剥离工艺，所述干法剥离工艺的温度设定到避免所述BOSCH刻蚀工艺形成的聚合物产生硬化的低温范围。

较佳为，所述干法剥离工艺的温度范围为80℃～140℃。

步骤14、进行光刻胶的湿法剥离工艺，所述湿法剥离工艺对未硬化的所述聚合物进行完全去除，防止聚合物残留在器件中产生缺陷。

多片所述硅晶圆同时进行所述湿法剥离工艺，多片所述硅晶圆放置在同一载片架上，相邻两片所述硅晶圆的间距要求保证使各所述硅晶圆在所述湿法剥离工艺得到充分处理。较佳为，相邻两片所述硅晶圆的间距大于一个载片槽的间距。

所述湿法剥离工艺在化学清洗结束后进行异丙醇蒸汽干燥工艺。

所述湿法剥离工艺的化学清洗能采用EKC或ACT溶液进行清洗。异丙醇蒸汽干燥工艺是通过异丙醇蒸汽将所述硅晶圆上的液体如水吸收并抽出，从而实现干燥。通过充分干燥后，能防止沟槽两侧的电极片的粘合。

本发明实施例硅基MEMS运动传感器的制造方法中整合了本发明实施例深硅刻蚀方法，硅基MEMS运动传感器的结构请参考图1所示，本发明实施例硅基MEMS运动传感器的制造方法包括如下步骤：

步骤一、提供具有空腔1结构的第一硅晶圆101，所述第一硅晶圆101键合在所述第二硅晶圆102的第一面上。

所述第一硅晶圆101和所述第二硅晶圆102之间通过氧化层如二氧化硅2键合。

步骤二、在所述第二硅晶圆102上进行深硅刻蚀形成硅基MEMS运动传感器的固定电极和可动电极，所述深硅刻蚀包括如下分步骤：

步骤11、采用光刻工艺在第二硅晶圆102的第二面上定义出需要刻蚀的区域。通常，光刻工艺形成的光刻胶图形中，光刻胶打开的区域作为需要刻蚀的区域，光刻胶覆盖的区域作为保护的区域。

步骤12、采用BOSCH刻蚀工艺对定义的区域进行深硅刻蚀。

所述BOSCH刻蚀工艺由聚合物沉积工艺、聚合物刻蚀工艺和硅刻蚀工艺交替往复循环进行，在硅刻蚀工艺中，聚合物覆盖在沟槽的侧壁作为刻蚀阻挡层。

较佳为，所述BOSCH刻蚀工艺的刻蚀气体采用SF₆，钝化气体采用C₄F₈。钝化气体也即用于形成聚合物的气体源。

所述第一硅晶圆101的空腔1结构和所述可动电极的位置向对应并为所述可动电极的移动提供空间。通过固定电极和可动电极的相对位置的变化，能够实现运动状态的检查，如实现压力传感器，加速度传感器等，这在智能设备如智能手机、汽车和医疗等方面都有很好的应用。

步骤13、进行光刻胶的干法剥离工艺，所述干法剥离工艺的温度设定到避免所述BOSCH刻蚀工艺形成的聚合物产生硬化的低温范围。

较佳为，所述干法剥离工艺的温度范围为80℃～140℃。

步骤14、进行光刻胶的湿法剥离工艺，所述湿法剥离工艺对未硬化的所述聚合物进行完全去除，防止聚合物残留在器件中产生缺陷。

多片所述第二硅晶圆102即键合后所述第一硅晶圆101的所述第二硅晶圆102同时进行所述湿法剥离工艺，多片所述第二硅晶圆102放置在同一载片架上，相邻两片所述第二硅晶圆102的间距要求保证使各所述第二硅晶圆102在所述湿法剥离工艺得到充分处理。较佳为，相邻两片所述第二硅晶圆102的间距大于一个载片槽的间距。

所述湿法剥离工艺在化学清洗结束后进行异丙醇蒸汽干燥工艺。

所述湿法剥离工艺的化学清洗能采用EKC或ACT溶液进行清洗。异丙醇蒸汽干燥工艺是通过异丙醇蒸汽将所述硅晶圆上的液体如水吸收并抽出，从而实现干燥。通过充分干燥后，能防止沟槽两侧的电极片的粘合。

步骤三、提供第三硅晶圆103，在所述第三硅晶圆103上形成CMOS集成电路。CMOS集成电路的顶部形成有层间膜5，各层层间膜5之间具有金属层，并通过顶层金属层(TM)6实现电极的引出。

步骤四、将所述第三硅晶圆103和所述第二硅晶圆102的第二面键合。

所述第三硅晶圆103和所述第二硅晶圆102之间通过共晶键合。图1中，共晶键合是通过第一键合层4和第二键合层7进行键合实现。第一键合层4为形成于第二硅晶圆102的固定电极的第二面上的锗层4，第二键合层7为形成于顶层金属层6和层间膜5表面的金属层组成；第二键合层7对应的金属层为多层金属层的叠加层如Ti、TiN和Al的叠加层，或第二键合层7的金属层由单层金属组成。第一键合层4和第二键合层7之间进行共晶键合后，第三硅晶圆103和第二硅晶圆102会接合在一起，且实现电连接。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。