专利名称：用于mems微机械加工的多层绝缘体上的硅材料及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于MEMS微机械加工的多层SOI (绝缘体上硅)材 料及方法，属于SOI材料领域。
背景技术：
由于体硅材料自身的局限性，SOI材料已经成为在MEMS领域硅材料 最有力的候选和替代之一。在SOI结构中，单晶硅薄膜与单晶硅衬底之间通 过绝缘埋层加以隔离，埋层的存在之于MEMS工艺应用体现出诸多优点 作为硅的各向异性刻蚀中的腐蚀停止层，二氧化硅和氮化硅对于KOH和四 甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液都能非常好的自停止腐蚀，和电化学自停腐蚀 相比硅片不需要电连接，而且能够批量生产；二氧化硅在进行表面微机械加 工时可以作为牺牲层；有二氧化硅用来做电介质绝缘，因此这种晶片漏电流 低，在髙温下应用可以达到400X:。 SOI的顶层硅具有单晶质量，具有优异的 力学性质如屈服强度高、残余应力小以及抗疲劳性好等。SOI圆片制备的微 机械系统还非常有利于实现与CMOS电路集成，这是MEMS最重要的一个 发展方向，也是近年来髙性能的SOI基MEMS受到越来越多的关注和研究 的原因。从整个系统的角度来说，SOI材料所带来的工艺稳定性也是体硅材 料所不可比拟的，因此采用SOI晶片制备的MEMS产品良品率较之体硅上 的同类产品也会有显著的提高。
尽管如此，在许多应用领域，SOI之于MEMS的诸多优势依然不能完 全的得到体现和发挥。本发明的目的就是提出一种更有利于MEMS器件实 现的多埋层SOI材料。
本发明的目的在于提供一种本发明用于MEMS微机械加工的多层SOI 材料及方法，可将方便地用于MEMS复杂结构和器件加工的多层SOI衬底 材料，在单片衬底上充分的发挥传统单层SOI用于MEMS的各种优点，达 到提高MEMS器件的良品率，拓展SOI-MEMS的应用范围的目的。
本发明所涉及的用于MEMS器件的多层SOI材料，包括两层、三层或 多层绝缘介质，由这些绝缘介质所隔离开来不同层的单晶硅，在MEMS器 件的结构中起到不同的作用，而不同的绝缘介质也可以在器件加工过程和器 件工作时起到不同的功能，如作为电学隔离层、腐蚀停止层或者牺牲层，从 而使一些特定的MEMS结构和器件实现起来更为方便，可靠性和长期稳定 性也得到提高。本发明所涉及的多层SOI结构其特征在于具有单晶硅一绝 缘埋层一单晶硅一绝缘埋层一单晶硅相叠分布的双埋层结构的SOI材料或
单晶硅一绝缘埋层一单晶硅一绝缘埋层一单晶硅一绝缘埋层一单晶硅的三 埋层结构的SOI材料以及更多叠加层的复合结构。所述的绝缘埋层包括二氧 化硅、氮化硅或二氧化硅和氮化硅的复合埋层，整个复合材料中所有的埋层 为同一种材料或者各种材料的组合。用于埋层的二氧化硅包括采用SIMOX (注氧隔离)或热氧化形成的和CVD方法生长的二氧化硅；氮化硅由CVD 方法制备，复合埋层是以上各种方法形成的介质的组合，可以通过调节组合 的两者厚度比的方法比来调整整个圆片的应力减少多层结构的残余应力；各 埋层的厚度均在0.2Mm-10Mm之间，以满足MEMS器件加工时作为介质隔离 或者牺牲层的厚度要求。顶层和中间部分的单晶硅层厚度在lum-lOOum之 间，以方便地在顶层即器件层实现各类MEMS结构需要；并且在材料制备 过程还可根据需要进行P型或N型掺杂。
本发明所提出的材料的制备方法
对于(图1)所示的双埋层结构的SOI材料
1、采用双面抛光的SOI圆片和单晶硅片，在SOI的顶层或者硅片表面 或者以上两个表面都生长埋层氧化层，所述的埋层氧化层为二氧化硅、氮化硅或两者的组合；根据需要在其中一个表面采用CVD方法生长氮化硅；
2、经过半导体标准清洗后，采用Ar等离子体轰击5 120秒以增加表 面活性，通过常温真空状态下硅一硅直接键合或熔融键合，键合面为SOI 的顶层硅面和硅片生长介质的表面，熔融键合的温度范围在200 5001C，压 力范围lbar-50bar，键合后经2小时以上的卯0-110(TC的高温退火过程，然 后通过研磨和化学机械抛光或者智能剥离获得所需厚度和粗糙度的双层SOI 结构。
对于(图2)所示的三埋层结构的SOI材料
1、 采用双面抛光的SOI圆片，在其中一片SOI的顶层或者两个界面都 生长氧化层，所述的埋层氧化层为二氧化硅、氮化硅或两者的组合；根据具 体需要可以在其中一个表面采用CVD方法生长氮化硅。
2、 经过半导体标准工艺清洗后，采用Ar等离子体轰击5 120秒增加 表面活性，通过常温真空状态下硅硅直接键合或熔融键合，键合接触面为两 片SOI的顶层硅面。熔融键合的温度范围在200 500C，压力范围 lbar-50bar,键合后经2小时以上的900-1100C的高温退火过程，然后通过 研磨和化学机械抛光获得所需厚度和粗糙度的三层SOI结构。
二氧化硅和氮化硅在硅各向异性腐蚀和深反应离子束刻蚀中作为腐蚀 停止层或者作为牺牲层以及电学隔离层的作用可以在多层SOI材料的 MEMS加工过程中得到结合，从而避免了传统单层SOI材料在MEMS应用 中的局限。例如在压力传感器的应用中，单层SOI材料的绝缘埋层可以作为 压阻读出机制中的电学隔离或者作为腐蚀停止层获得平滑、厚度准确的应力 薄膜，但是两者却木能兼顾，多层SOI材料则很好的解决了这一矛盾。氮化 硅作为绝缘埋层或者绝缘埋层的一部分用于调节应力而且可以发挥更好的
这也是MEMS最重要的发展方向。在本发明中的制备方法所涉及的核心工 艺如硅硅键合和化学机械抛光都是相对比较成熟的工艺，是容易实现的。
图1为本发明中双层埋层结构的SOI材料的侧视图，
图2为本发明中三埋层结构的SOI材料的侧视图，
图3为图1所示的双埋层结构的SOI材料的制备过程，(a)待键合的单晶 硅片和SOI片，(b)氧化后的SOI片和硅片，(c)键合和高温加固(虚线部分 为采用智能剥离时的起泡位置)，(d)磨平和抛光；
图4为图2所示的三埋层结构的SOI材料的制备过程，(a)待键合的SOI 片，(b)氧化后的SOI片，(c)键合和髙温加固，(d)磨平和抛光；
图中l单晶硅，2二氧化硅、氮化硅或二氧化硅和氮化硅的复合层，3 待键合的双面抛光的SOI图片
脉雄衬
本发明中用于MEMS微机械加工的的双层SOI材料和三层SOI材料的 具体制备过程举例，通过实施例的描述将进一步将有助于理解本发明，但并 不限制本发明的内容。
实施例l
对于双层SOI材料，如图3(a)所示，采用双面抛光的SOI圆片和单晶硅 片，在SOI的顶层和硅片表面生长氧化层，如图3(b)。经过半导体RCA标 准清洗后，采用Ar等离子体轰击5 120秒增加表面活性后，通过真空状态 下熔融键合，键合面为SOI的顶层硅面和硅片下表面，熔融键合的温度取 500度，压力范围lObar,键合后经2小时1100度的高温退火过程，键合过 程如图3(c)中所示。最后如图3(d)所示，通过研磨和化学机械抛光获得所需 厚度和粗糙度的双层SOI结构。
实施例2
对于三层SOI材料，如图4(a)所示，采用两片双面抛光的SOI圆片，在 SOI的表面生长氧化层，如图4(b)。经过半导体RCA标准清洗后，采用Ar 等离子体轰击5 120秒增加表面活性后，通过真空状态下熔融键合，键合
面为两片SOI的顶层硅面，熔融键合的温度取500度，压力范围10bar,键 合后经2小时1100度的髙温退火过程，键合过程如图4(c)中所示。最后如 图2或图4(d)所示，通过研磨和化学机械抛光获得所需厚度和粗糙度的三层 SOI结构。
权利要求
1、一种用于MEMS微机械加工的多层SOI材料，其特征在于所述的SOI材料具有单晶硅-绝缘埋层-单晶硅-绝缘埋层-单晶硅相叠分布的双埋层结构的SOI材料，或单晶硅-绝缘埋层-单晶硅-绝缘埋层-单晶硅-绝缘埋层-单晶硅的三埋层结构的SOI材料，或更多叠加层的复合结构。
8、 按权利要求8所述的用于MEMS微机械加工的多层SOI材料的制备 方法，其特征在于作为埋层氧化层的二氧化硅采用注氧隔离、热氧化或CVD 方法生长氧化硅则由CVD方法生长；复合埋层则是所述方法形成的介质 组合。
9、 按权利要求8所述的用于MEMS微机械加工的多层SOI材料的制备 方法，其特征在于在生成双埋层或三埋层结构的SOI材料中，在双面抛光的 SOI圆片或单晶硅片上采用CVD方法生长氮化硅。
10、 按权利要求1或2所述的用于MEMS微机械加工的多层SOI材料 的应用，其特征在于在压力传感器中，氮化硅绝缘埋层或绝缘埋层一部分用 于调节应力或用于沟槽隔离的IC电路和MEMS元件的单片集成。
全文摘要
本发明涉及一种应用于MEMS领域的多层SOI材料及制备方法，其特征在于采用SOI(Silicon-On-Insulator绝缘体上的硅)材料或者具有类SOI的多层复合结构衬底，采用硅硅直接键合或熔融键合、结合研磨和抛光或者智能剥离的方法获得具有晶体硅层和绝缘埋层相叠分布的多层结构的SOI材料。该材料可便利的实现特定的MEMS复杂器件的制造，精确控制器件中的某些特征尺寸，从而完善SOI之于MEMS的应用。对于一些沟槽隔离的微机械加工的微电子器件，该材料也是其实现单片集成的有效解决方案。
文档编号H01L21/762GK101110428SQ200710043680
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月11日 优先权日2007年7月11日
发明者孙佳胤, 武爱民, 曦 王, 静 陈 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所