專利名稱：：一種制備懸掛可變電容的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于互補金屬氧化物半導(dǎo)體和微機電系統(tǒng)工藝相結(jié)合的技術(shù)，具體涉及一種制備懸掛可變電容的工藝方法。
背景技術(shù)：
：可變電容是壓控振蕩器(vco)電路核心器件之一，其主要性能指標(biāo)有調(diào)節(jié)范圍和品質(zhì)因數(shù)?？勺冸娙菥唧w實現(xiàn)方法有橫向移動上下極板改變有效面積，實現(xiàn)電容值可變；改變上下極板間離來改變電容值；外加電場等外界因素，改變電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)調(diào)整電容值；改變PN結(jié)電容兩端反向電壓來調(diào)整電容值；VCO對可變電容調(diào)節(jié)范圍和品質(zhì)因數(shù)性能有嚴(yán)格要求，傳統(tǒng)CMOS工藝制作的PN結(jié)可變電容有較大寄生電容電阻，從而導(dǎo)致低的調(diào)節(jié)范圍和較大的相位噪聲。因CMOS工藝局限性，PN結(jié)可變電容在集成電路中經(jīng)常被采用，PN結(jié)電容有占地面積小的優(yōu)點，但較大的寄生電容電阻導(dǎo)致調(diào)節(jié)范圍小(典型值20%)和低品質(zhì)因數(shù)。方東明等(方東明，付世，方勇等.靜電驅(qū)動可調(diào)微機械電容.半導(dǎo)體學(xué)報.Vol(28).Sep.2007，1454:1458)采用MEMS工藝制作了一種靜電驅(qū)動可調(diào)微懸掛電容，其工藝過程工程為(a)在硅片上濺射種子層并甩膠，制作下極板、襯墊和共面波導(dǎo)線;(b)去膠后再甩膠,制作支撐上極板的8個柱子;(c)去膠、去底層種子后濺射三氧化二鋁(A1203)作為犧牲層,然后拋光拋出柱子;(d)濺射種子層并甩膠，制作上極板和4個T字懸梁；如圖1所示，互補金屬氧化物半導(dǎo)體-微機電系統(tǒng)(CMOS-MEMS)可變電容上極板，由電容部分1和支撐網(wǎng)絡(luò)3構(gòu)成，電容部分刻有釋放孔2。(e)無掩模曝光并去膠、去種子層,最后用氫氧化鉀(KOH)溶液刻蝕Al203可牲層。電容調(diào)節(jié)范圍為33%，品種因數(shù)51。該工藝復(fù)雜且采用電介質(zhì)Al203做犧牲層，采用成本較高的氫氧化鉀刻蝕液，因而與CMOS工藝不兼容，不能低成本大量生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種制備懸掛可變電容的工藝方法，該方法所制備的可變電容具有較寬的調(diào)節(jié)范圍和較高的品質(zhì)因數(shù)。本發(fā)明提供的制備懸掛可變電容的工藝方法，其步驟包括(1)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)(2)在上極板上的鈍化層中刻蝕窗口，其中，窗口邊緣線相對上極板的電容部分的邊緣外擴(kuò)lum2um;(3)對上極板進(jìn)行懸掛處理，將己開窗口范圍內(nèi)的兩極板間兩層電介質(zhì)，和下極板與襯底間電介質(zhì)腐蝕掉；(4)進(jìn)行干燥防粘處理。本發(fā)明主要針對調(diào)節(jié)范圍和品質(zhì)因數(shù)提高，在CMOS工藝后期處理中引入MEMS工藝達(dá)到減小寄生電容電阻，提高調(diào)節(jié)范圍和品質(zhì)因數(shù)。為保證低成本和可實現(xiàn)性，本發(fā)明采用與CMOS工藝相兼容的MEMS工藝，即在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝后期處理中引入MEMS工藝從而保證低成本和高產(chǎn)出率。可變電容兩極板由標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制成，極板各處于同一層中且形狀為與CMOS工藝相兼容的方形和多邊形。極板材料視具體CMOS工藝可選銅鋁等金屬。本發(fā)明基于體硅CMOS工藝，體硅CMOS工藝無需絕緣體(SOI)工藝深等離子反應(yīng)腐蝕(DRIE)過程，DRIE在標(biāo)準(zhǔn)CMOS中難實現(xiàn)且易帶來污染。體硅工藝極板懸空處理是利用對金屬層之間的電介質(zhì)層濕法腐蝕來實現(xiàn)的，具有一定簡單性。總之，本發(fā)明在保證寬調(diào)節(jié)范圍及高品質(zhì)因數(shù)前提下減小成本，提高成品率，適合大量低成本生產(chǎn)。圖1為懸掛可變電容上極板頂層圖。圖2為標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝所制作的懸掛可變電容結(jié)構(gòu)橫截圖。圖3為圖2結(jié)構(gòu)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝焊墊開窗后的可變電容形狀橫截圖。圖4為圖3結(jié)構(gòu)經(jīng)微機電系統(tǒng)工藝懸掛處理后的懸掛可變電容結(jié)構(gòu)橫截圖。圖5為一種帶懸掛可變電容的典型壓控振蕩電路。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖2-圖4所示，本發(fā)明懸掛可變電容具體工藝實現(xiàn)過程如下(1)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)如圖2所示，在襯底12上沉積厚約0.8um的由氧化硅PSG(磷硅玻璃)組成的電介質(zhì)層11，PSG是一種玻璃材料，在高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(約105(TC)時會流動，這有利于硅表面光滑化。然后光刻定義接觸孔，采用氫氟酸濕法腐蝕(49Q/。HF腐蝕PSG速度約4700nm/min)制作接觸孔，接觸孔設(shè)計規(guī)則需考慮lum左右的底切效應(yīng)。在去膠并清洗后沉積金屬鋁制作高約O.Srnn的支撐柱7和厚約0.6um的第一層金屬層后，再光刻定義下極板6圖形，采用磷酸(H3P04)做濕法腐蝕刻蝕成下極板6形狀，在已制作好的下極板6上淀積一層約lum的二氧化硅，此后重復(fù)制作下極板6的工藝流程制作厚約1.5um的上極板4及高約lum的支撐柱5。在上極板4上淀積一層厚約3um的磷硅玻璃作鈍化層8。可變電容上極板由電容部分1和支撐網(wǎng)絡(luò)3組成，電容部分刻有釋放孔2。上極板4和下極板6的材料可選鋁或銅，此發(fā)明優(yōu)先考慮鋁。本發(fā)明使用的上極板如圖1所示。懸掛可變電容上極板4有許多釋放孔2，孔數(shù)目和大小可調(diào)整。電容各極板需分別做在同一層金屬層中，且極板形狀不能做成CMOS工藝難實現(xiàn)的梳妝、盆狀等。懸掛可變電容上極板4下極板6金屬材料可以根據(jù)實際工藝和工序復(fù)雜度可以選銅或鋁等。懸掛可變電容下極板6通常處于最下層金屬層，其所屬金屬層可調(diào)整到金屬層第2層等。(2)在上極板4上的鈍化層8中刻蝕窗口利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中將可變電容器件周圍進(jìn)行焊墊開窗即光刻定義窗口，窗口邊緣線相對上極板4的電容部分1的邊緣外擴(kuò)lum2um,甩膠干燥后刻蝕掉上極板上層的電介質(zhì)層8，該處理過程后結(jié)構(gòu)如圖3所示?？涛g劑為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中鈍化層焊墊開窗腐蝕劑。該過程需掩模板，腐蝕工藝可采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)。(3)對上極板4進(jìn)行懸掛處理此過程為做懸空結(jié)構(gòu)關(guān)鍵步驟，釋放過程需考慮應(yīng)力因素。將已開窗口范圍內(nèi)的兩極板間兩層電介質(zhì)9，10和下極板6與襯底12間電介質(zhì)11都腐蝕掉，上極板4眾多釋放孔2有利于腐蝕。同時，由于最外面電介質(zhì)層8已經(jīng)過鈍化處理，故該腐蝕過程不需額外掩模板和光刻膠，減小了工藝復(fù)雜性和成本。此工藝過程采用濕法腐蝕，用到的溶劑可選HF///^0,，//202，//26>等，經(jīng)該處理后結(jié)構(gòu)如圖4所示。典型腐蝕劑為49。/。HF，溫度5070'C，腐蝕速度1769nm/min左右，腐蝕時間3~5分鐘，腐蝕劑做攪拌處理，實際情況腐蝕溫度、濃度和時間根據(jù)總電介質(zhì)層厚度作適當(dāng)調(diào)整。MEMS制作工藝中各向同性濕法所用到的腐蝕劑可以根據(jù)金屬材料和介質(zhì)材料作適當(dāng)調(diào)整。為達(dá)到寬調(diào)制范圍，需增加可變電容值所占的比例，減小電容值保持不變的寄生電容部分。如圖2所示，貢獻(xiàn)寄生電容的上極板4支撐架網(wǎng)絡(luò)3與襯底12之間電介質(zhì)層9，10，ll需要挖空。下極板6與襯底12寄生電容對調(diào)節(jié)范圍影響不是很大，故下極板6與襯底12之間的電介質(zhì)層11邊沿部分因各向同性刻蝕挖空，而中央部分可腐蝕挖空也可不腐蝕挖空。(4)干燥及封裝電容極板懸掛處理后，需對器件進(jìn)行干燥防粘處理，采用超臨界二氧化碳做干燥劑?？刹捎贸R界二氧化碳(如T-31.rC，壓強-72.8atm)進(jìn)行干燥處理。MEMS工藝密封主要有鍵合和薄膜淀積兩種方法，因鍵合與標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容性不佳，可采用薄膜淀積來密封懸掛結(jié)構(gòu)，實際視具體工藝而定。經(jīng)過步驟(1)后的電容上極4如圖l所示，電容部分l厚2um，面積為98urr^98um，釋放孔2為4um*4um共5*5=25個。支持網(wǎng)絡(luò)3長寬高為80uit^20um".5um共兩對。支撐柱5長寬高為8um*20um*lum共兩對。下極板6厚0.6um，面積88un^88um。支撐柱7長寬高為12um*12um共3*3=9個。上下極板的間距為2um。步驟(2)中開窗面積為100um*100um。步驟(3)中懸掛處理中49o/。HF腐蝕劑處理4分鐘。上極板4懸掛處理后因機械外擴(kuò)和引力作用而向下外擴(kuò)使得上下極板間距為37nm左右。經(jīng)以上工藝步驟(1)(2)(3)(4)，懸掛可變電容各參數(shù)典型值如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表權(quán)利要求1、一種制備懸掛可變電容的工藝方法，其步驟包括(1)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)(2)在上極板上的鈍化層中刻蝕窗口，其中，窗口邊緣線相對上極板的電容部分的邊緣外擴(kuò)1um～2um；(3)對上極板進(jìn)行懸掛處理，將已開窗口范圍內(nèi)的兩極板間兩層電介質(zhì)，和下極板與襯底間電介質(zhì)腐蝕掉；(4)進(jìn)行干燥防粘處理。全文摘要本發(fā)明公開了一種制備懸掛可變電容的工藝方法，步驟包括(1)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)；(2)在上極板上的鈍化層中刻蝕窗口，其中，窗口邊緣線相對上極板的電容部分的邊緣外擴(kuò)1um～2um；(3)對上極板進(jìn)行懸掛處理，將已開窗口范圍內(nèi)的兩極板間兩層電介質(zhì)，和下極板與襯底間電介質(zhì)腐蝕掉；(4)進(jìn)行干燥防粘處理。本發(fā)明具有低寄生電容電阻和寬調(diào)節(jié)范圍高品質(zhì)因數(shù)，所采用的懸掛結(jié)構(gòu)能減小襯底渦漩電流及串聯(lián)電阻來提高品質(zhì)因數(shù)，減小寄生電容增加調(diào)制范圍和線性度。基于體硅互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝，無需額外掩模板，后期處理引入微機電系統(tǒng)懸掛工藝，制作成本低，成品率高。文檔編號B81C1/00GK101205055SQ20071016868公開日2008年6月25日申請日期2007年12月7日優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日發(fā)明者代小伍,濤張,鄒志革,鄒雪城,雷鑑銘申請人:華中科技大學(xué)