專利名稱：一種減少埋層空洞型soi晶片化學機械研磨破裂的工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體材料制備工藝，尤其是一種減少埋層空洞型SOI晶片拋光加工過程中容易產生頂層硅膜破裂的工藝，屬于微電子材料工藝技術領域。
背景技術：
MEMS技術發(fā)展迅速，SOI MEMS技術受到越來越廣泛的重視。在S0IMEMS技術中常需要在埋層結構中制造圖形，形成埋層空洞型SOI結構，導致了埋層空洞型SOI晶片產品被開發(fā)出來。芬蘭Okmetic公司、美國IceMOS公司已開始銷售埋層空洞型SOI晶片(Cavity SOI)產品。國內中國電子科技集團公司第48所、中國電子科技集團公司第M所和上海新傲科技均已掌握關鍵技術。埋層空洞型SOI晶片(Cavity SOI)制備的主要步驟，包括氧化、刻蝕、鍵合、減薄、拋光五個過程。MEMS器件常要求埋層空洞型SOI晶片的頂層硅膜厚度在Iym-IO μ m。 由于頂層硅膜很薄，在最終拋光時空洞內的氣壓(或真空)受摩擦熱(或外部正壓)的影響，使得空洞位置的頂層硅膜變形甚至破裂，因而使得頂層硅膜厚度一致性變差，產品質量下降甚至報廢。通常厚膜SOI晶片制備工藝中，鍵合過程主要有真空鍵合和常壓鍵合兩種，如

圖1 所示，通過鍵合形成了 “硅/ 二氧化硅/硅”三層結構。對空洞型SOI晶片而言經真空鍵合后，鍵合腔3存在負壓。當鍵合的SOI晶片減薄至3 μ m-10 μ m時，如圖2所示，鍵合腔3 的內外壓力差就會導致空洞型SOI晶片的頂層硅膜下凹5。經常壓鍵合后，鍵合腔3氣壓為一個大氣壓。在最終拋光時的研磨作用刻導致被拋SOI晶片的接觸面溫度升高20°C以上， 如圖3所示，鍵合腔3內的氣體因受熱膨脹致空洞型SOI晶片的頂層硅膜上凸6。而且鍵合腔3的頂層硅膜7越薄，變形越嚴重，直至破裂。所述破裂是指埋層空洞型SOI晶片的頂層硅膜完整性遭到破壞?？梢哉f，減少破裂是進一步提高埋層空洞型SOI晶片品質的一個重要課題。

發(fā)明內容
為了克服現有的SOI晶片制備工藝使得埋層空洞型SOI晶片中空洞位置的頂層硅膜容易變形甚至破裂，從而導致頂層硅膜厚度一致性變差，產品質量下降甚至報廢的不足， 本發(fā)明旨在提供一種減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，該工藝可以有效地減少Sih CMP過程中埋層空洞型SOI晶片頂層硅膜的破裂，改進SDB (Silicon-silicon Direct Bonding)工藝，提高埋層空洞型SOI晶片的品質和成品率。為了實現上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是所述減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，包括如下步驟a)、氧化；對硅襯底進行氧化，在硅襯底表面形成二氧化硅介質層；b)、刻蝕；刻蝕二氧化硅介質層，在SW2介質層表面開出窗洞，窗洞的底部至S^2 介質層和硅襯底的臨界面，形成鍵合腔；
C)、鍵合；將刻蝕的硅襯底與一頂部硅層鍵合，形成“Si/Si02/Si”三層結構；d)、研磨；對鍵合好的“Si/Si02/Si”三層結構的頂層硅膜進行研磨；e)、拋光；繼續(xù)對頂層硅膜進行拋光，直至將頂層硅膜厚度減薄至設定目標厚度；其結構特點是，在步驟b)之后，步驟C)之前，還包括設定鍵合腔內壓力的步驟。所述設定鍵合腔內壓力的步驟為，將硅材料的彈性模量、鍵合腔尺寸、頂層硅膜厚度等參數代入下式計算，根據埋層空洞型SOI晶片頂層硅膜厚度目標值，計算壓差對頂層硅膜變形量的影響；
權利要求
1.一種減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，包括如下步驟a)、氧化；對硅襯底(4)進行氧化，在硅襯底(4)表面形成二氧化硅介質層O)；b)、刻蝕；刻蝕二氧化硅介質層0)，在SiO2介質層(2)表面開出窗洞，窗洞的底部至 SiO2介質層(2)和硅襯底(4)的臨界面，形成鍵合腔(3)；c)、鍵合；將刻蝕的硅襯底⑷與一頂部硅層(1)鍵合，形成“Si/Si02/Si”三層結構；d)、研磨；對鍵合好的“Si/Si02/Si”三層結構的頂層硅膜(7)進行研磨；e)、拋光；繼續(xù)對頂層硅膜(7)進行拋光，直至將頂層硅膜(7)厚度減薄至設定目標厚度；其特征是，在步驟b)之后，步驟c)之前，還包括設定鍵合腔(3)內壓力的步驟。
2.根據權利要求1所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，其特征是，所述設定鍵合腔(3)內壓力的步驟為，將硅材料的彈性模量、鍵合腔C3)尺寸、頂層硅膜 (7)厚度等參數代入下式(1)計算，根據埋層空洞型SOI晶片頂層硅膜(7)厚度目標值，計算壓差對頂層硅膜(7)變形量的影響；rHP χ / χ wdh~^-= kr...................................... (1)t式中p為鍵合腔(3)內壓力；1為鍵合腔( 長度；W為鍵合腔(3)寬度；h為鍵合腔 ⑶高度；t為頂層硅膜(7)厚度；T為溫度差；k為修正系數，取值范圍為1. 6 4. 8 ；由式(1)計算出鍵合腔(3)內壓力P，平衡化學機械研磨過程的熱致頂層硅膜(7)變形，根據計算出的鍵合腔(3)內壓力值，設定晶片鍵合工藝過程的壓力參數值與計算出的鍵合腔(3)內壓力值一致，再晶片鍵合，形成“Si/Si02/Si”三層結構。
3.根據權利要求1所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，其特征是，所述研磨保留頂層硅膜(7)厚度至30μπι-80μπι。
4.根據權利要求1所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，其特征是，所述拋光包括粗磨和精拋兩個過程，采取兩級S^2 CMP藝，粗磨保留頂層硅膜(7)厚度至10 μ m-30 μ m,精拋通過調整拋光工藝參數達到最終目標范圍。
5.根據權利要求4所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，其特征是，所述粗磨和精拋兩個過程選用不同的研磨參數、研磨料和研磨墊，兩級SiA CMP工藝過程不得交叉污染。
6.根據權利要求1所述的減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，其特征是，對厚度為300 μ m的硅襯底(4)進行氧化，形成厚1 μ m的二氧化硅介質層O)； 然后刻蝕二氧化硅介質層O)，在SW2介質層(2)表面開出3 μ mX3 μ m的窗洞，形成 3ymX3ymXlym鍵合腔(3)；設定鍵合腔(3)內壓力為0.45 X IO5Pa,研磨步驟將頂層硅膜(7)厚度從300 μ m減薄至45 μ m，拋光步驟將頂層硅膜(7)厚度減薄至5 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減少埋層空洞型SOI晶片化學機械研磨破裂的工藝，屬于微電子材料工藝技術領域。針對埋層空洞型SOI晶片(Cavity SOI)的化學機械研磨減薄，主要步驟為壓力設定、鍵合、粗磨、精拋，完成埋層空洞型SOI晶片的制作。根據SOI晶片頂層硅膜的最終厚度設定鍵合腔內壓力，以及粗磨、精拋兩級化學機械拋光的步驟。通過設定鍵合腔內壓力可以平衡化學機械研磨過程的熱致頂層硅膜變形，從而避免或減少SOI晶片頂層硅膜的破裂，提高了頂層硅膜厚度一致性，很好地控制了產品質量，降低了加工成本。
文檔編號H01L21/762GK102332423SQ201110136688
公開日2012年1月25日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者劉咸成, 朱宗樹, 蔣超, 賈京英, 顏秀文 申請人:湖南紅太陽光電科技有限公司