文摘

我们目前的实验结果的释放使用标准CMOS MEMS制造设备互连金属层结构元素和绝缘的二氧化硅牺牲层。实验比较四种不同的蚀刻剂的释放结果在CMOS技术(氢氟酸、氟化铵、乙酸的混合物和氟化铵、氟化氢),描述各种现象在腐蚀过程中发现,并显示的释放结果多层结构。

1。介绍

在过去的几十年里,许多工作的重点在微电子技术小型化和成本降低由于现代生活无处不在的使用电子便携设备。新范式,系统芯片(SoC),解决这些挑战通过集成尽可能多的电子产品在一个包中。后,传感器开始成为许多便携式设备的一部分,最终目标成为了传感器集成在同一个包电子电路,在所谓的传感系统芯片(SSoC) [1]。

有许多SSoC解决方案基于多芯片模块(MCM),传感器和电路的打包在一起而不是单;也就是说,它们在不同的模电连接与引线结合或倒装芯片技术。然而,单片集成电路,可以大大降低生产成本,同时,提高传感系统噪声的性能和寄生现象大大减少由于互连长度的减少。

整体方法MEMS-CMOS可分为(2在三个主要类别:(我)前pre-CMOS:当微系统制造CMOS电路(3,4),(2)intra-CMOS:当之间的MEMS制造常规CMOS电路的制作步骤(5),(3)后post-CMOS,当微系统制造CMOS电路。

有两个主要post-CMOS方法的变化。当微系统制造额外的层的沉积高于互补金属氧化物半导体晶片,它被称为MEMS(顶部6,7];但如果互补金属氧化物半导体层本身是用于制造微系统,我们称它为CMOS微加工。

CMOS微加工使用的层依赖于CMOS工艺作为MEMS装置的结构层,从而获得一个有效的单片集成传感器和电子之间。提出了三种微加工技术对MEMS发布的文献中,深反应离子刻蚀(驱动)8)(结合各向异性批量蚀刻),大部分微加工(9,10](限于压敏电阻设备),显微机械加工的铝和多晶硅层通过二氧化硅去除10- - - - - -13]。其中,大部分和铝/多晶硅微加工有潜在的成本更低,因为他们不需要复杂的设备。在这两种情况下,不需要特定的释放的面具,因为大部分微加工一堆nonfilled通过通常可以使底物(通常只有技术高于0.7 米的最小特征尺寸,也用作导电层通过材料);和铝/多晶硅微加工钝化层可以有效地用于保护结构不被释放。

尽管许多设备被使用铝层微加工制造的CMOS工艺(如射频开关(11),谐振器(14),射频过滤器和搅拌机(15),质量传感器(16),或微镜17]),几乎没有在文献中关于工作的具体问题,释放CMOS-micromachined结构可能构成。本文显示了结果的释放一些CMOS-MEMS设备从后处理获得0.35标准 m CMOS-manufactured芯片和各种现象的描述中发现了牺牲材料去除。实验中使用的CMOS工艺简要描述的部分2,而蚀刻部分中描述的代理和发布结果3和多层结构的结果部分4。

2。互补金属氧化物半导体工艺

用于测试的CMOS工艺的释放是surface-micromachined结构C035M-A从半导体AMI。它有一个0.35 m最小通道长度和五个金属层可用于路由。之前每一个金属层沉积、化学-机械抛光(CMP)的晶片,以便执行金属口供不正形。不同金属层之间的电气连接是用钨通过。过程层的横截面是描绘在图1。


图1
CMOS工艺横截面。蚀刻剂溶解氧化钝化开口(IMD和ILD)。

金属厚度变化从630纳米金属(底部 )为金属顶部(1020海里 )。每个金属层由三个子层,钛和氮化钛的第一个100纳米厚度(用于改善电迁移的鲁棒性和纹理18,19]),一个主要的导体组成的合金铝和铜,和另一个钛和氮化钛子层30 nm厚的工作作为一个抗反射涂层(弧)。

过程介质被用作祭祀MEMS材料的释放过程。下面 氧化层间电介质(ILD)沉积,这是一个三明治的掺杂和nondoped热生长二氧化硅。以上 ,Intermetal介质(IMD)氧化物沉积,这是由一个800纳米氧化填缝和PECVD氧化"。钝化厚度1100海里,是由氮化硅。实验表明,这些差异在金属和氧化物,释放结构产生重大影响的结果。

3所示。实验对腐蚀过程

在我们的实验过程中,我们已经测试了四种不同的著名的蚀刻剂释放微机械设备和技术。我们首先关注wet-release解决方案,因为它们提供更多降低成本,不需要复杂的设备。我们测试的蚀刻剂是氢氟酸( )、氟化铵( )和乙酸的混合物( )和氟化铵。然后,我们用干氟化氢(检查结果 )蚀刻。

3.1。氢氟酸

氢氟酸( )是最著名的蚀刻剂二氧化硅。它溶解二氧化硅( ),介质CMOS工艺的主要化合物,用以下反应: 用于湿释放时, 是溶解在水中,严重降低其对铝的选择性。在我们的实验中,所有与氢氟酸释放了临界损伤MEMS结构(见图2)。然而,它提出了使用异丙醇(IPA)代替水提高了铝选择性[20.),但这个选项没有被测试。


图2
缩影照片CMOS-MEMS膜释放的氢氟酸( 高频 )。蚀刻时间6分钟和30秒 高频 浓度是 2。5 % 。的武器和部分膜消失,但只有几纳米二氧化硅被移除。
3.2。氟化铵

氟化铵( ),也称为氧化缓冲腐蚀剂(央行),是另一个著名的蚀刻剂二氧化硅。描述的化学反应

,证明了图3、选择性与铝显著高于氢氟酸。然而,详细的分析表明,钝化层受损,小金属结构之上,属于CMOS电路和钝化层,覆盖着被释放。


图3
缩影照片CMOS-MEMS膜释放的氟化铵( N H 4 F )。蚀刻时间40分钟。蚀刻到达衬底为7.6 μ 米深度,但钝化层受损。
3.3。醋酸和氟化铵

乙酸的混合物( )和氟化铵( )被称为pad-etchant。所述混合物水解由以下反应: 生产水和氢氟酸。然而,混合物对铝、高选择性自形成保护层的第一分钟蚀刻过程中(21]。初步结果在我们的实验还表明,选择性对钝化层很好即使长时间腐蚀,所以进行了详细观察来评估该蚀刻剂的可行性。

图4显示了一个SPST悬臂式开关(单刀单掷)。注意弧的存在 下面层金属,但不是上面。这种不对称层组成的结构材料可能会导致增加结构残余应力,导致卷曲、弯曲,甚至骨折膜和悬臂梁。它也可以指出腐蚀溶解铝比弧层快得多。详细的测量表明,弧 层非常有弹性的蚀刻剂,几乎没有损坏。


图4
扫描电镜图像的CMOS-MEMS SPST开关与pad-etchant发布。悬臂梁的宽度是5 μ m和释放时间为60分钟。

图5显示了腐蚀的结果通过钝化开放(右边图像的一部分),然后执行削减(中心的图像),聚焦离子束(FIB)。可以看到,下面的蚀刻剂溶解氧化物钝化,揭示不同的蚀刻速度变化的斜率洞。此外,略低于氧化钝化蚀刻比其他人慢,要么由于氧化成分或结构变化。也,不同的氧化物沉积步骤(氧化填缝和IMD)显示在洞的斜率。


图5
扫描电镜图像的CMOS与pad-etchant氧化去除。发布时间是45分钟。

尽管有这些好的结果,更详细的分析指出,重大问题上释放过程。例如,图6显示了一个通过数组释放后与pad-etchant FIB,揭示铝层的内部结构。蚀刻剂进入结构从左边的部分图像,然后溶解周围的氧化钨通过。但是请注意,铝层也略低于钨通过溶解(只留下的 层),严重影响MEMS器件的可靠性通过层堆叠金属和制造。额外的实验也表明通过之间的氧化腐蚀速度是2.5倍的氧化物块(如图5),可能由于局部反应性增加引起的小流量通过之间的蚀刻剂。其他问题中发现一些稀疏的样品释放后斑(21)和水晶污染。点蚀现象如图7。它是由低收入的形成 细胞影响铝和周围的保护层的形成需要由一个适当的控制回流的蚀刻剂。水晶污染如图8和只会影响铝。高倍率SEM照片表明,八面体晶体物质的形状,但确切的化学成分是未知的。


图6
SEM图像的一系列CMOS-MEMS通过发布pad-etchant和FIB削减。蚀刻时间是45分钟。

图7
SEM图像的CMOS-MEMS悬臂发布pad-etchant和点蚀的影响。蚀刻时间是45分钟。

图8
SEM图像的CMOS-MEMS悬臂发布pad-etchant和水晶污染影响。蚀刻时间是75分钟。
3.4。氢氟化

氟化氢( )是氢氟酸的气态的版本。它溶解二氧化硅通过相同的化学反应,但据称对铝有很高的选择性。这里提供的版本进行Memsstar [22设施与他们特定的设备。为了有一个代表一系列结果,释放时间不同的范围从4分钟到12分钟,气体压力从90年35托托。

图9显示了一个CMOS-MEMS悬臂与氟化氢发布。悬臂是一堆做的 , , , , 。可以看到,没有损坏铝结构。此外,在对比图6通过数组,FIB削减不显示任何内部损坏结构。


图9
扫描电镜的图像与氟化氢CMOS-MEMS悬臂释放。

关闭视图执行释放后的钝化层显示,氮化硅过程中严重受损。如图10,钝化获得多孔结构。FIB削减氮化表明,甚至释放时间较短的几乎一半的钝化厚度受损。同时,额外的分析显示,长时间腐蚀倍钝化分裂,揭露所有电路蚀刻剂。但是请注意,钝化是最后一层沉积在互补金属氧化物半导体晶片,它不需要高分辨率的面具对齐,这意味着它可能是化学改性,使其适应氟化氢没有严重增加成本。事实上,一些铸造厂提供可能结束过程与聚酰胺除氮化硅钝化层。这应该对氟化氢铜版画作为保护层。


图10
扫描电镜的图像与氟化氢CMOS-MEMS膜释放。注意钝化层的异常结构。

一个更严重的问题是描绘在图11。图显示了FIB降低氟化氢发布后5 米 5 在所有五个方孔金属层。注意到奇怪的氧化腐蚀金属层之间的配置文件。释放过程溶解约2.6 m之间的氧化 和 ,1.8 m之间的氧化 和 ,2.8 米之间 和 ,6.3 米之间 和 ,所有氧化物之间 和基质。额外的SEM照片表明,氟化氢也进入芯片外侧,从一边的subdiced芯片和溶解超过140人 m ILD氧化物(之间 和基质)只有几微米的IMD(金属层之间)蚀刻。这不同的蚀刻速度ILD和IMD会导致严重的问题,如果氟化氢到达ILD氧化,因为它将很快溶解,造成结构性的弱点和CMOS电路损坏。据信,虽然没有证实,氧化的不同结构或沉积氧化技术和不同的掺杂物的存在的原因是那些大不同的腐蚀速度。


图11
扫描电镜图像的CMOS与氟化氢通过氧化去除 5 μ 米 × 5 μ 米方孔金属和多晶硅层。

4所示。具有多层结构的实验

多层结构,是由一堆不同金属层与vias-can是一种有效的方式来弥补MEMS器件的高水平的残余应力。残余应力引起的卷曲释放机械结构,和,在某些情况下,甚至可能导致破损。残余应力降低通过应用热处理(退火)沉积了一层,但当CMOS表面微加工标准或商业使用CMOS工艺这通常不是一个选项由于制造过程是严格优化的晶体管性能和产量最大化。

尽管图中所示的问题6,发布各种多层膜的设计和使用60分钟蚀刻醋酸和氟化铵。如图1250的,他们有一个八角形的形状 米边心距和几乎所有的他们依然在一起发布后,尽管内部损坏铝层之前显示。剖面测量用单层膜(制造的干涉仪 双层(制造), , , ),3 - layer膜(制造 , , , , )如图13。单层膜的测量卷曲半径大约是0.39 mm,远离火源的3.72毫米,3 - layer是41.3毫米。


图12
之一的缩影照片CMOS-MEMS膜用于剖面测量,如图13。八角边心距是50 μ 米的长度。

图13
100年不同剖面测量 μ m CMOS-MEMS膜由一、二和三个金属层。钝化是在9 μ m高度和底物在0 μ m。细胞膜与pad-etchant 60分钟后被释放。

然而,当释放更多复杂的结构(如梳状驱动程序),收益率或存活率显著降低,因为不同的层不团结。图14显示了一个3 - layer干涉仪的梳式MEMS装置在相同条件下释放。可以看到,一些手指比其他人更卷曲,这表明狭窄和长铝结构内部损坏非常严重,通过不能够保存层联系在了一起。


图14
干涉仪的三梳式CMOS-MEMS致动器与pad-etchant释放后,表明不同层之间的断裂的手指。结构与pad-etchant 60分钟后被释放。

多层结构的另一个应用程序是提高粘滞作用的鲁棒性。粘滞作用导致释放微机械零件由于表面引力变得粘在一起。例如,在膜的情况下(有很高的表面),一个完整的固定板底部与顶部接触自由板是可能导致粘滞作用,如果恢复机械力不够高。在这种情况下,为提高粘滞作用可以使用健壮性酒窝。酒窝是膜表面的小疙瘩,总接触面积减少,因此,静摩擦力。被广泛应用于商用MEMS工艺如PolyMUMPs [23,已经证明了其有效性,作为一个低成本的解决方案。在CMOS-MEMS过程中,酒窝的同样的效果可以通过本地化使用通过。在我们的例子中,一个小 通过矩阵的 来 已经被证明是一个非常有效的酒窝结构 膜。

5。结论

在本文中,我们将释放结果与四个不同的蚀刻剂的表面微加工铝层在标准CMOS技术(氢氟酸、氟化铵、乙酸的混合物和氟化铵、氟化氢),我们已经指出的一些主要问题和副作用,如铝和钝化表面损坏,内部结构损伤,点蚀,污染和非均匀腐蚀速度。我们还展示了释放的结果一堆各种金属层的多层结构设计,通过揭示产量或存活率问题的一些设计。

虽然每个剂都有其局限性,在我们看来pad-etchant提供最佳的整体结果。但是请注意,氟化氢给最好的选择性对铝导电层和钨通过,但是,不幸的是,钝化和ILD氧化物层的问题使它很难使用的脱模剂CMOS-MEMS设计。如果这些问题得到解决(可能通过引入对CMOS工艺的修改),氟化氢的承诺成为最好的蚀刻剂CMOS-MEMS流程。

总之,尽管CMOS-MEMS设备的兴趣,释放氧化或腐蚀过程用于去除牺牲材料并不免除问题,主要是由于新CMOS技术的复杂性要求达到高收益水平和亚微米分辨率层沉积。每个CMOS工艺的特殊性和技术家族的释放过程完全依赖于每个CMOS铸造的生产细节,在大多数情况下,一个密切合作与铸造或CMOS工艺的技术变化可能需要为了得到令人满意的结果在一个工业规模的生产。

确认

这部分工作是支持西班牙语科技部创新项目下tec2008 - 06028 / TEC和工业,旅游业和商业项目tsi - 020400 - 2008 - 121。作者要感谢胡安·j·瓦莱和劳拉Barrachina Baolab微系统的帮助以SEM图片所示。