MEMS濕法工藝對(duì)硅襯底性能要求的探討

張偉才，韓煥鵬，陳 晨

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津，300220)

MEMS濕法工藝對(duì)硅襯底性能要求的探討

張偉才，韓煥鵬，陳 晨

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津，300220)

通過對(duì)比MEMS各向異性腐蝕中硅材料表現(xiàn)出的各類缺陷，研究硅材料性能對(duì)腐蝕工藝的影響。研究中發(fā)現(xiàn)，硅中原生缺陷是影響腐蝕效果的重要因素，而原生缺陷與晶體初始氧含量密切相關(guān)。同時(shí)，摻雜原子會(huì)造成晶格畸變，繼而導(dǎo)致腐蝕缺陷的產(chǎn)生。

硅；各向異性；濕法腐蝕；缺陷

MEMS結(jié)合了機(jī)械可動(dòng)結(jié)構(gòu)和大規(guī)模、低成本微電子加工的優(yōu)點(diǎn)，在微小尺度上實(shí)現(xiàn)了與外界電、熱、光、聲、磁、流信號(hào)的相互作用。采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件在航空、航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等人們接觸的幾乎所有領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。

體硅工藝是指直接在硅片上加工，獲得有用的部件均為硅材料組成。體硅工藝主要追求大質(zhì)量塊、低應(yīng)力和三維加工，這與傳統(tǒng)的微電子工藝有所不同，對(duì)硅材料的要求也有所不同。當(dāng)前，我國MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，帶動(dòng)了對(duì)硅襯底材料的需求，但材料的技術(shù)要求尚未被充分研究，以微電子要求作為標(biāo)準(zhǔn)的硅材料在MEMS工藝中暴露出各類問題，本文對(duì)影響體硅工藝的襯底特性做了歸納總結(jié)，對(duì)研制MEMS專用硅材料具有一定的借鑒意義。

1 硅片技術(shù)現(xiàn)狀

硅片技術(shù)在集成電路和太陽能產(chǎn)業(yè)的雙重驅(qū)動(dòng)下，在近十年內(nèi)取得了長足進(jìn)步，特別是缺陷工程、自動(dòng)化生產(chǎn)等重點(diǎn)課題的完成，使半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)迅速完成了由150 mm向200、300 mm的過渡，目前集成電路用硅片以300 mm為主，450 mm硅片已完成了開發(fā)研制，而光電子、傳感器和分立器件領(lǐng)域，則仍以200 mm以下硅片為主。

在線寬工藝不斷縮小的摩爾定律進(jìn)程中，硅材料的統(tǒng)治地位之所以未能被新興材料取代，很大程度上歸功于“表面潔凈”技術(shù)。圖1是SunEdison公司公布的硅片內(nèi)部截面圖，它通過快速拉晶和快速熱退火等方式實(shí)現(xiàn)了近表層幾十微米深度的“潔凈區(qū)”，而硅片內(nèi)部形成了高密度氧沉淀，保證了內(nèi)吸雜的作用。

圖1 硅片經(jīng)過快速熱退火后的截面圖[1]

2 試 驗(yàn)

采用 CG6000型直拉硅單晶生長爐生長150 mm硅單晶，導(dǎo)電類型N型，晶向<100>，通過磁場(chǎng)強(qiáng)度控制硅單晶氧含量，硅單晶通過滾磨、切割、研磨、拋光等工序，制備出厚度220～400 μm雙面拋光片，通過MEMS濕法各向異性腐蝕衡量硅片的性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 硅單晶缺陷對(duì)濕法腐蝕的影響

采用不同的硅單晶片進(jìn)行了MEMS體硅工藝的杯結(jié)構(gòu)腐蝕，腐蝕坑深約220 μm，在杯底觀察到了明顯的亮坑缺陷，亮坑直徑100～300 μm，坑深約為2～5 μm，圖2為亮坑形貌，1#、2#樣品的缺陷密度類似，但在2#樣品中未發(fā)現(xiàn)直徑大于200 μm的缺陷，3#樣品的缺陷密度最低，且缺陷尺寸較小。

圖2 三種硅單晶在腐蝕杯底的坑缺陷

MEMS體硅工藝的濕法腐蝕是各向異性腐蝕，腐蝕缺陷通常就是單晶缺陷的直觀表現(xiàn)，但按照以往硅單晶缺陷[2]的研究結(jié)果，硅中的微缺陷尺寸一般在0.5 μm以下，幾十微米的缺陷在零位錯(cuò)硅單晶中鮮有報(bào)道。通過對(duì)三種硅單晶的氧含量進(jìn)行測(cè)試（見表1），發(fā)現(xiàn)氧含量與圖2中的腐蝕缺陷有較為明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，硅單晶氧含量越高，腐蝕缺陷的尺寸和密度越大。另外一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，硅杯腐蝕深度不足100 μm時(shí)，亮坑缺陷并不明顯，這說明單晶缺陷集中在硅片內(nèi)部，因此，缺陷的變化和形成應(yīng)受到硅片熱歷史的影響。

表1 三種硅單晶的間隙氧含量測(cè)試結(jié)果

由于單晶生長過程中磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同，造成三種硅單晶體內(nèi)氧含量的差異，氧在高溫下處于過飽和狀態(tài)，將形成氧沉淀，不同溫度下氧沉淀的種類不一樣，文中硅片經(jīng)歷了650℃的熱退火過程用以消除熱施主，恰為之前報(bào)道的非晶狀氧沉淀的形成溫度[3]，氧沉淀造成附近晶格畸變，繼而形成了上百微米范圍的應(yīng)力區(qū)，因此在濕法腐蝕中產(chǎn)生了大尺寸的亮坑缺陷。

本文進(jìn)而模擬熱氧化SiO2掩膜工藝，對(duì)三種硅片進(jìn)行了更高溫度（1100℃）的熱處理，然后再對(duì)硅片進(jìn)行濕法腐蝕，在深度腐蝕的＜111＞面發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的層狀缺陷（圖3所示），這說明氧沉淀會(huì)隨著熱處理溫度的升高繼續(xù)長大，并隨著體積的增大開始呈現(xiàn)出晶向特征，沿<110>方向變寬繼而形成表面能較低的八面體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力區(qū)因而受到不斷排擠而形成層狀形貌。

從上述結(jié)果上看，硅片腐蝕缺陷與硅片熱歷史有關(guān)，但本質(zhì)上取決于晶體原生微缺陷的狀況，而后者又與氧含量密切相關(guān)。低氧的硅單晶具有較少的氧致缺陷，有助于提高腐蝕結(jié)構(gòu)精度，但同時(shí)也將降低硅片的強(qiáng)度，相關(guān)研究表明[4]，硅單晶中氧的含量與＜111＞面的滑移應(yīng)力呈正比關(guān)系，因此，低氧造成的機(jī)械強(qiáng)度下降不可忽視，在低缺陷單晶研究的基礎(chǔ)上，材料的力學(xué)特性研究尚待深入進(jìn)行。

圖3 ＜111＞面的濕法腐蝕缺陷

3.2 硅片摻雜濃度對(duì)濕法腐蝕的影響

采用不同摻雜濃度的硅片進(jìn)行堿腐蝕，摻雜濃度如表2所示。

表2 不同樣品的摻雜濃度

從圖4的腐蝕結(jié)果來看，硅單晶的摻雜濃度對(duì)各向異性腐蝕有著重要影響，當(dāng)摻雜濃度達(dá)到8.1E19/cm-3時(shí)，腐蝕形貌出現(xiàn)了典型的＜100＞晶面的位錯(cuò)缺陷，這無疑是摻雜原子造成的晶格畸變，隨著摻雜劑量的降低，腐蝕缺陷逐漸減少，因此，作為體結(jié)構(gòu)的硅片，應(yīng)盡量選擇摻雜劑量較少的，以降低腐蝕缺陷，提高M(jìn)EMS結(jié)構(gòu)精度，而對(duì)于“自停止”腐蝕等工藝的特殊需求，因其必須使用高摻雜劑量，則應(yīng)采取相應(yīng)措施削弱界面腐蝕

圖4 不同摻雜濃度的堿腐蝕形貌

的各向異性。

4 結(jié) 論

硅單晶材料在MEMS濕法腐蝕工藝中的缺陷與硅片熱歷史有關(guān)，但本質(zhì)上由晶體原生缺陷所決定，而晶體原生缺陷與氧含量密切相關(guān)，低氧的硅單晶具有較少的氧致缺陷，有助于提高M(jìn)EMS結(jié)構(gòu)精度，但同時(shí)會(huì)削弱硅片的機(jī)械強(qiáng)度。硅片的摻雜劑量對(duì)濕法腐蝕工藝也有重要影響，摻雜原子造成的晶格畸變會(huì)產(chǎn)生局部位錯(cuò)。

[1] R.Falster，V.V.Voronkov，el al.On the Properties of the Intrinsic Point Defects in Silicon：A Perspective from Crystal Growth and Wafer Processing[J].Physica Status Solidi，2000，222，222(1)：219-244.

[2] M.J.Binns，S.Bertolini，el al.Effective Intrinsic Gettering for 200 mm and 300 mm P/P Wafersin a Low Thermal Budget 0.13 μm Advanced CMOS Logic Process[J]. Silicon Materials Science&Technology，2002，9(1)：387-392.

[3] F.Shimura，H.Tsuya，el al.Precipitation and redistribution of oxygen in Czochralski-grown silicon[J].Applied Physics Letters，1980，37(5)：483-486.

[4] I.Yonenaga，K.Sumino，el al.Mechanical strength of silicon crystals as a function of the oxygen concentration [J].Journal of Applied Physics，1984，56(8)：2346-2350.

The Properties of Silicon Substrates for Wet Etching of MEMS Process

ZHANG Weicai，HAN Huanpeng，CHEN Chen
(The 46thReasearch Institute of CETC，Tianjin，300220)

The Properties of Silicon substrates was researched by the comparison of defects in the wet anisotropic etching.The intrinsic point defects in silicon which has been proved to be related to oxygen content was found to have an effect on processing.The doped atoms can cause lattice distortion,which can lead to the formation of etching defects.

Silicon；Anisotropic；Wet etching；Defects

TN305.2

A

1004-4507(2017)02-0004-04

張偉才（1985-），男，河北唐山人，長期從事半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)研究，承擔(dān)了多項(xiàng)省部級(jí)科研項(xiàng)目。

2017-03-09