用两次键合技术制备均匀单晶硅膜
第 29 卷 第 1 期
2006 年 3 月 电 子 器 件
Chinese J ournal Of Electron Devices Vol. 29 No. 1
Mar. 2006
收稿日期 :2005205212
基金项目 :国家自然科学基金资助课题 (60476019)
作者简介 :何 芳 (19812) ,女 ,研究生 ,主要从事硅直接键合在压力传感器中的研究与应用 ,hfg_ele @yahoo. com. cn ;
黄庆安 (19632) ,男 ,教授、博士生导师 ,主要从事微电子技术和 MEMS 的教学与研究 ;
秦 明 (19672) ,男 ,教授 ,主要从事 MEMS 传感器和 MEMS 器件的研究。
Fabrication of Uniform Crystal Silicon Membrane Using
Two2Step Silicon Direct Bonding Technology
H E Fang , HUA N G Qing2an , QI N Ming
( Key L aboratory of M EMS of Ministry of Education , S outheast University , N anjing 210096 , China)
Abstract :SOI substrate fabricated by silicon direct bonding (SDB) is one of the most important applications
of SDB. The problems of bonding and thinning in the fabrication of BESOI were studied , and the flatness
and influencing factors of membrane fabricated by this method were analyzed from experiment. The thick2
ness2controlled crystal silicon membrane which was employed to form the sensitive membrane of pressure
sensor , was fabricated by two steps of SDB and SOI etch2stop. The surface quality of the membrane is ex2
cellent and the flatness is in the range of ±0. 15μm.
Keywords :silicon direct bonding ;thinning ;crystal silicon membrane ;MEMS device
EEACC :2550;2560B
用两次键合技术制备均匀单晶硅膜
何 芳 ,黄庆安 ,秦 明
(东南大学 MEMS 教育部重点实验室 , 南京 210096)
摘 要 :硅直接键合 (SDB) 技术用于制备 SOI 片 (BESOI) 是键合技术的最重要应用之一 ,研究了制备 BESOI 片中的键合和
减薄问题 ,获得了大面积的均匀单晶硅膜 ,通过实验分析了这种方法获得的薄膜的平整度和影响因素。并针对压力传感器的
敏感膜 ,通过两次键合及 SOI 自停止腐蚀成功制备了厚度可控的均匀单晶硅薄膜 ,硅膜表面质量优良 ,平整度在 ±0. 15μm 的
范围内。
关键词 :硅直接键合 ;减薄 ;单晶硅薄膜 ;MEMS 器件
中图分类号 :2550;2560B 文献标识码 :A 文章编号 :100529490( 2006) 0120069204
当前 ,微电子机械系统 (MEMS) 技术正在向实
用化的方向发展。硅微机械薄膜在各类微传感器和
微执行器中都得到了广泛的应用。制作出高性能、
高灵敏度、低成本的单晶硅薄膜已成为许多 MEMS
器件实用化的关键。在过去的二十年中 ,制造硅薄
膜主要基于表面外延技术[1 ] ,但生长温度高、速度
快、自掺杂严重 ,堆垛层错多 ,这些先天性缺陷严重
限制了它在 MEMS 器件上的应用。与此相比 ,分子
束外延(MBE) 虽能消除传统外延自掺杂和外扩散
难以控制的缺点 ,但昂贵的设备、高成本、低产出限
制了它在未来的应用。事实上 ,存在很大一部分的
MEMS 器件结构 ,需要在非硅绝缘层上生长硅薄
膜 ,如压力传感器、微开关[2 ] 等需要厚度均匀的可动
薄膜 ,以及要求能兼容 CMOS 电路。于是多种绝缘
体上硅膜 (SOI) 制备方法被开发[3 ] ,可以气相外延
生长为基础 ,如蓝宝石上外延硅技术 (SOS) ;也可以
固相外延为基础 ,如区熔再结晶技术 ( ZMR) ,除蓝
宝石隔离层不利于加工外 ,外延技术的应用均有上
述的限制。还有现应用较广的氧注入隔离技术 (SI2
MOX) ,但硅层缺陷密度高 ,硅膜和绝缘层厚度变化
范围有限(硅膜为 0. 03～0. 5μm ,SiO2 为 0. 05～0.
6μm) ,离子注入埋层质量较差 ,常出现针孔、硅岛
等。SIMOX 与外延的结合虽能减少缺陷密度、改善
生长质量 ,但无疑是以增加成本为代价的。随着
MEMS 技 术的飞 速 发 展 , 硅 直 接 键 合 ( SDB) 技
术[4 - 6 ] 成功解决了这一问题 ,在键合硅衬底上进行
体微机械加工 ,先键合再减薄获得 BESOI (Bonded
and etched2back silicon2on2insulator) 单晶硅膜 ,硅
层质量好 ,埋层完整 ,键合界面附近的原子排列整
齐 ,工艺简单 ,低成本 ,从而使以硅为核心的各种材
料的集成成为现实 ,并能兼容制造集成电路 ,进而使
硅 VL SI 技术的潜力得以充分发挥 ,促进了硅微系
统的实现。
对于 BESOI 片 ,如何进行大面积的均匀减薄以
使工作硅膜达到所需要的厚度 ,是 MEMS 硅薄膜制
备的难点和关键点。本文主要研究了硅直接键合制
备 BESOI 片 ,分析了厚度可控减薄技术减薄后薄膜
的平整度和影响因素 ,针对 MEMS 器件中应用广泛
的腔或凹槽上的覆盖硅膜[7 ] ,通过两次键合以及利
用 SiO2 埋层作为腐蚀自停止层 ,获得厚度可控的单
晶硅薄膜技术 ,成功实现了 MEMS 单晶硅薄膜的均
匀减薄 ,并应用于压力传感器的敏感膜中。
1 实验过程
本文用两次键合制备的 BESOI 薄膜主要用作
MEMS 传感器中腔或凹槽上的覆盖硅膜 ,其工作硅
膜的厚度要求一般为 2μm 至几十μm 的范围 ,由于
减薄是薄膜制备中的一项瓶颈技术 ,鉴于此 ,我们在
硅直接键合的基础上 ,采用了新型的 V G202M K Ⅱ
精密硅片减薄技术、精细化学机械抛光以及局部等
离子腐蚀技术。实验选用 4 英寸 N 型掺磷 ,电阻率
为 3. 0～15 Ωcm 的精密抛光的硅片 ,衬底掺杂浓度
为 3 ×1015 cm - 3 ,厚度为 515 ±10μm 。热氧化部分
抛光片 ,生长 5000 ! 的氧化层作为隔离绝缘层。将
一无氧化层的硅片与另一有氧化层的硅片按直接键
合步骤 ,先进行 RCA 表面活化清洗 ,用去离子水冲
洗干净 ,再进行干燥处理。使用 EV G 公司的 610
对准机进行两硅片对准 ,利用 EV G501 系列键合机
进行预键合 ,键合气氛设为空气。短时间后 ,预键合
完成 ,再置入高温炉中退火 ,1000 ℃1h ,1200 ℃1h ,
退火气氛设为氧气。图 1 为键合完成后的红外图
像 ,键合界面无空洞出现。经键合强度测试仪 ,测得
键合强度为 10. 158 MPa 。
图 1 两硅片键合完成后的红外传输图像
图 2 减薄工艺过程图
键合完成后 ,减薄键合对中无氧化层硅片的背
面 ,我们使用 V G202M K Ⅱ全自动、高精度、连续进
刀的专用减薄机[8 ] ,它可以快速减薄硅等易脆半导
体材料。图 2 为减薄工艺过程图 ,通过精密调试吸
盘外形 ,轴 1 和轴 2 的 a ,b 角度 ,吸盘停泊位置 ,在
线测量仪(PULCOM) ,减薄方式 ,进刀参数等 ,把硅
片减薄到需要的厚度 ,减薄的精度可以达到 4 英寸
的硅片 ≤0. 3μm。然后进行精密的化学机械抛光
(CMP) ,由 SiO2 抛光液和碱性组分水溶液组成抛
光浆液 ,其含量控制在 8 %～10 %的范围内 ,SiO2 的
粒径约为 10 nm 且非常均匀 ,PH 值控制在 10. 5 左
右。由于 SiO2 硬度和硅单晶的硬度相似(莫氏硬度
均为 7) ,所以机械磨削作用较少 ,使机械损伤大大
减少。实际抛光过程中 ,我们将抛光速率控制在 10
μm/ h ,不仅要注意硅膜表面的平整度 ,更需要注意
硅膜厚度的均匀性 ,抛光中需不断检测膜厚的变化
情况 ,直至达到我们需要的膜厚为止。若需要更加
超薄 Si 膜 ,则使用局部等离子腐蚀技术[9 ] ( PACE)
来制备 ,在机械磨抛 SOI 后 ,测出 Si 的厚度分布(一
般取 64 ×64 点) ,然后控制低能量离子束 ,在不同的
位置腐蚀不同的时间 ,并对厚度进行反馈控制 ,从而
实现均匀减薄 ,减薄精度可达 0. 1μm ±10 %。
抛光后的 SOI 片与另一普通抛光片或有图形
硅片重复上述键合步骤 ,进行第二次的硅直接键合 ,
预键合气氛为真空 , 退火气氛设为氧气 , 生成的
SiO2 作为保护层。先机械研磨 SOI 片背面。本文
选取的是有图形硅片 ,考虑到机械研磨残余应力造
07 电 子 器 件 第 29 卷
成的损伤 ,SiO2 隔离层上的硅层尽量留至 80μm 以
上 ,再使用湿法化学腐蚀法 ,把键合对放置于 85 ℃、
浓度为 25 %的 TMA H 水溶液中 ,一段时间后会自
停止于 SOI 的 SiO2 层 ,露出光滑如镜面的薄膜层。
其工艺流程示意图见图 4。
图 3 两次硅直接键合形成厚度可控的硅薄膜示意图
2 结果及讨论
用硅直接键合制备 SOI 片 ,先机械研磨 ,再精
确磨抛光或局部等离子腐蚀至所需厚度 ,利用这种
方法进行减薄主要关心的指标有两个 ,一是工作硅
膜的最小厚度 ,二是减薄后硅膜厚度的均匀性。在
实验中 ,我们选择了 4 个工作硅膜厚度 ,分别为 40
μm ,10μm ,5μm ,2 μm。实验中发现 ,当硅膜厚度
低于 10μm 时 ,可以看到边缘处几乎完全磨抛掉 ,
露出一圈圈的有色的极薄硅膜边缘 ,当厚度大于 10
μm 时 ,则都没有观察到这种现象 ,这是经 CMP 之
后所特有的切边现象。而且在抛光过程中 ,硅片表
面会有硅损失 ,实验表明大约为 60～70 nm。
在 MEMS 器件制造过程中 ,我们最关心硅膜厚
度的均匀性。为此 ,使用 MDC 公司的 CSM116 半
导体特性测试仪 ,采用逐点多次循环 CV 法 ,可以测
得 SiO2 隔层上各点的硅膜厚度。在同 一样片上选
图 4 测试点示意图
取多点。图 4 为测试点示意图 ,表 1 为各点测试结
果。由表 1 可以看出 ,所测 4 个样品的厚度平均值
分别为 40. 188 μm、10. 051 μm、5. 077 μm、2. 040
μm ,各点的起伏都在 ±0. 15μm 以内 ,均匀性在工
艺能达到的范围内。
表 1 4 个样片薄膜各点厚度测试数据
测度点 1 2 3 4 5 6 7 8 9
膜厚 (μm)
401095 401293 401246 401106 401261 401105 401225 401182 401182
101082 91982 101066 101157 101124 101008 91974 101078 91985
51190 41892 51118 51212 51042 41959 51150 41992 51134
11972 21066 11926 21066 21101 21185 11985 21089 11971
在实验中 ,我们还体会到 ,减薄后硅膜厚度的均
匀性不仅与减薄技术密切相关 ,而且还与键合前两
硅片键合面的平整度关系密切 ,而且膜越薄 ,与键合
前硅片的质量关系越大。为了获得超薄的硅膜 ,必
须在键合前对键合表面做一定的处理才行[10 ] ,采用
氢气高温退火也能改善表面平整度[11 ] 。经过处理
后的硅片键合后再减薄可以确保获得极薄的工作硅
膜。在 MEMS 压力传感器厚度可控薄膜的制备过
程中 , 最早的是用控制腐蚀时间来控制薄膜厚
度[12 ] ,传统的做法是用溶硅工艺 (DWP) [13 ] ,浓硼离
子注入形成 P + 层 ,硼离子注入能量一般大于 7 ×
1019 / cm3 ,对顶层硅腐蚀时也会自停止于 P + 层 ,但
是由于离子注入在界面处所造成的损伤 ,P + 层表面
会很粗燥 ,且 P + 层上不能做有源器件。而用 BE2
SOI 片键合所得的薄硅膜 ,利用 TMA H 对 SiO2 和
Si 的悬殊腐蚀速率比 ,把 SiO2 隔层作为腐蚀停止
17第 1 期 何 芳 ,黄庆安等 :用两次键合技术制备均匀单晶硅膜
层[14 ] ,停止层非常平坦。虽然 P + 层可以通过二次
抛光获得平坦表面 ,但一方面增加了成本 ,另一方面
会进一步引入机械应力损伤。用原子力显微镜
(AFM) 可以非常直观地观察其表面具体形貌 ,如图
5 所示。用 BESOI 的另一个好处在于 ,形成的单晶
硅膜不仅厚度控制范围大大增加 (从几十 nm 到几
(a) KO H 腐蚀时间控制停止层表面形貌
(b) P + 层停止层形貌
(c)BESOI 中 SiO2 腐蚀停止层表面形貌
图 5
百μm) ,而且在单晶硅上可以兼容 CMOS 工艺 ,可
以制备系统集成的 MEMS 传感器。按照图 3 的流
程 ,我们制做了压力传感器的密封腔结构和敏感膜 ,
利用两次键合和 SOI 自停止腐蚀 ,形成了厚度可控
的均匀可动薄膜 ,其扫描电镜照片 (SEM) 如图 6 所
示。键合并精密减薄的 BESOI 具有以下特点 :1) 键
合前的硅片或氧化片可以进行优化处理 ;2) 硅膜及
绝缘 SiO2 层的质量好且可控 ;3) 硅膜及埋层的厚度
可以在更大的范围内变化 ,硅层可在几十纳米到几
百微米间变化 ,埋层 SiO2 可以在几十纳米至 4 微米
间变化等等。总体说来 ,BESOI 的优点是 SIMOX
及其它方法所远远不及的。限制 BESOI 的瓶颈技
图 6 压力传感器中敏感薄膜横截面 SEM 图片
术还在于减薄技术的完善 ,在制备超薄硅膜方面 ,
“智能切割”(Smart Cut) [15 ] 技术以及局部等离子腐
蚀技术的出现能很好的解决厚度不均的问题。在制
备厚硅膜方面 ,BESOI 的优势可谓是绝对的 ,键合
与 ICP 干法刻蚀技术的结合 ,对制备各类新型高纵
横比的 MEMS 器件提供了更为有利的条件。
3 结论
用硅直接键合制备 SOI 片 ,以及结合精细减薄
技术能成功实现大面积硅膜的均匀减薄 ,能制备高
质量的单晶硅薄膜 ,实验中减薄后硅片的平整度在
±0. 15μm 以内 ,均在工艺所允许的范围内。硅直
接键合技术可以低成本、方便、快捷地形成 SOI 片 ,
BESOI 具有其它制备方法所无法实现的优点。我
们针对 MEMS 压力敏感膜结构 ,提出通过两次键合
以及利用 SOI 中的 SiO2 埋层作为腐蚀自停止层获
得厚度可控的单晶硅薄膜 ,并与其他方法进行了比
较 ,这在 MEMS 实用化的方面具有重要价值。
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(下转第 75 页)
27 电 子 器 件 第 29 卷
图 2 负载电容与振荡频率关系图
图 3 振荡器级数与振荡频率关系图
3 结论
我们的测试结构为两个 25 级振荡器 OSC1 和
OSC2 ,每级倒相器工艺参数为 :W P = 20 μm , W N =
10μm , L P = L N = 2 μm , 其中 OSC1 无负载电容 ,
OSC2 负载电容为 0. 05 p F。由 spice level49 模型
计算得到 f 1 = 69. 3 M Hz , f 2 = 50. 6 M Hz ,Δf / f 1 =
27. 1 %。使用本文模型计算得到牺牲层厚度为
1. 457μm ,与理论值 1. 5μm 的误差为 2. 9 %。J .
R. Burns 在得到这个偶延时计算模型时指出 ,这个
模型的计算误差在 ±10 %范围内[5 ] ,由此可见 ,这
个模型是适用于本文提出的测试结构分析的[6～8 ] 。
由于使用本文模型求得的 k 值偏小 ,所以我们求得
的负载电容值与实际值相比偏大 ,因此测得的牺牲
层厚度将略小于实际值。
本文提出的牺牲层厚度电测量方法方便快捷 ,
测试设备简单 ,易于测试系统集成 ,且其精度能达到
工艺控制的要求 ,具有一定的研究和使用价值。
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57第 1 期 李晓鹏 ,李伟华 :一种新颖的 MEMS 表面工艺牺牲层厚度的电测量方法
用两次键合技术制备均匀单晶硅膜.pdf
