標(biāo)準(zhǔn)工藝——三層多晶硅的表面犧牲層工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)

1、.三層多晶硅表面犧牲層標(biāo)準(zhǔn)工藝流程介紹及設(shè)計(jì)規(guī)則TPSMP process overview and design rules（Three-layer Polysilicon Surface Micromachining Process）北京市頤和園路5號(hào)北京大學(xué)微米/納米加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Copyright ©2004 by IMEPKU MEMSLAB. All rights reserved.目 錄1文件信息11.1標(biāo)準(zhǔn)工藝名稱11.2文件版本11.3文件范圍11.4文件目標(biāo)11.5內(nèi)容11.6訂定依據(jù)11.7其他12設(shè)計(jì)規(guī)則內(nèi)容32.1各層薄膜材料32.2工藝流程說(shuō)明42

2、.3版圖設(shè)計(jì)規(guī)則142.3.1定義圖層名稱142.3.2規(guī)則分類說(shuō)明142.3.3各圖層最小線寬、最小間距及最大間距等152.3.4各圖層之間的相互關(guān)系的規(guī)則163其他事項(xiàng)183.1其他版圖設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)183.2制版相關(guān)事宜183.3材料特征183.4其他18參考文獻(xiàn)19:北京大學(xué)微電子所MEMS國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1 文件信息1.1 標(biāo)準(zhǔn)工藝名稱三層多晶硅表面犧牲層工藝，TPSMP（Threelayer Polysilicon Surface Micromachining Process）。1.2 文件版本版1.3 文件范圍本文件僅適用于北京大學(xué)微電子所MEMS國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的三層多晶硅表面犧牲層

3、工藝。1.4 文件目標(biāo)為將北大微納加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成一個(gè)開放的加工平臺(tái)的對(duì)外開放，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室的工藝加工能力及表面犧牲層工藝之特點(diǎn)，編定出該文件，供以本實(shí)驗(yàn)為加工平臺(tái)的客戶在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)參考。1.5 內(nèi)容客戶從該文件可以獲得以下信息：a 工藝流程的介紹；b 版圖的設(shè)計(jì)規(guī)則；c 其他版圖設(shè)計(jì)需注意的事項(xiàng)；1.6 訂定依據(jù)本文件中提到的各項(xiàng)規(guī)則乃根據(jù)三方面考量得出：多數(shù)客戶的需求；本實(shí)驗(yàn)室加工能力；成品率最高。由于表面犧牲層的工藝研究尚在不斷進(jìn)行中，本文件還會(huì)不斷進(jìn)行相應(yīng)的修改。1.7 其他a 版圖設(shè)計(jì)完成后，勿必將工藝結(jié)構(gòu)示意圖、工藝流程、版圖、版圖說(shuō)明一并交本實(shí)驗(yàn)室人員審查，審查修改通過(guò)

4、后方可由客戶或本實(shí)驗(yàn)室代為制版；對(duì)于未經(jīng)相關(guān)人員審查而擅自制版，造成的流水損失，實(shí)驗(yàn)室不予負(fù)責(zé)；b 投片前，請(qǐng)將上述文件的最終版本、按規(guī)定明確標(biāo)識(shí)版號(hào)的光刻版交付實(shí)驗(yàn)室；c 版圖及文件提交方式：版圖需為GDSii、cif、或tdb格式。dchazhang4/incoming/外加工2 設(shè)計(jì)規(guī)則內(nèi)容2.1 各層薄膜材料圖21、22是采用本標(biāo)準(zhǔn)工藝加工的轉(zhuǎn)軸及懸臂梁這兩種典型結(jié)構(gòu)的剖面圖，選擇多晶硅（POLY0）為電氣連接層材料，多晶硅(POLY1/POLY2)為結(jié)構(gòu)層材料，PSG為犧牲層材料，氮化硅（NITRIDE）為絕緣層、抗腐蝕層材料，氧化硅（OXIDE）

5、為氮化硅的應(yīng)力緩沖層，金屬層（METAL）用金或鋁。表21為各層材料的厚度以及加工精度等指標(biāo)，膜厚是工藝參數(shù)為確定值，不作為設(shè)計(jì)參數(shù)提供給客戶進(jìn)行設(shè)計(jì)?？蛻糁荒茉?維方向上設(shè)計(jì)器件尺寸?？蛻羧缭诤穸壬嫌刑厥庑枨?，請(qǐng)與實(shí)驗(yàn)室聯(lián)系確定可行性。表21 材料選擇總結(jié)各層材料厚度(Å)精度片內(nèi)均勻性片間均勻性SiO23000835Si3N41800835POLY03000835PSG120000835POLY120000835PSG27000835POLY220000835Cr/Au300/1500835Al（可選）100006/圖21 釋放前的結(jié)構(gòu)剖面圖圖22 釋放后的結(jié)構(gòu)剖面圖2.2 工藝

6、流程說(shuō)明下面介紹本標(biāo)準(zhǔn)工藝的工藝流程，采用較為典型的轉(zhuǎn)軸與懸臂梁結(jié)構(gòu)的剖面圖來(lái)說(shuō)明工藝流程。1. 硅片的選擇選用4寸（100mm）片，N型，晶向<100>，電阻率24cm，電阻率不宜選擇較大，否則容易在襯底與二氧化硅界面積累電荷，進(jìn)而導(dǎo)致襯底和POLY0有電荷穿通現(xiàn)象。圖23 裸硅片2. 氧化硅層制備采用濕法氧化方法加工得到氧化硅，氧化溫度為1000。 圖24 淀積氧化層3. 氮化硅層制備氮化硅采用LPCVD方法制備，淀積溫度為780。圖25 淀積氮化硅層4. 零層多晶硅制備多晶硅采用LPCVD方法制備，溫度610。圖26 淀積多晶硅層5. 零層多晶硅摻雜注入磷31，劑量5E15，

7、能量80Kev。圖27 零層多晶硅摻雜6. 第一次光刻在光刻膠上得到POLY0圖形。圖28 第一次光刻7. 刻蝕得到POLY0圖形采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）方法將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移至POLY0層。 圖29 刻蝕得到POLY0圖形8. 犧牲層制備采用LPCVD的方法制備PSG，溫度為680。圖210 犧牲層制備9. 第二次光刻此次光刻在光刻膠上得到DIMPLE圖形。 圖211 第二次光刻10. 在PSG上得到DIMPLE圖形BHF濕法腐蝕PSG形成DIMPLE圖形，此次圖形的主要作用為在POLY1下底面形成突起以防止黏附。DIMPLE是指在PSG上的小坑，由于LPCVD是保形淀積，在LPCVD淀積P

8、OLY1后，即在POLY1上形成朝向襯底突起的BUMPER，該BUMPER可有3點(diǎn)作用：1) 防止黏附，在釋放過(guò)程以及使用過(guò)程中可以減少POLY1與襯底的接觸面積】。2) 在某些設(shè)計(jì)中可以當(dāng)作滑動(dòng)結(jié)構(gòu)的支撐點(diǎn)； 3) 可以利用來(lái)防止pull-in。DIMPLE的深度可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，在防黏附的應(yīng)用中一般選用3000 Å就可；在起機(jī)械支撐的應(yīng)用中可選1m；在防止pull-in的應(yīng)用中可以設(shè)計(jì)為6000Å。上述值均為參考，可以根據(jù)實(shí)際使用進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖212 DIMPLE圖形11. 第3次光刻在光刻膠上得到ANCHOR圖形。 圖213 第三次光刻12. 刻蝕PSG1得到ANC

9、HOR圖形本次加工在PSG1上得到ANCHOR圖形，即在PSG1上開孔，在淀積POLY1后，該孔被POLY1填滿形成ANCHOR，ANCHOR起到的作用為：一方面可以電氣連接POLY0與POLY1；一方面作為懸臂梁或者雙支梁的固定端。圖214 得到ANCHOR圖形13. POLY1制備，同前采用LPCVD方法，溫度為610。圖215 淀積得到POLY1層14. POLY1層摻雜注入磷31。 圖216 摻雜POLY1層15. 制備PSG并退火采用LPCVD方法制備PSG，厚度為2000 Å，溫度為680；接著在1000下，N2氣氛中退火，退火時(shí)間為1小時(shí)。該步驟激活多晶硅中所摻雜質(zhì)并消

10、除應(yīng)力。16. 用BHF腐蝕掉退火用PSG。17. 第四次光刻，在光刻膠上得到POLY1結(jié)構(gòu)層圖形。圖217 第四次光刻18. 得到POLY1圖形采用刻蝕方法將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到POLY1圖形。圖218 刻蝕POLY1得到結(jié)構(gòu)層圖形19. 得到PSG2采用LPCVD方法制備PSG2，厚度為7000Å，該層作用是第二層犧牲層，使得POLY1與POLY2之間有活動(dòng)空間。圖219 淀積PSG220. 第五次光刻本次工藝在光刻膠上得到POLY1與POLY2之間的通孔圖形。圖220 第五次光刻21. 刻蝕得到POLY1與POLY2之間的通孔圖形圖221 刻蝕得到通孔圖形22. 第六次光刻在光刻膠

11、上得到POLY2與POLY0之間的通孔圖形（ANCHOR2）。 圖222 第六次光刻23. 得到ANCHOR2圖形圖223 刻蝕得到ANCHOR圖形ANCHOR2為在PSG上的坑，在淀積POLY2后，該坑填滿多晶硅，實(shí)現(xiàn)POLY0以及POLY2的電氣連接，同時(shí)也起到支撐POLY2的作用。圖224 淀積得到POLY224. POLY2制備采用LPCVD方法制備POLY2，溫度為610。25. POLY2摻雜注入磷31。圖225 摻雜POLY226. 得到退火用PSG并退火退火溫度為1000，氣氛為N2，退火時(shí)間為1小時(shí)，作用同第15步。27. BHF濕法腐蝕掉退火用PSG約2000Å”

12、28. 第7次光刻圖226 第七次光刻在光刻膠上得到POLY2圖形。29. 得到POLY2圖形采用刻蝕方法得到POLY2圖形。圖227 刻蝕得到POLY2圖形30. 剝離方法制備電極采用剝離的方法得到電極，金屬為Cr/Au,厚度為300A/1500Å。該層金屬不僅可以做電極、互聯(lián)線，還可以作為鏡面等，但作為鏡面，可能有應(yīng)力大的問(wèn)題。圖228 剝離方法得到電極31. 釋放，采用BHF腐蝕PSG犧牲層，最終得到可動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖229 釋 放2.3 版圖設(shè)計(jì)規(guī)則本節(jié)討論版圖設(shè)計(jì)規(guī)則，版圖設(shè)計(jì)規(guī)則是加工能力的反映，是在保證成品率最高這個(gè)原則下確定的。 表22 用于設(shè)計(jì)MEMS結(jié)構(gòu)的版圖的各層名稱

13、定義光刻序號(hào)12345678版圖層名稱1_POLY02_DIMPLE3_ANCHOR14_POLY15_p2_p1_via6_ANCHOR27_POLY28_METAL陰/陽(yáng)陽(yáng)版陰版陰版陽(yáng)版陰版陰版陽(yáng)版陰版2.3.1 定義圖層名稱在討論版圖規(guī)則的制定之前，先定義各版圖層名稱，掩模板圖層共有8層，具體內(nèi)容見表2-6。版圖中圖層名稱及陰陽(yáng)應(yīng)采用表中規(guī)定；對(duì)應(yīng)掩膜版的陰陽(yáng)依據(jù)正膠所定。2、3、5、6、8定為陰版是考慮到該層圖形一般為小面積刻蝕，為方便繪圖故定為陰版。2.3.2 規(guī)則分類說(shuō)明版圖規(guī)則可以分為幾種類型，用字母分別編號(hào)，簡(jiǎn)述如下。1) A規(guī)則： 反應(yīng)兩版圖層之間的包含關(guān)系，如圖所示。圖23

14、0 A規(guī)則示意圖2) B規(guī)則：反應(yīng)兩版圖層之間的最小間距，如圖所示。圖231 B規(guī)則示意圖3) C規(guī)則：反應(yīng)兩版圖層之間的最小覆蓋關(guān)系。圖 232 C規(guī)則示意圖4) D規(guī)則，反映兩版圖層之間的最小過(guò)覆蓋（cut out）規(guī)則。 圖 233 D規(guī)則示意圖5) E、F、G、H規(guī)則E、F、G、H規(guī)則為同一版圖層內(nèi)圖形之間的規(guī)則，H規(guī)則為圖形最大間距。圖234 E、F、G、H規(guī)則示意圖2.3.3 各圖層最小線寬、最小間距（space）及最大間距等表27為各圖層相關(guān)圖形之最小線寬、最小間距（space）及最大間距等。表23 版圖規(guī)則123規(guī)則編號(hào)規(guī)則分類規(guī)則（m）說(shuō)明1.E2POLY0層圖形最小線寬2.

15、F2POLY0層圖形最小間隔（space）3.F3×3POLY0方孔圖形最小尺寸4.H300懸臂梁最長(zhǎng)尺寸（寬度為30m）5.H800雙支梁最長(zhǎng)尺寸6.E3×3DIMPLE 層圖形最小線寬采用3×3，圖形最終為接近圓形，而非方形7.E2ANCHOR1 層圖形最小線寬8.F2ANCHOR1 層圖形最小間距9.3×3ANCHOR1 層方孔圖形最小尺寸10.E2POLY1 層圖形最小線寬11.F2POLY1 層圖形最小間距12.E3×3POLY1 層釋放孔最小尺寸圖形最終為類似圓形，而非方形13.G8/14POLY1層釋放孔最大間隔，金屬分別為Au/

16、Al14.E3×3p2_p1_via層圖形最小尺寸，圓形則為直徑15.F4p2_p1_via層圖形最小間距16.E3×3p2_p0_via圖形最小尺寸, 圓形則為直徑17.F4p2_p0_via層圖形最小間距18.E4POLY2圖形最小線寬19.F2POLY2圖形最小間距20.E3×3POLY2 層釋放孔最小尺寸圖形最終為類似圓形，而非方形21.G10POLY2 層釋放孔最大間隔22.E2METAL層圖形最小線寬在做東南大學(xué)王佩瑤（外6174）的片子時(shí)，發(fā)現(xiàn)：最細(xì)金屬線條寬度4微米（器件編號(hào)是310、311），而實(shí)際這個(gè)寬度很難做出來(lái)，即使使用干法刻蝕與濕法腐蝕相

17、結(jié)合，也很難保住。4微米的金屬線條在光刻并腐蝕后就不見了。23.F5METAL層最小圖形間距2.3.4 圖層之間的相互關(guān)系的規(guī)則下表是各層圖形之間的相互關(guān)系的規(guī)則，主要為A、B、C、D四種類型的規(guī)則，兩兩層之間皆有可能，下面將按順序予以討論。表24 版圖規(guī)則2452規(guī)則編號(hào)規(guī)則分類規(guī)則m規(guī)則說(shuō)明24.A3POLY0 與 DIMPLE的最小包含25.B3POLY0 與 DIMPLE的最小間距26.A3POLY0與ANCHOR1的最小包含27.B3POLY0與ANCHOR1層圖形的最小間距28.A3POLY0對(duì)POLY1的包含關(guān)系29.B3POLY0與POLY1的最小間距30.C3POLY0與PO

18、LY1的最小覆蓋31.D3POLY0與POLY1的最小過(guò)覆蓋32.A5POLY0對(duì) ANCHOR2的最小包含33.B5POLY0與ANCHOR2的最小間距34.C3POLY0與POLY2的最小覆蓋35.D5POLY0與POLY2的最小過(guò)覆蓋36.B3DIMPLE與ANCHOR1的最小間距37.A3POLY1對(duì)DIMPLE的包含關(guān)系38.B5DIMPLE與ANCHOR2的最小間距關(guān)系39.A3ANCHOR1與POLY1的包含關(guān)系40.A5POLY1對(duì)p2_p1_via的包含關(guān)系41.B4POLY1與p2_p1_via最小間距關(guān)系42.B5POLY1與ANCHOR2最小間距43.A3POLY1對(duì)P

19、OLY2的包含關(guān)系44.C5POLY2對(duì)POLY1過(guò)覆蓋關(guān)系45.D5POLY2對(duì)POLY1的覆蓋關(guān)系46.A5POLY2對(duì)p2_p1_via包含關(guān)系47.A5POLY2對(duì)p2_p0_via包含關(guān)系48.A5POLY2對(duì) METAL的包含關(guān)系49.E150×150Pad最小尺寸50.F100Pad最小間距51.E100劃片槽最小尺寸52.F10的倍數(shù)單元尺寸3 其他事項(xiàng)3.1 版圖設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)1) 為方便劃片，單元尺寸應(yīng)定為10微米的倍數(shù)。2) 若單元（dies）中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的圖形，建議編號(hào)，各壓焊點(diǎn)也應(yīng)順序編號(hào)，以利于測(cè)試。3.2 制版相關(guān)事宜客戶制版前需將版圖文件提交實(shí)驗(yàn)室，由實(shí)驗(yàn)室工程師確認(rèn)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)則。實(shí)驗(yàn)室工程師將在合格的版圖中添加測(cè)試結(jié)構(gòu)