張應力LPCVDSiO₂膜的制造方法

專利名稱：張應力 LPCVD SiO₂膜的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件制造方法，特別是涉及一種張應力LPCVD SiO2膜的制造方法。
背景技術：
隨著真空科學技術、光電子技術和半導體技術的飛速發展，薄膜光學器件以及薄膜電子器件得到了日益廣泛的應用。在基于MEMS的微懸臂梁陣列結構的光學讀出非制冷紅外焦平面成像系統中，其核心結構為非制冷紅外探測器系統，即雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列(FPA)，由一系列成像像元組成面陣列，每個像元是由兩種熱膨脹差別很大的材料構成。像元通過吸收物體的紅外輻射，將輻射能量轉化為熱能，利用構成微懸臂梁雙材料的熱膨脹，將熱能轉化為微懸臂梁的轉角或位移，通過檢測這些轉角或位移信號可得到被測物體的信息，進而將物體的特征表現出來。在非制冷紅外探測器技術中，噪聲等效溫差(NETD)是衡量系統在噪聲中辨別小信號能力的一個參數，它標志紅外探測系統可探測的最小溫差，是衡量紅外探測器系統性能的重要指標之一。對于采用光讀出的雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列，其理想的反光板結構的曲率半徑為無限大，使入射到其表面的讀出光有效的反射回讀出光路。但是由于雙材料之間的應力失配問題，反光板通常會彎曲成弧形，從而造成其反射光譜展寬，最終導致讀出系統靈敏度的大幅下降，使噪聲等效溫差增加。所以，當采用本征應力相同的兩種材料組成雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列時，將使反光板的曲率半徑增加，從而使NETD減小。由于二氧化硅(SiO2)和鋁(Al)不但其熱膨脹系數差別大，而且是微細加工中的常規材料、且價格便宜，所以成為雙材料微懸臂梁的最佳選擇。在微細加工中，Al通常具有正應力為60MPa 200MPa。當采用等離子增強型化學氣相淀積(PECVD)方法生長SiO2時，根據其生長條件的不同，其本征應力為_300MPa 300MPa。當采用低壓化學氣相淀積(LPCVD)方法生長3102時，根據其生長條件的不同，其本征應力為-120MPa -20MPa。僅從本征應力考慮，似乎PECVD SiO2可以滿足與Al膜的應力匹配，能夠用于組成雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列。然而，在雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列的制備工藝中，通常使用XeF2從正面刻蝕釋放硅襯底，故要求SiO2具有良好的抗XeF2腐蝕能力，否則微結構可能在釋放襯底過程中斷裂或脫離，造成器件失效。然而，采用PECVD生長的SiO2其XeF2腐蝕能力差，而采用LPCVD生長的SiO2其抗XeF2腐蝕能力強。因此，LPCVD SiO2雖然滿足抗XeF2腐蝕能力，但是其無法實現與Al膜的應力匹配。所以，在SiO2的選擇上，即要實現SiO2與Al的應力匹配，又要增強SiO2的抗XeF2腐蝕能力。而現有技術的SiO2薄膜制備工藝無法兼顧應力匹配和抗腐蝕能力，無法有效用于雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列的制備工藝
發明內容
本發明目的在于利用現有的設備和制備工藝，制造兼顧應力匹配和抗腐蝕能力的SiO2薄膜以用于雙材料微懸臂梁紅外焦平面陣列。為此，本發明提供了一種張應力LPCVD SiO2膜的制造方法，包括:在襯底上采用LPCVD沉積應力為Fl的壓應力SiO2膜，Fl < 0 ;對壓應力SiO2膜注入摻雜劑，在其表面形成重摻雜SiO2膜；退火使得壓應力SiO2膜轉變為應力為F2的張應力SiO2膜，F2 > O。其中，采用LPCVD工藝，利用TEOS熱分解，在襯底上生長壓應力SiO2膜。其中，Fl為 _120MPa _20MPa。其中，注入能量為IOKeV 30KeV。其中，注入劑量為5E14 3E15。其中，注入離子種類包括磷、砷、碳、氮、氧、氟。其中，退火溫度為750°C 800°C。其中，退火時間為Ih 4h。其中，F2為 60 200MPa。依照本發明的張應力LPCVD SiO2膜的制造方法，其工藝簡單、與傳統微細加工工藝兼容，不但實現雙材料懸臂梁的應力匹配，而且明顯增強SiO2的抗乂亦2腐蝕能力，最終使采用Al和SiO2雙材料的、應力匹配的懸臂梁制作成功實現。本發明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請獨立權利要求的范圍內得以滿足。本發明的實施例限定在獨立權利要求中，具體特征限定在其從屬權利要求中。


以下參照附圖來詳細說明本發明的技術方案，其中:圖1顯示了依照本發明方法的工藝步驟剖面圖，其中在襯底上形成壓應力SiO2膜；圖2顯示了依照本發明方法的工藝步驟剖面圖，其中對壓應力SiO2膜低能高劑量注入摻雜劑在其表面形成重摻雜SiO2膜；以及圖3顯示了依照本發明方法的工藝步驟剖面圖，其中退火使得壓應力SiO2膜轉變為張應力SiO2膜。附圖標記I 襯底2壓應力SiO2膜3重摻雜SiO2膜4張應力SiO2膜
具體實施例方式以下參照附圖并結合示意性的實施例來詳細說明本發明技術方案的特征及其技術效果，公開了兼顧應力匹配和抗腐蝕能力的張應力LPCVD SiO2薄膜制造方法。需要指出的是，類似的附圖標記表示類似的結構，本申請中所用的術語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結構或制造工序。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結構或制造工序的空間、次序或層級關系。
本發明提供一種張應力LPCVD SiO2薄膜的制造方法，其流程參照圖1至圖3，其具體工藝步驟如下:步驟S1、在襯底上采用LPCVD沉積壓應力SiO2膜，如圖1所示。襯底I例如為體硅、SO1、體鍺、GeO1、化合物半導體等等，化合物半導體例如包括GaN、GaAs, GeSi, InSb等等。對于MEMS領域，襯底優選為體硅或SOI的晶片。例如采用LPCVD工藝，利用四乙氧基硅烷(TEOS)熱分解，在襯底I上生長殘余應力為Fl (Fl < 0)的壓應力SiO2膜2。Fl例如為-120MPa -20MPa。步驟S2、對壓應力SiO2膜注入摻雜劑，在其表面形成重摻雜SiO2膜，如圖2所示。采用低能高劑量的離子注入工藝，在壓應力SiO2膜2表面形成重摻雜SiO2膜3。其中，注入能量例如為IOKeV 30KeV，注入劑量例如為5E14 3E15，注入離子種類例如為磷(P)、砷(As)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)等等。優選地，注入離子為P，由于其荷質此適中，可以最佳地控制注入參數，從而有效去除硅懸鍵。該重摻雜SiO2膜3由于在很淺例如I IOnm的厚度范圍內包含很濃的摻雜離子，使得薄膜表層結構改變，特別是可以去除上述LPCVD法TEOS源制備得到的氧化硅薄膜(可簡稱LPTEOS膜)表面的硅懸鍵，阻止空氣中水分子對于LPTEOS膜的影響。步驟S3、退火使得壓應力SiO2膜轉變為張應力SiO2膜，如圖3所示。采用爐管退火，使得壓應力SiO2膜2轉變為具有應力為F2 (F2 > 0)的穩定的張應力SiO2膜4，而重摻雜SiO2膜3本身并未變化。在高溫退火的作用下，壓應力SiO2膜2內的Si和0重新排列，特別是使LPTEOS膜中的H-鍵去除及結構重組，并最終成為張應力。但是它有一個缺點就是應力隨時間變化，例如如果不采取注入摻雜劑去除硅懸掛鍵，則這些懸掛鍵將與空氣中水分子的OH-鍵結合，使LPTEOS膜應力逐步降低，并重新回到壓應力狀態，難以用于MEMS懸臂梁。而通過依照本發明的上述摻雜劑注入的工序步驟，可以去除LPTEOS表面的硅懸鍵，阻止空氣中水分子對于LPTEOS膜的影響，故其張應力特性可以永久保持。其中，退火溫度例如為750°C 800°C，退火時間例如為Ih 4h，如此可以控制退火參數改變F2，使得F2例如為60 200MPa，從而與Al的應力相匹配，適于雙材料應力匹配的懸臂梁制作。特別地，P較之其他注入摻雜劑而言，調整得到的F2更能與Al的應力匹配，或者匹配程度更高，例如其他注入摻雜劑退火得到的應力范圍可能與上述F2有部分重疊，而P注入得到的應力范圍與上述F2完全重合。依照本發明的張應力LPCVD SiO2膜的制造方法，其工藝簡單、與傳統微細加工工藝兼容，不但實現雙材料懸臂梁的應力匹配，而且明顯增強SiO2的抗XeF2腐蝕能力，最終使采用Al和SiO2雙材料的、應力匹配的懸臂梁制作成功實現。盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發明，本領域技術人員可以知曉無需脫離本發明范圍而對器件結構做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發明范圍。因此，本發明的目的不在于限定在作為用于實現本發明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結構及其制造方法將包括落入本發明范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種張應力LPCVD SiO2膜的制造方法，包括: 在襯底上采用LPCVD沉積應力為Fl的壓應力SiO2膜，Fl < 0 ; 對壓應力SiO2膜注入摻雜劑，在其表面形成重摻雜SiO2膜； 退火使得壓應力SiO2膜轉變為應力為F2的張應力SiO2膜，F2 > O。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，采用LPCVD工藝，利用TEOS熱分解，在襯底上生長壓應力SiO2膜。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，Fl為-120MPa _20MPa。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，注入能量為IOKeV 30KeV。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，注入劑量為5E14 3E15。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，注入離子種類包括磷、砷、碳、氮、氧、氟。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，退火溫度為750V 800°C。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，退火時間為Ih 4h。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，F2為60 200MPa。
全文摘要
本發明公開了一種張應力LPCVD SiO2膜的制造方法，包括在襯底上采用LPCVD沉積應力為F1的壓應力SiO2膜，F1＜0；對壓應力SiO2膜注入摻雜劑，在其表面形成重摻雜SiO2膜退火使得壓應力SiO2膜轉變為應力為F2的張應力SiO2膜，F2＞0。依照本發明的LPCVD張應力SiO2膜制備工藝，其工藝簡單、與傳統微細加工工藝兼容，不但實現雙材料懸臂梁的應力匹配，而且明顯增強SiO2的抗XeF2腐蝕能力，最終使采用Al和SiO2雙材料的、應力匹配的懸臂梁制作成功實現。
文檔編號B81C1/00GK103183307SQ201110448748
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者尚海平, 焦斌斌, 劉瑞文, 陳大鵬, 李志剛, 盧迪克 申請人:中國科學院微電子研究所