微电子机械系统用高几何精度扩散片的研制.pdf

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1、http:/ 微电子机械系统用高几何精度扩散片的研制微电子机械系统用高几何精度扩散片的研制 佟丽英，王聪，史继祥 中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津（300220）摘摘 要要：选取高几何精度的硅片进行硼扩散，硼扩散工艺采用双面扩散，然后经过单面磨削后，加工成单面扩散片，在此过程中，扩散片的几何参数有很大变化。本篇论文通过研究影响扩散片几何参数变化的各种因素，制定相应的方案，使扩散片几何参数基本恢复到扩散前的水平。关键词关键词：硼扩散片，几何参数，单面减薄，双面抛光片 1.前言前言 微电子机械系统（MEMS）的起源可以追溯到 20 世纪 60 年代。在 1989 年后，MEMS技术的研究开

2、发日益成为国际上的一个热点。我国 MEMS 的研究始于 90 年代初期，经过10 年的发展，我国已有数十家科研机构在进行 MEMS 的研究，已研制出了微型加速度计和微陀螺等多种样品和样机1。硅具有较好的光电机械性能，适合制造各种传感器。硅的这种特性使得 MEMS 和微电子加工技术兼容。因此，硅基 MEMS 构造技术是 MEMS 构造技术的主流。当前，硅基 MEMS构造技术可分为表面微机械加工技术和体微机械加工技术。体微机械加工有很多方法，其中最为常用的是利用硅的100、111面的腐蚀速率有极大差异的特性，可精确地、重复性地腐蚀出所需的微结构。因为这种方法制作的机械运动元件在硅内，所以称为体微机

3、械加工技术。表面微机械加工技术是把 MEMS 的机械部分，包括运动元件或传感器等，制作沉积在硅晶体的表面薄膜上，表面薄膜可以是高杂质浓度硅、多晶硅、氮化硅等，然后使其局部与硅本体分离，呈现可运动的机械性能。在微机械元件释放之前，可以制造有关电子器件部分。因此可实现微电子和机械集成在一个芯片上2。本篇论文研究的是制造微机电系统用的浓硼扩散片，器件的制造过程采取表面微机械加工技术。利用 KOH 溶液对重掺杂硅的腐蚀速率与轻掺杂硅的腐蚀速率相差较大的特点，用KOH 溶液腐蚀后只留下浓硼扩散层，采用浓硼扩散层作为微机电系统的机械结构部分，因此对扩散片的几何参数提出较高要求。2.实验过程实验过程 实验采

4、用 CZ 硅片，单面抛光，型号为 N 型，晶向，直径 100mm，电阻率为 39cm，厚度为 49010m,TTV10m,Warp30m,BOW30m。为了抵消由于杂质扩散引入的不均匀应力，采用双面扩散的方式，扩散层高浓度区厚度控制在 302m。在扩散过程中，优化工艺，减少扩散过程中由于骤冷骤热对硅片引入应力。扩散后采取硅片背面减薄的方式，研制成单面扩散片。背面减薄后硅片厚度为 430450m，对背面进行抛光，研制成双面抛光片，厚度为 40010m。双面扩散硅片经背面减薄后成为单面扩散片，单面扩散片的 TTV 控制很好，数值为0.63m，弯曲度和翘曲度增加很多，Warp 数值为 2080m，B

5、OW 数值为 30150m。扩散片的高浓度层用于制作微机电系统的机械传感部件，扩散片的几何参数及应力大小直接影响微机电系统的性能，因此，在扩散片研制过程中，尽量控制扩散片的几何参数，减-1-http:/ 少扩散片体内的应力。为了恢复单面减薄后扩散片的几何参数，采用适当浓度的 KOH 溶液腐蚀的方法，KOH溶液浓度为重量百分比。采取的方案如表 1。表 1 实验方案 方案 1 方案 1-1 方案 1-2 方案 1-3 方案 2 10%KOH 10%KOH 10%KOH 13%KOH 75 3min 75 5min 80 5min 805min 实验选用两组硅片，共 40 片。第一组硅片 20 片，

6、经过方案 1-1，1-2 和 1-3 的实验后，用 MS103 测试系统测量几何参数，记录各步的实验测试数据。第二组硅片 20 片，进行改进后的方案 2 实验，只进行一步腐蚀，用 MS103 测试系统测量几何参数，记录实验测试数据。3.结果与分析结果与分析 各步实验完成后，根据对几何参数 TTV、WARP、BOW 的测试结果，进行综合汇总，绘制几何参数变化图，如图 1，图 2，图 3 所示。图 1 为总厚度变化示意图。经过方案 1-1，方案 1-2，方案 1-3 实验后，TTV 逐步增大，这是由于在 KOH 溶液腐蚀过程中，由于各处应力不同，硅片背面的腐蚀去除量不一致，造成各处厚度不同。经过方

7、案2实验后，由于只进行一步碱腐蚀，TTV变化很小，基本小于4m，优于方案一中的三步过程达到的结果。TTV 变化情况0 1 2 3 4 5 6 1 3 5 791113151719晶片数数值（m）方案 1-1 方案 1-2 方案 1-3 方案二 图 1 总厚度变化图 图 2 为翘曲度变化示意图。经过方案 1-1、1-2、1-3 实验后，WARP 逐步减小，这是由于在 KOH 溶液腐蚀过程中，应力逐步得到释放的结果，最后 WARP 达到较小数值。经过方案 2 实验后，WARP 一步达到预期的结果。-2-http:/ 翘曲度变化0204060801001 3 5 7911 13 15 17 19晶片

8、数数值（m）方案 1-1 方案 1-2 方案 1-3 方案 2 图 2 翘曲度变化图 图 3 为弯曲度变化示意图。其变化过程与翘曲度变化趋势一致。经过方案 1-1、方案 1-2实验后，弯曲度稍有降低，经过方案 1-3 实验后，BOW 减小很多，基本达到预期值。其原理是由于在 KOH 溶液腐蚀过程中，应力释放带来的效果。经过方案 2 实验后，WARP 一步也能达到预期的结果。弯曲度变化0 204060801001201401 3 57911 13 15 17 19晶片数数值（m）方案 1-1 方案 1-2 方案 1-3 方案 2 图 3 弯曲度变化图 4.结论结论 硅片经过扩散后，大量杂质硼原子

9、进入硅片内部，在其内部引起较大应力，由于是双面扩散，扩散片两面状态一致，因此几何参数并没有很大变化。而单面减薄后的扩散片，几何参数变化很大。单面减薄后,几何参数变差,原因是两面的表面状态不同。由于扩散层的表面浓度为5*1019/cm2，而衬底对应 39cm 电阻率的杂质浓度为（515）*1014/cm2，两边的杂质浓度相差将近 10 万倍，在硅片两面产生不同的应力，造成弯曲度和翘曲度的加大。用一定浓度的碱溶液腐蚀后,几何参数基本恢复。由于扩散层与衬底的硼杂质浓度相差-3-http:/ 较大，低浓度的碱溶液（1015%）对扩散层的腐蚀速度很慢，比对硅片衬底的腐蚀速度慢将近 100 倍。因此碱溶液

10、中只对扩散片衬底一侧进行腐蚀，使得硅片应力得以释放，扩散片几何参数得到改善。而且随着碱浓度和腐蚀温度的提高，对改善几何参数效果更明显。5.发展前景发展前景 MEMS 不仅为传统的机械结构尺寸的缩小提供了广阔的空间，而且也真正实现了机电一体化。因此，将以硅为主的微电子技术和微机械技术结合在一起的微机电相关技术，被认为是微电子技术的又一次革命，对 21 世纪的科学技术、生产方式、人类生活都有深远影响。有文献报道2，针对国际微纳技术发展趋势和我国未来的产业化前景，“十一五”将继续完善我国 MEMS 制造技术与研发体系，形成 MEMS 的自主开发与批量制造能力，部分 MEMS器件与微系统实现产业化。我

11、所在 MEMS 用材料方面的研究开始的比较早，已经通过和正在研究的课题有多项。已研制出多种 MEMS 用抛光片和扩散片，经过用户测试和使用，已能够满足需要。面对新的发展机遇，我所还应在此领域加强研究，能够形成具有自己特色的产品。参考文献参考文献 1孔祥东等，微纳电子技术，2004 年 11 期，P32-34。2刘玉岭等，微电子技术工程，电子工业出版社。P172-P198。The effects of internal stress on the geometry parameters in the diffused wafer Tong Liying The 46th Research Ins

12、tituted of CETC,Tianjin,China(300220)Abstract The factors that affected the geometry parameters include the situation of wafer before diffusion,doping elements and doping distribution.In this report,the factors were systematically investigated by finely controlling them.It was found that the geometry parameters in the doped wafer were repaired after the fine control of the factors.Keywords：geometry parameters,boron diffusion,KOH process -4-