减小三维堆叠中牺牲层在化学机械抛光中凹陷变形的方法与流程

本发明涉及一种减小三维堆叠中牺牲层在化学机械抛光（CMP）中凹陷变形的方法凹陷变形的方法，属于微机电系统封装技术领域。

背景技术：

在射频微系统中，通过三维堆叠的方式集成了有源芯片、IPD以及MEMS传感器等多领域器件或芯片。其中MEMS传感器包括了很多能实现不同功能的可动结构，可动结构的实现一般采用牺牲层工艺，牺牲层材料包括氧化硅、PSG、特殊金属以及聚合物等；为了与三维堆叠相兼容，考虑到其他器件层对温度的敏感性，采用低温氧化硅做牺牲层的工艺，常用的氧化硅牺牲层工艺流程如下：在硅片上生长停止层氮化硅，光刻刻蚀停止层，刻蚀浅槽；然后利用PECVD沉积氧化硅使浅槽完全填满；再利用CMP（化学机械抛光）将浅槽以外的氧化硅去除，并实现全局平坦化；在平坦化后的氧化硅表面做器件；最后将浅槽内的氧化硅完全去除，实现器件的悬空。

传统的牺牲层工艺可以实现小线宽、图形均匀的全局平坦化，但对于线宽1µm-300µm的图形同时存在时就会出现严重的蝶形凹陷和结构局部变形，会导致对平整度要求很高的器件完全失效；其原因是，在氧化硅CMP（化学机械抛光）过程，大图形相对于小图形研磨速率快，导致小图形实现平坦化后大图形已经过研磨，形成蝶形凹陷；由于图形的尺寸跨度相差了数十倍，凹陷的区域会很明显，对后续沉积薄膜的均匀性造成很大影响；另外，这种结构的牺牲层工艺适用于制作悬空器件的，不能采用切分图形的方法将大图形分成很多小图形相连；还有考虑到三维堆叠中器件和工艺的复杂性，牺牲层工艺采用低温制作。

目前减小蝶形凹陷和机构变形的方法是通过光刻刻蚀多余的氧化硅，然后再CMP，这种方法刻蚀后仍然会有尖端凸起留在浅槽边缘，不利于平坦化。

技术实现要素：

本发明提出了一种减小三维堆叠中牺牲层在化学机械抛光中凹陷变形的方法，用以解决在三维堆叠MEMS器件中氧化硅牺牲层在化学机械抛光中产生的局部变形和蝶形凹陷。

本发明的技术解决方案：一种减小三维堆叠中牺牲层在化学机械抛光中凹陷变形的方法，包括以下步骤：

（一）在硅片衬底上生长停止层，所述生产停止层的材料为氮化硅（Si₃N₄）、氮硅化合物、碳化硅中的一种；

（二）光刻刻蚀停止层形成刻蚀槽；

（三）沉积牺牲层，使刻蚀槽填满，所述牺牲层为氧化硅（SiO₂），厚度为2µm-50µm，具体厚度根据步骤（二）中刻蚀槽的深度确定；

（四）光刻刻蚀牺牲层：光刻刻蚀衬底上刻蚀槽以外的牺牲层材料；

（五）沉积平坦化层；

（六）圆片无图形化刻蚀；

（七）化学机械抛光去除牺牲层和平坦化层；

（八）通过干法或湿法工艺光刻刻蚀去除停止层；

（九）化学机械抛光调整圆片平整度和粗糙度，采用颗粒直径小于100nm的研磨液进行精细抛光，并改善圆片表面的平整度和粗糙度，达到全局平坦化；

（十）对圆片进行研磨后清洗。

本发明取得的有益效果：

1）通过增加一步光刻刻蚀牺牲层，可以将沉积后的台阶减小，大大降低了平坦化材料的填充和化学机械抛光的难度；

2）通过平坦化层材料的沉积和流平，可以使得该材料完全覆盖和填满牺牲层台阶，消除牺牲层沉积带来的圆片凹凸不平的表面形貌，避免了不同区域图形大小和密度不一样的影响；

3）通过无图形刻蚀和CMP工艺去除平坦化层、牺牲层以及停止层，很大程度上减小了CMP后的凹陷变形；

4）通过增加光刻刻蚀牺牲层和平坦化材料填充，去除了由于图形大小和密度跨度太大造成的表面形貌起伏，并且大大降低了厚牺牲层CMP的成本；

5）并利用圆片无图形刻蚀和三步CMP可以实现超高的平坦化均匀性和极小的凹陷变形，满足三维堆叠中对不同厚度氧化硅牺牲层平坦化的要求。

附图说明

附图1是现有的牺牲层CMP局部蝶形凹陷的例1示意图。

附图2是现有的牺牲层CMP局部蝶形凹陷的例2示意图。

附图3是本发明中牺牲层沉积并光刻刻蚀后示意图。

附图4是本发明中平坦化层材料填充后示意图。

附图5是本发明中无图形化刻蚀后示意图。

附图6是本发明中经过第一次CMP后的示意图。

附图7是本发明中经过停止层去除和第二次CMP后的示意图。

附图中1是沉积牺牲层后形成的台阶，2是光刻刻蚀牺牲层后留下的台阶，3硅片衬底，4是刻蚀槽，5是停止层，6是牺牲层，7是平坦化层。

具体实施方式

一种减小三维堆叠中氧化硅牺牲层化学机械抛光凹陷变形的方法，该方法包括以下步骤：

（一）在硅片衬底上生长停止层，所述生产停止层的材料为氮化硅（Si₃N₄）、氮硅化合物、碳化硅中的一种；

（二）光刻刻蚀停止层形成刻蚀槽；

（三）沉积牺牲层，牺牲层将刻蚀槽填满，所述牺牲层为氧化硅（SiO₂），厚度为2µm-50µm，具体厚度根据步骤（二）中刻蚀槽的深度确定；

（四）光刻刻蚀牺牲层：光刻刻蚀硅片衬底上刻蚀槽外的牺牲层材料；

（五）沉积平坦化层；

（六）圆片无图形化刻蚀；

（七）化学机械抛光去除刻蚀槽外的牺牲层和平坦化层；

（八）通过干法或湿法工艺光刻刻蚀去除停止层；

（九）化学机械抛光调整圆片平整度和粗糙度，采用颗粒直径小于100nm的研磨液进行精细抛光，并改善圆片表面的平整度和粗糙度，达到全局平坦化；

（十）对圆片进行研磨后清洗。

所述步骤（四）中光刻刻蚀牺牲层为光刻刻蚀硅片衬底上刻蚀槽外的牺牲层材料，光刻刻蚀牺牲层所用的掩膜版为刻蚀停止层的掩膜版，并利用反转光刻胶在牺牲层沉积形成的台阶底部形成形成掩蔽，对无掩蔽的地方进行刻蚀；光刻工艺具有很好的曝光性能，将沉积牺牲层形成的台阶侧壁光刻胶都去除。

所述步骤（五）中平坦化层材料为介质材料、高分子聚合物或金属合金材料，具有很强的回流特性，能够很好的填充步骤（四）中留下的台阶；沉积平坦化层材料与步骤（三）中沉积的牺牲层具有相同的刻蚀速率（0.4um/min~0.6um/min）和CMP研磨速率（200nm/min~350nm/min）；沉积平坦化层的流平工艺是通过加热或者回流的方式使得平坦化层材料填充到光刻刻蚀牺牲层后的台阶内，改善由于牺牲层的沉积导致圆片表面凹凸不平的形貌，从而实现牺牲层表面平坦化；平坦化层与牺牲层具有良好的粘附性；平坦化层材料填充工艺和流平工艺的温度低于350℃。

所述步骤（六）进行圆片无图形刻蚀可以降低牺牲层CMP的研磨时间和成本，刻蚀深度根据步骤三中牺牲层厚度确定，步骤（六）进行无图形刻蚀采用干法刻蚀，刻蚀均匀性要求在1%以内。

所述步骤（七）中化学机械抛光去除刻蚀槽外的牺牲层和平坦化层包括以下步骤：

1）使用研磨液和抛光垫进行快速研磨，研磨速率为200nm/min~350nm/min，去除平坦化层和大部分刻蚀槽外的牺牲层；

2）使用研磨液和抛光垫进行低速研磨，研磨速率为50nm/min~100nm/min，使得研磨工艺停止在停止层，无过研磨。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种减小三维堆叠中氧化硅牺牲层CMP凹陷变形的方法：

如图3所示，首先在硅衬底3上生长停止层5，然后光刻刻蚀停止层5，继续刻蚀硅衬底3形成2µm-50µm、宽度为3µm-300µm的刻蚀槽4，沉积牺牲层6将刻蚀槽4填满并多出1µm到5µm，利用停止层掩膜版进行反转光刻刻蚀牺牲层沉积形成的台阶1高出的部分，接着沉积平坦化层7，采用流平工艺使平坦化层7完全填满台阶2，如图4；

平坦化层工艺结束后通过圆片无图形刻蚀将平坦化层7和牺牲层6同时去除，最后在停止层5上留下厚度约小于5um的牺牲层，如图5所示，对于几十微米厚度的牺牲层6需要利用刻蚀将大部分高出硅片表面的牺牲层去除，以提高后续CMP的效率；

通过第一次CMP将高出硅片表面的牺牲层去除，该步骤分为两步CMP，分别采用快速（研磨速率300nm/min）和慢速（研磨速率60nm/min）研磨，快速研磨能够很快达到设定的研磨厚度，慢速研磨让研磨精确的停止在停止层5上，而不会有过研磨，如图6所示；

最后，通过停止层5的去除和第二次CMP研磨实现如图7的最终效果，通过上述工艺过程减少了牺牲层CMP后的凹陷缺陷和局部变形；

综上所述，发明了一种减小三维堆叠中氧化硅牺牲层CMP凹陷变形的工艺方法，通过光刻刻蚀牺牲层、平坦化层材料的填充、无图形刻蚀和三步CMP工艺，大大降低了CMP后局部变形和凹陷出现的概率。

上述仅为本发明的优选实施例，并不对本发明起到任何限制作用，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。