一种微系统薄膜平坦化方法与流程

1.本发明涉及微系统技术领域，尤其涉及一种微系统薄膜平坦化方法。

背景技术：

2.电容式麦克风一般通过声波作用于电容的薄膜，由于薄膜的振动导致上下极板之间的间距的改变，从而改变电容的大小，进而获得对应的检测电信号；其中电容间形成的上下基板的距离(牺牲层的厚度)和表面的平坦度(牺牲层的表面平整度)对于检测信号的灵敏度尤为重要。现有技术中制作该电容式麦克风的方法如下，对标准硅片进行热氧化形成二氧化硅薄膜；然后在二氧化硅薄膜上上先后淀积氮化硅，多晶硅，氮化硅形成图形化薄膜；接着，淀积两层平坦层，并对平坦层进行化学机械平坦化处理(chemical-mechanical planarization，cmp)得到牺牲层；接着形成上下电极；最后释放牺牲层后可形成电容结构。在对两次积淀平坦层进行抛光处理的过程中，由于需要去除的厚度高达2-3um，远远超过ic(integrated circuit，集成电路)薄膜工艺厚度的二氧化硅，且要保证剩余二氧化硅的厚度在要求厚度范围之内。不仅如此，制造过程中还要求在经过cmp后，牺牲层的中心区域的台阶差较小。然而，cmp是一种十分精细化的平坦化方法，以化学和机械的平衡达到高精度的表面平坦化，以去除高点比低点快的方法从而达到全局平坦化，去除率以埃计算且氧化物的典型去除率2000埃-5000埃，而微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)厚膜工艺要求至少去除2um以上，这将导致抛光时间长达4分钟以上，由此形成的晶圆内部积聚大量的热量从而致使化学反应增强，化学反应和机械去除的动态平衡将难以在这么长时间维持稳定，部分低矮的区域由于化学反应活跃将会出现大面积的化学侵蚀，导致片内非均匀性(wiwnu)较差，厚度也难以控制在指定的范围内，且mems一般图形间距较大，长时间抛光将导致蝶形缺陷(dishing)持续增大，中心区域的平坦难以有效保证。
3.综上可见，目前在微系统薄膜的制作过程中所使用的平坦化方法会导致牺牲层薄膜的厚度、平坦度及稳定性难以控制。

技术实现要素：

4.本技术实施例通过提供一种微系统薄膜平坦化方法，可保证牺牲层的稳定性更高，阶梯差更小，提高抛光速度降低抛光量，使得牺牲层薄膜的厚度、平坦度及稳定性得到有效控制。
5.本技术通过本技术的一实施例提供如下技术方案：
6.一种微系统薄膜平坦化方法，包括：
7.提供形成有图形化薄膜的半导体衬底；在所述图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层；对所述硼磷硅玻璃层进行快速热退火和退火处理；抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度。
8.可选的，所述在所述图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层，包括：
9.在所述图形化薄膜上沉积厚度为2um-3.5um的第一硼磷硅玻璃层；在所述第一硼
磷硅玻璃层上沉积厚度为2um-3.5um第二硼磷硅玻璃层。
10.可选的，所述对所述硼磷硅玻璃层进行快速热退火和退火处理，包括：
11.在加热温度为800℃～850℃的条件下进行快速热退火处理，并持续5s-10s；热退火处理后在氮气环境下进行退火处理。
12.可选的，所述退火处理的时长不小于20秒。
13.可选的，所述抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度，包括：
14.采用非选择比抛光液抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度。
15.可选的，所述抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度，包括：
16.采用二氧化硅研磨颗粒抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度。
17.可选的，抛光处理的时间不大3min。
18.可选的，所述提供形成有图形化薄膜的半导体衬底，包括：
19.提供半导体衬底；在所述半导体衬底形成绝缘层；在所述绝缘层上依次沉积第一氮化硅层、多晶硅层和第二氮化硅层；刻蚀所述第一氮化硅层、所述多晶硅层和所述第二氮化硅层，形成所述图形化薄膜。
20.可选的，所述抛光采用的研磨颗粒为烟熏研磨颗粒。
21.可选的，所述在所述图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层，包括：
22.采用离子体增强化学的气相沉积在所述图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层。
23.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
24.本发明实施例中提供了一种微系统薄膜平坦化方法，通过在图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层；然后，对硼磷硅玻璃层进行快速热退火和退火处理；最后，抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至硼磷硅玻璃层达到预设厚度。通过退火处理可有效的使硼磷硅玻璃回流，降低阶梯差；同时，使掺杂的硼(b)和磷(p)可以在不同的界面得到修复，形成均匀的浓度；在进行抛光处理时，由于牺牲层的稳定性更高，阶梯差更小，就可提高抛光速度降低抛光量，使得牺牲层薄膜的厚度、平坦度及稳定性得到有效控制；同时，也可节省大量的cmp耗材，比如抛光垫、抛光液、修整器等等，并且产出更高，经济效益十分明显。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例提供的微系统薄膜平坦化方法的流程图；
27.图2-图8为本发明实施例提供的电容式麦克风的不同制作工艺阶段的结构示意图。
具体实施方式
28.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
29.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
30.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
31.请参阅图1，本发明中提供的一种微系统薄膜平坦化方法，可用于在制作各种微系统中相类似的薄膜，并对该薄膜进行平坦化处理时进行使用；例如，可应用于压力传感器、电容式麦克风等微系统的制造工艺中。下面以制造电容式麦克风的实施例对本发明中的微系统薄膜平坦化方法进行说明。在制作电容式麦克风过程中，需要两次采用pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition，等离子体增强化学的气相沉积)沉积psg(磷硅玻璃)，在完成沉积后磷硅玻璃的台阶差达到1.2um，且膜厚总计高达到6um以上；但是最终要求的厚度为4um-4.5um，且剩余厚度范围需要控制在
±
0.2um，在图形区域台阶差小于
±
0.1um。由于去除的膜层厚度较厚，若长时间研磨会导致热量大量聚集，致使晶圆产生不良。
32.请参阅图2-图8，示出了本实施例中的一种电容式麦克风制造方法的在不同阶段形成的结构示意图，其中，包含了微系统薄膜平坦化方法的工艺流程所形成的结构，可用于对制作电容式麦克风工艺流程中的平坦层400(牺牲层)进行处理。以避免上述问题，并抑制新的不良产生。具体步骤流程如下：
33.提供半导体衬底10，半导体衬底10可为硅衬底、蓝宝石、碳化硅、氮化镓等等，不做限制。接着，在半导体衬底10上形成绝缘层20；例如，以硅衬底为例，可对硅衬底进行氧化，从而在硅衬底上形成二氧化硅薄膜层，如图2所示。绝缘层20的厚度大约为0.5um。再接着，在绝缘层20上线沉积第一氮化硅层31，接着采用低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition，lpcvd)在第一氮化硅层31上沉积掺杂的多晶硅层32，接着在多晶硅层32上沉积第二氮化硅层33。完成沉积后，对第一氮化硅层31、多晶硅层32和第二氮化硅层33进行图形化刻蚀，从而形成图形化薄膜30，如图3所示。图形化薄膜30上的沟槽形状大小不做限制。
34.上述工艺过程也可采用现有技术中的其他方案进行替代，不做限制。
35.紧接着，在图形化薄膜上沉积平坦层400(牺牲层)。在本实施例中采用硼磷硅玻璃(bpsg)作为平坦层400材料，也即在图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层40；在沉积的过程中可采用离子体增强化学的气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)工艺制作厚度为2um-3.5um的第一硼磷硅玻璃层41，如图4所示；然后，再采用pecvd工艺制作2um-3.5um的第二硼磷硅玻璃层，使得硼磷硅玻璃层40的总厚度达到4um-7um，如图5所
示。通过两次同厚度的沉积实现厚度可控；当然，在两次沉积过程中，也可根据工艺水平或生产需求调整两次沉积的厚度；另外，沉积的次数也可不限于两次，在工艺可行的情况下也可进行1次沉积，不做限制。
36.之后，对硼磷硅玻璃层40进行快速热退火(rapid thermal processing，rtp)和退火处理。在快速热退火处理时，加热温度可控制在800℃～850℃，持续时间在5-10s，以保证硼磷硅玻璃良好回流；完成快速热退火处理之后，在氮气环境下进行退火处理，退火处理的时长可大于等于20s。由于本实施例中制作平坦层400时，采用了bpsg材料替代了现有技术方案中的psg材料，可避免psg材料在制造完成后产生的吸水特性，导致薄膜质量变差且不稳定；而bpsg材料能够克服psg的吸水特性。同时，由于psg材料需要在不小于1100℃才能够实现回流，而bpsg材料可在850℃时实现回流，热预算更少。由于，采用bpsg材料可实现更好的回流以及更稳定的薄膜质量，可在快速退火处理后使硼硅玻璃层表面更加平坦，更小的阶梯差，减少研磨抛光的厚度和时间。
37.不仅如此，传统工艺中由于采用psg材料进行多次沉积形成的平坦层400没有进行快速热退火处理，在进行湿法刻蚀时，在两次淀积的地方即使沉积的磷(p)浓度有微小的不同，湿法刻蚀也容易在此处也将形成明显的台阶，导致良品率明显下降。而采用bpsg材料并进行快速热退火处理后，不仅可以初步平坦化表面，而且掺杂的b和p可以在不同的界面得到修复，形成均匀的浓度。湿法刻蚀得到的斜面能够更加稳定可靠。
38.完成快速热退火和退火处理后，抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层40，至硼磷硅玻璃层40达到预设厚度；预设厚度可控制在4um～5um，可根据需要进行调整。抛光时，采用化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)；具体的，可采用非选择比的二氧化硅乳胶进行抛光，其中二氧化硅研磨颗粒的粒径可控制在30nm-80nm，例如40nm、45nm、50nm等等。同时，配合过滤装置，过滤直径为1um，可防止在高压力大转速的情况下造成表面划伤。抛光头采用多区域压力控制(独立控制区域≥3)及可控维持环压力技术，同时采用小粒径且圆润表面的二氧化硅研磨颗粒，相比于烟熏(fumed)研磨颗粒而言，不仅具备较快的去除速率，且缺陷较少，可保证去除速率≥0.9um/min，并且片内非均匀性≤5％，去除总量大约2-3um，总时间可控制在3分钟之内。
39.在抛光过程中，通过上述操作过程可避免在晶圆内部积聚大量的热量从而致使化学反应增强，保证化学反应和机械去除的动态平衡维持稳定，避免抛光过程中的低矮区域出现大面积的化学侵蚀，提高了片内非均匀性(wiwnu)，厚度更加容易控制。此外，本实施例中由于抛光时间可控制在3分钟以内，不会因为微系统中的图形间的大间距，导致蝶形缺陷(dishing)持续增大，中心区域的平坦可得到有效保证，如图6所示。
40.在现有传统的方案中，化学机械平坦化设备的关键组件抛光头和抛光台均采用旋转方式去除对应的材料，在实际操作过程中，控制的是转速，也就是角速度，但是其去除量却跟线速度有关(普莱斯顿方程：mrr＝kpv，其中p是晶圆承担的压力之和，v则是晶圆在改点的线速度矢量和)，因此晶圆的边缘部分去除量比其他区域明显快一些；即使采用抛光头多区域压力控制，由于长时间的抛光，其补偿的精度和稳定性也面临极大的挑战；边缘部分的去除量过多导致周围区域的有效区域的芯片失效。而本实施例中通过将bpsg材料替代psg材料，并且在完成沉积平坦层400后进行快速热退火处理，并且在抛光时采用多区域环压控制，可有效缩短抛光时间，保证产品稳定性。
41.本实施例中，还可在抛光过程中采用nova在线厚度控制技术，如果去除总量不够，则增加恰当的抛光时间；这样可使得片间非均匀性得到保障。而于现有技术中使用的光学终点检测(红外或者可见光)技术难以对超厚的膜层有效，达到规定厚度只能靠时间去实现，从而导致片与片之间的非均匀性(wtwnu)变差。
42.最后，形成隔膜层50，并释放平坦层400形成腔体结构、上电极和下电极等结构。形成腔体结构、上电极和下电极等结构的工艺过程可采用现有的成熟工艺，本实施例中不做限制。例如，采用lpcvd在平坦层400上形成掺杂的多晶硅隔膜层50，然后进行湿法刻蚀形成平滑稳定的侧面，如图7所示；最后形成上下电极(多晶硅隔膜层50形成上电极，多晶硅层32形成下电极)并释放平坦层400形成腔体结构，以完成电容式麦克风的制造，如图8所示。
43.需要说明的是，本实施中的处理对象平坦层400，在其他的产品中还可对应为其他的薄膜层，例如其他的牺牲层、隔膜层、绝缘层等等，不做限定。
44.综上所述，本发明实施例中提供的一种微系统薄膜平坦化方法，通过在图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层；然后，对硼磷硅玻璃层进行快速热退火和退火处理；最后，抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至硼磷硅玻璃层达到预设厚度。通过退火处理可有效的使硼磷硅玻璃回流，降低阶梯差；同时，使掺杂的硼(b)和磷(p)可以在不同的界面得到修复，形成均匀的浓度；在进行抛光处理时，由于平坦层的稳定性更高，阶梯差更小，就可提高抛光速度降低抛光量，使得平坦层(牺牲层)薄膜的厚度、平坦度及稳定性得到有效控制；同时，也可节省大量的cmp耗材，比如抛光垫、抛光液、修整器等等，并且产出更高，经济效益十分明显。
45.在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
46.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
47.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：

1.一种微系统薄膜平坦化方法，其特征在于，包括：提供形成有图形化薄膜的半导体衬底；在所述图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层；对所述硼磷硅玻璃层进行快速热退火和退火处理；抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层，包括：在所述图形化薄膜上沉积厚度为2um-3.5um的第一硼磷硅玻璃层；在所述第一硼磷硅玻璃层上沉积厚度为2um-3.5um第二硼磷硅玻璃层。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述硼磷硅玻璃层进行快速热退火和退火处理，包括：在加热温度为800℃～850℃的条件下进行快速热退火处理，并持续5s-10s；热退火处理后在氮气环境下进行退火处理。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述退火处理的时长不小于20秒。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度，包括：采用非选择比抛光液抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度，包括：采用二氧化硅研磨颗粒抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至所述硼磷硅玻璃层达到预设厚度。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，抛光处理的时间不大3min。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供形成有图形化薄膜的半导体衬底，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底形成绝缘层；在所述绝缘层上依次沉积第一氮化硅层、多晶硅层和第二氮化硅层；刻蚀所述第一氮化硅层、所述多晶硅层和所述第二氮化硅层，形成所述图形化薄膜。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抛光采用的研磨颗粒为烟熏研磨颗粒。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层，包括：采用离子体增强化学的气相沉积在所述图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层。

技术总结

本发明公开了一种微系统薄膜平坦化方法，其中微系统薄膜平坦化方法包括：在图形化薄膜上沉积硼磷硅玻璃层；然后，对硼磷硅玻璃层进行快速热退火和退火处理；最后，抛光退火处理后的硼磷硅玻璃层，至硼磷硅玻璃层达到预设厚度。通过退火处理可有效的使硼磷硅玻璃回流，降低阶梯差；同时，使掺杂的硼(B)和磷(P)可以在不同的界面得到修复，形成均匀的浓度；在进行抛光处理时，由于牺牲层的稳定性更高，阶梯差更小，就可提高抛光速度降低抛光量，使得牺牲层薄膜的厚度、平坦度及稳定性得到有效控制；同时，也可节省大量的CMP耗材，比如抛光垫、抛光液、修整器等等，并且产出更高，经济效益十分明显。分明显。分明显。