标准工艺——三层多晶硅的表面牺牲层工艺设计手册.doc

三层多晶硅表面牺牲层标准工艺
流程介绍及设计规则
TPSMP process overview and design rules（Three-layer Polysilicon Surface Micromachining Process）
北京市颐和园路5号
北京大学微米/纳米加工技术国家重点实验室
——————————————————————————————————
Copyright ©2004 by IME－PKU MEMSLAB. All rights reserved.

目 录
1 文件信息 1
1.1 标准工艺名称 1
1.2 文件版本 1
1.3 文件范围 1
1.4 文件目标 1
1.5 内容 1
1.6 订定依据 1
1.7 其他 1
2 设计规则内容 3
2.1 各层薄膜材料 3
2.2 工艺流程说明 4
2.3 版图设计规则 14
2.3.1 定义图层名称 14
2.3.2 规则分类说明 14
2.3.3 各图层最小线宽、最小间距及最大间距等 15
2.3.4 各图层之间的相互关系的规则 16
3 其他事项 18
3.1 其他版图设计注意事项 18
3.2 制版相关事宜 18
3.3 材料特征 18
3.4 其他 18
参考文献 19

北京大学微电子所MEMS国家重点实验室
1 文件信息
1.1 标准工艺名称
三层多晶硅表面牺牲层工艺，TPSMP（Three－layer Polysilicon Surface Micromachining Process）。
1.2 文件版本
α版
1.3 文件范围
本文件仅适用于北京大学微电子所MEMS国家重点实验室的三层多晶硅表面牺牲层工艺。
1.4 文件目标
为将北大微纳加工国家重点实验室建成一个开放的加工平台的对外开放，根据本实验室的工艺加工能力及表面牺牲层工艺之特点，编定出该文件，供以本实验为加工平台的客户在进行工艺设计时参考。
1.5 内容
客户从该文件可以获得以下信息：
a． 工艺流程的介绍；
b． 版图的设计规则；
c． 其他版图设计需注意的事项；
1.6 订定依据
本文件中提到的各项规则乃根据三方面考量得出：多数客户的需求；本实验室加工能力；成品率最高。由于表面牺牲层的工艺研究尚在不断进行中，本文件还会不断进行相应的修改。
1.7 其他
a． 版图设计完成后，勿必将工艺结构示意图、工艺流程、版图、版图说明一并交本实验室人员审查，审查修改通过后方可由客户或本实验室代为制版；对于未经相关人员审查而擅自制版，造成的流水损失，实验室不予负责；
b． 投片前，请将上述文件的最终版本、按规定明确标识版号的光刻版交付实验室；
c． 版图及文件提交方式：
版图需为GDSii、cif、或tdb格式。
dchazhang@
ftp://162.105.201.54/incoming/外加工

2 设计规则内容
2.1 各层薄膜材料
图2－1、2－2是采用本标准工艺加工的转轴及悬臂梁这两种典型结构的剖面图，选择多晶硅（POLY0）为电气连接层材料，多晶硅(POLY1/POLY2)为结构层材料，PSG为牺牲层材料，氮化硅（NITRIDE）为绝缘层、抗腐蚀层材料，氧化硅（OXIDE）为氮化硅的应力缓冲层，金属层（METAL）用金或铝。表2－1为各层材料的厚度以及加工精度等指标，膜厚是工艺参数为确定值，不作为设计参数提供给客户进行设计。客户只能在2维方向上设计器件尺寸。客户如在厚度上有特殊需求，请与实验室联系确定可行性。
表2－1 材料选择总结
各层材料
厚度(Å)
精度
片内均匀性
片间均匀性
SiO2
3000
8％
3％
5％
Si3N4
1800
8％
3％
5％
POLY0
3000
8％
3％
5％
PSG1
20000
8％
3％
5％
POLY1
20000
8％
3％
5％
PSG2
7000
8％
3％
5％
POLY2
20000
8％
3％
5％
Cr/Au
300/1500
8％
3％
5％
Al（可选）
10000
6％
/
/

图2－1 释放前的结构剖面图

图2－2 释放后的结构剖面图
2.2 工艺流程说明
下面介绍本标准工艺的工艺流程，采用较为典型的转轴与悬臂梁结构的剖面图来说明工艺流程。
1. 硅片的选择
选用4寸（100mm）片，N型，晶向<100>，电阻率2～4Ω•cm，电阻率不宜选择较大，否则容易在衬底与二氧化硅界面积累电荷，进而导致衬底和POLY0有电荷穿通现象。

图2－3 裸硅片
2. 氧化硅层制备
采用湿法氧化方法加工得到氧化硅，氧化温度为1000℃。

图2－4 淀积氧化层
3. 氮化硅层制备
氮化硅采用LPCVD方法制备，淀积温度为780℃。

图2－5 淀积氮化硅层
4. 零层多晶硅制备
多晶硅采用LPCVD方法制备，温度610℃。

图2－6 淀积多晶硅层
5. 零层多晶硅掺杂
注入磷31，，剂量5E15，能量80Kev。

图2－7 零层多晶硅掺杂
6. 第一次光刻
在光刻胶上得到POLY0图形。

图2－8 第一次光刻
7. 刻蚀得到POLY0图形
采用反应离子刻蚀（RIE）方法将光刻胶图形转移至POLY0层。

图2－9 刻蚀得到POLY0图形

8. 牺牲层制备
采用LPCVD的方法制备PSG，温度为680℃。

图2－10 牺牲层制备
9. 第二次光刻
此次光刻在光刻胶上得到DIMPLE图形。

图2－11 第二次光刻
10. 在PSG上得到DIMPLE图形
BHF湿法腐蚀PSG形成DIMPLE图形，此次图形的主要作用为在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是保形淀积，在LPCVD淀积POLY1后，即在POLY1上形成朝向衬底突起的BUMPER，该BUMPER可有3点作用：
1) 防止黏附，在释放过程以及使用过程中可以减少POLY1与衬底的接触面积】。
2) 在某些设计中可以当作滑动结构的支撑点；
3) 可以利用来防止pull-in。
DIMPLE的深度可以根据需要进行选择，在防黏附的应用中一般选用3000 Å就可；在起机械支撑的应用中可选1μm；在防止pull-in的应用中可以设计为6000Å。上述值均为参考，可以根据实际使用进行设计。

图2－12 DIMPLE图形
11. 第3次光刻
在光刻胶上得到ANCHOR图形。

图2－13 第三次光刻
12. 刻蚀PSG1得到ANCHOR图形
本次加工在PSG1上得到ANCHOR图形，即在PSG1上开孔，在淀积POLY1后，该孔被POLY1填满形成ANCHOR，ANCHOR起到的作用为：一方面可以电气连接POLY0与POLY1；一方面作为悬臂梁或者双支梁的固定端。

图2－14 得到ANCHOR图形
13. POLY1制备，同前采用LPCVD方法，温度为610℃。

图2－15 淀积得到POLY1层
14. POLY1层掺杂
注入磷31。

图2－16 掺杂POLY1层
15. 制备PSG并退火
采用LPCVD方法制备PSG，厚度为2000 Å，温度为680℃；接着在1000℃下，N2气氛中退火，退火时间为1小时。该步骤激活多晶硅中所掺杂质并消除应力。
16. 用BHF腐蚀掉退火用PSG。
17. 第四次光刻，在光刻胶上得到POLY1结构层图形。

图2－17 第四次光刻
18. 得到POLY1图形
采用刻蚀方法将光刻胶图形转移到POLY1图形。

图2－18 刻蚀POLY1得到结构层图形
19. 得到PSG2
采用LPCVD方法制备PSG2，厚度为7000Å，该层作用是第二层牺牲层，使得POLY1与POLY2之间有活动空间。

图2－19 淀积PSG2
20. 第五次光刻
本次工艺在光刻胶上得到POLY1与POLY2之间的通孔图形。

图2－20 第五次光刻
21. 刻蚀得到POLY1与POLY2之间的通孔图形

图2－21 刻蚀得到通孔图形
22. 第六次光刻
在光刻胶上得到POLY2与POLY0之间的通孔图形（ANCHOR2）。

图2－22 第六次光刻
23. 得到ANCHOR2图形

图2－23 刻蚀得到ANCHOR图形
ANCHOR2为在PSG上的坑，在淀积POLY2后，该坑填满多晶硅，实现POLY0以及POLY2的电气连接，同时也起到支撑POLY2的作用。

图2－24 淀积得到POLY2
24. POLY2制备
采用LPCVD方法制备POLY2，温度为610℃。
25. POLY2掺杂
注入磷31。

图2－25 掺杂POLY2
26. 得到退火用PSG并退火
退火温度为1000℃，气氛为N2，退火时间为1小时，作用同第15步。
27. BHF湿法腐蚀掉退火用PSG约2000Å”
28. 第7次光刻

图2－26 第七次光刻
在光刻胶上得到POLY2图形。
29. 得到POLY2图形
采用刻蚀方法得到POLY2图形。

图2－27 刻蚀得到POLY2图形
30. 剥离方法制备电极
采用剥离的方法得到电极，金属为Cr/Au,厚度为300A/1500Å。该层金属不仅可以做电极、互联线，还可以作为镜面等，但作为镜面，可能有应力大的问题。

图2－28 剥离方法得到电极
31. 释放，
采用BHF腐蚀PSG牺牲层，最终得到可动结构。

图2－29 释 放

2.3 版图设计规则
本节讨论版图设计规则，版图设计规则是加工能力的反映，是在保证成品率最高这个原则下确定的。
表2－2 用于设计MEMS结构的版图的各层名称定义
光刻序号
1
2
3
4
5
6
7
8
版图层名称
1_POLY0
2_DIMPLE
3_ANCHOR1
4_POLY1
5_p2_p1_via
6_ANCHOR2
7_POLY2
8_METAL
阴/阳
阳版
阴版
阴版
阳版
阴版
阴版
阳版
阴版
2.3.1 定义图层名称
在讨论版图规则的制定之前，先定义各版图层名称，掩模板图层共有8层，具体内容见表2-6。版图中图层名称及阴阳应采用表中规定；对应掩膜版的阴阳依据正胶所定。2、3、5、6、8定为阴版是考虑到该层图形一般为小面积刻蚀，为方便绘图故定为阴版。
2.3.2 规则分类说明
版图规则可以分为几种类型，用字母分别编号，简述如下。
1) A规则： 反应两版图层之间的包含关系，如图所示。

图2－30 A规则示意图
2) B规则：反应两版图层之间的最小间距，如图所示。

图2－31 B规则示意图
3) C规则：反应两版图层之间的最小覆盖关系。

图 2－32 C规则示意图
4) D规则，反映两版图层之间的最小过覆盖（cut out）规则。

图 2－33 D规则示意图
5) E、F、G、H规则
E、F、G、H规则为同一版图层内图形之间的规则，H规则为图形最大间距。

图2－34 E、F、G、H规则示意图
2.3.3 各图层最小线宽、最小间距（space）及最大间距等
表2－7为各图层相关图形之最小线宽、最小间距（space）及最大间距等。
表2－3 版图规则1～23
规则编号
规则分类
规则（μm）
说明
1.
E
2
POLY0层图形最小线宽
2.
F
2
POLY0层图形最小间隔（space）
3.
F
3×3
POLY0方孔图形最小尺寸
4.
H
300
悬臂梁最长尺寸（宽度为30μm）
5.
H
800
双支梁最长尺寸
6.
E
3×3
DIMPLE 层图形最小线宽
采用3×3，图形最终为接近圆形，而非方形
7.
E
2
ANCHOR1 层图形最小线宽
8.
F
2
ANCHOR1 层图形最小间距
9.

3×3
ANCHOR1 层方孔图形最小尺寸
10.
E
2
POLY1 层图形最小线宽
11.
F
2
POLY1 层图形最小间距
12.
E
3×3
POLY1 层释放孔最小尺寸
图形最终为类似圆形，而非方形
13.
G
8/14
POLY1层释放孔最大间隔，金属分别为Au/Al
14.
E
3×3
p2_p1_via层图形最小尺寸，圆形则为直径
15.
F
4
p2_p1_via层图形最小间距
16.
E
3×3
p2_p0_via图形最小尺寸, 圆形则为直径
17.
F
4
p2_p0_via层图形最小间距
18.
E
4
POLY2图形最小线宽
19.
F
2
POLY2图形最小间距
20.
E
3×3
POLY2 层释放孔最小尺寸
图形最终为类似圆形，而非方形
21.
G
10
POLY2 层释放孔最大间隔
22.
E
2
METAL层图形最小线宽
在做东南大学王佩瑶（外6－174）的片子时，发现：最细金属线条宽度＝4微米（器件编号是310、311），而实际这个宽度很难做出来，即使使用干法刻蚀与湿法腐蚀相结合，也很难保住。4微米的金属线条在光刻并腐蚀后就不见了。
23.
F
5
METAL层最小图形间距
2.3.4 图层之间的相互关系的规则
下表是各层图形之间的相互关系的规则，主要为A、B、C、D四种类型的规则，两两层之间皆有可能，下面将按顺序予以讨论。
表2－4 版图规则24～52
规则编号
规则分类
规则μm
规则说明
24.
A
3
POLY0 与 DIMPLE的最小包含
25.
B
3
POLY0 与 DIMPLE的最小间距
26.
A
3
POLY0与ANCHOR1的最小包含
27.
B
3
POLY0与ANCHOR1层图形的最小间距
28.
A
3
POLY0对POLY1的包含关系
29.
B
3
POLY0与POLY1的最小间距
30.
C
3
POLY0与POLY1的最小覆盖
31.
D
3
POLY0与POLY1的最小过覆盖
32.
A
5
POLY0对 ANCHOR2的最小包含
33.
B
5
POLY0与ANCHOR2的最小间距
34.
C
3
POLY0与POLY2的最小覆盖
35.
D
5
POLY0与POLY2的最小过覆盖
36.
B
3
DIMPLE与ANCHOR1的最小间距
37.
A
3
POLY1对DIMPLE的包含关系
38.
B
5
DIMPLE与ANCHOR2的最小间距关系
39.
A
3
ANCHOR1与POLY1的包含关系
40.
A
5
POLY1对p2_p1_via的包含关系
41.
B
4
POLY1与p2_p1_via最小间距关系
42.
B
5
POLY1与ANCHOR2最小间距
43.
A
3
POLY1对POLY2的包含关系
44.
C
5
POLY2对POLY1过覆盖关系
45.
D
5
POLY2对POLY1的覆盖关系
46.
A
5
POLY2对p2_p1_via包含关系
47.
A
5
POLY2对p2_p0_via包含关系
48.
A
5
POLY2对 METAL的包含关系
49.
E
150×150
Pad最小尺寸
50.
F
100
Pad最小间距
51.
E
100
划片槽最小尺寸
52.
F
10的倍数
单元尺寸

3 其他事项
3.1 版图设计注意事项
1) 为方便划片，单元尺寸应定为10微米的倍数。
2) 若单元（dies）中有两个或两个以上的图形，建议编号，各压焊点也应顺序编号，以利于测试。
3.2 制版相关事宜
客户制版前需将版图文件提交实验室，由实验室工程师确认设计是否满足设计规则。实验室工程师将在合格的版图中添加测试结构、对准标记及划片槽等图形，并将文件返回客户由客户确认制版，光刻版需用5英寸（边长127mm）金属铬版。
如选择由本所代为制版，单元（dies）尺寸须小于8mm*8mm；版图中图形尽量以方形拼接而成，不要进行merge操作，否则增加制版难度；同一层两个图形的连接处应该尽量避免在边界有搭接，否则图形将产生严重失真，如下图所示。

不好 好
图 九
3.3 材料特征
本标准工采用多晶硅薄膜作为结构层。结构层的残余应力为拉应力，小于20MPa，杨式模量约为163Mpa。测试计算方法可见文献【4】
方块电阻小于100 OHM/□。
多晶硅材料的电阻温度系数、氧化硅氮化硅的介电常数等其他一些参数可参考以下网站的数值。http://www.memsnet.org
3.4 其他
释放可由客户进行，也可由本工艺间进行。本标准工艺采用直径100毫米的硅片，只保证直径80毫米以内的单元为合格单元。
参考文献
[1] 《双层多晶硅(单层机械结构)表面牺牲层工艺的版图层定义和设计规则(草案)》
[2] 《PolyMUMPS design handbook》，David A. Koester ，MEMS Technology Applications Center MCNC 3021 Cornwallis Road Research Triangle Park, NC 27709
[3] 吴琳，表面微机械关键技术研究，硕士论文，北京大学 1999
[4] 胡维，三层多晶硅表面牺牲层工艺及测试结构，硕士论文，北京大学，2005

- 19 -