基于一种新沟槽设计的无缝隙沟槽隔离技术_李光涛
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｖｏｉｄｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｔｒａｐｅ－ ｚｉｕｍ ｓｈａｐｅｄ ｔｒｅｎｃｈ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｆｉｌｌ ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｐｅｎｉｎｇ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ．Ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ，ａｎｄ ａｎ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｔｒａｐｅｚｉｕｍ ｓｈａｐｅｄ ｔｒｅｎｃｈ ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｅｔｃｈｉｎｇ．Ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｆｏｒ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｔｙｐｅ ｔｒｅｎｃｈ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｓｍｏｏｔｈ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｓｈａｒｐ ｃｏｒｎｅｒｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｔｙｐｅ ｔｒｅｎｃｈ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｓｍｏｏｔｈ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｔｙｐｅ ｔｒｅｎｃｈ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．Ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｔｒｅｎｃｈ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａ ｄｅｅｐ ｔｒｅｎｃｈ ｗｉｔｈｏｕｔ ｖｏｉｄｓ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａ ｖｏｉｄ－ｆｒｅｅ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｆｉｎａｌｌｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ，ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｓｏｌａ－ ｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｍｏｖａｂｌｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ａ ｍｏｖａｂｌｅ ａｎｄ ａ ｆｉｘｅｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｔｒｅｎｃｈ；ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｔｒａｐｅｚｉｕｍ；ｖｏｉｄ－ｆｒｅｅ；ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＤＯＩ：１０．１３２５０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｗｎｄｚ．２０１６．０５．０１１ ＥＥＡＣＣ：２５７５Ｆ
ＬＰＣＶＤ 是深沟槽隔 离 过 程 中 的 关 键 步 骤， 整 个淀积过程包括气体分子扩散、边界层扩散、表面 吸附、分解、表面扩散和结合成膜等步骤。这些单 独的步骤都会影响整个淀积作用流程。有很多因素 会影响淀积过程，例如温度、气压和硅烷的流量。 如果温度太高，反应速率会比离子的移动速率快， 这将影响 淀 积 薄 膜 的 均 匀 性， 进 而 会 影 响 填 充 结 果 。 ［１２］ 另一 方 面， 随 着 温 度 的 提 高， 晶 体 的 生 长 速率会 加 快， 这 将 导 致 更 大 的 缝 隙。 如 果 温 度 太 低，反应速率太慢，则会导致淀积工艺失败。气压 和硅烷流量会影响反应速率和填充效果。
０ 引 言
近年来， 微 电 子 机 械 系 统 （ＭＥＭＳ） 技 术 作 为一种高科技和实用技术已经获得了广泛关注。相
收 稿 日 期 ：２０１５－１２－２３ 基金项目：国防科工局资助项目 （Ａ２７２０１２０００１） Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｇｔ３２５５１２５＠１２６．ｃｏｍ
３４０
比于常规 器 件， ＭＥＭＳ 器 件 有 很 多 优 点， 例 如 体 积小、质量轻、性能稳定、价格低和功耗低等。各 种各样的 ＭＥＭＳ微器 件 已 被 广 泛 应 用 于 诸 如 航 空 航天、生物医学和电力电子等领域。
通过上述例子可以看出避免多晶硅回填工艺过 程中出现的缝隙十分重要，本文的目的就是通过设 计一种新型沟槽，避免深沟槽隔离工艺过程中出现 缝隙。
１ 沟 槽 形 成 原 理 和 传 统 深 沟 槽 隔 离 技术
本文讨论了 ＳＦ６－Ｃ４Ｆ８ 系统，在这种系统中刻蚀 过程和钝化过程交替进行。Ｃ４Ｆ８ 通过产生聚合物使 硅片表 面 钝 化。氟 离 子 是 ＳＦ６ 电 离 过 程 中 产 生 的，
（中 国 兵 器 工 业 第 ２０３ 研 究 所 ， 西 安 ７１００６５）
摘要：为了避免深沟槽隔离过程中出现缝隙，提出了一种有利于多晶硅回填的倒梯形沟槽。这种 沟槽的开口处宽度比底部宽度大，使用了一种优化的微机械加工工艺，利用各向同性刻蚀形成了 一种倒梯形沟槽。另一方面，对于填充效果而言，完全光滑过渡的曲线型沟槽好于具有尖锐转角 的曲线型沟槽。相比于直线型沟槽，完全光滑过渡的曲线型沟槽可以提高机械连接强度。通过使 用新的沟槽设计以及优化的微机械工艺，可以获得无缝隙的深沟槽，最终实现了一种无缝隙的沟 槽隔离，保证了两个可动结构之间或一个可动结构和一个固定结构之间的电绝缘。 关键词：深沟槽；隔离；倒梯形；无缝隙；微机械加工工艺 中图分类号：ＴＮ３０５．９５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－４７７６ （２０１６）０５－０３４０－０５
它可以刻蚀钝化层，从而使硅片刻蚀过程得以进行。 为了得到各向异性，通过 Ｃ４Ｆ８ 可以产生钝化层，在 刻蚀离子向下作用的过程中保护沟槽侧壁不被刻蚀。 Ｈ．Ｊａｎｓｅｎ等人［５］在１９９６年提出了高深宽比沟槽刻蚀 过程中一种控制沟槽形状的特殊原理，其中包括离 子偏转、离子回弹和侧壁钝化原理。
离子进入沟槽时的衍射会导致其偏转，但主要 是由导电沟槽侧壁处等离子体辉光放电产生的静电 偏转，使离子偏转到沟槽侧壁。如图１所示 （图中 Ｌ１ 为 沟 槽 上 部 的 宽 度，Ｌ２ 为 沟 槽 中 部 的 宽 度 ）， 当具有极高能量的离子撞击到沟槽底部时会发生离 子回弹的现象。离子回弹会导致沟槽出现缺陷，回 弹的离子会刻蚀沟槽侧壁，导致沟槽中部比沟槽底 部宽，当多晶硅回填后，将不可避免地产生缝隙， 如 图 ２［６］所 示 。
深沟槽的各项尺寸参数如图２所示，沟槽底部 是 Ｕ 型 的， 沟 槽 宽 度 为 ２．７２ μｍ， 深 度 为 ２４．５μｍ， 深 宽 比 为 ９∶１。
２ 一种新沟槽设计和微机械工艺优化
硅
硅
图 ３ 一 种 新 型 的 沟 槽 设 计 Ｆｉｇ．３ Ａ ｎｅｗ ｔｒｅｎｃｈ ｄｅｓｉｇｎ
在传统工艺流程的基础上，改进后的工艺流程 包括如下步骤：光刻、ＩＣＰ 各向异性刻蚀、 湿法去 胶、氧清洗、ＩＣＰ 各向同性刻蚀、 热氧化、 低压化 学气相淀积以及化学机械抛光。光刻是为了形成后 续刻蚀所需要的图形，光刻胶作为后续干法刻蚀的 掩膜；反应耦合等离子体各向异性刻蚀是为了形成 深沟槽结构，没有光刻胶保护的位置会形成高深宽 比的深沟槽；湿法去胶是用丙酮浸泡去除光刻胶； 氧清洗是为了去除侧壁钝化层。氧清洗在深沟槽隔 离工艺过 程 中 必 不 可 少， 在ＩＣＰ 沟 槽 深 刻 蚀 工 艺 结束后，聚合物保护薄膜仍存在于沟槽侧壁上，刻 蚀离子进入沟槽内部，由于侧壁的聚合物保护薄膜 的作用，侧壁不会被刻蚀离子刻蚀，刻蚀离子向沟 槽底部运动，底部会被刻蚀出一个比原来尺寸大的 凹坑，如 图 ４ 所 示。这 种 现 象 很 不 利 于 后 面 的 ＬＰＣＶＤ 多晶硅填槽，氧 清 洗 工 艺 去 除 了 钝 化 层 之 后，后续进行各向同性刻蚀，深沟槽各部分都会被 刻蚀，开口处刻蚀速率快，越往下刻蚀速率越慢， 沟槽底部刻蚀速率最慢，不会形成如图４所示有缺 陷的深沟槽。由于沟槽开口处刻蚀速率最快，沟槽 底部刻蚀速率最慢，随着深度方向上刻蚀速率逐渐
L1
硅L2Βιβλιοθήκη 硅SF6回弹
图 １ 刻 蚀 离 子 回 弹 示 意 图 ｉｇ．１ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｅｔｃｈｉｎｇ ｉｏｎ
2.72 滋m
缝隙
24.5 滋m
二氧化硅
单晶硅
单晶硅
多晶硅
×3 500
5 滋m
图２ 传统工艺流程的填充结果［６］ Ｆｉｇ．２ Ｆｉｌｌｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ［６］
３４１
微纳电子技术
传统的深沟 槽 隔 离 工 艺 流 程 包 ［７］ 括 如 下 步 骤： 光刻、 反 应 耦 合 等 离 子 体 （ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ，ＩＣＰ） 各向异性刻蚀、湿法去胶、 热氧化、 低压 化 学 气 相 淀 积 （ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＬＰＣＶＤ） 及 化 学 机 械 抛 光 （ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，ＣＭＰ）。 光 刻 是 为 了 形 成 后 续刻蚀所需要的图形，光刻胶作为后续干法刻蚀的 掩膜；反应耦合等离子体各向异性刻蚀是为了形成 深沟槽结构，没有光刻胶保护的位置会形成高深宽 比的深沟槽；湿法去胶是用丙酮浸泡去除光刻胶； 热氧化工艺是为了生成二氧化硅绝缘层；使硅不同 结构之间形成绝缘；低压化学气相淀积是为了填充 深沟槽，保证硅片的结构强度；化学机械抛光是为 了去除表面多余的多晶硅。这个工艺流程有很多缺 陷，当多晶硅填充后，深沟槽中的缝隙很明显。在 刻蚀过程 中， 线 圈 功 率 为 刻 蚀 气 体 的 电 离 提 供 能 量，偏压功率为刻蚀离子的运动提供能量，目的是 在深度方向上进行刻蚀。通过合理控制刻蚀和钝化 过程，将能更好地控制各向异性，这样可以获得一 个高深宽比的沟槽 。 ［８－１１］
在过去的几年中，很多文献报道了深沟槽隔离 工 艺 。Ｄ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ等 人［１］于 ２００１ 年 提 出 了 一 种 新 的 隔离工艺，在体硅微机械工艺中使用了反应离子刻 蚀 （ＲＩＥ）和多 晶 硅 回 填 技 术，解 释 了 深 沟 槽 隔 离 微机械加工工艺，可以实现机械连接，同时能够保 证电绝缘。但是，在多晶硅回填后，沟槽中间不可 避 免 会 出 现 缝 隙 ， 将 降 低 器 件 的 性 能 。Ｇ．Ｚ．Ｙａｎ 等 人［２］于 ２００４ 年 提 出 了 一 种 新 的 单 硅 片 体 硅 微 机 械 工 艺集成陀螺仪，使用的是高深宽比 （３０∶１）沟槽刻 蚀、深沟 槽 电 绝 缘 材 料 回 填 和 背 腔 刻 蚀 技 术。 Ｍ．Ｅｓａｓｈｉ［３］于２００８ 年 详 细 介 绍 了 ＭＥＭＳ 的 圆 片 级 封装技术，解释了表面键合技术，例如玻硅键合和 金属与金属之间的键合。不仅需要机械连接和电绝 缘，良好的气体密封性也很有必要，这对封装的真 空度和 ＭＥＭＳ器件品质因数影响很大。
Ｖｏｉｄ－Ｆｒｅｅ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ Ｎｅｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｄｅｓｉｇｎ
Ｌｉ Ｇｕａｎｇｔａｏ，Ｔｉａｎ Ｍｉｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｓｉｙｕａｎ，Ｌｉ Ｄｕａｎｓｏｎｇ
（Ｎｏ．２０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）
李光涛等：基于一种新沟槽设计的无缝隙沟槽隔离技术
器件中的微结构不仅可以作为机械单元，还可 以作为电单元。在 ＭＥＭＳ器件设计和制造工艺中， 特别是在体硅加工工艺中，两个可动微结构之间经 常同时需要机械连接和电绝缘。这种结构可以作为 可动连接或固定连接，应用于两个可动微结构之间 或一个固定微结构和一个可动微结构之间。因此， 有必要对如何在体硅微机械工艺中同时实现机械连 接和 电 绝 缘 进 行 研 究，而 这 将 用 到 深 沟 槽 隔 离 技术。
深沟槽隔离技术广泛应用在微结构中，其可在 两 个 微 结 构 之 间 实 现 机 械 连 接 和 电 绝 缘。 Ｈ．Ｓｃｈｅｎｋ等人［４］于２００１年提出 了 一 种 新 的 ２Ｄ 谐 振式微扫描镜，深沟槽隔离在这种器件制造过程中 起到了很重要的作 用， 沟 槽 形 状 使 用 的 是 ９０°的 拐 角。对于这种沟槽，在多晶硅回填之后不可避免会 出现缝隙。
第 ５３ 卷 第 ５ 期 ２０１６ 年 ５ 月
櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴毷
加工、测量与设备
微纳电子技术
Ｍｉｃｒｏｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１６
櫴毷
櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴毷
櫴毷
基于一种新沟槽设计的无缝隙沟槽隔离技术
李光涛，田 铭，周思渊，李端松
ＬＰＣＶＤ 是深沟槽隔 离 过 程 中 的 关 键 步 骤， 整 个淀积过程包括气体分子扩散、边界层扩散、表面 吸附、分解、表面扩散和结合成膜等步骤。这些单 独的步骤都会影响整个淀积作用流程。有很多因素 会影响淀积过程，例如温度、气压和硅烷的流量。 如果温度太高，反应速率会比离子的移动速率快， 这将影响 淀 积 薄 膜 的 均 匀 性， 进 而 会 影 响 填 充 结 果 。 ［１２］ 另一 方 面， 随 着 温 度 的 提 高， 晶 体 的 生 长 速率会 加 快， 这 将 导 致 更 大 的 缝 隙。 如 果 温 度 太 低，反应速率太慢，则会导致淀积工艺失败。气压 和硅烷流量会影响反应速率和填充效果。
０ 引 言
近年来， 微 电 子 机 械 系 统 （ＭＥＭＳ） 技 术 作 为一种高科技和实用技术已经获得了广泛关注。相
收 稿 日 期 ：２０１５－１２－２３ 基金项目：国防科工局资助项目 （Ａ２７２０１２０００１） Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｇｔ３２５５１２５＠１２６．ｃｏｍ
３４０
比于常规 器 件， ＭＥＭＳ 器 件 有 很 多 优 点， 例 如 体 积小、质量轻、性能稳定、价格低和功耗低等。各 种各样的 ＭＥＭＳ微器 件 已 被 广 泛 应 用 于 诸 如 航 空 航天、生物医学和电力电子等领域。
通过上述例子可以看出避免多晶硅回填工艺过 程中出现的缝隙十分重要，本文的目的就是通过设 计一种新型沟槽，避免深沟槽隔离工艺过程中出现 缝隙。
１ 沟 槽 形 成 原 理 和 传 统 深 沟 槽 隔 离 技术
本文讨论了 ＳＦ６－Ｃ４Ｆ８ 系统，在这种系统中刻蚀 过程和钝化过程交替进行。Ｃ４Ｆ８ 通过产生聚合物使 硅片表 面 钝 化。氟 离 子 是 ＳＦ６ 电 离 过 程 中 产 生 的，
（中 国 兵 器 工 业 第 ２０３ 研 究 所 ， 西 安 ７１００６５）
摘要：为了避免深沟槽隔离过程中出现缝隙，提出了一种有利于多晶硅回填的倒梯形沟槽。这种 沟槽的开口处宽度比底部宽度大，使用了一种优化的微机械加工工艺，利用各向同性刻蚀形成了 一种倒梯形沟槽。另一方面，对于填充效果而言，完全光滑过渡的曲线型沟槽好于具有尖锐转角 的曲线型沟槽。相比于直线型沟槽，完全光滑过渡的曲线型沟槽可以提高机械连接强度。通过使 用新的沟槽设计以及优化的微机械工艺，可以获得无缝隙的深沟槽，最终实现了一种无缝隙的沟 槽隔离，保证了两个可动结构之间或一个可动结构和一个固定结构之间的电绝缘。 关键词：深沟槽；隔离；倒梯形；无缝隙；微机械加工工艺 中图分类号：ＴＮ３０５．９５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－４７７６ （２０１６）０５－０３４０－０５
它可以刻蚀钝化层，从而使硅片刻蚀过程得以进行。 为了得到各向异性，通过 Ｃ４Ｆ８ 可以产生钝化层，在 刻蚀离子向下作用的过程中保护沟槽侧壁不被刻蚀。 Ｈ．Ｊａｎｓｅｎ等人［５］在１９９６年提出了高深宽比沟槽刻蚀 过程中一种控制沟槽形状的特殊原理，其中包括离 子偏转、离子回弹和侧壁钝化原理。
离子进入沟槽时的衍射会导致其偏转，但主要 是由导电沟槽侧壁处等离子体辉光放电产生的静电 偏转，使离子偏转到沟槽侧壁。如图１所示 （图中 Ｌ１ 为 沟 槽 上 部 的 宽 度，Ｌ２ 为 沟 槽 中 部 的 宽 度 ）， 当具有极高能量的离子撞击到沟槽底部时会发生离 子回弹的现象。离子回弹会导致沟槽出现缺陷，回 弹的离子会刻蚀沟槽侧壁，导致沟槽中部比沟槽底 部宽，当多晶硅回填后，将不可避免地产生缝隙， 如 图 ２［６］所 示 。
深沟槽的各项尺寸参数如图２所示，沟槽底部 是 Ｕ 型 的， 沟 槽 宽 度 为 ２．７２ μｍ， 深 度 为 ２４．５μｍ， 深 宽 比 为 ９∶１。
２ 一种新沟槽设计和微机械工艺优化
硅
硅
图 ３ 一 种 新 型 的 沟 槽 设 计 Ｆｉｇ．３ Ａ ｎｅｗ ｔｒｅｎｃｈ ｄｅｓｉｇｎ
在传统工艺流程的基础上，改进后的工艺流程 包括如下步骤：光刻、ＩＣＰ 各向异性刻蚀、 湿法去 胶、氧清洗、ＩＣＰ 各向同性刻蚀、 热氧化、 低压化 学气相淀积以及化学机械抛光。光刻是为了形成后 续刻蚀所需要的图形，光刻胶作为后续干法刻蚀的 掩膜；反应耦合等离子体各向异性刻蚀是为了形成 深沟槽结构，没有光刻胶保护的位置会形成高深宽 比的深沟槽；湿法去胶是用丙酮浸泡去除光刻胶； 氧清洗是为了去除侧壁钝化层。氧清洗在深沟槽隔 离工艺过 程 中 必 不 可 少， 在ＩＣＰ 沟 槽 深 刻 蚀 工 艺 结束后，聚合物保护薄膜仍存在于沟槽侧壁上，刻 蚀离子进入沟槽内部，由于侧壁的聚合物保护薄膜 的作用，侧壁不会被刻蚀离子刻蚀，刻蚀离子向沟 槽底部运动，底部会被刻蚀出一个比原来尺寸大的 凹坑，如 图 ４ 所 示。这 种 现 象 很 不 利 于 后 面 的 ＬＰＣＶＤ 多晶硅填槽，氧 清 洗 工 艺 去 除 了 钝 化 层 之 后，后续进行各向同性刻蚀，深沟槽各部分都会被 刻蚀，开口处刻蚀速率快，越往下刻蚀速率越慢， 沟槽底部刻蚀速率最慢，不会形成如图４所示有缺 陷的深沟槽。由于沟槽开口处刻蚀速率最快，沟槽 底部刻蚀速率最慢，随着深度方向上刻蚀速率逐渐
L1
硅L2Βιβλιοθήκη 硅SF6回弹
图 １ 刻 蚀 离 子 回 弹 示 意 图 ｉｇ．１ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｅｔｃｈｉｎｇ ｉｏｎ
2.72 滋m
缝隙
24.5 滋m
二氧化硅
单晶硅
单晶硅
多晶硅
×3 500
5 滋m
图２ 传统工艺流程的填充结果［６］ Ｆｉｇ．２ Ｆｉｌｌｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ［６］
３４１
微纳电子技术
传统的深沟 槽 隔 离 工 艺 流 程 包 ［７］ 括 如 下 步 骤： 光刻、 反 应 耦 合 等 离 子 体 （ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ，ＩＣＰ） 各向异性刻蚀、湿法去胶、 热氧化、 低压 化 学 气 相 淀 积 （ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＬＰＣＶＤ） 及 化 学 机 械 抛 光 （ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，ＣＭＰ）。 光 刻 是 为 了 形 成 后 续刻蚀所需要的图形，光刻胶作为后续干法刻蚀的 掩膜；反应耦合等离子体各向异性刻蚀是为了形成 深沟槽结构，没有光刻胶保护的位置会形成高深宽 比的深沟槽；湿法去胶是用丙酮浸泡去除光刻胶； 热氧化工艺是为了生成二氧化硅绝缘层；使硅不同 结构之间形成绝缘；低压化学气相淀积是为了填充 深沟槽，保证硅片的结构强度；化学机械抛光是为 了去除表面多余的多晶硅。这个工艺流程有很多缺 陷，当多晶硅填充后，深沟槽中的缝隙很明显。在 刻蚀过程 中， 线 圈 功 率 为 刻 蚀 气 体 的 电 离 提 供 能 量，偏压功率为刻蚀离子的运动提供能量，目的是 在深度方向上进行刻蚀。通过合理控制刻蚀和钝化 过程，将能更好地控制各向异性，这样可以获得一 个高深宽比的沟槽 。 ［８－１１］
在过去的几年中，很多文献报道了深沟槽隔离 工 艺 。Ｄ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ等 人［１］于 ２００１ 年 提 出 了 一 种 新 的 隔离工艺，在体硅微机械工艺中使用了反应离子刻 蚀 （ＲＩＥ）和多 晶 硅 回 填 技 术，解 释 了 深 沟 槽 隔 离 微机械加工工艺，可以实现机械连接，同时能够保 证电绝缘。但是，在多晶硅回填后，沟槽中间不可 避 免 会 出 现 缝 隙 ， 将 降 低 器 件 的 性 能 。Ｇ．Ｚ．Ｙａｎ 等 人［２］于 ２００４ 年 提 出 了 一 种 新 的 单 硅 片 体 硅 微 机 械 工 艺集成陀螺仪，使用的是高深宽比 （３０∶１）沟槽刻 蚀、深沟 槽 电 绝 缘 材 料 回 填 和 背 腔 刻 蚀 技 术。 Ｍ．Ｅｓａｓｈｉ［３］于２００８ 年 详 细 介 绍 了 ＭＥＭＳ 的 圆 片 级 封装技术，解释了表面键合技术，例如玻硅键合和 金属与金属之间的键合。不仅需要机械连接和电绝 缘，良好的气体密封性也很有必要，这对封装的真 空度和 ＭＥＭＳ器件品质因数影响很大。
Ｖｏｉｄ－Ｆｒｅｅ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ Ｎｅｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｄｅｓｉｇｎ
Ｌｉ Ｇｕａｎｇｔａｏ，Ｔｉａｎ Ｍｉｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｓｉｙｕａｎ，Ｌｉ Ｄｕａｎｓｏｎｇ
（Ｎｏ．２０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）
李光涛等：基于一种新沟槽设计的无缝隙沟槽隔离技术
器件中的微结构不仅可以作为机械单元，还可 以作为电单元。在 ＭＥＭＳ器件设计和制造工艺中， 特别是在体硅加工工艺中，两个可动微结构之间经 常同时需要机械连接和电绝缘。这种结构可以作为 可动连接或固定连接，应用于两个可动微结构之间 或一个固定微结构和一个可动微结构之间。因此， 有必要对如何在体硅微机械工艺中同时实现机械连 接和 电 绝 缘 进 行 研 究，而 这 将 用 到 深 沟 槽 隔 离 技术。
深沟槽隔离技术广泛应用在微结构中，其可在 两 个 微 结 构 之 间 实 现 机 械 连 接 和 电 绝 缘。 Ｈ．Ｓｃｈｅｎｋ等人［４］于２００１年提出 了 一 种 新 的 ２Ｄ 谐 振式微扫描镜，深沟槽隔离在这种器件制造过程中 起到了很重要的作 用， 沟 槽 形 状 使 用 的 是 ９０°的 拐 角。对于这种沟槽，在多晶硅回填之后不可避免会 出现缝隙。
第 ５３ 卷 第 ５ 期 ２０１６ 年 ５ 月
櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴毷
加工、测量与设备
微纳电子技术
Ｍｉｃｒｏｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１６
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基于一种新沟槽设计的无缝隙沟槽隔离技术
李光涛，田 铭，周思渊，李端松