热预算在MEMS工艺过程中的重要性

热预算（thermal budget），常常出现在IC加工里，是指工艺中硅曝露需要的热能。

半导体工艺的目标之一是尽量降低硅需要的热能。决定大多数硅基半导体工艺条件的一个因素是通过降温或者减少时间，使热预算最小化。这样可以获得合理的CMOS沟道掺杂浓度和金属重布线的稳定和可靠。那么，在MEMS大部分工艺中，也不存在CMOS沟道和金属重布线，是否还需要考虑热预算呢？

图 热预算温度和时间变化曲线（引用DOI:10.3182/20100705-3-BE-2011.00089）

在MEMS工艺中，热预算更多的是指热管理和热兼容性。MEMS器件在膜层设计、工艺选择和材料组合上存在很多限制，如材料沉积的顺序、热应力的控制和退火的前后步骤等。由于MEMS加工的特殊性，即一种器件为一种工艺，所以热预算在MEMS中很难形成系统化理论和统一的方法。因此，我们通过举例来说明热预算在实际的MEMS器件膜层设计和加工中的实际应用。

图 热效应示意图

湿法腐蚀掩蔽层中的热预算

合适的掩蔽层须具备以下三点 ：一、能严格控制所刻蚀的轮廓；二、选择比大，即只对目标层刻蚀，对掩蔽层材料不会产生明显的刻蚀 ；三、掩蔽层材料易于去除。因此，在选择掩蔽层需要根据实际情况综合考虑。例如，在压阻式压力传感器芯片制备过程中，背腔的湿法槽需要通过碱性药液KOH刻蚀，但是作为KOH湿法腐蚀的掩蔽层，常规的膜层均无法满足较大的选择比，最合适的材料是低压化学气相沉积（LPCVD）的氮化硅，它和硅的选择比可以达到1:1000，即刻蚀100μm深度的硅槽，只需要0.1μmLPCVD氮化硅。但是LPCVD氮化硅沉积温度大于1000°C，刻蚀背面硅槽的时候，已完成了正面绝大多数的工艺，热预算不能超过300°C。这就带来了实际流片中的热预算问题，那如何处理呢？

图 TMAH腐蚀硅槽及硬掩膜

通常情况下可选择的办法有以下两种：1. 背面的掩蔽层在正面工艺初期沉积；2. 选择等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的氮化硅替代LPCVD氮化硅作为掩蔽层，弱碱性腐蚀液TMAH替代强碱KOH。这样即可避免后道LPCVD氮化硅带来的热预算问题。

介质层中的热预算

在MEMS中，介质层主要包括氧化硅、氮化硅、多晶硅和氧化铝等。本部分我们以氧化硅举例说明热预算如何影响介质层的选择。

氧化硅通常作为支撑层和绝缘层使用，采用的沉积方式包括热氧化、PECVD、LPCVD和ALD。热氧化分为干氧和湿氧，反应温度均超过1000°C，热氧化沉积的氧化硅通常需要的热预算非常高，它能承受后期一切的高温工艺而稳定存在，常用在MEMS器件的支撑层，即工艺的第一道。PECVD沉积二氧化硅根据反应物原料可分为SiH₄+O₂、SiH₄+N₂O、正硅酸乙酯（TEOS），通常反应温度在75°C~350°C之间，因此，热预算有较多可选范围。如磁传感器中，为保证磁层的磁性，介质层必须在低于100°C以下的条件下沉积，可选择PECVD沉积低温的二氧化硅。当然，热预算绝不是越低越好，也要根据其它的特性要求进行综合考虑，如致密性、台阶覆盖性和电绝缘性等。LPCVD沉积的氧化硅通常都是采用TEOS液态源，沉积温度也达到了750°C，因此在使用此膜层的时候，需要重复考虑此道工艺能承受的热预算。最后，ALD是原子层沉积，对制备氧化硅来说，也是一种化学气相沉积，ALD有几个优势，如较低的热预算，不超过200°C，比常规的PECVD有更好的阶梯覆盖率和致密性。

表 化学气相沉积氧化硅表

CMOS-MEMS单片集成芯片的热预算

单片集成芯片是在一个衬底上直接制造CMOS和MEMS器件。目前制造CMOS器件和MEMS 器件的主要衬底材料都是硅，但是CMOS衬底无法承受任何高于450℃的工艺温度，与MEMS工艺所需热预算常常不兼容。 这也是目前CMOS-MEMS单片集成芯片发展较慢的重要原因。

图 某器件CMOS-MEMS单片集成芯片芯片

在实际加工过程中，CMOS-MEMS单片集成芯片是先完成CMOS部分，再去做MEMS部分。那么如何处理MEMS器件这450°C的热预算呢？第一，涉及热预算高的膜层结构，如支撑层氮化硅、缓冲层氧化硅和功能层多晶硅的沉积，需要在CMOS工艺过程中提前完成；第二，绝缘层和钝化层不能采用任何LPCVD工艺；第三，金属退火和欧姆接触工艺需要限制在400°C以下完成；第四，氧等离子体干法释放工艺，过程中需要对晶圆进行水冷循环；第五，溅射、电镀Cu、Au和Ni等金属，需要严格控制衬底温度……

以上列举了三种热预算在实际的MEMS器件膜层设计和加工中的实际应用，针对不同的器件制造以及封装等还有更多需要考虑热预算的情况，详细请咨询启芯微纳官网，我们将竭力解答。