Mems器件及其製造方法
2023-07-13 14:41:16 3
專利名稱：Mems器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及移動通信技術領域，特別涉及一種MEMS (微電子機械系統) 器件及其製造方法。
背景技術：
MEMS器件在工業控制領域的應用十分廣泛，其按特性可分為傳感器和 執行器，傳感器將壓力、加速度、溫度等物理量轉換為電信號；而執行器將 電能轉換為某種形式的受控機械運動。應用MEMS器件製作的物理量傳感器 包括壓力傳感器、振動傳感器、加速度傳感器和沖擊傳感器等。
在MEMS結構中，經常會利用無支撐(或懸垂)的元件用於敏感振動衝 擊等物理量的變化，這些元件的形成建立在標準IC製造工藝和MEMS體微機 械與表面微機械製造工藝相結合的基礎之上。為了製造MEMS器件，體微機 械加工通常採用幹法和溼法刻蝕，刻蝕掉大量的矽，而表面微機械加工通常 採用低壓化學氣相澱積(LPCVD)的方法來獲得作為結構單元的薄膜。表面 微機械加工中有兩項關鍵工藝，第 一項是澱積低應力薄膜用於製作結構單元， 第二項是使用犧牲層，使結構層能與襯底脫開，從而允許結構層作機械運動。 下面重點討論表面微機械的第二項關鍵工藝。
表面微機械的第二項關鍵工藝是使用犧牲層來釋放結構以允許其運動。 圖1A至圖1B為利用矽襯底上帶圖案的犧牲層將結構層與襯底分開的示意圖。 如圖1A和圖1B所示，在支撐層100表面利用澱積工藝澱積低應力薄膜，在犧牲 層刻蝕工藝中將犧牲層110去掉，就得到了獨立的可移動部件，即結構層120。 許多材料可被用來作為犧牲層IIO，包括光刻膠，有機聚合物，如鋁這樣的金 屬或多晶矽。對於犧牲層110來說，關鍵的要求是可以被去除，而且並不刻蝕 或損傷結構層120。多晶矽通常用於形成結構層120，而Si02常用作犧牲層。 Si02與光刻膠或鋁不同，它可以承受LPCVD澱積多晶矽時600。C的高溫，另夕卜， Si02可以用氬氟酸(HF)溶液刻蝕，HF溶液刻蝕Si02比刻蝕多晶矽的速度要 快得多，因此可以留下完整的結構層。常用LPCVD方法澱積Si02,澱積時摻 磷形成磷矽玻璃(PSG) 。 PSG層是更常使用的，因為在HF溶液中刻蝕PSG 的速度比不摻雜的Si02快8到10倍。
刻蝕犧牲層110時，刻蝕劑液體的表面張力會產生的機構粘連的問題。當
刻蝕劑去除犧牲層110並填充結構層120與村底之間的空腔時，空腔中液體的 表面積和體積之比很大，表面張力是主要的力。支撐層100和結構層120表面 的液體表面張力造成親水性的浸潤，意味著液體"易於"潤溼表面。犧牲層 IIO刻蝕期間，隨著液體體積的減少，表面張力起到拉力的作用，將結構層120 表面向下拉。當犧牲層110被完全除去後，由於表面張力的存在，刻蝕液體很 難被完全除盡，所以需要用水噴淋來稀釋和除去HF溶液，後面接乾燥步驟， 除去所有的液體。隨著乾燥過程將結構層120和支撐層1 OO之間空腔中的液體 漸漸去除，表面張力將結構層120拉下來，直至液體被去除後，結構層120與 支撐層100相接觸。但是由於在接觸面形成的氬鍵的作用，結構層120與支撐 層100並不釋放開，而是出現了粘連(sticking)的現象，如圖1C所示，造成器 件不能正常工作。申請號為US6，830,095的美國專利申請中公開了一種防止上 述粘連(sticking )現象的方法，該方法是對支撐層表面進行氧氣等離子處理， 使表面有親水性變為疏水性，可以防止表面形成氬^T建，從而防止結構層與支 撐層的粘連。但該方法比較複雜，需要進行等離子處理，增加了工藝的複雜 程度。
發明內容
本發明的目的在於提供一種MEMS器件及其製造方法，能夠防止粘連現 象的發生。
為達到上述目的，本發明的MEMS器件包括基底，在所述基底表面形成 的支撐層，以及在所述支撐層表面形成的結構層，所述結構層具有和所述支 撐層表面連接的連接端和可移動端，在所述支撐層中具有至少一個支柱，所 述支柱高於所述支撐層表面。
所述支柱為圓柱體或方柱體。
所述支柱的表面為平面、梯形小臺面、錐尖頂或球面。 相應的MEMS器件的製造方法，包括 提供一基底；
在所述基底表面形成支撐層； 在所述支撐層表面形成輔助層；
刻蝕所述犧牲層和所述支撐層，在所述支撐層中形成溝槽；
在所述溝槽中填充支柱材料；
平坦化所述支柱材料；
去除所述輔助層形成支柱；
在所述支撐層表面形成結構層。
去除所述犧牲層後，所述方法還包括對所述支柱表面進行幹法或溼法， 或者幹法加溼法腐蝕的步驟。
本發明提供的另一種MEMS器件包括基底，在所述基底表面形成的支撐 層，以及在所述支撐層表面形成的結構層，所述結構層具有與所述支撐層表 面連接的連接端和可移動端，所述支撐層表面具有至少一個支柱。
所述支4主為圓4主體或方柱體。
所述支柱的表面為平面、梯形小臺面、錐尖頂或球面。 相應的MEMS器件的製造方法，包括 提供一基底；
在所述基底表面形成支撐層； 在所述支撐層表面形成支柱材料層； 刻蝕所述支柱材料層形成支柱； 在所述支撐層表面形成結構層。
所述方法還包括對所述支柱表面進行幹法或溼法，或者幹法加溼法腐蝕 的步驟。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
本發明的MEMS器件及其製造方法在基底表面形成支撐層，在支撐層表 面形成至少一個支柱，該支柱高於支撐面表面，結構層在支撐層表面形成。 在腐蝕犧牲層時，腐蝕液體和清洗液體的表面張力產生的向下拉的力不會使 結構層與支撐層的表面相接觸，而是被所述支柱阻擋住，使結構層與支撐層 隔開，使結構層與支柱具有很小的接觸面積，結構層與支撐層之間不發生接 觸，結構層與支撐層之間的也就不可能產生起粘接作用的氫鍵，從而避免了 粘連現象的產生。
通過附圖中所示的本發明的優選實施例的更具體說明，本發明的上述及 其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按比例繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。在附圖中， 為清楚明了，放大了層和區域的厚度。
圖1A至圖1B為利用矽襯底上帶圖案的犧牲層將結構層與襯底分開的示 意圖1C為圖1B中結構層與襯底發生粘連現象的示意圖2A至圖2F為根據本發明第一實施例的器件剖面示意圖3A至圖3E為根據本發明第二實施例的器件剖面示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖 對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
本發明是關於半導體集成電路製造技術領域，特別是關於在半導體器件 製造過程中填充隔離溝槽的方法。這裡需要說明的是，本說明書提供了不同 的實施例來說明本發明的各個特徵，但這些實施例僅是利用特別的組成和結 構以方便說明，並非對本發明的限定。
圖2A至圖2F為根據本發明第一實施例的器件剖面示意圖。首先如圖2A 所示，提供一基底130,所述基底130可以形成於半導體襯底之上，半導體襯 底的材料可以包括半導體元素，例如單晶、多晶或非晶結構的矽或矽鍺
(SiGe)，也可以是絕緣體上矽(SOI)，或者還可以包括其它的材料，例如 銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵或銻化鎵。雖然在此描述了可以 形成襯底的材料的幾個示例，但是可以作為半導體襯底的任何材料均落入本 發明的精神和範圍。基底130的材料可以是二氧化矽、氮化矽(SIN)或氮氧 化矽(SION),或氮化矽和氮氧化矽的混合物，利用常規化學氣相澱積工藝
(CVD)澱積形成，也可以是高分子聚合物(polymer)。然後在所述基底130 表面同樣利用CVD工藝澱積支撐層100,支撐層100的材料可以是氮化矽或 多晶矽等絕緣介質。接著在所述支撐層IOO表面繼續澱積一層輔助層140,其 材料可以是二氧化矽或旋塗材料，例如BARC材料。
在
接下來的工藝步驟中，如圖2B所示，在輔助層140表面塗布光刻膠並 經過曝光、顯影等光刻工藝圖案化所述光刻膠，利用圖案化的光刻膠刻蝕所 述輔助層140和支撐層100，去除剩餘的光刻膠後便形成了溝槽141。在這裡， 即可以刻穿所述支撐層100,也可以不刻穿所述支撐層100，而是只刻蝕到支
撐層100中一定深度，只要其中能夠容納後續工藝沉積的支柱材料即可。
接下來如圖2C所示，在所述溝槽141中澱積支柱材料151並使所述支柱 材料填滿所述溝槽141。支柱材料可以是金屬，例如銅、鋁等，也可以是非金 屬材料，例如氧化矽、氮化矽或多晶矽等。然後利用平坦化工藝去除澱積在 所述輔助層140表面的支柱材料，並去除輔助層140,便形成了支柱150，如 圖2D所示。支柱150高出支撐層IOO的表面，高出的高度基本上是由輔助層 140的厚度決定的。在不同的工藝節點，對支柱150高出支撐層IOO表面的高 度要求不同，例如0.25工藝節點可以是幾十納米到幾個微米，90nm工藝節點 為幾十到幾百埃，本領域技術人員可以根據實際情況具體決定輔助層140的 厚度。形成支柱150之後，可以利用幹法或溼法，或者幹法加溼法腐蝕工藝 對支柱150表面進行適當的腐蝕，以使其平的表面變為球形的表面或梯形小 臺面、錐尖頂等具有尖針狀的支柱。
接下來，在支撐層IOO表面澱積一層磷矽玻璃(PSG)作為犧牲層，用掩 膜進行光刻定義出結構層附著在支撐層IOO上的連接端的區域。然後對PSG 進行刻蝕，用HF溼法腐蝕或幹法刻蝕都是可以的。接下來澱積多晶矽，其厚 度是根據機械設計決定的。通過選擇性離子注入形成壓敏電阻並退火以釋放 多晶矽中的應力。通過幹法刻蝕工藝形成懸臂，然後進行HF溼法腐蝕除去犧 牲層形成了可移動的結構層120,如圖2E所示。在腐蝕犧牲層時，腐蝕液體 和清洗液體的表面張力產生的向下拉的力不會使結構層120與支撐層100的 表面相接觸，而是被所述支柱150阻擋住，使結構層120與支撐層100之間 不發生接觸，結構層120與支撐層100之間不會產生起粘接作用的氯鍵，從 而避免了粘連現象的產生，如圖2F所示,，
圖3A至圖3E為才艮據本發明第二實施例的器件剖面示意圖。首先如圖3A 所示，提供一基底130,所述基底130可以形成於半導體襯底之上，半導體襯 底的材料可以包括半導體元素，例如單晶、多晶或非晶結構的矽或矽鍺 (SiGe)，也可以是絕緣體上矽(SOI),或者還可以包括其它的材料，例如 銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵或銻化鎵。基底130的材料可以 是二氧化矽(Si02)、氮化矽(SIN)或氮氧化矽(SION),或氮化矽和氮氧 化矽的混合物，利用常M/f匕學氣相澱積工藝(CVD)澱積形成。
然後在所述基底130表面同樣利用CVD工藝澱積支撐層100,支撐層100的材料可以是氮化矽或多晶矽等絕緣介質，接著在所述支撐層100表面形成 支柱材料層160;支柱材料可以是金屬，例如銅、鋁等，也可以是非金屬材料， 例如氧化矽、氮化矽或多晶矽等。在接下來的工藝步驟中，在支柱材料層160 表面塗布光刻膠並經過曝光、顯影等光刻工藝圖案化所述光刻膠，利用圖案 化的光刻膠掩膜161刻蝕所述支柱材料層160,如圖3B所示。然後去除光刻 膠掩膜161後便形成了支柱170,如圖3C所示。在不同的工藝節點，對支柱 170的高度要求不同，例如0.25工藝節點可以是幾十納米到幾個微米，90nm 工藝節點為幾十到幾百埃，本領域技術人.員可以根據實際情況決定支柱170 的厚度。形成支柱170之後，可以利用幹法或溼法，或者幹法加溼法腐蝕工 藝對支柱170表面進行適當的腐蝕，以使其平的表面變為球形的表面或梯形 小臺面、錐尖頂等具有尖針狀的支柱。
接下來，在支撐層IOO表面澱積一層磷矽玻璃(PSG)作為犧牲層，用掩 膜進行光刻定義出結構層附著在支撐層IOO上的連接端的區域。然後對PSG 進行刻蝕，用HF溼法腐蝕或幹法刻蝕都是可以的。接下來澱積多晶矽，其厚 度是根據機械設計決定的。通過選擇性離子注入形成壓敏電阻並退火以釋放 多晶矽中的應力。通過幹法刻蝕工藝形成懸臂，然後進行HF溼法腐蝕除去犧 牲層形成結構層120，如圖3D所示。在腐蝕犧牲層時，腐蝕液體和清洗液體 的表面張力產生的向下拉的力不會使結構層120與支撐層IOO的表面相接觸， 而是被所述支柱170阻擋住，使結構層120與支撐層100之間不發生接觸， 結構層120與支撐層IOO之間不會產生起粘接作用的氬鍵，從而避免了粘連 現象的產生，如圖3E所示。
根據本發明第一實施例的MEMS器件如圖2E所示，包括基底130，在所 述基底130表面形成的支撐層100,以及在所述支撐層IOO表面形成的結構層 120，所述結構層120具有和所述支撐層IOO表面連接的連接端和可移動端， 在所述支撐層100中具有至少一個支柱150(為簡便起見，圖中僅示出了 一個)， 所述支柱高於所述支撐層表面。其中，所述支柱150為圓柱體或方柱體，其 表面可以是平面或球面或梯形小臺面、錐尖頂等具有尖針狀的支柱。
根據本發明第二實施例的MEMS器件如圖3D所示，包括基底130，在 所述基底130表面形成的支撐層100，以及在所述支撐層IOO表面形成的結構 層120，所述結構層120具有與所述支撐層IOO表面連接的連接端和可移動端，
所述支撐層100表面具有至少一個支柱170(為簡便起見，圖中僅示出了 一個)。 其中所述支柱170為圓柱體或方柱體，其表面為平面或球面或梯形小臺面、 錐尖頂等具有尖針狀的支柱。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上 的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。 任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利 用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修 飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的
及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1、一種MEMS器件，包括基底，在所述基底表面形成的支撐層，以及在所述支撐層表面形成的結構層，所述結構層具有和所述支撐層表面連接的連接端和可移動端，其特徵在於在所述支撐層中具有至少一個支柱，所述支柱高於所述支撐層表面。
2、 如權利要求1所述的MEMS器件，其特徵在於所述支柱為圓柱體 或方柱體。
3、 如權利要求2所述的MEMS器件，其特徵在於所述支柱的表面為 平面、梯形小臺面、錐尖頂或球面。
4、 一種MEMS器件，包括基底，在所述基底表面形成的支撐層，以及 在所述支撐層表面形成的結構層，所述結構層具有與所述支撐層表面連接的 連接端和可移動端，其特徵在於所述支撐層表面具有至少一個支柱。
5、 如權利要求4所述的MEMS器件，其特徵在於所述支柱為圓柱體 或方柱體。
6、 如權利要求5所述的MEMS器件，其特徵在於所述支柱的表面為 平面、梯形小臺面、錐尖頂或球面。
7、 一種MEMS器件的製造方法，包括 提供一基底；在所述基底表面形成支撐層； 在所述支撐層表面形成輔助層；刻蝕所述犧牲層和所述支撐層，在所述支撐層中形成溝槽；在所述溝槽中填充支柱材料；平坦化所述支柱材料；去除所述輔助層形成支柱；在所述支撐層表面形成結構層。
8、 如權利要求7所述的方法，其特徵在於去除所述犧牲層後，所述方 法還包括對所述支柱表面進行幹法或溼法，或者幹法加溼法腐蝕的步驟。
9、 一種MEMS器件的製造方法，包括 提供一基底；在所述基底表面形成支撐層； 在所述支撐層表面形成支柱材料層； 刻蝕所述支柱材料層形成支柱； 在所述支撐層表面形成結構層。
10、如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述方法還包括對所述支 柱表面進行幹法或溼法，或者幹法加溼法腐蝕的步驟。
全文摘要
本發明公開一種MEMS器件和其製造方法以防止可動部件與基底表面發生粘連，在基底表面形成可動部件的支撐機構，並在基底表面形成防止粘連結構，所述結構層具有和所述支撐層表面連接的連接端和可移動端，在所述支撐層中具有至少一個防止粘連的支柱，所述支柱高於所述支撐層表面。本發明能夠有效防止結構層與支撐層表面粘連現象的發生。
文檔編號B81B3/00GK101195471SQ200610119169
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月5日 優先權日2006年12月5日
發明者蒲賢勇 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司