一種MEMS器件及其製備方法、電子裝置與流程
2023-04-22 16:27:41 2
本發明涉及半導體領域，具體地，本發明涉及一種mems器件及其製備方法、電子裝置。
背景技術：
隨著半導體技術的不斷發展，在傳感器(sensor)類產品的市場上，智慧型手機、集成cmos和微機電系統(mems)器件日益成為最主流、最先進的技術，並且隨著技術的更新，並朝尺寸小、性能高和功耗低的方向發展。
其中，mems傳感器廣泛應用於汽車電子：如tpms、發動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統空氣壓力傳感器、汽車發動機進氣歧管壓力傳感器(tmap)、柴油機共軌壓力傳感器；消費電子：如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調壓力傳感器，洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器；工業電子：如數字壓力表、數字流量表、工業配料稱重等，電子音像領域：麥克風等設備。
在mems領域中，電容式mems器件的工作原理是由振膜(membrane)的運動產生電容的變化，利用電容變化量進行運算和工作的，現有常用的mems麥克風包括振膜、背板及位於背板下方的背腔組成。通過振膜將聲音信號轉換成電信號。
其中，對於mems麥克風的製備中，空腔的製備由溼法蝕刻轉變為幹法蝕刻，其中振膜的設計也需要做出相應的改變，現有技術中通常通過在振膜上形成額外的釋放孔，以去除位於下方的犧牲層，以形成空腔，但是形成的釋放孔的側壁輪廓損壞，通過所述方法設計的振膜的靈敏度降低，給mems麥克風的製備帶來挑戰。
因此，需要對目前所述mems麥克風及其製備方法作進一步的改進，以便消除該問題。
技術實現要素：
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。
本發明提供了一種mems器件，所述mems器件至少包括振膜，其特徵在於，所述振膜上形成有環繞所述振膜邊緣設置的若干釋放孔陣列；
其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔設置的釋放孔圍繞形成。
可選地，所述釋放孔呈條形開口，所述條形開口穿透所述振膜的上下表面。
可選地，所述釋放孔的寬度為0.6-1.0μm，所述釋放孔之間的間隔寬度為0.3-0.5μm。
可選地，所述mems器件還包括：
基底；
背部電極，位於所述基底上；
所述振膜，位於所述背部電極的上方；
空腔，位於所述振膜與所述背部電極之間。
本發明還提供了一種mems器件的製備方法，所述方法包括：
提供基底，在所述基底上形成有犧牲層和位於所述犧牲層上的振膜層；
圖案化所述振膜層，以形成環繞所述振膜層邊緣設置的若干釋放孔陣列；其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成。
可選地，圖案化所述振膜層步驟中的蝕刻氣氛至少包括c2f6。
可選地，圖案化所述振膜層的步驟包括：
去除所述振膜層表面自然氧化形成的氧化物層；
蝕刻所述振膜層，以在所述振膜層的表面形成凹槽，以形成釋放孔陣列圖案；
選用包括c2f6的蝕刻氣體繼續蝕刻並穿透所述振膜層，形成開口，露出所述犧牲層；
選用包括c2f6的蝕刻氣體過蝕刻所述振膜層，以形成所述釋放孔陣 列。
可選地，繼續蝕刻並穿透所述振膜層的步驟中，所述蝕刻氣體還進一步包含hbr和cl2；其中，所述c2f6的流量為50～100sccm，所述hbr的流量為30～80sccm，所述cl2的流量為100～150sccm；
所述蝕刻的壓力為5～15mt，功率為300～400w，電壓為-150～-250v。
可選地，過蝕刻所述振膜層的步驟中，所述蝕刻氣體還進一步包含hbr和cl2；其中，所述c2f6的流量為50～100sccm，所述hbr的流量為10～30sccm，所述cl2的流量為80～120sccm；
所述蝕刻的壓力為5～15mt，功率為200～300w，電壓為-50～-150v。
可選地，在所述基底上、所述犧牲層的下方還形成有背部電極。
本發明還提供了一種電子裝置，所述電子裝置包括上述的mems器件。
本發明提供了一種mems器件，所述mems器件至少包括振膜，所述振膜上形成有環繞所述振膜邊緣設置的若干釋放孔陣列；其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成，通過改變所述釋放孔的位置以及結構，可以提高所述mems器件的靈敏度，進一步提高所述mems器件的性能和良率。
附圖說明
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的裝置及原理。在附圖中，
圖1a為本發明中所述mems器件中振膜的俯視圖；
圖1b為本發明中所述mems器件中振膜中的所述釋放孔陣列的放大圖；
圖2為本發明中所述mems器件的製備工藝流程圖；
圖3a-3e為本發明中所述mems器件的製備過程示意圖；
圖4為本發明中行動電話手機的示例的外部視圖。
具體實施方式
在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆， 對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。
應當理解的是，本發明能夠以不同形式實施，而不應當解釋為局限於這裡提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使公開徹底和完全，並且將本發明的範圍完全地傳遞給本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區的尺寸以及相對尺寸可能被誇大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。
應當明白，當元件或層被稱為「在...上」、「與...相鄰」、「連接到」或「耦合到」其它元件或層時，其可以直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，當元件被稱為「直接在...上」、「與...直接相鄰」、「直接連接到」或「直接耦合到」其它元件或層時，則不存在居間的元件或層。應當明白，儘管可使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、部件、區、層和/或部分，這些元件、部件、區、層和/或部分不應當被這些術語限制。這些術語僅僅用來區分一個元件、部件、區、層或部分與另一個元件、部件、區、層或部分。因此，在不脫離本發明教導之下，下面討論的第一元件、部件、區、層或部分可表示為第二元件、部件、區、層或部分。
空間關係術語例如「在...下」、「在...下面」、「下面的」、「在...之下」、「在...之上」、「上面的」等，在這裡可為了方便描述而被使用從而描述圖中所示的一個元件或特徵與其它元件或特徵的關係。應當明白，除了圖中所示的取向以外，空間關係術語意圖還包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉，然後，描述為「在其它元件下面」或「在其之下」或「在其下」元件或特徵將取向為在其它元件或特徵「上」。因此，示例性術語「在...下面」和「在...下」可包括上和下兩個取向。器件可以另外地取向(旋轉90度或其它取向)並且在此使用的空間描述語相應地被解釋。
在此使用的術語的目的僅在於描述具體實施例並且不作為本發明的限制。在此使用時，單數形式的「一」、「一個」和「所述/該」也意圖包括複數形式，除非上下文清楚指出另外的方式。還應明白朮語「組成」和/或「包括」，當在該說明書中使用時，確定所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其它的特徵、整數、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時，術語「和/或」包括相關所列項目的任何及所有組合。
為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結 構，以便闡釋本發明的技術方案。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。
本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種mems器件，所述mems器件至少包括振膜，所述振膜上形成有環繞所述振膜邊緣設置的若干釋放孔陣列；
其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成，如圖1a所示。
其中，所述釋放孔呈條形開口，所述條形開口穿透所述振膜的上下表面。
其中，所述若干相互間隔的釋放孔圍繞可以形成方形圖案或者圓形圖案等，如圖1b所示，並不局限於某一種，例如可以圍繞形成正方形圖案、矩形圖案、或者圓形圖案，或者橢圓形圖案，甚至可以是不定形圖案。
所述釋放孔陣列沿所述振膜邊緣設置，在所述振膜的中心位置並不形成，通過所述設置進一步提高所述mems器件靈敏度。
其中，所述釋放孔的寬度為0.6-1.0μm，所述釋放孔之間的間隔寬為0.3-0.5μm。
本發明提供了一種mems器件，所述mems器件至少包括振膜，所述振膜上形成有環繞所述振膜邊緣設置的若干釋放孔陣列；其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成，通過改變所述釋放孔的位置以及結構，可以提高所述mems器件的靈敏度，進一步提高所述mems器件的性能和良率。
實施例一
所述mems器件包括：
基底；
背部電極，位於所述基底上；
所述振膜102，位於所述背部電極的上方；
空腔，位於所述振膜102和所述背部電極之間。
其中，所述振膜上形成有環繞所述振膜邊緣設置的若干釋放孔陣列；
其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成，如圖 1a所示。
其中，所述釋放孔呈條形開口，所述條形開口穿透所述振膜的上下表面。
其中，所述若干相互間隔的釋放孔圍繞可以形成方形圖案或者圓形圖案等，如圖1b所示，並不局限於某一種，例如可以圍繞形成正方形圖案、矩形圖案、或者圓形圖案，或者橢圓形圖案，甚至可以是不定形圖案。
所述釋放孔陣列沿所述振膜邊緣設置，在所述振膜的中心位置並不形成，通過所述設置進一步提高所述mems器件靈敏度。
其中，所述釋放孔的寬度為0.6-1.0μm，所述釋放孔之間的間隔寬為0.3-0.5μm。
其中，所述基底可以選用半導體襯底或者mems麥克風器件的襯底，例如所述基底可以是以下所提到的材料中的至少一種：矽、絕緣體上矽(soi)、絕緣體上層疊矽(ssoi)、絕緣體上層疊鍺化矽(s-sigeoi)、絕緣體上鍺化矽(sigeoi)以及絕緣體上鍺(geoi)等。
可選地，在所述基底上還可以形成有cmos器件，所述cmos器件的種類並不局限於某一種。
此外，在所述cmos器件上方還形成有各種mems圖案，例如所述mems器件可以為圖形傳感器，壓力傳感器、加速度傳感器等，並不局限於某一種。
具體地，在所述基底上形成有犧牲層101，所述犧牲層101可以選用氧化物或者氮化物，或者兩者的結合。
所述犧牲層可以選用現有技術中常用的沉積方法，例如可以是通過化學氣相沉積(cvd)法、物理氣相沉積(pvd)法或原子層沉積(ald)法等形成的。本發明中優選原子層沉積(ald)法。
具體地，振膜層102選用半導體材料層或者金屬材料層，在該實施例中所述振膜層102選用多晶矽層。
可選地，在所述基底上所述犧牲層的下方還形成有背部電極(圖中未示出)，作為固定電極。
進一步，在後續的步驟中去除所述犧牲層以後可以在所述背部電極和所述振膜層102之間形成空腔，所述振膜層102作為動電極，所述背部電極為固定電極，所述空腔為介電質，進而形成電容器，通過所述振膜層102的 形變發生電容的變化，從而實現電容的傳感。
本發明提供了一種mems器件，所述mems器件至少包括振膜，所述振膜上形成有環繞所述振膜邊緣設置的若干釋放孔陣列；其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成，通過改變所述釋放孔的位置以及結構，可以提高所述mems器件的靈敏度，進一步提高所述mems器件的性能和良率。
實施例二
本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種mems器件的製備方法，下面結合附圖對所述方法作進一步的說明。
其中，圖3a-3e為本發明中所述mems器件的製備過程示意圖；圖4為本發明中行動電話手機的示例的外部視圖。
圖2為本發明中所述mems器件的製備工藝流程圖，具體包括以下步驟：
步驟s1：提供基底，在所述基底上形成有犧牲層和位於所述犧牲層上的振膜層；
步驟s2：圖案化所述振膜層，以形成環繞所述振膜層邊緣設置的若干釋放孔陣列；其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成。
下面以附圖2中的工藝流程圖為基礎，對所述方法展開進行詳細說明。
執行步驟s1，提供基底，在所述基底上形成有犧牲層101和位於所述犧牲層上的振膜層102。
具體地，如圖3a所示，所述基底可以選用半導體襯底或者mems麥克風器件的襯底，例如所述基底可以是以下所提到的材料中的至少一種：矽、絕緣體上矽(soi)、絕緣體上層疊矽(ssoi)、絕緣體上層疊鍺化矽(s-sigeoi)、絕緣體上鍺化矽(sigeoi)以及絕緣體上鍺(geoi)等。
可選地，在所述基底上還可以形成有cmos器件，所述cmos器件的種類並不局限於某一種。
此外，在所述cmos器件上方還形成有各種mems圖案，例如所述mems器件可以為圖形傳感器，壓力傳感器、加速度傳感器等，並不局限於某一種。
具體地，在所述基底上形成有犧牲層101，所述犧牲層101可以選用氧化物或者氮化物，或者兩者的結合。
所述犧牲層可以選用現有技術中常用的沉積方法，例如可以是通過化學氣相沉積(cvd)法、物理氣相沉積(pvd)法或原子層沉積(ald)法等形成的。本發明中優選原子層沉積(ald)法。
具體地，振膜層102選用半導體材料層或者金屬材料層，在該實施例中所述振膜層102選用多晶矽層。
可選地，在所述基底上所述犧牲層的下方還形成有背部電極(圖中未示出)，作為固定電極。
進一步，在後續的步驟中去除所述犧牲層以後可以在所述背部電極和所述振膜層102之間形成空腔，所述振膜層102作為動電極，所述背部電極為固定電極，所述空腔為介電質，進而形成電容器，通過所述振膜層102的形變發生電容的變化，從而實現電容的傳感。
執行步驟s2，圖案化所述振膜層102，以在所述振膜層形成環繞所述振膜邊緣設置的若干釋放孔陣列；其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成。
具體地，如圖3a所示，在該步驟中所述振膜層102的圖案化步驟包括四個步驟：
第一：去除所述振膜層表面自然氧化形成的氧化物；
具體地，首先在所述振膜層上形成掩膜層，例如光刻膠層，然後對所述光刻膠層進行曝光顯影，形成開口，然後以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述振膜層表面，以去除自然氧化形成的氧化物。
其中，如圖3a-3b所示，位於中間尺寸較小的開口用於形成釋放孔104，位於所述釋放孔外側尺寸較大的開口為晶粒的切割帶。
在該步驟中首先去除所述自然氧化形成的氧化物的目的是因為在振膜層(多晶矽)表面暴露在環境中就會形成自然氧化層(20-30a)，該自然氧化層沒有任何作用，但是需要一步蝕刻去掉，用於蝕刻振膜層的氣體，並不能蝕刻該自然氧化層，因此在蝕刻所述振膜層之前需要先蝕刻去除所述自然氧化層。
可選地，在該步驟中蝕刻厚度為1000埃附近，選用cf4蝕刻去除自然 氧化形成的氧化物，還可以產生很多碳的多晶矽，還可以使多晶矽的表面光滑。
具體地，在該步驟中所述蝕刻壓力為7mt，蝕刻功率為250w，蝕刻電壓為-185v，所述cf4的氣體流量為100sccm。
第二：如圖3c所示，蝕刻所述振膜層，以在所述振膜層的表面形成凹槽，以形成釋放孔陣列圖案。
在該步驟中，選用包含hbr和cl2的氣氛蝕刻所述振膜層，在該步驟中，所述蝕刻厚度為5000-6000埃。
可選地，在該步驟中所述蝕刻壓力為20mt，蝕刻功率為350w，蝕刻電壓為-200v，所述cl2的氣體流量為130sccm，hbr的氣體流量為130sccm。
第三：選用包括c2f6的蝕刻氣體繼續蝕刻並所述穿透振膜層，形成開口，露出所述犧牲層。
具體地，如圖3d所示，在該步驟中繼續蝕刻並所述穿透振膜層的步驟中所述蝕刻氣體還進一步包含hbr和cl2；其中，所述c2f6的流量為50～100sccm，所述hbr的流量為30～80sccm，所述cl2的流量為100～150sccm；
所述蝕刻的壓力為5～15mt，功率為300～400w，電壓為-150～-250v。
可選地，所述c2f6的流量為60sccm，所述hbr的流量為50sccm，所述cl2的流量為130sccm；
所述蝕刻的壓力為10mt，功率為350w，電壓為-200v。
第四：選用包括c2f6的蝕刻氣體過蝕刻所述振膜層，以形成所述釋放孔陣列104。
具體地，如圖3e所示，過蝕刻所述振膜層的步驟中所述蝕刻氣體還進一步包含hbr和cl2；其中，所述c2f6的流量為50～100sccm，所述hbr的流量為10～30sccm，所述cl2的流量為80～120sccm；
所述蝕刻的壓力為5～15mt，功率為200～300w，電壓為-50～-150v。
可選地，所述c2f6的流量為60sccm，所述hbr的流量為20sccm，所述cl2的流量為100sccm；
所述蝕刻的壓力為10mt，功率為250w，電壓為-100v。
在該步驟中在所述第三和第四蝕刻步驟中均選用至少包括c2f6的蝕 刻氣體來蝕刻所述振膜層，選用c2f6進行蝕刻可以保證所述釋放孔具有更好的輪廓，可以提高所述mems器件的靈敏度，進一步提高所述mems器件的性能和良率。
其中，所述若干相互間隔的釋放孔圍繞可以形成方形圖案或者圓形圖案等，如圖1b所示，並不局限於某一種，例如可以圍繞形成正方形圖案、矩形圖案、或者圓形圖案，或者橢圓形圖案，甚至可以是不定形圖案。
所述釋放孔陣列沿所述振膜邊緣設置，在所述振膜的中心位置並不形成，通過所述設置進一步提高所述mems器件靈敏度。
其中，所述釋放孔的寬度為0.6-1.0μm，所述釋放孔之間的間隔寬為0.3-0.5μm。
其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成，通過改變所述釋放孔的位置以及結構，可以提高所述mems器件的靈敏度，進一步提高所述mems器件的性能和良率。
可選地，在形成所述釋放孔之後還進一步包括去除所述犧牲層的步驟，在該步驟中，選用氫氟酸hf或稀釋氫氟酸dhf進行蝕刻，其中組成為hf:h2o＝1:2-1:10，所述蝕刻溫度為20-25℃。
至此，完成了本發明實施例的mems器件的製備過程的介紹。在上述步驟之後，還可以包括其他相關步驟，此處不再贅述。並且，除了上述步驟之外，本實施例的製備方法還可以在上述各個步驟之中或不同的步驟之間包括其他步驟，這些步驟均可以通過現有技術中的各種工藝來實現，此處不再贅述。
實施例三
本發明還提供了一種電子裝置，包括實施例一所述的mems器件，所述mems器件根據實施例二所述方法製備得到。
本實施例的電子裝置，可以是手機、平板電腦、筆記本電腦、上網本、遊戲機、電視機、vcd、dvd、導航儀、數碼相框、照相機、攝像機、錄音筆、mp3、mp4、psp等任何電子產品或設備，也可為任何包括電路的中間產品。本發明實施例的電子裝置，由於使用了上述的電路，因而具有更好的性能。
其中，圖3示出行動電話手機的示例。行動電話手機200被設置有包括在外殼201中的顯示部分202、操作按鈕203、外部連接埠204、揚聲器205、話筒206等。
其中所述行動電話手機包括實施例一所述的mems器件，所述mems器件包括：基底；背部電極，位於所述基底上；所述振膜，位於所述背部電極的上方；空腔，位於所述振膜和所述背部電極之間；所述振膜上形成有環繞所述振膜邊緣設置的若干釋放孔陣列；其中，每個所述釋放孔陣列由若干相互間隔的釋放孔圍繞形成，通過改變所述釋放孔的位置以及結構，可以提高所述mems器件的靈敏度，進一步提高所述mems器件的性能和良率。
本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。