CN101195471A - Mems器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种MEMS器件和其制造方法以防止可动部件与基底表面发生粘连，在基底表面形成可动部件的支撑机构，并在基底表面形成防止粘连结构，所述结构层具有和所述支撑层表面连接的连接端和可移动端，在所述支撑层中具有至少一个防止粘连的支柱，所述支柱高于所述支撑层表面。本发明能够有效防止结构层与支撑层表面粘连现象的发生。

Description

MEMS器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种MEMS(微电子机械系统)器件及其制造方法。
背景技术
MEMS器件在工业控制领域的应用十分广泛，其按特性可分为传感器和执行器，传感器将压力、加速度、温度等物理量转换为电信号；而执行器将电能转换为某种形式的受控机械运动。应用MEMS器件制作的物理量传感器包括压力传感器、振动传感器、加速度传感器和冲击传感器等。
在MEMS结构中，经常会利用无支撑(或悬垂)的元件用于敏感振动冲击等物理量的变化，这些元件的形成建立在标准IC制造工艺和MEMS体微机械与表面微机械制造工艺相结合的基础之上。为了制造MEMS器件，体微机械加工通常采用干法和湿法刻蚀，刻蚀掉大量的硅，而表面微机械加工通常采用低压化学气相淀积(LPCVD)的方法来获得作为结构单元的薄膜。表面微机械加工中有两项关键工艺，第一项是淀积低应力薄膜用于制作结构单元，第二项是使用牺牲层，使结构层能与衬底脱开，从而允许结构层作机械运动。下面重点讨论表面微机械的第二项关键工艺。
表面微机械的第二项关键工艺是使用牺牲层来释放结构以允许其运动。图1A至图1B为利用硅衬底上带图案的牺牲层将结构层与衬底分开的示意图。如图1A和图1B所示，在支撑层100表面利用淀积工艺淀积低应力薄膜，在牺牲层刻蚀工艺中将牺牲层110去掉，就得到了独立的可移动部件，即结构层120。许多材料可被用来作为牺牲层110，包括光刻胶，有机聚合物，如铝这样的金属或多晶硅。对于牺牲层110来说，关键的要求是可以被去除，而且并不刻蚀或损伤结构层120。多晶硅通常用于形成结构层120，而SiO2常用作牺牲层。SiO2与光刻胶或铝不同，它可以承受LPCVD淀积多晶硅时600℃的高温，另外，SiO2可以用氢氟酸(HF)溶液刻蚀，HF溶液刻蚀SiO2比刻蚀多晶硅的速度要快得多，因此可以留下完整的结构层。常用LPCVD方法淀积SiO2，淀积时掺磷形成磷硅玻璃(PSG)。PSG层是更常使用的，因为在HF溶液中刻蚀PSG的速度比不掺杂的SiO2快8到10倍。
刻蚀牺牲层110时，刻蚀剂液体的表面张力会产生的机构粘连的问题。当刻蚀剂去除牺牲层110并填充结构层120与衬底之间的空腔时，空腔中液体的表面积和体积之比很大，表面张力是主要的力。支撑层100和结构层120表面的液体表面张力造成亲水性的浸润，意味着液体“易于”润湿表面。牺牲层110刻蚀期间，随着液体体积的减少，表面张力起到拉力的作用，将结构层120表面向下拉。当牺牲层110被完全除去后，由于表面张力的存在，刻蚀液体很难被完全除尽，所以需要用水喷淋来稀释和除去HF溶液，后面接干燥步骤，除去所有的液体。随着干燥过程将结构层120和支撑层100之间空腔中的液体渐渐去除，表面张力将结构层120拉下来，直至液体被去除后，结构层120与支撑层100相接触。但是由于在接触面形成的氢键的作用，结构层120与支撑层100并不释放开，而是出现了粘连(sticking)的现象，如图1C所示，造成器件不能正常工作。申请号为US 6,830,095的美国专利申请中公开了一种防止上述粘连(sticking)现象的方法，该方法是对支撑层表面进行氧气等离子处理，使表面有亲水性变为疏水性，可以防止表面形成氢键，从而防止结构层与支撑层的粘连。但该方法比较复杂，需要进行等离子处理，增加了工艺的复杂程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS器件及其制造方法，能够防止粘连现象的发生。
为达到上述目的，本发明的MEMS器件包括基底，在所述基底表面形成的支撑层，以及在所述支撑层表面形成的结构层，所述结构层具有和所述支撑层表面连接的连接端和可移动端，在所述支撑层中具有至少一个支柱，所述支柱高于所述支撑层表面。
所述支柱为圆柱体或方柱体。
所述支柱的表面为平面、梯形小台面、锥尖顶或球面。
相应的MEMS器件的制造方法，包括：
提供一基底；
在所述基底表面形成支撑层；
在所述支撑层表面形成辅助层；
刻蚀所述牺牲层和所述支撑层，在所述支撑层中形成沟槽；
在所述沟槽中填充支柱材料；
平坦化所述支柱材料；
去除所述辅助层形成支柱；
在所述支撑层表面形成结构层。
去除所述牺牲层后，所述方法还包括对所述支柱表面进行干法或湿法，或者干法加湿法腐蚀的步骤。
本发明提供的另一种MEMS器件包括基底，在所述基底表面形成的支撑层，以及在所述支撑层表面形成的结构层，所述结构层具有与所述支撑层表面连接的连接端和可移动端，所述支撑层表面具有至少一个支柱。
所述支柱为圆柱体或方柱体。
所述支柱的表面为平面、梯形小台面、锥尖顶或球面。
相应的MEMS器件的制造方法，包括：
提供一基底；
在所述基底表面形成支撑层；
在所述支撑层表面形成支柱材料层；
刻蚀所述支柱材料层形成支柱；
在所述支撑层表面形成结构层。
所述方法还包括对所述支柱表面进行干法或湿法，或者干法加湿法腐蚀的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的MEMS器件及其制造方法在基底表面形成支撑层，在支撑层表面形成至少一个支柱，该支柱高于支撑面表面，结构层在支撑层表面形成。在腐蚀牺牲层时，腐蚀液体和清洗液体的表面张力产生的向下拉的力不会使结构层与支撑层的表面相接触，而是被所述支柱阻挡住，使结构层与支撑层隔开，使结构层与支柱具有很小的接触面积，结构层与支撑层之间不发生接触，结构层与支撑层之间的也就不可能产生起粘接作用的氢键，从而避免了粘连现象的产生。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了层和区域的厚度。
图1A至图1B为利用硅衬底上带图案的牺牲层将结构层与衬底分开的示意图；
图1C为图1B中结构层与衬底发生粘连现象的示意图；
图2A至图2F为根据本发明第一实施例的器件剖面示意图；
图3A至图3E为根据本发明第二实施例的器件剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明是关于半导体集成电路制造技术领域，特别是关于在半导体器件制造过程中填充隔离沟槽的方法。这里需要说明的是，本说明书提供了不同的实施例来说明本发明的各个特征，但这些实施例仅是利用特别的组成和结构以方便说明，并非对本发明的限定。
图2A至图2F为根据本发明第一实施例的器件剖面示意图。首先如图2A所示，提供一基底130，所述基底130可以形成于半导体衬底之上，半导体衬底的材料可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)，或者还可以包括其它的材料，例如锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓。虽然在此描述了可以形成衬底的材料的几个示例，但是可以作为半导体衬底的任何材料均落入本发明的精神和范围。基底130的材料可以是二氧化硅、氮化硅(SIN)或氮氧化硅(SION)，或氮化硅和氮氧化硅的混合物，利用常规化学气相淀积工艺(CVD)淀积形成，也可以是高分子聚合物(polymer)。然后在所述基底130表面同样利用CVD工艺淀积支撑层100，支撑层100的材料可以是氮化硅或多晶硅等绝缘介质。接着在所述支撑层100表面继续淀积一层辅助层140，其材料可以是二氧化硅或旋涂材料，例如BARC材料。
在接下来的工艺步骤中，如图2B所示，在辅助层140表面涂布光刻胶并经过曝光、显影等光刻工艺图案化所述光刻胶，利用图案化的光刻胶刻蚀所述辅助层140和支撑层100，去除剩余的光刻胶后便形成了沟槽141。在这里，即可以刻穿所述支撑层100，也可以不刻穿所述支撑层100，而是只刻蚀到支撑层100中一定深度，只要其中能够容纳后续工艺沉积的支柱材料即可。
接下来如图2C所示，在所述沟槽141中淀积支柱材料151并使所述支柱材料填满所述沟槽141。支柱材料可以是金属，例如铜、铝等，也可以是非金属材料，例如氧化硅、氮化硅或多晶硅等。然后利用平坦化工艺去除淀积在所述辅助层140表面的支柱材料，并去除辅助层140，便形成了支柱150，如图2D所示。支柱150高出支撑层100的表面，高出的高度基本上是由辅助层140的厚度决定的。在不同的工艺节点，对支柱150高出支撑层100表面的高度要求不同，例如0.25工艺节点可以是几十纳米到几个微米，90nm工艺节点为几十到几百埃，本领域技术人员可以根据实际情况具体决定辅助层140的厚度。形成支柱150之后，可以利用干法或湿法，或者干法加湿法腐蚀工艺对支柱150表面进行适当的腐蚀，以使其平的表面变为球形的表面或梯形小台面、锥尖顶等具有尖针状的支柱。
接下来，在支撑层100表面淀积一层磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层，用掩膜进行光刻定义出结构层附着在支撑层100上的连接端的区域。然后对PSG进行刻蚀，用HF湿法腐蚀或干法刻蚀都是可以的。接下来淀积多晶硅，其厚度是根据机械设计决定的。通过选择性离子注入形成压敏电阻并退火以释放多晶硅中的应力。通过干法刻蚀工艺形成悬臂，然后进行HF湿法腐蚀除去牺牲层形成了可移动的结构层120，如图2E所示。在腐蚀牺牲层时，腐蚀液体和清洗液体的表面张力产生的向下拉的力不会使结构层120与支撑层100的表面相接触，而是被所述支柱150阻挡住，使结构层120与支撑层100之间不发生接触，结构层120与支撑层100之间不会产生起粘接作用的氢键，从而避免了粘连现象的产生，如图2F所示。
图3A至图3E为根据本发明第二实施例的器件剖面示意图。首先如图3A所示，提供一基底130，所述基底130可以形成于半导体衬底之上，半导体衬底的材料可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)，或者还可以包括其它的材料，例如锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓。基底130的材料可以是二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SIN)或氮氧化硅(SION)，或氮化硅和氮氧化硅的混合物，利用常规化学气相淀积工艺(CVD)淀积形成。
然后在所述基底130表面同样利用CVD工艺淀积支撑层100，支撑层100的材料可以是氮化硅或多晶硅等绝缘介质。接着在所述支撑层100表面形成支柱材料层160；支柱材料可以是金属，例如铜、铝等，也可以是非金属材料，例如氧化硅、氮化硅或多晶硅等。在接下来的工艺步骤中，在支柱材料层160表面涂布光刻胶并经过曝光、显影等光刻工艺图案化所述光刻胶，利用图案化的光刻胶掩膜161刻蚀所述支柱材料层160，如图3B所示。然后去除光刻胶掩膜161后便形成了支柱170，如图3C所示。在不同的工艺节点，对支柱170的高度要求不同，例如0.25工艺节点可以是几十纳米到几个微米，90nm工艺节点为几十到几百埃，本领域技术人员可以根据实际情况决定支柱170的厚度。形成支柱170之后，可以利用干法或湿法，或者干法加湿法腐蚀工艺对支柱170表面进行适当的腐蚀，以使其平的表面变为球形的表面或梯形小台面、锥尖顶等具有尖针状的支柱。
接下来，在支撑层100表面淀积一层磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层，用掩膜进行光刻定义出结构层附着在支撑层100上的连接端的区域。然后对PSG进行刻蚀，用HF湿法腐蚀或干法刻蚀都是可以的。接下来淀积多晶硅，其厚度是根据机械设计决定的。通过选择性离子注入形成压敏电阻并退火以释放多晶硅中的应力。通过干法刻蚀工艺形成悬臂，然后进行HF湿法腐蚀除去牺牲层形成结构层120，如图3D所示。在腐蚀牺牲层时，腐蚀液体和清洗液体的表面张力产生的向下拉的力不会使结构层120与支撑层100的表面相接触，而是被所述支柱170阻挡住，使结构层120与支撑层100之间不发生接触，结构层120与支撑层100之间不会产生起粘接作用的氢键，从而避免了粘连现象的产生，如图3E所示。
根据本发明第一实施例的MEMS器件如图2E所示，包括基底130，在所述基底130表面形成的支撑层100，以及在所述支撑层100表面形成的结构层120，所述结构层120具有和所述支撑层100表面连接的连接端和可移动端，在所述支撑层100中具有至少一个支柱150(为简便起见，图中仅示出了一个)，所述支柱高于所述支撑层表面。其中，所述支柱150为圆柱体或方柱体，其表面可以是平面或球面或梯形小台面、锥尖顶等具有尖针状的支柱。
根据本发明第二实施例的MEMS器件如图3D所示，包括基底130，在所述基底130表面形成的支撑层100，以及在所述支撑层100表面形成的结构层120，所述结构层120具有与所述支撑层100表面连接的连接端和可移动端，所述支撑层100表面具有至少一个支柱170(为简便起见，图中仅示出了一个)。其中所述支柱170为圆柱体或方柱体，其表面为平面或球面或梯形小台面、锥尖顶等具有尖针状的支柱。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS器件，包括基底，在所述基底表面形成的支撑层，以及在所述支撑层表面形成的结构层，所述结构层具有和所述支撑层表面连接的连接端和可移动端，其特征在于：在所述支撑层中具有至少一个支柱，所述支柱高于所述支撑层表面。
2.如权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于：所述支柱为圆柱体或方柱体。
3.如权利要求2所述的MEMS器件，其特征在于：所述支柱的表面为平面、梯形小台面、锥尖顶或球面。
4.一种MEMS器件，包括基底，在所述基底表面形成的支撑层，以及在所述支撑层表面形成的结构层，所述结构层具有与所述支撑层表面连接的连接端和可移动端，其特征在于：所述支撑层表面具有至少一个支柱。
5.如权利要求4所述的MEMS器件，其特征在于：所述支柱为圆柱体或方柱体。
6.如权利要求5所述的MEMS器件，其特征在于：所述支柱的表面为平面、梯形小台面、锥尖顶或球面。
7.一种MEMS器件的制造方法，包括：
提供一基底；
在所述基底表面形成支撑层；
在所述支撑层表面形成辅助层；
刻蚀所述牺牲层和所述支撑层，在所述支撑层中形成沟槽；
在所述沟槽中填充支柱材料；
平坦化所述支柱材料；
去除所述辅助层形成支柱；
在所述支撑层表面形成结构层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：去除所述牺牲层后，所述方法还包括对所述支柱表面进行干法或湿法，或者干法加湿法腐蚀的步骤。
9.一种MEMS器件的制造方法，包括：
提供一基底；
在所述基底表面形成支撑层；
在所述支撑层表面形成支柱材料层；
刻蚀所述支柱材料层形成支柱；
在所述支撑层表面形成结构层。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对所述支柱表面进行干法或湿法，或者干法加湿法腐蚀的步骤。
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