CN101780944B - 一种mems微桥结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS微桥结构的制备方法，包括以下步骤：a.在衬底的表面区域制作反射层；b.在反射层的表面区域制作牺牲层，并在牺牲层上刻蚀出支撑孔；c.在牺牲层的表面区域依次制作支撑层、敏感层和介质层；d.实现支撑孔内和桥面区域的图形化，形成接触孔；e.接着在介质层表面区域沉积金属电极层和金属铜，并对铜金属进行平坦化，止于介质层；f.除去牺牲层，释放形成最后的微桥结构。该制备方法利用铜柱取代传统的铝柱，利用铜化学机械抛光的方法实现金属电极的自对准图形化，不但实现微桥结构的平坦化，而且该方法有效地降低连线电阻，同时也降低工艺复杂性。

Description

一种MEMS微桥结构的制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS微桥结构，具体涉及一种MEMS微桥结构的制备方法。
背景技术
微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术可将机械构件、驱动部件、电控系统、数字处理系统等集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不但能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。它具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，故其已开始广泛应用在探测器、传感器等诸多领域。
在MEMS微桥结构中，微桥结构中的接触孔内的金属柱对微桥结构起到有效的支撑，对整个MEMS微桥结构来说是非常关键的。现有技术在制造MEMS微桥结构时，接触孔内的金属柱一般采用金属铝柱工艺，其工艺方法是在衬底上制作敏感材料层并图形化，接着沉积金属扩散阻挡层，再沉积金属铝，涂胶、曝光、显影、刻蚀、剥胶液体等工艺，以实现其图形化。但该工艺有明显的一些缺点，特别在制作铝柱金属的工艺过程中，对铝的刻蚀要求工艺停止在敏感材料层上，其工艺步骤复杂且工艺控制难度较大，导致后续工艺窗口较小，不利于后续工艺的进行。此外，由于铝的电阻率较大，导致铝柱的电学特性也较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种MEMS微桥结构的制备方法，能够利用铜工艺制作铜柱取代传统的铝柱，从而有效地降低工艺复杂性，改善连线电阻，从而提高MEMS微桥结构性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS微桥结构的制备方法，包括以下步骤：
a.在衬底的表面区域制作反射层；
b.在反射层的表面区域制作牺牲层，并在牺牲层上刻蚀出支撑孔；
c.在牺牲层的表面区域依次制作支撑层、敏感层和介质层；
d.实现支撑孔内和桥面区域的图形化，形成接触孔；
e.接着在介质层表面区域沉积金属电极层和金属铜，并对铜金属进行平坦化，止于介质层；
f.除去牺牲层，释放形成最后的微桥结构。
进一步地，所述步骤a和步骤b之间可以插入步骤a1：对反射层进行图形化，并在所述反射层之间填充绝缘材料。所述步骤b和步骤c还可以插入步骤b1：在牺牲层表面区域沉积保护层，用于所述牺牲层的释放。所述步骤e和步骤f还可以插入步骤e1：在铜金属表面沉积第二层保护层，用于所述牺牲层的释放。
更进一步地，所述反射层为金属铝。所述支撑层和敏感材料层均通过原子层沉积(铝D)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、常压化学气相沉积(APCVD)、亚常压化学气相沉积(SACVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)工艺中的任意一种工艺制备。所述金属铜的沉积工艺是电化学镀(ECP)工艺。所述对铜进行平坦化的方法为化学机械抛光的方法。所述支撑层为氮化硅，敏感层为掺硼的非晶硅。所述金属电极层依次为TaN和Ta两层金属层，或者依次为Ta和TaN两层金属层。
本发明提供的铜工艺MEMS微桥结构制备方法，利用铜柱取代传统的铝柱，利用铜化学机械抛光的方法实现金属电极的图形化，并实现探测器单元的平坦化，该方案在铜沉积工艺后，利用铜CMP工艺一步形成铜柱，实现金属电极自对准布线，省去金属电极图形化的工艺，极大地降低工艺复杂性；同时，铜电阻率要远小于金属铝，故可以有效地降低连线电阻；而平坦化可以为后续图形化工艺提工艺窗口，并最终提升MEMS的性能、成品率和可靠性。
附图说明
图1本实施例提供的一种MEMS微桥结构制备方法。
图2至图11为本实施例提供的一种MEMS微桥结构制备方法的流程。
图12为利用本实施例所提供的制备方法形成的MEMS微桥结构。
图13为图12的MEMS微桥结构的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本实施例提供了一种MEMS微桥结构制备方法，如图1所示为本发明的MEMS微桥结构制备方法流程图。结合图2至图11本发明的MEMS微桥结构制备方法包括以下步骤：
步骤一，在衬底100上制作反射层101以及反射层之间的介质102，如图2所示，在本实施例中，衬底100选择为硅衬底，但并不限于硅等半导体衬底，非半导体衬底如玻璃衬底等也可以适用于本实施例，所述反射层101为金属铝，反射层之间的介质102为SiO2。
步骤二，在制作牺牲层103，并实现支撑孔104的图形化。其中在衬底100上制作的是牺牲层，示意图见图3。在本实施例中，所述牺牲层材料为聚酰亚胺(polyimide)、硅(Si)或二氧化硅(SiO2)中的一种。其中，聚酰亚胺(polyimide)和二氧化硅(SiO2)可以通过涂敷制作，二氧化硅也可以通过化学气相沉积工艺(CVD)制作，硅可以通过化学气相沉积工艺(CVD)制作。牺牲层103通过化学刻蚀工艺进行释放，支撑孔104的图形化是通过光刻和干法刻蚀来实现的，示意图见图4。
步骤三，在牺牲层103上制作保护层105、支撑层106和敏感层107和介质层108。其中所述的保护层105、支撑层106、敏感层107以及介质层108可通过原子层沉积(ALD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、常压化学气相沉积(APCVD)、亚常压化学气相沉积(SACVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)工艺中的任何一种方法制备。在本实施例中，该保护层105为二氧化硅，支撑层106为氮化硅，敏感层107为掺B的非晶硅，介质层108为二氧化硅，示意图见图5。
步骤四，在支撑孔104内光刻并刻蚀出接触孔109，在本实施例中，刻蚀工艺停在铝反射层101上，刻蚀气体采用氩气(Ar)或三氟甲烷(CHF3)气体或六氟化硫(SF6)，示意图见图6。
步骤五，实现介质层108在微桥结构单元区域的图形化。在此可通过湿法刻蚀或者干法刻蚀来实现介质层108的图形化，形成金属接触孔110，其中湿法刻蚀主要以含HF的药液为主，干法刻蚀的气体主要为氩气(Ar)、三氟甲烷(CHF3)或SF6等含有C、H、F、Cl、Br类气体，示意图见图7
步骤六，在介质层108上沉积金属电极层111和金属铜112，在本实例中，金属电极材料是TaN和Ta，沉积工艺是利用PVD工艺，示意图见图8；金属铜的沉积工艺是电化学镀(ECP)工艺，示意图见图9。
步骤七，利用铜化学机械抛光的方法实现金属电极图形化；在本实例中，利用铜化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)去除多余的铜金属112，并停在介质层表面，示意图见图10。
步骤八，在步骤七制作完成的器件结构表面沉积释放保护层113。其中所述的释放保护层113可通过原子层沉积(铝D)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、常压化学气相沉积(APCVD)、亚常压化学气相沉积(SACVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)工艺制备中的任何一种方法制备。在本实施例中，该释放保护层为二氧化硅，示意图见图11。
步骤九，最后去除牺牲层103，形成最后的MEMS微桥结构。
如图12所示最后形成MEMS微桥结构，其结构为依次层叠在硅衬底100上的反射层101、反射层之间的介质102、保护层105、支撑层106、敏感层107、介质层108、金属电极层111、铜柱112以及释放保护层113。如图13为该MEMS微桥结构的俯视图，其中，ECP铜层即桥墩200的铜柱112，铜柱外围依次是金属电极层111、保护层105和支撑层106；MEMS微桥结构的桥面300由下到上依次是保护层105、支撑层106、敏感层107、介质层108、金属电极层111以及释放保护层113。
本实例中上述结构中对于关键结构层的厚度要求如下：支撑层104厚度在500A到2000A之间，释放保护层113厚度在1000A左右。
从上述描述可知，本发明提供的一种MEMS微桥结构的制备方法，利用铜工艺制作MEMS微桥结构单元结构，利用铜柱取代传统的铝柱，利用铜化学机械抛光的方法实现金属电极的图形化，并实现探测器单元的平坦化，可以有效地降低连线电阻，降低工艺复杂性，同时平坦化可以为后续图形化工艺提工艺窗口，并最终提升MEMS的性能、成品率和可靠性。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (10)

1.一种MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在衬底的表面区域制作反射层；
b.在反射层的表面区域制作牺牲层，并在牺牲层上刻蚀出支撑孔；
c.在牺牲层的表面区域依次制作支撑层、敏感层和介质层；
d.实现支撑孔内和桥面区域的图形化，形成接触孔；
e.接着在介质层表面区域沉积金属电极层和金属铜，并对铜金属进行平坦化，止于介质层；
f.除去牺牲层，释放形成最后的微桥结构。
2.如权利要求1所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述步骤a和步骤b之间插入步骤a1：对反射层进行图形化，并在所述反射层之间填充绝缘材料。
3.如权利要求1所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述步骤b和步骤c还插入步骤b1：在牺牲层表面区域沉积保护层，用于所述牺牲层的释放。
4.如权利要求1所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述反射层为金属铝。
5.如权利要求1所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述支撑层和敏感层均通过原子层沉积(ALD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、常压化学气相沉积(APCVD)、亚常压化学气相沉积(SACVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)工艺中的任意一种工艺制备。
6.如权利要求1所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述金属铜的沉积工艺是电化学镀(ECP)工艺。
7.如权利要求1所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述对铜进行平坦化的方法为化学机械抛光的方法。
8.如权利要求1所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述支撑层为氮化硅，敏感层为掺硼的非晶硅。
9.如权利要求1所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述金属电极层依次为TaN和Ta两层金属层，或者依次为Ta和TaN两层金属层。
10.如权利要求3所述的MEMS微桥结构的制备方法，其特征在于，所述步骤e和步骤f还插入步骤e1：在铜金属表面沉积第二层保护层，用于所述牺牲层的释放。
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