CN101917174B - 亚微米间隙微结构的制作方法及其制作的微机械谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及亚微米间隙微结构的制作方法及其制作的微机械谐振器，其特征在于亚微米间隙不是通过光刻定义，而是通过氧化多晶硅薄膜来制作，亚微米间隙的大小由多晶硅薄膜上的间隙和氧化工艺在多晶硅薄膜上生长的氧化硅厚度共同决定，并且直接利用氧化硅作为掩膜，通过刻蚀将亚微米间隙转移到器件结构层上。由于无需亚微米级光刻，工艺难度及工艺成本大大降低，利用氧化硅直接作为掩膜则保证了将亚微米间隙转移到器件结构层上时亚微米间隙具有良好的陡直度。微机械谐振器制作工艺步骤包括氮化硅沉积，多晶硅条形成，多晶硅条氧化，氮化硅刻蚀，引线孔形成，金属引线及焊盘形成，器件结构释放。由于在微机械谐振器的间隙是亚微米级，谐振器的性能得到改善。

Description

亚微米间隙微结构的制作方法及其制作的微机械谐振器

技术领域

本发明涉及一种亚微米间隙微结构的制作方法及其制作的微机械谐振器，属于微细加工技术领域。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)是利用微电子工艺及其它微细加工技术制作的具有微米尺度结构的器件，MEMS技术的出现使得芯片不仅仅具有数据信号处理功能，还具备了对外界信号感应和反馈的功能。在过去的二十年间，MEMS技术得到迅速发展，MEMS器件现已广泛应用于各个领域(G K Fedder，R T Howe，T J K Liu and E P Quevy，，Technologies for cofabricating MEMS andelectronics.Proceedings of the IEEE，2008.96(2)：pp.306-322)。MEMS器件一般可分为传感器(Sensor)和制动器(Actuator)两大类，传感器是对外界信号进行传感，而制动器则是对外界信号进行反馈。为了实现对外界信号的传感及反馈，MEMS器件一般要利用各种物理效应将对外界信号进行处理，如压电效应、热电效应、静电力转换、磁场力转换等。

电容式驱动及检测方法是通过静电力对外界信号进行处理。和其它驱动及检测方法相比，电容式驱动及检测具有功耗低，结构制作简单，工艺简单等优点，所以电容式驱动及检测被广泛应用于微结构的传感及制动。电容式驱动及检测方法中的静电力可由(1)式表示：

$F=\frac{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{AV}}^2}{d}---\left(1\right)$

其中F是静电力大小，ε是电介质常数，A是极板面积大小，V是两极板间的电压差，d是两极板之间的间距。为了提高制动器的效率或传感器的性能，一般希望F能尽量大。从(1)式中可以看出，如果需要提高静电力以提高器件的灵敏度，可以提高电容极板间的电介质常数，增大极板面积，提高两极板间的电压差，减小两极板的间隙。由于提高电介质常数需要更换工艺材料，增大极板面积会增大器件的尺寸，提高电压差则提高了对后续电路的要求，所以前面三种方法都不是提高静电力的有效方法。由于静电力和极板间距之间的反比关系，如果减小极板间距，则可以大大提高静电力。此外，微电子机械系统器件的极板间隙一般都是通过光刻和刻蚀制作，如果工艺过程可以制作出亚微米间隙，则工艺材料不需更换，器件的尺寸也不会发生变化，从而可以在现有材料和工艺基础之上提高静电力，提高器件的效率。

传统的MEMS器件制作方法不足之处在于：其结构之间的间隙一般是通过光刻定义，然后通过刻蚀制作，如果要减小间隙，就需要提高光刻的精度。为了制作亚微米间隙结构，就需要亚微米精度的光刻设备，对光刻的工艺过程要求也将很严格，器件制作的工艺成本也会大大上升，工艺复杂度也会加大。

发明内容

针对MEMS器件制作方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种亚微米间隙结构的制作方法，以降低亚微米间隙制作的成本及复杂度。最明显的特性是利用多晶硅的氧化来控制结构的间隙。多晶硅氧化的化学反应方程式如下所示：

Si+O₂→SiO₂

从化学反应方程式可以看出，1个硅原子会结合2个氧原子生成1个氧化硅原子。由于氧原子的加入，硅的氧化反应是一个体积变大的过程。根据硅氧化的化学反应方程式可知，氧化后氧化层的厚度会大于反应消耗的硅薄膜的厚度，在热氧化工艺过程中硅消耗的厚度占氧化硅总厚度的0.46。对于厚度为t_Polysilicon的多晶硅薄膜，如果将该多晶硅全部氧化，则其侧壁增厚量

可由(2)式确定：

$t_{{\mathrm{SiO}}_2-\mathrm{add}}=(\frac{1}{0.46}-1)\×t_{\mathrm{Polysilicon}}=1.173\×t_{\mathrm{Polysilicon}}---\left(2\right)$

如果首先在多晶硅薄膜上制作出一个大小为d_before的间隙，然后通过热氧化将多晶硅薄膜氧化，则氧化后间隙d_after大小可由(3)式确定：

$d_{\mathrm{after}}=d_{\mathrm{before}}-2\×t_{{\mathrm{SiO}}_2-\mathrm{add}}=d_{\mathrm{before}}-2\×1.173\×t_{\mathrm{Polysilicon}}---\left(3\right)$

如果氧化前的间隙控制为3μm，多晶硅氧化的厚度为1μm，则氧化后的间隙为0.654μm；如果氧化前的间隙控制为2μm，多晶硅氧化的厚度为0.85μm，则氧化后的间隙为5.9nm。通过控制氧化前的间隙及氧化多晶硅的厚度，氧化后的间隙可达到亚微米量级，甚至纳米量级。由于氧化前的间隙都是微米级，对光刻工艺要求不高，因此本方法可以大大减小亚微米间隙结构制作难度。在实际操作过程中，应该保证多晶硅薄膜的厚度要不小于氧化工艺所消耗的多晶硅的厚度。

对于电容式驱动及电容式检测的微机械谐振器，使用亚微米间隙不仅可以提高谐振器的驱动力，减小器件的等效阻抗，也可提高谐振器的输出电流，简化后续测量步骤。使用本发明方法制作的微机械谐振器的结构如图1所示。整个微机械谐振器包括：1)谐振子，谐振子在受外界激励时产生谐振，谐振子悬浮在衬底硅片上；2)驱动电极和检测电极，驱动电极通过静电力来驱动谐振器，而检测电极则利用静电力来检测谐振器谐振。当驱动电极和谐振子之间的间隙为亚微米量级时，可以提高驱动力，当检测电极和谐振子之间的间隙为亚微米量级时，则可以提高谐振器的输出电流；驱动电极和检测电极位于谐振子的两侧；3)用于固定悬空谐振子的支撑梁。

具体工艺步骤包括氮化硅沉积，多晶硅条形成，多晶硅条氧化，氮化硅刻蚀，引线孔形成，金属引线及焊盘形成，器件结构的释放。所述的方法利用控制多晶硅条氧化厚度来制作亚微米间隙，并利用多晶硅氧化生长的氧化硅作为掩膜将硅结构释放。具体特征在于：

1)氮化硅沉积。在具有器件结构层的硅片上用LPCVD沉积一层氮化硅。

2)形成多晶硅条。通过LPCVD沉积一层多晶硅薄膜，然后通过光刻及刻蚀的方法制作出多晶硅条。

3)多晶硅条氧化。采用热氧化工艺将多晶条进行氧化，氧化厚度由目标间隙大小及多晶硅条光刻间隙大小共同决定，三者的关系由(3)式确定。

4)氮化硅刻蚀。通过H₃PO₄或RIE将氮化硅刻蚀，将亚微米间隙下方的硅结构层露出。

5)引线孔形成。通过光刻及腐蚀将引线孔区域硅结构层露出。

6)金属引线及焊盘形成。蒸发仪或溅射仪沉积金属，光刻金属线条，腐蚀金属，形成金属引线及焊盘。

7)亚微米间隙转移到器件结构层上。硅腐蚀气体或液体经由(4)中形成的腐蚀开口刻蚀器件结构层，将亚微米间隙转移到器件结构层。

8)释放谐振器结构。通过腐蚀器件结构层下方的硅衬底，制作一凹腔结构，形成悬浮的谐振子，释放谐振器结构。

本发明由于采用了控制氧化厚度来控制间隙大小，实现亚微米间隙结构的制作，并且利用氧化硅作为掩膜直接将器件进行释放，其特征在于：

①首先利用光刻及刻蚀在多晶硅薄膜上制作出一个大的间隙结构，然后通过控制多晶硅氧化的厚度将多晶硅薄膜上的大间隙变成亚微米间隙，再通过刻蚀将亚微米间隙直接转移到微结构上；

②亚微米间隙大小不是由光刻工艺决定，而是由多晶硅薄膜上通过光刻制作的间隙大小和多晶硅氧化生长的氧化硅的厚度共同确定，并且三者之间有明确的关系式；

③无需光刻，直接利用多晶硅氧化所生长的氧化硅作为掩膜，将亚微米间隙直接转移到微结构上；

④多晶硅氧化时可以只将部分多晶硅薄膜进行氧化，也可将多晶硅薄膜全部进行氧化；

⑤LPCVD沉积的多晶薄膜厚度应不小于热氧化工艺所消耗的多晶硅厚度；

⑥生长氧化硅的材料可是多晶硅薄膜，也可是非晶硅，还可是单晶硅，但不限于此；

⑦谐振器结构具有亚微米间隙；

⑧所述的凹腔结构可以在谐振器结构制作完后制作，也可以在谐振器结构制作之前制作。

与传统的MEMS器件制作工艺相比具有以下优点：

1)本发明所述的亚微米间隙不是通过光刻完成而是通过亚微米间隙不是通过光刻定义，而是通过氧化多晶硅薄膜来制作，亚微米间隙的大小由多晶硅薄膜上的间隙和氧化工艺在多晶硅薄膜上生长的氧化硅厚度共同决定，降低了工艺对设备的要求，降低了工艺成本。

2)由于亚微米间隙在氧化工艺后形成的，亚微米间隙的两侧的氧化硅厚度比较均匀，所以亚微米间隙的侧壁可以做的比较陡直。

3)简化了器件制作工艺，利用多晶硅氧化生长的氧化硅直接作为掩膜将亚微米间隙转移到器件结构层，并且也保证了器件上亚微米间隙的陡直度。

附图说明

图1是微机械谐振器的结构示意图。

图2是具体实施例1所述器件的具体工艺流程。

图2-1：具有凹腔结构的硅片准备，LPCVD沉积氮化硅；

图2-2：LPCVD沉积多晶硅，多晶硅光刻及刻蚀，在多晶硅薄膜上制作出一个大间隙；

图2-3：多晶硅氧化，将大间隙变成亚微米间隙；

图2-4：氮化硅刻蚀，将亚微米间隙下方的结构层硅露出；

图2-5：开引线孔，将引线孔区域的硅结构层露出；

图2-6：沉积金属，并通过光刻和腐蚀的方法制作金属引线及焊盘；

图2-7：将亚微米间隙转移到结构层硅片上，并同时释放谐振器结构；

图3是具体实施例2所述器件的最终器件结构。

图4是具体实施例3所述器件的具体工艺流程。

图4-1：在SOI衬底上LPCVD沉积氮化硅；

图4-2：LPCVD沉积多晶硅，多晶硅光刻及刻蚀，在多晶硅薄膜上制作出一个大间隙，并且制作出谐振子结构的释放通孔；

图4-3：多晶硅氧化，将大间隙变成亚微米间隙；

图4-4：氮化硅刻蚀，将亚微米间隙及释放通孔下方的结构层硅露出；

图4-5：开引线孔，将引线孔区域的硅结构层露出；

图4-6：沉积金属，并通过光刻和腐蚀的方法制作金属引线及焊盘；

图4-7：将亚微米间隙转移到结构层硅片上，并在结构层硅片上开出释放通孔；

图4-8：通过亚微米间隙及结构层上方的释放通孔将SOI的埋氧去除，释放谐振器结构。

图5：具体实施例4所述器件的最终器件结构。

图中各数字代表的含义为：

11硅衬底；12氧化硅；13结构层硅；14氮化硅；15多晶硅；16多晶硅光刻大间隙；17亚微米量级间隙；18金属引线或焊盘；19谐振子结构释放通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

实施例1

硅片衬底选用的是具有凹腔结构的硅片，该方法制作的谐振器结构具有释放工艺简单，成本低，成品率高，亚微米量级间隙等优点。

(1)在具有凹腔结构的硅片上，通过LPCVD沉积一层氮化硅14。见图2-1。

(2)通过LPCVD沉积一层多晶硅15，并对多晶硅薄膜进行光刻及刻蚀，在多晶硅薄膜上制作出一个大的间隙结构16。见图2-2。

(3)高温氧化，在多晶硅薄膜上通过热氧化工艺生长一层氧化硅，将步骤(2)中的大间隙转变成亚微米量级间隙17。见图2-3。

(4)氮化硅刻蚀，将亚微米量级间隙下方的氮化硅去除，露出结构层硅13。见图2-4。

(5)通过光刻腐蚀，将引线孔处的氧化硅、多晶硅及氮化硅去除，将结构层硅露出。见图2-5。

(6)通过蒸发工艺或溅射工艺沉积一层金属薄膜。光刻金属线条，腐蚀金属，形成金属引线及焊盘。见图2-6。

(7)利用步骤(3)中的氧化硅作为掩膜，通过干法刻蚀将亚微米量级的间隙转移到结构层硅上，并同时将谐振器结构释放。见图2-7。

实施例2

其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于：第一，将实施例1步骤(3)中的在多晶硅薄膜上生长一层氧化硅改为将多晶硅薄膜全部氧化，其余部分不变。器件几何构型如图3所示。该方法制作的谐振器结构具有释放工艺简单，成本低，成品率高，亚微米量级间隙等优点。

实施例3

硅片衬底选用的是普通SOI衬底。该方法制作的谐振器结构具有工艺简单，亚微米量级间隙等优点。

(1)在SOI衬底上用LPCVD沉积一层氮化硅。见图4-1。

(2)通过LPCVD沉积一层多晶硅，并对多晶硅薄膜进行光刻及刻蚀，在多晶硅薄膜上制作出一个大的间隙结构，并同时在谐振子结构区域的多晶硅薄膜上制作出结构释放通孔。见图4-2。

(3)高温氧化，在多晶硅薄膜上通过热氧化生工艺长一层氧化硅，将步骤(2)中的大间隙转变成亚微米间隙。见图4-3。

(4)氮化硅刻蚀，将亚微米间隙下方及步骤(2)中释放通孔下方的氮化硅去除，露出结构层硅。见图4-4。

(5)通过光刻腐蚀，将引线孔处的氧化硅、多晶硅及氮化硅去除，将结构层硅露出。见图4-5。

(6)通过蒸发仪或溅射仪沉积一层金属薄膜。光刻金属线条，腐蚀金属，形成金属引线及焊盘。见图4-6。

(7)利用步骤(3)中的氧化硅作为掩膜，通过干法刻蚀将亚微米间隙转移到结构层硅上，并同时将步骤(2)中释放通孔处的结构硅去除。

见图4-7。

(8)通过亚微米间隙及结构层上方的释放通孔将SOI的埋氧层去除，释放谐振器结构。见图4-8。

实施例4

其具体实施步骤部分与实施例3相同，主要区别在于：第一，将实施例3步骤(2)中的多晶硅薄膜刻蚀改为只刻蚀大间隙处，而不刻蚀腐蚀通孔。第二，将实施例3步骤(8)中的埋氧腐蚀释放器件结构改为从背面腐蚀硅衬底及埋氧，释放谐振器结构，其余部分不变。器件几何构型如图5所示。该方法制作的谐振器结构具有损耗小，亚微米量级间隙等优点。

Claims (8)

1.一种亚微米间隙微结构的制作方法，包括氮化硅沉积，多晶硅条形成，多晶硅条氧化，氮化硅刻蚀，引线孔形成，金属引线及焊盘制成，器件结构的释放；其特征在于利用控制多晶硅条氧化厚度来制作亚微米间隙，并利用多晶硅氧化生长的氧化硅作为掩膜将硅结构释放，具体步骤是：

1)氮化硅沉积：在具有器件结构层的硅片上用LPCVD沉积一层氮化硅；

2)形成多晶硅条：通过LPCVD沉积一层多晶硅薄膜，然后通过光刻及刻蚀的方法制作出多晶硅条；

3)多晶硅条氧化：采用热氧化工艺将多晶硅条进行氧化，氧化厚度由目标间隙大小及多晶硅条光刻间隙大小共同决定，三者的关系由下式确定：

d_after＝d_before-2×1.173×t_Polysilicon

式中：d_after为氧化后的间隙，t_Polysilicon为多晶硅氧化的厚度，d_before为氧化前的间隙；

4)氮化硅刻蚀，通过H₃PO₄或RIE将氮化硅刻蚀，将亚微米间隙下方的硅结构层露出；

5)引线孔形成，通过光刻及腐蚀将引线孔区域硅结构层露出；

6)金属引线及焊盘形成，蒸发仪或溅射仪沉积金属，光刻金属线条，腐蚀金属，形成金属引线及焊盘；

7)亚微米间隙转移到器件结构层上：硅腐蚀气体或液体经由步骤4)中形成的腐蚀开口刻蚀器件结构层，将亚微米间隙转移到器件结构层；

8)释放谐振器结构：通过腐蚀器件结构层下方的硅衬底，制作一凹腔结构，形成悬浮的谐振子，释放谐振器结构。

2.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于通过控制氧化前的间隙和氧化多晶硅的厚度，氧化后的间隙达亚微米量级，甚至纳米量级，从而降低亚微米间隙结构的难度。

3.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于多晶硅薄膜的厚度小于氧化工艺所消耗的多晶硅的厚度。

4.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述具有器件结构层的硅片为具有凹腔结构的硅片或普通SOI。

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于具有凹腔的硅片制作步骤是：

(1)在具有凹腔结构的硅片上，通过LPCVD沉积一层氮化硅(14)；

(2)通过LPCVD沉积一层多晶硅(15)，并对多晶硅薄膜进行光刻及刻蚀，在多晶硅薄膜上制作出一个大的间隙结构(16)；

(3)高温氧化，在多晶硅薄膜上通过热氧化工艺生长一层氧化硅，将步骤(2)中的大间隙转变成亚微米量级间隙(17)；

(4)氮化硅刻蚀，将亚微米量级间隙下方的氮化硅去除，露出结构层硅(13)；

(5)通过光刻腐蚀，将引线孔处的氧化硅、多晶硅及氮化硅去除，将结构层硅露出；

(6)通过蒸发工艺或溅射工艺沉积一层金属薄膜；光刻金属线条，腐蚀金属，形成金属引线或焊盘(18)；

(7)利用步骤(3)中的氧化硅作为掩膜，通过干法刻蚀将亚微米量级的间隙转移到结构层硅上，并同时将谐振器结构释放。

6.按权利要求5所述的制作方法，其特征在于将步骤(3)中所述的在多晶硅薄膜上生长一层氧化硅，改为将多晶硅膜全部氧化。

7.按权利要求4所述的制作方法，其特征在于普通SOI的制作步骤是：

(1)先在SOI衬底上用LPCVD沉积一层氮化硅；

(2)通过LPCVD沉积一层多晶硅，并对多晶硅薄膜进行光刻及刻蚀，在多晶硅薄膜上制作出一个大的间隙结构，并同时在谐振子结构区域的多晶硅薄膜上制作出结构释放通孔；

(3)高温氧化，在多晶硅薄膜上通过热氧化生工艺长一层氧化硅，将步骤(2)中的大间隙转变成亚微米间隙；

(4)氮化硅刻蚀，将亚微米间隙下方及步骤(2)中释放通孔下方的氮化硅去除，露出结构层硅；

(5)通过光刻腐蚀，将引线孔处的氧化硅、多晶硅及氮化硅去除，将结构层硅露出；

(6)通过蒸发仪或溅射仪沉积一层金属薄膜；光刻金属线条，腐蚀金属，形成金属引线及焊盘；

(7)利用步骤(3)中的氧化硅作为掩膜，通过干法刻蚀将亚微米间隙转移到结构层硅上，并同时将步骤(2)中释放通孔处的结构硅去除；

(8)通过亚微米间隙及结构层上方的释放通孔将SOI的埋氧层去除，释放谐振器结构。

8.按权利要求7所述的制作方法，其特征在于：

①步骤(2)中的多晶硅薄膜刻蚀改为只刻蚀大间隙处，而不刻蚀腐蚀通孔；

②步骤(8)中的埋氧腐蚀释放器件结构改为从背面腐蚀硅衬底及埋氧，释放谐振器结构。

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