CN102105389A - Mems器件 - Google Patents

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Abstract

一种制造MEMS器件的方法，包括：形成MEMS器件元件(14)。在所述器件元件上设置牺牲层(20)并且在所述牺牲层上设置封装覆盖层(22)。使用所述覆盖层中的至少一个开口(22)去除所述牺牲层，以及通过退火工艺密封所述至少一个开口(24)。

Description

MEMS器件
技术领域
本发明涉及一种MEMS器件，具体地涉及封装器件的形成。
背景技术
MEMS技术正逐渐被用于集成电路中。然而，作为难以提供合适的和成本低廉封装的结果，实践中还没有实现多种产品概念。
对于MEMS器件和系统封装的高成本存在许多起作用的因素。三个基本因素是：
-对于具有复杂几何形状的MEMS系统，尺寸小于几毫米的零件和部件的正确封装和有效装配要求特定的工具和夹具。
-高密度MEMS器件和系统使得对于可靠封装的要求随产品不同而显著变化。例如，用于密封的真空封装在许多情况下是必要的。
-MEMS器件和系统中的零件和部件的小尺寸在封装和装配中都产生了独特的问题。
存在多种用于封装MEMS器件的技术：
-使用非定制封装和小心处理技术；
-将通常是玻璃或硅的隔离帽附着到成品MEMS器件部分的顶部上；
-集成晶片级封装。
非定制部件的选择是昂贵和耗时的工艺。
隔离帽的使用要求加帽晶片，典型地包括由玻璃或硅构成的预制腔体。然后使用熔融玻璃阳极键合，因为其后端兼容工艺温度(400℃)优先于高得多的温度(1000℃)下的熔融键合。如果在真空腔室中执行所述键合，可以实现腔体内真空。这种方法要求晶片键合和倒装芯片对齐设备。
集成晶片级方案包含使用标准表面微机械技术制造帽。这种方法几乎不占用面积，并且将所述晶片高度保持为比如果使用独立制造的帽更低。集成方法的另一个优势是：在晶片切割和沾污处理期间保护了所述MEMS器件。如果所述封装足够强，可以像成本低廉的正常IC那样进一步地封装所述MEMS芯片。另外，这允许了与CMOS工艺集成的可能性。
发明内容
本发明涉及一种用于形成MEMS器件封装的集成方法。
根据本发明，提出了一种制造MEMS器件的方法，包括：
形成MEMS器件元件；
在所述器件元件上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成封装覆盖层；
在所述封装覆盖层中限定至少一个开口；
通过所述至少一个开口去除所述牺牲层，从而在所述器件元件上形成封装空间；以及
通过氢退火工艺密封所述至少一个开口。
所述方法提出了一种使用标准制造工艺在MEMS器件元件上形成封闭腔体的方式。要求较少数量的步骤，具体地利用退火工艺(即，加热)来引起所述至少一个开口封闭。
所述牺牲层可以包括氧化物层，例如氧化硅。可以通过标准HF湿法刻蚀工艺或利用HF气相刻蚀去除所述氧化物。
优选地，所述封装覆盖层包括硅，例如多晶硅或多晶硅-锗(SiGe)。由于所述硅原子的迁移，氢退火工艺封闭了所述至少一个开口，但是不会在所述腔体中留下杂质。
所述封装覆盖层可以具有500nm至10μm之间的厚度。可以依赖于开关的数目来选择所述至少一个开口的直径，并且所述直径可以是与封装覆盖层厚度相同的幅度量级。
可以将另一层(可以是氮化硅)设置在所述封装覆盖层下面，通过所述另一层也形成了所述至少一个开口。优选地，这一层不会受到退火工艺的影响，使得所述腔体的顶部表面保持平滑，并且不会通过退火工艺物理地更改所述腔体的表面。
所述方法还可以包括提供退火保护层作为形成所述MEMS器件元件的工艺的一部分。这种方法利用保护层保护了所述MEMS器件(例如，谐振器块，或者柔性接触束，或者可移动电容器电极)不会被退火工艺损坏。所述保护层可以包括氮化硅。
本发明还提出了一种封装的MEMS器件，包括：
MEMS器件元件；
封装覆盖层，设置在所述MEMS器件元件上面的腔体之上；以及
所述封装覆盖层中密封的牺牲刻蚀开口，
其中所述器件还包括位于所述封装覆盖层下面的氮化硅层，所述氮化硅层具有与所述密封的牺牲刻蚀开口对齐的至少一个开口。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的示例，其中；
图1示出了根据本发明的制造工艺的示例；
图2用于解释用于论证本发明的耐久性的第一实验；
图3用于解释用于论证本发明方法的第二示例的耐久性的第二实验；以及
图4用于接收用于论证本发明方法的第三示例的耐久性的第三实验。
具体实施方式
本发明提出了一种制造MEMS器件的方法，其中在所述MEMS器件元件上形成封闭腔体。使用牺牲层，通过覆盖层中的孔去除所述牺牲层。然后通过退火工艺来封闭所述孔。
图1示意性地示出了本发明的方法。
图1a示出了完整的表面微机械器件，在该示例中以谐振器的形式为例。所述器件包括硅衬底10；氧化硅层12，所述氧化硅层形成所述谐振器块下面的腔体；以及在硅层16中形成的所述谐振器块14。
本发明并不需要更改所述MEMS器件的制造，并且可以使用任意传统技术。例如，所述MEMS器件可以是谐振器、电容器或开关。典型地，所述器件具有需要通过封装仔细保护的可移动部分，在该示例中，所述器件具有悬置的谐振器块14。
如图1b所示，沉积牺牲层20并且对其构图，以在所述MEMS器件上形成岛状物。
沉积多晶硅的封装帽层22，用于形成封装壳，并且如图1c所示对释放孔24构图。
通过所述释放孔24提供所述牺牲层20的去除，以便如图1d所示释放所述机械微结构。然后通过H2退火封闭所述刻蚀释放孔，以得到图1e所示的结构。
氢退火工艺目的在于产生干净的硅(或者多晶硅或者硅-锗)表面。氢气不会与硅放映，并且已经证明了有效地对任意残留的SiO2解除吸附。在干净的硅表面上存在的硅原子可以移动，并且在高温和低压下迁移率增加。氢退火的典型条件是：
(依赖于材料的熔点)在800至1150摄氏度之间的温度；以及
低压力，典型地范围从毫托到大气压力。
可以在He或Ar气中稀释氢气，并且优选地所述氢气具有良好的纯度。
在退火工艺之前，可以用HF溶液清洗所述盖层的表面，理想情况下，清洗工艺和退火工艺之间的时间应该尽可能短。
本发明的优点是封闭所述释放孔24的同时不会在腔体内留下杂质。这允许按照这样的方式设计释放孔24的位置，使得所述释放是最优的(更快)，此外，可以将所述释放孔设计在所述谐振器上，这实现了更小的封装。另外，通过实验还发现可以利用只有1μm厚的盖层22对具有1μm大小直径的释放孔进行密封。这意味着对于牺牲刻蚀剂存在相对短而宽的通道，也导致了较短的释放时间。
除了H2退火之外的含硅层手段的使用将由于硅原子的迁移而封闭所述释放孔，但是不会在腔体内留下杂质。
通过实验已经证明了本发明的操作。
在第一实验中，密封了1μm多晶硅盖层中的释放孔。
图2是所述实验的示意图。
在硅衬底30上，沉积氮化硅层32和氧化硅层34(图2a)。对氧化物(牺牲)层34构图(图2b)，并且衬底1μm厚的硅盖层36(图2c)。
提供所述帽层中释放孔38的构图(图2d)，然后利用HF-溶液或HF-气相刻蚀去除所述牺牲氧化层(图2e)。利用氢退火在1100℃和20托的压力下将所述释放孔密封2分钟，以提供图2f所示的结构。
使用截面SEM图像对结果的分析示出了完全地密封了具有500nm和1000nm直径的原始释放孔的腔体。如果使用1500nm直径的释放孔，发现尽管所述释放孔的尺寸减小了但是密封是不完全的。使用湿法刻蚀工艺，1000nm直径的释放孔更加适于用作MEMS器件的释放孔。
第二实验提出了将密封温度降低到1050℃，以示出所述密封的温度依赖性。在这种情况下，仍然密封了500nm的释放孔，但是1000nm的释放孔尺寸减小但是没有被密封上。
由于退火密封工艺，所述帽层可能变粗糙。这可以增加在腔体内移动MEMS器件所需要的高度。
图3用于解释其中将氮化物层(例如50nm厚)沉积在所述多晶硅盖层36下面的方法。
图3a和3b与图2a和2b相对应。
在图3c中，沉积50nm厚的氮化物层40，接着如同图2的示例是1μm厚的硅作为帽层36。
在所述盖层36和所述氮化硅保护层40中构图形成所述释放孔。再次利用HF-溶液去除所述牺牲氧化层(图3e)。
然后用氢退火密封所述释放孔，例如在此时1100℃和20托的压力下2分钟。
再次将所述释放孔密封在所述帽层中，但是没有密封在氮化硅层中。氮化硅层不受影响，并且因此已经通过实验示出了腔体的最高限度比不使用氮化硅层的腔体平滑得多。
因为大多数谐振器是由硅制成的，所述氢退火也可以改变所述谐振器的形状，并且因此可以影响所述谐振器的性能。
用于解决这种问题的一种方式是为谐振器部分提供保护层。
参考图4解释了证明这种概念的另外实验。
图4示出了其中刻蚀了200nm宽的隔离沟槽44的硅层42，对谐振器的小间隙进行了仿真。再次用1100℃和20托的氢退火将所述晶片处理2分钟。
将所述沟槽的SEM图像表示为SEM图像44，并且将退火之后所得到的轮廓表示为图像46。
在另一个晶片上，在进行相同的氢退火之前，首先用5nm厚的氮化物(保护)层48覆盖所述沟槽。这可以通过LPCVD(低压化学气相沉积)工艺来实现。退火之后所得到的轮廓表示为图像50。
图像46示出了没有氮化物保护层的沟槽形状与原物不同。退火之前用薄氮化物层保护的沟槽保持其原始形状。
上述实验表示出可以最多将释放孔密封1μm。如果使用更高的温度、更长的退火时间或者更厚的帽层，则可以密封更大的释放孔。由于较高的工艺温度，限制了MEMS器件与CMOS工艺的集成。必须在CMOS工艺之前封装所述MEMS器件。
同样，较高的温度限制了可以用于MEMS器件的器件材料的选择。然而大多数谐振器可由可以承受用于氢退火的高温的硅制成，特别是例如通过上述薄氮化物层保护所述硅。
通过使用SiGe或Ge作为盖层来代替多晶硅可以减小退火温度。这样，可以将回流温度降低到SiGe或Ge回流、但是单晶硅谐振器仍然保持非活性的水平。
本发明的一种主要应用是MEMS谐振器。可以将这些谐振器用于代替用于时间基准标记目的的晶振。
本领域普通技术人员明白像陀螺仪和加速计之类的各种其他应用。

Claims (13)

1.一种制造MEMS器件的方法，包括：
形成MEMS器件元件(14)；
在所述器件元件(14)上形成牺牲层(20；34)；
在所述牺牲层上形成封装覆盖层(22；36)；
在所述封装覆盖层(22；36)中限定至少一个开口(24；38)；
通过所述至少一个开口(24；38)去除所述牺牲层(20；34)，从而在所述器件元件上形成封装空间；以及
通过氢退火工艺密封所述至少一个开口(24；38)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述牺牲层(20；34)包括氧化物层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述牺牲层(20；34)包括氧化硅。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述封装覆盖层(22；36)包括硅。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述封装覆盖层包括多晶硅-锗。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述封装覆盖层(22；36)包括多晶硅。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中去除所述牺牲层(20；34)包括HF湿法刻蚀工艺或者HF-气相刻蚀工艺。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括将氮化硅层(40)设置在所述封装覆盖层(36)下面，通过所述氮化硅层也形成了至少一个开口。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括提供退火保护层作为形成所述MEMS器件元件工艺的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述保护层包括氮化硅。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述MEMS器件元件包括开关、电容器或谐振器。
12.一种封装的MEMS器件，包括：
MEMS器件元件(14)；
封装覆盖层(22；36)，设置在所述MEMS器件元件上面的腔体之上；以及
所述封装覆盖层(22；36)中密封的牺牲-刻蚀开口(24；38)，
其中所述器件还包括位于所述封装覆盖层(36)下面的氮化硅层(40)，所述氮化硅层具有与所述密封的牺牲-刻蚀开口对齐的至少一个开口。
13.根据权利要求13所述的器件，其中所述封装覆盖层(22；36)包括多晶硅、多晶硅-锗或锗。
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