CN102452638A - 制作微机电系统(mems)装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制作微机电系统(MEMS)装置的方法。形成MEMS装置(10)的方法包括在衬底(12)上方形成牺牲层(34)。所述方法进一步包括在牺牲层(34)上方形成金属层(42)，以及形成覆于金属层(42)之上的保护层(44)。所述方法进一步包括蚀刻保护层(44)和金属层(42)以形成具有在金属层的保留部上方形成的保护层的保留部的结构(56)。所述方法进一步包括蚀刻牺牲层(34)以形成MEMS装置的可移动部，其中保护层的保留部在蚀刻牺牲层(34)以形成MEMS装置(10)的可移动部期间保护金属层的保留部。
Description
技术领域
本公开通常涉及MEMS装置，并且更具体地，涉及制作MEMS装置的方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)装置发现越来越多的应用，尤其是空间感测应用，这样的加速器、位置探测器以及回转仪。这些功能变得越来越普遍并且发现在诸如移动电话、汽车和电子游戏的许多消费者装置中的应用。由于应用增加，所以对于低成本的要求也增加了，其涉及在高容量下提供足够质量的制造工艺。典型地，涉及MEMS装置的问题中的一个是具有一些移动自由度的部分，通常在三个轴上具有移动自由度。这部分的制造对于MEMS装置的功能性是关键性的。将这个关键工艺与也必须表现出的其他特征整合，显现出困难。
因此，需要改进用于制作MEMS装置的工艺，具体的是与提供具有一些级别移动自由度的特征有关。
附图说明
本发明以示例的方式示出，并且不限于附图，其中相似的附图标记指示相同的部件。为了简单和清楚，示出附图中的元件，并且不需要按比例绘制。
图1是根据第一实施例的工艺阶段处的MEMS装置的横截面图；
图2是图1在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图；
图3是图2在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图；
图4是图3在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图；
图5是图4在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图；
图6是图5在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图；
图7是图6在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图；
图8是图7在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图；
图9是根据第二实施例工艺阶段处的MEMS装置的横截面图；
图10是图9在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图；以及
图11是图10在工艺中随后阶段处的MEMS装置的横截面图。
具体实施方式
在一方面中，使用提供多晶硅构件移动自由度的蚀刻，同时保护接触焊盘免受用于执行蚀刻以提供移动自由度的蚀刻剂的影响，来制作微机电系统(MEMS)装置。通过沉积牺牲层和对其构图以留下接触焊盘位置上方的部分来实现保护。蚀刻倾向于留下接触焊盘上的层，如果没有保护，则难以粘附引线键合或其他接触材料。蚀刻对于移动自由度是非常有效的，并且因此，为了获得MEMS装置所需性能，控制蚀刻是非常重要的。在蚀刻之后去除牺牲层的保留部，以制作可利用于实现接触作用的接触。这通过参考附图和下面的说明来更好地理解。
在此描述的半导体衬底可以是任何半导体材料或者材料的组合，诸如砷化镓、硅锗、绝缘体上硅(SOI)、硅、单晶硅等以及上述的组合。
图1中所示的是MEMS装置10，所述MEMS装置包括衬底12；热氧化物层14，其生长在衬底12上；构图的多晶硅层，其具有多晶硅部16、18和22；氮化硅层，其在多晶硅部16、18和22以及热氧化物层14上，具有在多晶硅部16和热氧化物层14上的氮化物部24、多晶硅部18上的氮化物部26以及多晶硅部22和热氧化物层14上的氮化物部28；沉积的氧化物层，其具有在氮化物部24上的氧化物部30、氮化物部26上的氧化物部32以及氮化物部28上的氧化物部34；多晶硅层36，其在氧化物部30、32和34以及热氧化物层14上方；沉积的氧化物层，其在多晶硅层36上方，具有氧化物部38和氧化物部40；以及金属层42，其在沉积的氧化物层40和多晶硅层36上方。多晶硅层36的区域31在氧化物部30和32之间、在氮化物部24和26之间以及在多晶硅部16和18之间。多晶硅层36的区域33在氧化物部32和34之间、在氮化物部26和28之间以及在多晶硅部18和22之间。金属层的区域35在氧化物部38和40之间。用于各个层的有效厚度如下：对于热氧化物14是2.5微米；对于多晶硅部16、18和22是0.35微米；对于氮化物部24、26和28是0.3微米；对于氧化物部30、32和34是1.8微米；对于多晶硅层36是25微米；对于氧化物部38和40是0.4微米；以及对于金属层35是1.4微米。其他尺寸也可起作用。金属层42可以包括铝，并且还可以包括诸如铜和硅的其他材料。氧化物部30、32和34优选使用四乙基原硅酸盐(TEOS)来沉积，但是其他技术也可以是有效的。可以掺杂不同的多晶硅层。多晶硅部18应该是导电的，如果为此目的选择多晶硅，那么它应该被掺杂。
图2中所示的是在沉积富硅氮化硅(SiRN)层44之后的MEMS装置10，其具有0.75微米的厚度。SiRN层44可以具有2.19的折射率。导致更低或更高折射率的其他相对浓度的硅也可以是有效的。化学计量比的氮化硅具有约2.02的折射率。因此，期望的是折射率超过2.02。SiRN优选是化学计量比的氮化硅，因为，对于蒸汽形式的氢氟酸(HF)，富硅氮化硅蚀刻更缓慢。尽管SiRN是优选的材料，对于层44，其他材料也可以是有效的。示例性材料可以是氮化钛、钛和无定形碳化物。其他材料也可以是有效的。如示例所提示的，层44可以是导体或电介质。
图3中所示的是在执行与区域35对准的金属层42和SiRN层44的构图蚀刻之后的MEMS装置10，并因此留下金属层42的区域35和SiRN层44的与区域31对准的部分。
图4中所示的是在沉积具有可以是0.4微米厚度的氧化物层46之后的MEMS装置10。
图5中所示的是在蚀刻穿过氧化物层46、氧化物层40和多晶硅层36以暴露氧化物部30、32和34的几个部分的开口48、50和52之后的MEMS装置10。开口48环绕接触堆叠54，。开口50和52使得邻近开口50和52的多晶硅层36的部分保留为多晶硅层36的连续部的一部分。这个可以是MEMS装置的可移动构件，其还可以称为MEMS装置的可移动部。
图6中所示的是在使用气相HF的氧化物蚀刻之后的MEMS装置，其去除氧化物部30、32、34以及氧化物层46和40。氧化物部30、32和34可以被认为是牺牲的。SiRN层44用作蚀刻阻挡，使得金属层42不接收HF蚀刻，并且因此，因其保护金属层42而作为保护层。SiRN层44也被蚀刻，但是气相HF蚀刻被调整，使得氧化物被蚀刻得比SiRN快很多。这个蚀刻的结果是氮化物部24、26和28上的残留物58以及SiRN层44上的残留物56。氧化物部32和34的去除具有释放可移动的多晶硅层36的可移动构件部的效果。这样，MEMS装置中具有这个效果的氧化物的蚀刻有时被称为释放蚀刻。区域33用作多晶硅层36的可移动构件部的基础。在区域31处，作为接触堆叠54的一部分的多晶硅层36的部分与多晶硅部18进行接触，多晶硅部18又接触在区域33处的可移动构件。发现如果HF蚀刻接触金属层42，则形成作为包括氧、铝和氟的化合物的层。该化合物使得与金属层42形成良好电接触困难。例如，金不能很好地粘附到该化合物。进一步，该化合物不容易去除。残留物56也对形成电接触不好，但是，使用用于在执行蚀刻后清洁的常用技术来容易地去除残留物。例如，在过氧化氢中冲洗，之后在350摄氏度烘焙是有效的，并且其在去除残留物58中也是有效的。气相HF工艺可包括如下工具，其中无水HF液体混合物蒸发以形成HF蒸气或者通过HF和水的高浓度溶液来使气态氮起泡。有效的工艺稀释剂是氮气。为了提升MEMS装置的有效干燥，气态异丙醇或者相似的疏水化合物也可以添加到工艺。处理腔室可以在大气压力下或者在亚大气压力下操作。反应的温度可以保持在室温或者提升的温度(25-50摄氏度)下执行。进一步，调整工艺参数以获得与沉积氧化物相比对SiRN不同的速率。例如，氧化物蚀刻的速率可以是大于SiRN的速率的四倍。这使得在SiRN层的厚度选择上具有灵活性。
氢氟酸(HF)是用于蚀刻二氧化硅的有效方法，二氧化硅是在MEMS工艺中通常使用的牺牲材料。然而，水形式的这个蚀刻特别由于水的存在而可以侵袭铝。气相HF蚀刻氧化物的使用，减少了在蚀刻期间对铝的侵袭。然而，由蚀刻二氧化硅释放的水蒸气可以在铝上凝结，并且导致铝、氟和氧的不希望化合物的形成。
图7中示出的是在执行冲洗和烘焙以去除残留物56和残留物58之后的MEMS装置10。
图8中示出的是去除氮化物部24、26和28以及氮化物层44之后的MEMS装置10。这暴露了接触堆叠54的金属层42的顶表面。这留下完成的MEMS装置，其可以随后以传统方式封装并且接触金属层42。该去除可以由使用在氮化物和多晶硅之间有选择性的干法等离子体蚀刻来实现。
图9中所示，作为图2-8的实施例的替选的是MEMS装置70，其为替代图2中所示的SiRN层的沉积来执行层42的构图蚀刻之后的图1的MEMS装置10。这留下层40中开口中的金属层42的部分。在这个示例中，在层42和层40的保留部之间存在小空间，使得暴露多晶硅层36的一小部分。
图10中所示的是在层42的保留部、暴露的多晶硅层36的一小部分和层40上方沉积SiRN层54之后的MEMS装置70。
图11中所示的是对SiRN层45执行构图蚀刻之后的MEMS装置70，其在层42的保留部的侧壁上留下SiRN。这避免气相HF蚀刻来接触任何部分，甚至层42的保留部的侧壁。覆盖侧壁是与图3的MEMS装置10的主要不同。
然后，图11的MEMS装置70如图4-8中针对MEMS装置10所描述的那样来进行处理。
这样，可以看出的是，提供保护层，优选SiRN，以在蚀刻期间保护接触，所述蚀刻去除氧化物，其具有给予由保留作为连续结构元件的多晶硅部形成的可移动构件自由移动的效果。去除氧化物的这个蚀刻在可移动元件的可预测操作中是非常重要的。为了这个目的，发现气相HF蚀刻是非常有效的。由于在接触上这个蚀刻的不利作用，使用牺牲保护层以避免接触污染问题是有效的。还有，调整HF蚀刻，使得牺牲保护层的厚度在实现接触上方期望的蚀刻停止方面不需要是过量的。
至此，可以意识到的是，已经提供了形成MEMS装置的方法。所述方法包括在衬底上方形成牺牲层。所述方法进一步包括在牺牲层上方形成金属层。所述方法进一步包括形成覆于金属层之上的保护层。所述方法进一步包括蚀刻保护层和金属层以形成具有在金属层的保留部上方形成的保护层的保留部的结构。所述方法进一步包括蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部，其中保护层的保留部在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部期间保护金属层的保留部。所述方法可以进一步以用于形成保护层的材料以及保护层的厚度被选择为特征，使得在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部的步骤之后，保护层的保留部的残余部保留在金属层的保留部上方。所述方法可以进一步包括在蚀刻保护层和金属层以形成结构之后，形成覆于保护层的保留部之上的绝缘层。所述方法可以进一步具有以包括键合焊盘结构的结构为特征。所述方法进一步包括在牺牲层上方形成导电层，以及在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部之前，蚀刻导电层以形成可移动部的特征。所述方法可以进一步具有以包括由富硅氮化硅、氮化钛、钛和无定形碳化物组成的组中之一的保护层为特征。所述方法可以进一步具有以保护层包括富硅氮化硅层为特征。
此外，描述形成MEMS装置的方法。所述方法包括在衬底上方形成牺牲层。所述方法进一步包括在牺牲层上方形成金属层。所述方法进一步包括蚀刻金属层以形成具有金属层的保留部的结构。所述方法进一步包括形成覆于至少金属层的保留部之上的保护层。所述方法进一步包括蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部，其中保护层在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部期间保护金属层的保留部。所述方法可以进一步以用于形成保护层的材料以及保护层的厚度被选择为特征，使得在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部的步骤之后，牺牲层的保留部的残余部保留在金属层的保留部上方。所述方法进一步包括在蚀刻保护层之前，形成覆于保护层之上的绝缘层。所述方法可以进一步以包括键合焊盘结构的结构为特征。所述方法可以进一步具有包括在牺牲层上方形成导电层，以及在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部之前，蚀刻导电层以形成可移动部的特征。所述方法可以进一步以包括由富硅氮化硅、氮化钛、钛和无定形碳化物组成的组中之一的保护层为特征。所述方法可以进一步以保护层包括富硅氮化硅为特征。
还描述了用于MEMS装置的方法。所述方法包括在衬底上方形成牺牲层。所述方法进一步包括在牺牲层上方形成金属层。所述方法包括形成覆于金属层之上的保护层。所述方法进一步包括蚀刻保护层和金属层以形成键合焊盘结构，所述键合焊盘结构具有在金属层的保留部上方形成的保护层的保留部。所述方法进一步包括形成覆于至少保护层的保留部之上的绝缘层。所述方法进一步包括蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部，其中保护层的保留部在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部期间保护金属层的保留部的至少顶表面、形成键合焊盘结构以免受污染影响。所述方法可以进一步以用于形成保护层的材料以及保护层的厚度被选择为特征，使得在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部的步骤之后，牺牲层的保留部的残余部保留在金属层的保留部上方。所述方法进一步包括在牺牲层上方形成导电层，以及在蚀刻牺牲层以形成MEMS装置的可移动部之前，蚀刻导电层以形成移动部的特征。所述方法可以进一步以保护层选自由氮化硅和氮化钛组成的组为特征。所述方法进一步以保护层包括富硅氮化物为特征。所述方法可以进一步具有以包括由富硅氮化硅、氮化钛、钛和无定形碳化物组成的组中之一的保护层为特征。
此外，如果有的话，说明书和权利要求中的术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”等用于说明目的且不必要用于描述永久相对位置。可以理解的是，这样使用的术语，在适当的环境下可以互换，使得在此描述的发明的实施例例如能够以除了这些图示和以其他方式在此描述的其他方向上操作。
尽管参考特定实施例在此描述了发明，但是在不脱离所附权利要求阐述的本发明范围的情况下可以进行各种改进和变化。例如，发现另一蚀刻作为释放蚀刻是有效的，且仍可以导致在接触上的有害效应，以及可以从使用牺牲保护层得到好处。还描述了在接触金属被构图之后，多晶硅层被构图，但是反过来，可以是其中多晶硅层36将为了使可移动构件成形、然后金属层42被构图以形成接触的情形。因此，说明书和附图认为是说明性的而不是限制性的意义，并且所有的这些修改意图包括在本发明的范围之内。在此参考特定实施例描述的任何益处、优势或者问题的解决方案，不意图理解为任何或所有权利要求的关键、想要的或者必不可少的特征或元件。
此外，在此使用的术语“a”或者“an”，限定为一个或多于一个。此外，在权利要求中使用的诸如“至少一个”以及“一个或多个”的引导短语应该不被理解为暗指不定冠词“a”或“an”的其他权利要求元件的引入，限制任何包含这样引入权利要求元件到仅包含一个这样元件的发明的特定权利要求，即使当相同的权利要求包括引导短语“一个或多个”或者“至少一个”以及诸如“a”或“an”的不定冠词。对于定冠词，同样适用。
除非另外陈述，否则诸如“第一”和“第二”的术语用于任意地区分这样术语描述的元件。因此，这些术语不需要意图指示这样元件的时间或者其他优化级。
Claims (20)
1.一种形成MEMS装置的方法，所述方法包括：
在衬底上方形成牺牲层；
在所述牺牲层上方形成金属层；
形成覆于金属层之上的保护层；
蚀刻所述保护层和所述金属层以形成具有在所述金属层的保留部上方形成的保护层的保留部的结构；以及
蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部，其中所述保护层的保留部在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部期间保护所述金属层的保留部。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择用于形成所述保护层的材料以及所述保护层的厚度，使得在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部的步骤之后，所述保护层的保留部的残余部保留在所述金属层的保留部上方。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在蚀刻所述保护层和所述金属层以形成所述结构之后，在所述保护层的保留部上方形成绝缘层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构包含键合焊盘结构。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述牺牲层上方形成导电层；以及
在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部之前，蚀刻所述导电层以形成所述可移动部的特征。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保护层包括由富硅氮化硅、氮化钛、钛和无定形碳化物组成的组中之一。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保护层包括富硅氮化硅。
8.一种形成MEMS装置的方法，所述方法包括：
在所述衬底上方形成牺牲层；
在所述牺牲层上方形成金属层；
蚀刻所述金属层以形成具有所述金属层的保留部的结构；
形成覆于至少金属层的保留部之上的保护层；以及
蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部，其中所述保护层在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部期间保护所述金属层的保留部。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，选择用于形成所述保护层的材料以及所述保护层的厚度，使得在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部的步骤之后，所述牺牲层的残余部保留在所述金属层的保留部上方。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
在蚀刻所述保护层之前，形成覆于所述保护层之上的绝缘层。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述结构包括键合焊盘结构。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括
在所述牺牲层上方形成导电层；以及
在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部之前，蚀刻所述导电层以形成可移动部的特征。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述保护层包括由富硅氮化硅、氮化钛、钛和无定形碳化物组成的组中之一。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述保护层包括富硅氮化硅。
15.一种形成MEMS装置的方法，所述方法包括：
在衬底上方形成牺牲层；
在所述牺牲层上方形成金属层；
形成覆于所述金属层之上的保护层；
蚀刻所述保护层和所述金属层以形成具有在所述金属层的保留部上方形成的保护层的保留部的键合焊盘结构；
形成覆于至少所述保护层的保留部之上的绝缘层；以及
蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部，其中所述保护层的保留部在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部期间保护至少所述金属层的保留部的顶表面、形成所述键合焊盘结构以免受污染的影响。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，选择用于形成所述保护层的材料以及所述保护层的厚度，使得在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部的步骤之后，所述牺牲层的保留部的残余部保留在所述金属层的保留部上方。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在所述牺牲层上方形成导电层；以及
在蚀刻所述牺牲层以形成所述MEMS装置的可移动部之前，蚀刻所述导电层以形成所述可移动部的特征。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述保护层选自由氮化硅和氮化钛组成的组。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保护层包括富硅氮化物。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述保护层包括由富硅氮化硅、氮化钛、钛和无定形碳化物组成的组中之一。
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