CN102530831B - Mems器件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种的MEMS器件的制作方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有金属互连结构；在所述半导体衬底的表面形成第一牺牲层，所述第一牺牲层的材质为无定形碳；刻蚀所述第一牺牲层形成第一凹槽；在所述第一牺牲层表面覆盖形成第一介质层；采用化学机械研磨工艺减薄所述第一介质层，直至露出所述第一牺牲层；在所述第一牺牲层表面形成微机械结构层，并曝露出第一牺牲层，所述微机械结构层的部分与所述第一介质层连接。本发明采用先形成牺牲介质层，并图形化所述牺牲介质层，再形成介质层的方法，避免了对无定形碳的研磨，能够缩短生产周期，极大提高了生产效率。

Description

MEMS器件的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种MEMS器件的制作方法。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是一种可集成化生产，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路于一体的微型器件或系统。它是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。采用MEMS技术的微电子器件在航空、航天、环境监控、生物医学以及几乎人们所接触到的所有领域中有着十分广阔的应用前景。
相对于传统的机械结构，MEMS器件的尺寸更小，最大不超过一个厘米，甚至仅仅为数个微米，其中的器件层厚度就更加微小。由于采用了以硅为主的半导体材料，因此可大量利用半导体集成电路生产中的成熟技术、工艺，进行低成本的批量化生产。其中微机械结构作为传感、传动以及运动机构是MEMS器件的最重要的组成部分，微机械结构通常需要设置于封闭空间中，以避免收到外部环境影响，包括固定的支撑部分以及可活动且悬浮的自由端。
为了在半导体结构中形成悬浮的微机械结构，需要应用到牺牲介质的制作工艺，基本流程包括：先在半导体介质层中挖取所需空间尺寸的沟槽，在所述沟槽内填充牺牲介质，然后在牺牲介质表面制作微机械结构层，最后去除牺牲介质，使得微机械结构构成悬浮。更多关于制作具有悬浮的微机械结构层的MEMS器件的方法，可以参见专利号为US2008290430A1、US7239712B1以及US2007065967的美国专利。
现有技术存在如下问题：在填充牺牲介质时，通常采用化学气相沉积，为了保证填满所述沟槽，通常形成的牺牲介质层需要还覆盖于沟槽之外半导体介质层的表面，然后通过化学机械研磨减薄所述牺牲介质层的表面，直至露出半导体介质层表面，使得沟槽内的牺牲介质层表面与周围半导体介质层表面平齐。常见的牺牲介质包括无定形碳、以及一些有机聚合材料等，这些牺牲介质虽然很容易用灰化工艺以气态的方式去除，但由于化学性质特殊，很难与抛光液反应，因此在进行化学机械研磨时，研磨速度非常缓慢，且远大于底部的半导体介质层，一方面研磨耗时较长，另一方面研磨时难以准确停滞于半导体介质层表面，容易造成底部半导体介质层表面的厚度损失。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种MEMS器件的制作方法，解决现有技术中对牺牲介质的研磨速度缓慢，且容易过研磨的问题。
本发明提供的MEMS器件的制作方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有金属互连结构；
在所述半导体衬底的表面形成第一牺牲层，所述第一牺牲层的材质为无定形碳；
刻蚀所述第一牺牲层形成第一凹槽；
在所述第一牺牲层表面覆盖形成第一介质层；
采用化学机械研磨工艺减薄所述第一介质层，直至露出所述第一牺牲层；
在所述第一牺牲层表面形成微机械结构层，并曝露出第一牺牲层，所述微机械结构层的部分与所述第一介质层连接。
所述刻蚀第一牺牲层形成第一凹槽包括：
在第一牺牲层表面形成第一掩模图形，所述第一掩模图形定义MEMS器件的第一介质层图形；
刻蚀所述第一牺牲层直至露出半导体衬底，形成所述第一凹槽；
去除所述第一掩模图形。
可选的，所述第一介质层的材质为氧化硅或氮化硅，采用化学气相沉积形成。
可选的，所述半导体衬底内还形成有第一驱动层，所述微机械结构层与其下方的第一驱动层的位置相对应。
可选的，还包括在第一介质层内形成接触孔，所述微机械结构层通过所述接触孔与所述半导体衬底内的金属互连结构电连接。
进一步的，所述MEMS器件的制作方法，还包括：
在所述微机械结构层以及第一牺牲层表面形成第二牺牲层，所述第二牺牲层的材质与第一牺牲层相同；
刻蚀所述第二牺牲层形成第二凹槽；
在所述第二牺牲层表面覆盖形成第二介质层；
采用化学机械研磨工艺减薄所述第二介质层，直至露出所述第二牺牲层；
在所述第二牺牲层的表面形成隔离层；
刻蚀所述隔离层形成通孔，所述通孔露出第二牺牲层；
通过所述通孔去除第二牺牲层以及第一牺牲层；
在所述隔离层表面形成覆盖层，且所述覆盖层覆盖通孔。
所述刻蚀第二牺牲层形成第二凹槽包括：
在第二牺牲层表面形成第二掩模图形，所述第二掩模图形定义所述MEMS器件的第二介质层图形；
刻蚀所述第二牺牲层直至露出微机械结构层或第一介质层，形成所述第二凹槽；
去除所述第二掩模图形。
可选的，所述第二介质层的材质以及形成工艺与第一介质层相同。
可选的，在形成隔离层前还包括在第二牺牲层表面形成第二驱动层以及在第二介质层以及第一介质层内形成接触孔；所述第二驱动层与其下方的微机械结构层的位置相对应；所述第二驱动层通过所述接触孔与所述半导体衬底内的金属互连结构电连接。
可选的，所述去除第一牺牲层以及第二牺牲层的方法包括：向通孔内通入氧气，采用灰化工艺去除。所述灰化工艺的温度范围为350℃～450℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：先形成牺牲介质层，并图形化所述牺牲介质层，再形成介质层的方法，避免了对无定形碳的研磨，能够缩短生产周期，极大提高了生产效率。
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，本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见，放大了层和区域的尺寸。
图1是本发明所述MEMS器件制作方法的流程示意图；
图2至图18是本发明实施例MEMS器件制作方法的剖面示意图。
具体实施方式
现有的MEMS器件制造工艺中，在制作容纳悬浮的微机械结构的空间时，通常先形成沟槽然后在所述沟槽内填充用于支撑上层结构的牺牲介质层，但当牺牲介质层的材质为诸如无定形碳的惰性物质时，极难使用常规的化学机械研磨工艺进行表面减薄处理。本发明则先形成所需厚度的牺牲介质层并图形化，以避免对其进行化学机械研磨。
图1为本发明所述MEMS器件制作方法的流程示意图，基本步骤包括：
步骤S101、提供半导体衬底；
所述半导体衬底为MEMS器件的底层半导体结构，不局限于单晶硅衬底或绝缘体上硅，所述半导体衬底内还可以包括与MEMS器件连接的底层金属互连结构、芯片或其他半导体器件等。此外，MEMS器件中用于驱动微机械结构的驱动机构，例如电极板也形成于所述半导体衬底内。
步骤S102、在所述半导体衬底的表面形成第一牺牲层，所述第一牺牲层的材质为无定形碳；
根据MEMS器件中容纳微机械结构所需的空间尺寸，选择所述第一牺牲层的厚度。例如，假设MEMS器件的微机械结构为悬臂，所述悬臂的自由行程为h，则所述第一牺牲层的厚度至少为h，以保证后续工艺去除第一牺牲层后所形成的空间具有足够的宽裕度允许悬臂的弯曲或震动。
步骤S103、刻蚀所述第一牺牲层形成第一凹槽；
所述第一凹槽用于形成微机械结构的支撑介质层以及在所述支撑介质层内制作连接所述微机械结构的接触孔，其具体尺寸应当根据上述需要进行选择。
步骤S104、在所述第一牺牲层表面覆盖形成第一介质层；
所述第一介质层不但填充于第一凹槽内，还覆盖于第一牺牲层上，以保证所述第一凹槽内被填满，而不留任何空隙。且所述第一介质层应当选择易于进行化学机械研磨的材质，例如氧化硅、氮化硅等。
步骤S105、采用化学机械研磨工艺减薄所述第一介质层，直至露出所述第一牺牲层；
由于无定形碳为惰性物质，难以与抛光液反应，因此较难进行化学机械研磨，因此可以以第一牺牲层为抛光停止层，对第一介质层进行减薄。当所述化学机械研磨停滞时，所述第一介质层仅保留位于所述第一凹槽内的部分，且顶部表面与第一牺牲层的表面相平齐。
步骤S106、在所述第一介质层以及第一牺牲层表面形成微机械结构层，并曝露出第一牺牲层。
由于第一介质层以及第一牺牲层的表面相平齐，因此很容易在上述两层的支撑下制作MEMS器件的微机械结构，例如悬梁、悬臂等。通常还需要进行相关的刻蚀工艺，例如通孔、沟槽的制作以曝露出第一牺牲层，以便于后续工艺去除所述第一牺牲层。当第一牺牲层被去除后，所述微机械结构仅被第一介质层所支撑，而其余部分下方则形成下空间，构成悬浮的状态。
此外如果MEMS器件的微机械结构需要封闭式的容纳空间以及位于所述微机械结构上方的驱动机构，则在步骤S106之后还需要进行上层的牺牲层以及相关驱动机构、隔离结构的制作工艺，以形成所述微机械结构的上空间。
以下以一个具有封闭式空间以及位于所述空间内的悬臂结构的MEMS器件的制作方法为例，进一步阐述本发明之特点。
假设本实施例所述MEMS器件为微开关，具有能够感应电场而弯曲的悬臂，所述悬臂悬浮于封闭式的真空空间内，不受外界环境影响。所述封闭空间的顶部以及底部分别设置有上电板以及下电板，作为所述悬臂的驱动机构，用于形成所述电场。图2至图18示出了上述MEMS器件的制作方法的剖面示意图。
如图2所示，提供半导体衬底，所述半导体衬底包括金属互连层100以及下电极板101。所述金属互连层100用于与本实施例所述MEMS器件的微机械结构(悬臂)电连接；所述下电极板101作为第一驱动层，位于半导体衬底的表面区域。
如图3所示，在半导体衬底表面形成第一牺牲层201，所述第一牺牲层201用于形成悬臂的下空间，其厚度不小于悬臂向下弯曲的行程。本实施例中，所述第一牺牲层201的材质为无定形碳，采用化学气相沉积形成。
如图4所示，刻蚀所述第一牺牲层201，形成第一凹槽301。所述刻蚀可以为等离子刻蚀，无定形碳虽然难以与其他物质产生化学反应，但是由于性质疏松，因此较容易被等离子刻蚀等具有物理轰击效果的干法刻蚀工艺所去除。具体的，采用光刻工艺在第一牺牲层201表面形成光刻胶掩模，并以半导体衬底为刻蚀停止层刻蚀所述第一牺牲层201，形成所需的第一凹槽301。所述第一凹槽301底部露出半导体衬底，且对准金属互连层100，以便于在第一凹槽301内制作与金属互连层100连接的接触孔。
图5为图4的俯视示意图，结合图5所示，所述第一凹槽301将第一牺牲层201分割成独立的方形区域，且在所述方形区域内、第一牺牲层201的底部对准所述下电极板101。由于位置关系的限制，图5中以虚线框示意被遮挡的下电极板101。
如图6所示，在上述半导体结构的表面形成第一介质层401，所述第一介质层401不但填充于第一凹槽301内，还覆盖于第一牺牲层201表面。所述第一介质层401的材质可以为氧化硅或氮化硅等常规的半导体介质材料，采用化学气相沉积工艺形成。
如图7所示，采用化学机械研磨，减薄所述第一介质层401直至露出第一牺牲层201的表面。由于无定形碳难以与抛光液反应，因此抛光速度极慢，上述化学机械研磨工艺很容易停滞于第一牺牲层201表面。当第一牺牲层201表面的第一介质层401被研磨完后，所述第一介质层401仅存留原第一凹槽301内的部分，且第一介质层401的顶部表面与第一牺牲层201相平齐。
如图8所示，在所述第一介质层401内制作接触孔601，所述接触孔601与半导体衬底内的金属互连层100连接。
如图9所示，在所述第一介质层401以及第一牺牲层201表面形成微机械结构层500，并曝露出所述第一牺牲层201。图10为图9的俯视示意图，结合图10所示，本实施例中所述微机械结构层500为金属材质的悬臂，其一端与第一介质层401相连接作为固定端，另一端则位于第一牺牲层201上作为自由端。所述微机械结构层500在其固定端处还通过接触孔601与半导体衬底内的金属互连层100电连接。
具体的，可以先采用物理气相沉积工艺在所述第一介质层401以及第一牺牲层201表面形成金属层，然后图形化所述金属层形成上述金属悬臂，并同时曝露出了部分第一牺牲层201的表面。
如图11所示，在上述得到的半导体结构表面形成第二牺牲层202。所述第二牺牲层202用于制作悬臂的上空间，因此至少覆盖于第一牺牲层201以及微机械结构层500的表面，其厚度不小于所述悬臂向上弯曲的行程。本实施例中，所述第二牺牲层202的材质与形成方法与第一牺牲层201完全相同，且相互连接。
如图12所示，刻蚀所述第二牺牲层202形成第二凹槽302。所述第二凹槽302底部对准第一介质层401，且露出微机械结构层500。图13为图12的俯视示意图，结合图13所示，所述第二凹槽302也将第二牺牲层202分割成方形区域，与前述第一牺牲层201相对应。所述刻蚀同样可以是等离子刻蚀。
如图14所示，在第二牺牲层202的表面覆盖形成第二介质层402，所述第二介质层402还填充于第二凹槽302内，其材质以及形成工艺可以与第一介质层401相同。
如图15所示，采用化学机械研磨，减薄所述第一介质层401直至露出第一牺牲层201的表面。同样上述化学机械研磨工艺很容易停滞于第二牺牲层202表面。当第二牺牲层202表面的第二介质层402被研磨完后，所述第二介质层402仅存留原第二凹槽302内的部分，且第二介质层402的顶部表面与第二牺牲层202相平齐。
如图16所示，在所述第二牺牲层202的表面依次形成上电极板102以及隔离层600。所述上电极板102与微机械结构层500以及下电极板101相对应，作为第二驱动层。所述下电极板101与上电极板102在MEMS器件内形成驱动电场，产生作用于微机械结构层500的电场力。此外在形成隔离层600前，还可以包括在第二介质层402以及第一介质层401内制作接触孔602的步骤，所述上电极板102通过所述接触孔602与半导体衬底中的金属互连层100电连接。
如图17所示，刻蚀所述隔离层600形成通孔，所述通孔的底部露出第二牺牲层202；然后通过所述通孔去除第二牺牲层202以及第一牺牲层201。
具体的，本实施例中可以向通孔内通入氧气，并进行灰化工艺去除第二牺牲层202以及第一牺牲层201，所述灰化工艺的温度范围为350℃～450℃。无定形碳在上述温度下能够被氧化成二氧化碳或一氧化碳气体，而通过通孔排出，上述第二牺牲介质202以及第一牺牲层201将被彻底地去除，而器件的其余部分并不会受到影响，便形成了微机械结构层500(即悬臂)的上空间以及下空间。此时所述悬臂仅有与第一介质层401以及第二介质层402连接的一端被固定，而另一端则悬浮于上述空间内，能够进行向上或向下的弯曲动作。
如图18所示，采用化学气相沉积工艺，在隔离层600的表面形成覆盖所述通孔的覆盖层601，所述覆盖层601在形成过程中很容易将隔离层600上的通孔堵塞，而不会渗入隔离层600内。当上述通孔被堵塞后，所述上空间以及下空间便构成了容纳悬臂的封闭空间。
经过以上步骤便完成本实施例的MEMS器件的制作。由此可见，在本发明所述的MEMS器件的制作中，采用先在半导体衬底表面形成牺牲层，并图形化所述牺牲层，定义MEMS器件尤其是微机械结构的形成位置，再形成MEMS器件的介质层，因此并不需要对无定形碳材质的牺牲层进行化学机械研磨减薄处理，相比于现有技术，能够缩短生产周期，极大提高了生产效率。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种MEMS器件的制作方法，其特征在于，包括： 
提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有金属互连结构； 
在所述半导体衬底的表面形成第一牺牲层，所述第一牺牲层的材质为无定形碳； 
刻蚀所述第一牺牲层形成第一凹槽； 
在所述第一牺牲层表面覆盖形成第一介质层； 
采用化学机械研磨工艺减薄所述第一介质层，直至露出所述第一牺牲层； 
在第一牺牲层表面形成微机械结构层，并曝露出第一牺牲层，所述微机械结构层的部分与所述第一介质层连接; 
在所述微机械结构层以及第一牺牲层表面形成第二牺牲层，所述第二牺牲层的材质与第一牺牲层相同； 
刻蚀所述第二牺牲层形成第二凹槽； 
在所述第二牺牲层表面覆盖形成第二介质层； 
采用化学机械研磨工艺减薄所述第二介质层，直至露出所述第二牺牲层； 
在所述第二牺牲层的表面形成隔离层； 
刻蚀所述隔离层形成通孔，所述通孔露出第二牺牲层； 
通过所述通孔去除第二牺牲层以及第一牺牲层; 
在所述隔离层表面形成覆盖层，且所述覆盖层覆盖通孔。 
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述刻蚀第一牺牲层形成第一凹槽包括： 
在第一牺牲层表面形成第一掩模图形，所述第一掩模图形定义所述MEMS器件的第一介质层图形； 
采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述第一牺牲层直至露出半导体衬底，形成所述第一凹槽； 
去除所述第一掩模图形。 
3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一介质层的材质为氧化硅或氮化硅，采用化学气相沉积形成。 
4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述半导体衬底内还形成有第一驱动层，所述微机械结构层与其下方的第一驱动层的位置相对应。 
5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在第一牺牲层表面形成微机械结构层前还包括在第一介质层内形成接触孔，所述微机械结构层通过所述接触孔与所述半导体衬底内的金属互连结构电连接。 
6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述刻蚀第二牺牲层形成第二凹槽包括： 
在第二牺牲层表面形成第二掩模图形，所述第二掩模图形定义所述MEMS器件的第二介质层图形； 
采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述第二牺牲层直至露出微机械结构层或第一介质层，形成所述第二凹槽； 
去除所述第二掩模图形。 
7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第二介质层的材质以及形成工艺与第一介质层相同。 
8.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在形成隔离层前还包括在第二牺牲层表面形成第二驱动层，所述第二驱动层与其下方的微机械结构层的位置相对应。 
9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在形成隔离层前还包括在第二介质层以及第一介质层内形成接触孔，所述第二驱动层通过所述接触孔与所述半导体衬底内的金属互连结构电连接。 
10.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述去除第一牺牲层以及第二牺牲层的方法包括：向通孔内通入氧气，采用灰化工艺去除。 
11.如权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述灰化工艺的温度范围为350℃ ～450℃ 。 
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