CN102616731B

CN102616731B - Mems器件的制造方法

Info

Publication number: CN102616731B
Application number: CN201210085879.5A
Authority: CN
Inventors: 黎坡
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN102616731A

Abstract

一种MEMS器件的制造方法，包括：提供衬底，所述衬底具有固定部件；在所述衬底上形成图形化的牺牲层；形成覆盖所述图形化的牺牲层和衬底的介质层；图形化所述介质层，使位于所述图形化的牺牲层上的介质层中以及位于衬底上的介质层中各至少包括一个开口，以暴露部分图形化的牺牲层和衬底；对暴露出的部分衬底进行腐蚀，至在所述衬底中形成水平方向宽度大于所述位于衬底上介质层中开口宽度的孔洞；去除所述图形化的牺牲层；在所述介质层上沉积覆盖材料，形成覆盖层，所述覆盖材料填满位于衬底上介质层中开口以及衬底中的孔洞。本发明MEMS器件的制造方法能够有效提高所制造MEMS器件的稳定性和可靠性。

Description

MEMS器件的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体的，本发明涉及一种微机电系统器件的制造方法。

背景技术

随着技术的发展，消费型电子器件变得越来越小，而其性能和功用却越来越强。这在消费型电子产品如移动电话、笔记本电脑、MP3播放器和个人数字助理(PDA)所使用的技术中非常明显。例如，移动电话工业的需求正驱使元件在伴随着功能提高和成本下降的同时而变得越来越小。

微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，简称MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种融合了硅微加工、半导体工艺以及精密机械加工等多种制造技术，并应用现代信息技术制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有明显的优势。完整的微机电系统是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口以及电源等部件组成的一体化、功能化的微型器件系统。

微机电系统中的微传感器大都具有薄膜、质量块、悬臂梁等微结构。传统的硅膜制备方法多用表面牺牲层工艺，即先利用各种沉积工艺，如低压气相沉积(LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD)、等离子体气相沉积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)及溅射、蒸发等物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)在衬底上制作牺牲层，然后再采用与沉积牺牲层相同的工艺在牺牲层上制作覆盖层，最后，将覆盖层下方的牺牲层用腐蚀、刻蚀等方法去除，即形成可移动的微结构。

对于微结构为一密闭空腔的微机电系统器件，在微结构形成后，如果后续制程中再次出现高温过程时，微结构内因气体膨胀而气压上升，由于覆盖层与衬底的材料不相同，导致覆盖层与衬底表面的应力不相同以及覆盖层与衬底接缝处存在缺陷。当微结构内气压大于气压阈值时，覆盖层与衬底从两者的接缝处剥离，在覆盖层与衬底彻底剥离时，所制造微机电系统器件的稳定性和可靠性变差，甚至失效。另外，由于微机电系统在应用方面的特殊性，如需求低应力、高温、高压环境，因此对位于原牺牲层上覆盖层的要求也非常苛刻。对于现有工艺制作的微机电系统器件，当使用过程中温度过高时，微结构内部压强也相应变大，当微结构内压强大于气压阈值时，也会致使覆盖层与衬底从两者的接缝处剥离，影响了微机电系统器件的稳定性和可靠性。

在申请号为200980129383.X的中国专利申请中可以发现更多关于现有技术制造MEMS器件方法的信息。

因此，如何提供一种制造稳定性或可靠性较好的MEMS器件的技术，就成了亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种MEMS器件的制造方法，避免在制造或使用MEMS器件的过程中，高温导致位于原牺牲层上的覆盖层从衬底上剥离，提高所制造MEMS器件的稳定性和可靠性。

为解决上述问题，本发明提供了一种MEMS器件的制造方法，包括：提供衬底，所述衬底具有固定部件；在所述衬底上形成图形化的牺牲层；形成覆盖所述图形化的牺牲层和衬底的介质层；图形化所述介质层，使位于所述图形化的牺牲层上的介质层中以及位于衬底上的介质层中各至少包括一个开口，以暴露部分图形化的牺牲层和衬底；对暴露出的部分衬底进行腐蚀，至在所述衬底中形成水平方向宽度大于所述位于衬底上介质层中开口宽度的孔洞；去除所述图形化的牺牲层；在所述介质层上沉积覆盖材料，形成覆盖层，所述覆盖材料填满位于衬底上介质层中开口以及衬底中的孔洞。

可选的，所述牺牲层的材质为碳，在所述衬底上形成图形化的牺牲层包括：在所述衬底上依次沉积牺牲层和光刻胶层；图形化所述光刻胶层，形成光刻胶图形；以所述光刻胶图形为掩模，图形化所述牺牲层，形成图形化的牺牲层。

可选的，所述介质层的材质为硅、锗或锗硅。

可选的，所述介质层包括覆盖所述图形化的牺牲层和衬底的第一介质层和位于第一介质层上的第二介质层，所述第一介质层的材质为硅、锗或锗硅，所述第二介质层的材质为氮氧化硅。

可选的，所述衬底的材质为二氧化硅。

可选的，通过缓冲氢氟酸(BufferedOxideEtch，简称BOE)溶液对暴露出的部分衬底进行腐蚀。

可选的，所述缓冲氢氟酸溶液中HF和NH₄F的体积比在1∶5到1∶10范围内，所述缓冲氢氟酸溶液的温度在10～50摄氏度范围内，所述湿法清洗的时间在10～200秒范围内。

可选的，通过灰化工艺去除所述图形化的牺牲层。

可选的，所述覆盖层的材质为二氧化硅。

可选的，所述覆盖层通过常压化学气相沉积工艺沉积。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在形成MEMS器件中覆盖层的过程中，先在位于衬底上的介质层中形成开口，然后对位于衬底上介质层开口下方的衬底进行腐蚀，以在衬底中形成水平方向宽度大于位于衬底上介质层中开口宽度的孔洞，然后再沉积覆盖材料，使覆盖材料填满衬底上介质层中开口以及衬底中孔洞。由于位于衬底孔洞中覆盖材料水平方向宽度大于位于衬底上介质层开口中覆盖材料水平方向宽度，改善了覆盖层与衬底的结合度，在MEMS器件中微结构内气压大于气压阈值、覆盖层与衬底从两者接缝处剥离时，孔洞中覆盖材料起到栓塞作用，防止所制造的MEMS器件在高温条件下制造或使用时，位于介质层上的覆盖层与衬底在两者接缝处发生剥离，提高了所制造MEMS器件的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明MEMS器件的制造方法一实施方式的流程示意图；

图2至图8为本发明一实施例中MEMS器件的制造方法所形成各阶段MEMS器件的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

正如背景技术部分所述，现有技术在高温环境中制造或使用MEMS器件时，会导致微结构内部因气体膨胀而气压变大，当微结构内气压大于气压阈值时，覆盖层与衬底从两者的接缝处剥离，在覆盖层彻底与衬底剥离时，所制造MEMS器件的稳定性和可靠性变差，甚至失效。

针对上述缺陷，本发明提供了一种半导体器件的制造方法，包括：提供衬底，所述衬底具有固定部件；在所述衬底上形成图形化的牺牲层；形成覆盖所述图形化的牺牲层和衬底的介质层；图形化所述介质层，使位于所述图形化的牺牲层上的介质层中以及位于衬底上的介质层中各至少包括一个开口，以暴露部分图形化的牺牲层和衬底；对暴露出的部分衬底进行腐蚀，至在所述衬底中形成水平方向宽度大于所述位于衬底上介质层中开口宽度的孔洞；去除所述图形化的牺牲层；在所述介质层上沉积覆盖材料，形成覆盖层，所述覆盖材料填满位于衬底上介质层中的开口以及衬底中的孔洞。

本发明MEMS器件的制造方法通过使位于衬底孔洞中覆盖材料水平方向宽度大于位于衬底上介质层开口中覆盖材料水平方向宽度，改善了覆盖层与衬底的结合度，在MEMS器件中微结构内气压大于气压阈值，覆盖层与衬底从两者接缝处剥离时，孔洞中覆盖材料起到栓塞作用，防止所制造的MEMS器件在高温条件下制造或使用时，位于介质层上的覆盖层与衬底在两者接缝处发生剥离，提高了所制造MEMS器件的稳定性和可靠性。

下面结合附图进行详细说明。

参考图1，为本发明MEMS器件的制造方法一实施方式的流程示意图，包括：

步骤S1，提供衬底，所述衬底具有固定部件；

步骤S2，在所述衬底上形成图形化的牺牲层；

步骤S3，形成覆盖所述图形化的牺牲层和衬底的介质层；

步骤S4，图形化所述介质层，使位于所述图形化的牺牲层上的介质层中以及位于衬底上的介质层中各至少包括一个开口，以暴露部分图形化的牺牲层和衬底；

步骤S5，对暴露出的部分衬底进行腐蚀，至在所述衬底中形成水平方向宽度大于所述位于衬底上介质层中开口宽度的孔洞；

步骤S6，去除所述图形化的牺牲层；

步骤S7，在所述介质层上沉积覆盖材料，形成覆盖层，所述覆盖材料填满位于衬底上介质层中的开口以及衬底中的孔洞。

图2至图8为本发明一实施例中MEMS器件的制造方法所形成各阶段MEMS器件的示意图，结合参考图1和图2至图8详述本发明MEMS器件的制造方法。

结合参考图1和图2，执行步骤S1，提供衬底100，所述衬底100具有固定部件102。在本实施例中，固定部件102位于衬底100内，在其他实施例中，固定部件102还可以位于衬底100上。

MEMS器件通常均包括固定部件和可动部件，通过可动部件相对于固定部件的移动以达到一定的功能。由于MEMS器件的多样性，其固定部件和可动部件的结构也呈现多样性。具体的，衬底100的材料以及衬底100内具有的器件结构以及固定部件102的具体结构均需要根据实际的MEMS器件的种类进行确定。例如，在MEMS器件为微机电传感器时，固定部件102即为微机电传感器中的下极板；在MEMS器件为MEMS光阀时，固定部件102为MEMS光阀中的固定光栅。

本实施例中，所述衬底100的材质为二氧化硅。在其它实施例中，所述衬底100的材质还可以为硅。

结合参考图1和图3，执行步骤S2，在所述衬底100形成图形化的牺牲层104。在所述衬底100上形成图3中图形化的牺牲层104时，可包括以下步骤：

首先，在所述衬底100上依次沉积牺牲层(图未示)和光刻胶层(图未示)。其中，所述牺牲层的材质为碳，可通过化学气相沉积(CVD)工艺沉积，所述牺牲层覆盖衬底100。所述牺牲层的厚度需要根据实际需要形成的MEMS器件的种类进行确定。

接着，根据后续形成的可动部件的结构，图形化所述光刻胶层，形成光刻胶图形(图未示)，以确保形成的可动部件的结构以及可动部件与衬底100的固定连接；

最后，以所述光刻胶图形为掩模，图形化所述牺牲层，形成图形化的牺牲层104。

需要说明的是，此处图形化的牺牲层104只起到示意性作用，实际图形化的牺牲层104的图形会根据实际的器件结构进行相应的调整。图形化牺牲层后，去除了一部分牺牲层材料，去除牺牲层的位置露出了衬底100。图3中示意为暴露出衬底100，在之后形成介质层时，介质层会覆盖衬底100以及图形化的牺牲层104，与衬底100接触的介质层部分作为可动部件与衬底100的连接部件，该连接部件起到支撑可动部件的作用。

结合参考图1和图4，执行步骤S3，形成覆盖所述图形化的牺牲层104和衬底100的介质层107。

本实施例中，所述介质层107包括覆盖所述图形化的牺牲层104和衬底100的第一介质层106和位于第一介质层106上的第二介质层108，所述第一介质层106的材质为硅、锗或锗硅。

具体的，当所述第一介质层106的材质为硅或锗时，形成所述第一介质层106的方法可以为低温沉积工艺；当所述第一介质层106的材质为锗硅时，形成所述第一介质层106的方法可以为低压化学气相沉积。本发明并不限制第一介质层106的沉积工艺。

所述第二介质层108的材质为氮氧化硅，以在后续工艺中保护所述第一介质层106。形成所述第二介质层108的工艺在此不作限制。

在其他实施例中，所述介质层还可以只包括上述第一介质层106，即所述介质层的材质为硅、锗或锗硅。

结合参考图1和图5，执行步骤S4，图形化所述介质层107，使位于所述图形化的牺牲层104上的介质层107a中至少包括一个开口202，以暴露部分图形化的牺牲层104，进而利于后续牺牲层104的去除；使位于衬底100上的介质层107b中至少包括一个开口204a，以暴露部分衬底100，进而利于后续工艺中对暴露出的部分衬底100进行腐蚀。

本实施例中，介质层107a包括第一介质层106a和第二介质层108a，作为所形成MEMS器件的可动部件；而介质层107b包括第一介质层106b和第二介质层108b，作为衬底100与可动部件的连接部件，起到支撑可动部件的作用。所述图形化介质层107的方法为刻蚀。可动部件的具体结构均需要根据实际MEMS器件的种类进行确定。例如，在MEMS器件为微机电传感器时，可动部件为微机电传感器中的上极板；在MEMS器件为MEMS光阀时，可动部件为MEMS器件中的可动光栅。

在实际情况中，根据MEMS器件种类的不同，可动部件可能是导电部件，也可能是不导电部件。

结合参考图1和图6，执行步骤S5，对暴露出的部分衬底100进行腐蚀，至在所述衬底100中形成水平方向宽度n大于所述位于衬底上介质层107b中开口204a的宽度m的孔洞206。

具体的，当所述衬底100的材质为二氧化硅时，通过缓冲氢氟酸(BufferedOxideEtch，简称BOE)溶液对所述衬底100进行腐蚀。所述缓冲氢氟酸溶液中HF和NH₄F的体积比在1∶5到1∶10范围内，所述缓冲氢氟酸溶液的温度在10～50摄氏度范围内，所述湿法清洗的时间在10～200秒范围内。

通过缓冲氢氟酸溶液对暴露出的部分衬底100进行腐蚀，以去除部分位于开口204a下方衬底100，在衬底100中形成孔洞206。

结合参考图1和图7，执行步骤S6，去除所述图形化的牺牲层104。在本实施例中，通过灰化(Ashing)工艺去除所述图形化的牺牲层104。

在其他实施例中，所述图形化的牺牲层104还可采用本领域技术人员公知的其他材料替代。本发明并不限制牺牲层104的材料，相应的，本发明也不限制去除图形化的牺牲层104的工艺。

结合参考图1、图6至图8，执行步骤S7，在所述介质层107(包括第一介质层106和第二介质层108)上沉积覆盖材料(图未示)，形成覆盖层110，所述覆盖材料填满位于衬底100上介质层107中的开口204a以及位于衬底100中的孔洞206。所述覆盖层110的材质可以为二氧化硅，所述覆盖层110通过常压化学气相沉积(AtmosphericPressureChemicalVaporDeposition，简称APCVD)工艺沉积。

由于介质层107b中开口204a在水平方向上的宽度m小于衬底100中孔洞206在水平方向上的宽度n(即m＜n)，相应的，沉积于孔洞206中覆盖材料在水平方向上的宽度大于沉积于开口204a中覆盖材料在水平方向上的宽度。因此，当温度过高导致正在制造或使用的MEMS器件中微结构内气压大于气压阈值，覆盖层110与衬底100从两者接缝处剥离时，衬底100中的覆盖材料起到栓塞作用，保障覆盖层110不与第二介质层108或衬底100剥离，提高了所制造MEMS器件的稳定性和可靠性。

需要说明的是，本发明中气压阈值为MEMS器件微结构中覆盖层与衬底接缝处所能承受的最大气压值。

本发明MEMS器件可以为各种MEMS器件，例如可以为MEMS开关、MEMS光阀等。

综上，本发明MEMS器件的制造方法通过使位于衬底孔洞中覆盖材料水平方向宽度大于位于衬底上介质层开口中覆盖材料水平方向宽度，改善了覆盖层与衬底的结合度，在MEMS器件中微结构内气压大于气压阈值，覆盖层与衬底从两者接缝处剥离时，孔洞中覆盖材料起到栓塞作用，防止所制造的MEMS器件在高温条件下制造或使用时，位于介质层上的覆盖层与衬底在两者接缝处发生剥离，提高了所制造MEMS器件的稳定性和可靠性。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种MEMS器件的制造方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底具有固定部件；

在所述衬底上形成图形化的牺牲层；

形成覆盖所述图形化的牺牲层和衬底的介质层；

图形化所述介质层，使位于所述图形化的牺牲层上的介质层中以及位于衬底上的介质层中各至少包括一个开口，以暴露部分图形化的牺牲层和衬底；

对暴露出的部分衬底进行腐蚀，至在所述衬底中形成水平方向宽度大于所述位于衬底上介质层中开口宽度的孔洞；

去除所述图形化的牺牲层；

在所述介质层上沉积覆盖材料，形成覆盖层，所述覆盖材料填满位于衬底上介质层中开口以及衬底中的孔洞。

2.如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为碳，在所述衬底上形成图形化的牺牲层包括：

在所述衬底上依次沉积牺牲层和光刻胶层；

图形化所述光刻胶层，形成光刻胶图形；

以所述光刻胶图形为掩模，图形化所述牺牲层，形成图形化的牺牲层。

3.如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述介质层的材质为硅、锗或锗硅。

4.如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述介质层包括覆盖所述图形化的牺牲层和衬底的第一介质层和位于第一介质层上的第二介质层，所述第一介质层的材质为硅、锗或锗硅，所述第二介质层的材质为氮氧化硅。

5.如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述衬底的材质为二氧化硅。

6.如权利要求5所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，通过缓冲氢氟酸溶液对暴露出的部分衬底进行腐蚀。

7.如权利要求6所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述缓冲氢氟酸溶液中HF和NH4F的体积比在1:5～1:10范围内，所述缓冲氢氟酸溶液的温度在10～50摄氏度范围内，湿法清洗的时间在10～200秒范围内。

8.如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，通过灰化工艺去除所述图形化的牺牲层。

9.如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述覆盖层的材质为二氧化硅。

10.如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述覆盖层通过常压化学气相沉积工艺沉积。