CN102757015B - 集成互补金属氧化物半导体-微型机电系统器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成互补金属氧化物半导体-微型机电系统器件的制造方法，包括提供具有正面和背面的衬底。在所述衬底上形成有CMOS器件。MEMS器件也形成在所述衬底上。形成MEMS器件包括在所述衬底的正面上形成MEMS机械结构。然后释放所述MEMS机械结构。保护层形成在所述衬底的正面。保护层设置在释放的MEMS机械结构上(例如保护MEMS结构)。在将保护层设置到所述MEMS机械结构上的同时处理所述衬底的背面。
Description
技术领域
本发明通常涉及一种微型机电系统(MEMS)技术，尤其涉及使用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺的MEMS器件制造。
背景技术
随着对集成CMOS和MEMS器件到单个衬底上，例如对片上系统(SOC)器件提供的益处，各种单片电路(例如单个衬底)CMOS-MEMS集成方法已经被开发出来。该集成可以提供更低的寄生效应(例如电阻、电感以及电容)、更低的成本以及/或者增加的性能。开发用于CMOS和MEMS器件集成和处理的一个方法包括使用典型的处理形成CMOS器件，并且然后形成MEMS器件。在该方法中，在MEMS形成过程中，衬底(例如晶片)的背面被处理后(例如，体硅微加工)，紧接着是对衬底前面的处理(例如表面微加工)。虽然该方法通过随后的处理目的在于产生优点，而不是损坏MEMS器件，但是它也包括缺点。该方法以及其他传统的制造工艺需要相当重要的晶片处理(例如，大量的加带(taping)、去带(de-taping)工艺)来形成最终的器件。这样的处理可以引起衬底破裂、胶合层老化以及/或者其他可能缺陷的危险。当蚀刻衬底背面(例如，体硅微加工)需要额外考虑蚀刻选择性、后蚀刻表面粗糙度问题和/或其他可能问题时，传统方法可能需要运用蚀刻停止层。
因此，需要一种改善的集成CMOS-MEMS制造方法。
发明内容
本发明提供了一种MEMS器件及其制造方法。该制造方法用于制造位于和CMOS半导体器件在相同的衬底上的MEMS器件。该制造工艺包括传统的CMOS工艺和/或CMOS兼容工艺和/或材料。制造工艺的实施例允许牺牲层形成在衬底的正面。在处理(例如图案化)晶片背面的同时，牺牲层可以保护MEMS器件、部分的MEMS器件，例如MEMS机械结构，以及/或者其他可以形成在衬底上的器件。因此，在进一步的处理中，MEMS器件可以释放，并且随后由牺牲层所保护。制造工艺可以减少衬底的处理(例如加带/去带工艺)。在后续工艺中，例如蚀刻衬底的背面，牺牲层还提供了缓冲层，从而在晶片背面的图案化过程中，减少和/或消除了MEMS器件或者部分衬底的过度蚀刻。本发明实施例的制造方法通过在制造工艺完成之后除去牺牲层，进行干蚀刻/清洁工艺来释放MEMS器件的活动结构。
根据本发明的一个实施例提供了一种方法，该方法包括提供具有正面和背面的衬底。在所述衬底上形成有CMOS器件。MEMS器件也形成在所述衬底上。通过在所述衬底的正面形成MEMS机械结构(例如设计用来移动的元件)，形成MEMS器件。然后释放所述MEMS机械结构(例如除去包围材料，从而该结构能够移动)。保护层形成在所述衬底的正面，并设置在释放的MEMS机械结构上。在保护层沉积到所述MEMS机械结构上的同时处理(例如蚀刻)所述衬底的背面。
根据本发明的另一个实施例的制造器件的方法，包括如下步骤：提供具有正面和背面的衬底；在所述衬底的正面形成微型机电系统MEMS器件的可移动元件；释放所述可移动元件；在所述衬底的正面沉积牺牲层，其中所述牺牲层包围所述可移动元件；将所述衬底的正面附加到处理晶片上，其中所述附加所述衬底的正面的步骤包括施加胶合层到所述牺牲层上；在所述衬底的正面附加到所述处理晶片上的同时蚀刻所述衬底的背面；以及从所述衬底上除去所述处理晶片、所述胶合层以及所述牺牲层。
根据本发明又一个实施例的方法，包括如下步骤：提供包括正面和背面的衬底；在所述衬底的正面形成晶体管；在所述衬底的正面形成MEMS结构；蚀刻所述衬底的正面，以释放所述MEMS结构；在所述衬底的正面形成牺牲层，其中所述牺牲层形成在所述释放的MEMS结构上；平整化所述牺牲层，以形成第一表面；将所述第一表面附加到处理晶片上；蚀刻所述衬底的背面以曝光所述牺牲层；以及从所述衬底上除去所述牺牲层。
附图说明
图1为本发明实施例的集成CMOS-MEMS制造方法流程图；
图2-10为根据图1方法步骤显示器件实施例的剖视图；
图11为利用传统工艺制造的MEMS器件实施例的剖视图；
图12为可以使用图1的方法制造的MEMS器件实施例的剖视图；
图13为集成(例如单片)CMOS-MEMS器件实施例的剖视图。
具体实施方式
本发明通常涉及MEMS器件的形成，尤其涉及在包括CMOS电路的半导体衬底上形成MEMS器件的方法。但是，应当理解下文提供了许多不同的实施例或例子用于执行本发明的不同结构。下面将描述特定例子的部件和设置，以简化本发明公开。当然，这些仅仅是示例，并且不确定局限于此。此外，在不同例子中本发明公开可以重复参考数字和/或字母。这些重复是为了简化和清楚的目的，此外，关于第一层“在第二层上”、“覆盖在第二层上面”(及类似描述)的描述包括第一层与第二层直接接触的实施例，以及一个或多个层嵌入到第一层和第二层之间的实施例。本发明公开涉及MEMS器件，但是本领域普通技术人员将发现其他可以从本发明公开受益的可行技术例如纳米型机电系统(NEMS)器件。并且，阐述的MEMS器件结构或设计仅仅为示例性，目的不在于以任何方式限制于此。
图1提供了制造MEMS器件的方法100的流程图。图2-10显示了根据图1方法的MEMS器件的实施例。方法100提供用于CMOS-MEMS集成制造工艺。本领域普通技术人员应当意识到，另外的步骤可以包含在方法100中和/或从方法100中省略。方法100和对应的图2-10仅为示例，目的不在于限制本发明。例如，图2-10描述的MEMS器件结构仅仅为例子，并且类似的方法可以用于形成MEMS器件。CMOS电路可以包含在图2-10描述的器件中。
方法100开始是步骤102，该步骤中MEMS结构形成在衬底(例如半导体晶片)的正面。应当注意到，词语“前”和“后”仅仅是相对的，并非提供绝对方向。参考图2的例子，图中所示为其上形成有MEMS器件204(全部或部分的MEMS器件)的衬底202。衬底202也可以包括一个或多个CMOS器件，例如晶体管(例如N型金属氧化半导体NMOS和/或P型金属氧化半导体PMOS)。衬底202可以包括与晶体管相关的电路，例如互连层(例如金属线和通孔)以及层间电介质层(ILD)。在一个实施例中，衬底202为结晶结构的硅。在替代实施例中，衬底202可以包括其他基本半导体，例如锗，或者包括化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟以及磷化铟。衬底202可以包括绝缘体上硅(SOI)衬底。一个或多个绝缘结构可以形成在衬底202上。
MEMS器件204包括多个形成在金属、多晶硅、电介质和/或其他公知的材料上的多种元件。MEMS器件204可以包括通常使用在传统CMOS制造工艺中的材料。在图示实施例中，MEMS器件204包括金属元件206和多晶硅元件208。电介质层210设置在衬底202上。在一个实施例中，电介质层210包括氧化物。但是，根据希望的功能性，任何配置的MEMS器件都是可行的。一个或多个描述的元件可以被设计用来提供MEMS器件的MEMS机械结构。MEMS机械结构包括操作用于机械运动的结构或元件(例如，选定的金属元件206)。MEMS器件204可以使用CMOS制造中所用的典型工艺形成，例如光刻、蚀刻工艺(例如湿蚀刻、干蚀刻、等离子体蚀刻)、沉积工艺、平整工艺和/或其他合适的工艺。
方法100然后前进到步骤104，在该步骤中执行蚀刻工艺，以曝光MEMS器件或者其部分。步骤104可以包括光刻步骤，来限定用于蚀刻工艺的图案。蚀刻工艺可以除去曝光MEMS器件的一或多个元件的电介质(例如氧化物)。参考图3的例子，电介质层210被蚀刻，金属元件206被曝光。金属元件206可以是MEMS机械结构的一部分(例如，金属元件206可以是MEMS器件的可移动部件)。
然后，方法100继续到步骤106，在该步骤中，蚀刻衬底以释放MEMS器件的机械结构。在一个实施例中，大约5到20μm的衬底被蚀刻。蚀刻可以是各向同性蚀刻(例如，硅)。MEMS机械结构及其元件的释放可以包括除去包围材料，这样MEMS机械结构或者其元件能够移动。参考图4的例子，蚀刻衬底202，从而释放MEMS器件204的MEMS机械结构。
接着是方法100的步骤108，在该步骤中，牺牲层沉积在衬底上。牺牲层可以沉积在MEMS器件上，并保护MEMS器件免于后续的处理，因此作为保护层。尤其是，牺牲层可以保护MEMS机械结构(例如，MEMS器件的活动元件)防止由后续处理造成损坏。牺牲层可以使用现有公知的沉积工艺形成，例如旋涂、物理气相沉积和/或其他合适工艺。可以执行化学机械抛光(CMP)工艺来形成牺牲层的平坦表面。在替代实施例中，蚀刻工艺，例如等离子体蚀刻可以用来平整衬底以及牺牲层。牺牲层可以沉积在MEMS器件形成区域的衬底上。在一个实施例中，牺牲层也可以形成在包括CMOS器件的部分衬底上方。
参考图5的例子，牺牲层502形成在衬底202上。牺牲层502可以保护(例如包住)MEMS器件204。尤其，牺牲层502可以保护(例如包住)MEMS机械结构。牺牲层502可以包括聚合物材料。在一个实施例中，牺牲层502包括光致抗蚀剂。在一个实施例中，牺牲层502包括光致抗蚀剂的聚合物(例如，但是不包括光敏成分，例如光酸发生剂PAG元素)。在一个实施例中，牺牲层502位于大约5到6μm之间。在一个实施例中，牺牲层502位于大约8到9μm之间。牺牲层502因此可以限制和/或消除MEMS机械结构的移动。
方法100然后前进到步骤110，在该步骤中，准备衬底用于减薄和背面处理。步骤110可以包括翻转(flipping)衬底，胶合工艺(例如，对衬底加带)，将衬底装载到处理衬底上(在此成为“处理晶片”)，以及/或者减薄衬底，例如使用研磨器执行后磨平(lapping)工艺。在一个实施例中，目标衬底(例如，上面形成有MEMS器件)被减薄到大约50到400μm。在普通CMOS工艺中提供的衬底可以是大约725μm。胶合工艺可以包括加带(例如有机材料)或者临时粘结(例如，无机材料)。参考图6的例子，翻转衬底202，从而衬底的背面暴露用于处理。胶合层602附加到衬底的正面。在一个实施例中，胶合层602附加到牺牲层502的表面。使用胶合层602，将处理衬底604贴合到衬底202上。
接着是方法100的步骤112，该步骤中衬底的背面被蚀刻。使用一个或多个工艺，包括光刻和/或蚀刻工艺，将衬底背面的图案进行蚀刻。在一个实施例中，使用光刻和/或蚀刻工艺形成包括空穴的第一图案，并且接着利用第二光刻和蚀刻工艺形成包括开口图案的第二图案。蚀刻工艺可以除去部分的衬底(例如硅晶片)。在方法100的其他实施例中，可以在衬底的背面执行其他合适工艺。
参考图7和图8的例子，图中显示在衬底202的背面形成图案。在图7中，空穴702形成在衬底202的背面。在蚀刻深度位于大约500到700μm的情况下，对准公差可以低于大约2μm。在图8中，形成有开口图案802。开口图案802形成在空穴图案702中。开口图案802可以曝光部分牺牲层502。
请注意，牺牲层502可以提供保护MEMS器件204免于经受背面处理(以及保护胶合层602和处理衬底604)。在衬底202背面的蚀刻过程中，牺牲层502可以作为缓冲层。例如，在形成开口图案802的过程中，牺牲层502保护MEMS结构，例如下面结合图10描述的活动部件(MEMS机械结构)1002，和/或保护衬底202被过度蚀刻。由于层502是牺牲的，因此牺牲层502蚀刻的数量和/或均匀性可以是非关键的。由于MEMS器件(例如尤其是MEMS机械结构)的任何蚀刻可能是关键的，例如下文结合图12的描述，因此牺牲层502可以使得工艺的使用者避免考虑(例如在开口图案802的制造过程中)蚀刻选择性和/或晶片层一致性，这在没有牺牲层的情况下处理衬底背面时可能出现。
方法100接下来是步骤114，在该步骤中，从衬底上除去牺牲层。牺牲层的移除可以释放MEMS器件的MEMS机械结构。牺牲层可以使用干清洁工艺、等离子体蚀刻(例如O2等离子体蚀刻)以及/或者其他合适工艺除去。参考图9的实施例，牺牲层502从衬底202上除去。MEMS器件204被释放。
下面是方法100的步骤116，在该步骤中，从处理衬底上除去衬底。可以翻转衬底，从而“正面”朝上。包括封装器件的后续步骤可以执行。参考图10的例子，除去处理衬底604。胶合层602也可以从衬底202上除去。
由于MEMS器件204被释放，例如提供了包括金属元件206的MEMS机械结构(或活动部件)。MEMS器件204还包括可以利用标准CMOS处理形成的堆叠膜1006和紧固元件1004。但是，任何MEMS器件设计都是可能的。
因此，在一个实施例中，方法100规定了执行标准CMOS处理，例如在衬底(例如晶体管)上形成一个或多个CMOS和MEMS器件。在形成CMOS器件和/或相关电路之后，执行蚀刻工艺，以图案化和释放也形成在衬底上的主要MEMS机械结构。牺牲材料，例如光致抗蚀剂然后沉积到衬底上。牺牲材料可以部分或完全地填充衬底的蚀刻区域。因此，牺牲材料可以保护MEMS器件，并且尤其是MEMS机械结构免于后续处理。在平整牺牲材料之后，衬底可以附加到处理衬底上。例如使用胶合工艺将衬底的正面结合到处理衬底上。在胶合之后，可以对衬底背面执行进一步的处理，例如，本领域公知的蚀刻和光刻工艺。在随后的背面处理过程中，MEMS结构由牺牲层保护。
虽然如上所述，在晶片正面充分或者几乎充分处理之后，进行了背面处理，但是其他实施例也是可行的。此外，图示为在MEMS器件制造之前制造CMOS器件的方法，但是其他实施例也是可行的。
例如，在方法100的代替实施例中，可以需要两个阶段的晶片处理(例如，结合到处理衬底上)。例如，处理衬底可以粘结到衬底的正面(例如目标衬底或者上面形成有MEMS器件的衬底)，并且衬底的背面被处理。因此，目标衬底的背面粘结到处理衬底上以及处理的晶片正面。方法100的替代实施例可以包括使用牺牲层来保护MEMS器件或者其部分。在这些实施例中，牺牲层保护MEMS器件或其部分(例如，包括释放的可移动元件)免于后续处理。
方法100可以与需要额外处理步骤的其他实施例的单片CMOS-MEMS制造工艺流程进行比较。在这样的实施例中，有关MEMS器件形成的工艺可以在晶片的正面执行。但是MEMS器件没有释放。然后，翻转衬底并附加到处理晶片上。然后可以减薄晶片，并且在晶片的背面执行各种工艺(例如光刻和蚀刻)。接着，从处理衬底上移去晶片。晶片随后再次附加到处理衬底上，这样暴露出晶片的正面用于处理。然后，执行各种工艺来图案化晶片的正面，尤其是释放MEMS器件。在释放MEMS器件之后，从处理衬底上除去晶片。因此，相比方法100，这些实施例需要晶片处理工序执行两次——第一次将晶片的正面附加到处理衬底上，以处理晶片的背面，并且然后再次将晶片背面附加到处理衬底上，以处理晶片的正面——例如，释放MEMS器件。该额外处理可以导致制造工艺的危险和成本增加。相比，方法100考虑到在MEMS器件元件形成的同时进行释放，如果希望的话。
现在参考图11和图12，分别显示了MEMS器件1100和1200。MEMS器件1200包括衬底1202、金属元件1204、电介质元件1206以及多晶硅元件1208。MEMS器件1200可以使用上述结合图1描述的工艺形成。衬底1202和元件1204、1206以及1208可以分别与衬底202以及元件206、210和208基本类似，这些元件上文已经给出详细描述。MEMS器件1200显示MEMS机械结构的活动元件1210形成基本为矩形的形状。MEMS器件1200还显示设置在衬底1202中提供的开孔之间的一致的衬底元件1212。
MEMS器件1200可以与MEMS器件1100比较，后者显示出MEMS器件1100的活动部件元件1102中存在过蚀刻症状。由于MEMS器件1100使用工艺形成，其中该工艺中通过在衬底1104背面处理之后(例如形成图案1106)进行对衬底1104进行蚀刻而释放MEMS器件1100，因此过蚀刻可能出现。在衬底1104背面的处理过程中，活动部分元件1102的某些区域(例如包含在活动部分元件1102中的电介质层)可以非刻意地处理，以变得易于蚀刻。当蚀刻衬底1104来释放MEMS器件1100时，蚀刻可能破坏活动部分元件1102(例如包含在活动部分元件1202中的电介质层)。衬底1104也可能被过度蚀刻。
现在参考图13，图示的器件1300包括CMOS部分1302和MEMS部分1304。器件1300可以使用上述结合图1描述的方法100或其部分形成。器件1300显示晶体管器件以及设置在CMOS部分1302中的相关电路(例如互连结构)以及设置在MEMS部分1304中的MEMS器件中。CMOS部分1302和MEMS部分1304位于相同衬底202上(例如器件1300为集成或单片CMOS-MEMS器件)。器件1300仅为示例性，任何配置的器件、MEMS器件的设计等也可以提供。MEMS部分1304的器件的活动部件、紧固件以及CMOS膜堆叠可以基本上类似于上述结合图10描述的元件1002、紧固元件1004以及膜堆叠1006。晶片背面空穴图案可以基板上与上文结合图1的步骤112描述的图案类似。
Claims (6)
1.一种制造器件的方法，包括如下步骤：
提供具有正面和背面的衬底；
在所述衬底的正面形成MEMS器件的可移动元件；
释放所述可移动元件；
在所述衬底的正面沉积牺牲层，其中所述牺牲层包围所述可移动元件；
将所述衬底的正面附加到处理晶片上，其中所述附加所述衬底的正面的步骤包括施加胶合层到所述牺牲层上；
在所述衬底的正面附加到所述处理晶片上之后蚀刻所述衬底的背面；以及
从所述衬底上除去所述处理晶片、所述胶合层以及所述牺牲层；
其中，在去除所述牺牲层时，在所述衬底的背面形成空穴图案，并在所述空穴图案中形成开口图案。
2.如权利要求1所述的制造器件的方法，还包括：
在所述衬底的正面形成晶体管。
3.如权利要求1所述的制造器件的方法，其中在形成所述MEMS器件的同时，所述衬底的背面未附加到处理晶片上。
4.一种制造器件的方法，包括如下步骤：
提供包括正面和背面的衬底；
在所述衬底的正面形成晶体管；
在所述衬底的正面形成MEMS结构；
蚀刻所述衬底的正面，以释放所述MEMS结构；
在所述衬底的正面形成牺牲层，其中所述牺牲层形成在释放的MEMS结构上；
平整化所述牺牲层，以形成第一表面；
将所述第一表面附加到处理晶片上；
蚀刻所述衬底的背面以曝光所述牺牲层；以及
从所述衬底上除去所述牺牲层；
其中，在去除所述牺牲层时，在所述衬底的背面形成空穴图案，并在所述空穴图案中形成开口图案。
5.如权利要求4所述的制造器件的方法，其中所述蚀刻所述衬底的背面的步骤包括蚀刻部分的所述牺牲层。
6.如权利要求4所述的制造器件的方法，其中所述MEMS结构包括包含金属和电介质的元件。
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