CN103832967B - Mems传感器的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS传感器的加工方法，包括：提供硅衬底，在其正、背面分别依次形成刻蚀阻挡层、第一电极层；对衬底正面的第一电极层作图形化；在其上分别依次形成牺牲层、第二电极层；对衬底正面的第二电极层作图形化；透过图形化的第二电极层刻蚀牺牲层形成接触孔，并在接触孔底部和第二电极层上分别形成金属接触；从衬底的背面依次刻蚀第二电极层、牺牲层、第一电极层及刻蚀阻挡层，并继续刻蚀衬底直至正面的刻蚀阻挡层才停止，形成开口向下的深槽；在衬底的正面上方涂覆光刻胶作保护，留出后续需要被刻蚀牺牲层的区域；透过图形化的第二电极层刻蚀牺牲层，并去除深槽底部的刻蚀阻挡层。本发明简化了工艺步骤，保证顺利流片并实现良好的成品率。

Description

MEMS传感器的加工方法

技术领域

本发明涉及微机电系统（MEMS）制造技术领域，具体来说，本发明涉及一种MEMS传感器的加工方法。

背景技术

目前市场上用的MEMS麦克风通常是电容式麦克风，其主要结构是一个可动的薄膜和一个几乎不动的背板。形成电容的两个电极可能是多晶硅、单晶硅、多晶硅加氮化硅的复合层、氮化硅和金属的复合层等材料。声压作用于薄膜时，薄膜根据声压强度的不同发生不同程度的位移，从而引起电容的变化，相应地输出的电压发生变化，通过放大电路就可以读出相应的声音信号。

MEMS麦克风通常是在6英寸或者8英寸线上生产，6英寸硅片的标准厚度是675μm，8英寸硅片的标准厚度是750μm。而通常MEMS麦克风产品的标准厚度比它们薄，对于如何用标准厚度的硅片实现比它们薄的产品，几乎所有的公司都采用硅片减薄的方式。即：采用标准厚度的硅片投片，完成绝大部分工艺以后，将硅片减薄到产品要求的厚度，再做其他的工艺，增加了额外的步骤。

MEMS麦克风的薄膜或者背板通常选用下述三者之一：1、复合层，其工艺相对复杂，控制难度较高；2、单层多晶硅，多晶硅薄膜通常是先淀积不掺杂的多晶硅，然后对其做注入或者扩散，形成掺杂的导体；3、单晶硅，其需要用SOI硅片或者硅片键合，这样成本非常高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种MEMS传感器的加工方法，能够简化工艺步骤，保证顺利流片并实现良好的成品率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种MEMS传感器的加工方法，包括步骤：

A.提供硅衬底；

B.在所述硅衬底的正面和背面分别形成刻蚀阻挡层；

C.在所述刻蚀阻挡层上分别形成第一电极层；

D.对所述硅衬底正面的所述第一电极层作图形化；

E.在所述第一电极层上分别形成牺牲层，所述牺牲层会嵌入所述硅衬底正面的所述第一电极层中；

F.在所述牺牲层上分别形成第二电极层；

G.对所述硅衬底正面的所述第二电极层作图形化；

H.从所述硅衬底的正面透过图形化的所述第二电极层刻蚀所述牺牲层至所述第一电极层停止，形成接触孔，并在所述接触孔底部和所述第二电极层上分别形成金属接触；

I.从所述硅衬底的背面依次刻蚀所述第二电极层、所述牺牲层、所述第一电极层以及所述刻蚀阻挡层，并继续刻蚀所述硅衬底直至所述硅衬底正面的所述刻蚀阻挡层才停止，在所述硅衬底中形成一开口向下的深槽；

J.在所述硅衬底的正面上方涂覆光刻胶作保护，留出后续需要被刻蚀的所述牺牲层的区域；

K.从所述硅衬底的正面透过图形化的所述第二电极层刻蚀所述牺牲层，并去除所述深槽底部的所述刻蚀阻挡层，在去除所述光刻胶并干燥后，形成所述MEMS传感器。

可选地，所述第一电极层和所述第二电极层均为低应力原位掺杂的多晶硅。

可选地，所述第一电极层和所述第二电极层的应力范围均是负的数百兆帕至正的数百兆帕。

可选地，所述第一电极层、所述第二电极层和/或所述牺牲层的厚度为数千埃至数万埃。

可选地，所述牺牲层的材料为氧化层。

可选地，所述牺牲层的材料为USG或者PSG。

可选地，在上述步骤I中，从所述硅衬底的背面依次刻蚀所述第二电极层、所述牺牲层、所述第一电极层以及所述刻蚀阻挡层的动作，其是带图形的逐层刻蚀或者是逐层地全部刻蚀掉。

可选地，所述刻蚀阻挡层为二氧化硅。

可选地，所述MEMS传感器为MEMS麦克风。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明这套加工方法不需要硅片减薄，以产品厚度为投片的硅片厚度，通过工艺流程优化和生产设备调整实现流片，降低了碎片的风险，减少了成本投资，提高了在线良率（lineyield）。

本发明以两层原位掺杂的多晶硅作为MEMS传感器的薄膜和背板，不需要额外的注入/扩散等掺杂工艺或者键合步骤，降低了工艺的复杂程度。

本发明由于MEMS传感器的电容的两个电极都是多晶硅，不需要SOI硅片或者硅片键合，整套工艺简单、生产成本低。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1至图10为本发明一个实施例的MEMS传感器的加工方法的工艺流程图；

图11为本发明另一个实施例的MEMS传感器的加工方法在硅衬底中形成深槽的工艺截面图。

具体实施方式

本发明主要用于MEMS麦克风等微型传感器的加工，主要涉及低应力薄膜工艺，深槽刻蚀工艺，深槽刻蚀以后特殊的光刻胶保护工艺，结构释放和干燥等关键工艺。本发明无需硅片减薄，通过特殊的薄膜应力控制技术，保证顺利流片并实现良好的成品率。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于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根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1至图10为本发明一个实施例的MEMS传感器的加工方法的工艺流程图。需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。该MEMS传感器可以为MEMS麦克风，该加工方法主要包括如下步骤：

首先，如图1所示，提供硅衬底100。

其次，如图2所示，在硅衬底100的正面和背面分别形成刻蚀阻挡层102，该刻蚀阻挡层102可以为二氧化硅。

再次，如图3所示，在硅衬底100的正、背两面的刻蚀阻挡层102上分别形成第一电极层104，该第一电极层104优选采用低应力原位掺杂的多晶硅。根据设计要求，该第一电极层104的厚度可以为数千埃至数万埃，其残余应力可以是张应力，应力范围一般是小于正的数百兆帕。

接着，如图4所示，对硅衬底100正面的第一电极层104作图形化。

再接着，如图5所示，在硅衬底100的正、背两面的第一电极层104上分别形成牺牲层106，该牺牲层106会嵌入硅衬底100正面的第一电极层104中。该牺牲层106的厚度为数千埃至数万埃，其材料可以为USG或者PSG等氧化层。

然后，在牺牲层106上分别形成第二电极层108。再然后，如图6所示，对硅衬底100正面的第二电极层108作图形化。该第二电极层108优选采用低应力原位掺杂的多晶硅。根据设计要求，该第二电极层108的厚度可以为数千埃至数万埃，其残余应力可以是张应力，应力范围一般是小于正的数百兆帕。

下一步，如图7所示，从硅衬底100的正面透过图形化的第二电极层108刻蚀牺牲层106至第一电极层104停止，形成接触孔109，并且在接触孔109底部和第二电极层108上作金属化，分别形成金属接触110。

再下一步，如图8所示，由于那些背面结构层影响应力，所以可以从硅衬底100的背面依次逐层地完全刻蚀掉第二电极层108、牺牲层106、第一电极层104以及刻蚀阻挡层102，并继续刻蚀硅衬底100直至硅衬底100正面的刻蚀阻挡层102才停止，在硅衬底100中形成一开口向下的深槽112。

又下一步，如图9所示，在硅衬底100的正面上方涂覆光刻胶113作保护，留出后续需要被刻蚀的牺牲层106的区域。由于后续的牺牲层106刻蚀时可能会损伤其他结构层，所以需要涂胶以保护其他部分。由于深槽112已经刻蚀完毕，常规的光刻技术容易碎片。采用特殊的光刻技术，可以保证深槽112刻蚀之后的硅片可以顺利实现光刻。

最后，如图10所示，从硅衬底100的正面透过图形化的第二电极层108刻蚀牺牲层106，将其释放并去除深槽112底部的刻蚀阻挡层102。在去除光刻胶113并作干燥后，形成所需要的MEMS传感器。

当然，在本发明中，于硅衬底100中形成深槽112的步骤之前，为了应对那些影响应力的背面结构层，还可以选择从硅衬底100的背面带图形地逐层刻蚀第二电极层108、牺牲层106、第一电极层104以及刻蚀阻挡层102，即在硅衬底100的背面还保留有图形化的背面结构层。然后继续刻蚀硅衬底100，直至硅衬底100正面的刻蚀阻挡层102才停止，在硅衬底100中形成一开口向下的深槽112，如图11所示。之后的步骤与前述实施例中图9和图10所描述的完全一致，就不再赘述。

本发明提出的意义在于：

1.该加工方法涉及薄膜应力控制、深槽刻蚀、牺牲层释放前的光刻胶保护、结构释放和干燥等关键工艺，无需硅片减薄，工艺简单成本低。其可以为MEMS麦克风、MEMS压力传感器等MEMS产品提供一个加工方法。

2.由于没有硅片减薄步骤，无需投资上百万的减薄设备，可以有效降低成本。另外，减薄还会带来一个碎片风险，该风险也得以避免。所以，该加工方法既有效地减少了成本投资，又可以提高在线良率（lineyield）。

3.由于采用了两层原位掺杂的多晶硅作为MEMS传感器的薄膜和背板，可以减少注入/扩散等工艺步骤，从而降低了工艺的复杂程度。

4.由于MEMS传感器的电容的两个电极都是多晶硅，不需要使用SOI硅片或者硅片键合，所以整套工艺简单、生产成本较低。

本发明虽然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修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种MEMS传感器的加工方法，包括步骤：

A.提供硅衬底(100)；

B.在所述硅衬底(100)的正面和背面分别形成刻蚀阻挡层(102)；

C.在所述刻蚀阻挡层(102)上分别形成第一电极层(104)；

D.对所述硅衬底(100)正面的所述第一电极层(104)作图形化；

E.在所述第一电极层(104)上分别形成牺牲层(106)，所述牺牲层(106)会嵌入所述硅衬底(100)正面的所述第一电极层(104)中；

F.在所述牺牲层(106)上分别形成第二电极层(108)；

G.对所述硅衬底(100)正面的所述第二电极层(108)作图形化；

H.从所述硅衬底(100)的正面透过图形化的所述第二电极层(108)刻蚀所述牺牲层(106)至所述硅衬底(100)正面的所述第一电极层(104)停止，形成接触孔(109)，并在所述接触孔(109)底部和所述第二电极层(108)上分别形成金属接触(110)；

I.从所述硅衬底(100)的背面依次刻蚀所述第二电极层(108)、所述牺牲层(106)、所述第一电极层(104)以及所述刻蚀阻挡层(102)，并继续刻蚀所述硅衬底(100)直至所述硅衬底(100)正面的所述刻蚀阻挡层(102)才停止，在所述硅衬底(100)中形成一开口向下的深槽(112)；

J.在所述硅衬底(100)的正面上方涂覆光刻胶(113)作保护，留出后续需要被刻蚀的所述牺牲层(106)的区域；

K.从所述硅衬底(100)的正面透过图形化的所述第二电极层(108)刻蚀所述牺牲层(106)，并去除所述深槽(112)底部的所述刻蚀阻挡层(102)，在去除所述光刻胶(113)并干燥后，形成所述MEMS传感器。

2.根据权利要求1所述的MEMS传感器的加工方法，其特征在于，所述第一电极层(104)和所述第二电极层(108)均为低应力原位掺杂的多晶硅。

3.根据权利要求2所述的MEMS传感器的加工方法，其特征在于，所述第一电极层(104)和所述第二电极层(108)的应力范围均是从负的数百兆帕至正的数百兆帕。

4.根据权利要求3所述的MEMS传感器的加工方法，其特征在于，所述第一电极层(104)、所述第二电极层(108)和/或所述牺牲层(106)的厚度为数千埃至数万埃。

5.根据权利要求4所述的MEMS传感器的加工方法，其特征在于，所述牺牲层(106)的材料为氧化层。

6.根据权利要求5所述的MEMS传感器的加工方法，其特征在于，所述牺牲层(106)的材料为USG或者PSG。

7.根据权利要求6所述的MEMS传感器的加工方法，其特征在于，在上述步骤I中，从所述硅衬底(100)的背面依次刻蚀所述第二电极层(108)、所述牺牲层(106)、所述第一电极层(104)以及所述刻蚀阻挡层(102)的动作，其是带图形的逐层刻蚀或者是逐层地全部刻蚀掉。

8.根据权利要求7所述的MEMS传感器的加工方法，其特征在于，所述刻蚀阻挡层(102)为二氧化硅。

9.根据权利要求8所述的MEMS传感器的加工方法，其特征在于，所述MEMS传感器为MEMS麦克风。