CN105197871A - Mems器件及其制造方法 - Google Patents

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陈向东
刘琛
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本发明提供了一种MEMS器件及其制造方法，该器件包括：基底；布线埋层，位于所述基底上，所述布线埋层图形化为一个或多个布线图形；牺牲层，位于所述基底上，所述牺牲层中具有空腔，所述布线图形的至少一部分位于所述空腔内；运动质量块层，所述运动质量块层的至少一部分由所述牺牲层支撑，所述运动质量块层包括位于所述空腔上方的运动质量块，所述运动质量块朝向所述空腔的表面具有向所述空腔突出的突点。本发明能够减小了运动质量块与布线图形、基底之间的接触面积，可以有效减少或防止粘连。

Description

MEMS器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，尤其涉及一种利用牺牲层形成防粘附突点的MEMS器件及其制造方法。
背景技术
MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，其发展始于20世纪60年代，MEMS是英文MicroElectroMechanicalSystem的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。MEMS的基础技术主要包括硅各向异性刻蚀技术、硅键合技术、表面微机械技术、LIGA技术等，这些技术已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术。
在以硅为基础的MEMS加工技术中，部分产品如惯性传感器中的加速度计、陀螺仪等微机械器件，其微型结构部分的特征尺寸为100nm～1mm，在该尺寸下微型结构的表面积与体积之比有所提高，使得范德华力、表面张力、静电力等与微型结构件表面积相关的表面作用逐渐增强。在微型结构的制造和应用过程中，当表面吸附力大于微型结构的弹性恢复力时，相邻的微型结构(或称为可动质量块)或微型结构与衬底之间将发生粘连，从而导致器件失效，使成品率下降。
粘连已成为微机械加工和应用过程中产生成品报废的主要原因，严重制约了MEMS技术的发展和产业化应用。在实际的微机械成品开发过程中，由于范德华力等表面作用力和相对接触面积近似成正比关系。当微型结构面积较大时，两者之间容易发生粘连现象，而当一个微结构的接触面积很小时，如一个很小的突点，这样即使有接触，其微型结构的弹性恢复力远大于小突点的表面吸附力，因此就不会发生粘连。基于该原理，一般的惯性传感器设计和制造过程中，微型结构件的平面方向(X和Y方向)可以通过版图设计，在图形布局时事先设计好防粘附的小突点，以减少水平运动方向的接触面积从而防止运动过程中水平方向发生粘连。但是，现有技术并未解决如何在微型结构件的垂直方向上设置防粘连的小突点的问题。因此，器件在工作过程中，还容易发生垂直方向上的运动失效，最后导致使整个器件失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种MEMS器件及其制造方法，运动质量块具有向下方空腔突出的突点，减小了运动质量块与布线图形、基底之间的接触面积，可以有效减少或防止粘连。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS器件，包括：
基底；
布线埋层，位于所述基底上，所述布线埋层图形化为一个或多个布线图形；
牺牲层，位于所述基底上，所述牺牲层中具有空腔，所述布线图形的至少一部分位于所述空腔内；
运动质量块层，所述运动质量块层的至少一部分由所述牺牲层支撑，所述运动质量块层包括位于所述空腔上方的运动质量块，所述运动质量块朝向所述空腔的表面具有向所述空腔突出的突点。
根据本发明的一个实施例，所述牺牲层的材料为氧化材料。
根据本发明的一个实施例，所述牺牲层的材料为氧化硅。
根据本发明的一个实施例，所述基底包括半导体衬底和位于所述半导体衬底上的隔离层，所述布线埋层和牺牲层位于所述隔离层上。
根据本发明的一个实施例，所述突点自所述运动质量块朝向所述空腔的表面突出的高度为0.5μm至0.8μm。
根据本发明的一个实施例，所述MEMS器件还包括：金属层，位于所述运动质量块层上，所述金属层包括引线和/或用于与封帽硅片键合的键合区。
根据本发明的一个实施例，所述牺牲层中具有通孔，所述运动质量块层经由所述通孔与所述布线图形连接。
根据本发明的一个实施例，所述布线埋层和/或运动质量块层的材料为多晶硅。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种MEMS器件的制造方法，包括：
提供基底；
在所述基底上形成布线埋层并图形化，以形成一个或多个布线图形；
形成覆盖所述布线埋层的牺牲层；
对所述牺牲层的上表面进行刻蚀以形成凹坑；
在所述牺牲层的上表面形成运动质量块层，所述运动质量块层填充所述凹坑；
对所述运动质量块层进行图形化以形成运动质量块，并在所述运动质量块层中形成深槽，所述深槽底部露出所述牺牲层；
通过所述深槽对所述牺牲层进行腐蚀以在所述运动质量块下方的牺牲层中形成空腔，填充在所述凹坑中的运动质量块层向所述空腔突出。
根据本发明的一个实施例，所述牺牲层的材料为氧化材料。
根据本发明的一个实施例，所述牺牲层的材料为氧化硅。
根据本发明的一个实施例，采用HF酸熏蒸的方式对所述牺牲层进行腐蚀。
根据本发明的一个实施例，提供基底包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成隔离层，所述布线埋层和牺牲层位于所述隔离层上。
根据本发明的一个实施例，所述凹坑的深度为0.5μm至0.8μm。
根据本发明的一个实施例，在对所述运动质量块层进行图形化之前所述方法还包括：在所述运动质量块层上形成金属层，并对所述金属层进行图形化以形成引线和/或用于与封帽硅片键合的键合区。
根据本发明的一个实施例，在形成所述运动质量块层之前还包括：在所述牺牲层中形成通孔，所述运动质量块层经由所述通孔与所述布线图形连接。
根据本发明的一个实施例，所述布线埋层和/或运动质量块层的材料为多晶硅。
根据本发明的一个实施例，形成所述凹坑之前所述方法还包括：对所述牺牲层的上表面进行平坦化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例的MEMS器件中，运动质量块在朝向下方空腔的表面上具有突点，该突点可以有效地减小运动指令块与空腔内的布线图形或基底的接触面积，从而减少或防止粘连，避免器件失效。
此外，本发明实施例的MEMS器件的制造方法中，在牺牲层的上表面形成凹坑，而运动质量块层形成于牺牲层上并填充凹坑，在将牺牲层部分移除后，填充在凹坑内的运动质量块层形成突点，减小了运动质量块与布线图形或基底的接触面积，从而可以减少或防止粘连，避免器件失效。
附图说明
图1是根据本发明实施例的MEMS器件的制造方法的流程示意图；
图2至图10是根据本发明实施例的MEMS器件的制造方法中各个步骤对应的器件剖面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参考图1，根据本实施例的MEMS器件的制造方法可以包括如下步骤：
步骤S101，提供基底；
步骤S102，在所述基底上形成布线埋层并图形化，以形成一个或多个布线图形；
步骤S103，形成覆盖所述布线埋层的牺牲层；
步骤S104，对所述牺牲层的上表面进行刻蚀以形成凹坑；
步骤S105，在所述牺牲层的上表面形成运动质量块层，所述运动质量块层填充所述凹坑；
步骤S106，对所述运动质量块层进行图形化以形成运动质量块，并在所述运动质量块层中形成深槽，所述深槽底部露出所述牺牲层；
步骤S107，通过所述深槽对所述牺牲层进行腐蚀以在所述运动质量块下方的牺牲层中形成空腔，填充在所述凹坑中的运动质量块层向所述空腔突出。
下面参考图2至图10进行详细说明。
参考图2，首先提供基底10。作为一个优选的例子，该基底10可以包括半导体衬底101以及位于半导体衬底101上的隔离层102。更加具体而言，半导体衬底101可以是常规半导体工艺中的硅衬底，例如可以是晶向为<100>的P型硅衬底。隔离层102的材料可以是常规半导体工艺中的绝缘材料，例如氧化硅。例如，可以使用热氧化、低压化学气相淀积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相淀积(PECVD)等方法在半导体衬底101上形成氧化硅材质的隔离层102。隔离层102的典型厚度可以是2μm至3μm。
参考图3，在隔离层102上形成布线埋层103并图形化，以形成一个或多个布线图形。布线埋层103的材料通常可以是导电材料，例如多晶硅或掺杂的多晶硅。在一个非限制性的例子中，可以通过低压化学气相淀积(LPVCD)的方法在隔离层102上淀积布线埋层103，淀积温度可以是570℃至630℃，该布线埋层103的厚度可以是0.6μm至1.0μm。通过对布线埋层103的图形化，可以形成一个或多个布线图形，该布线图形例如可以是布线、电容极板等。
参考图4，形成覆盖布线埋层103的牺牲层104。该牺牲层104的材料可以是氧化材料，优选为氧化硅。在一个非限制性的例子中，可以通过低压化学气相淀积(LPVCD)的方法形成氧化硅材质的牺牲层104，其厚度通常可以是1.0μm至2.0μm。
在形成牺牲层104后，可以对其上表面进行平坦化。例如，可以通过常规半导体工艺中的化学机械抛光(CMP)或者匀胶后再各向同性回刻的方法进行平坦化。平坦化之后，牺牲层104具有平坦的上表面。优选地，平坦化后的上表面的平整度小于10nm。
参考图5，对牺牲层104的上表面进行刻蚀，以形成一个或多个凹坑A。凹坑A的位置通常可以位于布线层103中的布线图形的上方。此外，凹坑A通常无需贯穿整个牺牲层104。
进一步而言，可以采用常规半导体工艺中的光刻工艺，在牺牲层104的上表面形成凹坑A的图形窗口，然后通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方法形成凹坑A。凹坑A的深度即为后续形成的突点的高度，优选地，凹坑A的深度为0.55μm至0.8μm。凹坑A的平面形状和尺寸可以根据实际需要进行设定，例如正方形、长方形、圆形、椭圆形等。作为一个非限制性的例子，凹坑A的平面形状可以是4μm*4μm的正方形。
参考图6，对牺牲层104进行刻蚀，以在其中形成通孔B，通孔B的底部露出布线图形。进一步而言，可以采用常规半导体工艺中的光刻工艺，在牺牲层104上形成通孔B的窗口，之后通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方法形成通孔B。通孔B的深度使得通孔B底部暴露出布线图形。通孔B可以用作后续布线图形与运动质量块相连接的连接孔。
参考图7，形成运动质量块层105，该运动质量块层105位于牺牲层104上并填充凹坑A以及通孔B。该运动质量块层105的材料例如可以是多晶硅或掺杂的多晶硅，但并不限于此。
进一步而言，可以使用低压化学气相淀积(LPVCD)的方法，在牺牲层104上淀积掺杂的多晶硅，用作种子多晶层。淀积时的温度可以是570℃至630℃，淀积形成的种子多晶层的厚度可以是0.6μm至1.0μm。然后，可以通过常规半导体工艺中的外延工艺，使得种子多晶层生长至预设的厚度，例如15μm～25μm，从而形成运动质量块层105。在运动质量块层105的底部，运动质量块层105还填充凹坑A和通孔B。其中，填充在凹坑A的部分形成后续的突点，可以防止粘连；填充在通孔B的部分使得布线埋层103中的布线图形与运动质量块层105连接。
在形成运动质量块层105之后，可以对其上表面进行平坦化。例如，可以通过化学机械抛光(CMP)的方法进行平坦化。
参考图8，在运动质量块层105上形成金属层106，并图形化以形成引线和/或键合区。进一步而言，可以采用常规半导体工艺中的溅射或蒸发工艺，在运动质量块层105上沉积金属层106，其厚度可以是1μm～2μm，其材料可以是纯铝(Al)、铝硅(Al-Si1％)或者Ti+TiN+Al-Si。之后，对金属层106进行图形化，从而一个或多个引线或者键合区。其中，该键合区用于后续与封帽硅片共晶键合。
参考图9，对运动质量块层105进行图形化以形成运动质量块，并在运动质量块层中形成深槽，该深槽的底部露出牺牲层。进一步而言，可以通过常规半导体工艺方法，对运动质量块层105进行图形化，以形成运动质量块的图形，例如惯性传感器中的运动质量块的图形。然后进行深槽刻蚀，例如可以采用专门的多晶深槽刻蚀机，一般可以选用美国Alcatel公司的AMS200深槽刻蚀机等刻蚀设备，利用常规的Bosch工艺，在运动质量块层105中刻蚀形成直至牺牲层104的深槽。
参考图10，通过运动质量块层105中的深槽对牺牲层104进行腐蚀，以在运动质量块下方的牺牲层中形成空腔。进一步而言，对于氧化硅材质的牺牲层104，可以采用HF酸气相熏蒸的方式，将运动质量块层105和布线埋层103之间的牺牲层104的一部分腐蚀移除，使得运动质量块被释放，得到可运动的运动质量块。释放后的运动质量块在运动时，至少部分会进入牺牲层104中的空腔。
在牺牲层104被部分移除后，位于凹坑内的运动质量块层105暴露出来，形成了突点105a。该突点105a可以减小运动质量块与布线图形之间的接触面积或者与隔离层102之间的接触面积，如此，即使发生接触，由于弹性恢复力远大于突点105a的表面吸附力，因此并不会发生粘连。
至此，本实施例形成的MEMS器件如图10所示，包括：半导体衬底101；隔离层102，位于半导体衬底101上；布线埋层103，位于隔离层102上，布线埋层103被图形化为一个或多个布线图形；牺牲层104，位于隔离层102上，牺牲层104中具有空腔，布线图形中的至少一部分位于该空腔内；运动质量块层105，其至少一部分由牺牲层104支撑，运动质量块层105包括位于空腔上方的运动质量块，该运动质量块朝向空腔一侧的表面上具有向空腔方向突出的突点105a；金属层106，位于运动质量块层105上，金属层106包括引线和/或键合区。
图10所示的结构形成了器件硅片的至少一部分，之后，可以将该器件硅片与封帽硅片键合，例如，可以通过金属层106中的键合区与封帽硅片键合。
由上，本实施例的技术方案在运动质量块层105的平坦下表面形成了防止粘连的突点105a，工艺简单，而且运动质量块层105的膜层均匀，参数一致性好，器件的可靠性高。本实施例的技术方案可以和CMOS生产工艺兼容，可以满足低成本和大规模生产的要求。
应该理解到的是上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，包括但不限于对局部构造的变更、对元器件的类型或型号的替换，以及其他非实质性的替换或修改，均落入本发明保护范围之内。

Claims (18)

1.一种MEMS器件，其特征在于，包括：
基底；
布线埋层，位于所述基底上，所述布线埋层图形化为一个或多个布线图形；
牺牲层，位于所述基底上，所述牺牲层中具有空腔，所述布线图形的至少一部分位于所述空腔内；
运动质量块层，所述运动质量块层的至少一部分由所述牺牲层支撑，所述运动质量块层包括位于所述空腔上方的运动质量块，所述运动质量块朝向所述空腔的表面具有向所述空腔突出的突点。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述牺牲层的材料为氧化材料。
3.根据权利要求2所述的MEMS器件，其特征在于，所述牺牲层的材料为氧化硅。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述基底包括半导体衬底和位于所述半导体衬底上的隔离层，所述布线埋层和牺牲层位于所述隔离层上。
5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述突点自所述运动质量块朝向所述空腔的表面突出的高度为0.5μm至0.8μm。
6.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，还包括：金属层，位于所述运动质量块层上，所述金属层包括引线和/或用于与封帽硅片键合的键合区。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述牺牲层中具有通孔，所述运动质量块层经由所述通孔与所述布线图形连接。
8.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述布线埋层和/或运动质量块层的材料为多晶硅。
9.一种MEMS器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底上形成布线埋层并图形化，以形成一个或多个布线图形；
形成覆盖所述布线埋层的牺牲层；
对所述牺牲层的上表面进行刻蚀以形成凹坑；
在所述牺牲层的上表面形成运动质量块层，所述运动质量块层填充所述凹坑；
对所述运动质量块层进行图形化以形成运动质量块，并在所述运动质量块层中形成深槽，所述深槽底部露出所述牺牲层；
通过所述深槽对所述牺牲层进行腐蚀以在所述运动质量块下方的牺牲层中形成空腔，填充在所述凹坑中的运动质量块层向所述空腔突出。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为氧化材料。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为氧化硅。
12.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，采用HF酸熏蒸的方式对所述牺牲层进行腐蚀。
13.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，提供基底包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成隔离层，所述布线埋层和牺牲层位于所述隔离层上。
14.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述凹坑的深度为0.5μm至0.8μm。
15.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在对所述运动质量块层进行图形化之前还包括：
在所述运动质量块层上形成金属层，并对所述金属层进行图形化以形成引线和/或用于与封帽硅片键合的键合区。
16.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在形成所述运动质量块层之前还包括：在所述牺牲层中形成通孔，所述运动质量块层经由所述通孔与所述布线图形连接。
17.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述布线埋层和/或运动质量块层的材料为多晶硅。
18.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，形成所述凹坑之前还包括：对所述牺牲层的上表面进行平坦化。
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