CN105329845B - 悬臂梁的制作方法、悬臂梁及mems器件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种悬臂梁的制作方法、悬臂梁及MEMS器件。其中，该制作方法包括：在半导体基体上形成厚度相同且相连设置的第一悬臂梁材料和牺牲材料；在第一悬臂梁材料和牺牲材料上形成第二悬臂梁材料；刻蚀第一悬臂梁材料对应区域的第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料，以在第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料中形成通孔；在通孔中填充金属材料；去除牺牲材料。该制作方法有效地降低悬臂梁根部的弯曲转矩，进而降低了悬臂梁的根部发生断裂的风险，并延长了悬臂梁的使用寿命。

Description

悬臂梁的制作方法、悬臂梁及MEMS器件

技术领域

本申请涉及半导体集成电路的技术领域，具体而言，涉及一种悬臂梁的制作方法、悬臂梁及MEMS器件。

背景技术

MEMS(微机电系统)是采用半导体制造技术在芯片上集成微电路和微机械形成的，其具有尺寸小(通常为毫米或微米级)、功耗低、耐用性好以及性能稳定等优点，使其在传感器等领域得到广泛应用。在MEMS中，悬臂梁结构是应用相当广泛的一种结构，其依靠悬臂梁上下振动，导致空间电容的变化，从而实现引起信号变化的目的。

现有悬臂梁通常采用一体式的工艺制作而成。该工艺通常包括以下步骤：首先，通过沉积工艺(例如低压气相沉积或等离子体气相沉积等)在半导体基体上形成牺牲材料，然后在牺牲材料上采用沉积工艺(例如低压气相沉积或等离子体气相沉积等)形成悬臂梁材料，最后采用腐蚀或刻蚀等方法去除悬臂梁材料下方的牺牲材料。

然而，采用该工艺形成的悬臂梁存在一个固有的问题，即悬臂梁在受到振动载荷的冲击作用下容易产生共振，导致悬臂梁的位移变化较大，使得悬臂梁存在根部断裂的风险。特别是在简谐振动载荷作用下，悬臂梁末端响应与载荷冲击的振动强度和频率有关，振动强度越大，悬臂梁的位移越大，使得悬臂梁的根部弯曲转矩增大，进而使得悬臂梁的根部断裂的风险增大。此外，由于悬臂梁通常采用单晶硅、多晶硅或锗硅等脆性材料制成，在冲击或振动载荷作用下，当悬臂梁中应力超过材料的强度极限时，也可能会发生断裂失效。

因此，如何降低悬臂梁的根部发生断裂的风险，从而延长悬臂梁的使用寿命，成为本领域中亟待解决的技术难题。

发明内容

本申请旨在提供一种悬臂梁的制作方法、悬臂梁及MEMS器件，以降低悬臂梁的根部发生断裂的风险，进而延长悬臂梁的使用寿命。

为了实现上述目的，本申请提供了一种悬臂梁的制作方法，该制作方法包括：在半导体基体上形成厚度相同且相连设置的第一悬臂梁材料和牺牲材料；在第一悬臂梁材料和牺牲材料上形成第二悬臂梁材料；刻蚀第一悬臂梁材料对应区域的第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料，以在第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料中形成通孔；在通孔中填充金属材料；去除牺牲材料。

进一步地，形成第一悬臂梁材料和牺牲材料的步骤包括：在半导体基体上形成第一预备悬臂梁材料；刻蚀第一预备悬臂梁材料以形成第一悬臂梁材料；形成覆盖第一悬臂梁材料和半导体基体的预备牺牲材料，且覆盖半导体基体的厚度不小于第一悬臂梁材料的厚度；对预备牺牲材料进行平坦化处理，以形成厚度与第一悬臂梁材料的厚度相同的牺牲材料。

在半导体基体上形成预备牺牲材料；刻蚀预备牺牲材料以形成牺牲材料；形成覆盖牺牲材料和半导体基体的第一预备悬臂梁材料；去除位于牺牲材料上的第一预备悬臂梁材料，并将剩余第一预备悬臂梁材料作为第一悬臂梁材料。

进一步地，形成第二悬臂梁材料的步骤包括：形成覆盖第一悬臂梁材料和牺牲材料的第二预备悬臂梁材料；刻蚀第二预备悬臂梁材料，以形成宽度小于第一悬臂梁材料的宽度的第二悬臂梁材料。

进一步地，刻蚀第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料的工艺为博世工艺。

进一步地，通孔贯穿第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料。

进一步地，在形成通孔的步骤中，通孔等距离设置。

进一步地，在通孔中填充金属材料的步骤包括：形成覆盖通孔和第二悬臂梁的预备金属材料；去除位于悬臂梁上的预备金属材料，并将剩余预备金属材料作为金属材料。

进一步地，第一悬臂梁材料和第二悬臂梁材料为单晶硅、多晶硅或锗化硅；牺牲材料为锗；金属材料为铜。

本申请还提供了一种悬臂梁，该悬臂梁包括：第一悬臂梁材料，设置于半导体基体上；第二悬臂梁材料，设置于第一悬臂梁材料的上表面上，且第二悬臂梁材料延伸至第一悬臂梁材料以外；金属材料，设置于第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料中。

进一步地，金属材料贯穿第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料设置。

进一步地，金属材料沿第二悬臂梁材料的延伸方向等距离设置。

进一步地，第一悬臂梁材料和第二悬臂梁材料为单晶硅、多晶硅或锗化硅；金属材料为铜。

本申请还提供了一种MEMS器件，包括悬臂梁，其中，该悬臂梁为本申请提供的悬臂梁。

应用本申请的技术方案，本申请通过在第一悬臂梁材料的上表面上形成延伸至第一悬臂梁材料以外的第二悬臂梁材料，然后顺序刻蚀第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料以在第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料中形成通孔，并在在通孔中填充金属材料，从而有效地降低悬臂梁根部的弯曲转矩，进而降低了悬臂梁的根部发生断裂的风险，并延长了悬臂梁的使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施方式所提供的悬臂梁的制作方法的流程示意图；

图2示出了在本申请实施方式所提供的悬臂梁的制作方法中，在半导体基体上形成厚度相同且相连设置的第一悬臂梁材料和牺牲材料后的基体的剖面结构示意图；

图3示出了在图2所示的第一悬臂梁材料和牺牲材料的上表面上形成沿第一悬臂梁材料和牺牲材料的连接方向设置的第二悬臂梁材料后的基体的剖面结构示意图；

图4示出了顺序刻蚀图3所示的第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料，以在第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料中形成通孔后的基体的剖面结构示意图；

图5示出了在图4所示的通孔中填充金属材料后的基体的剖面结构示意图；

图6a示出了去除图5所示的牺牲材料，以形成悬臂梁后的基体的剖面结构示意图；以及

图6b示出了图6a的俯视示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

正如背景技术中所介绍的，现有的悬臂梁存在根部断裂的风险，从而降低了悬臂梁的使用寿命。本申请的发明人针对上述问题进行了大量理论和实验研究，最终提供了一种悬臂梁的制作方法。如图1所示，该制作方法包括：在半导体基体上形成厚度相同且相连设置的第一悬臂梁材料和牺牲材料；在第一悬臂梁材料和牺牲材料上形成第二悬臂梁材料；刻蚀第一悬臂梁材料对应区域的第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料，以在第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料中形成通孔；在通孔中填充金属材料；去除牺牲材料，以形成悬臂梁。

上述制作方法通过在第一悬臂梁材料的上表面上形成延伸至第一悬臂梁材料以外的第二悬臂梁材料，然后顺序刻蚀第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料以在第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料中形成通孔，并在在通孔中填充金属材料，从而有效地降低悬臂梁根部的弯曲转矩，进而降低了悬臂梁的根部发生断裂的风险，并延长了悬臂梁的使用寿命。

下面将更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

图2至图6a和图6b示出了本申请提供的悬臂梁的制作方法中，经过各个步骤后得到的基体的剖面结构示意图。下面将结合图2至图6a和图6b，进一步说明本申请所提供的悬臂梁的制作方法。

首先，在半导体基体上形成厚度相同且相连设置的第一悬臂梁材料10和牺牲材料20，进而形成如图2所示的基体结构。其中，第一悬臂梁材料10可以为本领域中常见的用于制作悬臂梁的材料，优选地，第一悬臂梁材料10为单晶硅、多晶硅或锗化硅。牺牲材料20可以为本领域常见的用作牺牲层的材料，优选地，牺牲材料20为锗。当然，第一悬臂梁材料10和牺牲材料20并不仅限于上述优选实施方式。

在该步骤中，可以先形成牺牲材料20再形成第一悬臂梁材料10，也可以先形成第一悬臂梁材料10再形成牺牲材料20。当采用先形成牺牲材料20再形成第一悬臂梁材料10的方式时，一种优选的实施方式中，形成第一悬臂梁材料10和牺牲材料20的步骤包括：在半导体基体上形成预备牺牲材料；刻蚀预备牺牲材料以形成牺牲材料20；形成覆盖牺牲材料20和半导体基体的第一预备悬臂梁材料，且覆盖半导体基体的第一预备悬臂梁材料的厚度不小于牺牲材料20的厚度；对第一预备悬臂梁材料进行平坦化处理，以形成厚度与牺牲材料20相同的第一悬臂梁材料10。当采用先形成第一悬臂梁材料10的方式时，一种优选的实施方式中，形成第一悬臂梁材料10和牺牲材料20的步骤包括：在半导体基体上形成第一预备悬臂梁材料；刻蚀第一预备悬臂梁材料以形成第一悬臂梁材料10；形成覆盖第一悬臂梁材料10和半导体基体的预备牺牲材料，且覆盖半导体基体的预备牺牲材料的厚度不小于第一悬臂梁的厚度；对预备牺牲材料进行平坦化处理，以形成厚度与第一悬臂梁材料10的厚度相同的牺牲材料20。

在上述优选实施方式中，形成预备牺牲材料的工艺可以为化学气相沉积或溅射等，刻蚀预备牺牲材料的工艺可以为干法刻蚀或湿法刻蚀；形成第一预备悬臂梁材料的工艺可以为化学气相沉积或溅射等，去除第一预备悬臂梁材料的工艺可以为湿法刻蚀，且湿法刻蚀所采用的刻蚀液(通常为碱性溶液)可以根据第一预备悬臂梁材料的种类进行设定。上述工艺的具体参数可以参照现有技术，在此不再赘述。

完成在半导体基体上形成厚度相同且相连设置的第一悬臂梁材料10和牺牲材料20的步骤之后，在第一悬臂梁材料10和牺牲材料20上形成第二悬臂梁材料30，进而形成如图3所示的基体结构。在该步骤中，第二悬臂梁材料30的宽度可以小于或等于第一悬臂梁的宽度。其中，第一悬臂梁的宽度是指第一悬臂梁在第一悬臂梁材料10和牺牲材料20所形成连接面中平行于半导体基体的方向上的尺寸，第二悬臂梁的宽度是指第二悬臂梁在第一悬臂梁材料10和牺牲材料20所形成连接面中平行于半导体基体的方向上的尺寸。

在一种优选的实施方式中，形成上述第二悬臂梁材料30的步骤包括：形成覆盖第一悬臂梁材料10和牺牲材料20的第二预备悬臂梁材料；刻蚀第二预备悬臂梁材料，以形成宽度小于第一悬臂梁材料10的宽度的第二悬臂梁材料30。此时，具有上述结构的第二悬臂梁材料30更容易产生上下振动，从而有利于导致空间电容的变化，进而更有利于达到结构设计的目的。

上述第二预备悬臂梁材料可以为单晶硅、多晶硅或锗化硅，形成第二预备悬臂梁材料的工艺可以为化学气相沉积或溅射等。刻蚀第二预备悬臂梁的工艺可以为干法刻蚀或湿法刻蚀等。上述工艺为本领域现有技术，在此不再赘述。

完成在第一悬臂梁材料10和牺牲材料20上形成第二悬臂梁材料30的步骤之后，刻蚀第一悬臂梁材料对应区域的第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10，以在第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10中形成通孔40，进而形成如图4所示的基体结构。在该步骤中，可以形成贯穿第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10的通孔40，同时还可以形成等距离设置的通孔40，以更有效地降低悬臂梁根部的弯曲转矩，进而降低了悬臂梁的根部发生断裂的风险，并延长了悬臂梁的使用寿命。

刻蚀第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10的工艺可以为干法刻蚀，更为优选地，采用博世工艺(Bosch)刻蚀第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10。所谓博世工艺通常包括以下步骤：首先，采用氟基活性基团刻蚀第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10以形成预备通孔，然后对预备通孔的侧壁进行钝化处理形成钝化层，再进行刻蚀处理以去除钝化层并继续刻蚀第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10，并通过不断的钝化处理和刻蚀处理形成所需的通孔40。博世工艺具有较高的刻蚀速率和较高的各向异性刻蚀效果，且该工艺会产生粗糙的侧壁形貌，有利于提高后续形成的金属材料50和通孔40之间的结合力，从而更有效地降低悬臂梁根部的弯曲转矩，进而降低了悬臂梁的根部发生断裂的风险，并延长了悬臂梁的使用寿命。当然，刻蚀第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10的工艺并不仅限于上述优选实施方式。

完成刻蚀第一悬臂梁材料对应区域的第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10，以在第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10中形成通孔40的步骤之后，在通孔40中填充金属材料50，进而形成如图5所示的基体结构。在一种优选的实施方式中，在通孔40中填充上述金属材料50的步骤包括：形成覆盖通孔40和第二悬臂梁的预备金属材料；去除位于悬臂梁上的预备金属材料，并将剩余预备金属材料作为金属材料50。

其中，上述预备金属材料可以为本领域中常见的用于填充通孔40的金属，优选地，预备金属材料为铜。形成预备金属材料的工艺可以为化学气相沉积或蒸镀等。去除位于悬臂梁上的预备金属材料的工艺可以为平坦化工艺，例如化学机械抛光等。上述工艺为本领域现有技术，在此不再赘述。

完成在通孔40中填充金属材料50的步骤之后，去除牺牲材料20，以形成悬臂梁，其结构如图6a和图6b所示。去除牺牲材料20的工艺可以为采用湿法刻蚀，且湿法刻蚀所采用的刻蚀液与牺牲材料20的种类相关。当牺牲材料20为锗时，湿法刻蚀所采用的刻蚀液可以为过氧化氢和氢氧化钠的混合溶液。湿法刻蚀的工艺参数(刻蚀温度和刻蚀时间等)可以参数现有技术进行。

本申请除了提供了悬臂梁的上属于制作方法之外，还提供了一种悬臂梁。如图6a和图6b所示，该悬臂梁包括：第一悬臂梁材料10，设置于半导体基体上；第二悬臂梁材料30，设置于第一悬臂梁材料10的上表面上，且第二悬臂梁材料30延伸至第一悬臂梁材料10以外；金属材料50，设置于第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10中。

上述悬臂梁通过在第一悬臂梁材料10的上表面上形成延伸至第一悬臂梁材料10以外的第二悬臂梁材料30，然后在第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10中形成金属材料50，从而有效地降低悬臂梁根部的弯曲转矩，进而降低了悬臂梁的根部发生断裂的风险，并延长了悬臂梁的使用寿命。

在上述悬臂梁中，可以形成贯穿第二悬臂梁材料30和第一悬臂梁材料10的金属材料50，同时还可以沿第一悬臂梁材料10和牺牲材料20的连接方向形成等距离设置的金属材料50，以更有效地降低悬臂梁根部的弯曲转矩，进而降低了悬臂梁的根部发生断裂的风险，并延长了悬臂梁的使用寿命。

上述第一悬臂梁材料10和第二悬臂梁材料30可以为本领域中常见的用于制作悬臂梁的材料，优选地，第一悬臂梁材料10和第二悬臂梁材料30为单晶硅、多晶硅或锗化硅。需要注意的是，第一悬臂梁材料10和第二悬臂梁材料30为相同的材料，也可以为不同的材料。上述金属材料50可以为本领域中常见的用于填充通孔40的金属，优选地，金属材料50为铜。当然，第一悬臂梁材料10、第二悬臂梁材料30和金属材料50并不仅限于上述优选实施方式。

同时，本申请还提供了一种MEMS器件，包括悬臂梁，其中，该悬臂梁为本申请提供的悬臂梁。该MEMS器件中的悬臂梁根部发生断裂的风险得以降低，从而延长了悬臂梁的使用寿命，进而提高了MEMS器件的稳定性。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：本申请通过在第一悬臂梁材料的上表面上形成延伸至第一悬臂梁材料以外的第二悬臂梁材料，然后顺序刻蚀第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料以在第二悬臂梁材料和第一悬臂梁材料中形成通孔，并在通孔中填充金属材料，从而有效地降低悬臂梁根部的弯曲转矩，进而降低了悬臂梁的根部发生断裂的风险，并延长了悬臂梁的使用寿命。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种悬臂梁的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

在半导体基体上形成厚度相同且相连设置的第一悬臂梁材料和牺牲材料；

在所述第一悬臂梁材料和所述牺牲材料上形成第二悬臂梁材料；

刻蚀所述第一悬臂梁材料对应区域的所述第二悬臂梁材料和所述第一悬臂梁材料，以在所述第二悬臂梁材料和所述第一悬臂梁材料中形成通孔；

在所述通孔中填充金属材料；

去除所述牺牲材料，以使所述第二悬臂梁材料延伸至所述第一悬臂梁材料以外。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成所述第一悬臂梁材料和所述牺牲材料的步骤包括：

在所述半导体基体上形成第一预备悬臂梁材料；

刻蚀所述第一预备悬臂梁材料以形成所述第一悬臂梁材料；

形成覆盖所述第一悬臂梁材料和所述半导体基体的预备牺牲材料，且覆盖所述半导体基体的所述预备牺牲材料的厚度不小于所述第一悬臂梁材料的厚度；

对所述预备牺牲材料进行平坦化处理，以形成厚度与所述第一悬臂梁材料的厚度相同的所述牺牲材料。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，形成所述第二悬臂梁材料的步骤包括：

形成覆盖所述第一悬臂梁材料和所述牺牲材料的第二预备悬臂梁材料；

刻蚀所述第二预备悬臂梁材料，以形成宽度小于所述第一悬臂梁材料的宽度的所述第二悬臂梁材料。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，刻蚀所述第二悬臂梁材料和所述第一悬臂梁材料的工艺为博世工艺。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制作方法，其特征在于，所述通孔贯穿所述第二悬臂梁材料和所述第一悬臂梁材料。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述通孔等距离设置。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述通孔中填充所述金属材料的步骤包括：

形成覆盖所述通孔和所述第二悬臂梁的预备金属材料；

去除位于所述悬臂梁上的所述预备金属材料，并将剩余所述预备金属材料作为所述金属材料。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一悬臂梁材料和所述第二悬臂梁材料为单晶硅、多晶硅或锗化硅；所述牺牲材料为锗；所述金属材料为铜。

9.一种悬臂梁，其特征在于，所述悬臂梁包括：

第一悬臂梁材料，设置于半导体基体上；

第二悬臂梁材料，设置于所述第一悬臂梁材料上，且所述第二悬臂梁材料延伸至所述第一悬臂梁材料以外；

金属材料，设置于所述第二悬臂梁材料和所述第一悬臂梁材料中。

10.根据权利要求9所述的悬臂梁，其特征在于，所述金属材料贯穿所述第二悬臂梁材料和所述第一悬臂梁材料设置。

11.根据权利要求9所述的悬臂梁，其特征在于，所述金属材料沿所述第二悬臂梁材料的延伸方向等距离设置。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的悬臂梁，其特征在于，所述第一悬臂梁材料和所述第二悬臂梁材料为单晶硅、多晶硅或锗化硅；所述金属材料为铜。

13.一种MEMS器件，包括悬臂梁，其特征在于，所述悬臂梁为权利要求9至12中任一项所述的悬臂梁。