CN105645349B

CN105645349B - Mems器件的形成方法

Info

Publication number: CN105645349B
Application number: CN201410736247.XA
Authority: CN
Inventors: 伏广才; 张校平
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2017-09-22
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: CN105645349A

Abstract

本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括：提供衬底；在衬底上形成含碳的牺牲层；在所述牺牲层上以及牺牲层的侧壁覆盖材料层；刻蚀部分所述材料层，以在所述材料层中形成露出部分牺牲层的孔洞；通过所述孔洞进行刻蚀以去除所述牺牲层，形成由所述材料层与所述衬底构成的空腔。本发明的有益效果在于，形成的空腔整体性更好，并且可以降低去除牺牲层之后，在空腔中留有残留物的几率，进而有利于增加形成的MEMS器件的整体性能。

Description

MEMS器件的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种MEMS器件的形成方法。

背景技术

MEMS(Microelectromechanical System，微机电系统)技术是指对微米/纳米(micro/nanotechnology)材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS是由机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。MEMS通常应用在位置传感器、旋转装置或者惯性传感器中，例如加速度传感器、陀螺仪和声音传感器。

利用MEMS技术制作的MEMS器件中通常具有空腔和位于空腔内的能够与所述空腔进行相对运动的MEMS活动电极。制作空腔是MEMS器件的制作过程中最为关键的步骤之一。

因此，如何进一步提高空腔的形成质量，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种MEMS器件的形成方法，以提高在MEMS器件中空腔的形成质量。

为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括：

提供衬底；

在衬底上形成含碳的牺牲层；

在所述牺牲层上以及牺牲层的侧壁覆盖材料层；

刻蚀部分所述材料层，以在所述材料层中形成露出部分牺牲层的孔洞；

通过所述孔洞进行刻蚀以去除所述牺牲层，形成由所述材料层与所述衬底构成的空腔。

可选的，形成牺牲层的步骤包括：

在所述衬底上形成含碳的第一牺牲层；

在所述第一牺牲层上形成有机物材料的第二牺牲层。

可选的，所述第一牺牲层的材料为无定形碳或者含氟碳。

可选的，形成第一牺牲层的步骤包括：

采用化学气相沉积的方式形成所述第一牺牲层，并采用四氟化碳和氧气作为化学气相沉积的反应气体。

可选的，所述第二牺牲层的材料为聚酰亚胺。

可选的，第一牺牲层的厚度范围在300～2000纳米的范围内；第二牺牲层的厚度范围在1×104～5×104纳米的范围内。

可选的，第二牺牲层的厚度大于第一牺牲层的厚度。

可选的，在形成材料层的步骤之前，所述形成方法还包括：

在所述牺牲层的表面形成吸气剂层；

形成材料层的步骤包括：在所述吸气剂层上，以及吸气剂层和牺牲层的侧壁形成所述材料层。

可选的，所述吸气剂层的材料为钛、锆、铌或者钽。

可选的，所述材料层为锗硅。

可选的，采用化学气相沉积的方式形成所述材料层。

可选的，在形成材料层的步骤之前，所述形成方法还包括：

将所述牺牲层刻蚀分成若干独立的牺牲层区块；

形成材料层的步骤包括：

在每个牺牲层区块的表面以及侧壁形成所述材料层；

刻蚀部分所述材料层的步骤包括：在对应于每一个牺牲层区块位置的牺牲层中分别形成所述孔洞；

刻蚀去除牺牲层的步骤包括：去除所述牺牲层形成若干由材料层与衬底构成的空腔。

可选的，通过孔洞进行刻蚀以去除牺牲层的步骤包括：采用干法刻蚀的方式去除所述牺牲层。

可选的，采用氧气作为所述干法刻蚀的刻蚀气体，以去除所述牺牲层。

可选的，在刻蚀去除牺牲层的步骤之后，所述形成方法还包括：在所述材料层上形成密封所述空腔的密封层。

可选的，所述密封层的材料为铝。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

通过在衬底上形成牺牲层，并在所述牺牲层的表面以及侧壁均形成材料层，从而使所述材料层包覆所述牺牲层；然后在所述材料层中形成露出牺牲层的孔洞，并通过所述孔洞去除包覆于材料层内部的牺牲层，进而形成由所述材料层与所述衬底构成的空腔。采用这种方式可以直接形成完整的空腔，相对于现有技术中通过分别形成两个半空腔，通过将两个半空腔键合以构成一个完整的空腔的方式，本发明所形成的空腔整体性更好，空腔内部形貌也更好，不会出现上述现有技术中两个半空腔结构之间在键合时的相对位置发生偏移而导致形成的空腔内部的形状不合要求的情况；

另一方面，所述含碳的牺牲层可以在刻蚀过程中释放至空腔中，这些释放出的碳有利于在去除牺牲层的过程中，加速牺牲层在刻蚀过程中的分解速率，进而降低去除牺牲层之后空腔的内壁留有残留物的几率，这样形成的空腔内壁更为干净，这有利于后续在空腔中形成MEMS器件的活动电极等部件，进而有利于增加形成的MEMS器件的整体性能。

进一步，采用干法刻蚀的方式去除所述牺牲层可以提高空腔的形成质量，因为干法刻蚀的刻蚀剂为气体，在刻蚀过后在空腔内基本不会残留刻蚀剂。并且，气体的刻蚀剂有利于使含碳的牺牲层中的碳更加充分的释放至整个空腔中，这样进一步有利于牺牲层的分解。

附图说明

图1是现有技术中制作MEMS器件的空腔的结构示意图；

图2至图10是本发明MEMS器件的形成方法一实施例中各个步骤的结构示意图；

图11至图15是本发明MEMS器件的形成方法另一实施例中部分步骤的结构示意图。

具体实施方式

在现有的形成MEMS器件的空腔的方式容易在空腔内残留一些残留物，这会导致形成的空腔质量不够理想，这些位于在空腔内壁的残留物难以去除，因而会影响后续在空腔内部形成的活动电极等部件的性能，进而影响整个MEMS器件的性能。

具体来说，参考图1所示，现有技术先制作一个半空腔3，所述半空腔3用于在构成MEMS器件腔体的一部分，在现有技术的后续步骤中，还会制作另一个同样的半空腔(参考图1中的半空腔5)，然后将半空腔5反转，将半空腔5的位置与半空腔3对齐，并使半空腔5按照图中的箭头移动，进而与半空腔3键合，这样两个半空腔便共同构成一个完整的空腔。

现有技术一般通过以下方式形成所述半空腔3(或者半空腔5)：

先在衬底(图中未示出)上形成一层材料层，然后刻蚀所述材料层，以将所述材料层刻蚀成将要形成的半空腔内壁的形状，也就是先通过刻蚀后的材料层定义将要形成的内壁的形状，然后在刻蚀后剩余的材料层周围形成半空腔3，然后去除剩余的材料层，这样去除材料层后的空出部分便形成半空腔。

但是，现有技术往往难以将位于半空腔3内壁的材料层完全刻蚀干净，其原因在于，在刻蚀过程中，材料层与刻蚀剂反应生成一些难以被去除的有机残留物2，这些有机残留物2容易附着在形成的半空腔3的内壁上并很难被去除。这些残留物会影响后续在空腔中形成MEMS器件的其他部件(例如，一些活动电极等)，并且还会影响整个MEMS器件的性能。

此外，现有技术的这种通过两个半空腔构成一个空腔的方式对工艺精度要求很高，很容易因两个半空腔因键合的位置发生偏移而导致形成的腔体形状不符合要求。

因此，本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括以下步骤：

提供衬底；在衬底上形成含碳的牺牲层；在所述牺牲层上以及牺牲层的侧壁覆盖材料层；刻蚀部分所述材料层，以在所述材料层中形成露出部分牺牲层的孔洞；通过所述孔洞进行刻蚀以去除所述牺牲层，形成由所述材料层与所述衬底构成的空腔。

通过本发明的上述步骤，一方面，可以直接形成完整的空腔，相对于现有技术中来说，形成的空腔整体性更好，空腔内部形貌也更好，不会出现上述现有技术中半空腔之间相互键合以形成一个完整空腔时可能发生的错位的情况；另一方面，所述牺牲层中包含有含碳，牺牲层中的碳在刻蚀过程中释放至空腔中，有利于加速牺牲层的分解，进而可以降低去除牺牲层之后，在空腔的侧壁留有残留物的几率，这样形成的空腔内壁更干净，这有利于后续在空腔中形成MEMS器件的活动电极等部件，进而有利于增加形成的MEMS器件的整体性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图2至图10是本发明MEMS器件的形成方法一实施例中各个步骤的结构示意图。

首先参考图2，提供衬底100。形成衬底100为现有技术，本发明对此不作限定，也不加赘述。

然后，在所述衬底100上形成含碳的牺牲层。所述牺牲层用于定义将要形成的MEMS器件的空腔形状。

在本实施例中，形成所述含碳的牺牲层的步骤包括：

在衬底上形成含碳的第一牺牲层110；

在所述第一牺牲层110上形成有机物材料的第二牺牲层；

形成含碳的第一牺牲层110可以在刻蚀过程中将碳释放至空腔中，这样有利于使促进第一牺牲层110自身以及第二牺牲层在刻蚀过程中的分解，进而可以降低去除牺牲层之后在空腔内壁残留有残留物的几率，其原因在于，有机残留物中的氧很容易与碳发生反应进而生成含碳的气体(例如二氧化碳或者一氧化碳)，有机残留物容易分解，这样形成的空腔内壁更干净，利于后续在空腔中形成MEMS器件的活动电极等部件，进而可以增加形成的MEMS器件的整体性能。

同时，先形成第一牺牲层110再形成第二牺牲层可以在后续去除牺牲层的过程中先去除第二牺牲层，在第二牺牲层基本被去除完时，再逐渐开始去除第一牺牲层110，第一牺牲层110中的碳逐渐释放，这样可以进一步减少在后续形成的空腔中留有残留物的几率。

由于第一牺牲层110也具有厚度，这样第二牺牲层可以相对于现有技术做得更薄，这样第二牺牲层产生残留物的量和几率也能够在一定程度上得到降低。

此外，本发明对是否必须形成含碳的第一牺牲层以及有机物材料的第二牺牲层不作限定，本发明旨在形成含有碳的牺牲层，因此不限定是否必须形成第一、第二牺牲层。在本发明的其它实施例中，也可以仅形成一层含碳的牺牲层，并以该含碳的牺牲层来定义将要形成的MEMS器件的空腔形状。

本实施例先对形成所述含碳的第一牺牲层110的具体步骤进行说明，然后再对所述第二牺牲层进行说明。

在本实施例中，所述含碳的第一牺牲层110的材料为无定形碳(α-C)。但是本发明旨在采用含碳的第一牺牲层110，因此对所述第一牺牲层110是否必须是无定形碳不作限定，在本发明的其他实施例中，所述第一牺牲层110还可以是含氟碳等其他含碳材料。

在本实施例中，采用化学气相沉积的方式在衬底100上形成所述含碳的第一牺牲层110。具体来说，可以采用四氟化碳和氧气作为化学气相沉积的反应气体来形成第一牺牲层110。这种方式比较容易控制形成的第一牺牲层110的厚度等，并且这种方式形成的第一牺牲层110的覆盖性也比较好。

在本实施例中，可以形成厚度范围在300～2000纳米的第一牺牲层110，这样一方面有利于保证足够厚度的含碳的第一牺牲层110以提供足够的碳以促进分解有机残留物，同时又不至于过厚而影响整个MEMS器件的结构。同时，上述厚度范围也仅仅为本实施例的一个示例，第一牺牲层110的具体厚度应当根据实际操作时的需求为准，本发明对此不作限定。

结合参考图3，在本实施例中，在形成所述第一牺牲层110的步骤之后，形成第二牺牲层的步骤之前，还包括以下步骤：

在所述第一牺牲层110上形成结构层101。所述结构层101的作用是调整后续形成的空腔的形状，因为后续形成的空腔形状由牺牲层定义，形成结构层101将占据一部分体积，也就是在结构层101上形成的牺牲层的形状也会有所不同。且所述结构层101可以采用与后续形成的材料层形成相同或者不同的材料，这取决于实际操作时的需要，本发明对此不作限定。

所述结构层101需要露出下方的第一牺牲层110以便后续去除牺牲层的步骤进行。因为后续形成的材料层与衬底100共同形成空腔。

需要说明的是，由于所述结构层101用于调整形成的空腔的形状，而空腔的形状需要根据实际需要决定，因此本发明对是否必须形成所述结构层101也不作任何限定。

参考图4，形成第二牺牲层120的步骤包括：

在所述含碳的第一牺牲层110以及结构层101上形成第二牺牲层120。所述含碳的第一牺牲层110以及第二牺牲层120共同构成牺牲层。

在本实施例中，第二牺牲层120可以采用聚酰亚胺(polyimide)作为材料，这种材料能够在形成后较好地保持原状，不容易受到后续在第二牺牲层120上形成的材料层或者其他层结构的应力等作用的影响，这样可以比较精确地定义将要形成的空腔的形状。

在本实施例中，可以使形成的第二牺牲层120的厚度大于含碳的第一牺牲层110的厚度，因为聚酰亚胺材料的第二牺牲层120的保形能力相对于无定形碳材料的第一牺牲层来说更好，这样进一步有利于精确地定义将要形成的空腔的形状。

在本实施例中，可以使第二牺牲层120的厚度范围在1×10⁴～5×10⁴纳米的范围内。

参考图5，在本实施例中，在形成所述第二牺牲层120之后，形成材料层的步骤之前，本实施例还包括以下步骤：

在所述牺牲层(在本实施例中具体为第二牺牲层120)的表面形成吸气剂层141；所述吸气剂层141用于在后续形成空腔之后，吸收空腔中可能产生的残余气体，进而保持形成的空腔中的真空度，进而延长MEMS器件的使用寿命。

在本实施例中，所述吸气剂层141的材料为钛，但是本发明对所述吸气剂层141具体采用何种材料并不限定，所述吸气剂层141的材料还可以是锆、铌或者钽等。

同时需要说明的是，本发明对是否必须形成所述吸气剂层141也不作限定，在一些不要求真空度的MEMS器件中，由于对形成的空腔的真空度要求不高，因此并不一定需要形成所述吸气剂层141。

参考图6，在形成所述材料层的步骤之前，还包括以下步骤：

刻蚀部分牺牲层以及吸气剂层141，以露出部分衬底100。如前文所述，这是因为后续形成的材料层需要与衬底100共同构成空腔所致。但是本步骤并不是必需的，这取决于形成的牺牲层是否将衬底100都覆盖。如果是，则需要进行刻蚀以露出一部分衬底100，进而方便后续形成的材料层与衬底100相接触。由于本实施例在衬底100上形成有用于调整空腔形状的结构层101，所以刻蚀部分牺牲层，以及吸气剂层141，以露出部分结构层101。

继续参考图7，在所述牺牲层的表面以及侧壁均形成材料层130。所述材料层130用于与衬底100配合形成空腔。

由于本实施例中在牺牲层的表面形成有吸气剂层141，因此所述材料层130具体形成在所述吸气剂层141表面，以及吸气剂层、牺牲层的侧壁。后续去除牺牲层之后，将在所述材料层130中形成本发明所述的空腔。

在本实施例中，形成锗硅材料的材料层130。

在本实施例中，采用化学气相沉积的方式形成所述材料层130。这种方式比较易于控制，并且具有较好的保形覆盖能力。

继续参考图8，刻蚀部分所述材料层130，以在所述材料层130中形成露出部分牺牲层的孔洞132，形成所述孔洞132的目的在于露出部分被材料层130覆盖的牺牲层，以便于后续去除所述牺牲层。

由于在本实施例中所述牺牲层上还形成有吸气剂层141，所以本实施例中具体为刻蚀部分材料层130以及部分吸气剂层141，以在材料层130以及吸气剂层141中形成所述孔洞132。

结合参考图9，通过所述孔洞132以刻蚀去除包覆于所述材料层130内的牺牲层，以形成由所述材料层130与所述衬底100构成的空腔133。

在本实施例中，在刻蚀牺牲层以形成空腔133的过程中，在基本将聚酰亚胺材料的第二牺牲层120刻蚀完毕，并逐渐开始刻蚀含碳的第一牺牲层110时，含碳的第一牺牲层110释放出碳，进而有利于与聚酰亚胺材料的第二牺牲层120中的氧形成碳氧双键(或者是羰基)这促进了以下的化学反应：

2C+O₂＝2CO

C+O₂＝CO₂

CO₂+C＝2CO

可以看出，在碳参与刻蚀反应时，氧很容易与碳生成易于排出空腔133的含碳气体CO或者CO₂，也就是说，有机残留物中的氧很容易与碳发生上述反应，含碳的第一牺牲层110中的碳促进了自身以及第二牺牲层120的分解，进而在一定程度上减少了刻蚀去除牺牲层之后在形成的空腔133内壁留有机残留物的概率。

在本实施例中，可以采用干法刻蚀以去除所述牺牲层，这样在刻蚀后不会在空腔133中残留刻蚀剂，进一步保证了形成的空腔133内的洁净程度。并且，气体的刻蚀剂有利于使含碳的第一刻蚀剂中的碳更加充分的释放至整个空腔中，这样进一步有利于第一牺牲层110自身以及第二牺牲层120的分解。

具体来说，可以采用氧气作为干法刻蚀的刻蚀气体，以去除所述牺牲层。但是本发明对采用何种气体作为刻蚀气体不作限定，而是应当根据实际刻蚀的第二牺牲层120的材料为准。

接着参考图10，在本实施例中，在形成所述空腔133之后，在所述材料层130上形成一层密封层150，所述密封层150用于密封空腔133，也就是将形成在所述材料层130中的孔洞132堵住。

但是本发明对是否必须形成密封层150以密封空腔133不作限定，对于一些对空腔密封性没有要求的MEMS器件，也可以省略此步骤。

在本实施例中，可以形成铝材料的密封层150。但是这仅仅是本实施例的一个示例，本发明对采用何种材料形成所述密封层150不作限定。

此外，参考图11至图15，本发明还提供另一个实施例。本实施例与上一实施例的区别在于：

结合参考图11和图12，在形成所述材料层的步骤之前，所述形成方法还包括：

刻蚀包括含碳的第一牺牲层210以及第二牺牲层220的牺牲层，以将所述牺牲层刻蚀分成若干独立的牺牲层区块，图12中示出了由含碳的第一牺牲层210a以及第二牺牲层220a构成的牺牲层区块22，以及由含碳的第一牺牲层210b以及第二牺牲层220b构成的牺牲层区块21。这样做的目的在于，将通过将牺牲层分别若干牺牲层区块，以在后续步骤中形成若干空腔。

此外需要说明的是，图12中仅示出了两个牺牲层区块21、22，但是本发明对形成的牺牲层区块数量不作限定，而是根据实际操作中需要形成多少空腔决定。

参考图13，在形成若干牺牲层区块这之后，在所述牺牲层区块21、22的表面以及侧壁均形成所述材料层231，也就是说，形成将牺牲层区块21、22包覆的材料层231。

然后结合参考图14，在对应于每一个牺牲层区块位置的材料层中分别形成孔洞，例如，在分别对应于牺牲层区块21、22的材料层231中分别形成孔洞232b以及232a，这样做的原因是由于形成的材料层230将各个牺牲层区块隔离开来，为了分别形成空腔，需要分别在对应的牺牲层区块上方形成露出所述牺牲层区块的孔洞。

在这之后，参考图15，去除所述牺牲层区块21、22以形成若干由材料层230与衬底200构成的空腔233b以及233a。

虽然本发明披露如上，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器件的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在衬底上形成含碳的牺牲层；

在所述牺牲层上以及牺牲层的侧壁覆盖材料层；

通过所述孔洞进行刻蚀以去除所述牺牲层，形成由所述材料层与所述衬底构成的空腔；

其中，形成牺牲层的步骤包括：

在所述衬底上形成含碳的第一牺牲层；

在所述第一牺牲层上形成有机物材料的第二牺牲层。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一牺牲层的材料为无定形碳或者含氟碳。

3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成第一牺牲层的步骤包括：采用化学气相沉积的方式形成所述第一牺牲层，并采用四氟化碳和氧气作为化学气相沉积的反应气体。

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第二牺牲层的材料为聚酰亚胺。

5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，第一牺牲层的厚度范围在300～2000纳米的范围内；第二牺牲层的厚度范围在1×10⁴～5×10⁴纳米的范围内。

6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，第二牺牲层的厚度大于第一牺牲层的厚度。

7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成材料层的步骤之前，

所述形成方法还包括：

在所述牺牲层的表面形成吸气剂层；

8.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述吸气剂层的材料为钛、锆、铌或者钽。

9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述材料层为锗硅。

10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积的方式形成所述材料层。

11.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成材料层的步骤之前，

所述形成方法还包括：

将所述牺牲层刻蚀分成若干独立的牺牲层区块；

形成材料层的步骤包括：

在每个牺牲层区块的表面以及侧壁形成所述材料层；

12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，通过孔洞进行刻蚀以去除牺牲层的步骤包括：采用干法刻蚀的方式去除所述牺牲层。

13.如权利要求12所述的形成方法，其特征在于，采用氧气作为所述干法刻蚀的刻蚀气体，以去除所述牺牲层。

14.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在刻蚀去除牺牲层的步骤之后，所述形成方法还包括：在所述材料层上形成密封所述空腔的密封层。

15.如权利要求14所述的形成方法，其特征在于，所述密封层的材料为铝。