CN106115607A - Mems器件及其制造方法 - Google Patents

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季锋
刘琛
覃耀慰
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Abstract

公开了一种MEMS器件及其制造方法。所述MEMS器件包括：基底；多晶埋层，位于所述基底上，所述多晶埋层图形化一个或多个多晶图形；牺牲层，位于所述多晶埋层上，所述牺牲层中具有空腔，所述多晶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多晶埋层支撑，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；防粘附层，位于所述多晶埋层与所述运动质量块层之间的裸露表面上。本发明能够减小运动质量块与基底和/或多晶埋层之间的接触面积，以及由于防粘附层的疏水性和低表面粘附力，可以有效地减少或防止粘连。

Description

MEMS器件及其制造方法
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，更具体地，涉及一种利用牺牲层形成防粘附突点以及在运动质量块层和多晶埋层或衬底之间形成三氧化铝粘附层的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Micro Electro Mechanical System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、陀螺仪等微机械的器件，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，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，在微型结构制造和应用过程中，当表面吸附力大于微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，但垂直Z方向上一般没有该防粘连的小突点设计，即使有防粘连的小突点，器件运动部件在工作过程中，还容易发生粘附的运动失效，最后导致使整个器件失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用牺牲层形成防粘附突点以及在运动质量块层和多晶埋层或衬底之间形成三氧化铝粘附层的MEMS器件及其制造方法。
根据本发明的一方面，提供一种MEMS器件，包括：基底；多晶埋层，位于所述基底上，所述多晶埋层图形化一个或多个多晶图形；牺牲层，位于所述多晶埋层上，所述牺牲层中具有空腔，所述多晶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多晶埋层支撑，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；其中，所述MEMS器件还包括：防粘附层，位于所述多晶埋层与所述运动质量块层之间的裸露表面上。
优选地，所述牺牲层的材料为氧化材料。
优选地，所述牺牲层的材料为氧化硅。
优选地，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，所述多晶埋层和牺牲层位于所述隔离层上。
优选地，所述突点的形状为方形或V型，所述突点自所述运动质量块层朝向所述空腔的表面突出的高度为0.5μm至0.8μm。
优选地，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。
优选地，所述运动质量块层中具有通孔，所述运动质量块层经由所述通孔与所述多晶埋层相连接。
优选地，所述多晶埋层和/或所述运动质量块层的材料为多晶硅。
优选地，所述防粘附层的材料为三氧化铝。
优选地，所述防粘附层的厚度为2nm～10nm。
根据本发明的另一方面，提供一种MEMS器件的制造方法，包括：提供基底；在所述基底上形成多晶埋层并图形化，以形成一个或多个多晶图形；形成覆盖所述多晶埋层的牺牲层；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；在所述多晶埋层与所述运动质量块层之间的裸露表面上形成防粘附层。
优选地，所述牺牲层的材料为氧化材料。
优选地，所述牺牲层的材料为氧化硅。
优选地，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，所述多晶埋层和牺牲层位于所述隔离层上。
优选地，所述凹坑的形状为方形或V型，深度为0.5μm至0.8μm。
优选地，采用HF酸熏蒸的方式对所述牺牲层进行腐蚀。
优选地，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。
优选地，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多晶埋层连接。
优选地，所述多晶埋层和/或运动质量块层的材料为多晶硅。
优选地，所述防粘附层的材料为三氧化铝。
优选地，所述防粘附层的厚度为2nm～10nm。
本发明实施例的MEMS器件中，运动质量块层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质量块层与多晶埋层的接触面积，从而减少或防止粘连，避免器件失效；运动质量块层与多晶埋层之间裸露的表面上形成三氧化铝防粘附层，由于三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。
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多晶埋层的接触面积，从而可以减少或防止粘连，避免器件失效；在运动质量块与多晶埋层之间裸露的表面上形成三氧化铝防粘附层，由于三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
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11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
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
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。如图1所示，根据本实施例的MEMS器件的制造方法可以包括如下步骤。
在步骤S101中，提供基底。
在步骤S102中，在所述基底上形成多晶埋层并图形化，以形成一个或多个多晶图形。
在步骤S103中，形成覆盖所述多晶埋层的牺牲层。
在步骤S104中，对所述牺牲层的上表面进行刻蚀以形成凹坑。
在步骤S105中，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。
在步骤S106中，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形成深槽，所述深槽底部露出所述牺牲层。
在步骤S107中，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。
在步骤S108中，在所述多晶埋层与所述运动质量块层之间的裸露表面上形成防粘附层。
下面参照图2至图11进行详细说明。
如图2所示，首先提供基底10，然后在所述基底10上形成隔离层102。作为一个优选的例子，该基底10可以为半导体衬底101。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N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。
如图3所示，在所述隔离层102上形成多晶埋层103并图形化，以形成一个或多个多晶图形。多晶埋层103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，通过低压化学气相淀积(LPVCD)在所述隔离层102上形成掺杂的多晶硅，并对其图形化。淀积时的温度可以是570℃至630℃，淀积形成的多晶层的厚度可以是0.6μm至1.0μm。然后，通过半导体业界的光刻和刻蚀工艺形成包括释放孔在内的图形化。多晶埋层103可用作器件下层布线或用作电容极板。
如图4所示，形成覆盖所述多晶埋层103的牺牲层104。所述牺牲层104的材料可以是氧化材料，优选为氧化硅。例如，可以通过低压化学气相淀积(LPVCD)或等离子增强型化学气相淀积(PECVD)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。
如图5所示，对所述牺牲层104的上表面进行刻蚀以形成凹坑A。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103的深度为0.5μm至0.8μm。凹坑103的平面形状和尺寸可以根据实际需要进行设定，例如方形或V型等。优选地，凹坑A的图形窗口的大小为1μm至4μm。作为一个非限制性的例子，凹坑A的平面形状可以是4μm*0.6μm的方形。
如图6所示，对所述牺牲层104进行刻蚀，以形成通孔B，通孔B的底部露出所述多晶埋层103。
进一步而言，可以采用常规半导体的光刻工艺，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底部暴露出多晶埋层103。通孔B可用作后续运动质量块层105与多晶埋层103相连接的引线孔。
如图7所示，在所述牺牲层104的上表面形成运动质量块层105，所述运动质量块层填充所述凹坑。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，然后通过常规半导体工艺外延的方法，使该种子多晶层生长到15～25u厚度，通过CMP抛光的方法，使其表面平坦化，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。其中，填充在凹坑A的部分形成后续的突点，可以防止粘连。通孔B使运动质量块层105与多晶埋层103相连接。
如图8所示，在所述运动质量块层10上形成金属层106，并对所述金属层106图形化形成引线。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10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，通过半导体业界的光刻和刻蚀工艺对金属层106进行图形化，可作为器件的引线层及和封帽硅片的共晶键合金属层。
如图9所示，对所述运动质量块层105进行图形化以形成运动质量块，并在所述运动质量块层105形成深槽，所述深槽底部露出所述牺牲层104。
进一步而言，通过常规半导体光刻工艺方法，使所述运动质量块层105形成运动质量块图形，通过专门的深槽刻蚀机，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MEMS业界常规Bosch工艺，刻蚀深槽。
如图10所示，通过所述深槽对所述牺牲层104进行腐蚀以在所述运动质量块下方的牺牲层104中形成空腔，填充在所述凹坑中的运动质量块层105向所述空腔突出。
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和基底10之间的牺牲层104腐蚀移除，使得运动质量块层105被释放，得到运动质量块。释放后的运动质量块层105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A内的运动质量块层105暴露出来，形成了突点。该突点可以减小运动质量块层105与多晶埋层103之间的接触面积或者与或基底10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的表面吸附力，因此并不会发生粘连。
如图11所示，在所述基底10和所述运动质量块层105之间的裸露表面上形成防粘附层。所述防粘附层的材料为三氧化铝。
进一步而言，利用原子层淀积(ALD)设备，通过三甲基铝和水作为淀积源，控制反应室温度在100。C～400。C的范围内，压力在数个毫巴内，在所述基底10和所述运动质量块层105之间的裸露表面上淀积三氧化铝层111，其厚度可以是2nm～10nm。三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。
本发明实施例的MEMS器件中，运动质量块层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质量块层与多晶埋层的接触面积，从而减少或防止粘连，避免器件失效；运动质量块层与多晶埋层之间裸露的表面上形成三氧化铝防粘附层，由于三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。
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多晶埋层的接触面积，从而可以减少或防止粘连，避免器件失效；在运动质量块与多晶埋层之间裸露的表面上形成三氧化铝防粘附层，由于三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (19)

1.一种MEMS器件，其特征在于，包括：
基底；
多晶埋层，位于所述基底上，所述多晶埋层图形化一个或多个多晶图形；
牺牲层，位于所述多晶埋层上，所述牺牲层中具有空腔，所述多晶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多晶埋层支撑，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；
其中，所述MEMS器件还包括：
防粘附层，位于所述多晶埋层与所述运动质量块层之间的裸露表面上。
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硅。
3.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，所述多晶埋层和牺牲层位于所述隔离层上。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述突点的形状为方形或V型，所述突点自所述运动质量块层朝向所述空腔的表面突出的高度为0.5μm至0.8μm。
5.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。
6.根据权利要求5所述的MEMS器件，其特征在于，所述运动质量块层中具有通孔，所述运动质量块层经由所述通孔与所述多晶埋层相连接。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述多晶埋层和/或所述运动质量块层的材料为多晶硅。
8.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述防粘附层的材料为三氧化铝。
9.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述防粘附层的厚度为2nm～10nm。
10.一种MEMS器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底上形成多晶埋层并图形化，以形成一个或多个多晶图形；
形成覆盖所述多晶埋层的牺牲层；
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；
在所述多晶埋层与所述运动质量块层之间的裸露表面上形成防粘附层。
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，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，所述多晶埋层和牺牲层位于所述隔离层上。
13.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述凹坑的形状为方形，深度为0.5μm至0.8μm。
14.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。
15.根据权利要求10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10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多晶埋层连接。
17.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述多晶埋层和/或运动质量块层的材料为多晶硅。
18.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述防粘附层的材料为三氧化铝。
19.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述防粘附层的厚度为2nm～10nm。
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