CN106379858A - 微机电器件的制造方法、微机电器件及微机电器件基底结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电器件的制造方法、微机电器件及微机电器件基底结构，该微机电器件的制造方法包括如下步骤：S1：提供微机电器件基底结构，该微机电器件基底结构包括具有上表面和下表面的衬底，设置在所述衬底的上表面的至少一层停止层及设置在最上层的停止层上的器件层，其中，所述衬底与最靠近所述衬底的一层的停止层为不同材料；S2：首先干法刻蚀衬底，然后湿法腐蚀停止层。由于微机电器件的制造方法在干法刻蚀衬底时，先停留在停止层上，然后，再采用湿法腐蚀工艺腐蚀停止层，从而可在干法刻蚀时，通过停止层增强器件层的强度，避免器件层破损，进而提高成品率，同时又能够满足小尺寸器件制造。

Description

微机电器件的制造方法、微机电器件及微机电器件基底结构

技术领域

本发明涉及一种微机电器件的制造方法、微机电器件及微机电器件基底结构。

背景技术

硅以其优越的机械性能及电学性能广泛地应用IC制造以及MEMS制造中。为满足多种几何形状如坑、洞、齿等制造需求，主要通过干法刻蚀和湿法腐蚀获得。在刻蚀器件背腔时，可以使用KOH溶液或者TMAH作为腐蚀液。然而该方法腐蚀速率相对于干法深硅刻蚀(DRIE)较慢，同时侧壁与硅片表面形成54.74度倾斜角，导致芯片面积变大。DRIE利用刻蚀和侧壁保护交替的Bosch工艺以实现对侧壁的保护，能够实现可控的侧向刻蚀，可以制作出陡直或其它倾斜角度的侧壁。因此DRIE可以更精确控制尺寸，同时满足器件的小尺寸需要。

随之趋势的发展，为提高器件灵敏度，通常将器件结构设计的很薄。例如红外热电堆式温度传感器，当减薄器件膜热敏感膜层厚度时，器件热敏感膜的热容减小，因此相同的吸热面积可以显著提高器件的灵敏度。然而，请参见图1和图2，在刻蚀硅衬底11时，由于较薄的器件层12的强度很弱，器件层12的薄膜容易发生破损。破损的器件层12会沾污甚至损坏机台，这会提高制造成本，甚至无法量产。

除此之外，由于在干法刻蚀衬底时，可能存在刻蚀偏差，为了弥补干法刻蚀偏差通常需要采用过刻蚀(overetch)方法将底部衬底刻蚀干净，因此容易在刻蚀过程中损伤器件层12。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可避免在干法刻蚀衬底时器件层破损，提高成品率，同时能够满足小尺寸器件制造的微机电器件的制造方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微机电器件的制造方法，包括如下步骤：

S1：提供微机电器件基底结构，该微机电器件基底结构包括具有上表面和下表面的衬底，设置在所述衬底的上表面的至少一层停止层及设置在最上层的停止层上的器件层，其中，所述衬底与最靠近所述衬底的一层的停止层为不同材料；

S2：首先干法刻蚀衬底，然后湿法腐蚀停止层。

进一步的：所述器件层包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间。

进一步的：在所述步骤S2中，所述衬底的干法刻蚀速率大于与所述衬底相邻的停止层的干法刻蚀速率；所述停止层的湿法腐蚀速率大于器件层的湿法腐蚀速率。

进一步的：所述器件层包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间；在所述步骤S2中还包括，湿法腐蚀器件停止层。

进一步的：所述器件停止层的湿法腐蚀速率大于所述器件功能层的湿法腐蚀速率。

进一步的：其特征在于，间隔设置的所述衬底和停止层为相同材料或不同材料，或者，间隔设置的两个所述停止层为相同材料或不同材料。

进一步的：所述停止层为两层；其中位于下层的停止层为二氧化硅，位于上层的停止层为多晶硅；或者，其中位于下层的停止层为二氧化硅和氮化硅复合膜层，位于上层的停止层为多晶硅；或者，其中位于下层的停止层为氮化硅，位于上层的停止层为多晶硅。

进一步的：两个所述停止层与衬底组合形成一SOI衬底。

进一步的：在所述步骤S1前还包括如下步骤：制造微机电器件基底结构，提供衬底，在所述衬底上依次形成至少一层停止层，在所述停止层上形成所述器件层。

进一步的：所述衬底与最靠近所述衬底的一层的停止层为不同材料。

本发明还提供了一种微机电器件基底结构，包括具有上表面和下表面的衬底，设置在所述衬底的上表面的至少一层停止层及设置在最上层的停止层上的器件层。

进一步的：所述器件层包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间。

进一步的：间隔设置的所述衬底和停止层为相同材料或不同材料；和/或者，间隔设置的两个所述停止层为相同材料或不同材料。

进一步的：所述停止层为两层，位于下层的停止层为二氧化硅，位于上层的停止层为多晶硅；或者，其中位于下层的停止层为二氧化硅和氮化硅复合膜层，位于上层的停止层为多晶硅；或者，其中位于下层的停止层为氮化硅，位于上层的停止层为多晶硅。

本发明的有益效果在于：由于本发明的微机电器件基底结构具有设置在衬底与器件层之间的停止层，且先通过干法刻蚀衬底，再湿法腐蚀工艺腐蚀停止层，从而可在干法刻蚀时，通过停止层增强器件层的强度，避免器件层破损，进而提高成品率，同时又能够满足小尺寸器件制造。另外，由于先刻蚀衬底，所以，即使存在刻蚀误差也可避免损坏器件层，故，本发明的微机电器件的制造方法相对现有技术来说更容易操作，因而更易于量产。由于所采用的微机电器件基底结构具有设置在衬底与器件层之间的停止层，所以，采用该微机电器件基底结构在制造形成微机电器件时，其在干法刻蚀时，由于该停止层的存在，可以增强器件层的强度，避免器件层破损，进而提高成品率，同时又能够满足小尺寸器件制造；另外，由于该停止层存在，在干法刻蚀时，过刻蚀不会损伤器件功能层，这提高了制造工艺可操作性和器件良率，易于后续的微机电器件的量产。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为现有技术中微机电器件基底结构的结构示意图；

图2为图1所示的微机电器件基底结构通过深硅工艺后的结构示意图；

图3为实施例一所示的微机电器件的制造方法的流程图；

图4为实施例一所示的微机电器件基底结构的结构示意图；

图5为实施例一中制造微机电器件的通过深硅工艺后的结构图；

图6为图4所示的微机电器件基底结构通过深硅工艺和湿法腐蚀后的结构示意图，即微机电器件的结构示意图；

图7为实施例二所示的微机电器件的制造方法的流程图；

图8为实施例二所示的微机电器件基底结构的结构示意图；

图9为实施例二所示的微机电器件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。文中所提到的上、下、左、右、前、后以图6中微机电器件的图示方向为基准，其中上下方向为微机电器件的高度方向。

请参见图3，并结合图4至图6，实施例一所示的微机电器件的制造方法包括如下步骤：

S1：提供微机电器件基底结构20，该微机电器件基底结构20包括具有下表面211和上表面212的衬底21、设置在所述衬底21的上表面212上的至少一层停止层22、23及设置在最上层的停止层23上的器件层24，其中，所述衬底21、最靠近所述衬底21的一层的停止层22为不同材料；

S2：首先干法刻蚀衬底21，然后湿法腐蚀停止层22、23。在本实施例中，停止层为两层，两层停止层通过不同的腐蚀速率依次单独腐蚀每层停止层22、23。所述衬底21的干法刻蚀速率大于与所述衬底21相邻的停止层22的刻蚀速率；位于下层的停止层22的腐蚀速率大于与该层停止层22相邻的停止层23的腐蚀速率。为了便于描述，现将停止层22、23称之为停止结构，在本步骤中，在干法刻蚀衬底21时，停止结构未被刻蚀，当然，由于刻蚀误差，停止结构可能会损失部分厚度。除本实施例外，可以两层停止层22、23可以一次性腐蚀。

在所述步骤S1前还包括如下步骤：制造微机电器件基底结构20，提供衬底21，在所述衬底21上依次形成至少一层停止层22、23，在停止层22、23上形成器件层24。

请结合图6，在本实施例一中，所述停止层22为两层，衬底21与位于下层的停止层22为不同材料，两个停止层22、23为不同材料，其具体为：位于下层的停止层22为二氧化硅，位于上层的停止层23为多晶硅，所述衬底21为单晶硅。诚然，该停止层可以为一层，其材料可以为二氧化硅、二氧化硅和氮化硅复合膜层、氮化硅中的一种或其他材料；或者，该停止层也可以为两层以上。在两层停止层中，该两层的停止层的材料还可以为：位于下层的停止层为二氧化硅和氮化硅复合膜层，位于上层的停止层为多晶硅；或者，位于下层的停止层为氮化硅，位于上层的停止层为多晶硅。当然，该相邻两个停止层还可以为同一种材料。另外，在其他实施方式中，若该停止层大于或等于两层，则衬底、停止层的材料可以为如下组合：间隔设置的所述衬底和停止层为相同材料或不同材料，和/或者，间隔设置的两个所述停止层为相同材料或不同材料。

在实施例一中，所述器件层仅有器件功能层，但在其他实施方式中，该器件层可包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间。在步骤S2中，在湿法腐蚀时，可以不去除器件停止层，或者也可以在在所述步骤S2中将器件停止层去除，其具体如下：在所述步骤S2中还包括，湿法腐蚀器件停止层。所述器件停止层的湿法腐蚀速率大于所述器件功能层的湿法腐蚀速率。通过设置该器件停止层可以进一步增加器件层24的厚度，避免刻蚀后的器件层24不易破损。

请结合图6，实施例一所示的微机电器件包括衬底21、设置在衬底21上方的器件层24、及设置在所述衬底21与器件层24之间的两层停止层22，在本实施例中，最靠近所述衬底21的一层的停止层22(即位于下方一层停止层22)被命名为第一停止层，位于上方的停止层22被命名为第二停止层。所述衬底21上通过干法刻蚀所述衬底21形成第一腔体25，所述第一腔体25贯通衬底21。所述第一停止层22、第二停止层23上湿法腐蚀所述第一停止层22和第二停止层23形成第二腔体26，所述第二腔体26贯通该第一停止层22、第二停止层23。所述第一腔体25和第二腔体26联通。所述衬底21、第一停止层22为不同材料。在形成第一腔体25时，衬底21的干法刻蚀速率大于与所述衬底相邻的第一停止层22的干法刻蚀速率；在形成第二腔体26时，所述第二停止层23的湿法腐蚀速率大于器件层的湿法腐蚀速率，第一停止层22的湿法腐蚀速率大于第二停止层23的湿法腐蚀速率。第一停止层22、第二停止层23为不同材料。在本实施例中，该衬底21为单晶硅，第一停止层22为二氧化硅，第二停止层23为单晶硅。其他实施方式中，停止层可以为多层。间隔设置的所述衬底和停止层为相同材料或不同材料，或者，间隔设置的两个所述停止层为相同材料或不同材料。如：第一停止层22为二氧化硅，第二停止层23为多晶硅；或者，第一停止层22为二氧化硅和氮化硅复合膜层，第二停止层23为多晶硅；或者，第一停止层22为氮化硅，第二停止层23为多晶硅。

所述第二腔体26包括分别采用不同湿法腐蚀速率形成、且贯穿至少两个停止层的两个第一子腔体(未标号)。

在本实施例中，所述器件层仅有器件功能层，但在其他实施方式中，该器件层可包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间。第二腔体可以选择贯穿器件停止层。当第二腔体贯穿器件停止层，该器件停止层上的第二腔体被称为第二子腔体，则此时，所述第二腔体包括分别采用不同湿法腐蚀速率形成、且贯穿至少一个停止层的至少一个第一子腔体及采用不同于形成第一子腔体的湿法腐蚀速率的湿法腐蚀速率、且贯穿所述器件停止层的第二子腔体。

本实施例一中的微机电器件根据前述微机电器件的制造方法所制得，该微机电器具体制造方法如下：

请结合图4，第一步：制造微机电器件基底结构20，提供单晶硅衬底21，在所述单晶硅衬底21上依次形成依次生长形成二氧化硅(SiO2)和多晶硅(Poly Si)以形成第一停止层22和第二停止层23，在第一停止层22上形成器件层24。该第一停止层22、第二停止层23组合形成一复合膜层以作为器件层24的基底；

请结合图5，第二步：利用干法刻蚀(DRIE)将单晶硅衬底21从其下表面211进行刻蚀，以形成贯通该单晶硅衬底21的第一腔体25，其中该单晶硅衬底21刻蚀衬底21的速率远大于刻蚀第一停止层22的速率；在该过程中，由于整体器件层24下方有停止结构(第一停止层22和第二停止层23)，相当于增加了器件层24的厚度，因此，刻蚀后的器件层24不易破损，从而减少了器件层24破损而对机台的沾污和损坏，另外，由于该停止结构的存在，所以，允许干法刻蚀有一个较宽泛的干法刻蚀误差范围，相对与现有技术来说，其该制造方法更容易操作。

请结合图6，第三步：利用湿法工艺依次将第一停止层22和第二停止层23依次腐蚀以形成第二腔体26，在腐蚀第一停止层22时，第一停止层22的腐蚀速率远大于第二停止层23的腐蚀速率；在腐蚀第二停止层23时，第二停止层23的腐蚀速率远大于器件层24的工作区的腐蚀速率。因此，经过湿法腐蚀后的器件层24的工作区域并未受到影响。当然，也可以通过一次湿法腐蚀将第一停止层22和第二停止层23去除。

请参见图4，用于制造上述微机电器件的微机电器件基底结构20包括具有上表面212和下表面211的衬底21、设置在所述衬底21的上表面的至少一层停止层22、23及设置在最上层的停止层23上的器件层24。在本实施例中，所述器件层24仅有器件功能层。在其他实施方式中，所述器件层包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间。在本实施例中，停止层为两层，诚然，该停止层可以为一层，或者两层以上。所述衬底21与最靠近所述衬底21的一层的停止层22为不同材料。间隔设置的所述衬底21和停止层23为相同材料或不同材料。在多层停止层中，间隔设置的两个所述停止层为相同材料或不同材料。在停止层为两层的实施例中，位于下层的停止层为二氧化硅，位于上层的停止层为多晶硅；或者，其中位于下层的停止层为二氧化硅和氮化硅复合膜层，位于上层的停止层为多晶硅；或者，其中位于下层的停止层为氮化硅，位于上层的停止层为多晶硅。

请参见图7，实施例二所示的一种微机电器件的制造方法包括如下步骤：

请结合图8，S1’：提供微机电器件基底结构20’，该微机电器件基底结构20’包括具有下表面211’和上表面212’的衬底21’、设置在所述衬底21’的上表面212’上的器件层24’，其中，所述衬底21’为SOI衬底30’，其从上至下依次为上硅层23’、二氧化硅层22’及下硅层21’；

S2’：首先通过干法刻蚀下硅层21’，然后湿法腐蚀二氧化硅层22’、上硅层23’。该二氧化硅层22’、上硅层23’可以通过不同的腐蚀速率依次刻蚀，或者一步腐蚀完成。

该SOI衬底30’即由两个所述停止层与衬底组合形成，实施例二中的下硅层为衬底，实施例二中二氧化硅层相当于为第一停止层，实施例二中的上硅层为第二停止层。上述SOI衬底30’为现有技术中的常规部件，其上硅层厚度一般为0.02um～3.5um，二氧化硅层厚度一般为0.1um～4um，在实际制造中，可根据不同制造需求，取不同规格的SOI衬底30’。在上述步骤S2中，所述下硅层21’的干法刻蚀速率大于所述二氧化硅层22’的干法刻蚀速率；位于下层的二氧化硅层22’的湿法腐蚀速率大于上硅层23’的湿法腐蚀速率，上硅层23’的湿法腐蚀速率大于器件层24’的湿法腐蚀速率。

在实施例二中，该器件层24’仅有器件功能层，但在其他实施方式中，该器件层24’可包括器件功能层及器件停止层，器件停止层位于SOI衬底30’与器件功能层之间。在步骤S2中，在湿法腐蚀时，可以不去除器件停止层，或者也可以在在所述步骤S2中将器件停止层去除，其具体如下：在所述步骤S2中还包括，湿法腐蚀器件停止层。通过设置该器件停止层可以进一步增加器件层24’的厚度，避免刻蚀后的器件层24’不易破损。

请参见图9，通过实施例二的微机电器件的制造方法所形成的微机电器件包括SOI衬底30’和设置在SOI衬底30’上方的器件层24’，所述SOI衬底30’从下至上依次为上硅层23’、二氧化硅层22’及下硅层21’，所述SOI衬底30’上通过干法刻蚀所述下硅层21’形成第一腔体25’、及通过湿法腐蚀二氧化硅层22’、上硅层23’形成第二腔体26’。所述第一腔体25’贯通下硅层21’，所述第一腔体25’贯通二氧化硅层22’、上硅层23’。所述第一腔体25’和第二腔体26’联通。在形成第一腔体25’时，该下硅层21’的干法刻蚀速率大于所述二氧化硅层22’的干法刻蚀速率；在形成第二腔体26’时，所述上硅层23’的湿法腐蚀速率大于器件层24’的湿法腐蚀速率，下硅层21’的湿法腐蚀速率大于二氧化硅层22’的湿法腐蚀速率。

上述两种实施例中或者超出两种实施例而描述的微机电器件的制造方法及微机电器件可应用在红外热电堆式温度传感器、红外气体传感器、微热板MOS气体传感器以及热式流量传感器等MEMS器件上，具有良好的应用前景和广泛的应用领域。

综上所述：微机电器件基底结构具有设置在衬底与器件层之间的停止层，且先通过干法刻蚀衬底，再湿法腐蚀工艺腐蚀停止层，从而可在干法刻蚀时，通过停止层增强器件层的强度，避免器件层破损，进而提高成品率，同时又能够满足小尺寸器件制造。另外，由于先刻蚀衬底，所以，即使存在刻蚀误差也可避免损坏器件层，故，本发明的微机电器件的制造方法相对现有技术来说更容易操作，因而更易于量产。由于所采用的微机电器件基底结构具有设置在衬底与器件层之间的停止层，所以，采用该微机电器件基底结构在制造形成微机电器件时，其在干法刻蚀时，由于该停止层的存在，可以增强器件层的强度，避免器件层破损，进而提高成品率，同时又能够满足小尺寸器件制造；另外，由于该停止层存在，在干法刻蚀时，过刻蚀不会损伤器件功能层，这提高了制造工艺可操作性和器件良率，易于后续的微机电器件的量产。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种微机电器件的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：

S1：提供微机电器件基底结构，该微机电器件基底结构包括具有上表面和下表面的衬底，设置在所述衬底的上表面的至少一层停止层及设置在最上层的停止层上的器件层，其中，所述衬底与最靠近所述衬底的一层的停止层为不同材料；

S2：首先干法刻蚀衬底，然后湿法腐蚀停止层。

2.如权利要求1所述的微机电器件的制造方法，其特征在于，所述器件层包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间。

3.如权利要求1所述的微机电器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述衬底的干法刻蚀速率大于与所述衬底相邻的停止层的干法刻蚀速率；所述停止层的湿法腐蚀速率大于器件层的湿法腐蚀速率。

4.如权利要求3所述的微机电器件的制造方法，其特征在于，所述器件层包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间；在所述步骤S2中还包括，湿法腐蚀器件停止层。

5.如权利要求4所述的微机电器件的制造方法，其特征在于，所述器件停止层的湿法腐蚀速率大于所述器件功能层的湿法腐蚀速率。

6.如权利要求1至5项中任意一项所述的微机电器件的制造方法，其特征在于，间隔设置的所述衬底和停止层为相同材料或不同材料，或者，间隔设置的两个所述停止层为相同材料或不同材料。

7.如权利要求6所述的微机电器件的制造方法，其特征在于，所述停止层为两层；其中位于下层的停止层为二氧化硅，位于上层的停止层为多晶硅；或者，其中位于下层的停止层为二氧化硅和氮化硅复合膜层，位于上层的停止层为多晶硅；或者，其中位于下层的停止层为氮化硅，位于上层的停止层为多晶硅。

8.如权利要求6所述的微机电器件的制造方法，其特征在于，两个所述停止层与衬底组合形成一SOI衬底。

9.如权利要求1所述的微机电器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤S1前还包括如下步骤：制造微机电器件基底结构，提供衬底，在所述衬底上依次形成至少一层停止层，在所述停止层上形成所述器件层。

10.一种微机电器件，其特征在于，所述微机电器件通过如权利要求1至9项中任意一项所述的微机电器件的制造方法所制作。

11.一种微机电器件基底结构，其特征在于，包括具有上表面和下表面的衬底，设置在所述衬底的上表面的至少一层停止层及设置在最上层的停止层上的器件层，所述衬底与最靠近所述衬底的一层的停止层为不同材料。

12.如权利要求11所述的微机电器件基底结构，其特征在于，所述器件层包括器件功能层及器件停止层，所述器件停止层位于所述器件功能层和停止层之间。

13.如权利要求11或12所述的微机电器件基底结构，其特征在于，间隔设置的所述衬底和停止层为相同材料或不同材料；和/或者，间隔设置的两个所述停止层为相同材料或不同材料。