CN106409673A - 非晶碳膜的形成方法以及微机电系统器件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶碳膜的形成方法以及微机电系统器件的制作方法，所述非晶碳膜的形成方法包括：提供一基底；在所述基底上沉积一非晶碳膜；对所述非晶碳膜进行一热处理工艺。本发明通过对所述非晶碳膜进行一热处理工艺，能够完全去除所述非晶碳膜表面的水汽，同时使所述非晶碳膜的材质更加致密，所述微机电系统器件的制作方法采用所述非晶碳膜作为牺牲层，增强后续后层结构与所述非晶碳膜之间的粘合性，防止后层结构的滑动或脱落，从而提高相应器件的性能。

Description

非晶碳膜的形成方法以及微机电系统器件的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，特别是涉及一种非晶碳膜的形成方法以及微机电系统器件的制作方法。
背景技术
微机电系统(Microelectro Mechanical Systems，简称MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
现有技术形成MEMS器件的方法通常利用光刻胶作为牺牲层，然而光刻胶作为牺牲层时不容易去除，容易污染腔室。为了克服光刻胶作为牺牲层时不容易去除，容易污染腔室的问题，尝试着利用非晶碳膜(α-carbon)作为牺牲层，但是发现利用非晶碳膜(α-carbon)作为牺牲层时，在非晶碳膜上形成的后层结构(导电层或介质层)与非晶碳膜之间的粘合性较差，造成导电层或介质层容易在非晶碳膜上滑动或脱落，严重影响MEMS器件的性能。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的非晶碳膜的形成方法以及微机电系统器件的制作方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是增加导电层或介质层与非晶碳膜之间的粘合性，防止导电层或者介质层的滑动或脱落，以提高MEMS器件的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种非晶碳膜的形成方法包括如下步骤：
提供一基底；
在所述基底上沉积一非晶碳膜；
对所述非晶碳膜进行一热处理工艺。
可选的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述热处理工艺的温度为300摄氏度-500摄氏度。
优选的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述热处理工艺的温度为385摄氏度-400摄氏度。
可选的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述热处理工艺的时间为3min-20min。
优选的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述热处理工艺的时间为5min-10min。
可选的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述热处理工艺的压力为5Torr-20Torr。
可选的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述热处理工艺的环境为非活波气体环境。
优选的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述热处理工艺的环境为氮气环境。
可选的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述非晶碳膜在惰性气体的氛围下通过碳氢化合物反应所得。
进一步的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述碳氢化合物为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和丙烯中的至少一种。
进一步的，在所述非晶碳膜的形成方法中，所述惰性气体为氦气和氩气中的至少一种。
根据本发明的另一面，本发明还提供一种MEMS器件的制作方法，所述制作方法包括：
提供一基底，所述基底包括一前层结构；
形成一非晶碳膜，所述非晶碳膜位于所述基底上，所述非晶碳膜采用上述非晶碳膜的形成方法制成；
形成图形化的非晶碳膜，所述图形化的非晶碳膜位于所述前层结构的上方处；
形成一薄膜层，所述薄膜层覆盖所述图形化的非晶碳膜和所述基底，位于所述图形化的非晶碳膜上的所述薄膜层形成与所述前层结构对应的后层结构；
去除所述图形化的非晶碳膜。
可选的，在所述MEMS器件的制作方法中，所述薄膜层的材料为锗硅、锗或者硅。
可选的，在所述MEMS器件的制作方法中，所述前层结构包括CMOS器件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对所述非晶碳膜进行一热处理工艺，能够完全去除所述非晶碳膜表面的水汽，同时使所述非晶碳膜的材质更加致密，增强后续后层结构(导电层或者介质层)与所述非晶碳膜之间的粘合性，防止后层结构(导电层或者介质层)的滑动或脱落，从而提高相应器件的性能。而且，通过所述热处理工艺还能使形成的所述非晶碳膜中产生的压应力部分转变为拉应力，使得所述非晶碳膜保持较高的硬度和弹性模量，为后续刻蚀工艺提供了对其他材料层的高的膜选择性。此外，经过所述热处理工艺后的非晶碳膜也能够提供所希望的光学膜特性，如对后续光刻图案化工艺有利于所需范围的折射系数和吸收系数，使得制作的MEMS器件的性能能够得到进一步提升。
并且，在MEMS器件制作中，利用所述非晶碳膜作为牺牲层，所述图形化的非晶碳膜容易去除而且不会污染腔室；另外，用所述非晶碳膜作为牺牲层，工艺兼容性好，使得后续后层结构与所述非晶碳膜的粘附性很好。
附图说明
图1本发明实施例中所述非晶碳膜的形成方法的流程图；
图2为本发明实施例中所述MEMS器件的制作方法的流程图；
图3至图6为本发明实施例中所述MEMS器件的制作过程中的结构示意图。
具体实施方式
发明人对现有技术研究发现，导致后层结构滑动和脱落的问题在于：通过碳氢化合物在基底上在沉积所述非晶碳膜时，会出现较多的氢-氧结合形成的水，而由于沉积时间很短(约一分半钟)还有部分水汽来不及被蒸发掉，而依然附着在所述非晶碳膜的表面，致使后续制作的后层结构会出现滑动或脱落的现象。
发明人根据上述研究，提出一种非晶碳膜的形成方法，如图1所示，包括如下步骤：
S11、提供一基底；
S12、在所述基底上沉积一非晶碳膜；
S13、对所述非晶碳膜进行一热处理工艺。
以及提供一种MEMS器件的制作方法，所述制作方法采用上述形成方法制成的非晶碳膜作为牺牲层，如图2所示，包括如下步骤：
S21、提供一基底，所述基底包括一前层结构；
S22、形成一非晶碳膜，所述非晶碳膜位于所述基底上；
S23、形成图形化的非晶碳膜，所述图形化的非晶碳膜位于所述前层结构的上方处；
S24、形成一薄膜层，所述薄膜层覆盖所述图形化的非晶碳膜和所述基底，位于所述图形化的非晶碳膜上的所述薄膜层形成与所述前层结构对应的后层结构；
S25、去除所述图形化的非晶碳膜。
本发明通过对所述非晶碳膜进行一热处理工艺，能够完全去除所述非晶碳膜表面水汽，同时使所述非晶碳膜的材质更加致密，增强后续后层结构(导电层或者介质层)与所述非晶碳膜之间的粘合性，防止后层结构(导电层或者介质层)的滑动或脱落，从而提高相应器件的性能。而且，通过所述热处理工艺还能使形成的所述非晶碳膜中产生的压应力部分转变为拉应力，使得所述非晶碳膜保持较高的硬度和弹性模量，为后续刻蚀工艺提供了对其他材料层的高的膜选择性。此外，经过所述热处理工艺后的非晶碳膜也能够提供所希望的光学膜特性，如对后续光刻图案化工艺有利于所需范围的折射系数和吸收系数，使得制作的MEMS器件的性能能够得到进一步提升。
并且，在MEMS器件制作中，利用所述非晶碳膜作为牺牲层，所述图形化的非晶碳膜容易去除而且不会污染腔室；另外，用所述非晶碳膜作为牺牲层，工艺兼容性好，使得后续后层结构与所述非晶碳膜的粘附性很好。
下面将结合流程图和示意图对本发明的非晶碳膜的形成方法及微机电系统器件的制作方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
以下列举所述非晶碳膜的形成方法及为微机电系统器件的制作方法的实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
请参阅图1，示意出了本发明实施例中所述非晶碳膜的形成方法的流程图，首先，执行步骤S11，如图3所示，提供一基底100，在本发明实施例中，所述基底100可以包括任意下面的材料或可以使用的材料，或者在其上可以形成器件、电路或外延层的任何材料。在其他替换实施例中，所述基底100可以包括诸如掺杂硅、砷化镓、砷磷化镓、磷化铟、锗、或者硅锗衬底的半导体衬底。例如，所述基底100可以包括除了半导体衬底部分之外的，诸如SiO2或Si3N4层之类的绝缘层，还可以包括除了半导体衬底部分之外的，诸如CMOS器件之类的结构，即所述基底100包括CMOS器件之类的前层结构101，所述前层结构101可以位于所述基底100上，也可以位于所述基底100内，所述前层结构101的具体结构和位置均需要根据实际的MEMS器件的种类进行确定，本实施例中以所述前层结构101位于所述基底100内为例来说明本发明的技术方案。因此，所述基底100用于一般地定义位于感兴趣的层或部分下方的多层要素。同样，所述基底100可以是其上形成层的任意其他层。
然后，执行步骤S12，如图3所示，在所述基底100上沉积一非晶碳膜102。较佳的，所述非晶碳膜102在惰性气体的氛围下通过碳氢化合物反应沉积所得，所述碳氢化合物可以为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和丙烯中的至少一种，所述惰性气体为氦气和氩气中的至少一种。
接下来，执行步骤S13，对所述非晶碳膜102进行一热处理工艺。将通过步骤S12沉积好的所述非晶碳膜放入一腔体进行热处理工艺，为了保护所述基底100、前层结构101以及所述非晶碳膜102，所述热处理工艺的环境为非活泼气体环境，较佳的，为氮气环境；所述热处理工艺的压力为5Torr-20Torr，例如5Torr、10Torr、15Torr，所述热处理工艺的温度为300摄氏度-500摄氏度之间，例如385摄氏度、400摄氏度、450摄氏度等，所述热处理工艺时间为3min-20min，比如5min、10min、15min等。优选的，发明人通过反复研究和摸索，发现当腔体压力设置为5Torr，腔体温度设置为385摄氏度-400摄氏度，以及处理时间为5min-10min时，所述热处理工艺的效果最佳。通过该热处理工艺后，所述非晶碳膜102表面因所述碳氢化合物中氢-氧结合而成的水汽被完全去除掉，并且所述非晶碳膜102的材质更加致密化，另外，通过低压加温的方式，使得所述非晶碳膜102中的压应力和拉应力发生一定的改变，有利于后续刻蚀工艺。
上述为本实施例中所述非晶碳膜的形成方法，因所述非晶碳膜102具有良好的特性，能够提供所希望的光学膜特性，于是，在MEMS器件中，将所述非晶碳膜102作为MEMS器件中的牺牲介质层。下面，简单介绍所述微机电系统器件的制作方法，以突出所述非晶碳膜的使用。
请参阅图2，示意出了所述MEMS器件的制作方法的流程图，其中步骤S21与前面提到的步骤S11是完全一样的，所述基底100包括一前层结构101，以所述前层结构101位于所述基底100内为实施例来说明本发明的技术方案。然后，执行步骤S22，形成一非晶碳膜102，所述非晶碳膜102位于所述基底100上，所述非晶碳膜102的形成具体步骤请参考前面提到的步骤S12和S13。
接着，执行步骤S23，形成图形化的非晶碳膜，所述图形化的非晶碳膜位于所述前层结构101的上方处。具体的，对所述非晶碳膜102进行光刻、刻蚀形成图形化的非晶碳膜102′，使所述图形化的非晶碳膜102′位于所述前层结构101的上方处，如图4所示。当然，此处只是为了对本发明的目的起到示意作用，实际图形化的非晶碳膜102′的图形会根据实际的器件结构进行相应的调整。
然后，执行步骤S24，形成一薄膜层103，如图5所示，所述薄膜层103覆盖所述图形化的非晶碳膜102′和所述基底100，所述薄膜层103的材料为锗硅、锗或者硅，在所述图形化的非晶碳膜上102′的所述薄膜层103形成与所述前层结构102对应的后层结构，例如导电层或者介质层，根据实际的MEMS器件的种类而确定。通常，会在所述薄膜层103上形成一开口(图中示意图省略)便于后续的工艺，这些都是本领域普通技术人员可以理解的，在此不做赘述。
最后，执行步骤S25，如图6所示，去除所述图形化的非晶碳膜102′，使得所述前层结构102与后层结构相互隔离。去除所述图形化的非晶碳膜102′的方法可以为：等离化氧气形成氧等离子体；在一定温度范围下使所述氧等离子体流过非晶碳膜，灰化去除所述图形化的非晶碳膜102′；或者，利用氢氟酸溶液或硫酸溶液去除所述图形化的非晶碳膜102′。因通常在所述薄膜层103上会有相应的开口(图中示意图省略)，等离化的氧气或者氢氟酸溶液、硫酸溶液均可以通过该开口与所述图形化的非晶碳膜102′接触。在实际情况中，根据MEMS器件种类的不同，后层结构可能是导电层，也可能是不导电层(介质层)，当后层结构为介质层时，需要将导电的锗硅、锗或者硅变为不导电的材料，这些是本领域普通技术人员可以理解的，通常，通过对所述薄膜层103进行氧化，使其表面被氧化成不导电的氧化物。
本实施例的MEMS器件的制作方法中，利用所述非晶碳膜作为牺牲层，且在图形化的非晶碳膜上形成材料为锗硅、锗或硅的薄膜层，以形成MEMS器件中的后层结构。由于所述图形化的非晶碳膜容易去除而且不会污染腔室；另外，用所述非晶碳膜作为牺牲层，工艺兼容性好；并且，材料为锗硅、锗或硅的薄膜层与所述非晶碳膜的粘附性很好。
综上，本发明通过对所述非晶碳膜进行一热处理工艺，能够完全去除所述非晶碳膜表面水汽，同时使所述非晶碳膜的材质更加致密，增强后续后层结构(导电层或者介质层)与所述非晶碳膜之间的粘合性，防止后层结构(导电层或者介质层)的滑动或脱落，从而提高相应器件的性能。而且，通过所述热处理工艺还能使形成的所述非晶碳膜中产生的压应力部分转变为拉应力，使得所述非晶碳膜保持较高的硬度和弹性模量，为后续刻蚀工艺提供了对其他材料层的高的膜选择性。此外，经过所述热处理工艺后的非晶碳膜也能够提供所希望的光学膜特性，如对后续光刻图案化工艺有利于所需范围的折射系数和吸收系数，使得制作的MEMS器件的性能能够得到进一步提升。
并且，在MEMS器件制作中，利用所述非晶碳膜作为牺牲层，所述图形化的非晶碳膜容易去除而且不会污染腔室；另外，用所述非晶碳膜作为牺牲层，工艺兼容性好，使得后续后层结构与所述非晶碳膜的粘附性很好。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种非晶碳膜的形成方法，其特征在于，包括：
提供一基底；
在所述基底上沉积一非晶碳膜；
对所述非晶碳膜进行一热处理工艺。
2.如权利要求1所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述热处理工艺的温度为300摄氏度-500摄氏度。
3.如权利要求2所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述热处理工艺的温度为385摄氏度-400摄氏度。
4.如权利要求1所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述热处理工艺的时间为3min-20min。
5.如权利要求4所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述热处理工艺的时间为5min-10min。
6.如权利要求1所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述热处理工艺的压力为5Torr-20Torr。
7.如权利要求1所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述热处理工艺的环境为非活泼气体环境。
8.如权利要求7所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述热处理工艺的环境为氮气环境。
9.如权利要求1所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述非晶碳膜在惰性气体的氛围下通过碳氢化合物反应所得。
10.如权利要求9所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述碳氢化合物为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和丙烯中的至少一种。
11.如权利要求9所述的非晶碳膜的形成方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气和氩气中的至少一种。
12.一种微机电系统器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供一基底，所述基底包括一前层结构；
形成一非晶碳膜，所述非晶碳膜位于所述基底上，所述非晶碳膜采用如权利要求1至11任意一项所述的非晶碳膜的形成方法制成；
形成图形化的非晶碳膜，所述图形化的非晶碳膜位于所述前层结构的上方处；
形成一薄膜层，所述薄膜层覆盖所述图形化的非晶碳膜和所述基底，位于所述图形化的非晶碳膜上的所述薄膜层形成与所述前层结构对应的后层结构；
去除所述图形化的非晶碳膜。
13.如权利要求12所述的微机电系统器件的制作方法，其特征在于，所述薄膜层的材料为锗硅、锗或者硅。
14.如权利要求12所述的微机电系统器件的制作方法，其特征在于，所述前层结构包括CMOS器件。
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