CN106608614A - Mems结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种MEMS结构的制造方法，包括：在基板的第一表面上形成第一牺牲层，基板还包括与第一表面相对的第二表面；在第一牺牲层上形成第一功能层，第一功能层具有相对的第一表面和第二表面且第一表面与第一牺牲层接触；在第一功能层的第二表面上形成第二牺牲层；在第二牺牲层上形成第二功能层；去除第二牺牲层和第二功能层的一部分，使得第二牺牲层和第二功能层的侧壁与第一功能层的表面形成台阶；形成覆盖台阶的保护层，所述保护层与台阶表面的间隙小于等于0.1微米；穿过第二功能层中的透孔去除第二牺牲层的一部分，使得第二功能层和第二牺牲层的剩余部分形成内部空间，第一功能层的第二表面暴露于内部空间；以及去除保护层。该方法在释放MEMS结构的步骤中利用保护层保护台阶。

Description

MEMS结构的制造方法

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)结构的制造方法，更具体地，涉及具有台阶的MEMS结构的制造方法。

背景技术

MEMS器件是在微电子技术基础上发展起来的采用微加工工艺制作的电子机械器件，已经广泛地用作传感器和执行器。例如，MEMS器件可以是硅电容麦克风。硅电容麦克风通常包括基板、背极板和振膜，其中振膜是硅电容麦克风的核心部件，该振膜灵敏地响应声压信号并将之转化为电信号。在硅电容麦克风中，基板和背极板是固定部件，振膜是可动部件。振膜的一端固定在基板上，另一端则可以自由振动。不仅仅是硅电容麦克风，基于电容特性的MEMS传感器以及大部分的MEMS执行器均包括固定部件和可动部件。

在形成包括可动部件的MEMS器件的工艺中，为了形成可动部件，通常包括在牺牲层上形成功能层、以及去除牺牲层的一部分使得功能层的一端悬空的步骤，该步骤可以称为释放步骤，例如，可以采用湿法工艺或干法工艺释放可动部件。在湿法工艺中，将包括功能层和牺牲层的中间结构一起浸入蚀刻溶液中，使得蚀刻剂到达功能层下方的牺牲层，然后利用各向同性蚀刻特性横向蚀刻牺牲层，从而在功能层下方形成空间，使得功能层的至少一部分悬空成为自由端。在干法蚀刻中，例如采用反应离子蚀刻，在蚀刻形成的开口到达牺牲层之后，利用反应离子蚀刻的侧掏横向蚀刻牺牲层。

在上述两种工艺中，干法蚀刻的横向蚀刻速率低，难以在功能层下方形成足够大的空间，从而对MEMS器件结构的限制大。湿法蚀刻在选择合适的蚀刻剂的情形下，横向蚀刻速率高，容易形成功能层下方的空间，因而在形成MEMS结构时是优选的。

然而，由于牺牲层的厚度可能过大，湿法蚀刻的时间过长，或者MEMS结构的形貌特征包括台阶或者高宽比过大的深孔等因素，因此，湿法蚀刻可能导致MEMS结构的受保护部分的钻蚀，从而使得MEMS结构的机械性能劣化。进一步地，在MEMS结构的加工过程中，例如在芯片拾取和引线键合期间，由于加工工具碰撞芯片导致机械损坏或线路断开，导致MEMS结构失效。

因此，期望进一步改进现有MEMS结构的制造方法，以获得高可靠性的MEMS结构，从而提高产率及降低成本。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于通过在释放可动部件之前提供附加的保护层，以提高MEMS结构的可靠性。

根据本发明，提供一种MEMS结构的制造方法，包括：在基板的第一表面上形成第一牺牲层，所述基板还包括与第一表面相对的第二表面；在第一牺牲层上形成第一功能层，所述第一功能层具有相对的第一表面和第二表面且所述第一表面与所述第一牺牲层接触；在第一功能层的第二表面上形成第二牺牲层；在第二牺牲层上形成第二功能层；去除第二牺牲层和第二功能层的一部分，使得第二牺牲层和第二功能层的侧壁与第一功能层的表面形成台阶；形成覆盖台阶的保护层，所述保护层与台阶表面的间隙小于等于0.1微米；穿过第二功能层中的透孔去除第二牺牲层的一部分，使得第二功能层和第二牺牲层的剩余部分形成内部空间，所述第一功能层的第二表面暴露于所述内部空间；以及去除保护层。

优选地，所述保护层相对于所述第二功能层、所述二牺牲层和所述第一功能层的蚀刻选择比大于50。

优选地，所述保护层由选自氧化硅和氮化硅的一种组成，所述第二牺牲层由选自氧化硅和氮化硅的另一种组成。

优选地，所述台阶的高度大于1微米，所述保护层的厚度小于1微米。

优选地，所述MEMS结构为选自MEMS传感器和MEMS致动器的一种。

优选地，所述MEMS结构为硅电容麦克风，其中，所述第一功能层和所述第二功能层分别为所述硅电容麦克风的振膜和背极板，所述振膜包括中间部分、周边部分和二者之间的连接区，在形成台阶的步骤中暴露所述振膜的周边部分的表面。

优选地，在形成台阶和形成保护层的步骤之间，还包括：在所述振膜的周边部分的表面形成第一电极；以及在所述背极板的表面形成第二电极，其中，所述保护层覆盖所述第一电极和所述第二电极。

优选地，在形成保护层的步骤和去除保护层的步骤之间，还包括：去除部分保护层，以暴露所述振膜的周边部分的一部分表面和所述背极板的一部分表面；以及在所述振膜的周边部分的暴露表面和所述背极板的暴露表面上分别形成第一电极和第二电极。

优选地，在形成保护层的步骤和形成内部空间的步骤之间，还包括：从所述基板的第二表面形成到达所述第一牺牲层的声腔；以及在所述第一牺牲层中形成透孔，使得声波经由所述声腔和所述透孔到达所述振膜。

优选地，采用湿法蚀刻去除所述保护层。

该方法在释放MEMS结构的步骤中利用保护层保护台阶，从而避免了在台阶的拐角处出现钻蚀导致MEMS结构失效。

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至3分别示出根据本发明的实施例的MEMS结构的立体结构示意图、俯视图和截面图。

图4a至4i示出根据本发明的实施例的MEMS结构的制造方法中的不同阶段的MEMS结构的截面图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用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。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A与B直接邻接。

在本申请中，术语“MEMS结构”指在制造MEMS器件的各个步骤中形成的整个MEMS结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

在下文中将以硅电容麦克风为例说明MEMS结构的制造方法。可以理解，采用类似的方法能够制造与硅电容麦克风类似结构的各种类型的MEMS传感器和执行器。

图1至3分别示出根据本发明的实施例MEMS结构的立体结构示意图、俯视图和截面图，其中图2中的线AA示出截面图的截取位置。在该实施例中，MEMS结构100为硅电容麦克风100。MEMS结构100包括依次堆叠的基板110、第一牺牲层120、振膜130、第二牺牲层140和背极板150。基板110例如是单晶硅衬底，第一牺牲层120和第二牺牲层140由绝缘材料(例如氧化硅、或氮化硅)组成，振膜130和背极板150由导电材料(例如掺杂的多晶硅、金属或合金)组成。

在基板110中形成有声腔，第一牺牲层120中形成有第一透孔，从而一起提供声波从基板110的下表面到达振膜130的下表面的第一通道。在背极板150中形成有中间的第二透孔151以及分布在第二透孔151周围的多个第三透孔152，第二牺牲层140中形成第四透孔，从而一起提供从外部到达振膜130上表面的第二通道。

如果该第二通道未与外部连通，则在振膜130的振动时将封闭空间中的空气，空气阻尼最大，这可能导致声波响应的灵敏度降低和线性度劣化。因此，根据硅电容麦克风的设计要求选择第二通道的各个透孔的直径，使得振膜130振动时空气阻尼最优化。

振膜130包括平整的中间部分132和周边部分134，以及连接中间部分132和周边部分134的连接区133。在硅电容麦克风中，振膜130的中间部分132与背极板150构成电容的一对极板。振膜130的中间部分132和连接区133的上下表面均为自由面，分别暴露于第二牺牲层140中的第四透孔和第一牺牲层120中的第一透孔的空间中，使得在受到声波冲击时，振膜130的中间部分132可以自由振动。

振膜130的中间部分132中还形成有第五透孔131，用于减轻声波冲击时对振膜130的压力。第五透孔131的形状优选为圆形。根据硅电容麦克风的设计要求选择第五透孔131的直径。如果该直径过小则无法起到减小声波压力的作用，如果该直径过大则可能损失声波响应的灵敏度。

振膜130的连接区具有褶皱环结构，包括多个突起的同心环。在振膜130振动时，该褶皱环结构可以保持变形协调一致，有利于应力的释放，从而实现不同产品的声音响应特性的一致性，提高产品的良率。

背极板150在面对振膜130的表面上设置有突起153，用于限制振膜130向上振动的极限位置。如果振膜130受到的声波压力过大，振膜130向上振动的最大位移受到突起153的限制，从而避免振膜130与背极板150的大面积接触造成粘附，导致硅电容麦克风失效。

MEMS结构100还包括与振膜130的锚区134的表面接触的第一电极111，以及与背极板150的表面接触的第二电极112，用于与外部电路相连接，从而向其提供响应声波信号产生的电信号。

图4a至4i示出根据本发明的实施例的MEMS结构的制造方法中的不同阶段的截面图，这些截面图的截取位置如图2中的线AA所示。

如图4a所示，在基板110上沉积第一绝缘层121且进行图案化，仅保留与将要形成的振膜的褶皱环的突出部相对应的突出部。该基板110例如为单晶硅基板，第一绝缘层例如由氧化硅组成。沉积工艺例如是选自电子束蒸发(EBM)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、溅射中的一种。图案化例如包括形成光致抗蚀剂掩模以及经由掩模中的开口蚀刻的步骤。

在图案化第一绝缘层121时，采用蚀刻剂相对于基板110选择性地去除第一绝缘层121的暴露部分，并且使得蚀刻停止在基板110的表面上。

进一步地，在MEMS结构的表面上沉积第二绝缘层，第一绝缘层和第二绝缘层一起形成第一牺牲层120，如图4b所示。第一绝缘层和第二绝缘层的材料相同，例如均为氧化硅。由于预先形成的第一绝缘层121的图案，第一牺牲层相应地包括与将要形成的振膜的褶皱环的突出部相对应的突出部。

进一步地，在MEMS结构的表面上沉积导体层且进行图案化，以获得振膜130，振膜130的中间形成透孔131，如图4c所示。振膜130与第一牺牲层120的上表面共形，从而相应地包括平整的中间部分132和周边部分134，以及连接中间部分132和周边部分134的连接区133。振膜130的中间部分132和周边部分134平整，连接区133具有褶皱环结构。

在图案化导体层时，采用蚀刻剂相对于第一牺牲层120选择性地去除导体层的暴露部分，并且使得蚀刻停止在第一牺牲层120的表面上。

进一步地，在MEMS结构的表面上沉积第三绝缘层且进行图案化，以形成第二牺牲层140，如图4d所示。该图案化在第二牺牲层140的上表面，与振膜130的中间部分132相对应地形成凹槽141。第二牺牲层140例如由氧化硅组成。此外，第二牺牲层140的下表面的一部分经由振膜130中的透孔131接触第一牺牲层120的上表面。

在形成凹槽141时，采用蚀刻剂去除第二牺牲层140的暴露部分形成开口，进一步地，控制蚀刻的时间，使得凹槽141向下延伸至预定的深度。

进一步地，在MEMS结构的表面上沉积导体层且进行图案化，以形成背极板150，如图4e所示。背极板150例如由掺杂的多晶硅组成。背极板150填充第二牺牲层140中的凹槽141，从而形成突起153。

在图案化步骤中，至少在振膜130的周边部分134上方，从上至下依次去除背极板150和第二牺牲层140的暴露部分，从而露出振膜130的周边部分134的至少一部分表面。相应地，振膜130的周边部分134的暴露表面与背极板150和第二牺牲层140的侧壁形成台阶。在MEMS结构中，台阶的高度例如大于1微米。在硅电容麦克风中，台阶的高度甚至大于5微米。

如前文所述，MEMS结构的台阶的拐角处可能在随后的蚀刻步骤中导致钻蚀的发生，损坏MEMS结构的功能。如果采用光致抗蚀剂掩模作为保护层，则受应力作用会出现振膜的周边部分的边缘结合不紧密的现象，从而形成窄缝，且窄缝中存在负压。在湿法释放时，由于毛细效应腐蚀液仍然会沿着这条缝进去，形成对台阶拐角处的钻蚀。

本申请的方法则包括如图4f所示的附加步骤以保护MEMS结构的台阶。

如图4f所示，在振膜130的周边部分134的暴露表面上形成第一电极111，在背极板150的上表面上形成第二电极112，然后在MEMS结构的表面上沉积形成保护层160。保护层160例如由氮化硅组成，相对于第一牺牲层120、第二牺牲层140和背极板150具有蚀刻选择性。例如，针对选择的蚀刻剂，保护层160相对于第一牺牲层120和第二牺牲层140的选择比大于50。保护层160的厚度小于1微米，优选地，厚度在约0.1至0.5微米的范围内。该保护层160共形地覆盖在MEMS结构的表面上。该保护层160至少覆盖振膜130的周边部分134的暴露表面以及背极板150和第二牺牲层140的侧壁，并且形成密切贴合的接触面。优选地，该保护层160与覆盖振膜130的周边部分134的暴露表面以及背极板150和第二牺牲层140的侧壁之间的间隙小于等于0.1微米。

进一步地，在MEMS结构的表面上形成光致抗蚀剂掩模PR，如图4g所示。该光致抗蚀剂掩模PR包括多个开口。

进一步地，采用光致抗蚀剂掩模PR，形成从上至下依次穿过保护层160、背极板150、第二牺牲层140到达第一牺牲层120的上表面的开口151，以及从上至上穿过保护层10和背极板150到达第二牺牲层140的上表面的开口152，如图4h所示。由于第二牺牲层140的下表面的一部分经由振膜130中的透孔131接触第一牺牲层120的上表面，因此，开口151与振膜130中的透孔131对准，即可到达第一牺牲层120的上表面。开口151不需要蚀刻去除振膜130的任何部分。

在形成开口151和152时，采用蚀刻剂去除相关层的暴露部分形成开口。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻停止在期望的层表面上。

进一步地，在基板110的背表面，采用蚀刻形成声腔，以及经由开口151和152以及声腔，采用各向同性蚀刻特性横向蚀刻第一牺牲层120和第二牺牲层140，从而在振膜130的中间部分132和连接区133上方形成空间而释放结构。在释放结构期间，保护层160与振膜130的周边部分134的暴露表面与背极板150和第二牺牲层140的侧壁均形成密切贴合的接触面，可以阻止蚀刻剂到达台阶的拐角处。由于保护层160形成密切贴合的接触面，例如，与覆盖振膜130的周边部分134的暴露表面以及背极板150和第二牺牲层140的侧壁之间的间隙小于等于0.1微米，因此可以保护台阶的拐角。如果该间隙过大，蚀刻剂仍然可能基于毛细效应沿着间隙进来，将间隙腐蚀扩大，从而产生外蚀。如果该间隙控制在0.1微米以内，则可以通过疏水保护层的表面张力，来排斥和防止蚀刻剂流进间隙，从而防止钻蚀的发生。

振膜130的中间部分132和连接区133的上下表面均为自由面，分别暴露于第二牺牲层140中的透孔和第一牺牲层120中的透孔的空间中，使得在受到声波冲击时，振膜130的中间部分132可以自由振动。

在释放结构后，通过在溶剂中溶解或灰化去除光致抗蚀剂层PR，通过选择性蚀刻去除保护层160，以暴露出第一电极111和第二电极112，用于外部电连接，如图4i所示。

综上所述，本发明提出的针对MEMS结构的台阶形成附加保护层的制造方法可以避免钻蚀的发生，使得具有较高的可靠性和良率，成本低廉，工艺上容易实现。可根据具体的其他结构参数值确定具体振膜结构形式和尺寸参数，适合大批量生产。

在上述的实施例中，描述了硅电容麦克风的制造方法。然而，如上所述，该方法可以广泛地用于与硅电容麦克风结构类似的MEMS传感器和致动器。因此，更一般地，本申请公开的MEMS结构的制造方法包括：在基板的第一表面上形成第一牺牲层，所述基板还包括与第一表面相对的第二表面；在第一牺牲层上形成第一功能层，所述第一功能层具有相对的第一表面和第二表面且所述第一表面与所述第一牺牲层接触；在第一功能层的第二表面上形成第二牺牲层；在第二牺牲层上形成第二功能层；去除第二牺牲层和第二功能层的一部分，使得第二牺牲层和第二功能层的侧壁与第一功能层的表面形成台阶；形成覆盖台阶的保护层；穿过第二功能层中的透孔去除第二牺牲层的一部分，使得第二功能层和第二牺牲层的剩余部分形成内部空间，所述第一功能层的第二表面暴露于所述内部空间；以及去除保护层。

此外，在上述的实施例中，描述了在形成保护层之前，预先形成了第一电极和第二电极，在释放结构之后，去除保护层，重新暴露第一电极和第二电极用于外部电连接。在替代的实施例中，在形成保护层之后，采用蚀刻去除保护层的一部分，暴露所述振膜的周边部分的一部分表面和所述背极板的一部分表面，用于形成第一电极和第二电极。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种MEMS结构的制造方法，包括：

在基板的第一表面上形成第一牺牲层，所述基板还包括与第一表面相对的第二表面；

在第一牺牲层上形成第一功能层，所述第一功能层具有相对的第一表面和第二表面且所述第一表面与所述第一牺牲层接触；

在第一功能层的第二表面上形成第二牺牲层；

在第二牺牲层上形成第二功能层；

去除第二牺牲层和第二功能层的一部分，使得第二牺牲层和第二功能层的侧壁与第一功能层的表面形成台阶；

形成覆盖台阶的保护层，所述保护层与台阶表面的间隙小于等于0.1微米；

穿过第二功能层中的透孔去除第二牺牲层的一部分，使得第二功能层和第二牺牲层的剩余部分形成内部空间，所述第一功能层的第二表面暴露于所述内部空间；以及

去除保护层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保护层相对于所述第二功能层、所述二牺牲层和所述第一功能层的蚀刻选择比大于50。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述保护层由选自氧化硅和氮化硅的一种组成，所述第二牺牲层由选自氧化硅和氮化硅的另一种组成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述台阶的高度大于1微米，所述保护层的厚度小于1微米。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MEMS结构为选自MEMS传感器和MEMS致动器的一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MEMS结构为硅电容麦克风，其中，所述第一功能层和所述第二功能层分别为所述硅电容麦克风的振膜和背极板，所述振膜包括中间部分、周边部分和二者之间的连接区，

在形成台阶的步骤中暴露所述振膜的周边部分的表面。

7.根据权利要求6所述的方法，在形成台阶和形成保护层的步骤之间，还包括：在所述振膜的周边部分的表面形成第一电极；以及在所述背极板的表面形成第二电极，

其中，所述保护层覆盖所述第一电极和所述第二电极。

8.根据权利要求6所述的方法，在形成保护层的步骤和去除保护层的步骤之间，还包括：

去除部分保护层，以暴露所述振膜的周边部分的一部分表面和所述背极板的一部分表面；以及

在所述振膜的周边部分的暴露表面和所述背极板的暴露表面上分别形成第一电极和第二电极。

9.根据权利要求6所述的方法，在形成保护层的步骤和形成内部空间的步骤之间，还包括：

从所述基板的第二表面形成到达所述第一牺牲层的声腔；以及

在所述第一牺牲层中形成透孔，使得声波经由所述声腔和所述透孔到达所述振膜。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，采用湿法蚀刻去除所述保护层。