CN107226450A - 一种mems器件及其制备方法、电子装置 - Google Patents

一种mems器件及其制备方法、电子装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种MEMS器件及其制备方法、电子装置。其中所述MEMS器件至少包括振膜，所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔设置的释放孔围绕形成。通过改变所述释放孔的位置以及结构，可以提高所述MEMS器件的灵敏度，进一步提高所述MEMS器件的性能和良率。

Description

一种MEMS器件及其制备方法、电子装置
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种MEMS器件及其制备方法、电子装置。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，在传感器(sensor)类产品的市场上，智能手机、集成CMOS和微机电系统(MEMS)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，并朝尺寸小、性能高和功耗低的方向发展。
其中，MEMS传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等，电子音像领域：麦克风等设备。
在MEMS领域中，电容式MEMS器件的工作原理是由振膜(Membrane)的运动产生电容的变化，利用电容变化量进行运算和工作的，现有常用的MEMS麦克风包括振膜、背板及位于背板下方的背腔组成。通过振膜将声音信号转换成电信号。
其中，对于MEMS麦克风的制备中，空腔的制备由湿法蚀刻转变为干法蚀刻，其中振膜的设计也需要做出相应的改变，现有技术中通常通过在振膜上形成额外的释放孔，以去除位于下方的牺牲层，以形成空腔，但是形成的释放孔的侧壁轮廓损坏，通过所述方法设计的振膜的灵敏度降低，给MEMS麦克风的制备带来挑战。
因此，需要对目前所述MEMS麦克风及其制备方法作进一步的改进，以便消除该问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明提供了一种MEMS器件，所述MEMS器件至少包括振膜，其特征在于，所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；
其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔设置的释放孔围绕形成。
可选地，所述释放孔呈条形开口，所述条形开口穿透所述振膜的上下表面。
可选地，所述释放孔的宽度为0.6-1.0μm，所述释放孔之间的间隔宽度为0.3-0.5μm。
可选地，所述MEMS器件还包括：
基底；
背部电极，位于所述基底上；
所述振膜，位于所述背部电极的上方；
空腔，位于所述振膜与所述背部电极之间。
本发明还提供了一种MEMS器件的制备方法，所述方法包括：
提供基底，在所述基底上形成有牺牲层和位于所述牺牲层上的振膜层；
图案化所述振膜层，以形成环绕所述振膜层边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成。
可选地，图案化所述振膜层步骤中的蚀刻气氛至少包括C2F6。
可选地，图案化所述振膜层的步骤包括：
去除所述振膜层表面自然氧化形成的氧化物层；
蚀刻所述振膜层，以在所述振膜层的表面形成凹槽，以形成释放孔阵列图案；
选用包括C2F6的蚀刻气体继续蚀刻并穿透所述振膜层，形成开口，露出所述牺牲层；
选用包括C2F6的蚀刻气体过蚀刻所述振膜层，以形成所述释放孔阵列。
可选地，继续蚀刻并穿透所述振膜层的步骤中，所述蚀刻气体还进一步包含HBr和Cl2；其中，所述C2F6的流量为50～100sccm，所述HBr的流量为30～80sccm，所述Cl2的流量为100～150sccm；
所述蚀刻的压力为5～15mt，功率为300～400w，电压为-150～-250V。
可选地，过蚀刻所述振膜层的步骤中，所述蚀刻气体还进一步包含HBr和Cl2；其中，所述C2F6的流量为50～100sccm，所述HBr的流量为10～30sccm，所述Cl2的流量为80～120sccm；
所述蚀刻的压力为5～15mt，功率为200～300w，电压为-50～-150V。
可选地，在所述基底上、所述牺牲层的下方还形成有背部电极。
本发明还提供了一种电子装置，所述电子装置包括上述的MEMS器件。
本发明提供了一种MEMS器件，所述MEMS器件至少包括振膜，所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成，通过改变所述释放孔的位置以及结构，可以提高所述MEMS器件的灵敏度，进一步提高所述MEMS器件的性能和良率。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，
图1a为本发明中所述MEMS器件中振膜的俯视图；
图1b为本发明中所述MEMS器件中振膜中的所述释放孔阵列的放大图；
图2为本发明中所述MEMS器件的制备工艺流程图；
图3a-3e为本发明中所述MEMS器件的制备过程示意图；
图4为本发明中移动电话手机的示例的外部视图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种MEMS器件，所述MEMS器件至少包括振膜，所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；
其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成，如图1a所示。
其中，所述释放孔呈条形开口，所述条形开口穿透所述振膜的上下表面。
其中，所述若干相互间隔的释放孔围绕可以形成方形图案或者圆形图案等，如图1b所示，并不局限于某一种，例如可以围绕形成正方形图案、矩形图案、或者圆形图案，或者椭圆形图案，甚至可以是不定形图案。
所述释放孔阵列沿所述振膜边缘设置，在所述振膜的中心位置并不形成，通过所述设置进一步提高所述MEMS器件灵敏度。
其中，所述释放孔的宽度为0.6-1.0μm，所述释放孔之间的间隔宽为0.3-0.5μm。
本发明提供了一种MEMS器件，所述MEMS器件至少包括振膜，所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成，通过改变所述释放孔的位置以及结构，可以提高所述MEMS器件的灵敏度，进一步提高所述MEMS器件的性能和良率。
实施例一
所述MEMS器件包括：
基底；
背部电极，位于所述基底上；
所述振膜102，位于所述背部电极的上方；
空腔，位于所述振膜102和所述背部电极之间。
其中，所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；
其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成，如图1a所示。
其中，所述释放孔呈条形开口，所述条形开口穿透所述振膜的上下表面。
其中，所述若干相互间隔的释放孔围绕可以形成方形图案或者圆形图案等，如图1b所示，并不局限于某一种，例如可以围绕形成正方形图案、矩形图案、或者圆形图案，或者椭圆形图案，甚至可以是不定形图案。
所述释放孔阵列沿所述振膜边缘设置，在所述振膜的中心位置并不形成，通过所述设置进一步提高所述MEMS器件灵敏度。
其中，所述释放孔的宽度为0.6-1.0μm，所述释放孔之间的间隔宽为0.3-0.5μm。
其中，所述基底可以选用半导体衬底或者MEMS麦克风器件的衬底，例如所述基底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。
可选地，在所述基底上还可以形成有CMOS器件，所述CMOS器件的种类并不局限于某一种。
此外，在所述CMOS器件上方还形成有各种MEMS图案，例如所述MEMS器件可以为图形传感器，压力传感器、加速度传感器等，并不局限于某一种。
具体地，在所述基底上形成有牺牲层101，所述牺牲层101可以选用氧化物或者氮化物，或者两者的结合。
所述牺牲层可以选用现有技术中常用的沉积方法，例如可以是通过化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等形成的。本发明中优选原子层沉积(ALD)法。
具体地，振膜层102选用半导体材料层或者金属材料层，在该实施例中所述振膜层102选用多晶硅层。
可选地，在所述基底上所述牺牲层的下方还形成有背部电极(图中未示出)，作为固定电极。
进一步，在后续的步骤中去除所述牺牲层以后可以在所述背部电极和所述振膜层102之间形成空腔，所述振膜层102作为动电极，所述背部电极为固定电极，所述空腔为介电质，进而形成电容器，通过所述振膜层102的形变发生电容的变化，从而实现电容的传感。
本发明提供了一种MEMS器件，所述MEMS器件至少包括振膜，所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成，通过改变所述释放孔的位置以及结构，可以提高所述MEMS器件的灵敏度，进一步提高所述MEMS器件的性能和良率。
实施例二
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种MEMS器件的制备方法，下面结合附图对所述方法作进一步的说明。
其中，图3a-3e为本发明中所述MEMS器件的制备过程示意图；图4为本发明中移动电话手机的示例的外部视图。
图2为本发明中所述MEMS器件的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供基底，在所述基底上形成有牺牲层和位于所述牺牲层上的振膜层；
步骤S2：图案化所述振膜层，以形成环绕所述振膜层边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成。
下面以附图2中的工艺流程图为基础，对所述方法展开进行详细说明。
执行步骤S1，提供基底，在所述基底上形成有牺牲层101和位于所述牺牲层上的振膜层102。
具体地，如图3a所示，所述基底可以选用半导体衬底或者MEMS麦克风器件的衬底，例如所述基底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。
可选地，在所述基底上还可以形成有CMOS器件，所述CMOS器件的种类并不局限于某一种。
此外，在所述CMOS器件上方还形成有各种MEMS图案，例如所述MEMS器件可以为图形传感器，压力传感器、加速度传感器等，并不局限于某一种。
具体地，在所述基底上形成有牺牲层101，所述牺牲层101可以选用氧化物或者氮化物，或者两者的结合。
所述牺牲层可以选用现有技术中常用的沉积方法，例如可以是通过化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等形成的。本发明中优选原子层沉积(ALD)法。
具体地，振膜层102选用半导体材料层或者金属材料层，在该实施例中所述振膜层102选用多晶硅层。
可选地，在所述基底上所述牺牲层的下方还形成有背部电极(图中未示出)，作为固定电极。
进一步，在后续的步骤中去除所述牺牲层以后可以在所述背部电极和所述振膜层102之间形成空腔，所述振膜层102作为动电极，所述背部电极为固定电极，所述空腔为介电质，进而形成电容器，通过所述振膜层102的形变发生电容的变化，从而实现电容的传感。
执行步骤S2，图案化所述振膜层102，以在所述振膜层形成环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成。
具体地，如图3a所示，在该步骤中所述振膜层102的图案化步骤包括四个步骤：
第一：去除所述振膜层表面自然氧化形成的氧化物；
具体地，首先在所述振膜层上形成掩膜层，例如光刻胶层，然后对所述光刻胶层进行曝光显影，形成开口，然后以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述振膜层表面，以去除自然氧化形成的氧化物。
其中，如图3a-3b所示，位于中间尺寸较小的开口用于形成释放孔104，位于所述释放孔外侧尺寸较大的开口为晶粒的切割带。
在该步骤中首先去除所述自然氧化形成的氧化物的目的是因为在振膜层(多晶硅)表面暴露在环境中就会形成自然氧化层(20-30A)，该自然氧化层没有任何作用，但是需要一步蚀刻去掉，用于蚀刻振膜层的气体，并不能蚀刻该自然氧化层，因此在蚀刻所述振膜层之前需要先蚀刻去除所述自然氧化层。
可选地，在该步骤中蚀刻厚度为1000埃附近，选用CF4蚀刻去除自然氧化形成的氧化物，还可以产生很多碳的多晶硅，还可以使多晶硅的表面光滑。
具体地，在该步骤中所述蚀刻压力为7mt，蚀刻功率为250w，蚀刻电压为-185v，所述CF4的气体流量为100sccm。
第二：如图3c所示，蚀刻所述振膜层，以在所述振膜层的表面形成凹槽，以形成释放孔阵列图案。
在该步骤中，选用包含HBr和Cl2的气氛蚀刻所述振膜层，在该步骤中，所述蚀刻厚度为5000-6000埃。
可选地，在该步骤中所述蚀刻压力为20mt，蚀刻功率为350w，蚀刻电压为-200V，所述Cl2的气体流量为130sccm，HBr的气体流量为130sccm。
第三：选用包括C2F6的蚀刻气体继续蚀刻并所述穿透振膜层，形成开口，露出所述牺牲层。
具体地，如图3d所示，在该步骤中继续蚀刻并所述穿透振膜层的步骤中所述蚀刻气体还进一步包含HBr和Cl2；其中，所述C2F6的流量为50～100sccm，所述HBr的流量为30～80sccm，所述Cl2的流量为100～150sccm；
所述蚀刻的压力为5～15mt，功率为300～400w，电压为-150～-250V。
可选地，所述C2F6的流量为60sccm，所述HBr的流量为50sccm，所述Cl2的流量为130sccm；
所述蚀刻的压力为10mt，功率为350w，电压为-200V。
第四：选用包括C2F6的蚀刻气体过蚀刻所述振膜层，以形成所述释放孔阵列104。
具体地，如图3e所示，过蚀刻所述振膜层的步骤中所述蚀刻气体还进一步包含HBr和Cl2；其中，所述C2F6的流量为50～100sccm，所述HBr的流量为10～30sccm，所述Cl2的流量为80～120sccm；
所述蚀刻的压力为5～15mt，功率为200～300w，电压为-50～-150V。
可选地，所述C2F6的流量为60sccm，所述HBr的流量为20sccm，所述Cl2的流量为100sccm；
所述蚀刻的压力为10mt，功率为250w，电压为-100V。
在该步骤中在所述第三和第四蚀刻步骤中均选用至少包括C2F6的蚀刻气体来蚀刻所述振膜层，选用C2F6进行蚀刻可以保证所述释放孔具有更好的轮廓，可以提高所述MEMS器件的灵敏度，进一步提高所述MEMS器件的性能和良率。
其中，所述若干相互间隔的释放孔围绕可以形成方形图案或者圆形图案等，如图1b所示，并不局限于某一种，例如可以围绕形成正方形图案、矩形图案、或者圆形图案，或者椭圆形图案，甚至可以是不定形图案。
所述释放孔阵列沿所述振膜边缘设置，在所述振膜的中心位置并不形成，通过所述设置进一步提高所述MEMS器件灵敏度。
其中，所述释放孔的宽度为0.6-1.0μm，所述释放孔之间的间隔宽为0.3-0.5μm。
其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成，通过改变所述释放孔的位置以及结构，可以提高所述MEMS器件的灵敏度，进一步提高所述MEMS器件的性能和良率。
可选地，在形成所述释放孔之后还进一步包括去除所述牺牲层的步骤，在该步骤中，选用氢氟酸HF或稀释氢氟酸DHF进行蚀刻，其中组成为HF:H2O＝1:2-1:10，所述蚀刻温度为20-25℃。
至此，完成了本发明实施例的MEMS器件的制备过程的介绍。在上述步骤之后，还可以包括其他相关步骤，此处不再赘述。并且，除了上述步骤之外，本实施例的制备方法还可以在上述各个步骤之中或不同的步骤之间包括其他步骤，这些步骤均可以通过现有技术中的各种工艺来实现，此处不再赘述。
实施例三
本发明还提供了一种电子装置，包括实施例一所述的MEMS器件，所述MEMS器件根据实施例二所述方法制备得到。
本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、数码相框、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括电路的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的电路，因而具有更好的性能。
其中，图3示出移动电话手机的示例。移动电话手机200被设置有包括在外壳201中的显示部分202、操作按钮203、外部连接端口204、扬声器205、话筒206等。
其中所述移动电话手机包括实施例一所述的MEMS器件，所述MEMS器件包括：基底；背部电极，位于所述基底上；所述振膜，位于所述背部电极的上方；空腔，位于所述振膜和所述背部电极之间；所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成，通过改变所述释放孔的位置以及结构，可以提高所述MEMS器件的灵敏度，进一步提高所述MEMS器件的性能和良率。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (11)

1.一种MEMS器件，所述MEMS器件至少包括振膜，其特征在于，所述振膜上形成有环绕所述振膜边缘设置的若干释放孔阵列；
其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔设置的释放孔围绕形成。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述释放孔呈条形开口，所述条形开口穿透所述振膜的上下表面。
3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述释放孔的宽度为0.6-1.0μm，所述释放孔之间的间隔宽度为0.3-0.5μm。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件还包括：
基底(201)；
背部电极，位于所述基底(201)上；
所述振膜(203)，位于所述背部电极的上方；
空腔，位于所述振膜(105)与所述背部电极之间。
5.一种MEMS器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供基底，在所述基底上形成有牺牲层和位于所述牺牲层上的振膜层；
图案化所述振膜层，以形成环绕所述振膜层边缘设置的若干释放孔阵列；其中，每个所述释放孔阵列由若干相互间隔的释放孔围绕形成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，图案化所述振膜层步骤中的蚀刻气氛至少包括C2F6。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，图案化所述振膜层的步骤包括：
去除所述振膜层表面自然氧化形成的氧化物层；
蚀刻所述振膜层，以在所述振膜层的表面形成凹槽，以形成释放孔阵列图案；
选用包括C2F6的蚀刻气体继续蚀刻并穿透所述振膜层，形成开口，露出所述牺牲层；
选用包括C2F6的蚀刻气体过蚀刻所述振膜层，以形成所述释放孔阵列。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，继续蚀刻并穿透所述振膜层的步骤中，所述蚀刻气体还进一步包含HBr和Cl2；其中，所述C2F6的流量为50～100sccm，所述HBr的流量为30～80sccm，所述Cl2的流量为100～150sccm；
所述蚀刻的压力为5～15mt，功率为300～400w，电压为-150～-250V。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，过蚀刻所述振膜层的步骤中，所述蚀刻气体还进一步包含HBr和Cl2；其中，所述C2F6的流量为50～100sccm，所述HBr的流量为10～30sccm，所述Cl2的流量为80～120sccm；
所述蚀刻的压力为5～15mt，功率为200～300w，电压为-50～-150V。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述基底上、所述牺牲层的下方还形成有背部电极。
11.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括权利要求1至4之一所述的MEMS器件。
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