CN108341395A - 一种mems器件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MEMS器件的制作方法，所述方法包括:提供MEMS晶圆，在所述MEMS晶圆的正面依次形成第一牺牲层和刻蚀停止层；在所述第一牺牲层和刻蚀停止层上形成第二牺牲层；在所述MEMS晶圆的背面形成与所述刻蚀停止层对应的开口，所述开口露出部分所述第一牺牲层；去除露出的所述第一牺牲层，以完全露出所述刻蚀停止层；去除露出的所述刻蚀停止层；去除露出的所述第二牺牲层，以形成背腔。根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，通过在第一牺牲层和第二牺牲层之间形成刻蚀停止层，然后去除所述第一牺牲层和所述刻蚀停止层，得到平整的开口底部，避免了后续去除第二牺牲层过程中形成碗形轮廓残留导致的MEMS器件破损，保证了MEMS器件的性能稳定和生产良率。

Description

一种MEMS器件的制作方法
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器件的制作方法。
背景技术
在电子消费领域，多功能设备越来越受到消费者的喜爱，相比于功能简单的设备，多功能设备制作过程将更加复杂，比如需要在电路版上集成多个不同功能的芯片，因而出现了3D集成电路(integrated circuit，IC)技术。其中，微电子机械系统(Micro-electromechanical System，MEMS)在体积、功耗、重量以及价格方面具有十分明显的优势，至今已经开发出多种不同的传感器，例如压力传感器、加速度传感器、惯性传感器以及其他的传感器。
其中，MEMS麦克风是迄今最成功的MEMS产品之一，其通过与集成电路制作兼容的表面加工或体硅加工工艺制作的麦克风，由于可以利用持续微缩的CMOS工艺技术，MEMS麦克风可以做的很小，使得它可以被广泛地应用到手机、笔记本电脑、平板电脑和摄像机等便携设备中。MEMS麦克风一般是电容式的，其中振动膜(下电极)固定形成于衬底上，与衬底背面的开口相对，背板(上电极)则悬空设置在振动膜上方，振动膜与背板之间为空腔。麦克风产品则是由振动膜的震动导致密封空腔内空间变化产生信号差，电路通过捕捉电容变化量进行信号的识别和处理。
目前一般采用深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，简称DRIE)的方法来刻蚀衬底背面，然后通过过氧化物缓冲蚀刻(Buffered Oxide Etch，BOE)刻蚀掉振动膜与背板之间作为牺牲层的氧化物，以形成空腔。然而由于深反应离子刻蚀的深宽比高，导致刻蚀后开口底部形成碗形轮廓，进而在后续BOE蚀刻过程中造成振动膜底面上形成碗形轮廓的氧化物残留，导致振动膜因两侧应力不平衡而破损，影响MEMS器件的性能稳定和生产良率。
因此，有必要提出一种MEMS器件的制作方法，以解决现有技术中存在的问题。
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。
针对现有技术的不足，本发明提供一种MEMS器件的制作方法，包括：
提供MEMS晶圆，在所述MEMS晶圆的正面依次形成第一牺牲层和刻蚀停止层；
在所述第一牺牲层和刻蚀停止层上形成第二牺牲层；
在所述MEMS晶圆的背面形成与所述刻蚀停止层对应的开口，所述开口露出部分所述第一牺牲层；
去除露出的所述第一牺牲层，以完全露出所述刻蚀停止层；
去除露出的所述刻蚀停止层；
去除露出的所述第二牺牲层，以形成背腔。
进一步，所述刻蚀停止层包括多晶硅层。
进一步，所述第一牺牲层和第二牺牲层包括氧化物层。
进一步，去除所述刻蚀停止层的方法包括各向同性刻蚀。
进一步，去除所述第二牺牲层的方法包括过氧化物缓冲刻蚀。
进一步，所述刻蚀停止层的图案与所述开口的图案完全一致。
进一步，形成所述开口的方法包括深反应离子刻蚀。
进一步，所述MEMS器件包括MEMS麦克风。
进一步，在所述第一牺牲层和刻蚀停止层上形成第二牺牲层之后还包括在所述第二牺牲层上形成MEMS器件层的步骤，所述MEMS器件层由下至上依次包括振动膜、第三牺牲层和背板。
进一步，所述第三牺牲层包括氧化物层。
进一步，去除露出的所述第二牺牲层以形成背腔的同时还包括去除所述第三牺牲层，以形成位于所述振动膜和所述背板之间的空腔的步骤。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，通过在第一牺牲层和第二牺牲层之间形成刻蚀停止层，然后去除所述第一牺牲层和所述刻蚀停止层，得到平整的开口底部，避免了后续去除第二牺牲层过程中形成碗形轮廓残留导致的MEMS器件破损，保证了MEMS器件的性能稳定和生产良率。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
附图中：
图1A-1C是根据现有技术的一种MEMS器件的制作方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。
图2A-2F是根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。
图3是根据本发明示例性实施例的一种MEMS器件的制作方法的示意性流程图。
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，以便阐释本发明提出的技术方案。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。
MEMS麦克风一般是电容式的，参照图1A-图1C，其中振动膜103(下电极)固定形成于衬底100上，与衬底背面的开口106相对，背板105(上电极)则悬空设置在振动膜103上方，振动膜103与背板105之间为空腔107。麦克风产品则是由振动膜103的震动导致空腔107内空间变化产生信号差，电路通过捕捉电容变化量进行信号的识别和处理。
目前一般采用深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，简称DRIE)的方法来刻蚀衬底100背面，以及所述衬底100和振动膜103之间作为牺牲层的氧化物101，以形成背面开口，然后通过过氧化物缓冲蚀刻(Buffered Oxide Etch，BOE)同时刻蚀掉衬底100和振动膜103之间作为牺牲层的氧化物102和振动膜103与背板105之间作为牺牲层的氧化物104，以形成空腔107。然而由于深反应离子刻蚀的深宽比高，导致刻蚀后开口底部形成碗形轮廓，在采用BOE去除氧化物104和氧化物102以释放振动膜和背板的过程中，由于氧化物104(通常采用PE沉积氧化物)和氧化物102(通常采用热氧化氧化物)的蚀刻去除率差别很大，在氧化物104完全去除后，振动膜底面上仍有碗形轮廓的氧化物残留，如图1C所示，这导致振动膜上下两侧的应力不平衡，进而造成振动膜103的破损，影响MEMS器件的性能稳定和生产良率。
因此，有必要提出一种MEMS器件的制作方法，以解决现有技术中存在的问题。
针对现有技术的不足，本发明提供一种MEMS器件的制作方法，包括：
提供MEMS晶圆，在所述MEMS晶圆的正面依次形成第一牺牲层和刻蚀停止层；
在所述第一牺牲层和刻蚀停止层上形成第二牺牲层；
在所述MEMS晶圆的背面形成与所述刻蚀停止层对应的开口，所述开口露出部分所述第一牺牲层；
去除露出的所述第一牺牲层，以完全露出所述刻蚀停止层；
去除露出的所述刻蚀停止层；
去除露出的所述第二牺牲层，以形成背腔。
其中，所述刻蚀停止层包括多晶硅层；所述第一牺牲层和第二牺牲层包括氧化物层；去除所述刻蚀停止层的方法包括各向同性刻蚀；去除所述第二牺牲层的方法包括过氧化物缓冲刻蚀；所述刻蚀停止层的图案与所述开口的图案完全一致；形成所述开口的方法包括深反应离子刻蚀；所述MEMS器件包括MEMS麦克风；在所述第一牺牲层和刻蚀停止层上形成第二牺牲层之后还包括在所述第二牺牲层上形成MEMS器件层的步骤，所述MEMS器件层由下至上依次包括振动膜、第三牺牲层和背板；所述第三牺牲层包括氧化物层；去除露出的所述第二牺牲层以形成背腔的同时还包括去除所述第三牺牲层，以形成位于所述振动膜和所述背板之间的空腔的步骤。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，通过在第一牺牲层和第二牺牲层之间形成刻蚀停止层，然后去除所述第一牺牲层和所述刻蚀停止层，得到平整的开口底部，避免了后续去除第二牺牲层过程中形成碗形轮廓残留导致的MEMS器件破损，保证了MEMS器件的性能稳定和生产良率。
下面参考图2A-2F和图3，其中图2A-2F是根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图，图3是根据本发明示例性实施例的一种MEMS器件的制作方法的示意性流程图。
本发明提供一种MEMS器件的制备方法，如图1所示，该制备方法的主要步骤包括：
步骤S301：提供MEMS晶圆，在所述MEMS晶圆的正面依次形成第一牺牲层和刻蚀停止层；
步骤S302：在所述第一牺牲层和刻蚀停止层上形成第二牺牲层；
步骤S303：在所述MEMS晶圆的背面形成与所述刻蚀停止层对应的开口，所述开口露出部分所述第一牺牲层；
步骤S304：去除露出的所述第一牺牲层，以完全露出所述刻蚀停止层；
步骤S305：去除露出的所述刻蚀停止层；
步骤S306：去除露出的所述第二牺牲层，以形成背腔。
下面，对本发明的MEMS器件的制作方法的具体实施方式做详细的说明。
首先，执行步骤S301，如图2A所示，提供MEMS晶圆200，在所述MEMS晶圆200的正面依次形成第一牺牲层201和刻蚀停止层202。
示例性地，所述MEMS晶圆200可以是以下所提到的材料中的至少一种：单晶硅、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。
示例性地，所述第一牺牲层201包括氧化物层，例如SiO2。在本实施例中，所述第一牺牲层201可以选用热氧化氧化物材料，其形成方法包括热氧化法。在另一实施例中，所述氧化物层可以采用CVD法等方法形成，然后对形成的氧化物层进行热处理，采用该方法形成的氧化物层的刻蚀速率接近热氧化氧化物的刻蚀速率。
示例性地，所述刻蚀停止层202包括多晶硅层。所述刻蚀停止层202的形成方法可选用现有技术中常用的沉积方法，例如化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等。在形成所述刻蚀停止层202后，还包括对所述刻蚀停止层进行图案化的步骤。所述刻蚀停止层的图案化方法可以选用本领域常用的方法，并不局限于某一种，可以根据需要进行选择。所述刻蚀停止层202的图案与后续步骤中在MEMS晶圆200背面形成的开口的图案完全一致。
接下来，执行步骤S302，如图2B所示，在所述第一牺牲层201和刻蚀停止层202上形成第二牺牲层203。在所述第一牺牲层201和刻蚀停止层202上形成第二牺牲层203之后还包括在所述第二牺牲层203上形成MEMS器件层的步骤，所述MEMS器件层由下至上依次包括振动膜204、第三牺牲层205和背板206。
示例性地，所述第二牺牲层203包括氧化物层，例如SiO2。在本实施例中，所述第二牺牲层203可以选用热氧化氧化物材料，其形成方法包括热氧化法。在另一实施例中，所述氧化物层可以采用CVD法等方法形成，然后对形成的氧化物层进行热处理，采用该方法形成的氧化物层的刻蚀速率接近热氧化氧化物的刻蚀速率。
示例性地，所述振动膜204可以是半导体，比如多晶硅；也可以是其他金属，比如铝、铜、钛或铬；此外，所述振动膜也可以是其他材料，比如活性树脂BCB。其中，所述振动膜可采用包括但不限于外延生长法、有机合成法、化学气相沉积(CVD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)等沉积方法形成。
示例性地，所述第三牺牲层205包括氧化物层，例如SiO2等材料，并不局限于某一种。所述第三牺牲层205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)或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等沉积方法形成。本发明中优选等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法。
示例性地，所述背板206可以选用导电材料或者掺杂的半导体材料，比如多晶硅、SiGe或者掺杂的硅。其中，所述掺杂离子并不局限于某一种，例如可以为B、P、N、As等，不再一一列举。所述背板206通过共晶结合或者热键合的方法与所述第三牺牲层205键合，以形成一体的结构。
接下来，执行步骤S303，如图2C所示，在所述MEMS晶圆200的背面形成与所述刻蚀停止层202对应的开口207，所述开口207露出部分所述第一牺牲层201。
示例性地，首先在所述MEMS晶圆200的背面上形成有机分布层(Organicdistribution layer,ODL)，含硅的底部抗反射涂层(Si-BARC)，在所述含硅的底部抗反射涂层(Si-BARC)上沉积图案化了的光刻胶层，所述光刻胶上的图案定义了所要形成开口的图形，然后以所述光刻胶层为掩膜或者以所述有机分布层、底部抗反射涂层、光刻胶层形成的叠层为掩膜蚀刻所述MEMS晶圆的背面。
示例性地，形成所述开口207的方法可以选用深反应离子刻蚀(DRIE)。具体地，选用气体六氟化硅(SF6/C4F8)作为工艺气体，施加射频电源，使得六氟化硅反应进气形成高电离，所述蚀刻步骤中控制工作压力为20mTorr-8Torr，频功率为600W，13.5MHz，直流偏压可以在-500V-1000V内连续控制，保证各向异性蚀刻的需要。所述深反应离子刻蚀系统可以选择本领常用的设备，并不局限于某一型号。
接下来，执行步骤S304，如图2D所示，去除露出的所述第一牺牲层201，以完全露出所述刻蚀停止层202。
示例性地，采用干法刻蚀去除所述第一牺牲层201。干法刻蚀工艺包括但不限于：反应离子刻蚀(RIE)、离子束刻蚀、等离子体刻蚀或者这些方法的任意组合。也可以使用单一的刻蚀方法，或者也可以使用多于一个的刻蚀方法。干法刻蚀的其源气体可以包括SF6和/或CXFY气体。
上述刻蚀步骤停止于所述刻蚀停止层202，以在所述MEMS晶圆200的背面形成与所述图案化的刻蚀停止层对应的开口207，所述刻蚀停止层202的图案与所述开口207的图案完全一致。
接下来，执行步骤S305，如图2E所示，去除露出的所述刻蚀停止层202。
示例性地，采用各向同性刻蚀去除所述刻蚀停止层202。在本实施例中，采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀去除所述刻蚀停止层202，其源气体可以包括SF6气体。需要说明的是上述蚀刻方法仅仅是示例性的，但是并不局限于该示例，还可以选用本领域常用的其他各向同性刻蚀方法。
然后去除所述有机分布层(Organic distribution layer,ODL)，含硅的底部抗反射涂层(Si-BARC)和光刻胶层。
在现有工艺中，由于深反应离子刻蚀的深宽比高，导致刻蚀后开口底部形成碗形轮廓，如图1B所示，在通过BOE湿法蚀刻去除所述氧化层102和氧化层104之前，位于振动膜103下方的氧化层102的厚度约为1.6μm～2μm，其中中间部分较薄，约为1.6μm，两边部分较厚，约为2μm。而在本实施例中，在通过BOE湿法蚀刻去除所述第二牺牲层203和所述第三牺牲层205之前，位于振动膜204下方的所述第二牺牲层203的厚度约为1.3μm。因此，根据本发明示例性实施例的方法，得到了厚度均匀的第二牺牲层203且减小了第二牺牲层203的厚度。在通过BOE去除露出的所述第二牺牲层203和所述第三牺牲层205以释放振动膜和背板的过程中，可以有效避免由于第二牺牲层203和所述第三牺牲层205的蚀刻去除率差别很大而造成的振动膜底面上的氧化物残留，从而避免了振动膜因上下两侧的应力不平衡造成振动膜破损。
接下来，执行步骤S306，如图2F所示，去除露出的所述第二牺牲层203，以形成背腔。去除露出的所述第二牺牲层203以形成背腔207的同时还包括去除所述第三牺牲层205，以形成位于所述振动膜204和所述背板206之间的空腔208的步骤。
示例性地，可以选用BOE湿法蚀刻去除所述所述第二牺牲层203和所述第三牺牲层205。所述BOE蚀刻液的质量分数为0.1％-10％，所述湿法蚀刻温度为25-90℃，所述湿法蚀刻时间为100～10000s，但是并不局限于该示例，还可以选用本领域常用的其他方法。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，通过在第一牺牲层和第二牺牲层之间形成刻蚀停止层，然后去除所述第一牺牲层和所述刻蚀停止层，得到平整的开口底部，避免了后续去除第二牺牲层过程中形成碗形轮廓残留导致的MEMS器件破损，保证了MEMS器件的性能稳定和生产良率。
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器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供MEMS晶圆，在所述MEMS晶圆的正面依次形成第一牺牲层和刻蚀停止层；
在所述第一牺牲层和刻蚀停止层上形成第二牺牲层；
在所述MEMS晶圆的背面形成与所述刻蚀停止层对应的开口，所述开口露出部分所述第一牺牲层；
去除露出的所述第一牺牲层，以完全露出所述刻蚀停止层；
去除露出的所述刻蚀停止层；
去除露出的所述第二牺牲层，以形成背腔。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀停止层包括多晶硅层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一牺牲层和第二牺牲层包括氧化物层。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，去除所述刻蚀停止层的方法包括各向同性刻蚀。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，去除所述第二牺牲层的方法包括过氧化物缓冲刻蚀。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的图案与所述开口的图案完全一致。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述开口的方法包括深反应离子刻蚀。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MEMS器件包括MEMS麦克风。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述第一牺牲层和刻蚀停止层上形成第二牺牲层之后还包括在所述第二牺牲层上形成MEMS器件层的步骤，所述MEMS器件层由下至上依次包括振动膜、第三牺牲层和背板。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第三牺牲层包括氧化物层。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，去除露出的所述第二牺牲层以形成背腔的同时还包括去除所述第三牺牲层，以形成位于所述振动膜和所述背板之间的空腔的步骤。
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