CN109678104A - Mems器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种MEMS器件及其制造方法。该制造方法包括：在衬底上形成停止层；在停止层上形成结构层；以及将结构层图案化，从而形成具有倾斜侧壁的开口，其中，所述结构层的厚度大于等于预设值，形成所述结构层的步骤包括：利用等离子体增强化学气相沉积法在所述停止层上依次沉积多层二氧化硅，使MEMS器件具有足够的灵敏度以接收磁信号。本发明的有益效果是：在厚结构层中制作出具有倾斜侧壁的开口，且倾斜侧壁呈平直状，倾斜角度在30至60度之间，为在倾斜侧壁上制作其他结构提供了条件。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种MEMS器件及其制造方法。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路，甚至接口电路、通信电路和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。微机电系统的出现使芯片的概念远超越了以处理电信号为目的的集成电路，微机电系统的功能已经扩展到了机、光、热、电、化学、生物等领域。与传统的机电系统相比，微机电系统实现了信息系统的微型化、智能化以及集成化，并且提高了性能、降低了功耗和成本。
二氧化硅是一种在集成电路与微机电系统中都非常重要的薄膜材料，其具有优异的绝缘性能与隔离性能。在集成电路中通常作为绝缘层或保护层使用。在微机电系统中，二氧化硅还可作为牺牲层材料以及隔离介质层。二氧化硅薄膜的图形化一般采用薄膜淀积、光刻、刻蚀的工艺流程实现。淀积的方法有很多，化学气相淀积与热氧化是比较常用的方法，可根据需要制备密度与厚度不同的二氧化硅薄膜。采用光刻与刻蚀工艺把淀积形成的二氧化硅薄膜图形化，光刻负责图形转移，刻蚀将最终图形形成在二氧化硅膜上。二氧化硅的刻蚀通常采用干法刻蚀来实现。干法刻蚀技术通过物理作用和化学作用相结合的办法去除了刻蚀薄膜，由于刻蚀速度快，各向异性高，因此形成的侧壁形貌较为陡直，侧壁角度通常为80°至90°。
在微机电系统中，往往需要在二氧化硅的侧壁上制作其他结构，这就需要尽可能的将二氧化硅的侧壁倾角做小，侧壁角度需在30°至60°左右才可在侧壁上制作其他结构。然而干法刻蚀二氧化硅因各向异性高，无法将侧壁角度减小到30°至60°。业内有采用高温约200℃烘烤的方法先将掩膜光刻胶加热使胶的侧壁倾斜，再利用干法刻蚀制备出侧壁角度约50°左右的二氧化硅结构。然而，此方法需要准备特定的高温烘箱，且需要先将光刻胶减薄至约0.5μm烘烤，形成的具有倾斜侧壁二氧化硅的厚度一般在2μm以下，无法使二氧化硅倾斜侧壁结构的厚度达到5μm甚至更大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种MEMS器件及其制造方法，在厚结构层中制作出具有倾斜侧壁的开口，为在倾斜侧壁上制作其他结构提供了条件。
根据本发明的一方面，提供了一种MEMS器件的制造方法，包括：在衬底上形成停止层；在所述停止层上形成结构层；以及将所述结构层图案化，从而形成具有倾斜侧壁的开口，其中所述结构层的厚度大于等于预设值，形成所述结构层的步骤包括：利用等离子体增强化学气相沉积法在所述停止层上依次沉积多层二氧化硅。
优选地，每层所述二氧化硅的厚度相等，所述结构层为稀疏层。
优选地，所述多层二氧化硅的层数包括2-7层，每层所述二氧化硅的厚度包括1-2μm。
优选地，形成所述结构层的工艺温度小于或等于400℃。
优选地，图案化所述结构层的步骤包括：采用各向同性刻蚀法对所述结构层进行刻蚀，当刻蚀在到达所述停止层时停止。
优选地，所述各向同性刻蚀法包括利用湿法腐蚀液对所述结构层进行刻蚀。
优选地，所述湿法腐蚀液的成分包括：水、氟化铵以及氢氟酸，比例包括10:4:1至10:6:1。
优选地，形成所述开口的工艺温度包括室温至50℃；形成所述开口的工艺时间大于或等于5min。
优选地，形成所述停止层的步骤包括利用等离子体增强化学气相沉积法在所述衬底上形成所述停止层，所述停止层的厚度范围包括500至
优选地，在图案化所述结构层之前，还包括：在所述结构层上涂布光致抗蚀剂；以及利用所述光致抗蚀剂形成刻蚀窗口。
优选地，所述光致抗蚀剂的厚度大于或等于2μm。
优选地，形成所述刻蚀窗口的步骤包括：对所述光致抗蚀剂进行曝光、显影处理，从而形成所述刻蚀窗口；去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂；以及烘烤所述光致抗蚀剂。
优选地，采用等离子去胶机去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂，去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂所用的时间包括5至15min，去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂所用的功率包括50至350W，去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂的厚度包括500至
优选地，烘烤所述光致抗蚀剂的时间包括15至60min，烘烤所述光致抗蚀剂的温度包括80℃至120℃。
优选地，所述倾斜侧壁的倾斜角度包括30°至60°。
优选地，根据所述倾斜侧壁的倾斜角度设置所述结构层密度的梯度分布。
优选地，所述倾斜侧壁呈平直状。
优选地，所述预设值为5微米。
根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS器件，包括：衬底；停止层，位于所述衬底上；结构层，位于所述停止层上，其具有倾斜侧壁的开口；其中所述结构层的厚度大于等于预设值，所述结构层包括：在所述停止层上依次沉积的多层二氧化硅。
优选地，每层所述二氧化硅的厚度相等，所述结构层为稀疏层。
优选地，所述多层二氧化硅的层数包括2-7层，每层所述二氧化硅的厚度包括1-2μm。
优选地，所述停止层的厚度范围包括500至
优选地，其中，所述倾斜侧壁的倾斜角度包括30°至60°。
优选地，根据所述倾斜侧壁的倾斜角度设置所述结构层密度的梯度分布。
优选地，所述倾斜侧壁呈平直状。
优选地，所述预设值为5微米。
根据本发明提供的MEMS器件及其制造方法，在厚结构层中制作出具有倾斜侧壁的开口，且倾斜侧壁呈平直状，倾斜角度在30至60度之间，为在倾斜侧壁上制作其他结构提供了条件，与现有技术相比：
本发明使用了PECVD方法制作厚结构层(5um以上)，未使用现有的炉管热氧化的方法生长，进而在结构层上利用光刻以及湿法腐蚀设备制作小于现有80-90°的倾斜角的倾斜侧壁，使得在微机电系统中在厚结构层侧壁上制作图形成为可能，如地磁传感器Z轴方向需要在侧壁制作磁阻层，使MEMS器件具有足够的灵敏度以接收磁信号；
在结构层上形成开口后，对光致抗蚀剂进行常规烘烤，以将光致抗蚀剂固化避免其脱落，不需要额外准备200℃高温烘箱，操作简单高效；
同时，仅依靠调整热氧生长、腐蚀等工艺参数就能够得到具有平直倾斜侧壁的结构层，节省了成本，而且本发明提供的制造方法十分简捷，可以作为量产的工艺手段。
此外，本发明的MEMS器件及其制造方法根据倾斜侧壁的倾斜角度设置结构层的密度的梯度分布，从而更加精确地控制了倾斜侧壁的倾斜角度。
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示出了本发明实施例的MEMS器件的截面示意图；
图2示出了本发明实施例的MEMS器件的制造方法的流程图；
图3至图7示出了图2的MEMS器件在制作过程中的截面示意图。
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。
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。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出了本发明实施例的MEMS器件的截面示意图。
如图1所示，本发明实施例的MEMS器件包括：衬底100、停止层110以及结构层120，其中，结构层120具有开口121，结构层120的厚度大于等于预设值，使MEMS器件具有足够的灵敏度以接收磁信号，该预设值优选为5μm。
衬底100为半导体材料，衬底100可以是无图形的抛光晶圆或者是已完成电路管芯钝化层工艺的有图形的晶圆，在一些优选实施例中，衬底100还包括结构层台阶。
停止层110位于衬底100上，停止层110的材料包括氮化硅，停止层110的厚度范围包括500至在一些优选的实施例中，停止层110的厚度为
结构层120位于停止层110上，结构层120的材料包括二氧化硅，在本实施例中，结构层120由多层二氧化硅组成，结构层为密度较小的稀疏层，其中，每层二氧化硅的厚度相同，从而使二氧化硅的浓度更加均匀，二氧化硅的层数包括2-7层，每层的厚度范围包括1-2μm，在一些优选的实施例中，二氧化硅的层数为5层，每层二氧化硅的厚度为1μm。结构层120上的开口121具有倾斜侧壁，该倾斜侧壁呈平直状，倾斜角度包括30°至60°，在一些优选的实施例中，倾斜角度为50°，进一步地，本发明实施例的MEMS器件可以根据倾斜侧壁的倾斜角度设置结构层120的密度的梯度分布。
图2示出了本发明实施例的MEMS器件的制造方法的流程图，图3至图7示出了图2的MEMS器件在制作过程中的截面示意图。
在下文中，将结合图3至图7对图2进行详细的说明。
在步骤S01中，提供衬底。具体的，如图3所示，利用RCA标准清洗工艺对衬底100进行清洗，该衬底100为半导体材料，衬底100可以是无图形的抛光晶圆或者是已将电路与MEMS单片芯片集成在同一管芯上并且已完成电路钝化层工艺的有图形的晶圆，在一些优选实施例中，衬底100还包括结构层台阶。
在步骤S02中，在衬底上形成停止层。具体的，如图4所示，利用等离子体增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)在衬底100上形成停止层110，停止层110的厚度范围包括500至在一些优选实施例中，停止层110的厚度为在此厚度下，停止层110可以抵抗住后续步骤中HF的腐蚀，保持倾斜侧壁结构的深度不会发生变化，同时保护了停止层110之下的图形。
在该步骤中所需要的工艺气体包括：甲硅烷SiH4、笑气以及氮气，形成停止层110的温度小于等于450℃。
在步骤S03中，在停止层上形成结构层。具体的，如图5所示，利用PECVD分步在停止层110上形成结构层120需要在衬底100上依次淀积5层二氧化硅，每层二氧化硅的厚度为1μm，在该步骤中所需要的工艺气体包括：甲硅烷SiH4、笑气以及氮气，淀积时的温度小于等于400℃。其中，本发明实施例的MEMS器件可以根据倾斜侧壁的倾斜角度设置结构层120的密度的梯度分布，采用PECVD生长二氧化硅，其速率远大于热氧生长，采用PECVD的方法制作结构层120具有密度较小的疏松且不致密的特点，在后续腐蚀步骤中，疏松不致密的结构层120被腐蚀的速率快，可形成倾斜侧壁。
在步骤S04中，在结构层上涂布光致抗蚀剂并形成刻蚀窗口。具体的，如图6所示，在结构层120上涂布正向的光致抗蚀剂130，采用常规步进式曝光机对光致抗蚀剂130进行曝光，用两次显影形成刻蚀窗口131。其中，光致抗蚀剂130的厚度范围包括2至5μm，在一些优选实施例中，光致抗蚀剂130的厚度为3μm。
在步骤S05中，除去刻蚀窗口处的剩余的光致抗蚀剂。具体的，如图6所示，除去刻蚀窗口131处的剩余的光致抗蚀剂130，该步骤的工艺时间为5至15min，以确保刻蚀窗口131处不存在光致抗蚀剂130，所用功率包括50至350W，去除的光致抗蚀剂130的厚度约500至
在步骤S06中，对光致抗蚀剂进行烘烤。具体的，如图6所示，对光致抗蚀剂130进行常规烘烤，以将光致抗蚀剂130固化，保证在之后的步骤中光致抗蚀剂130不会脱落，其中，烘烤温度包括80℃至120℃，烘烤时间包括15至60min，在一些优选实施例中，烘烤温度为120℃，烘烤时间为30min。
在步骤S07中，在结构层中形成具有倾斜侧壁的开口。具体的，如图7所示，利用湿法腐蚀液，采用各向同性刻蚀法对结构层120进行刻蚀，当刻蚀在到达停止层110时停止。由于结构层120的密度沿纵向方向成梯度分布，越靠近停止层110密度越大，反之则越小，因此，密度越稀松的结构层120被腐蚀的速率越大，从而在结构层120中形成了具有倾斜侧壁的开口，该倾斜侧壁呈平直状，倾斜角度包括30至60°，在一些优选实施例中，倾斜角度为50°。其中，湿法腐蚀液的成分包括：水、氟化铵以及氢氟酸，水：氟化铵：氢氟酸的比例范围包括10:4:1至10:6:1，优选为10:5:1，在该比例下，氢氟酸浓度适中，既不会因为氢氟酸浓度太小，使侧壁不平直，也不会因为浓度太大，使侧壁横向腐蚀不受控，造成形成的侧壁不稳定的问题。形成开口的工艺时间即腐蚀时间大于或等于5min，以保证结构层120顶部的圆角被腐蚀，形成开口的工艺温度范围包括室温至50℃，在一些优选实施例中，该步骤的工艺温度为40℃。进一步地，可以在倾斜侧壁上制作其他结构，例如磁阻层。本湿法腐蚀的工艺方法形成30至60°的倾斜角，有效地解决现有技术中工艺的限制导致的倾斜角过大，进而在倾斜侧壁上制作结构层困难的问题。
在步骤S08中，采用干法加湿法去除光致抗蚀剂，以形成如图1所示的MEMS器件。
根据本发明提供的MEMS器件及其制造方法，在结构层中制作出具有倾斜侧壁的开口，且倾斜侧壁呈平直状，倾斜角度在30至60度之间，为在倾斜侧壁上制作其他结构提供了条件，与现有技术相比，本发明仅使用了常规的PECVD、光刻以及湿法腐蚀设备，不需要额外准备200℃高温烘箱，同时，仅依靠调整热氧生长、腐蚀等工艺参数就能够得到具有平直倾斜侧壁的结构层，节省了成本，而且本发明提供的制造方法十分简捷，可以作为量产的工艺手段。
此外，本发明实施例的MEMS器件及其制造方法根据倾斜侧壁的倾斜角度设置结构层的密度的梯度分布，从而更加精确地控制了倾斜侧壁的倾斜角度。
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 (26)
1.一种MEMS器件的制造方法，包括：
在衬底上形成停止层；
在所述停止层上形成结构层；以及
将所述结构层图案化，从而形成具有倾斜侧壁的开口，
其中所述结构层的厚度大于等于预设值，形成所述结构层的步骤包括：利用等离子体增强化学气相沉积法在所述停止层上依次沉积多层二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每层所述二氧化硅的厚度相等，所述结构层为稀疏层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多层二氧化硅的层数包括2-7层，每层所述二氧化硅的厚度包括1-2μm。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，形成所述结构层的工艺温度小于或等于400℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，图案化所述结构层的步骤包括：采用各向同性刻蚀法对所述结构层进行刻蚀，当刻蚀在到达所述停止层时停止。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述各向同性刻蚀法包括利用湿法腐蚀液对所述结构层进行刻蚀。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述湿法腐蚀液的成分包括：水、氟化铵以及氢氟酸，比例包括10:4:1至10:6:1。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，形成所述开口的工艺温度包括室温至50℃；
形成所述开口的工艺时间大于或等于5min。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述停止层的步骤包括利用等离子体增强化学气相沉积法在所述衬底上形成所述停止层，
所述停止层的厚度范围包括500至
10.根据权利要求1所述的方法，在图案化所述结构层之前，还包括：
在所述结构层上涂布光致抗蚀剂；以及
利用所述光致抗蚀剂形成刻蚀窗口。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述光致抗蚀剂的厚度大于或等于2μm。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述刻蚀窗口的步骤包括：
对所述光致抗蚀剂进行曝光、显影处理，从而形成所述刻蚀窗口；
去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂；以及
烘烤所述光致抗蚀剂。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，采用等离子去胶机去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂，
去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂所用的时间包括5至15min，
去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂所用的功率包括50至350W，
去除所述刻蚀窗口处剩余的所述光致抗蚀剂的厚度包括500至
14.根据权利要求12所述的方法，其中，烘烤所述光致抗蚀剂的时间包括15至60min，
烘烤所述光致抗蚀剂的温度包括80℃至120℃。
15.根据权利要求1-14任一所述的方法，其中，所述倾斜侧壁的倾斜角度包括30°至60°。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，根据所述倾斜侧壁的倾斜角度设置所述结构层密度的梯度分布。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述倾斜侧壁呈平直状。
18.根据权利要求1-14任一所述的方法，其中，所述预设值为5微米。
19.一种MEMS器件，包括：
衬底；
停止层，位于所述衬底上；
结构层，位于所述停止层上，其具有倾斜侧壁的开口；
其中所述结构层的厚度大于等于预设值，所述结构层包括：在所述停止层上依次沉积的多层二氧化硅。
20.根据权利要求19所述的MEMS器件，每层所述二氧化硅的厚度相等，所述结构层为稀疏层。
21.根据权利要求20所述的MEMS器件，其中，所述多层二氧化硅的层数包括2-7层，每层所述二氧化硅的厚度包括1-2μm。
22.根据权利要求21所述的MEMS器件，其中，所述停止层的厚度范围包括500至
23.根据权利要求19至22任一所述的MEMS器件，其中，所述倾斜侧壁的倾斜角度包括30°至60°。
24.根据权利要求23所述的MEMS器件，其中，根据所述倾斜侧壁的倾斜角度设置所述结构层密度的梯度分布。
25.根据权利要求24所述的MEMS器件，其中，所述倾斜侧壁呈平直状。
26.根据权利要求19-22任一MEMS器件，其中，所述预设值为5微米。
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