CN110798788A - 一种mems结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种MEMS结构的形成方法，包括：在衬底的正面形成第一牺牲层和突出于所述衬底外的支柱，并且所述第一牺牲层的顶面与所述支柱的顶面平齐；在所述支柱和所述第一牺牲层上方形成压电复合振动层；去除所述第一牺牲层形成空腔。该MEMS结构采用支柱支撑压电复合振动层，从而有利于提高MEMS结构的灵敏度。

Description

一种MEMS结构及其形成方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(MicroelectroMechanical Systems的简写，即微机电系统)结构及其形成方法。
背景技术
MEMS传声器(麦克风)主要包括电容式和压电式两种。MEMS压电传声器是利用微电子机械系统技术和压电薄膜技术制备的传声器，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容传声器还有不需要偏置电压，工作温度范围大，防尘、防水等优点，但其灵敏度比较低，制约着MEMS压电传声器的发展。
针对相关技术中如何提高压电式MEMS结构的灵敏度问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中MEMS结构的灵敏度较低的问题，本申请提出一种MEMS结构及形成方法，能够提高MEMS结构的灵敏度。
本申请的技术方案是这样实现的：
根据本申请的一个方面，提供了一种MEMS结构的形成方法，包括：
在衬底的正面形成第一牺牲层和突出于所述衬底外的支柱，并且所述第一牺牲层的顶面与所述支柱的顶面平齐；
在所述支柱和所述第一牺牲层上方形成压电复合振动层；
去除所述第一牺牲层形成空腔。
其中，形成所述支柱的方法包括：在所述衬底的正面形成图案化的硬掩模层，并蚀刻所述衬底形成所述空腔，其中，在所述空腔内的部分衬底材料与所述硬掩模层的部分材料构成所述支柱。
其中，形成所述支柱的方法包括：
在所述衬底的正面形成图案化的第一掩模层，利用所述图案化的第一掩模层对所述衬底进行第一次蚀刻，形成位于所述衬底中间的凸起，之后去除所述图案化的第一掩模层；在所述衬底的边缘部分和所述凸起上方形成图案化的第二掩模层，利用所述图案化的第二掩模层对所述衬底进行第二次蚀刻，从而形成所述支柱和所述空腔，之后去除所述图案化的第二掩模层。
其中，形成所述第一牺牲层的方法包括：在所述空腔底部的所述衬底上方形成阻挡层，之后在所述空腔内填充所述第一牺牲层。
其中，所述支柱的第一端连接至所述空腔底部的所述衬底的中间部分，所述支柱的第二端连接至所述压电复合振动层的中间部分和/或边缘部分。
其中，在去除所述第一牺牲层之前，在所述压电复合振动层和所述第一牺牲层的上方形成第二牺牲层，之后在所述第二牺牲层的侧壁外去除所述第一牺牲层的部分材料和所述第二牺牲层的部分材料，以露出所述衬底；
在所述衬底和所述第二牺牲层上方形成限位材料。
其中，蚀刻所述限位材料以形成延伸至所述第二牺牲层的第一通孔，所述第一通孔的区域面积小于所述第二牺牲层的区域面积，具有所述第一通孔的所述限位材料构成限位件，所述限位件的区域与所述压电复合振动层的区域在所述衬底的厚度方向上重叠。
其中，所述空腔的深度小于所述衬底的厚度，蚀刻所述衬底的底面直至形成与所述第一牺牲层接触的第二通孔，所述第二通孔位于所述第一牺牲层的底部。
其中，在同一蚀刻工艺或不同蚀刻工艺中去除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层。
其中，所述压电复合振动层覆盖所述空腔，并且所述压电复合振动层的区域面积大于所述空腔的区域面积，形成所述压电复合振动层的方法包括：
在所述支柱和所述第一牺牲层上方形成第一电极材料，图案化所述第一电极材料以形成第一电极层，并且露出部分所述第一牺牲层；
在所述第一电极层上方形成第一压电材料，并且图案化所述第一压电材料以形成第一压电层；
在所述第一压电层上方形成第二电极材料，并且图案化所述第二电极材料以形成第二电极层。
其中，在形成所述第一压电层之后，在所述第一压电层上方共形地形成隔离层，所述隔离层覆盖所述第一压电层的顶面和侧壁；以及在所述隔离层上方形成所述第二电极层。
该MEMS结构采用支柱支撑压电复合振动层，从而有利于提高MEMS结构的灵敏度。通过限位件防止压电复合振动层振幅过大而损坏，从而增加了MEMS结构的可靠性和稳定性。另一方面，该MEMS结构通过限位件增加了声阻，防止低频漏声。此外，本申请所提供的MEMS结构将支柱连接至具有第二通孔的衬底，从而增加了压电复合振动层的振动稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本申请的各个方面。需要强调的是，根据行业的标准实践，各个部件未按比例绘制，并且仅用于说明目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1是根据本申请实施例的第一视角的MEMS结构的示意图；
图2是根据本申请实施例的第二视角的MEMS结构的示意图；
图3至图10是根据本申请实施例MEMS结构的形成方法的各个中间阶段的截面图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例以实现本申请的不同特征。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本申请。当然这些仅是实例并不旨在限定。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或值，但可能依赖于工艺条件和/或器件所需的性能。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚，可以以不同的尺寸任意地绘制各个部件。
此外，为便于描述，空间相对术语如“在……之下(beneath)”、“……下方(below)”、“下部(lower)”、“在……之上(above)”、“上部(upper)”等在本文可用于描述附图中示出的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。空间相对术语旨在包括除了附图中所示的方位之外，在使用中或操作中的器件的不同方位。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，本文使用的空间相对描述符可同样地作相应解释。另外，术语“由……制成”可以意为“包括”或者“由……组成”。
综合参见图1和图2，根据本申请的实施例，提供了一种MEMS结构，该MEMS结构可以但不限于用于传声器或麦克风等传感器，或其他执行器。该MEMS结构包括衬底10、支柱40和压电复合振动层30。以下将详细描述MEMS结构。
衬底10具有空腔11，并且支柱40位于空腔11内。在一些实施例中，空腔11的深度小于衬底10的厚度，空腔11底部的衬底10具有贯穿第二通孔12。在一些实施例中，MEMS结构还包括阻挡层20(将在图5示出)，阻挡层20形成在空腔11底部的衬底10上方。在一些实施例中，支柱40沿衬底10的厚度方向延伸至衬底10外。
压电复合振动层30形成在空腔11的正上方，并且支柱40的第一端连接衬底10，支柱40的第二端支撑压电复合振动层30。在一些实施例中，压电复合振动层30覆盖空腔11，并且压电复合振动层30的区域面积大于空腔11的区域面积。在一些实施例中，压电复合振动层30的区域面积也可以小于或等于空腔11的区域面积。在一些实施例中，由于支柱40沿衬底10的厚度方向延伸至衬底10外，压电复合振动层30在衬底10的厚度方向上与衬底10通过间隙分隔开。在一些实施例中，支柱40的第一端连接至空腔11底部的衬底10的中间部分。在一些实施例中，支柱40的第二端连接至压电复合振动层30的中间部分和/或边缘部分。在支柱40的第二端连接压电复合振动层30的边缘部分时，有利于将压电复合振动层30的第一电极层31和第二电极层33电连接至外部电路。而且，在图中所示的实施例中，支柱40都是呈柱状，但是在其他实施例中，支柱40可以呈板状并且支柱40的第二端沿压电复合振动层30的径向支撑压电复合振动层30，而且，支柱40还可以沿压电复合振动层30的径向延伸超过压电复合振动层30，从而利于第一电极层31和第二电极层33的布线连接。
在一些实施例中，MEMS结构还包括限位件60(将在图10中示出)，限位件60悬置在压电复合振动层30上方以限制压电复合振动层30的振动，限位件60的区域与压电复合振动层30的区域在衬底10的厚度方向上部分重叠。在一些实施例中，限位件60可以环绕压电复合振动层30的外周，也可以仅分布在压电复合振动层30的若干个位置处。
在MEMS结构中，压电复合振动层30的半径为定值，支柱40与压电复合振动层30的接触面积越大，MEMS结构的本征频率越高。进一步的，当支柱40的接触面积为定值(即支柱40的半径为定值)，环形电极(即第一电极层31和第二电极层33中的至少一个呈环形)的内径也为定值并且大于支柱40的半径时，环形电极的外径越小，MEMS结构的灵敏度越大。
该MEMS结构采用支柱40支撑压电复合振动层30，从而有利于提高MEMS结构的灵敏度。通过限位件60防止压电复合振动层20振幅过大而损坏，从而增加了MEMS结构的可靠性和稳定性。另一方面，该MEMS结构通过限位件60增加了声阻，防止低频漏声。此外，本申请所提供的MEMS结构将支柱40连接至具有第二通孔12的衬底10，从而增加了压电复合振动层30的振动稳定性。
根据本申请的实施例，提供了一种MEME结构及其形成方法，以下将具体描述该MEMS结构的形成方法。
步骤S101，在衬底10的正面形成第一牺牲层51和突出于衬底10外的支柱40，并且第一牺牲层51的顶面与支柱40的顶面平齐。以下示出了两种方法以形成第一牺牲层51和支柱40。
形成第一牺牲层51和支柱40的第一种方法如下：参见图3和图4，在衬底10的正面形成图案化的硬掩模层41，并蚀刻衬底10形成空腔11，其中，在空腔11内的部分衬底10材料与硬掩模层41的部分材料构成支柱40。衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI)。可以通过干法蚀刻或湿法蚀刻工艺形成该空腔11。值得注意的是，空腔11的深度小于衬底10的厚度，使得空腔11的底部仍然保留部分衬底10材料。
形成第一牺牲层51和支柱40的第二种方法如下：在衬底10的正面形成图案化的第一掩模层(图中未示出)，利用图案化的第一掩模层对衬底10进行第一次蚀刻，形成位于衬底10中间的凸起，之后去除图案化的第一掩模层。然后在衬底10的边缘部分和凸起上方形成图案化的第二掩模层(图中未示出)，利用图案化的第二掩模层对衬底10进行第二次蚀刻，从而形成支柱40和空腔11，之后去除图案化的第二掩模层。
参见图5，之后在具有空腔11的衬底10上方共形形成阻挡层20，该阻挡层20将用于保护后续步骤中所形成的第一牺牲层51。该阻挡层20的材料包括但不限于经过热氧化工艺所形成的SiO2。具体的形成该阻挡层20的方法包括：在空腔11的底面、衬底10的顶面和侧壁以及支柱40的顶面上共形地形成阻挡材料，然后去除位于衬底10的顶面和侧壁上以及支柱40的顶面上的阻挡材料，从而形成该阻挡层20。
接下来，参见图6，在空腔11内填充第一牺牲层51。可以将第一牺牲层51填充为超过支柱40的顶面，然后通过CMP(Chemical Mechanical Polishing的简称，即化学机械抛光)方法来使得第一牺牲层51的顶面与支柱40的顶面平齐。第一牺牲层51的材料包括氧化锌或LTO(Low Temperature Oxide的简称，即低温氧化物)或其他易腐蚀材料。
步骤S102，参见图6，在支柱40和第一牺牲层51上方形成压电复合振动层30。其中，压电复合振动层30覆盖空腔11，并且压电复合振动层30的区域面积大于空腔11的区域面积，或者压电复合振动层30的区域面积小于或等于空腔11的区域面积。
形成压电复合振动层30的方法包括：
在支柱40和第一牺牲层51上方形成振动支撑层(图中未示出)。振动支撑层包括氮化硅(Si3N4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构或其他合适的支撑材料。在一些实施例中，形成振动支撑层的步骤可以跳过或省略。
在振动支撑层上方形成第一电极材料，图案化第一电极材料以形成第一电极层31，并且露出部分第一牺牲层51，第一电极层31包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。
在第一电极层31上方形成第一压电材料，并且图案化第一压电材料以形成第一压电层32，第一压电层32包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜或其他合适的材料。
在第一压电层32上方共形地形成隔离层(图中未示出)，隔离层覆盖第一压电层32的顶面和侧壁。该隔离层的材料包括诸如低温二氧化硅的低温氧化物，以防止第一压电层32上下方的第一电极层31和第二电极层33短路，而且也能在后续步骤的去除第二牺牲层52的步骤中保护第一压电层32不受到蚀刻影响。可以跳过或省略形成隔离层的步骤。
在隔离层上方形成第二电极材料，并且图案化第二电极材料以形成第二电极层33，第二电极层33包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。第一压电层32可将施加的压力转换成电压，并且第一电极层31和第二电极层33可将所产生的电压传送至其他集成电路器件。在一些实施例中，第一电极层31和第二电极层33具有至少两个相互隔离的分区，相互对应的第一电极层31和第二电极层33的分区构成电极层对，多个电极层对依次串联。因此，多个独立的类悬臂梁结构的压电薄膜换能器实现了电学上的串联，从而进一步提高了MEMS结构的灵敏度。
在第二电极层33上方形成第二压电材料，并且图案化第二压电材料以形成第二压电层(图中未示出)。在第二压电材料上方形成第三电极材料，并且图案化第三电极材料以形成第三电极层(图中未示出)。在压电复合振动层30具有第二压电层和第三电极层的实施例中，可以省略形成振动支撑层的步骤。或者也可以在压电复合振动层30具有振动支撑层、第一电极层31、第一压电层32和第二电极层33的实施例中，将形成第二压电层和第三电极层的步骤省略。
步骤S103，参见图7，在压电复合振动层30和第一牺牲层51的上方形成第二牺牲层52，之后在第二牺牲层52的侧壁外去除第一牺牲层51的部分材料和第二牺牲层52的部分材料，以露出衬底10。参见图8，在衬底10和第二牺牲层52上方形成限位材料。
步骤S104，蚀刻限位材料以形成延伸至第二牺牲层52的第一通孔61，第一通孔61的区域面积小于第二牺牲层52的区域面积，具有第一通孔61的限位材料构成限位件60，限位件60的区域与压电复合振动层30的区域在衬底10的厚度方向上重叠。限位件60用于限制压电复合振动层30的振动幅度，避免由于压电复合振动层30的过度形变。在一些实施例中，从俯视图方向看，限位件60可以完整连续地围绕在压电复合振动层30上方，也可以仅在压电复合振动层30的若干个分散位置处具有限位件60。该限位件60的材料与第一牺牲层51和第二牺牲层52的材料不同，该限位件60的材料包括但不限于金属、氧化物、氮化物、硅、聚酰亚胺、对聚二甲苯、SU-8光刻胶。
步骤S105，参见图9，蚀刻衬底10的底面直至形成与第一牺牲层51接触的第二通孔12，第二通孔12位于第一牺牲层51的底部。在一些实施例中，在进行步骤S101之前，可以对衬底10进行硼离子(或其他合适离子)注入，硼离子可以扩散至衬底10的深度小于或等于衬底10的厚度。从而使得有注入硼离子的衬底10材料相比于没有注入硼离子的衬底10材料降低了蚀刻速率，因此，可以采用湿法蚀刻来去除无硼离子注入的衬底10的底面，从而形成第二通孔12。在具有阻挡层20的实施例中，可以也去除阻挡层20直至到达第一牺牲层51处。在一些实施例中，可以采用干法蚀刻衬底10的底面，从而形成第二通孔12。当采用干法蚀刻工艺时，第二通孔12在纵向截面上呈矩形。
步骤S106，参见图10，在同一蚀刻工艺或不同蚀刻工艺中去除第一牺牲层51和第二牺牲层52，以形成空腔11以及在压电振动层和限位件60之间的间隙。第二牺牲层52的材料与第一牺牲层51的材料可以相同，从而利于在同一蚀刻工艺中去除第一牺牲层51和第二牺牲层52。或者第二牺牲层52的材料与第一牺牲层51的材料可以不同。
在去除第一牺牲层51和第二牺牲层52之后，支柱40的第一端连接至空腔11底部的衬底10的中间部分,支柱40的第二端连接至压电复合振动层30的中间部分和/或边缘部分。
基于以上方法所形成的MEMS结构采用支柱40支撑压电复合振动层30，从而有利于提高MEMS结构的灵敏度。通过限位件60防止压电复合振动层20振幅过大而损坏，从而增加了MEMS结构的可靠性和稳定性。另一方面，该MEMS结构通过限位件60增加了声阻，防止低频漏声。此外，本申请所提供的MEMS结构将支柱40连接至具有第二通孔12的衬底10，从而增加了压电复合振动层30的振动稳定性。另外，本申请所提供的MEMS结构的形成方法具有较简易的工艺步骤。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种MEMS结构的形成方法，其特征在于，包括：
在衬底的正面形成第一牺牲层和突出于所述衬底外的支柱，并且所述第一牺牲层的顶面与所述支柱的顶面平齐；
在所述支柱和所述第一牺牲层上方形成压电复合振动层；
去除所述第一牺牲层形成空腔。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，形成所述支柱的方法包括：在所述衬底的正面形成图案化的硬掩模层，并蚀刻所述衬底形成所述空腔，其中，在所述空腔内的部分衬底材料与所述硬掩模层的部分材料构成所述支柱。
3.根据权利要求1所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，形成所述支柱的方法包括：
在所述衬底的正面形成图案化的第一掩模层，利用所述图案化的第一掩模层对所述衬底进行第一次蚀刻，形成位于所述衬底中间的凸起，之后去除所述图案化的第一掩模层；在所述衬底的边缘部分和所述凸起上方形成图案化的第二掩模层，利用所述图案化的第二掩模层对所述衬底进行第二次蚀刻，从而形成所述支柱和所述空腔，之后去除所述图案化的第二掩模层。
4.根据权利要求1所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，形成所述第一牺牲层的方法包括：在所述空腔底部的所述衬底上方形成阻挡层，之后在所述空腔内填充所述第一牺牲层。
5.根据权利要求1所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，所述支柱的第一端连接至所述空腔底部的所述衬底的中间部分，所述支柱的第二端连接至所述压电复合振动层的中间部分和/或边缘部分。
6.根据权利要求1所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，在去除所述第一牺牲层之前，在所述压电复合振动层和所述第一牺牲层的上方形成第二牺牲层，之后在所述第二牺牲层的侧壁外去除所述第一牺牲层的部分材料和所述第二牺牲层的部分材料，以露出所述衬底；
在所述衬底和所述第二牺牲层上方形成限位材料。
7.根据权利要求6所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，蚀刻所述限位材料以形成延伸至所述第二牺牲层的第一通孔，所述第一通孔的区域面积小于所述第二牺牲层的区域面积，具有所述第一通孔的所述限位材料构成限位件，所述限位件的区域与所述压电复合振动层的区域在所述衬底的厚度方向上重叠。
8.根据权利要求6所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，所述空腔的深度小于所述衬底的厚度，蚀刻所述衬底的底面直至形成与所述第一牺牲层接触的第二通孔，所述第二通孔位于所述第一牺牲层的底部。
9.根据权利要求7所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，在同一蚀刻工艺或不同蚀刻工艺中去除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层。
10.根据权利要求1所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，所述压电复合振动层覆盖所述空腔，并且所述压电复合振动层的区域面积大于所述空腔的区域面积，形成所述压电复合振动层的方法包括：
在所述支柱和所述第一牺牲层上方形成第一电极材料，图案化所述第一电极材料以形成第一电极层，并且露出部分所述第一牺牲层；
在所述第一电极层上方形成第一压电材料，并且图案化所述第一压电材料以形成第一压电层；
在所述第一压电层上方形成第二电极材料，并且图案化所述第二电极材料以形成第二电极层。
11.根据权利要求10所述的MEMS结构的形成方法，其特征在于，在形成所述第一压电层之后，在所述第一压电层上方共形地形成隔离层，所述隔离层覆盖所述第一压电层的顶面和侧壁；以及在所述隔离层上方形成所述第二电极层。
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