CN111527043A - 微机电部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的微机电部件中，在CMOS电路基板(1)的表面上形成有至少一个微机电元件(5)、电接触元件(3)和绝缘层(2.2)以及在其上的由二氧化硅形成的牺牲层(2.1)，并且所述微机电元件(5)被布置为至少以一个自由度可自由移动。在所述微机电部件的外缘处，在所述CMOS电路基板(1)的表面上形成有径向环绕CMOS电路的所有元件延伸的、耐氢氟酸的且由硅、锗或氧化铝形成的气密和/或液密的封闭层(4)。

Description

微机电部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及微机电部件及其制造方法。
背景技术
本发明旨在应用于布置在CMOS电路上的微机电部件(MEMS部件)。使用各种微机械制造方法，特别是使用牺牲层制造MEMS部件。后者通常由二氧化硅制成。为了确保MEMS部件的后面可移动性，必须局部去除牺牲层(释放工艺)。在二氧化硅的情况下，这可以通过使用氢氟酸(HF)进行蚀刻而实现，氢氟酸以液体或气体的形式使用。如果将MEMS部件布置在CMOS电路上，则必须保护同样存在于CMOS电路中的二氧化硅层免受氢氟酸的可能腐蚀，以确保该二氧化硅层作为不同金属层之间的栅氧化物或绝缘体的功能。特别地，在CMOS部分中，通常使用诸如由硼磷硅玻璃(BPSG)构成的掺杂二氧化硅层。后者比牺牲层中的未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)表现出明显更高的蚀刻率，因此在使用氢氟酸蚀刻期间特别容易受影响。如果在CMOS区域内发生蚀刻腐蚀，则可能出现短路或分层。如果从外缘受到腐蚀，则过度的分层导致电接触(接合焊盘)和MEMS部件的功能部分与使用的CMOS电路分离。于是，将不再能够进行引线接合以及因此无法使用以此方式受影响的MEMS部件。因此，必须有效地保护MEMS部件的CMOS区域，使其在释放工艺中免受可能的腐蚀。
有许多研究调查如何防止CMOS电路顶部腐蚀，在该CMOS电路顶部是MEMS部件的MEMS部分。迄今为止，CMOS电路的侧向保护在很大程度上被忽略了，并且仅解决了一般保护或从上方的保护，也就是说从覆盖MEMS部分的方向的保护。例如在US 2016/0068388A1中解决了CMOS的保护问题，该专利提出了覆盖表面的附加金属层。这构成了一种简单的且可能也经常使用的方法。提出了钛、氮化钛、铝和铝铜作为材料。然而，在US 2016/0068388A1中还指出，该材料没有表现出对于氢氟酸的完全耐腐蚀性而是被腐蚀，因此只能在一定时间内确保有效的保护。因此，厚度必须选择为足够的厚。
发明内容
因此，本发明的目的是提出了一种可能性，在通过使用蚀刻工艺(释放工艺)去除作为牺牲材料的二氧化硅而暴露微机电元件使得其可以自由移动的过程中，改善对于MEMS部件的CMOS电路的保护，并且特别是在这此情况下避免分层。
该目的是通过根据本发明的具有权利要求1的特征的部件实现的。权利要求6定义了一种制造方法。通过从属权利要求中提到的特征可以实现本发明的有利的实施例和改进示例。
在根据本发明的微机电部件中，在CMOS电路基板的表面上形成有至少一个微机电元件、电接触元件和由二氧化硅形成的牺牲层。在该情况下，现有技术中已知的是，微机电元件被布置为至少以一个自由度可自由移动。根据本发明，在微机电部件的外缘处，在CMOS电路基板的表面上形成有径向环绕CMOS电路的所有元件延伸的、耐氢氟酸的且由硅或氧化铝形成的气密和/或液密的封闭层。
所述层形成径向环绕延伸的保护环，并防止蚀刻剂，特别是氢氟酸，腐蚀对此至关重要的区域，特别是CMOS电路的区域。在通过蚀刻去除牺牲层材料期间，至少直到将牺牲层材料去除到足够程度并实现相应的微机电元件的可移动性为止，该层材料应对氢氟酸具有抗腐蚀性。
有利地，该层应当由非晶硅(aSi)形成，并且优选地由掺杂的非晶硅形成。硼特别可以用于掺杂。然而，替代地也可以考虑使用氧化铝、锗或由硅和锗构成的化合物。
二氧化硅不必是纯二氧化硅。二氧化硅还可以包含掺杂剂或添加剂，并因此可以使用例如硼磷硅玻璃。
同样有利的是，由氧化铝构成的阻挡层形成在微机电部件的表面上，微机电元件可移动地布置在所述表面上。所述阻挡层可以保护特别是布置在牺牲层中的阻挡层下方的电接触元件免受蚀刻腐蚀。
有利地，径向环绕延伸并由硅或氧化铝形成的层可以具有更大的高度，使得该层侧向凸出超过CMOS电路基板的表面，并且还可以提供侧向保护以防止所使用的蚀刻剂的腐蚀。
径向环绕延伸的层应具有至少对应于CMOS层结构高度的高度。该层还可以被实施为使得其可以形成环绕CMOS电路保护环。在该情况下，该层可以被实施为从CMOS电路基板的表面开始直到阻挡层，一直到微机电元件的底侧。
还可能的是，由硅、氧化铝、锗或硅和锗的化合物形成的层被至少另一层覆盖。该至少另一层可以优选地由金属形成，特别优选地由钛、铝、铝铜合金或钛铝合金或氮化钛形成。所述另一层也可以保护布置在牺牲层内的CMOS电路和电接触元件的部分免受蚀刻腐蚀，特别是从MEMS部件的边缘开始的腐蚀。然后，由硅或氧化铝形成的层主要保护CMOS电路基板的表面。
微机电元件可以例如是可枢转的反射元件(微镜)或膜。
如现有技术已知的，在制造根据本发明的MEMS部件期间的步骤为：将由二氧化硅形成的绝缘体层施加在CMOS电路基板的表面上，并且在此过程中，将电接触元件或电导体轨道以局部限定的方式嵌入绝缘体层中。根据本发明，在外缘处的绝缘体层中，以径向环绕CMOS电路的所有元件延伸的方式形成一直延伸到CMOS电路基板的表面的至少一个沟槽。此后，将该沟槽至少在其底部区域中用由硅或氧化铝形成的液密和/或气密的封闭层填充。密封性应在使用蚀刻剂(特别是氢氟酸)去除牺牲层材料时考虑到蚀刻剂(特别是氢氟酸)的物质状态。此外，构成环绕延伸的密封层的材料本身必须对所使用的氢氟酸具有抗腐蚀性。
密封的封闭层也可以优选地由非晶硅形成，并且特别优选地由硅和硼或锗的化合物形成。
此后，该方法然后继续任选地形成另外的电接触元件、电导体轨道或电极，并且还形成牺牲层。牺牲层同样的由二氧化硅形成。牺牲层材料可以与绝缘体层的材料相同。然而，由于两种材料的掺杂不同或由于二氧化硅还包含其它物质，两种材料也可以具有不同的稠度。用于形成绝缘体和/或牺牲层的二氧化硅可以包含本身已知的玻璃添加剂，特别是硼和磷。
随后，将任何期望的MEMS元件施加到该设置有环绕延伸的保护层的CMOS电路上。
此后，通过蚀刻方法去除牺牲层材料，从而实现至少一个微机电元件的可移动性。
沟槽可以大部分用硅或氧化铝填充，但优选地完全用硅填充。因此，可以进一步改善针对蚀刻腐蚀的侧向保护。
可以连续地在多个方法步骤中逐步地形成绝缘体层。在所述方法步骤之间，可以以本身已知的方式将电接触元件和/或电导体轨道形成并嵌入绝缘体层材料中。电接触元件和电极可以嵌入牺牲层中，并通过蚀刻再次露出。
替代地或补充地，沟槽中的层可以被至少另一层覆盖，该至少另一层优选由金属形成，特别优选由钛、氮化钛、铝、铝铜合金或钛铝合金形成。
在绝缘体层和牺牲层之间有由氧化铝或硅，特别是aSi构成的封闭的阻挡层，并且在阻挡层的面向至少一个微机电元件的方向的表面上还可以形成致动微机电元件所需的另外的电接触元件和电极，所述另外的电接触元件和电极与布置在阻挡层下方的电接触元件导电连接。随后，通过蚀刻去除在阻挡层上方的牺牲层材料，从而实现微机电元件的可移动性。
可以通过PE-CVD技术、溅射或原子层沉积(ALD)在沟槽中沉积硅或氧化铝，并且可以由其形成该层。
使用硼掺杂的非晶硅aSiB或氧化铝、锗或硅和锗的化合物aSiGe作为材料的优点在于，与金属相比，相对于液态或气态的氢氟酸更好或完全惰性，并因此，即使在几乎无限的时间内，也可确保在释放工艺中达到期望的保护效果。
另一优点是通过硅(特别是aSiB、锗或硅和锗的化合物aSiGe)填充沟槽的能力获得的。通过PE-CVD技术沉积的硅、锗或硅与锗的化合物可以完全填充作为环形保护层的沟槽而没有空隙。然后，可以将硅，特别是aSiB、或锗或硅与锗的化合物aSiGe平坦化。与此相反，迄今使用的和上述的金属层是通过PVD方法沉积的，并且在该过程中并未完全填充沟槽，而是仅填充底部和侧壁。在该情况下，这些层的厚度通常比沉积在非结构化区域中的期望厚度显著更薄。特别是在从沟槽底部到侧壁的过渡处存在最小层厚度，并且由于局部存在的机械条件，微裂纹的形成越来越多。除了材料的耐久性较低之外，所述微裂纹还构成额外的泄漏，并因此降低了填充有金属的沟槽的保护作用。特别在部件的拐角处可以观察到所述问题，由于与该层一起形成的保护环的所需曲率半径，在所述拐角处出现越来越多底切部。相比之下，使用完全填充硅(特别是aSiB、锗或由硅和锗形成的化合物)的沟槽，由于由该层形成的填充硅的保护环的总宽度和高度变得显著更宽和更高，因此不会产生泄漏。
在根据本发明的MEMS部件的制造期间，可以使用诸如迄今惯用的本身已知的方法。
下面将通过示例更详细地解释本发明。
附图说明
图1a示出了根据本发明的MEMS部件的一示例的断面图，其中微机械元件还不能自由移动。
图1b示出了根据本发明的MEMS部件的另一示例的断面图，其中微机械元件还不能自由移动。
图2示出了通过标准CMOS电路基板的断面图。
图3示出了通过CMOS电路基板的断面图，其中表面上的CMOS元件的区域已被由二氧化硅构成的绝缘体层覆盖。
图4示出了根据图3的CMOS电路的断面图，其中穿过绝缘体层形成了穿孔(通孔(via))。
图5示出了根据图4示例的断面图，其中已执行了金属的金属化和结构化以便在CMOS和电接触元件上形成电气过孔接触(throughcontact)；
图6示出了根据图5的一示例的断面图，其中通过在环绕CMOS电路元件的径向外缘处的穿孔电气过孔接触(通孔)，形成了径向环绕延伸向下直到硅片的沟槽。
图7示出了具有根据图6的绝缘体层的CMOS电路的断面图，其中在该过程中表面已由aSiB覆盖并且沟槽已经由aSiB填充。
图8示出了图7所示示例的断面图，其中还去除了除沟槽区域之外的一部分沉积的aSiB。
图9示出了根据图8的示例的断面图，其中形成了另一区域，该另一区域在表面上以覆盖由aSiB填充的沟槽的方式形成了由二氧化硅构成的绝缘体层。
图10示出了根据图9的示例的断面图，其中绝缘体层的表面已被平坦化。
图11示出了根据图10的示例的断面图，其中在平坦化的表面上形成穿孔(通孔)，并且在所述穿孔中以及在表面上已形成了与硅层接触的金属层。
图12示出了根据图11的示例的断面图，其中通过去除局部限定的金属层形成了电接触元件和电导体轨道。
图13示出了根据图12的示例的断面图，其中已形成了绝缘体层的另一区域并且电接触元件已嵌入其中。
图14示出了根据图13的示例的断面图，其中已经对绝缘体层的表面进行了平坦化。
图15示出了根据图14的示例的断面图，其中在牺牲层的平坦化表面上已形成了由氧化铝或aSi构成的阻挡层。
图16示出了根据图15的示例的断面图，其中以局部限定的方式穿过由氧化铝或aSi构成的阻挡层形成了穿孔。
图17示出了根据图16的示例的断面图，其中穿孔被引导至布置在绝缘体层内的电接触元件。
图18示出了根据图17的示例的断面图，其中已对表面施加金属化，并且已形成了直到电接触元件的电气过孔接触。
图19示出了根据图18的示例的断面图，其中以局部限定的方式去除了最后的金属化。
图20示出了根据图19的示例的断面图，其中在金属化的CMOS电路的表面上已形成了用于MEMS元件的牺牲层。
图21示出了根据图20的示例的断面图，其中牺牲层的表面已被平坦化。
图22示出了根据图21的示例的断面图，其中在先前形成牺牲层的区域中，形成了直到电接触元件的穿孔；
图23示出了根据图22的示例的断面图，其中用于形成微机电元件的材料已施加在先前施加牺牲层的区域的平坦表面上，直到最后形成的穿孔。
图24示出了根据图23的示例的断面图，其中对用于形成微机电元件的材料进行了局部定义的材料去除。
图25示出了根据本发明的MEMS部件的完成制造示例的断面图，其中已去除了牺牲层区域，因此微机电元件是可移动的。
具体实施方式
通过以下附图，目的是说明如何在方法步骤中逐步制造根据本发明的MEMS部件的示例。
图1a示出了其中微机械元件5还不能自由移动的示例。在该情况下，在CMOS电路基板1的表面上，牺牲层2.1形成在MEMS部件的上部区域中，旨在去除所述上部区域以便实现MEMS元件5的可移动性，并且在下面在CMOS电路的区域内形成由二氧化硅构成的绝缘体层2.2，多个电接触元件3嵌入所述绝缘体层中。在MEMS部件的径向外缘处，以环绕延伸的方式在CMOS电路基板1的表面上形成由aSiB构成的层4，并且该层4在其它表面处由牺牲层和绝缘体层材料包围。
在距离牺牲层2.1的表面一定距离处形成由氧化铝构成的阻挡层7，微机电元件5仍然抵靠在该牺牲层表面，所述阻挡层具有穿孔，通过该穿孔引导电气过孔接触8通向电接触元件3。在该示例中，微机电元件5旨在作为反射电磁辐射的可枢转元件。
图1b所示的示例与根据图1a的示例的不同之处仅在于形成层4的方式。所述层被引导至阻挡层7。
图2示出了具有CMOS元件15的CMOS电路基板1，该CMOS电路基板可以作为制造起点的标准。
图3示出了如何通过PE-CVD方法将由二氧化硅构成的绝缘体层2.2的区域沉积在CMOS电路基板1的表面上。
通过反应离子蚀刻以局部限定的方式在以此方式形成的牺牲层2中形成接触孔(通孔)9，所述接触孔从绝缘体层2.2的到此为止形成的区域表面一直引导到CMOS电路基板1的电触头(图4)。
从图5中可以看出，通过溅射沉积金属和通过光刻图案化形成另外的电接触3和电气过孔接触10。
图6示出了如何通过以下方式进一步处理图5所示的半成品：在MEMS部件的径向外缘处在绝缘体层2.2的材料中，通过反应离子蚀刻形成了径向环绕延伸的沟槽6，所述沟槽一直延伸到CMOS电路基板1的表面。
图7显示了如何通过PE-CVD方法在整个表面上涂覆aSiB 4.1。在该过程中，沟槽6也完全由aSiB 4.1填充。
从图8中可以看出，在此之后，以局部限定的方式光刻地和以局部限定的方式通过反应离子蚀刻去除aSiB 4.1，使得其仅留在后面的保护环的区域中作为层4。如图1b所示，层4的表面不必与在该示例中一样以图案化的方式形成，其也可以是平面的和平坦的。
在此之后，通过PE-CVD方法再次沉积绝缘体层2.2的区域，使得表面完全由二氧化硅形成，并且层4也被其覆盖(图9)。
图10示出了如何通过化学机械抛光平坦化到此为止形成的绝缘体层2.2的表面和形成层4的aSiB。
在到此为止形成的绝缘体层2.2的平坦化表面上蚀刻通孔10，并且通过溅射形成由AlSiCu构成的连续层11，所述连续层11与层4中的aSiB接触(图11)。
从图12中可以看出，如何以局部限定的方式光刻地和通过蚀刻去除层11的一部分，由此形成电接触元件和/或导体轨道3。
从图13和图14可以看出，绝缘体层2.2的另一区域通过PE-CVD方法形成在表面上，并且将最后产生的电接触元件3嵌入其中。然后，通过化学机械抛光再次对绝缘体层2.2的表面进行平坦化。
图15示出了在绝缘体层2.2的整个表面上形成由氧化铝构成的阻挡层7。阻挡层7可以通过ALD(原子层沉积)形成。其应形成一个封闭层。
根据图16，通过反应离子蚀刻以局部限定的方式在阻挡层7中形成穿孔7.1。
穿孔7.1可以通过反应离子蚀刻进一步加深并在该过程中局部限定地去除绝缘体层材料，从而可以形成扩大的通孔7.2，该通孔被引导至电接触元件3。这如图17所示。
根据图18，通过溅射将金属层12再次施加在表面上，该金属层用于形成至最后形成的电接触元件3的过孔接触8。AlSiCu合金或TiAl可以再次用于此目的。
参考图19，目的是说明如何光刻地和通过蚀刻的方式实现局部限定地去除金属层12，所述去除使得在阻挡层7的表面上形成另外的电接触元件3以及电极13。
为了形成微机电元件5，然后通过PE-CVD技术在表面上进一步沉积牺牲层材料，因此牺牲层2.1的材料在其中包围最后形成的电接触元件3、电极13和阻挡层7(图20)。
根据图21，通过化学机械抛光再次平坦化牺牲层2.1的表面。
从图22可以看出，通过反应离子蚀刻穿过牺牲层材料形成另一穿孔14，该穿孔从表面开始直到嵌入牺牲层2.1中并布置在阻挡层7上方的电接触元件3。
在此之后，形成用于形成微机电元件5的材料5.1的层，并在穿孔14中同时填充材料5.1，因此在导电材料用于微机电元件5的情况下，可以产生到相应的电接触元件3的导电连接。在金属的情况下，该层可以通过溅射形成，而在诸如硅的其它材料的情况下，可以通过PE-CVD方法形成该层(图23)。
可以通过光刻和蚀刻再次去除用于形成微机电元件5的材料的一部分，因此可能影响微机电元件5的尺寸和几何形状(图24)。
在此之后，在表面上通过使用氢氟酸的湿法或气相蚀刻去除牺牲层材料，因此在该情况下被实施为可枢转反射元件的微机电元件5可围绕至少一个轴自由枢转。在此，也可以在外缘处暴露层4的一部分，但这不是必须的。
从图25可以看出以此方式制造的根据本发明的MEMS部件的示例。

Claims (11)

1.一种微机电部件，其中，在CMOS电路基板(1)的表面上形成有至少一个微机电元件(5)、电接触元件(3)和绝缘层(2.2)以及在其上的由二氧化硅形成的牺牲层(2.1)，所述微机电元件(5)被布置为至少以一个自由度可自由移动，
其特征在于，在所述微机电部件的外缘处，在所述CMOS电路基板(1)的表面上形成有径向环绕CMOS电路的所有元件延伸的、耐氢氟酸的且由硅、锗或氧化铝形成的气密和/或液密的封闭层(4)。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述层(4)由非晶硅形成。
3.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其特征在于，所述层(4)由掺杂的非晶硅形成，特别是由硼或锗掺杂的非晶硅形成，或由硅和锗的化合物形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其特征在于，由氧化铝构成的阻挡层(7)形成在所述微机电部件的表面上，所述微机电元件(5)可移动地布置在所述表面上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其特征在于，所述层(4)被至少另一层覆盖，其中，所述至少另一层优选由金属形成，特别优选由钛、铝、铝铜合金或钛铝合金或氮化钛形成。
6.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的微机电元件的方法，其特征在于，将包含二氧化硅的绝缘体层(2.2)施加在所述CMOS电路基板(1)的表面上，并且在所述过程中，将所述电接触元件(3)以局部限定的方式嵌入所述绝缘体层(2.2)中；和
在外缘处的所述绝缘体层(2.2)中，以径向环绕所述CMOS电路的所有元件延伸的方式形成一直延伸到所述CMOS电路基板(1)的表面的至少一个沟槽(6)；和
将所述沟槽(6)至少在其底部区域中用由硅、锗、硅和锗的化合物或氧化铝形成的封闭层(4)填充；和
然后施加包含二氧化硅的所述牺牲层(2.1)，以及在其上施加用于形成至少一个微机械元件(5)的材料；然后
通过蚀刻方法，使用氢氟酸以局部限定的方式去除所述牺牲层(2.1)，从而实现至少一个微机电元件(5)的可移动性。
7.根据前述一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述沟槽(6)大部分地，优选完全地用硅、锗或氧化铝填充。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述沟槽(6)中的所述层(4)被至少另一层覆盖，所述另一层优选由金属形成，特别优选由钛、钛铝或铝铜或氮化钛形成。
9.根据前述两项权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述牺牲层(2)中，形成由氧化铝构成的封闭的阻挡层(7)，并且在所述阻挡层(7)的面向所述至少一个微机电元件(5)的方向的表面上，形成致动所述微机电元件(5)所需的另外的电接触元件(3)和/或电极(13)，所述另外的电接触元件和/或电极导电连接到布置在所述阻挡层(7)下方的电接触元件(3)，并且
在此之后，通过蚀刻去除在所述阻挡层(7)上方的所述牺牲层(2.1)的材料，从而实现所述微机电元件(5)的可移动性。
10.根据前述三项权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了局部限定地去除形成所述牺牲层(2.1)的材料，将作为液体或气体的氢氟酸用于蚀刻。
11.根据前述四项权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过PE-CVD技术、溅射或ALD将硅或氧化铝沉积在所述沟槽(6)中，并由其形成所述层(4)。
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