CN113314822B - 一种mems滤波器器件背孔的制作工艺和mems滤波器 - Google Patents

一种mems滤波器器件背孔的制作工艺和mems滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺和MEMS滤波器，所述MEMS滤波器器件的衬底背面依次生长有隔离层、第一DBR介质膜、牺牲层和第二DBR介质膜；所述制作工艺包括：在第二DBR介质膜上制作背孔区域的光刻胶层；第一次干法蚀刻，刻蚀至牺牲层；去除剩余牺牲层；第二次干法蚀刻，刻蚀停留在与隔离层接触的第一DBR介质膜的接触层；蚀刻剩余接触层；去掉光刻胶层。本发明可消除由于不同介质膜刻蚀造成的尖角影响，精确蚀刻到衬底上部的隔离层，且保持隔离层的表面平滑，背孔制作工艺方法，可行度高、精确度好，且能与半导体制作工艺兼容，提高了产品研发的成功率。

Description

一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺和MEMS滤波器
技术领域
本发明涉及一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺和MEMS滤波器。
背景技术
MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，其发展始于20世纪60年代，MEMS是英文Micro Electro Mechanical System的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。MEMS的基础技术主要包括硅各向异性刻蚀技术、硅键合技术、表面微机械技术、LIGA技术等，这些技术已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术。
对于现有技术的MEMS滤波器，需要对多层膜进行蚀刻，蚀刻掉上部的多层DBR膜、中间牺牲层、下部的多层DBR膜并停留在最下面的SiO2层。该工艺要求精度高，且最下面SiO2层需保留膜层完整。如果采用常规的干法蚀刻，若蚀刻时间过久，则最下面的SiO2膜会被过蚀刻，无法保证膜层的完整；若蚀刻时间不足，则其上的其他介质膜会有残留，无法保证精确停留在SiO2层(隔离层)。另外，干法蚀刻较厚的多层膜过程中，由于不同膜层间的累积蚀刻效应，蚀刻面会存在尖角，不易保持蚀刻面的平整，这对于精确停留在某一个薄层来说也是非常困难的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺和MEMS滤波器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的第一方面，提供一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，所述MEMS滤波器器件的衬底背面依次生长有隔离层、第一DBR介质膜、牺牲层和第二DBR介质膜；
所述制作工艺包括：
在第二DBR介质膜上制作背孔区域的光刻胶层；
第一次干法蚀刻，刻蚀至牺牲层；
去除剩余牺牲层；
第二次干法蚀刻，刻蚀停留在与隔离层接触的第一DBR介质膜的接触层；
蚀刻剩余接触层；
去掉光刻胶层。
进一步地，所述第一DBR介质膜包括交替排列的多晶硅层和氮化硅层，所述接触层为多晶硅层；所述第二DBR介质膜包括交替排列的多晶硅层和氮化硅层；所述隔离层为二氧化硅层，所述牺牲层为二氧化硅层。
进一步地，所述第一次干法蚀刻，刻蚀至牺牲层，包括：
采用ICP蚀刻机台对第二DBR介质膜和牺牲层进行干法蚀刻，刻蚀至牺牲层时剩余一些牺牲层，使累计蚀刻的尖角被包含于剩余牺牲层的厚度中。
进一步地，所述去除剩余牺牲层，包括：
利用BOE溶液，除去包括尖角的剩余牺牲层，形成平坦化平面。
进一步地，所述第二次干法蚀刻，包括：
采用ICP蚀刻机台对牺牲层下方的第一DBR介质膜，使蚀刻停留在接触层。
进一步地，所述第一次干法刻蚀为快速干法刻蚀，第二次干法刻蚀为慢速干法刻蚀。
进一步地，所述快速干法刻蚀和慢速干法刻蚀由蚀刻气体的流量、上电极RF功率、下电极RF功率和工艺压强共同决定。
进一步地，所述蚀刻剩余接触层包括：
将整个器件放入TMAH溶液中浸泡，去除所述接触层，留下平滑的隔离层。
进一步地，所述去掉光刻胶层，包括：
采用NMP溶液冲洗工艺进行冲洗；
采用IPA溶液冲洗掉多余NMP溶液；
将器件进行烘干；
利用O2灰化工艺去除晶圆表面的光刻胶残渣。
本发明的第二方面，提供一种MEMS滤波器，所述MEMS滤波器的背孔由所述的工艺制作。
本发明的有益效果是：
(1)在本发明的一示例性实施例中，针对多层不同介质膜进行刻蚀时，第一次干法刻蚀停止于牺牲层，然后进行平坦化、第二次干法刻蚀和多晶硅蚀刻的步骤，可消除由于不同介质膜刻蚀造成的尖角影响，精确蚀刻到衬底上部的隔离层，且保持隔离层的表面平滑，背孔制作工艺方法，可行度高、精确度好，且能与半导体制作工艺兼容，提高了产品研发的成功率。
(2)在本发明的又一示例性实施例中，所述第一次干法刻蚀为快速干法刻蚀，第二次干法刻蚀为慢速干法刻蚀，第一次干法蚀刻是蚀刻掉上部的多层膜并蚀刻进牺牲层中，牺牲层比较厚，采用快速干法蚀刻，蚀刻速率快，可节约工艺时间，快速干法蚀刻带来的蚀刻尖角较深，但可包容在较厚的牺牲层中，故不影响后续的湿法平坦化工艺。第二次蚀刻下部的多层膜时，因为每层膜的厚度较薄，且整体膜的厚度也较薄，不能采用快速干法蚀刻，只能使用慢速干法蚀刻，这样形成的蚀刻尖角也较浅，可以包含在最下层的单层多晶硅膜中，便于后续用TMAH将多晶硅去除，使隔离层的表面比较平坦。
(3)在本发明的又一示例性实施例中，在平坦化步骤中采用稀释的BOE溶液去除牺牲层，由于平坦化工艺时间短，对侧壁的侧向蚀刻很少。
附图说明
图1为本发明一示例性实施例公开的工艺流程图；
图2为本发明一实例性实施例公开的MEMS滤波器器件的衬底背面结构示意图；
图3为本发明一实例性实施例公开的工艺流程步骤S1的器件示意图；
图4为本发明一实例性实施例公开的工艺流程步骤S2的器件示意图；
图5为本发明一实例性实施例公开的工艺流程步骤S3的器件示意图；
图6为本发明一实例性实施例公开的工艺流程步骤S4的器件示意图；
图7为本发明一实例性实施例公开的工艺流程步骤S5的器件示意图；
图8为本发明一实例性实施例公开的工艺流程步骤S6的器件示意图；
图中，1-衬底，2-隔离层，3-第一DBR介质膜，4-牺牲层，5-第二DBR介质膜，6-多晶硅层，7-氮化硅层，8-接触层，9-光刻胶层，10-第一尖角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参见图1，图1示出了本发明的一示例性实施例中提供的一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺的流程图；如图2所示，所述MEMS滤波器器件的衬底1背面依次生长有隔离层2、第一DBR介质膜3、牺牲层4和第二DBR介质膜5。
在其中一示例性实施例中，所述衬底1为Si衬底；而在其他示例性实施例中，所述衬底的1可以为其他材料的衬底，只要可以实现MEMS滤波器均可。
更优地，在一示例性实施例中，如图2所示，所述第一DBR介质膜3包括交替排列的多晶硅层6(图中表示为左下至右上的斜线)和氮化硅层7(图中表示为左上至右下的斜线)，与隔离层2接触的第一DBR介质膜3的层为接触层8，所述接触层8为多晶硅层6；所述第二DBR介质膜5包括交替排列的多晶硅层6和氮化硅层7；所述隔离层为二氧化硅层，所述牺牲层4为二氧化硅层(厚度约1-3微米)。
在如图2所示的示例性实施例中，所述第一DBR介质膜3包括七层，由接近衬底1至远离衬底1的方向依次为多晶硅层6(即接触层8)、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6；而所述第二DBR介质膜5包括六层，由接近衬底1至远离衬底1的方向依次为多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7，即衬底1背后一共包括15层。而在其他示例性实施例中，只要可以实现的结构均可。
在该示例性实施例中，针对多层不同介质膜进行刻蚀时，可消除由于不同介质膜刻蚀造成的尖角影响，精确蚀刻到衬底上部的隔离层2，且保持隔离层2的表面平滑。
具体地，所述制作工艺包括以下步骤：
S1：在第二DBR介质膜6上制作背孔区域的光刻胶层9，如图3所示。
在其中一示例性实施例中，考虑后续多步蚀刻工艺，光刻胶层9的厚度须较厚，且抗干法和湿法刻蚀，光刻胶层厚度5-20微米。
S2：第一次干法蚀刻，刻蚀至牺牲层4，如图4所示。
更优地，在一示例性实施例中，该步骤的具体内容包括：采用ICP蚀刻机台对第二DBR介质膜5和牺牲层4进行干法蚀刻，刻蚀至牺牲层4时剩余一些牺牲层4，使累计蚀刻的第一尖角10被包含于剩余牺牲层4的厚度中。
干法蚀刻较厚的多层膜时，特别是牺牲层4膜层较厚，由于不同膜层的蚀刻速率不同，在蚀刻过程中由于蚀刻累计效应容易形成尖角(在该步骤中为第一尖角10)，造成蚀刻面不平整。本工艺中的多层介质膜(该步骤为第二DBR介质膜5)的每一单层膜层均较薄，厚度约80-150nm之间，若直接干法蚀刻下去，蚀刻形成的尖角容易穿透某一单层介质膜，不能精确停留在隔离层2表面，故需在蚀刻牺牲层4时特意剩余一些牺牲层4，使累计蚀刻形成的第一尖角10被包含于剩余牺牲层4厚度中，在蚀刻中间过程进行一次平坦化工艺(即下一个步骤)，以降低累计蚀刻效应形成的尖角影响。
更优地，在一示例性实施例中，在该步骤中，蚀刻气体为CF4&O2，气体流量0-500sccm，上电极RF功率为300-600W，下电极RF功率为100-200W,工艺压强为10mtorr-1.5Par。蚀刻时间可根据蚀刻进入牺牲层4厚度进行适当的调整，蚀刻后牺牲层4剩余厚度500-1000埃。
S3：去除剩余牺牲层4，如图5所示。
该步骤的目的是去除剩余的牺牲层4，并将牺牲层4中的尖角现象(即第一尖角10)一同去除，为下一步干法蚀刻提供平坦化的蚀刻平面。
更优地，在一示例性实施例中，所述去除剩余牺牲层4，包括：利用BOE溶液，除去包括尖角的剩余牺牲层4，形成平坦化平面。
若剩余牺牲层4厚度500-1000埃，在稀释BOE溶液中浸泡约5-10min，则背孔底部的牺牲层4被蚀刻干净形成光滑平面，且由于平坦化工艺时间短，对侧壁的侧向蚀刻也很少(如图5所示)。
S4：第二次干法蚀刻，刻蚀停留在与隔离层2接触的第一DBR介质膜3的接触层8，如图6所示。
具体地，在该步骤中，采用ICP蚀刻机台，通过蚀刻牺牲层4下面的第一DBR介质膜3，使蚀刻停留在隔离层2上面的多晶硅层6(即接触层8)中。本步骤的干法蚀刻也会形成尖角，但由于第一DBR介质膜3的整体厚度较小，蚀刻速率慢，故形成的尖角深度较浅，可包含在单一的多晶硅层3内。
更优地，在一示例性实施例中，在该步骤中，蚀刻气体为CF4&O2，气体流量0-200sccm，上电极RF功率为50-200W，下电极RF功率为0-100W，工艺压强为10mtorr-1.5Par。
具体地，根据上述示例性实施例所述，所述第一次干法刻蚀为快速干法刻蚀，第二次干法刻蚀为慢速干法刻蚀。所述快速干法刻蚀和慢速干法刻蚀由蚀刻气体的流量、上电极RF功率、下电极RF功率和工艺压强共同决定。
其中，第一次干法蚀刻是蚀刻掉上部的多层膜并蚀刻进牺牲层4中，牺牲层4比较厚，采用快速干法蚀刻，蚀刻速率快，可节约工艺时间，快速干法蚀刻带来的蚀刻尖角较深，但可包容在较厚的牺牲层4中，故不影响后续的湿法平坦化工艺。第二次蚀刻下部的多层膜时，因为每层膜的厚度较薄，且整体膜的厚度也较薄，不能采用快速干法蚀刻，只能使用慢速干法蚀刻，这样形成的蚀刻尖角也较浅，可以包含在最下层的单层多晶硅膜中，便于后续用TMAH将多晶硅去除，使隔离层2的表面比较平坦。
S5：蚀刻剩余接触层8，如图7所示。
更优地，在一示例性实施例中，所述蚀刻剩余接触层包括：将器件放入浓度15％-25％的TMAH溶液中，在80℃的条件下浸泡60-80s，可将隔离层2上的多晶硅6(即接触层8)去除，留下平滑的隔离层2。
S6：去掉光刻胶层9，如图8所示。
更优地，在一示例性实施例中，所述去掉光刻胶层9，包括：
S61：采用NMP溶液冲洗工艺进行冲洗，冲洗压力300-1500Psi，时间约3-10min；S62：采用IPA溶液冲洗掉多余NMP溶液；S63：将器件进行烘干(甩干机、烘箱或氮气枪等方式)；S64：利用O2灰化工艺去除器件表面的光刻胶残渣。
另外，需要说明的是，第一次干法刻蚀不能直接刻蚀至牺牲层4以下的某一第一DBR介质膜3层中的任意一层，这样就失去了平坦化的意义，后续慢速蚀刻也无法平坦化。具体地：牺牲层4是最厚的，可以用湿法工艺进行平坦化，平坦化在这里做才有意义，工艺上也容易实现。如果放在牺牲层4以下，尖角就会穿透好几层，无法进行湿法平坦化。后续再进行慢速干法蚀刻尖角引起的问题会更严重。
基于上述任意一示例性实施例，本发明的又一示例性实施例提供一种MEMS滤波器，所述MEMS滤波器的背孔由所述的工艺制作。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，其特征在于：所述MEMS滤波器器件的衬底背面依次生长有隔离层、第一DBR介质膜、牺牲层和第二DBR介质膜；
所述制作工艺包括：
在第二DBR介质膜上制作背孔区域的光刻胶层；
第一次干法蚀刻，刻蚀至牺牲层；剩余一些牺牲层，使累计蚀刻的第一尖角被包含于剩余牺牲层的厚度中；
去除剩余牺牲层，形成平坦化平面；
第二次干法蚀刻，刻蚀停留在与隔离层接触的第一DBR介质膜的接触层；
蚀刻剩余接触层；
去掉光刻胶层；
第一次干法蚀刻为快速干法刻蚀，第二次干法蚀刻为慢速干法刻蚀。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，其特征在于：所述第一DBR介质膜包括交替排列的多晶硅层和氮化硅层，所述接触层为多晶硅层；所述第二DBR介质膜包括交替排列的多晶硅层和氮化硅层；所述隔离层为二氧化硅层，所述牺牲层为二氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，其特征在于：所述第一次干法蚀刻，刻蚀至牺牲层，包括：
采用ICP蚀刻机台对第二DBR介质膜和牺牲层进行干法蚀刻，刻蚀至牺牲层时剩余一些牺牲层，使累计蚀刻的尖角被包含于剩余牺牲层的厚度中。
4.根据权利要求3所述的一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，其特征在于：所述去除剩余牺牲层，包括：
利用BOE溶液，除去包括尖角的剩余牺牲层，形成平坦化平面。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，其特征在于：所述第二次干法蚀刻，包括：
采用ICP蚀刻机台对牺牲层下方的第一DBR介质膜，使蚀刻停留在接触层。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，其特征在于：所述快速干法刻蚀和慢速干法刻蚀由蚀刻气体的流量、上电极RF功率、下电极RF功率和工艺压强共同决定。
7.根据权利要求1或2所述的一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，其特征在于：所述蚀刻剩余接触层包括：
将整个器件放入TMAH溶液中浸泡，去除所述接触层，留下平滑的隔离层。
8.根据权利要求1所述的一种MEMS滤波器器件背孔的制作工艺，其特征在于：所述去掉光刻胶层，包括：
采用NMP溶液冲洗工艺进行冲洗；
采用IPA溶液冲洗掉多余NMP溶液；
将器件进行烘干；
利用O2灰化工艺去除晶圆表面的光刻胶残渣。
9.一种MEMS滤波器，其特征在于：所述MEMS滤波器的背孔由权利要求1~8中任意一项所述的工艺制作。
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