CN1675127A - 微电子机械系统器件成型的刻蚀终止控制 - Google Patents

微电子机械系统器件成型的刻蚀终止控制 Download PDF

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Abstract

在一硅半导体衬底中形成一种微电子机械器件。一金属化层形成在一玻璃晶片上。然后，一金属覆盖层在该金属化层上形成。这种组合层具有一小于约5.17电子伏的小表面功函。该半导体衬底以阳极氧化的方式键合到玻璃晶片上，然后通过刻蚀从该结构上除去硅，且不会使所述微电子机械器件出现明显的过度刻蚀。

Description

微电子机械系统器件成型的刻蚀终止控制
发明领域
本发明涉及微机械器件成型，尤其涉及用以提高微机械器件成型的刻蚀终止控制。
发明背景
在通常是指微电子机械系统(MEMS)器件的微机械器件的成型中，硅或其它半导体材料常用于形成微小结构。半导体制造工艺常用于形成这些结构。其中一种工艺是用硅的湿化学刻蚀在一种控制方式下将硅除去。为形成其中一些结构所需的关键尺寸，需要精确控制刻蚀。“刻蚀终止”技术则可用于实现这种控制。一种刻蚀终止是通过对半导体材料的预期部分进行硼的重度掺杂，并在各向异性刻蚀剂，例如邻苯二酚和水的混合液(EDP)或氢氧化钾(KOH)中进行刻蚀来实现的。当刻蚀剂到达重度掺杂层时，刻蚀速度就发生数量级的减小，从而有效地终止刻蚀。
在刻蚀之前将多层金属层添加到MEMS器件上，以和硅形成电接触。所述金属层可形成一种很好的电接触但不会被刻蚀剂腐蚀。
发明概述
由于硅、金属和湿刻蚀剂之间的相互作用而引起的电化学效应会导致硅的过度刻蚀。这种过度刻蚀则会降低尺寸控制。通过使用一个具有一小功函的半导体材料的金属化层可以将MEMS器件中半导体材料，例如硅的过度刻蚀减到最小。另外，该金属化层基本上可以防止刻蚀剂，例如KOH或EDP的腐蚀。
在一种实施方式中，金属化层的功函小于约5.17电子伏(eV)。一些既具有小功函又能抵抗所选用的刻蚀剂的金属包括铬、铑或钨。在另一种实施方式中，金属层的厚度约为1000至3000埃。
在另一种实施方式中，金属层包括一层具有高功函的金属，该金属层上覆盖有一层具有低功函的金属。在一些实施方式中，覆盖层的功函基本上小于5.17电子伏(eV)。
附图简述
图1是具有小功函金属化层的MEMS器件的一部分的截面图。
图2是具有大功函金属化层，并且在刻蚀终止点之外发生了继续刻蚀的MEMS器件的一部分的现有技术截面图。
发明详述
在下面的描述中，将参考附图进行，这些附图形成为描述的一部分，其中所示附图是将以示例性的可以实施本发明的实施方式示出的。这些实施方式描述得十分详细足以使本领域的技术人员能实施本发明，而且应当理解，还可以实施一些其它的实施例，而且一些结构上的、逻辑上的和电连接上的变化都可以在不背离本发明的范围内得以实施。因此，下面的描述方式不是以一种限制性的方式进行的，本发明的范围由所附权利要求来限定。
图1是一微电子机械(MEMS)器件，例如角速度传感器(也就是陀螺仪)的一部分110的截面图。在该实施方式中，硅传感机构115是传感器旋转或移动部分。该机构的厚度对于该传感器的适当性能来讲是一个关键尺寸。在一种实施方式中，小于1％的厚度变化是理想公差。
在一种实施方式中，硅机构形成为沉积在或扩散在轻度掺杂衬底(指示为115)上的重度硼掺杂层117。将硅机构加衬底115键合到用于支撑的玻璃衬底120，例如耐热玻璃上。形成在玻璃衬底120上的一低功函金属层125提供了用以和MEMS器件电接触的器件。硅衬底115以阳极氧化的方式键合到玻璃衬底120上。一旦键合之后，就用一些公知刻蚀剂，例如包括KOH和EDP等强碱的水溶液，将所述轻度掺杂硅衬底刻蚀除去。当轻度掺杂衬底被刻蚀除去且重硼掺杂材料暴露到刻蚀剂中时，刻蚀就终止。由于刻蚀终止了，所以刻蚀的时间可以不是很精确。当刻蚀得以适当进行后，所剩下的硅就是硅机构。
硅机构115的尺寸控制需要组合运用刻蚀剂和具有高选择性的硼浓度(也就是说，在未掺杂衬底中的刻蚀速度与在重度掺杂层中的刻蚀速度之间的比率很高)。使用EDP作为刻蚀剂并结合硼的浓度＞1×1020cm-3时，可以获得选择性＞103的结果。
金属层选择为可以抵抗刻蚀剂腐蚀。金和铂就是对EDP具有很好的抵抗性的例子。但是已经发现，硅、金属和湿刻蚀剂之间的相互作用，会导致产生电化学效应。电化学效应会导致如图2中所示现有技术中在150和155处发生硅的过度刻蚀硅。不同的材料，例如金127和硅115，会引起超过刻蚀终止层继续刻蚀。这种刻蚀则会导致在溶解晶片的过程中发生关键尺寸的精确控制的降低。额外的硅将从硅机构的整个暴露面上溶解除去。
图2与图1中表示相同部件的附图标记相一致。在图2中，过度刻蚀的硅由150和155处的虚线表示，而硅机构还是由115表示。由于不同于图1中的金属化层125，所以此处的金属化层由127表示。所述金属化层127是现有技术中具有高功函的金属层。除非刻蚀正好在适当的时间停止，否则就会发生过度刻蚀。
为解决上述过度刻蚀问题，金属层125具有小于约5.17电子伏(eV)的功函。该金属化层仍能抵抗住刻蚀剂。该最大允许功函是通过计算硅能带隙(1.12电子伏(eV))和硅的电子亲合性(4.05电子伏(eV))的和值来选择的。有多种金属都符合这种标准，例如铑、铬和钨。还有金属，例如镍和钯正好处于具有约5.17电子伏(eV)功函的边界线。所选用的金属，除能抵抗刻蚀剂的腐蚀外还应提供和硅机构的低电阻电接触。
在一种实施方式中，金属层约为1000至3000埃厚。在另一种实施方式中，硅机构被刻蚀为一根支撑该机构移动部分的梁，该机构例如一振动板或其它传感机构。厚度控制必须尽量小到正负0.1微米。在一种实施方式中，该MEMS器件可以是陀螺仪、压力传感器或加速度器，其中所述硅机构是该MEMS器件的一部分。
在另一种实施方式中，金属层125由金或其它具有大于5.17电子伏的功函的金属形成，且还包括一在金层上面的金属覆盖层126。该覆盖层126通过沉积形成，并具有小于5.17电子伏的功函。由于该覆盖层与硅接触，因此可以消除硅的过度刻蚀。该覆盖层可以在某些选择区域上除去，以提供更好的引线结合。在一种实施方式中，该覆盖层具有小于约5.0电子伏的功函，能抵抗刻蚀剂的腐蚀，且在晶片键合过程中是金层和硅之间的阻隔层。铬能满足前两条标准，但是如果温度等于或高于250摄氏度时，铬就不是一种好的阻挡层了。铑能满足所有的标准。钛、钨或钼也都是候选者。除金之外，高功函金属，例如铂、钯或镍都可和用作覆盖层的低功函金属一起使用。这种金属的组合应该具有低于5.17电子伏的表面功函。应当理解，尽管铑、铬和钨是优选的候选者，其它一些满足需求的金属也都可使用。

Claims (20)

1、一种形成微电子机械器件的方法，该方法包括：
在一半导体衬底上形成微机械结构；
在选择的微机械结构上形成一金属化层，使得该金属化层具有一小功函；和
刻蚀该衬底以从该结构上除去硅，且不使该结构发生明显的过度刻蚀。
2、如权利要求1的方法，其中所述金属的功函约小于5.17电子伏。
3、如权利要求1的方法，其中所述金属化层包括铬、铑或钨。
4、如权利要求1的方法，其中所选择的硅结构用硼重度掺杂。
5、如权利要求4的方法，其中通过选择出合适的金属来控制刻蚀终止，以获得硅结构的最终厚度约小于1％的公差。
6、一种形成微电子机械器件的方法，该方法包括：
在一半导体层中形成微机械结构；
在一玻璃晶片上形成一金属化层；
在该金属化层上形成一金属覆盖层，使得表面具有一小功函；
将所述半导体键合到玻璃晶片上，和
刻蚀所述半导体以从该结构上除去硅，且不使该结构发生明显的过度刻蚀。
7、如权利要求6的方法，其中所述金属覆盖层表面的功函约小于5.17电子伏。
8、如权利要求6的方法，其中所述金属化层包括金，覆盖层包括铬、铑或钨。
9、如权利要求6的方法，其中半导体衬底包括具有选择地重度掺杂硼部分的硅。
10、一种形成微电子机械器件的方法，该方法包括：
在一半导体层中形成微机械结构；
在一玻璃晶片上形成一金属化层，使得该金属化层具有一小功函；
将半导体衬底的一部分键合到一玻璃衬底上，和
刻蚀所述半导体以从该结构上除去硅，且不使该结构发生明显的过度刻蚀。
11、一种形成微电子机械器件的方法，该方法包括：
在一半导体层中形成微机械结构；
在一玻璃晶片上形成一金属化层；
在该金属化层上形成一金属覆盖层，使得组合层具有一小的表面功函；
将半导体衬底的一部分键合到一玻璃衬底上，和
刻蚀所述半导体以从该结构上除去硅，且不使该结构发生明显的过度刻蚀。
12、一种微电子机械器件，包括：
一由硅衬底构成的微电子机械结构；
一形成在所选择的微机械结构上的金属化层，使得金属化层具有一小功函；和
一用于控制从硅结构中除去硅的刻蚀终止结构。
13、如权利要求12的微电子机械器件，其中所述金属化层包括两层金属化层，一层具有高功函，另外一层包括一具有低功函的覆盖层，使得表面功函小于5.17电子伏。
14、如权利要求12的微电子机械器件，其中所述微电子机械结构包括一具有关键尺寸的梁。
15、一种微电子机械器件，包括：
一在硅衬底上的硅层中形成的微电子机械结构；
一在玻璃衬底上形成的金属化层，使得金属化层具有一小功函；
所述金属化玻璃衬底键合到所述硅衬底上；和
一用于控制从硅结构中除去硅的刻蚀终止结构。
16、如权利要求15的微电子机械器件，其中所述硅衬底被刻蚀用以控制所述结构的关键尺寸，其中硅结构的过度刻蚀被减到最小。
17、如权利要求15的微电子机械器件，其中所述金属功函约小于5.17电子伏。
18、如权利要求15的微电子机械器件，其中所述金属化层包括铬、铑或钨。
19、如权利要求15的微电子机械器件，其中所述刻蚀终止结构包括重度掺杂硼的硅。
20、如权利要求12的微电子机械器件，其中所述金属化层包括两层金属化层，一层具有高功函，另一层包括一具有低功函的覆盖层，使得表面功函小于5.17电子伏。
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