CN210193393U - 一种mems结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种MEMS结构。所述MEMS结构包括：位于半导体衬底中的空腔；位于所述半导体衬底的第一表面上且封闭所述空腔的敏感膜片；穿过所述敏感膜片到达所述空腔的开口；覆盖所述敏感膜片的表面、并且形成所述开口内壁上的衬层的停止层；位于所述敏感膜片上且封闭所述开口的层间介质层；以及从所述半导体衬底的第二表面到达所述空腔的通道。所述通道连通外部环境，从而可以形成单芯片结构的压力传感器。

Description

一种MEMS结构

技术领域

本实用新型涉及微电子领域，更具体地，涉及MEMS结构及其制造方法。

背景技术

MEMS器件是在微电子技术基础上发展起来的采用微加工工艺制作的微电子机械器件，已经广泛地用作传感器和执行器。例如，MEMS 器件可以是压力传感器、加速度计、陀螺仪、硅电容麦克风。

压力传感器例如包括组装在一起的传感器芯片和电路芯片。其中，在传感器芯片中形成MEMS结构，在电路芯片中形成检测电路。然后通过芯片键合技术，把传感器芯片和电路芯片键合在一起，从而形成 MEMS组件。

根据检测元件和方法的不同，压力传感器可以分为多种不同的类型，包括压阻式、电容式、谐振式等。压阻式压力传感器出现于上世纪60 年代。与其他类型的压力传感器相比，压阻式压力传感器的优势明显，例如具有灵敏度高、响应熟读快、可靠性高、功耗低、微型等一系列优点。随着技术的进步，采用MEMS结构的压阻式压力传感器的技术日趋成熟，已经实现了生产的批量化和低成本化。

现有的压阻式压力传感器主要是利用体硅技术微机械加工而成，包括位于空腔上方的敏感膜片、位于敏感膜片上的压敏电阻、以及检测电路。敏感膜片的形状例如是方形、或者圆形，检测电路例如通过包含压敏电阻的惠斯通电桥检测外部压力变化。

在传统的压力传感器中，通过硅-玻璃或者硅-硅键合方式形成空腔与支撑结构。该键合工艺导致压力传感器的尺寸和制造成本增加、以及产品良率减小。

因此，期望进一步改进用于压力传感器的MEMS结构，从而可以在减小尺寸的同时提高产品良率和降低制造成本。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供MEMS结构及其制造方法，其中在空腔内壁形成停止层，用于形成外部环境连通的通道，从而可以形成单芯片结构的压力传感器。

本实用新型提供一种MEMS结构，包括：

位于半导体衬底中的空腔；

位于半导体衬底的第一表面上且封闭空腔的敏感膜片；

穿过敏感膜片到达空腔的开口；

覆盖敏感膜片的表面、并且形成开口内壁上的衬层的停止层；

位于敏感膜片上且封闭开口的层间介质层；以及

从半导体衬底的第二表面到达空腔的通道。

优选地，还包括位于敏感膜片中的多个敏感电阻。

优选地，还包括围绕空腔的阱区。

优选地，敏感膜片包括：

形成敏感膜片的框架的第一掺杂区；以及

位于第一掺杂区上的外延层，

其中，第一掺杂区形成网格图案，外延层覆盖第一掺杂区，并且填充网格图案的网孔以封闭空腔。

优选地，第一掺杂区的结深小于阱区的结深。

优选地，多个敏感电阻为外延层中的掺杂区。

优选地，还包括：

互连结构，穿过所述层间介质层和所述停止层连接所述多个敏感电阻。

优选地，多个敏感电阻互连成惠斯通电桥。

优选地，半导体衬底和敏感电阻为第一掺杂类型，阱区、第一掺杂区为第二掺杂类型，第一掺杂类型与第二掺杂类型相反。

优选地，第一掺杂类型为P型，第二掺杂类型为N型。

根据本实用新型实施例的MEMS结构，在半导体衬底封闭空腔的内壁形成停止层，然后形成到达所述停止层的通道，经由所述通道去除所述停止层，用于形成外部环境连通的通道，从而可以形成单芯片结构的压力传感器。该结构不需要通过传统的键合封装工艺形成空腔，巧妙的直接将空腔嵌入在半导体衬底内。使用该结构的传感器结构新颖，工艺简单，避免了采用体硅加工技术带来的不足复杂的键合工艺，可实现小型化、低成本、大批量生产的要求。

在优选的实施例中，在半导体衬底的第一表面，采用电化学腐蚀形成空腔，利用外延层封闭空腔。然后经由穿过外延层的开口在空腔的内壁上形成停止层。在半导体衬底的第二表面，采用深槽刻蚀工艺或湿法蚀刻工艺形成通道，由于停止层的停止作用，该步骤可以采用适当长的蚀刻时间，而不会造成过蚀刻。经由通道去除停止层，使得空腔与外界环境连通。该方法避免了键合工艺的缺点，在单一晶片上实现，制造方法简单、成本低，易于与CMOS电路集成。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型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示出根据本实用新型第一实施例的MEMS结构的俯视图。

图2a示出根据本实用新型第一实施例的MEMS结构沿第一方向的截面图，图2b示出根据本实用新型第一实施例的MEMS结构沿第二方向的截面图。

图3a和3b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第一阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图4a和4b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第二阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图5a和5b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第三阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图6a和6b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第四阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图7a和7b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第五阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图8a和8b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第六阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图9a和9b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第七阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图10a和10b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第八阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图11a和11b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第九阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图12a和12b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第十阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图13a和13b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第十一阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图14a和14b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第十二阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

图15a和15b分别示出根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法在第十三阶段沿第一方向和第二方向的截面图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。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。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，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实用新型。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实用新型。

本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出根据本实用新型第一实施例的MEMS结构的俯视图，图2a 示出根据本实用新型第一实施例的MEMS结构沿第一方向的截面图，图2b示出根据本实用新型第一实施例的MEMS结构沿第二方向的截面图。在该实施例中，空腔302例如为长方形，第一方向如图1中的线AA’所示，沿着长方形的长度方向截取相应的截面图，第二方向如图1中的线 BB’所示，沿着长方形的对角线方向截取相应的截面图。

该MEMS结构100包括在半导体衬底201中形成的空腔302、位于所述空腔302下方且与之连通的通道305、位于所述空腔302上的敏感膜片202、以及位于所述敏感膜片202中的多个敏感电阻116。

在该实施例中，阱区103围绕空腔302。敏感膜片202包括第一掺杂区108形成的框架、以及位于第一掺杂区108上的外延层113。第一掺杂区108形成网格图案，外延层113覆盖第一掺杂区108，并且填充所述网格图案的网孔以封闭所述空腔302。敏感电阻116位于外延层113 中。第一掺杂区108的结深小于阱区103的结深。

该MEMS结构100还包括位于外延层113上的停止层114和层间介质层115、以及穿过停止层114和层间介质层115到达所述多个敏感电阻116的互连结构117。在外延层113中形成有到达空腔302的开口，所述停止层114形成开口中的衬层，所述层间介质层115填充开口。所述多个敏感电阻116均匀分布于敏感膜片的连接部202B，经由互连结构形成惠斯通电桥。

在该MEMS结构中，半导体衬底201和敏感电阻116例如为P型掺杂区，阱区103、第一掺杂区108例如为N型掺杂区。

根据本实用新型第二实施例的MEMS结构制造方法开始于半导体衬底201。该衬底例如是掺B的P型硅衬底，晶向例如为<100>，电阻率例如为5-10欧姆厘米。

然后，采用光刻方法,在半导体衬底201的第一表面形成具有开口的抗蚀剂掩模PR1。经由光刻胶掩模进行第一次离子注入，进行高温退火，使得掺杂剂扩散形成N+型的阱区103，如图3a和3b所示。

在第一次离子注入中采用的N型掺杂剂例如是磷离子。通过控制离子注入的能量，使得掺杂剂从半导体衬底201的第一表面向下延伸至预定深度。在第一次离子注入之后，例如通过灰化或溶解去除光刻胶掩模 PR1。

在高温退火过程中，掺杂剂进一步扩散，使得阱区103的结深例如为5至15微米。阱区103围绕半导体衬底201的第一区域，用于限定将要形成空腔的形状。在高温退火之后例如采用HF酸进行漂洗以去除半导体衬底201表面的氧化硅层。

然后，例如采用溅射之类的沉积工艺，在半导体衬底201的第一表面依次形成第一绝缘层104和第二绝缘层105。第一绝缘层104例如是氧化硅层，厚度小于200纳米，例如厚度为20纳米。第二绝缘层105 例如是氮化硅层，厚度约为200至500纳米。

经由光刻胶掩模，蚀刻去除第一绝缘层104和第二绝缘层105的一部分，从而形成开口301。由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻例如在半导体衬底201的第一表面停止。在蚀刻之后去除光刻胶掩模，如图4a和4b 所示。

在该实施例中，开口301与阱区103围绕的第一区域大致对应，从而暴露整个第一区域。在替代的实施例中，开口301位于阱区103围绕的第一区域上方，从而仅暴露第一区域的一部分。在后续的电化学腐蚀步骤中，该图案化的第一绝缘层104和第二绝缘层105一起作为硬掩模。

然后，采用光刻方法,在半导体衬底201的第一表面形成具有开口的抗蚀剂掩模PR2。经由光刻胶掩模进行第二次离子注入，进行高温退火，使得掺杂剂扩散形成N-型的第一掺杂区108，如图5a和5b所示。

在第二次离子注入中采用的N型掺杂剂例如是磷离子。通过控制离子注入的能量，使得掺杂剂从半导体衬底201的第一表面向下延伸至预定深度。在第二次离子注入之后，例如通过灰化或溶解去除光刻胶掩模 PR2。

在高温退火过程中，掺杂剂进一步扩散，使得第一掺杂区108的结深小于阱区103的结深，例如为2至10微米。第一掺杂区108在半导体衬底201的第一区域形成网格状图案，用于在最终的器件中形成敏感膜片的框架。

然后，在半导体衬底201的第一区域中，采用电化学腐蚀形成多孔层112，如图6a和6b所示。

在该步骤中，以第一绝缘层104和第二绝缘层105一起作为硬掩模。将整个半导体结构浸入酸性溶液中，例如乙醇/氢氟酸/水的混合液，或丙酮/氢氟酸/水的混合液。例如，该酸性溶液的乙醇：氢氟酸(50％)的体积比1：1。

在半导体衬底201的第一区域中产生电化学腐蚀，从而形成从表面向下延伸的多孔层112。N+型的阱区103和N-型的第一掺杂区108不发生电化学反应，仍然保持单晶结构。然后将整个半导体结构从腐蚀液中取出，进行清洗，从而完成电化学腐蚀步骤。

然后，去除多孔层112以形成空腔302，如图7a和7b所示。

在该步骤中，采用湿法蚀刻去除多孔硅层112。例如，采用碱性腐蚀液(例如SC1)四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液作为蚀刻剂。由于蚀刻剂的选择性，相对于半导体衬底201、阱区103、第一掺杂区108去除多孔硅层112。

在蚀刻之后，第一掺杂区108为网格状图案，作为敏感膜片的框架。空腔302位于第一掺杂区108的下方，并且经由网格状图案的网孔与外部连通。空腔302的深度大致对应于阱区103的结深，例如为3至10 微米。

然后，在空腔302的上方形成N-型的外延层113，该外延层113封闭空腔302，如图8a和8b所示。

例如，可以采用低压化学气相淀积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相淀积(PECVD)等方法，以第一掺杂区108为框架外延生长单晶硅，从而形成N-型的外延层113。在外延生长中使用的气源例如为SiH₂Cl₂，温度例如为900至1200摄氏度。通过控制气相前驱体的组成和浓度以及淀积时间，可以控制外延层113的厚度。在该实施例中，外延层113的厚度例如是6微米至10微米，优选为8微米。

由于外延生长的特性，该外延层113不仅在半导体衬底201、阱区 103、第一掺杂区108的表面上垂直生长，而且在第一掺杂区108形成的网格状图案中的网孔内壁横向生长，从而填满网孔，从而封闭空腔302。

外延层113与第一掺杂区108一起形成在空腔302上方悬空的敏感膜片。

然后，采用光刻方法,在外延层113的表面形成具有开口的抗蚀剂掩模。经由光刻胶掩模蚀刻外延层113以形成到达空腔302的开口303，如图9a和9b所示。

在该步骤中，开口303可以形成在空腔302上方的任意位置，并且数量可以为一个或多个。在形成开口303之后，例如通过灰化或溶解去除光刻胶掩模。

然后，在空腔302的内壁形成停止层114，如图10a和10b所示。

该停止层114例如由氧化硅或氮化硅组成。例如，可以在1000摄氏度的温度下采用湿法热氧化形成氧化硅层。或者，采用原子层沉积形成氧化硅层或氮化硅层。该停止层114不仅覆盖外延层113的表面，而经由开口303延伸至空腔302内部，在开口303和空腔302的内壁形成衬层。

然后，在停止层114上形成层间介质层115，如图11a和11b所示。

该层间介质层115例如由氧化硅或氮化硅组成。例如，可以采用物理气相沉积或化学气相沉积形成氧化硅层或氮化硅层。该层间介质层 115不仅覆盖停止层114的表面，而填充开口303，从而封闭空腔302。

然后，经由光刻胶掩模，蚀刻去除层间介质层115和停止层114的一部分，从而形成开口304。由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻例如在外延层113的表面停止。在蚀刻之后去除光刻胶掩模。

在该步骤中，层间介质层115和停止层114一起作为硬掩模。经由硬掩模进行第三次离子注入，在外延层113中形成P型的敏感电阻116，如图12a和12b所示。

在第三次离子注入中采用的P型掺杂剂例如是磷离子。通过控制离子注入的能量，使得敏感电阻116从外延层113的表面向下延伸至预定深度。例如，敏感电阻116的结深约为1微米至2微米。在注入时可以采用7至10度的倾斜角。

在该MEMS结构中例如形成四个敏感电阻116，对称分布于敏感膜片中。

然后，在层间介质层115上形成经由开口电连接敏感电阻116的互连结构117，如图13a和13b所示。

在上述形成互连结构的步骤中，例如通过溅射形成导体层，例如铝。该导体层填充层间介质层115和停止层114中的开口304，并且还覆盖层间介质层115的表面。优选地，可以进一步采用化学机械平面化(CMP) 平整导体层的表面，以及将导体层图案化成互连结构117。

上述互连结构117提供至敏感电阻116的电连接。在MEMS传感器为压阻式传感器的情形下，上述互连结构117将四个敏感电阻116连接成惠斯通电桥。

然后，采用光刻方法,在半导体衬底201的第二表面形成具有开口的抗蚀剂掩模，第二表面与第一表面彼此相对。经由光刻胶掩模进行蚀刻，形成到达停止层114的通道305，如图14a和14b所示。

在该步骤中，由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻例如在停止层114的表面停止。例如可以采用深槽刻蚀工艺或湿法蚀刻工艺形成通道305。由于停止层114的停止作用，该步骤可以采用适当长的蚀刻时间，而不会造成过蚀刻。在蚀刻之后，例如通过灰化或溶解去除光刻胶掩模。

然后，经由通道305进行蚀刻，以去除停止层114，使得通道305 与空腔302连通，如图15a和15b所示。

在该步骤中，由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻相对于半导体衬底201、阱区103、第一掺杂区108去除空腔302内壁的停止层114。

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 (10)

1.一种MEMS结构，其特征在于，包括：

位于半导体衬底中的空腔；

位于所述半导体衬底的第一表面上且封闭所述空腔的敏感膜片；

穿过所述敏感膜片到达所述空腔的开口；

覆盖所述敏感膜片的表面、并且形成所述开口内壁上的衬层的停止层；

位于所述敏感膜片上且封闭所述开口的层间介质层；以及

从所述半导体衬底的第二表面到达所述空腔的通道。

2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，还包括位于所述敏感膜片中的多个敏感电阻。

3.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，还包括围绕所述空腔的阱区。

4.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，所述敏感膜片包括：

形成所述敏感膜片的框架的第一掺杂区；以及

位于所述第一掺杂区上的外延层，

其中，所述第一掺杂区形成网格图案，所述外延层覆盖所述第一掺杂区，并且填充所述网格图案的网孔以封闭所述空腔。

5.根据权利要求4所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一掺杂区的结深小于所述阱区的结深。

6.根据权利要求4所述的MEMS结构，其特征在于，所述多个敏感电阻为所述外延层中的掺杂区。

7.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，还包括：

互连结构，穿过所述层间介质层和所述停止层连接所述多个敏感电阻。

8.根据权利要求7所述的MEMS结构，其特征在于，所述多个敏感电阻互连成惠斯通电桥。

9.根据权利要求4所述的MEMS结构，其特征在于，所述半导体衬底和所述敏感电阻为第一掺杂类型，所述阱区、所述第一掺杂区为第二掺杂类型，所述第一掺杂类型与所述第二掺杂类型相反。

10.根据权利要求9所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一掺杂类型为P型，所述第二掺杂类型为N型。

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