專(zhuān)利名稱(chēng)：用于制造具有埋腔的mems器件的方法以及由此獲得的mems器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造MEMS器件的方法。具體而言，本發(fā)明涉及具有懸置于埋腔或埋溝之上的薄膜的器件的制造。
背景技術(shù)：
在下文中，將對(duì)電容式壓力傳感器的制造進(jìn)行參考，該傳感器具有亦稱(chēng)為薄膜的懸置區(qū)域，該區(qū)域能夠相對(duì)于結(jié)構(gòu)的其余部分移動(dòng)。然而，本發(fā)明并不限于這種傳感器，而是還適用于例如用于在微流體器件中使用的其他具有埋溝的MEMS傳感器、致動(dòng)器和器件。具體地，在電容式類(lèi)型的壓カ傳感器的情況中，薄膜表示可變電扱，其面向形成固定電極的固定部分，并且通過(guò)埋腔而與后者分離。已知各種基于粘結(jié)兩個(gè)襯底或移除犧牲層的、用于制造薄膜的技術(shù)。例如，US 7，273，764描述了ー種制造方法，該方法的實(shí)現(xiàn)從由硅襯底、絕緣層和沉積的多晶硅層構(gòu)成的晶片開(kāi)始，其中首先在多晶硅層中形成溝槽，通過(guò)溝槽移除絕緣層的一部分以便形成空腔，利用多孔氧化物填充空腔和溝槽，在晶片的平坦化表面上形成多孔硅覆蓋區(qū)域，通過(guò)覆蓋區(qū)域移除多孔氧化物，并且在覆蓋區(qū)域上形成密封區(qū)域。由于填充和排空空腔及溝槽的操作，這種方法因而相當(dāng)復(fù)雜。此外，所產(chǎn)生的薄膜(在空腔之上的多晶硅層)是穿孔的，并且因此是脆弱的。在其他解決方案中，在薄膜層中形成蝕刻孔并移除犧牲層后，對(duì)孔進(jìn)行填充。例如，US 6，521，965設(shè)想到提供底電極；在底電極上形成犧牲區(qū)域；外延生長(zhǎng)薄膜層；在薄膜層中形成蝕刻孔；通過(guò)蝕刻孔移除犧牲區(qū)域；以及利用填料氧化物使孔封閉。在US 6，527，961中也描述了用于獲得壓カ傳感器的類(lèi)似方法。US 6，012，336使用氮化硅或金屬來(lái)填充蝕刻孔。在上述方法中，填充蝕刻孔是ー個(gè)關(guān)鍵步驟。實(shí)際上，使用保形材料是不可能的， 否則這將會(huì)穿透到剛獲得的空腔之中并且將會(huì)造成對(duì)其的至少部分填充，從而由此引起錯(cuò)誤的電容耦合。另ー方面，還鑒于針對(duì)需要大厚度薄膜的應(yīng)用而窄且深的孔的幾何特性，使用非保形材料不支持對(duì)其的完全封閉。實(shí)際上，一般情況下，在填充材料在底部中完全填充孔之前，蝕刻孔即在頂部開(kāi)ロ附近封閉。使用兩種不同的材料——第一種非保形材料限制頂部開(kāi)ロ并阻止第二種保形材料穿透到空腔之中——也不能解決問(wèn)題。此外，目標(biāo)往往是在空腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)低壓，并且因此對(duì)于蝕刻孔的填充，使用在大氣壓下沉積的諸如氧化物之類(lèi)的材料是不可能的。此外，由于可能出現(xiàn)使制成的器件的電特性和耐久特性惡化的熱應(yīng)カ或機(jī)械應(yīng)力，所以使用不同材料并不是最優(yōu)的。此外，在壓カ傳感器的情況中，提供較薄的薄膜是不利的，這是因?yàn)楸∧さ暮穸葘?duì)于獲得更線(xiàn)性的行為和更高的準(zhǔn)確性而言是重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供克服現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)的方法和器件。根據(jù)本發(fā)明，提供如分別如在權(quán)利要求1和權(quán)利要求8中限定的、用于制造MEMS 器件的方法和由此獲得的MEM器件。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參考附圖，純粹以非限制性示例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中圖1至圖5示出了在本方法的連續(xù)步驟中半導(dǎo)體材料晶片的截面；圖6示出了圖5的晶片細(xì)節(jié)的頂視放大圖；圖7示出了在本方法的后續(xù)步驟中，圖5的晶片的截面；圖8以透視圖示出了圖7的晶片細(xì)節(jié)的SEM圖像；圖9和圖10示出了在本方法的連續(xù)步驟中，圖7的晶片的截面；圖11示出了圖10的晶片細(xì)節(jié)的截面的SEM圖像；圖12示出了在本方法的后續(xù)步驟中，圖10的晶片的截面；圖13示出了在切塊后獲得的MEMS器件的截面；圖14示出了圖13的MEMS器件的變體的截面。
具體實(shí)施例方式圖1示出了晶片1，其包括通常為硅的半導(dǎo)體材料的襯底2，該襯底2覆蓋有絕緣層3，絕緣層3例如為具有2. 2 μ m至3 μ m、通常為2. 6 μ m厚度的氧化硅。在絕緣層3上延伸的底部區(qū)域4a、4b (例如多晶硅區(qū)域)通過(guò)沉積和成形具有例如0. 5 μ m-1. 3 μ m、通常為 0.9μπι厚度的多晶硅層獲得。接下來(lái)(圖幻，沉積絕緣材料的犧牲層6，例如TEOS (正硅酸乙酯)，其與絕緣層3 一起形成介電層5，該介電層5具有例如3. 6 μ m-5. 2 μ m，通常為4. 4 μ m的總厚度。繼而， 在ー些區(qū)域中，例如在側(cè)區(qū)7上(在圖2中左側(cè)示出)，貫穿介電層5的厚度選擇性地移除介電層5。繼而(圖3)，提供錨固掩模8，例如抗蝕掩摸，其具有位于側(cè)區(qū)7上的開(kāi)ロ 8a，在此要制出對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；以及位于底部區(qū)域如之上的介電層5的一部分上的開(kāi)ロ 8b，在此要制出用于外延生長(zhǎng)的錨固。使用錨固掩模8，進(jìn)行硅刻蝕用以在襯底2中提供對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記10，以及進(jìn)行氧化物刻蝕用以移除犧牲層6的選擇性部分并且選擇性地暴露底部區(qū)域^、4b。如下文中所進(jìn)ー步詳述，刻蝕不涉及底部區(qū)域4b上的介電層5的部分5a，從而形成犧牲部分。在移除錨固掩模8之后(圖4)，從襯底2和底部區(qū)域^、4b的暴露部分開(kāi)始進(jìn)行外延生長(zhǎng)，以及進(jìn)行由此獲得的晶片1的平坦化。以此方式，生長(zhǎng)出偽外延層9，其包括側(cè)區(qū)7上并且一般在襯底2的暴露區(qū)之上的單晶區(qū)域9a，以及在介電層5上的多晶區(qū)域％。 具體地，如下文中所進(jìn)ー步詳述，多晶區(qū)域9b在錨固區(qū)域9c處與底部區(qū)域4b電接觸，以便支持其電連接。外延生長(zhǎng)根據(jù)介電層5上的期望厚度進(jìn)行；通常情況下，為了獲得壓カ傳感器，多晶區(qū)域9b在所考慮的區(qū)域中可以具有5 μ m到20 μ m、例如6 μ m的厚度。繼而(圖幻，使用抗蝕溝槽掩模(未示出)，在犧牲部分fe之上執(zhí)行多晶區(qū)域9b的各向異性蝕刻，以便形成溝槽或孔隙15。刻蝕在介電層5上被自動(dòng)地中斷，從而使溝槽 15成為穿通溝槽并且貫穿所考慮的區(qū)域中的多晶區(qū)域9b的整個(gè)厚度。溝槽15可以具有圓形或方形截面，或者帶圓角的方形截面，或者任何多邊形狀。溝槽15被形成為使得其具有遠(yuǎn)小于其深度并且按網(wǎng)格布置的橫截面，該網(wǎng)格確定期望的薄膜和/或空腔的形狀。在例如圖6中示例說(shuō)明的是方形網(wǎng)格的一部分，其具有IOOym到1000 μ m的邊長(zhǎng)，其中溝槽15 沿著兩個(gè)直角坐標(biāo)軸以均勻的距離間隔設(shè)置。在此，溝槽15具有帶圓角的方形形狀，其具有0. 8 μ m至Ij 1. 2 μ m、通常為1 μ m的邊長(zhǎng)D，并且以距離間隔d = 1. 8-2. 2 μ m、通常為2 μ m 設(shè)置。在上文所提及的、在其中多晶區(qū)域9b在溝槽15處具有6 μ m厚度的情況下，它們具有大約1 6的直徑/深度比。一般而言，溝槽15可以具有1 5到1 20的寬度/深
、又t匕。接下來(lái)(圖7)，使用標(biāo)準(zhǔn)LCVD技木，沉積多孔硅的覆層16，其具有例如 50nm-150nm、通常是IOOnm的厚度。如在圖8的以?huà)呙桦娮语@微鏡(SEM)拍攝的溝槽15的放大圖像中部分地可見(jiàn)，由于覆層16能夠以保形方式沉積，并且因?yàn)閷?duì)其在底部的延伸做出定界的犧牲部分fe的存在，其不僅完全覆蓋晶片1的表面，而且還覆蓋溝槽15的垂直壁和底部。利用覆層16對(duì)于蝕刻劑和反應(yīng)產(chǎn)物二者的滲透性，經(jīng)由干法蝕刻或濕法蝕刻，例如利用無(wú)水氫氟酸或含水氫氟酸，將介電層5的犧牲部分fe位于溝槽15的網(wǎng)格之下的部分移除。因此如圖9中所示，在溝槽15的網(wǎng)格下面產(chǎn)生空腔18。接下來(lái)(圖10)，沉積多晶硅層，該多晶硅層穿透到溝槽15中并填充溝槽15， 從而形成其中的填充區(qū)域20a和晶片1的表面上的多晶層20b。例如，可以沉積具有 0. 5 μ m-1. 5 μ m、通常為1. 0 μ m厚度的層。以此方式，在空腔18上形成薄膜21，并且該薄膜21僅包含多晶硅，包括多晶區(qū)域％、覆層16和填充區(qū)域20a。薄膜21的結(jié)構(gòu)亦可見(jiàn)于圖11的SEM圖像。接下來(lái)，在晶片1的表面上形成例如為金的第一接觸2 和第二接觸22b (圖12)， 并且經(jīng)由對(duì)多晶區(qū)域9b的蝕刻和選擇性移除來(lái)形成絕緣溝槽23(圖13)。以此方式，薄膜 21與多晶區(qū)域9b的其余部分電解耦，并且可以通過(guò)自身的接觸2 被電偏置；接觸22b另外支持底部區(qū)域4b通過(guò)錨固部分9c的電連接。最后，使晶片1經(jīng)受通常的最終加工和切塊步驟，以獲得如圖13中所示的單個(gè)器件24。在此，薄膜21形成電容式類(lèi)型的壓カ傳感器25的可變電扱，其固定電極由底部區(qū)域 4b形成。壓カ傳感器25能夠檢測(cè)作用在薄膜21上的力P。實(shí)際上，在力P的存在下，薄膜 21會(huì)彎曲，從而改變傳感器25的電容。電容的這種改變?nèi)绫娝苤哪菢?，繼而通過(guò)接觸 22a、22b被檢測(cè)到，并且經(jīng)由未示出的已知電路進(jìn)行處理。備選地，薄膜21可以用于形成不同類(lèi)型的MEMS器件，諸如加速度計(jì)、陀螺儀、諧振器、閥、噴墨打印機(jī)的打印頭等，在這種情況下，薄膜21下方和/或上方的結(jié)構(gòu)根據(jù)所設(shè)想的應(yīng)用而更改。同樣地，如果MEMS器件形成具有多個(gè)空腔/埋溝18的微流體器件，則根據(jù)應(yīng)用而優(yōu)化溝道18的尺寸、形狀和數(shù)量，并且MEMS器件利用其操作所必需的結(jié)構(gòu)和元件而完成。當(dāng)期望在同一晶片1中集成電子元件吋，這可以使用單晶區(qū)域9a來(lái)完成。在這種情況下，在形成接觸22a、22b之前，對(duì)晶片進(jìn)行回蝕刻，以便從晶片1的表面移除多晶層 20b。繼而，集成圖14中由觀(guān)標(biāo)示為整體的期望元件。以上描述的方法和器件具有眾多優(yōu)點(diǎn)。首先，方法很簡(jiǎn)単，并且需要減少數(shù)目的掩蔽步驟。器件因此能夠以低廉成本制造。由于基本上無(wú)空區(qū)的薄膜的單片結(jié)構(gòu)，薄膜很強(qiáng)健，并因此特別適合于獲得不同類(lèi)型的MEMS結(jié)構(gòu)，降低可能危害其功能性的故障、變形或損傷的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)針對(duì)多晶區(qū)域％、 覆層16和填充區(qū)域20a只使用ー種材料(硅)吋，由于薄膜對(duì)熱應(yīng)力具有較低的敏感性， 因而獲得薄膜的更高的強(qiáng)健性。由于方法不存在特別的關(guān)鍵方面或者執(zhí)行難點(diǎn)，因此其易于實(shí)現(xiàn)，因而確保了高產(chǎn)率和低最終成本。此外，其特別靈活在干，其在表面和厚度二者方面支持以簡(jiǎn)單的方式獲得期望形狀和尺寸的埋腔18和/或薄膜21。具體地，對(duì)于如壓カ傳感器之類(lèi)的應(yīng)用，有可能獲得大厚度薄膜，以便增加傳感器的精確度。使用對(duì)多孔硅支持在沒(méi)有填充材料20a穿透到空腔18中或者甚至被沉積在其底部上的任何風(fēng)險(xiǎn)的情況下對(duì)溝槽15進(jìn)行填充，因而確保將會(huì)獲得具有規(guī)則形狀的薄膜，并且避免會(huì)損害或者在任何情況下減弱制成的MEMS器件的電氣/機(jī)械特性的任何不良形成。埋腔18與外部世界密封，如一些應(yīng)用中所要求的那樣。最后，顯然可以對(duì)本文所述和所示的方法及器件做出修改和改變，而不因此偏離在隨附權(quán)利要求書(shū)中定義的本發(fā)明的范圍。例如，可以通過(guò)至少在介電層5的犧牲部分fe 上沉積種子層來(lái)進(jìn)行外延生長(zhǎng)。在這種情況下，可以直接由襯底2形成底部區(qū)域4b，從而消除其形成所必須的步驟，并且簡(jiǎn)化用于形成介電層5的步驟，尤其是在底部區(qū)域4b不需要與偽外延層9的其余部分和/或與襯底2絕緣吋。此外，介電層5的犧牲部分fe可以具有基本上與空腔18的形狀和尺寸對(duì)應(yīng)、并因此與期望的薄膜21的形狀和尺寸對(duì)應(yīng)的形狀和尺寸。如果器件M不是電容式壓カ傳感器，則底部區(qū)域4b的材料可以是任何材料，只要其不同于犧牲層6的材料即可；例如，其可以是不同于氧化物的介電材料，諸如氮化硅。多孔硅層能夠以不同方式獲得；例如，其能夠以本身已知的方式，僅在沉積之后才轉(zhuǎn)化成為多孔。
權(quán)利要求
1.一種用于制造MEMS器件的方法，包括以下步驟 形成第一材料的底部區(qū)域Gb)；在所述底部區(qū)域上形成與所述第一材料不同的、第二材料的犧牲區(qū)域(5a)； 在所述犧牲區(qū)域上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料的薄膜區(qū)域01)；蝕刻所述薄膜區(qū)域，直至所述犧牲區(qū)域，以便形成溝槽(15)，每個(gè)溝槽(1 具有由所述薄膜區(qū)域定界的側(cè)壁和由所述犧牲區(qū)域定界的底部；利用多孔材料層(16)完全和保形地覆蓋所述溝槽的所述側(cè)壁和所述底部； 通過(guò)所述多孔材料層選擇性地移除所述犧牲區(qū)域的至少一部分，以形成空腔(18)；以及利用填充材料(20a)填充所述溝槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述填充材料OOa)、所述薄膜區(qū)域01)和所述多孔材料層(16)為硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述溝槽(15)具有1 5到1 20的寬度/深度比。
4.根據(jù)前面任ー權(quán)利要求所述的方法，其中挖掘步驟包括執(zhí)行干法蝕刻或濕法蝕刻。
5.根據(jù)前面任ー權(quán)利要求所述的方法，包括在形成所述底部區(qū)域Gb)之前，在半導(dǎo)體材料的襯底( 上形成絕緣層(3)；在所述底部區(qū)域之上形成犧牲層，其中形成所述犧牲區(qū)域(5a)包括選在至少ー個(gè)接觸區(qū)(8b)中擇性地移除所述絕緣層( 的一部分和所述犧牲層(6)的一部分，從而使得外延生長(zhǎng)包括在所述底部區(qū)域Gb)上形成接觸區(qū)域(9c)以及在所述接觸區(qū)域(9c)之上并在所述薄膜區(qū)域01)的旁邊形成接觸部分(9b)。
6.根據(jù)前面任ー權(quán)利要求所述的方法，包括在形成底部區(qū)域Gb)之前，在半導(dǎo)體材料的襯底( 上形成絕緣層(3)；以及在所述底部區(qū)域之上形成犧牲層，其中形成所述犧牲區(qū)域(5a)包括選擇性地移除在至少ー個(gè)側(cè)區(qū)(7)中的所述絕緣層(3)的一部分和所述犧牲層(6)的一部分，并且外延生長(zhǎng)包括在所述側(cè)區(qū)上形成單晶區(qū)域(9a)以及在所述犧牲層 (6)上形成多晶區(qū)域(％)，所述多晶區(qū)域毗鄰所述單晶區(qū)域，并且形成所述薄膜區(qū)域01) 和所述接觸部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括在所述單晶區(qū)域(9a)中集成電子元件。
8.ー種MEMS器件，其包括 底部區(qū)域⑷；薄膜(21)，其為半導(dǎo)體材料，位于所述底部區(qū)域之下；以及埋腔(18)，其布置在所述底部區(qū)域與所述薄膜區(qū)域之間；所述薄膜區(qū)域01)具有多晶結(jié)構(gòu)，該多晶結(jié)構(gòu)包括多個(gè)溝槽(15)，所述溝槽(15)延伸貫穿所述薄膜區(qū)域的整個(gè)厚度并且覆蓋有多孔材料層(16)，該多孔材料層(16)沿每個(gè)溝槽的側(cè)壁和底部保形地延伸；所述溝槽利用填充材料(20a)填充。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的MEMS器件，其中所述薄膜區(qū)域、所述填充區(qū)域和所述多孔材料層為硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的MEMS器件，其中所述底部區(qū)域Gb)為多晶硅。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的MEMS器件，其中所述溝槽(15)具有1 5到 1 20的寬度/厚度比。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一項(xiàng)所述的MEMS器件，還包括半導(dǎo)體材料的襯底O)；位于所述襯底之上和所述底部區(qū)域Gb)之下的第一絕緣層(3)；以及在所述空腔(18)旁邊和所述底部區(qū)域上延伸的第二絕緣層㈩)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的MEMS器件，還包括單晶區(qū)域(9a)，該單晶區(qū)域 (9a)在所述底部區(qū)域(4b)、所述空腔(18)和所述薄膜區(qū)域01)旁邊延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的MEMS器件，還包括電子元件(觀(guān))，該電子元件08)集成在所述單晶區(qū)域(9a)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求8-14中任一項(xiàng)所述的MEMS器件，其形成選自下列各項(xiàng)的器件壓力傳感器；加速度計(jì)；陀螺儀；諧振器；換能器；閥；噴墨打印頭；微流體器件。
16.ー種壓カ傳感器，其包括接ロ電路，其被配置用于檢測(cè)電容變化以及輸出電學(xué)量；以及根據(jù)權(quán)利要求8-15中任一項(xiàng)所述的MEMS器件。
全文摘要
用于制造MEMS器件的方法，其中在襯底上和絕緣層(3)上形成底部硅區(qū)域(4b)；在底部區(qū)域上形成電介質(zhì)的犧牲區(qū)域(5a)；在犧牲區(qū)域上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料的薄膜區(qū)域(21)；薄膜區(qū)域被挖掘至犧牲區(qū)域，以便形成穿通溝槽(15)；穿通溝槽的側(cè)壁和底部以保形方式完全利用多孔材料層(16)覆蓋；通過(guò)多孔材料層選擇性地移除犧牲區(qū)域的至少一部分并形成空腔(18)；以及穿通溝槽利用填充材料(20a)填充，以便形成懸置于空腔(18)之上的單片薄膜。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102574676SQ201080045056
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日
發(fā)明者I·格爾米, P·科羅納, R·卡姆佩德利, S·洛薩 申請(qǐng)人:意法半導(dǎo)體股份有限公司