mems器件的制备方法与流程-j9九游会真人

mems器件的制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种mems器件的制备方法。


背景技术：

2.在半导体领域，尤其是mems领域，经常会用到梳齿结构，且在很多mems器件中都要求梳齿结构可以在一定范围内进行上下振动，如加速度计，陀螺仪、振荡器、惯性传感单元等。以加速度计为例，该梳齿结构进行一定幅度的上下振动，就可以监测到z轴(纵向)的振动，以获得相应的物理参量，如振动，加速度等等。然而，随着mems器件尺寸要求越来越小，该结构的制备越来越困难。既要求梳齿结构的尺寸要小，能够满足器件性能的要求，又要求该类结构在形成底部空腔的时候牺牲层要去除干净，且不要损伤底部的衬底材料。
3.相关技术中，制备具有梳齿结构的mems器件的方法通常包括湿法腐蚀法和气态氢氟腐蚀法两种。湿法腐蚀法即先在硅衬底上依次生长一层氧化硅牺牲层和一层硅结构层，然后通过光刻刻蚀的方法在硅结构层上形成梳齿结构，最后将整个刻蚀后的结构浸到腐蚀溶液中，将刻蚀开的梳齿结构下面的牺牲层去除掉，形成空腔，使得该部分梳齿结构可以悬空，可以在纵向上有一定程度的震荡。气态氢氟腐蚀法即需要在单独的气态氟化氢设备中采用气态纯氢氟将梳齿结构下面的牺牲层去除掉，形成空腔。
4.但是，湿法腐蚀法在形成空腔后，需要对器件进行干燥，若梳齿结构的深宽比比较大，会使得器件的干燥会变得比较困难，导致梳齿结构下方无法有效干燥。当梳齿结构振动时，容易粘连到下方衬底上，从而使器件失效。气态氢氟腐蚀法又存在设备价格昂贵、难以批量生产等的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种mems器件的制备方法，可以降低工艺难度，无需对器件进行干燥，保证制备出的mems器件的性能要求，且无需额外的昂贵设备，可以用于批量化晶圆生产制程中。
6.本发明提供了一种mems器件的制备方法，所述制备方法包括：
7.提供一半导体晶片，所述半导体晶片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的牺牲层和结构薄膜层，所述结构薄膜层上具有梳齿结构；
8.采用等离子体刻蚀的方式去除所述梳齿结构下方的牺牲层，以在所述梳齿结构和所述衬底之间形成空腔。
9.可选地，所述牺牲层为无定形碳，所述采用等离子体刻蚀的方式去除所述梳齿结构下方的牺牲层，包括：
10.将所述半导体晶片放入氧等离子体环境中，使所述梳齿结构下方的牺牲层与氧等离子体反应，生成气态产物，以去除所述梳齿结构下方的牺牲层。
11.可选地，所述牺牲层的厚度为0.1～10微米。
12.可选地，所述提供一半导体晶片，包括：
13.提供一衬底；
14.在所述衬底上形成所述牺牲层；
15.在所述牺牲层上形成所述结构薄膜层；
16.采用光刻刻蚀的方法在所述结构薄膜层上形成梳齿结构。
17.可选地，所述结构薄膜层的厚度为0.5～100微米。
18.可选地，所述梳齿结构的线宽为0.5～5微米。
19.可选地，所述结构薄膜层为单晶硅、多晶硅或氮化硅层。
20.可选地，所述结构薄膜层的生长温度大于500℃，所述牺牲层的耐热温度大于所述结构薄膜层的生长温度。
21.可选地，采用化学气相沉积法在所述衬底上形成所述牺牲层。
22.可选地，所述衬底为硅、玻璃、或者化合物半导体。
23.本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
24.本发明实施例提供的一种mems器件的制备方法，该制备方法中的牺牲层可以采用等离子体刻蚀的方式去除，以在梳齿结构和衬底之间形成空腔，使得梳齿结构悬空。且采用等离子体刻蚀的方法无需对器件进行干燥，不会存在现有湿法腐蚀法中干燥不充分导致器件失效的情况。同时牺牲层的去除可以在等离子体设备中进行，无需额外的昂贵设备，且该方法通常是单片进行工艺的，不存在晶圆数量的不同导致的释放有所差异，均匀性好，可以用于批量化晶圆生产制程中。
25.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
26.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
27.在附图中：
28.图1是相关技术中mems器件的制备方法流程图；
29.图2a至图2e是分别与步骤s101至步骤s105对应的结构示意图；
30.图3是本发明实施例提供的一种mems器件的制备方法流程图；
31.图4是本发明实施例提供的另一种mems器件的制备方法流程图；
32.图5a至图5e是分别与步骤s401至步骤s405对应的结构示意图；
33.图6是本发明实施例提供的又一种mems器件的制备方法流程图；
34.图7a至图7e是分别与步骤s601至步骤s605对应的结构示意图。
具体实施方式
35.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。
36.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的
各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
37.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。在本公开的上下文中，相似或者相同的部件可能会用相同或者相似的标号来表示。
38.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本公开内容实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
39.在对本发明实施例提供的mems器件的制备方法进行详细介绍之前，先对相关技术中mems器件的制备方法进行简单介绍。
40.图1是相关技术中mems器件的制备方法流程图，如图1所示，该制备方法包括：
41.步骤s101、提供一衬底。
42.步骤s102、在衬底上形成一层牺牲层。
43.其中，牺牲层可以为氧化硅层。
44.步骤s103、在牺牲层上形成一层结构薄膜层。
45.步骤s104、采用光刻刻蚀的方法在结构薄膜层上形成梳齿结构。
46.步骤s105、将刻蚀后的结构浸到腐蚀溶液中，将梳齿结构下面的牺牲层去除掉，形成空腔。
47.其中，腐蚀溶液可以为氢氟酸(hf)、稀释的氢氟酸(dhf)、缓冲氧化刻蚀剂(boe)溶液。腐蚀溶液可以通过梳齿结构各梳齿间的缝隙流入下方的牺牲层，从而将梳齿结构下面的牺牲层腐蚀去除，使得梳齿结构可以悬空，在纵向上有一定程度的震荡。
48.图2a至图2e是分别与步骤s101至步骤s105对应的结构示意图，如图2a所示，此时提供有一衬底20；如图2b所示，在衬底20上形成有一层氧化硅牺牲层21；如图2c所示，在牺牲层21上形成有一层结构薄膜层22；如图2d所示，结构薄膜层22上形成有梳齿结构22a；如图2e所示，此时采用湿法腐蚀法去除了梳齿结构22a下方的牺牲层21，梳齿结构22a悬空，梳齿结构22a与衬底20之间形成有空腔s。
49.上述制备方法中，采用湿法腐蚀法的去除掉梳齿结构22a下方的氧化硅牺牲层21。在形成空腔后，需要对器件进行干燥，若梳齿结构22a的深宽比比较大，会使得器件的干燥会变得比较困难，导致梳齿结构22a下方无法有效干燥。当梳齿结构22a振动时，容易粘连到下方衬底20上，从而使器件失效。
50.因此，为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种mems器件的制备方法。图3是本发明实施例提供的一种mems器件的制备方法流程图，如图3所示，该制备方法包括：
51.步骤s301、提供一半导体晶片，半导体晶片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的牺牲层和结构薄膜层，结构薄膜层上具有梳齿结构。
52.示例性地，在执行步骤s302之前，可以采用标准的rca清洗工艺对半导体晶片进行清洗。
53.步骤s302、采用等离子体刻蚀的方式去除梳齿结构下方的牺牲层，以在梳齿结构和衬底之间形成空腔。
54.其中，等离子体刻蚀机理如下：
55.在低温等离子体中，除了含有电子和离子外，还含有大量处于激发态的游离基和化学性质活泼的中性原子团。正是利用游离基和中性原子团与被刻蚀材料之间的化学反应，来达到刻蚀的目的。
56.在本实施例的一种实现方式中，牺牲层可以为无定形碳。步骤s302可以包括：
57.将半导体晶片放入氧等离子体环境中，使梳齿结构下方的牺牲层与氧等离子体反应，生成气态产物，以去除梳齿结构下方的牺牲层。
58.其中，无定形碳材料能承受住高温(因为有可能结构薄膜层的沉积以及后续工艺有可能需要高温，因此，牺牲层通常需要承受高温》500℃，或者更高)。同时，无定形碳材料可以被氧等离子体很容易的去除，且去除过程中只生产气态产物，气态产物可以被设备抽出，不会与衬底或结构薄膜层发生反应，影响其它层的结构。
59.需要说明的是，在本实施例的其它实现方式中，该牺牲层也可以为满足以下要求的其它材料层：耐高温性能大于500℃、能被氧等离子体或其它不与衬底或结构薄膜层反应的其它等离子体去除，且去除过程中生成的产物只有气态产物，可以被设备排出。本发明对此不作限定。
60.由于在理想情况下，对等离子体的要求是不能与结构薄膜层和衬底发生反应，以保证牺牲层在等离子体环境中被去除时，结构薄膜层和衬底不会被损伤。但实际情况下，很难保证在等离子环境中，结构薄膜层和衬底完全不会与等离子体发生反应，因此需要很高的选择比。选择比即同一刻蚀条件下，被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比。当牺牲层在等离子体环境下的被刻蚀速率为v1、衬底在等离子体环境下的被刻蚀速率为v2、结构薄膜层在等离子体环境下的被刻蚀速率为v3时，v1/v2或v1/v3的比值即为选择比。
61.在本实施例中，在设置等离子体环境或者选取牺牲层材料时，选择比v1/v2或v1/v3越大越好。通常需要保证v1/v2或v1/v3的比值为几百比1(例如500：1等)，以最大程度防止牺牲层在去除过程中，结构薄膜层和衬底与等离子体发生反应。
62.图4是本发明实施例提供的另一种mems器件的制备方法流程图，作为对上述实施例的进一步解释说明，如图4所示，该制备方法包括：
63.步骤s401、提供一衬底。
64.在本实施例中，衬底可以为硅、玻璃、或者化合物半导体。
65.步骤s402、在衬底上形成牺牲层。
66.在本实施例中，牺牲层为无定形碳。
67.可选地，牺牲层的厚度为0.1～10微米。若牺牲层的厚度过薄，会导致后续形成的空腔的深度较小，使得梳齿结构在竖直方向上振动时，易与衬底接触，从而影响器件性能。若牺牲层的厚度过厚，又会导致后续牺牲层难以去除或去除时间较长，影响生产效率。
68.在本实施例中，可以采用化学气相沉积法在衬底上形成牺牲层。化学气相淀积方法简称cvd法，是以气相原材料经化学反应而淀积固体薄膜的方法。制备的薄膜能与基体紧密附着，且几乎对基体的几何形状没有依赖关系，改变气体成分或淀积条件(如温度、气压
等)，即可改变成膜的化学或物理性质，对厚度又易于实施控制。
69.步骤s403、在牺牲层上形成结构薄膜层。
70.在本实施例中，结构薄膜层为单晶硅、多晶硅或氮化硅层。
71.可选地，结构薄膜层的厚度为0.5～100微米。结构薄膜层的厚度过薄或过厚，都会加大后续形成梳齿结构的难度，影响最终形成的mems器件的性能。
72.可选地，结构薄膜层的生长温度大于500℃，牺牲层的耐热温度大于结构薄膜层的生长温度。即牺牲层的耐热温度大于500℃。
73.在本实施例中，当结构薄膜层为氮化硅层时，可以采用低压力化学气相沉积法(low pressure chemical vapor deposition，lpcvd)制备形成。当结构薄膜层为单晶硅或多晶硅层时，可以采用lpcvd法，也可以采用cvd法或者外延的方式制备形成。
74.步骤s404、采用光刻刻蚀的方法在结构薄膜层上形成梳齿结构。
75.具体的，可以在结构薄膜层上涂覆一层光刻胶，然后通过曝光、显影的方法对光刻胶进行图形化处理，以在光刻胶上形成所需图形。接着，采用干法刻蚀的方法在结构薄膜层上形成梳齿结构。
76.可选地，梳齿结构的线宽为0.5～5微米。
77.步骤s405、采用等离子体刻蚀的方式去除梳齿结构下方的牺牲层，以在梳齿结构和衬底之间形成空腔。
78.步骤s405的具体实现方式可以参见上述步骤s302的相关描述，本实施例在此不再赘述。
79.图5a至图5e是分别与步骤s401至步骤s405对应的结构示意图，如图5a所示，此时提供有一衬底50；如图5b所示，在衬底50上形成有一层无定形碳牺牲层51；如图5c所示，在牺牲层51上形成有一层结构薄膜层52；如图5d所示，结构薄膜层52上形成有梳齿结构52a；如图5e所示，此时采用离子体刻蚀的方式去除了梳齿结构22a下方的牺牲层51，梳齿结构52a悬空，梳齿结构52a与衬底50之间形成有空腔s。
80.在本发明的另一实施例中，牺牲层还可以根据实际需要进行图形化。图6是本发明实施例提供的又一种mems器件的制备方法流程图，如图6所示，该制备方法包括：
81.步骤s601、提供一衬底。
82.步骤s602、在衬底上形成图形化牺牲层。
83.在本实施例中，可以先在衬底上形成一层牺牲层，然后采用光刻刻蚀的方法对牺牲层进行图形化处理，得到图形化牺牲层。
84.步骤s603、在衬底上形成一层覆盖图形化牺牲层的结构薄膜层。
85.步骤s604、采用光刻刻蚀的方法在结构薄膜层上形成梳齿结构。
86.步骤s605、采用等离子体刻蚀的方式去除梳齿结构下方的牺牲层，以在梳齿结构和衬底之间形成空腔。
87.上述制备方法中步骤s603至步骤s605的具体实现方式可以参见上述步骤s403至s405的相关描述，本实施例在此不再赘述。
88.图7a至图7e是分别与步骤s601至步骤s605对应的结构示意图，如图7a所示，此时提供有一衬底70；如图7b所示，在衬底70上形成有一层图形化牺牲层71；如图7c所示，在衬底70上形成有一层覆盖图形化牺牲层的结构薄膜层72；如图7d所示，结构薄膜层72上形成
有梳齿结构72a；如图7e所示，此时采用离子体刻蚀的方式去除了梳齿结构72a下方的牺牲层71，梳齿结构72a悬空，梳齿结构72a与衬底70之间形成有空腔s。
89.上述本技术实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
90.本发明实施例提供的一种mems器件的制备方法，该制备方法中的牺牲层可以采用等离子体刻蚀的方式去除，以在梳齿结构和衬底之间形成空腔，使得梳齿结构悬空。且采用等离子体刻蚀的方法无需对器件进行干燥，不会存在现有湿法腐蚀法中干燥不充分导致器件失效的情况。同时牺牲层的去除可以在等离子体设备中进行，无需额外的昂贵设备，且该方法通常是单片进行工艺的，不存在晶圆数量的不同导致的释放有所差异，均匀性好，可以用于批量化晶圆生产制程中。
91.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
92.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
93.应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。