專利名稱：Mems器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件制造領域，尤其涉及一種MEMS器件的制作方法。
背景技術：
微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems, MEMS)是一種可集成化生產， 集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路于一體的微型器件或系統(tǒng)。 它是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發(fā)展而發(fā)展起來的。采用 MEMS技術的微電子器件在航空、航天、環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)學以及幾乎人們所接觸到的所有領域中有著十分廣闊的應用前景。相對于傳統(tǒng)的機械結構，MEMS器件的尺寸更小，最大不超過一個厘米，甚至僅僅為數(shù)個微米，其中的器件層厚度就更加微小。由于采用了以硅為主的半導體材料，因此可大量利用半導體集成電路生產中的成熟技術、工藝，進行低成本的批量化生產。其中微機械結構作為傳感、傳動以及運動機構是MEMS器件的最重要的組成部分，微機械結構通常需要設置于封閉空間中，以避免收到外部環(huán)境影響，包括固定的支撐部分以及可活動且懸浮的自由端。為了在半導體結構中形成懸浮的微機械結構，需要應用到犧牲介質的制作工藝， 基本流程包括先在半導體介質層中挖取所需空間尺寸的溝槽，在所述溝槽內填充犧牲介質，然后在犧牲介質表面制作微機械結構層，最后去除犧牲介質，使得微機械結構構成懸浮。更多關于制作具有懸浮的微機械結構層的MEMS器件的方法，可以參見專利號為 US2008290430AU US7239712B1 以及 US2007065967 的美國專利。現(xiàn)有技術存在如下問題在填充犧牲介質時，通常采用化學氣相沉積，為了保證填滿所述溝槽，通常形成的犧牲介質層需要還覆蓋于溝槽之外半導體介質層的表面，然后通過化學機械研磨減薄所述犧牲介質層的表面，直至露出半導體介質層表面，使得溝槽內的犧牲介質層表面與周圍半導體介質層表面平齊。常見的犧牲介質包括無定形碳、以及一些有機聚合材料等，這些犧牲介質雖然很容易用灰化工藝以氣態(tài)的方式去除，但由于化學性質特殊，很難與拋光液反應，因此在進行化學機械研磨時，研磨速度非常緩慢，且遠大于底部的半導體介質層，一方面研磨耗時較長，另一方面研磨時難以準確停滯于半導體介質層表面，容易造成底部半導體介質層表面的厚度損失。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決的問題是提供一種MEMS器件的制作方法，解決現(xiàn)有技術中對犧牲介質的研磨速度緩慢，且容易過研磨的問題。本發(fā)明提供的MEMS器件的制作方法，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底內形成有金屬互連結構；在所述半導體襯底的表面形成第一犧牲層，所述第一犧牲層的材質為無定形碳；刻蝕所述第一犧牲層形成第一凹槽；
在所述第一犧牲層表面覆蓋形成第一介質層；采用化學機械研磨工藝減薄所述第一介質層，直至露出所述第一犧牲層；在所述第一犧牲層表面形成微機械結構層，并曝露出第一犧牲層，所述微機械結構層的部分與所述第一介質層連接。所述刻蝕第一犧牲層形成第一凹槽包括在第一犧牲層表面形成第一掩模圖形，所述第一掩模圖形定義MEMS器件的第一介質層圖形；刻蝕所述第一犧牲層直至露出半導體襯底，形成所述第一凹槽；去除所述第一掩模圖形?？蛇x的，所述第一介質層的材質為氧化硅或氮化硅，采用化學氣相沉積形成。可選的，所述半導體襯底內還形成有第一驅動層，所述微機械結構層與其下方的第一驅動層的位置相對應。可選的，還包括在第一介質層內形成接觸孔，所述微機械結構層通過所述接觸孔與所述半導體襯底內的金屬互連結構電連接。進一步的，所述MEMS器件的制作方法，還包括在所述微機械結構層以及第一犧牲層表面形成第二犧牲層，所述第二犧牲層的材質與第一犧牲層相同；刻蝕所述第二犧牲層形成第二凹槽；在所述第二犧牲層表面覆蓋形成第二介質層；采用化學機械研磨工藝減薄所述第二介質層，直至露出所述第二犧牲層；在所述第二犧牲層的表面形成隔離層；刻蝕所述隔離層形成通孔，所述通孔露出第二犧牲層；通過所述通孔去除第二犧牲層以及第一犧牲層；在所述隔離層表面形成覆蓋層，且所述覆蓋層覆蓋通孔。所述刻蝕第二犧牲層形成第二凹槽包括在第二犧牲層表面形成第二掩模圖形，所述第二掩模圖形定義所述MEMS器件的第二介質層圖形；刻蝕所述第二犧牲層直至露出微機械結構層或第一介質層，形成所述第二凹槽；去除所述第二掩模圖形。可選的，所述第二介質層的材質以及形成工藝與第一介質層相同?？蛇x的，在形成隔離層前還包括在第二犧牲層表面形成第二驅動層以及在第二介質層以及第一介質層內形成接觸孔；所述第二驅動層與其下方的微機械結構層的位置相對應；所述第二驅動層通過所述接觸孔與所述半導體襯底內的金屬互連結構電連接?？蛇x的，所述去除第一犧牲層以及第二犧牲層的方法包括向通孔內通入氧氣，采用灰化工藝去除。所述灰化工藝的溫度范圍為350°C 450°C。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點先形成犧牲介質層，并圖形化所述犧牲介質層，再形成介質層的方法，避免了對無定形碳的研磨，能夠縮短生產周期，極大提高了生產效率。


通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其他目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。附圖中與現(xiàn)有技術相同的部件使用了相同的附圖標記。附圖并未按比例繪制，重點在于示出本發(fā)明的主旨。在附圖中為清楚起見，放大了層和區(qū)域的尺寸。圖1是本發(fā)明所述MEMS器件制作方法的流程示意圖；圖2至圖18是本發(fā)明實施例MEMS器件制作方法的剖面示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)有的MEMS器件制造工藝中，在制作容納懸浮的微機械結構的空間時，通常先形成溝槽然后在所述溝槽內填充用于支撐上層結構的犧牲介質層，但當犧牲介質層的材質為諸如無定形碳的惰性物質時，極難使用常規(guī)的化學機械研磨工藝進行表面減薄處理。本發(fā)明則先形成所需厚度的犧牲介質層并圖形化，以避免對其進行化學機械研磨。圖1為本發(fā)明所述MEMS器件制作方法的流程示意圖，基本步驟包括步驟S101、提供半導體襯底；所述半導體襯底為MEMS器件的底層半導體結構，不局限于單晶硅襯底或絕緣體上硅，所述半導體襯底內還可以包括與MEMS器件連接的底層金屬互連結構、芯片或其他半導體器件等。此外，MEMS器件中用于驅動微機械結構的驅動機構，例如電極板也形成于所述半導體襯底內。步驟S102、在所述半導體襯底的表面形成第一犧牲層，所述第一犧牲層的材質為無定形碳；根據(jù)MEMS器件中容納微機械結構所需的空間尺寸，選擇所述第一犧牲層的厚度。 例如，假設MEMS器件的微機械結構為懸臂，所述懸臂的自由行程為h，則所述第一犧牲層的厚度至少為h，以保證后續(xù)工藝去除第一犧牲層后所形成的空間具有足夠的寬裕度允許懸臂的彎曲或震動。步驟S103、刻蝕所述第一犧牲層形成第一凹槽；所述第一凹槽用于形成微機械結構的支撐介質層以及在所述支撐介質層內制作連接所述微機械結構的接觸孔，其具體尺寸應當根據(jù)上述需要進行選擇。步驟S104、在所述第一犧牲層表面覆蓋形成第一介質層；所述第一介質層不但填充于第一凹槽內，還覆蓋于第一犧牲層上，以保證所述第一凹槽內被填滿，而不留任何空隙。且所述第一介質層應當選擇易于進行化學機械研磨的材質，例如氧化硅、氮化硅等。步驟S105、采用化學機械研磨工藝減薄所述第一介質層，直至露出所述第一犧牲層；由于無定形碳為惰性物質，難以與拋光液反應，因此較難進行化學機械研磨，因此可以以第一犧牲層為拋光停止層，對第一介質層進行減薄。當所述化學機械研磨停滯時， 所述第一介質層僅保留位于所述第一凹槽內的部分，且頂部表面與第一犧牲層的表面相平齊。步驟S106、在所述第一介質層以及第一犧牲層表面形成微機械結構層，并曝露出第一犧牲層。由于第一介質層以及第一犧牲層的表面相平齊，因此很容易在上述兩層的支撐下制作MEMS器件的微機械結構，例如懸梁、懸臂等。通常還需要進行相關的刻蝕工藝，例如通孔、溝槽的制作以曝露出第一犧牲層，以便于后續(xù)工藝去除所述第一犧牲層。當?shù)谝粻奚鼘颖蝗コ?，所述微機械結構僅被第一介質層所支撐，而其余部分下方則形成下空間，構成懸浮的狀態(tài)。此外如果MEMS器件的微機械結構需要封閉式的容納空間以及位于所述微機械結構上方的驅動機構，則在步驟S106之后還需要進行上層的犧牲層以及相關驅動機構、隔離結構的制作工藝，以形成所述微機械結構的上空間。以下以一個具有封閉式空間以及位于所述空間內的懸臂結構的MEMS器件的制作方法為例，進一步闡述本發(fā)明之特點。假設本實施例所述MEMS器件為微開關，具有能夠感應電場而彎曲的懸臂，所述懸臂懸浮于封閉式的真空空間內，不受外界環(huán)境影響。所述封閉空間的頂部以及底部分別設置有上電板以及下電板，作為所述懸臂的驅動機構，用于形成所述電場。圖2至圖18示出了上述MEMS器件的制作方法的剖面示意圖。如圖2所示，提供半導體襯底，所述半導體襯底包括金屬互連層100以及下電極板 101。所述金屬互連層100用于與本實施例所述MEMS器件的微機械結構(懸臂)電連接； 所述下電極板101作為第一驅動層，位于半導體襯底的表面區(qū)域。如圖3所示，在半導體襯底表面形成第一犧牲層201，所述第一犧牲層201用于形成懸臂的下空間，其厚度不小于懸臂向下彎曲的行程。本實施例中，所述第一犧牲層201的材質為無定形碳，采用化學氣相沉積形成。如圖4所示，刻蝕所述第一犧牲層201，形成第一凹槽301。所述刻蝕可以為等離子刻蝕，無定形碳雖然難以與其他物質產生化學反應，但是由于性質疏松，因此較容易被等離子刻蝕等具有物理轟擊效果的干法刻蝕工藝所去除。具體的，采用光刻工藝在第一犧牲層201表面形成光刻膠掩模，并以半導體襯底為刻蝕停止層刻蝕所述第一犧牲層201，形成所需的第一凹槽301。所述第一凹槽301底部露出半導體襯底，且對準金屬互連層100，以便于在第一凹槽301內制作與金屬互連層100連接的接觸孔。圖5為圖4的俯視示意圖，結合圖5所示，所述第一凹槽301將第一犧牲層201 分割成獨立的方形區(qū)域，且在所述方形區(qū)域內、第一犧牲層201的底部對準所述下電極板 101。由于位置關系的限制，圖5中以虛線框示意被遮擋的下電極板101。如圖6所示，在上述半導體結構的表面形成第一介質層401，所述第一介質層401 不但填充于第一凹槽301內，還覆蓋于第一犧牲層201表面。所述第一介質層401的材質可以為氧化硅或氮化硅等常規(guī)的半導體介質材料，采用化學氣相沉積工藝形成。如圖7所示，采用化學機械研磨，減薄所述第一介質層401直至露出第一犧牲層 201的表面。由于無定形碳難以與拋光液反應，因此拋光速度極慢，上述化學機械研磨工藝很容易停滯于第一犧牲層201表面。當?shù)谝粻奚鼘?01表面的第一介質層401被研磨完后， 所述第一介質層401僅存留原第一凹槽301內的部分，且第一介質層401的頂部表面與第一犧牲層201相平齊。如圖8所示，在所述第一介質層401內制作接觸孔601，所述接觸孔601與半導體襯底內的金屬互連層100連接。如圖9所示，在所述第一介質層401以及第一犧牲層201表面形成微機械結構層 500，并曝露出所述第一犧牲層201。圖10為圖9的俯視示意圖，結合圖10所示，本實施例中所述微機械結構層500為金屬材質的懸臂，其一端與第一介質層401相連接作為固定端， 另一端則位于第一犧牲層201上作為自由端。所述微機械結構層500在其固定端處還通過接觸孔601與半導體襯底內的金屬互連層100電連接。具體的，可以先采用物理氣相沉積工藝在所述第一介質層401以及第一犧牲層 201表面形成金屬層，然后圖形化所述金屬層形成上述金屬懸臂，并同時曝露出了部分第一犧牲層201的表面。如圖11所示，在上述得到的半導體結構表面形成第二犧牲層202。所述第二犧牲層202用于制作懸臂的上空間，因此至少覆蓋于第一犧牲層201以及微機械結構層500的表面，其厚度不小于所述懸臂向上彎曲的行程。本實施例中，所述第二犧牲層202的材質與形成方法與第一犧牲層201完全相同，且相互連接。如圖12所示，刻蝕所述第二犧牲層202形成第二凹槽302。所述第二凹槽302底部對準第一介質層401，且露出微機械結構層500。圖13為圖12的俯視示意圖，結合圖13 所示，所述第二凹槽302也將第二犧牲層202分割成方形區(qū)域，與前述第一犧牲層201相對應。所述刻蝕同樣可以是等離子刻蝕。如圖14所示，在第二犧牲層202的表面覆蓋形成第二介質層402，所述第二介質層 402還填充于第二凹槽302內，其材質以及形成工藝可以與第一介質層401相同。如圖15所示，采用化學機械研磨，減薄所述第一介質層401直至露出第一犧牲層 201的表面。同樣上述化學機械研磨工藝很容易停滯于第二犧牲層202表面。當?shù)诙奚鼘?02表面的第二介質層402被研磨完后，所述第二介質層402僅存留原第二凹槽302內的部分，且第二介質層402的頂部表面與第二犧牲層202相平齊。如圖16所示，在所述第二犧牲層202的表面依次形成上電極板102以及隔離層 600。所述上電極板102與微機械結構層500以及下電極板101相對應，作為第二驅動層。 所述下電極板101與上電極板102在MEMS器件內形成驅動電場，產生作用于微機械結構層 500的電場力。此外在形成隔離層600前，還可以包括在第二介質層402以及第一介質層 401內制作接觸孔602的步驟，所述上電極板102通過所述接觸孔602與半導體襯底中的金屬互連層100電連接。如圖17所示，刻蝕所述隔離層600形成通孔，所述通孔的底部露出第二犧牲層 202 ；然后通過所述通孔去除第二犧牲層202以及第一犧牲層201。具體的，本實施例中可以向通孔內通入氧氣，并進行灰化工藝去除第二犧牲層202 以及第一犧牲層201，所述灰化工藝的溫度范圍為350°C 450°C。無定形碳在上述溫度下能夠被氧化成二氧化碳或一氧化碳氣體，而通過通孔排出，上述第二犧牲介質202以及第一犧牲層201將被徹底地去除，而器件的其余部分并不會受到影響，便形成了微機械結構層500(即懸臂)的上空間以及下空間。此時所述懸臂僅有與第一介質層401以及第二介質層402連接的一端被固定，而另一端則懸浮于上述空間內，能夠進行向上或向下的彎曲動作。如圖18所示，采用化學氣相沉積工藝，在隔離層600的表面形成覆蓋所述通孔的覆蓋層601，所述覆蓋層601在形成過程中很容易將隔離層600上的通孔堵塞，而不會滲入隔離層600內。當上述通孔被堵塞后，所述上空間以及下空間便構成了容納懸臂的封閉空間。經過以上步驟便完成本實施例的MEMS器件的制作。由此可見，在本發(fā)明所述的MEMS器件的制作中，采用先在半導體襯底表面形成犧牲層，并圖形化所述犧牲層，定義 MEMS器件尤其是微機械結構的形成位置，再形成MEMS器件的介質層，因此并不需要對無定形碳材質的犧牲層進行化學機械研磨減薄處理，相比于現(xiàn)有技術，能夠縮短生產周期，極大提高了生產效率。本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發(fā)明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。
權利要求
1.一種MEMS器件的制作方法，其特征在于，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底內形成有金屬互連結構； 在所述半導體襯底的表面形成第一犧牲層，所述第一犧牲層的材質為無定形碳； 刻蝕所述第一犧牲層形成第一凹槽； 在所述第一犧牲層表面覆蓋形成第一介質層；采用化學機械研磨工藝減薄所述第一介質層，直至露出所述第一犧牲層； 在第一犧牲層表面形成微機械結構層，并曝露出第一犧牲層，所述微機械結構層的部分與所述第一介質層連接。
2.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述刻蝕第一犧牲層形成第一凹槽包括在第一犧牲層表面形成第一掩模圖形，所述第一掩模圖形定義所述MEMS器件的第一介質層圖形；采用等離子刻蝕工藝刻蝕所述第一犧牲層直至露出半導體襯底，形成所述第一凹槽； 去除所述第一掩模圖形。
3.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一介質層的材質為氧化硅或氮化硅，采用化學氣相沉積形成。
4.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述半導體襯底內還形成有第一驅動層，所述微機械結構層與其下方的第一驅動層的位置相對應。
5.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，在第一犧牲層表面形成微機械結構層前還包括在第一介質層內形成接觸孔，所述微機械結構層通過所述接觸孔與所述半導體襯底內的金屬互連結構電連接。
6.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，還包括在所述微機械結構層以及第一犧牲層表面形成第二犧牲層，所述第二犧牲層的材質與第一犧牲層相同；刻蝕所述第二犧牲層形成第二凹槽； 在所述第二犧牲層表面覆蓋形成第二介質層；采用化學機械研磨工藝減薄所述第二介質層，直至露出所述第二犧牲層；在所述第二犧牲層的表面形成隔離層；刻蝕所述隔離層形成通孔，所述通孔露出第二犧牲層；通過所述通孔去除第二犧牲層以及第一犧牲層；在所述隔離層表面形成覆蓋層，且所述覆蓋層覆蓋通孔。
7.如權利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述刻蝕第二犧牲層形成第二凹槽包括在第二犧牲層表面形成第二掩模圖形，所述第二掩模圖形定義所述MEMS器件的第二介質層圖形；采用等離子刻蝕工藝刻蝕所述第二犧牲層直至露出微機械結構層或第一介質層，形成所述第二凹槽；去除所述第二掩模圖形。
8.如權利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述第二介質層的材質以及形成工藝與第一介質層相同。
9.如權利要求6所述的制作方法，其特征在于，在形成隔離層前還包括在第二犧牲層表面形成第二驅動層，所述第二驅動層與其下方的微機械結構層的位置相對應。
10.如權利要求9所述的制作方法，其特征在于，在形成隔離層前還包括在第二介質層以及第一介質層內形成接觸孔，所述第二驅動層通過所述接觸孔與所述半導體襯底內的金屬互連結構電連接。
11.如權利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述去除第一犧牲層以及第二犧牲層的方法包括向通孔內通入氧氣，采用灰化工藝去除。
12.如權利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述灰化工藝的溫度范圍為350°C 450 "C。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種的MEMS器件的制作方法，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底內形成有金屬互連結構；在所述半導體襯底的表面形成第一犧牲層，所述第一犧牲層的材質為無定形碳；刻蝕所述第一犧牲層形成第一凹槽；在所述第一犧牲層表面覆蓋形成第一介質層；采用化學機械研磨工藝減薄所述第一介質層，直至露出所述第一犧牲層；在所述第一犧牲層表面形成微機械結構層，并曝露出第一犧牲層，所述微機械結構層的部分與所述第一介質層連接。本發(fā)明采用先形成犧牲介質層，并圖形化所述犧牲介質層，再形成介質層的方法，避免了對無定形碳的研磨，能夠縮短生產周期，極大提高了生產效率。
文檔編號B81C1/00GK102530831SQ20101060782
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權日2010年12月27日
發(fā)明者唐德明, 毛劍宏 申請人:上海麗恒光微電子科技有限公司