用于制造具有埋腔的MEMS器件的方法以及由此获得的MEMS器件

摘要

用于制造MEMS器件的方法，其中在衬底上和绝缘层(3)上形成底部硅区域(4b)；在底部区域上形成电介质的牺牲区域(5a)；在牺牲区域上外延生长半导体材料的薄膜区域(21)；薄膜区域被挖掘至牺牲区域，以便形成穿通沟槽(15)；穿通沟槽的侧壁和底部以保形方式完全利用多孔材料层(16)覆盖；通过多孔材料层选择性地移除牺牲区域的至少一部分并形成空腔(18)；以及穿通沟槽利用填充材料(20a)填充，以便形成悬置于空腔(18)之上的单片薄膜。

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造MEMS器件的方法。具体而言，本发明涉 及具有悬置于埋腔或埋沟之上的薄膜的器件的制造。

背景技术

在下文中，将对电容式压力传感器的制造进行参考，该传感器 具有亦称为薄膜的悬置区域，该区域能够相对于结构的其余部分移 动。

然而，本发明并不限于这种传感器，而是还适用于例如用于在 微流体器件中使用的其他具有埋沟的MEMS传感器、致动器和器件。

具体地，在电容式类型的压力传感器的情况中，薄膜表示可变 电极，其面向形成固定电极的固定部分，并且通过埋腔而与后者分 离。

已知各种基于粘结两个衬底或移除牺牲层的、用于制造薄膜的 技术。

例如，US 7,273,764描述了一种制造方法，该方法的实现从由硅 衬底、绝缘层和沉积的多晶硅层构成的晶片开始，其中首先在多晶 硅层中形成沟槽，通过沟槽移除绝缘层的一部分以便形成空腔，利 用多孔氧化物填充空腔和沟槽，在晶片的平坦化表面上形成多孔硅 覆盖区域，通过覆盖区域移除多孔氧化物，并且在覆盖区域上形成 密封区域。由于填充和排空空腔及沟槽的操作，这种方法因而相当 复杂。此外，所产生的薄膜(在空腔之上的多晶硅层)是穿孔的， 并且因此是脆弱的。

在其他解决方案中，在薄膜层中形成蚀刻孔并移除牺牲层后， 对孔进行填充。例如，US 6,521,965设想到提供底电极；在底电极上 形成牺牲区域；外延生长薄膜层；在薄膜层中形成蚀刻孔；通过蚀 刻孔移除牺牲区域；以及利用填料氧化物使孔封闭。在US 6,527,961 中也描述了用于获得压力传感器的类似方法。US 6,012,336使用氮化 硅或金属来填充蚀刻孔。

在上述方法中，填充蚀刻孔是一个关键步骤。实际上，使用保 形材料是不可能的，否则这将会穿透到刚获得的空腔之中并且将会 造成对其的至少部分填充，从而由此引起错误的电容耦合。另一方 面，还鉴于针对需要大厚度薄膜的应用而窄且深的孔的几何特性， 使用非保形材料不支持对其的完全封闭。实际上，一般情况下，在 填充材料在底部中完全填充孔之前，蚀刻孔即在顶部开口附近封闭。

使用两种不同的材料——第一种非保形材料限制顶部开口并阻 止第二种保形材料穿透到空腔之中——也不能解决问题。此外，目 标往往是在空腔内实现低压，并且因此对于蚀刻孔的填充，使用在 大气压下沉积的诸如氧化物之类的材料是不可能的。此外，由于可 能出现使制成的器件的电特性和耐久特性恶化的热应力或机械应 力，所以使用不同材料并不是最优的。此外，在压力传感器的情况 中，提供较薄的薄膜是不利的，这是因为薄膜的厚度对于获得更线 性的行为和更高的准确性而言是重要的。

发明内容

本发明的目标是提供克服现有技术缺点的方法和器件。

根据本发明，提供如分别如在权利要求1和权利要求8中限定 的、用于制造MEMS器件的方法和由此获得的MEM器件。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在参考附图，纯粹以非限制性示例 的方式描述本发明的优选实施方式，其中：

图1至图5示出了在本方法的连续步骤中半导体材料晶片的截 面；

图6示出了图5的晶片细节的顶视放大图；

图7示出了在本方法的后续步骤中，图5的晶片的截面；

图8以透视图示出了图7的晶片细节的SEM图像；

图9和图10示出了在本方法的连续步骤中，图7的晶片的截面；

图11示出了图10的晶片细节的截面的SEM图像；

图12示出了在本方法的后续步骤中，图10的晶片的截面；

图13示出了在切块后获得的MEMS器件的截面；

图14示出了图13的MEMS器件的变体的截面。

具体实施方式

图1示出了晶片1，其包括通常为硅的半导体材料的衬底2，该 衬底2覆盖有绝缘层3，绝缘层3例如为具有2.2μm至3μm、通常为 2.6μm厚度的氧化硅。在绝缘层3上延伸的底部区域4a、4b(例如 多晶硅区域)通过沉积和成形具有例如0.5μm-1.3μm、通常为0.9μm 厚度的多晶硅层获得。

接下来(图2)，沉积绝缘材料的牺牲层6，例如TEOS(正硅 酸乙酯)，其与绝缘层3一起形成介电层5，该介电层5具有例如 3.6μm-5.2μm，通常为4.4μm的总厚度。继而，在一些区域中，例如 在侧区7上(在图2中左侧示出)，贯穿介电层5的厚度选择性地 移除介电层5。

继而(图3)，提供锚固掩模8，例如抗蚀掩模，其具有位于侧 区7上的开口8a，在此要制出对准标记；以及位于底部区域4a之上 的介电层5的一部分上的开口8b，在此要制出用于外延生长的锚固。 使用锚固掩模8，进行硅刻蚀用以在衬底2中提供对准标记10，以 及进行氧化物刻蚀用以移除牺牲层6的选择性部分并且选择性地暴 露底部区域4a、4b。如下文中所进一步详述，刻蚀不涉及底部区域 4b上的介电层5的部分5a，从而形成牺牲部分。

在移除锚固掩模8之后(图4)，从衬底2和底部区域4a、4b 的暴露部分开始进行外延生长，以及进行由此获得的晶片1的平坦 化。以此方式，生长出伪外延层9，其包括侧区7上并且一般在衬底 2的暴露区之上的单晶区域9a，以及在介电层5上的多晶区域9b。 具体地，如下文中所进一步详述，多晶区域9b在锚固区域9c处与 底部区域4b电接触，以便支持其电连接。外延生长根据介电层5上 的期望厚度进行；通常情况下，为了获得压力传感器，多晶区域9b 在所考虑的区域中可以具有5μm到20μm、例如6μm的厚度。

继而(图5)，使用抗蚀沟槽掩模(未示出)，在牺牲部分5a 之上执行多晶区域9b的各向异性蚀刻，以便形成沟槽或孔隙15。刻 蚀在介电层5上被自动地中断，从而使沟槽15成为穿通沟槽并且贯 穿所考虑的区域中的多晶区域9b的整个厚度。沟槽15可以具有圆 形或方形截面，或者带圆角的方形截面，或者任何多边形状。沟槽 15被形成为使得其具有远小于其深度并且按网格布置的横截面，该 网格确定期望的薄膜和/或空腔的形状。在例如图6中示例说明的是 方形网格的一部分，其具有100μm到1000μm的边长，其中沟槽15 沿着两个直角坐标轴以均匀的距离间隔设置。在此，沟槽15具有带 圆角的方形形状，其具有0.8μm到1.2μm、通常为1μm的边长D， 并且以距离间隔d＝1.8-2.2μm、通常为2μm设置。在上文所提及 的、在其中多晶区域9b在沟槽15处具有6μm厚度的情况下，它们 具有大约1∶6的直径/深度比。一般而言，沟槽15可以具有1∶5到1∶20 的宽度/深度比。

接下来(图7)，使用标准LCVD技术，沉积多孔硅的覆层16， 其具有例如50nm-150nm、通常是100nm的厚度。如在图8的以扫 描电子显微镜(SEM)拍摄的沟槽15的放大图像中部分地可见，由 于覆层16能够以保形方式沉积，并且因为对其在底部的延伸做出定 界的牺牲部分5a的存在，其不仅完全覆盖晶片1的表面，而且还覆 盖沟槽15的垂直壁和底部。

利用覆层16对于蚀刻剂和反应产物二者的渗透性，经由干法蚀 刻或湿法蚀刻，例如利用无水氢氟酸或含水氢氟酸，将介电层5的 牺牲部分5a位于沟槽15的网格之下的部分移除。因此如图9中所 示，在沟槽15的网格下面产生空腔18。

接下来(图10)，沉积多晶硅层，该多晶硅层穿透到沟槽15中 并填充沟槽15，从而形成其中的填充区域20a和晶片1的表面上的 多晶层20b。例如，可以沉积具有0.5μm-1.5μm、通常为1.0μm厚度 的层。以此方式，在空腔18上形成薄膜21，并且该薄膜21仅包含 多晶硅，包括多晶区域9b、覆层16和填充区域20a。薄膜21的结 构亦可见于图11的SEM图像。

接下来，在晶片1的表面上形成例如为金的第一接触22a和第二 接触22b(图12)，并且经由对多晶区域9b的蚀刻和选择性移除来 形成绝缘沟槽23(图13)。以此方式，薄膜21与多晶区域9b的其 余部分电解耦，并且可以通过自身的接触22a被电偏置；接触22b 另外支持底部区域4b通过锚固部分9c的电连接。

最后，使晶片1经受通常的最终加工和切块步骤，以获得如图 13中所示的单个器件24。在此，薄膜21形成电容式类型的压力传 感器25的可变电极，其固定电极由底部区域4b形成。

压力传感器25能够检测作用在薄膜21上的力P。实际上，在力 P的存在下，薄膜21会弯曲，从而改变传感器25的电容。电容的这 种改变如众所周知的那样，继而通过接触22a、22b被检测到，并且 经由未示出的已知电路进行处理。

备选地，薄膜21可以用于形成不同类型的MEMS器件，诸如加 速度计、陀螺仪、谐振器、阀、喷墨打印机的打印头等，在这种情 况下，薄膜21下方和/或上方的结构根据所设想的应用而更改。

同样地，如果MEMS器件形成具有多个空腔/埋沟18的微流体 器件，则根据应用而优化沟道18的尺寸、形状和数量，并且MEMS 器件利用其操作所必需的结构和元件而完成。

当期望在同一晶片1中集成电子元件时，这可以使用单晶区域 9a来完成。在这种情况下，在形成接触22a、22b之前，对晶片进行 回蚀刻，以便从晶片1的表面移除多晶层20b。继而，集成图14中 由28标示为整体的期望元件。

以上描述的方法和器件具有众多优点。首先，方法很简单，并 且需要减少数目的掩蔽步骤。器件因此能够以低廉成本制造。

由于基本上无空区的薄膜的单片结构，薄膜很强健，并因此特 别适合于获得不同类型的MEMS结构，降低可能危害其功能性的故 障、变形或损伤的风险。当针对多晶区域9b、覆层16和填充区域 20a只使用一种材料(硅)时，由于薄膜对热应力具有较低的敏感性， 因而获得薄膜的更高的强健性。

由于方法不存在特别的关键方面或者执行难点，因此其易于实 现，因而确保了高产率和低最终成本。此外，其特别灵活在于，其 在表面和厚度二者方面支持以简单的方式获得期望形状和尺寸的埋 腔18和/或薄膜21。具体地，对于如压力传感器之类的应用，有可 能获得大厚度薄膜，以便增加传感器的精确度。

使用对多孔硅支持在没有填充材料20a穿透到空腔18中或者甚 至被沉积在其底部上的任何风险的情况下对沟槽15进行填充，因而 确保将会获得具有规则形状的薄膜，并且避免会损害或者在任何情 况下减弱制成的MEMS器件的电气/机械特性的任何不良形成。

埋腔18与外部世界密封，如一些应用中所要求的那样。

最后，显然可以对本文所述和所示的方法及器件做出修改和改 变，而不因此偏离在随附权利要求书中定义的本发明的范围。例如， 可以通过至少在介电层5的牺牲部分5a上沉积种子层来进行外延生 长。在这种情况下，可以直接由衬底2形成底部区域4b，从而消除 其形成所必须的步骤，并且简化用于形成介电层5的步骤，尤其是 在底部区域4b不需要与伪外延层9的其余部分和/或与衬底2绝缘 时。此外，介电层5的牺牲部分5a可以具有基本上与空腔18的形 状和尺寸对应、并因此与期望的薄膜21的形状和尺寸对应的形状和 尺寸。

如果器件24不是电容式压力传感器，则底部区域4b的材料可 以是任何材料，只要其不同于牺牲层6的材料即可；例如，其可以 是不同于氧化物的介电材料，诸如氮化硅。

多孔硅层能够以不同方式获得；例如，其能够以本身已知的方 式，仅在沉积之后才转化成为多孔。