Mems传感器的制作方法

专利名称：Mems传感器的制作方法
技术领域：
MEMS传感器
技术领域：
本实用新型涉及一种MEMS传感器，尤其涉及一种具有单晶硅薄膜的MEMS传感器。背景技术：
MEMS (微电子机械系统)技术是近年来快速发展的一项高新技术，它采用先进的半导体制造工艺，可实现MEMS器件的批量制造，与对应的传统器件相比，MEMS器件在体积、 功耗、重量及价格方面有相当的优势。MEMS传感器大都具有薄膜、质量块、悬臂梁等微结构。传统的硅膜制备方法多 用表面牺牲层工艺，先利用各种淀积工艺，如低压气相淀积(LPCVD)、等离子体气相淀积 (PECVD)及溅射、蒸发等物理气相淀积(PVD)制作牺牲层，然后再在牺牲层上采用同样的各 种淀积工艺制作薄膜，最后再将薄膜下方的牺牲层用腐蚀、刻蚀等方法去除，即形成可动的 微结构。但是，这些方法适合制作多晶硅薄膜、金属薄膜、介质薄膜等，而不适合制作单晶硅 薄膜，而有些传感器却需要用到单晶硅薄膜。压力传感器是MEMS中最早出现及应用的产品之一，依工作原理可分为压阻式、电 容式及压电式等几种。其中，压阻式压力传感器具有输出信号大、后续处理简单及适合大批 量生产等优点。压阻传感器用到的压阻一般需要制作在单晶硅感压薄膜上，对于大规模生 产压阻式压力传感器而言，每一个传感器的感压薄膜厚度的均勻性及一致性是一个关键指 标，目前常用的感压薄膜加工方法是利用碱性溶液从硅片的背面进行各向异性腐蚀，从而 在硅片的背面形成背腔的同时在正面形成感压薄膜。感压薄膜厚度是关键指标，为控制感 压薄膜的厚度可采用时间控制，但该种方法不能保证感压薄膜厚度在片内与片间的均勻性 及一致性；另一种方法采用浓硼重掺杂硅膜来定义感压薄膜厚度，厚度均勻性及一致性好， 利用氢氧化钾(KOH)等碱性腐蚀液不腐蚀重掺杂硅的特性即可得到合适厚度的感压薄膜， 但由于在重掺杂硅膜上不能形成压阻，只能用于电容式等其它种类的传感器，不能作为压 阻式传感器的感压薄膜；再一种目前较常采用的方法是电化学腐蚀，该方法能得到可在其 上制作压阻的轻掺杂感压薄膜，但该种方法需添加较为昂贵的恒电位仪，并采用特殊设计 的夹具保护正面不被腐蚀与施加电压到硅片的正面，这样一方面提高了设备成本，另一方 面也增加了工艺的复杂度，使得生产效率很低。加速度传感器目前应用广泛，依据工作原理也可分为压阻式、电容式及压电式等 几种，其中压阻式加速度传感器也需要在悬臂梁上形成压阻来感知加速度，因此悬臂梁也 需要用单晶硅来制作，而用单晶硅制作悬臂梁目前的方法也是从硅片背面进行刻蚀来得到 合适的悬臂梁厚度，这样只能采用时间控制，目前的刻蚀工艺无法保证片内与片间的悬臂 梁厚度的一致性与均勻性。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种单晶硅薄膜的厚度容易控制的 MEMS传感器。[0007]为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案一种MEMS传感器，包括单 晶硅片以及覆盖在单晶硅片上且用以感受外界压力的单晶硅薄膜，所述单晶硅片包括正 面、背面、自正面向下延伸的剖面为倒三角形状的网状硅膜、位于网状硅膜下方且与网状硅 膜连通的腔体、自背面凹设的背腔及连通腔体与背腔的深槽，所述单晶硅薄膜覆盖在单晶 硅片的正面且与网状硅膜相接触。进一步地，所述MEMS传感器包括形成在单晶硅薄膜上的压阻。进一步地，所述MEMS传感器包括覆盖在单晶硅薄膜上的钝化层及与压阻相连接 的金属走线及金属压点，其中，金属走线穿过钝化层。进一步地，所述金属压点突出钝化层。进一步地，所述深槽沿竖直方向延伸。进一步地，所述腔体形成于单晶硅片的内部，所述深槽位于腔体的一侧。进一步地，所述背腔与腔体相互偏移。进一步地，所述单晶硅片包括质量块以及悬臂梁，所述压阻位于悬臂梁上。进一步地，所述质量块贯穿钝化层。进一步地，所述悬臂梁为一根或多根。相较于现有技术，本实用新型MEMS传感器设有覆盖在单晶硅片上且用以感受外 界压力的单晶硅薄膜，并且该单晶硅薄膜不会在后续的刻蚀或腐蚀工艺中受到影响，进而 使该单晶硅薄膜厚度的一致性与均勻性容易控制。

图1至图7是本实用新型MEMS传感器用薄膜的制造流程图。图8是本实用新型MEMS传感器用薄膜的深孔及掩膜图形的示意图。图9是本实用新型MEMS传感器用薄膜的深孔及掩膜图形另一实施方式的示意图。图10至图15是本实用新型MEMS传感器用质量块的制造流程图。图16是图15所示的MEMS传感器用质量块的俯视图。图17至图27是本实用新型MEMS传感器用悬臂梁的制造流程图。图28至图39是本实用新型MEMS传感器的制造流程图。图40是图39所示的MEMS传感器的俯视图。
具体实施方式本实用新型MEMS传感器包括单晶硅片、薄膜、质量块及悬臂梁等结构。以下先就 MEMS传感器的主要结构的制作方法详细说明。MEMS传感器用薄膜的制造方法，包括如下工艺及步骤(1).请参图1及图2所示，首先采用各种淀积工艺，比如低压化学气相淀积 (LPCVD)、等离子体化学气相淀积(PECVD)或者热氧化等工艺在单晶硅片101的正面形成介 质层(在本实施方式中为氧化硅层102，当然也可以是氮化硅层)，所述氧化硅层102起掩 膜作用。(2).请参图3所示，在单晶硅片101的正面采用光刻、干法刻蚀或者湿法腐蚀等工 艺去除氧化硅层102上的部分氧化硅，以形成网状结构的掩膜图形103。[0030](3).请参图4所示，采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片101的正面进行刻蚀， 由于刻蚀工艺对氧化硅与单晶硅的刻蚀选择性，最终可得到若干深孔104。、请参图8及图9 所示，所述深孔104可以为方形、圆形或长条形，所述深孔104的大小根据工艺及设计需要
确定。
(4).请参图5所示，采用各向异性硅腐蚀工艺，如采用氢氧化钾(KOH)或四甲基氢 氧化铵(TMAH)等碱性溶液注入深孔104中对单晶硅片101进行腐蚀。由于腐蚀的各向异 性，表面有氧化硅层102的地方，下面的单晶硅片101被腐蚀成剖面为倒三角形状，其余的 单晶硅片101被部分腐蚀掉以在单晶硅片101的内部形成腔体105。各深孔104在单晶硅 片101的内部连通。表面氧化硅层102下方的单晶硅片101得以保留，形成网状硅膜107。 该步骤也可采用干法刻蚀工艺，如深反应离子硅刻蚀(DRIE)工艺，通过合适的工艺参数也 可以得到网状硅膜107。当然，该步骤同样可以采用深反应离子硅刻蚀工艺与各向异性硅腐 蚀工艺的组合来实现。(5).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，如用缓冲氢氟酸(BOE)或用反应离子刻蚀工 艺去掉单晶硅片101正面的氧化硅层102，使网状硅膜107暴露出来，单晶硅片101的正面 形成很多小孔108，小孔108的横向尺寸与深槽104的横向尺寸一致。(6).采用外延单晶硅工艺，由于有网状硅膜107作为子晶，外延出的材料将是单 晶硅，并且由于淀积工艺的各向同性，会在网状硅膜107上形成完整的单晶硅薄膜106，并 封闭小孔108。所述外延出的单晶硅薄膜106便于控制其厚度。在封闭前由于小孔108较 小，在外延时反应气体较难进入腔体105，因此对腔体105的内部不会外延出单晶硅。所述 单晶硅薄膜106可作为压力传感器的感压薄膜或其它器件的振动薄膜。本方法单晶硅薄膜106在后续的刻蚀或腐蚀工艺中不会受到影响，进而单晶硅薄 膜106厚度的一致性与均勻性容易控制；该方法可以克服从硅片背面进行腐蚀难以控制薄 膜厚度的问题；同时该方法也简单实用，不必添置附加的仪器设备(如昂贵的恒电位仪与 保护硅片正面的夹具)。MEMS传感器用质量块的制造方法包括如下工艺及步骤(1).如图10及图11所示，在单晶硅片201的正面采用光刻、深反应离子硅刻蚀工 艺，得到深槽202，该深槽202起到定义质量块图形以及最后完成质量块释放为可动结构的作用。(2).如图12所示，采用各种淀积工艺，比如低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子 体化学气相淀积(PECVD)或热氧化等工艺在单晶硅片101的正面形成介质层(在本实施方 式中为氧化硅层203，当然也可以是氮化硅层)，由于淀积及氧化工艺的保形性，该氧化硅 层203能填充深槽202以形成牺牲层207。(3).如图13所示，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，如用缓冲氢氟酸(BOE)去掉单 晶硅片201表面的氧化硅层203，而深槽202中的牺牲层207则不会被腐蚀去除。再采用外 延单晶硅工艺，在单晶硅片201的表面外延出单晶硅薄膜204。(4).如图14所示，在单晶硅薄膜204上进行光刻、刻蚀等工艺去除部分氧化硅层 203得到质量块205的图形。(5).如图15所示，在单晶硅片201的背面进行光刻、深反应离子硅刻蚀工艺形成 背腔206，所述质量块205与其余单晶硅片通过牺牲层207隔开。[0041](6).如图16所示，最后，对牺牲层207进行腐蚀，如采用缓冲氢氟酸(BOE)等腐蚀 液对其进行腐蚀或用反应离子刻蚀工艺去除掉，使其余单晶硅片208与质量块205分离进 而将质量块205释放成为可动结构。本方法单晶硅薄膜204在后续的刻蚀或腐蚀工艺中不会受到影响，进而单晶硅薄 膜204厚度的一致性与均勻性容易控制。MEMS传感器 用悬臂梁的制造方法包括如下工艺及步骤(1).如图17及图18所示，在单晶硅片201的正面采用光刻、深反应离子硅刻蚀工 艺，得到深槽202，该深槽202起到最后完成悬臂梁释放为可动结构的作用。(2).如图19所示，采用各种淀积工艺，比如低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子 体化学气相淀积(PECVD)或热氧化等工艺在单晶硅片201的正面形成介质层(在本实施方 式中为氧化硅层203，当然也可以是氮化硅层)，由于淀积及氧化工艺的保形性，该氧化硅 层203能填充深槽202以形成牺牲层207。(3).如图20所示，采用光刻以及干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，如用缓冲氢氟酸 (BOE)去掉单晶硅片201表面的部分部氧化硅。(4).如图21所示，采用深反应离子硅刻蚀等工艺刻蚀形成窄槽209，该窄槽209 也定义了悬臂梁的图形，该窄槽209的图形可为两个或若干个，两个可定义一根梁，如为多 个则定义多根梁。(5).如图22所示，采用各向异性硅腐蚀工艺，如采用氢氧化钾(KOH)或四甲基氢 氧化铵溶液等碱性溶液注入窄槽209对单晶硅片201进行腐蚀，由于腐蚀的各向异性，表面 有氧化硅层203的地方，下面的单晶硅片201被腐蚀成剖面为倒三角形状，其余的单晶硅片 201被部分腐蚀掉以在单晶硅片201的内部形成腔体210。各窄槽209在单晶硅片201的 内部连通。表面氧化硅层203下方的单晶硅片201得以保留，形成梁形状的硅膜213。该步 骤也可采用干法刻蚀工艺，如深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，通过合适的工艺参数也可以得 到梁形状的硅膜213。(6).如图23所示，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，如用缓冲氢氟酸(BOE)或用反 应离子刻蚀工艺去掉单晶硅片201表面的氧化硅层203，使梁形状的硅膜213暴露出来。(J).如图24所示，采用外延单晶硅工艺，由于以梁形状的硅膜213作为子晶，外延 出的单晶硅薄膜211，并且由于外延工艺的各向同性，会在梁形状的硅膜213上形成完整的 单晶硅薄膜211，并封闭腔体210。(8).如图25所示，采用光刻刻蚀工艺，刻蚀掉部分外延出的单晶硅薄膜211，形成 悬臂梁214。(9).如图26及图27所示，采用光刻、刻蚀等工艺在单晶硅片201的背面制作出 一个背腔212，该背腔212不直接与腔体210接通，而是通过牺牲层207将背腔212与腔体 210隔开。如此设置，悬臂梁212的厚度不会受到光刻、刻蚀等工艺的影响，进而便于控制 悬臂梁212的厚度。否则，若刻蚀工艺在背腔212与腔体210接通后，还会继续刻蚀悬臂梁 212，造成悬臂梁212的厚度无法控制。最后，再用BOE等腐蚀液对牺牲层207进行腐蚀去 除，这样背腔212与腔体210即可间接通过去除牺牲层207后的深槽202相通，同时悬臂梁 212与周围多晶硅分离，形成可动结构。本方法单晶硅薄膜211在后续的刻蚀或腐蚀工艺中不会受到影响，进而单晶硅薄膜211厚度的一致性与均勻性容易控制；该方法可以克服从硅片背面进行腐蚀难以控制悬 臂梁厚度的问题；同时该方法也简单实用，不必添置附加的仪器设备(如昂贵的恒电位仪 与保护硅片正面的夹具)。MEMS传感器的制造方法可以在前述制造薄膜、质量块及悬臂梁的基础上，可以对 这几种制造方法进行组合并增加一些制备压阻、金属走线的工艺，即可完成MEMS传感器 (例如压阻式压力传感器与加速度传感器)的单片集成。以单片MEMS集成式压阻式压力传感器与加速度传感器为例，制造方法包括如下 工艺及步骤(1).如图28及图29所示，在单晶硅片301的正面采用光刻、深反应离子硅刻蚀工 艺，得到深槽302，该深槽302 —方面可以使MEMS传感器的腔体与背腔相通，可制作差压传 感器；另一方面结合后续步骤可以完成质量块与悬臂梁的释放，使其成为可动结构，进而得 到加速度传感器。(2).如图30所示，采用各种淀积工艺，比如低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子 体化学气相淀积(PECVD)或热氧化等工艺在单晶硅片301的正面形成介质层(在本实施方 式中为氧化硅层303，当然也可以是氮化硅层)，由于淀积及氧化工艺的保形性，该氧化硅 层303能填充深槽302形成牺牲层304。(3).如图31所示，采用同实施例二及实施例三的方法，采用光刻以及干法刻蚀及 碱性溶液湿法腐蚀硅工艺，得到背腔305及剖面为倒三角形状的硅膜3051，背腔305的一侧 停止在牺牲层304上。(4).如图32所示，采用缓冲氢氟酸(BOE)或用反应离子刻蚀工艺去掉单晶硅片 301表面的部分氧化硅层303，由于牺牲层304已经填充了深槽302，所以不会被腐蚀去除。 然后，再采用外延单晶硅工艺得到单晶硅薄膜306。(5).如图33所示，在单晶硅薄膜306上采用光刻、注入、退火等工艺制作压阻 307，该压阻307应位于背腔305上方的单晶硅膜306中。(6).如图34所示，采用低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子体化学气相淀积 (PECVD)等方法在单晶硅薄膜306上覆盖钝化层308。该钝化层308的材料可以是氧化硅 或氮化硅等。(7).如图35所示，采用光刻、刻蚀等工艺，在钝化层308刻蚀出通孔3081，通孔 3081用于后续通过金属走线引出压阻307。(8).如图36所示，采用金属淀积、光刻、金属腐蚀等工艺得到金属走线310以及金 属压点312，并使金属压点312与压阻307连接。所述钝化层308用于实现单晶硅薄膜306 与金属走线310之间的绝缘。(9).如图37所示，采用光亥lj、刻蚀等工艺，刻蚀出质量块以及悬臂梁的图形309。(10).如图38所示，采用光刻、深反应离子硅刻蚀工艺从单晶硅片301的背面刻蚀 出背腔311，背腔311与牺牲层304相接触，但是背腔311不直接与腔体305连通，而是通过 牺牲层304将背腔311与腔体305隔开。如此设置，单晶硅薄膜306不会受到光刻、刻蚀等 工艺的影响，进而便于控制单晶硅薄膜306的厚度。否则，刻蚀工艺在背腔311与腔体305 接通后，还会继续刻蚀外延的单晶硅薄膜306。(11).如图39所示，采用湿法腐蚀工艺，如用缓冲氢氟酸(BOE)去掉牺牲层304，由于缓冲氢氟酸不腐蚀硅，因此单晶硅薄膜306不会受到刻蚀的伤害。当去掉牺牲层304 后，背腔311与腔体305便接通了，这样质量块与悬臂梁都得到了释放，成为可动结构，同时 也形成了 MEMS传感器的单片集成。需要说明的是，图28至图40所示的是压阻式压力传感器与压阻式加速度传感器 形成于同一单晶硅片301上的实施方式，其中虚线左边显示的是压阻式压力传感器的制造 工艺而虚线右边显示的是压阻式加速度传感器的制造工艺。当MEMS传感器是压阻式压力 传感器时，不需要步骤(9)，此时，当压力作用于单晶硅薄膜306上时，单晶硅薄膜306变形， 单晶硅薄膜306上的压阻大小发生变化，变化的信号可通过金属走线310导出。而当MEMS 传感器是压阻式加速度传感器则需要步骤(9)，此时，压阻即位于悬臂梁上或腔体305上方 的单晶硅薄膜306上。当有加速度作用于质量块时，质量块发生位移，悬臂梁发生变形，悬 臂梁上的压阻大小发生变化，变化的信号可通过金属走线310导出。本方法单晶硅薄膜306在后续的刻蚀或腐蚀工艺中不会受到影响，进而单晶硅薄 膜306厚度的一致性与均勻性容易控制；该种方法可以克服从硅片背面进行腐蚀难以控制 薄膜厚度与悬臂梁厚度的问题；同时该方法也简单实用，不必添置附加的仪器设备(如昂 贵的恒电位仪与保护硅片正面的夹具)；该方法还能在制作单晶硅薄膜306的同时一并形 成质量块及悬臂梁等其它微结构，这样的一个应用是能用一套工艺同时制作多种器件，形 成单片集成式传感器，而不必分别制作。利用本方法制作出来的MEMS传感器，可以是单片 集成式压力传感器与加速度传感器，并可应用于胎压检测系统(TPMS)等。请参图39及图40所示，依照以上方法制作出来的MEMS传感器包括单晶硅片301、 覆盖在单晶硅片301上的单晶硅薄膜306及形成在单晶硅薄膜306上的压阻307，所述单 晶硅片301包括正面、背面、自正面向下延伸的剖面为倒三角形状的网状硅膜3051、位于网 状硅膜3051下方且与网状硅膜3051连通的腔体305、自背面凹设的背腔311及连通腔体 305与背腔311的深槽313，所述单晶硅薄膜306覆盖在单晶硅片301的正面且与网状硅膜 3051相接触。所述MEMS传感器包括覆盖在单晶硅薄膜306上的钝化层308及与压阻307 相连接的金属走线310及金属压点312，其中，金属走线310穿过钝化层308。所述深槽313 沿竖直方向延伸，且所述背腔311与腔体305相互偏移，以防止背腔311与腔体305在刻蚀 接通时，单晶硅薄膜306也被刻蚀。当MEMS传感器是压阻式压力传感器时，所述单晶硅片 301包括质量块以及悬臂梁，所述压阻307位于悬臂梁上。所述质量块向上贯穿钝化层308 以形成可动结构。综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，不应以此限制本实用新型的 范围，即凡是依本实用新型权利要求书及实用新型说明书内容所作的简单的等效变化与修 饰，皆应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。
权利要求一种MEMS传感器，其特征在于包括单晶硅片以及覆盖在单晶硅片上且用以感受外界压力的单晶硅薄膜，所述单晶硅片包括正面、背面、自正面向下延伸的剖面为倒三角形状的网状硅膜、位于网状硅膜下方且与网状硅膜连通的腔体、自背面凹设的背腔及连通腔体与背腔的深槽，所述单晶硅薄膜覆盖在单晶硅片的正面且与网状硅膜相接触。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于所述MEMS传感器包括形成在单晶 硅薄膜上的压阻。
3.如权利要求2所述的MEMS传感器，其特征在于所述MEMS传感器包括覆盖在单晶 硅薄膜上的钝化层及与压阻相连接的金属走线及金属压点，其中，金属走线穿过钝化层。
4.如权利要求3所述的MEMS传感器，其特征在于所述金属压点突出钝化层。
5.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于所述深槽沿竖直方向延伸。
6.如权利要求5所述的MEMS传感器，其特征在于所述腔体形成于单晶硅片的内部， 所述深槽位于腔体的一侧。
7.如权利要求5所述的MEMS传感器，其特征在于所述背腔与腔体相互偏移。
8.如权利要求3所述的MEMS传感器，其特征在于所述单晶硅片包括质量块以及悬臂 梁，所述压阻位于悬臂梁上。
9.如权利要求8所述的MEMS传感器，其特征在于所述质量块贯穿钝化层。
10.如权利要求8所述的MEMS传感器，其特征在于所述悬臂梁为一根或多根。
专利摘要本实用新型揭示了一种MEMS传感器，包括单晶硅片以及覆盖在单晶硅片上且用以感受外界压力的单晶硅薄膜，所述单晶硅片包括正面、背面、自正面向下延伸的倒金字塔状网状硅膜、位于网状硅膜下方且与网状硅膜连通的腔体、自背面凹设的背腔及连通腔体与背腔的深槽，所述单晶硅薄膜覆盖在单晶硅片的正面且与网状硅膜相接触，该单晶硅薄膜不会在后续的刻蚀或腐蚀工艺中受到影响，进而使该单晶硅薄膜厚度的一致性与均匀性容易控制。
文档编号B81B7/02GK201610373SQ20102015457
公开日2010年10月20日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者李刚, 胡维 申请人:苏州敏芯微电子技术有限公司