一种MEMS器件及其制备方法、电子装置与流程

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种MEMS器件及其制备方法、电子装置。

背景技术：

随着半导体技术的不断发展，在传感器(motion sensor)类产品的市场上，智能手机、集成CMOS和微机电系统(MEMS)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，这类传动传感器产品的发展方向是规模更小的尺寸，高质量的电学性能和更低的损耗。

其中，微电子机械系统(MEMS)在体积、功耗、重量以及价格方面具有十分明显的优势，至今已经开发出多种不同的传感器，例如压力传感器、加速度传感器、惯性传感器以及其他的传感器。

在MEMS微机械结构中，悬臂梁结构是应用相当广泛的一种结构，依靠悬臂梁上下振动，导致空间电容的变化，从而引起信号的变化，达到结构设计的目的，所以对于材料的应力系数和弹性系数就变得格外敏感和重要。

目前针对于悬臂梁结构，也存在一个固有的问题，就是悬臂梁长度要远大于梁截面积高，宽尺寸，另外若增加质量块，都会导致悬臂梁扰度增大，存在悬臂梁根部断裂的风险。此外由于微结构常采用单晶硅、多晶硅，锗硅等脆性材料制成，在冲击或振动载荷作用下，当应力超过材料的强度极限时，也可能会发生断裂失效。

其中，悬臂梁的制作一般都采用一体式的方式，通过去除牺牲材料来释放结构，达到制作目的，但是所述方法也由于一体式存在悬臂梁根部断裂的风险。

因此需要对目前MEMS器件的制备方法作进一步的改进，以便消除上述各种弊端。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明为了克服目前存在问题，提供了一种MEMS器件，包括：

基底；

副悬梁臂，所述副悬梁臂的悬臂位于所述基底的上方，所述副悬梁臂的根部嵌于所述基底中；

空腔，位于所述副悬梁臂的悬臂和所述基底之间；

主悬梁臂，所述主悬梁臂的悬臂位于所述空腔内，所述主悬梁臂的根部嵌于所述空腔下方的所述基底中。

可选地，所述副悬梁臂根部的侧壁和所述基底之间形成有隔离层。

可选地，所述副悬梁臂的尺寸大于所述主悬梁臂的尺寸。

可选地，所述副悬梁臂的悬臂的延伸方向与所述主悬梁臂的悬臂的延伸方向相反。

本发明还提供了一种MEMS器件的制备方法，包括：

步骤S1：提供基底，在所述基底上形成有牺牲材料层，在所述牺牲材料层中形成有延伸到所述基底中的第一沟槽；

步骤S2：在所述牺牲材料层和所述第一沟槽中形成主悬梁臂材料层并图案化，以形成主悬梁臂；

步骤S3：继续沉积所述牺牲材料层，以覆盖所述主悬梁臂；

步骤S4：图案化所述牺牲材料层和所述基底，以在所述第一沟槽的一侧形成第二沟槽；

步骤S5：在所述牺牲材料层上和所述第二沟槽中形成副悬梁臂，以覆盖所述牺牲材料层；

步骤S6：去除所述牺牲材料层，以在所述基底和所述副悬梁臂之间形成空腔。

可选地，所述步骤S1包括：

步骤S11：提供基底并在所述基底上形成所述牺牲材料层；

步骤S12：在所述牺牲材料层上形成具有开口的掩膜层，以定义蚀刻区域；

步骤S13：以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述牺牲材料层和所述基底，以在所述基底中形成所述第一沟槽；

步骤S14：去除所述掩膜层。

可选地，在所述步骤S4中在形成所述第二沟槽之后还进一步包括在所述第二沟槽的侧壁上形成隔离层的步骤。

可选地，所述步骤S4包括：

步骤S41：在所述第二沟槽的侧壁、底部以及所述牺牲材料层上形成隔离材料层；

步骤S42：去除所述第二沟槽底部以及所述牺牲材料层上的所述隔离材料层，以在所述第二沟槽的侧壁上形成所述隔离层。

可选地，所述副悬梁臂的悬臂的延伸方向与所述主悬梁臂的悬臂的延伸方向相反。

可选地，所述副悬梁臂的尺寸大于所述主悬梁臂的尺寸。

本发明还提供了一种电子装置，包括上述的MEMS器件。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种MEMS器件及其制备方法，通过从传统的单一的悬臂梁结构，设计成双悬臂梁的组合结构，缓冲与支撑悬臂梁根部，起到保护作用，降低断裂风险，提高MEMS器件悬梁臂的使用寿命。

在本发明中通过新的设计方案，将悬梁臂设计双悬臂梁组合结构，副悬臂梁尺寸远大于主悬臂梁，故而不会对主悬臂梁空间变化产生较大影响。当主悬臂梁产生过载，变形严重时，主悬臂梁根部产生较大的转矩变形，而副悬臂梁的设计，可以适当起到缓冲与支撑作用，保护悬臂梁根部防止断裂。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图2为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图3为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图4为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图5为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图6为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图7为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图8为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图9为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图10为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图11为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图12为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图13为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图14为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图15为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；

图16为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备工艺流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种MEMS器件的制备方法，下面结合附图1-16对所述方法做进一步的说明，其中，图1-15为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备过程示意图；图16为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备工艺流程图。

首先，执行步骤101，提供基底101，在所述基底上形成有牺牲材料层，在所述牺牲材料层102中形成有延伸到所述基底101中的第一沟槽。

具体地，所述第一沟槽的深度并不局限于某一数值范围，可以根据主悬梁臂的尺寸进行选择。

可选地，所述步骤101包括以下子步骤：

步骤1011：提供基底101并在所述基底上形成所述牺牲材料层102；

具体地，如图1所示，其中，所述基底101可以为半导体衬底，在该步骤中所述半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。

在该实施例中半导体衬底选用硅。

然后在所述基底101上可以形成CMOS器件以及各种MEMS元件，其中所述MEMS元件是指所述MMES传感器中必要的各种元器件。

其中，所述牺牲材料层102可以选用半导体材料层或者氧化物、氮化物等，并不局限于某一种。

在该实施例中所述牺牲材料层102可以选用半导体材料层，例如可以选用Ge。

其中，该实施例中所述牺牲材料层102的厚度并不局限于某一数值范围，可以根据主悬梁臂的尺寸进行选择。

步骤1012：在所述牺牲材料层102上形成具有开口的掩膜层，如图2所示，以定义蚀刻区域；

其中，所述掩膜层可以选用光刻胶层，并对所述光刻胶进行曝光显影，以形成所述开口。

步骤1013：以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述牺牲材料层102和所述基底，以在所述基底中形成所述第一沟槽，如图3所示；

具体地，其中在该步骤中选用干法蚀刻以形成所述沟槽，作为优选，选用气体蚀刻来形成所述沟槽，在本发明中可以根据所选材料的不同来选择蚀刻气体，例如在本发明中可以选择CF₄、CO₂、O₂、N₂中的一种或者多种，所述蚀刻压力可以为20-300mTorr，优选为50-150mTorr，功率为200-600W。

步骤1014：去除所述掩膜层，如图4所示。

执行步骤102，在所述牺牲材料层和所述第一沟槽中形成主悬梁臂材料层103并图案化，以形成主悬梁臂1031。

具体地，形成主悬梁臂1031的方法可以包括以下步骤：

步骤1021：在所述牺牲材料层和所述第一沟槽中形成主悬梁臂材料层103，以覆盖所述牺牲材料层并填充所述第一沟槽，如图5所示。

其中，主悬梁臂材料层可以选用半导体材料层或各种金属材料层，在该 实施例中主悬梁臂材料层可以选用半导体材料层，例如多晶硅。

其中，所述主悬梁臂材料层的沉积可以选用化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等形成的低压化学气相沉积(LPCVD)、激光烧蚀沉积(LAD)以及选择外延生长(SEG)中的一种。

步骤1021：在所述主悬梁臂材料层上形成图案化的掩膜层，如图6所示，以定义蚀刻区域；

其中，所述掩膜层可以选用光刻胶层，并对所述光刻胶进行曝光显影，以定义蚀刻区域。

步骤1022：以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述主悬梁臂材料层，以形成主悬梁臂1031，如图7所示。

步骤1023：去除所述掩膜层，如图8所示。

执行步骤103，继续沉积所述牺牲材料层102，以完全覆盖所述主悬梁臂1031。

具体地，如图9所示，所述牺牲材料层102可以选用半导体材料层或者氧化物、氮化物等，并不局限于某一种。

在该实施例中所述牺牲材料层102可以选用半导体材料层，例如可以选用Ge。

其中，该实施例中所述牺牲材料层102的厚度并不局限于某一数值范围，可以完全覆盖所述主悬梁臂1031即可。

该实施例中所述牺牲材料层102的沉积可以选用化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等形成的低压化学气相沉积(LPCVD)、激光烧蚀沉积(LAD)以及选择外延生长(SEG)中的一种。

执行步骤104，图案化所述牺牲材料层102和所述基底101，以在所述第一沟槽的一侧形成第二沟槽。

具体地，图案化所述牺牲材料层102和所述基底101，以在所述第一沟槽的一侧形成第二沟槽的方法包括：

步骤1041：在所述牺牲材料层102上形成图案化的掩膜层，如图10所示，以定义蚀刻区域；

其中，所述掩膜层可以选用光刻胶层，并对所述光刻胶进行曝光显影， 以定义蚀刻区域。

步骤1042：以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述牺牲材料层102和所述基底101，以在所述第一沟槽的一侧形成第二沟槽，如图11所示。

步骤1043：去除所述掩膜层，如图12所示。

可选地，在所述步骤1043中在形成所述第二沟槽之后还进一步包括在所述第二沟槽的侧壁上形成隔离层的步骤，包括：

步骤1044：在所述第二沟槽的侧壁、底部以及所述牺牲材料层上形成隔离材料层，如图12所示；

其中，所述隔离材料层可以选用本领域常用的绝缘材料，并不局限于某一种。

步骤1045：去除所述第二沟槽底部以及所述牺牲材料层上的所述隔离材料层，以在所述第二沟槽的侧壁上形成所述隔离层，如图13所示。

其中，去除所述隔离材料层可以选用本领域常用的方法，并不局限于某一种。

执行步骤105，在所述牺牲材料层上和所述第二沟槽中形成副悬梁臂105，以覆盖所述牺牲材料层102。

具体地，在所述牺牲材料层和所述第二沟槽中形成副悬梁臂105，以覆盖所述牺牲材料层并填充所述第二沟槽，如图14所示。

其中，副悬梁臂可以选用半导体材料层或各种金属材料层，在该实施例中副悬梁臂可以选用半导体材料层，例如多晶硅。

其中，所述副悬梁臂的沉积可以选用化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等形成的低压化学气相沉积(LPCVD)、激光烧蚀沉积(LAD)以及选择外延生长(SEG)中的一种。

可选地，所述副悬梁臂105的悬臂的延伸方向与所述主悬梁臂1031的悬臂的延伸方向相反。

可选地，所述副悬梁臂105的尺寸大于所述主悬梁臂1031的尺寸，具体地，所述副悬梁臂105的悬臂长度和宽度均大于所述主悬梁臂1031的悬臂长度和宽度，所述副悬梁臂105的根部长度和宽度均大于所述主悬梁臂1031的根部长度和宽度。

在本发明中通过从传统的单一的悬臂梁结构，设计成双悬臂梁的组合结 构，副悬臂梁尺寸远大于主悬臂梁，故而不会对主悬臂梁空间变化产生较大影响。当主悬臂梁产生过载，变形严重时，主悬臂梁根部产生较大的转矩变形，而副悬臂梁的设计，可以适当起到缓冲与支撑作用，保护悬臂梁根部防止断裂，提高MEMS器件悬梁臂的使用寿命。

执行步骤106，去除所述牺牲材料层102，以在所述基底101和所述副悬梁臂105之间形成空腔。

具体地，如图15所示，在该步骤中选用CLK888作为蚀刻液，所述CLK888蚀刻液作为清除剂，其主要成分为氢氧化烷基铵以及溶剂，所述CLK888为市售产品，市场上所售CLK888蚀刻液均可以应用于本发明，并不局限于某一品牌，本领域技术人员可以根据需要进行选择。

作为优选，为了更好的蚀刻所述牺牲材料层，需要严格控制蚀刻温度，作为优选，所述蚀刻温度为60-90℃，更优选为70-80℃，蚀刻时间并不局限于某一范围。

至此，完成了本发明实施例的MEMS器件制备的相关步骤的介绍。在上述步骤之后，还可以包括其他相关步骤，此处不再赘述。并且，除了上述步骤之外，本实施例的制备方法还可以在上述各个步骤之中或不同的步骤之间包括其他步骤，这些步骤均可以通过现有技术中的各种工艺来实现，此处不再赘述。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种MEMS器件及其制备方法，通过从传统的单一的悬臂梁结构，设计成双悬臂梁的组合结构，缓冲与支撑悬臂梁根部，起到保护作用，降低断裂风险，提高MEMS器件悬梁臂的使用寿命。

在本发明中通过新的设计方案，将悬梁臂设计双悬臂梁组合结构，副悬臂梁尺寸远大于主悬臂梁，故而不会对主悬臂梁空间变化产生较大影响。当主悬臂梁产生过载，变形严重时，主悬臂梁根部产生较大的转矩变形，而副悬臂梁的设计，可以适当起到缓冲与支撑作用，保护悬臂梁根部防止断裂。

图16为本发明一具体实施方式中所述MEMS器件的制备工艺流程图， 具体包括以下步骤：

步骤S1：提供基底，在所述基底上形成有牺牲材料层，在所述牺牲材料层中形成有延伸到所述基底中的第一沟槽；

步骤S2：在所述牺牲材料层和所述第一沟槽中形成主悬梁臂材料层并图案化，以形成主悬梁臂；

步骤S3：继续沉积所述牺牲材料层，以覆盖所述主悬梁臂；

步骤S4：图案化所述牺牲材料层和所述基底，以在所述第一沟槽的一侧形成第二沟槽；

步骤S5：在所述牺牲材料层上和所述第二沟槽中形成副悬梁臂，以覆盖所述牺牲材料层；

步骤S6：去除所述牺牲材料层，以在所述基底和所述副悬梁臂之间形成空腔。

实施例二

本发明还提供了一种MEMS器件，所述MEMS器件通过实施例1中的所述方法制备得到，所述器件包括：

基底101；

副悬梁臂105，所述副悬梁臂105的悬臂位于所述基底101上方，所述副悬梁臂105的根部位于所述基底101中；

空腔，位于所述副悬梁臂105的悬臂和所述基底之间；

主悬梁臂1031，所述主悬梁臂位于所述基底和所述副悬梁臂105的悬臂之间的空腔中，所述主悬梁臂1031的悬臂位于所述基底和所述副悬梁臂105的悬臂之间，所述主悬梁臂的根部嵌于所述基底中。

可选地，所述副悬梁臂105根部的侧壁和所述基底之间形成有隔离层104。

可选地，所述副悬梁臂105的尺寸大于所述主悬梁臂1031的尺寸。具体地，所述副悬梁臂105的悬臂长度和宽度均大于所述主悬梁臂1031的悬臂长度和宽度，所述副悬梁臂105的根部长度和宽度均大于所述主悬梁臂1031的根部长度和宽度。

可选地，所述副悬梁臂105的悬臂的延伸方向与所述主悬梁臂1031的悬臂的延伸方向相反。

其中，所述基底101可以为半导体衬底，在该步骤中所述半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。

在该实施例中半导体衬底选用硅。

然后在所述基底101上可以形成CMOS器件以及各种MEMS元件，其中所述MEMS元件是指所述MMES传感器中必要的各种元器件。

其中，主悬梁臂可以选用半导体材料层或各种金属材料层，在该实施例中主悬梁臂可以选用半导体材料层，例如多晶硅。

其中，副悬梁臂可以选用半导体材料层或各种金属材料层，在该实施例中副悬梁臂可以选用半导体材料层，例如多晶硅。

其中，所述副悬梁臂的沉积可以选用化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等形成的低压化学气相沉积(LPCVD)、激光烧蚀沉积(LAD)以及选择外延生长(SEG)中的一种。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种MEMS器件及其制备方法，通过从传统的单一的悬臂梁结构，设计成双悬臂梁的组合结构，缓冲与支撑悬臂梁根部，起到保护作用，降低断裂风险，提高MEMS器件悬梁臂的使用寿命。

在本发明中通过新的设计方案，将悬梁臂设计双悬臂梁组合结构，副悬臂梁尺寸远小于住悬臂梁，故而不会对主悬臂梁空间变化产生较大影响。当主悬臂梁产生过载，变形严重时，主悬臂梁根部产生较大的转矩变形，而副悬臂梁的设计，可以适当起到缓冲与支撑作用，保护悬臂梁根部防止断裂。

实施例三

本发明还提供了一种电子装置，包括实施例二所述的MEMS器件。其中，半导体器件为实施例二所述的MEMS器件，或根据实施例一所述的制备方法得到的MEMS器件。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括所述MEMS器件的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的MEMS器件，因而具有 更好的性能。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。