本发明属于微电子机械系统(MEMS)技术领域，更具体地，涉及具有表面保护层的MEMS器件制造方法及MEMS器件。
背景技术：
MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。目前，MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪和硬盘驱动头等。
在以硅为基础的MEMS加工技术中，MEMS器件例如包括在硅衬底中形成的空腔、固定电极和可动电极等微构件。可动电极的至少一部分可以在空腔内或空气中自由移动。由于硅衬底和可动电极的一部分表面暴露于空气中，因此，硅衬底的暴露表面在空气中易于形成一层亲水性的自然氧化层。在亲水性的自然氧化层表面会覆盖一层水分子。如果MEMS器件工作于潮湿的环境下，则多晶硅层间会产生较强的毛细力，导致粘附现象的发生。此外，多晶硅层的分子间范德华力、静摩擦力、残余应力也将导致发生粘附现象。此种结构在使用过程中易于产生结构层间的粘附现象，比如电容式加速度计、陀螺仪的可动梳齿之间就易于产生粘附现象。硅衬底的摩擦系数较高，弹性模量和机械硬度较低，存在着抗磨损能力不足的缺点。因此，摩擦、磨损和粘附问题已经成为影响MEMS性能和可靠性的主要因素。
在MEMS器件中，微构件表面改性被认为是改善摩擦、降低磨损、提高系统稳定性的有效手段。例如，可以在硅衬底和电极的暴露表面涂覆一层疏水性薄膜。
一种表面改性的方法包括在硅衬底和电极的暴露表面涂覆一层疏水性的自组装单分子层(Self-assembled monolayer,SAM)层，使表面曾疏水性，从而降低粘附现象。然而，但是SAM方式沉积表面保护层有如下缺点。该方法沉积的表面保护层一般为有机硅烷，比如十八烷基三氯硅烷和全氟葵基三氯硅烷，在高温处理后，表面保护层可能由于有机分子的挥发而失去防粘附效果。
另一种表面改性的方法包括在硅衬底和电极的暴露表面形成类金刚石(Diamond-Like Carbon，DLC)膜。类金刚石膜是一种亚稳态非晶碳膜，膜内部含有金刚石结构。类金刚石膜具有优异的耐磨性能，低的摩擦系数，具有自润滑特性，是一种理想的表面抗磨损改性膜。然而，类金刚石膜的表面覆盖能力差。在通过深槽刻蚀工艺形成的侧壁表面就无法沉积类金刚石膜。然而，在MEMS器件中，侧壁表面导致的粘附和/或磨损是MEMS器件成品率低和失效的主要问题。
因此，期望进一步改进MEMS器件的结构和工艺，以形成可靠稳定的表面保护层，从而提高MEMS器件的成品率和可靠性。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种在空腔内部的微构件表面沉积表面保护层的MEMS器件制造方法及MEMS器件。
根据本发明的一方面，提供一种MEMS器件的制造方法，包括：在衬底上形成结构层；在所述衬底上形成第一绝缘层；在所述第一绝缘层和所述衬底上形成结构层；在所述结构层上形成第一布线层；在所述第一绝缘层中形成空腔，所述结构层的第一部分位于空腔上方从而形成可动结构；以及在所述可动结构和所述第一绝缘层至少之一位于所述空腔内的暴露表面上，形成表面保护层。
优选地，所述表面保护层具有疏水性和/或耐磨性能。
优选地，所述表面保护层为单层或多层的氧化膜。
优选地，所述氧化膜由选自氧化钛、氧化铝和氧化钽的至少一种氧化物组成。
优选地，所述表面保护层的厚度为3纳米至10纳米。
优选地，采用原子层沉积的方法，形成所述表面保护层。
优选地，还包括：形成从所述结构层的上表面延伸至所述空腔的多个第一深槽，其中，形成空腔的步骤包括：经由所述多个第一深槽进行各向同性蚀刻，从而横向去除所述第一绝缘层的一部分，在形成所述表面保护层之后，所述表面保护层覆盖所述多个第一深槽的侧壁表面。
优选地，在形成表面保护层的步骤中，将气相前驱体经由所述多个第一深槽扩散进入所述空腔，从而形成所述表面保护层。
优选地，在形成第一绝缘层之前，还包括：在所述衬底上形成第二绝缘层，以及在所述第二绝缘层上形成第二布线层，其中，所述表面保护层位于所述第二绝缘层和所述第二布线层至少之一在所述空腔内的暴露表面上。
优选地，还包括：在所述第一绝缘层和所述第二绝缘层中形成到达所述衬底的通孔，其中，所述结构层的第二部分经由所述通孔接触所述衬底，所述结构层的第一部分和第二部分彼此隔离。
优选地，在形成结构层之前，还包括：在所述第一绝缘层上形成种子层。
优选地，所述第一布线层包括：第一布线，所述第一布线与所述结构层的第一部分电连接；第二布线，所述第二布线经由所述结构层的第二部分与所述衬底电连接；以及第三布线，所述第三布线经由所述结构层的第三部分与所述第二布线层电连接。
优选地，采用原子层沉积的方法形成所述表面保护层。
优选地，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层分别由二氧化硅组成，所述第一布线层由铝、铝硅、或者钛/氮化钛/铝硅的复合层组成，所述第二布线层由掺杂多晶硅组成。
根据本发明的另一方面，提供一种MEMS器件，包括：衬底；位于所述衬底上的第一绝缘层；位于所述第一绝缘层和所述衬底上的结构层；以及位于所述结构层上的第一布线层，其中，位于所述第一绝缘层中的空腔，所述结构层的第一部分位于空腔上方从而形成可动结构，其中，所述MEMS器件还包括表面保护层，所述表面保护层位于所述可动结构和所述第一绝缘层至少之一在所述空腔内的暴露表面上。
优选地，所述表面保护层具有疏水性和/或耐磨性能。
优选地，所述表面保护层为单层或多层的氧化膜。
优选地，所述氧化膜由选自氧化钛、氧化铝和氧化钽的至少一种氧化物组成。
优选地，所述表面保护层的厚度为3纳米至10纳米。
优选地，所述结构层包括从所述结构层的上表面延伸至所述空腔的多个第一深槽。
优选地，所述表面保护层位于所述多个第一深槽的侧壁表面上。
优选地，还包括：位于所述衬底和所述第一绝缘层之间的第二绝缘层；位于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间的第二布线层。
优选地中，所述表面保护层位于所述第二绝缘层和所述第二布线层至少之一在所述空腔内的暴露表面上。
优选地，所述MEMS器件包括穿过所述第一绝缘层和所述第二绝缘层到达所述衬底的通孔，所述结构层的第二部分经由所述通孔接触所述衬底，所述结构层的第一部分和第二部分彼此隔离。
优选地，所述第一布线层包括：第一布线，所述第一布线与所述结构层的第一部分电连接；第二布线，所述第二布线经由所述结构层的第二部分与所述衬底电连接；以及第三布线，所述第三布线经由所述结构层的第三部分与所述第二布线层电连接。
优选地，还包括在所述第一绝缘层和所述结构层之间形成的种子层。
优选地，所述表面保护层采用原子层沉积的方法形成。
优选地，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层分别由二氧化硅组成，所述第一布线层由铝、铝硅、或者钛/氮化钛/铝硅的复合层组成，所述第二布线层由掺杂多晶硅组成。
优选地，所述MEMS器件为选自加速度计、陀螺仪，麦克风的一种电容式传感器。
优选地，所述MEMS器件为加速度传感器，所述可动结构为质量块。
根据本发明实施例的MEMS器件制造方法及MEMS器件，所述表面保护层位于所述可动结构和所述第一绝缘层至少之一在所述空腔内的暴露表面上，从而可以避免所述可动结构和所述第一绝缘层之间的粘附和磨损。
在优选的实施例中，所述结构层包括从所述结构层的上表面延伸至所述空腔的多个第一深槽，所述表面保护层位于所述多个第一深槽的侧壁表面上，从而可以避免可动结构与结构层的其余部分之间的粘附和磨损。
在优选的实施例中，采用原子层淀积方法形成表面保护层，从而可以覆盖第一深槽的侧壁表面。通常，在深槽刻蚀工艺形成的侧壁表面无法沉积表面保护层，而此类侧壁表面导致的磨损/粘附是主要问题。本发明采用原子层淀积方法可以在所述多个第一深槽的侧壁表面上形成厚度均匀的表面保护层。
在优选的实施例中，所述MEMS器件还包括位于所述衬底和所述第一绝缘层之间的第二绝缘层，以及位于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间的第二布线层，所述表面保护层位于所述第二绝缘层和所述第二布线层至少之一在所述空腔内的暴露表面上，从而可以避免可动结构与所述第二绝缘层和所述第二布线层之间的粘附和磨损。
本发明采用在空腔内或深槽侧壁上形成的表面保护层，从而可以避免MEMS器件的微构件内部及与外部部件之间的粘附和磨损。该表面保护层提高MEMS器件的成品率和可靠性，有利于降低MEMS器件的成本和延长MEMS器件的使用寿命。
在优选的实施例中，在结构层中，形成从上表面延伸至空腔内部的多个第一深槽。所述多个第一深槽不仅作为蚀刻通道，而且在形成表面保护层时，提供气相前驱体的进入通道。因此，该MEMS器件无需修改主体结构，可以保持器件制造工艺的兼容性和器件性能。
在优选的实施例中，所述表面保护层是单层或多层的氧化膜，可经过高温处理过程，从而与晶圆级封装工艺兼容。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1至10分别示出根据本发明实施例的MEMS制造方法的各个阶段的示意性截面图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
如图1所示，在所述衬底101上形成绝缘层102。优选地，该衬底101可以为半导体衬底。更优选地，半导体衬底101例如是硅衬底。进一步优选地，半导体衬底101例如是晶向为<100>的N型硅衬底。
绝缘层102由绝缘材料组成，例如二氧化硅。例如，可以采用热氧化、低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在半导体衬底101上形成二氧化硅材质的绝缘层102。绝缘层102的厚度例如是1.5微米至3微米。
优选地，在衬底101上采用热氧化形成绝缘层102。绝缘层102从衬底101的表面向下延伸形成埋层。在该优选的实施例中，绝缘层102的厚度与热氧化消耗的衬底101的表面层的厚度相对应。
然后，采用低压化学气相沉积(LPVCD)的方法，在绝缘层102上沉积掺杂的多晶硅，并且采用光刻和蚀刻工艺进行图形化，从而形成布线层103，如图2所示。
在沉积步骤中，沉积温度可以是570℃至630℃，多晶硅的厚度可以是2微米至50微米，例如3微米至10微米。
在图形化步骤中，例如在多晶硅的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩模，采用选择性的蚀刻剂去除多晶硅的暴露部分。由于蚀刻的选择性，该蚀刻可以在绝缘层102的表面停止。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。
在图形化之后，多晶硅的剩余部分形成布线层103。该图形化步骤的蚀刻工艺例如是各向异性蚀刻。布线层103的图案与掩模中的开口图案的形状是互补的。
然后，在绝缘层101和布线层103的暴露表面上形成绝缘层104，如图3所示。
绝缘层104由绝缘材料组成，例如二氧化硅。例如，可以采用低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在半导体衬底101上形成二氧化硅材质的绝缘层104。绝缘层104的厚度例如是1.5微米至3微米。
如下文将描述的那样，绝缘层104不仅用于为随后形成的导体层提供层间绝缘层，而且绝缘层104的至少一部分作为牺牲层，在随后的步骤中将去除以形成空腔。
然后，采用上述的光刻和蚀刻工艺进行图形化，从而形成依次穿过绝缘层104和绝缘层102到达衬底101的通孔，如图4所示。
在该步骤的蚀刻工艺中，可以选择合适的蚀刻剂。利用蚀刻剂相对于衬底101选择性去除绝缘层104和绝缘层102的暴露部分的特性，使得蚀刻在衬底101的表面停止。因而，通过蚀刻剂的选择性蚀刻，可以控制蚀刻深度，使得通孔恰好穿透绝缘层104和绝缘层102。在替代的实施例中，通过控制蚀刻的时间来控制蚀刻深度，使得通孔穿透绝缘层104和绝缘层102，并且可以达到衬底101表面下方的预定深度。因此，通孔可以延伸进入衬底101中。
该图形化步骤的蚀刻工艺例如是各向异性蚀刻。在绝缘层104和绝缘层102中形成的通孔的图案与掩模中的开口图案的形状大致相同。应当注意，该图形化是优选的步骤，用于提供随后形成的布线层与衬底和布线层103之间的电连接。在替代的实施例中，根据MEMS器件的设计需求，如果不需要提供上部布线层至衬底的电连接，则可省去该步骤。
然后，在绝缘层104上形成多晶硅种子层105，如图5所示。种子层105不仅形成在绝缘层104的表面上，而且位于通孔的侧壁和底部，即形成在衬底101经由通孔暴露的一部分表面上。
例如，可以采用低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在绝缘层104上沉积多晶硅从而形成种子层105。种子层105的厚度例如是10纳米至100纳米微米。为了提高种子层105的导电性，可以通过预沉积工艺对种子层105进行掺杂。
应当注意，形成种子层是优选的步骤，用于改善随后形成的结构层与绝缘层104之间的粘附性。在替代的实施例中，根据MEMS器件的设计需求，如果不需要提供提高MEMS器件的结构强度，则可省去该步骤。
然后，采用低压化学气相沉积(LPVCD)的方法，在种子层105上外延生长多晶硅，从而形成结构层106，如图6所示。结构层106不仅形成在绝缘层104的上方，而且填充通孔，经由通孔到达衬底101。
例如，可以采用低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在种子层105上外延生长多晶硅从而形成结构层106。结构层106的厚度例如是10微米至50微米。
优选地，在外延生长的步骤之后，进行化学机械平面化(CMP)处理，以获得平整的结构表面。
然后，在结构层106上形成金属层，并且采用上述的光刻和蚀刻工艺进行图形化，从而形成布线层107，如图7所示。在替代的实施例中，在形成布线层107的步骤中，结构层106可以与金属层一起蚀刻形成布线。由于结构层106的导电性，因此结构层106的一部分可以与布线层107共同形成布线和结构层。
例如，可以采用溅射或蒸发工艺，在结构层106上沉积金属层。金属层的厚度例如是1.5微米至3微米，其材料可以是铝(Al)、铝硅(Al-Si1％)、或者钛/氮化钛/铝硅(Ti+TiN+Al-Si)的复合层。
布线层107可以包括键合布线(bonding pad)和引线，用于提供MEMS器件的内部结构和与外部电路的电连接。在优选的实施例中，布线层107包括第一至第三布线。第一布线与所述结构层的第一部分电连接。第二布线经由所述结构层的第二部分与所述衬底电连接。第三布线经由所述结构层的第三部分与所述布线层电连接。
然后，采用光刻和蚀刻工艺进行图形化，从而在结构层106中形成多个深槽，如图8所示。
在图形化步骤中，例如在结构层106的表面形成抗蚀剂层PR，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层PR作为掩模，采用干法蚀刻去除结构层106的暴露部分。通过控制蚀刻的时刻，使得蚀刻在在绝缘层104的表面停止，或者进入绝缘层104中，但未穿透绝缘层104。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层PR。
该图形化步骤的蚀刻工艺例如是各向异性蚀刻。在图形化之后，结构层106的多个深槽的图案与掩模中的开口图案的形状大致相同。
然后，以结构层106作为硬掩模进行蚀刻，使得结构层106的一部分形成可动结构，如图9所示。
该蚀刻步骤例如采用各向同性蚀刻，其中使用气态的HF作为蚀刻剂。结构层106作为硬掩模，蚀刻剂经由结构层106中的多个深槽到达绝缘层104的暴露表面。由于蚀刻的选择性，该蚀刻可以相对于结构层106、布线层103和绝缘层102选择性地去除绝缘层104在所述多个深槽底部暴露的第一部分，并且进一步横向去除绝缘层104与所述第一部分相邻的第二部分。
在蚀刻之后，绝缘层104在结构层106的多个深槽附近的部分去除形成空腔，从而结构层106的一部分形成可动结构。该可动结构在MEMS结构的电容式传感器中可以作为极板的一部分，在MEMS结构的加速度传感器中可以作为质量块。
然后，采用原子层沉积(ALD)的方法，形成表面保护层108，如图10所示。
表面保护层108不仅形成在结构层106的表面上，而且，由于气相前驱体经由所述结构层106中的多个深槽扩散进入空腔，因此在结构层106中的可动结构上表面、下表面和深槽侧壁中，以及在布线层103的表面上均形成表面保护层108。表面保护层108的厚度例如是3纳米至10纳米。表面保护层108为单层或多层的氧化物膜，所述氧化物膜例如包括选自氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化钽(Ta2O5)中的至少一种氧化物。
上述表面保护层108具有疏水性和耐磨性能。由于表面保护层108既形成在可动结构的下表面，又形成在布线层103的表面上，因此可以达到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。
在上述的实施例中，描述了MEMS器件在衬底上包括依次形成的绝缘层102、布线层103、绝缘层104、种子层105、结构层106和布线层107。在绝缘层104中形成空腔。在替代的实施例中，根据MEMS器件的设计要求，MEMS器件可以包含更少的层，例如，MEMS器件中可以省去绝缘层102和布线层103。根据MEMS器件的工艺要求，MEMS器件可以省去种子层105。在该替代的实施例中，仍然在绝缘层104中形成空腔，绝缘层104和结构层106的至少一部分表面暴露于空腔中，并且覆盖有表面保护层108。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。