Mems传感器及制造方法及薄膜、质量块与悬臂梁的制造方法

专利名称：Mems传感器及制造方法及薄膜、质量块与悬臂梁的制造方法
MEMS传感器及制造方法及薄膜、质量块与悬臂梁的制造方
法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS传感器及制造方法及其应用于MEMS传感器制造的薄膜、质量块与悬臂梁的制造方法。
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。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种MEMS传感器及其制造方法及其薄膜、 质量块与悬臂梁的制造方法，其中单晶硅薄膜厚度的容易控制。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种MEMS传感器用薄膜的制造方法，包括如下步骤(a).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，该介质层起掩膜作用；(b).去除部分介质层以形成掩膜图形；(c).采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片的正面进行刻蚀，得到若干深孔；(d).采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺，使介质层下面的部分单晶硅片被腐蚀或刻蚀掉以形成腔体，介质层下面得以保留的单晶硅片形成网状硅膜，所述若干深孔在单晶硅片的内部通过腔体相互连通；(e).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，去除掉淀积在单晶硅片正面的介质层，使网状硅膜暴露出来；(f).最后，采用外延单晶硅工艺，以网状硅膜作为单晶硅子晶，外延出覆盖于网状硅膜上的单晶硅薄膜，所述单晶硅薄膜遮蔽深孔，并使腔体位于单晶硅薄膜的下方。作为本发明的进一步改进，所述介质层为氧化硅或氮化硅，所述淀积工艺为低压化学气相淀积、等离子体化学气相淀积或热氧化。作为本发明的进一步改进，所述网状硅膜设有面向腔体的收缩端，并且所述收缩端沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。作为本发明的进一步改进，步骤(d)所采用的各向异性硅腐蚀工艺包括将氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液注入深孔中对单晶硅片进行腐蚀。作为本发明的进一步改进，所述步骤(e)中的介质层是用缓冲氢氟酸腐蚀掉或用反应离子刻蚀工艺去除掉的。本发明还可以采用如下技术方案一种MEMS传感器用薄膜的制造方法，包括如下步骤(a).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，该介质层起掩膜作用；(b).去除部分介质层以形成掩膜图形；(c).采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片的正面进行刻蚀，得到若干深孔；(d).采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺，使介质层下面的部分单晶硅片被腐蚀或刻蚀掉以形成腔体，介质层下面得以保留的单晶硅片形成网状硅膜，所述若干深孔在单晶硅片的内部通过腔体相互连通；(e).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，去除掉淀积在单晶硅片正面的介质层，使网状硅膜暴露出来；(f).采用淀积工艺形成覆盖在网状硅膜上的淀积薄膜，所述淀积薄膜填充深孔以将腔体封闭；(g).最后，去除覆盖在网状硅膜上的淀积薄膜，以暴露出网状硅膜及填充在深孔内的淀积薄膜，所述网状硅膜及填充在深孔内的淀积薄膜形成MEMS传感器用薄膜。作为本发明的进一步改进，各向同性深反应离子硅刻蚀工艺首先包括在深孔的侧壁上形成钝化层的钝化步骤，以及将反应离子通过深孔射入到单晶硅片内进行各向同性刻蚀的步骤。本发明还可以采用如下技术方案一种MEMS传感器用质量块的制造方法，包括如下步骤(a).采用刻蚀工艺在单晶硅片的正面刻蚀出深槽；(b).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，并且使介质层填充深槽以形成牺牲层；(c).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去掉单晶硅片表面的介质层，而牺牲层不会被去除；然后，采用外延单晶硅工艺，在单晶硅片的表面外延出单晶硅薄膜；(d).去除部分单晶硅薄膜以得到质量块的图形；(e).在单晶硅片的背面进行光刻、深反应离子硅刻蚀工艺形成背腔，并使所述质量块与其余单晶硅片通过牺牲层隔开；(f).最后，腐蚀去除牺牲层使其余单晶硅片与质量块分离，进而使质量块得到释放成为可动结构。作为本发明的进一步改进，所述介质层为氧化硅或氮化硅，所述步骤(b)中的淀积工艺为低压化学气相淀积、等离子体化学气相淀积或热氧化。作为本发明的进一步改进，所述步骤(C)中的介质层是用缓冲氢氟酸腐蚀掉或用反应离子刻蚀工艺去除掉的。本发明还可以采用如下技术方案一种MEMS传感器用悬臂梁的制造方法，包括如下步骤(a).采用刻蚀工艺在单晶硅片的正面刻蚀出深槽；(b).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，并且使介质层填充深槽以形成牺牲层，该介质层在刻蚀或湿法腐蚀工艺时起掩膜作用；(c).然后在单晶硅片的正面形成掩膜图形；(d).采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片的正面进行刻蚀得到若干深孔；(e).采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺，使介质层下面的部分单晶硅片被腐蚀或刻蚀掉以形成腔体，所述腔体停止在牺牲层上，介质层下面得以保留的单晶硅片形成梁形状硅膜，所述若干深孔在单晶硅片的内部通过腔体相互连通；(f).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去掉单晶硅片正面的介质层，以暴露出梁形状硅膜；(g).采用外延单晶硅工艺，以梁形状硅膜作为单晶硅子晶，外延出覆盖于梁形状硅膜上的单晶硅薄膜，所述单晶硅薄膜遮蔽深孔，并使腔体位于单晶硅薄膜的下方；(h).在单晶硅薄膜上刻蚀出悬臂梁的图形；(i).再从单晶硅片的背面采用光刻、深反应离子硅刻蚀工艺形成背腔，并使背腔与腔体通过牺牲层相互隔离；(j).最后，从背腔对牺牲层采用湿法腐蚀工艺进行去除，使背腔与腔体连通，进而使悬臂梁得到释放而成为可动结构。作为本发明的进一步改进，所述介质层为氧化硅或氮化硅，所述步骤(b)中的淀积工艺为低压化学气相淀积、等离子体化学气相淀积或热氧化。作为本发明的进一步改进，所述硅膜设有面向腔体的收缩端，并且所述收缩端沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。作为本发明的进一步改进，步骤(e)所采用的各向异性硅腐蚀工艺包括将氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液注入深孔中对单晶硅片进行腐蚀；所述步骤(f)中的介质层是用缓冲氢氟酸腐蚀掉或用反应离子刻蚀工艺去除掉的。本发明还可以采用如下技术方案一种MEMS传感器的制造方法，包括如下步骤(a).采用刻蚀工艺在单晶硅片的正面刻蚀出深槽；(b).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，并且使介质层填充深槽以形成牺牲层；(c).对单晶硅片进行腐蚀或刻蚀使介质层下面的部分单晶硅片被腐蚀或刻蚀掉以形成腔体，所述腔体停止在牺牲层上，介质层下面得以保留的单晶硅片形成网状硅膜；(d).采用缓冲氢氟酸去掉单晶硅片正面的介质层使网状硅膜暴露出来，而牺牲层未被去掉，再采用外延单晶硅工艺形成覆盖在网状硅膜上的单晶硅薄膜；(e).在单晶硅薄膜上制作压阻；(f).在单晶硅薄膜上覆盖钝化层；(g).在钝化层上刻蚀出通孔，用于后续通过金属走线引出压阻；(h).采用金属淀积、光刻、金属腐蚀工艺得到金属走线以及金属压点，并使金属压点与压阻连接；(i).采用光刻及深反应离子硅刻蚀工艺从单晶硅片的背面刻蚀出背腔，并使背腔与腔体通过牺牲层隔开；(j).采用湿法腐蚀工艺去掉牺牲层使背腔与腔体连通以形成MEMS传感器。作为本发明的进一步改进，所述步骤(b)与(C)之间还包括采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片的正面进行刻蚀以得到若干深孔的步骤以及采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺对单晶硅片进行刻蚀或腐蚀的步骤，各深孔在单晶硅片的内部通过腔体相互连通。作为本发明的进一步改进，所述介质层为氧化硅或氮化硅，步骤(j)中的牺牲层是用缓冲氢氟酸腐蚀掉或用反应离子刻蚀工艺去除掉的。作为本发明的进一步改进，步骤(f)中的钝化层是通过低压化学气相淀积或等离子体化学气相淀积方法制作的，所述钝化层材料是氧化硅或氮化硅。作为本发明的进一步改进，所述MEMS传感器为加速度传感器，步骤(h)与步骤⑴ 之间还包括在钝化层上刻蚀出质量块以及悬臂梁的图形的步骤，所述压阻即位于悬臂梁上或腔体上方的单晶硅薄膜上。作为本发明的进一步改进，所述MEMS传感器为压力传感器，所述制造方法还包括形成与腔体相连通的质量块的步骤，并且所述质量块为可动结构。本发明还可以采用如下技术方案一种MEMS传感器，包括单晶硅片、覆盖在单晶硅片上的单晶硅薄膜及形成在单晶硅薄膜上的压阻，所述单晶硅片包括正面、背面、自正面向下延伸的网状硅膜、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。作为本发明的进一步改进，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。作为本发明的进一步改进，所述深槽沿竖直方向延伸，且所述背腔与腔体相互偏移。作为本发明的进一步改进，所述MEMS传感器为加速度传感器，所述单晶硅片包括与腔体连通的质量块以及悬臂梁，所述质量块以及悬臂梁均为可动结构，所述压阻位于悬臂梁上。作为本发明的进一步改进，所述MEMS传感器为压力传感器，所述单晶硅片包括与腔体连通的质量块，所述质量块为可动结构。相较于现有技术，本发明采用外延单晶硅工艺制作的单晶硅薄膜或用淀积工艺制作的淀积薄膜，在后续的刻蚀或腐蚀工艺中不会受到影响，进而单晶硅薄膜及淀积薄膜厚度的一致性与均勻性均容易控制，进而可以克服从硅片背面进行腐蚀难以控制薄膜厚度的问题。

图1至图7(b)是本发明MEMS传感器用薄膜的制造流程图。图8是本发明MEMS传感器用薄膜的深孔及掩膜图形的示意图。图9是本发明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是本发明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是本发明MEMS传感器用悬臂梁的制造流程图。图28至图39是本发明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。图41至图48是本发明MEMS传感器用薄膜于另一实施方式中的制造流程图。
具体实施方式实施例一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。(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。
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(4).然后，采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺对单晶硅片101进行处理，使氧化硅层102下面的部分单晶硅片101被腐蚀或刻蚀掉以形成位于单晶硅片101内部的腔体105，氧化硅层102下面得以保留的单晶硅片101形成网状硅膜107。所述若干深孔104在单晶硅片101的内部通过腔体105相互连通。请参图5(a) 所示，当采用各向异性硅腐蚀工艺时，将诸如氢氧化钾(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，所述网状硅膜 107形成面向腔体105的收缩端1071，并且所述收缩端1071沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。当然，在其它实施方式中，所述剖面也可以为矩形等其它形状。当采用各向异性深反应离子硅刻蚀(DRIE)工艺时，将反应离子通过深孔104射入单晶硅片101中对其进行刻蚀，通过合适的工艺参数也可以得到网状硅膜107。请参图5(b)所示，当使用各向同性深反应离子刻蚀工艺时，由于刻蚀的各向同性，所述腔体105的内壁为圆弧面。当然，上述对单晶硅片101进行处理的步骤同样可以采用各向异性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).请参图6 (a)及图6(b)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).请参图7 (a)及图7 (b)所示，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。依照本方法制作出来的单晶硅薄膜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)。实施例二 MEMS传感器用薄膜的另一种制造方法，包括如下工艺及步骤(1).请参图41及图42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401的正面形成介质层(在本实施方式中为氧化硅层402，当然也可以是氮化硅层)，所述氧化硅层402起掩膜作用。(2).请参图43所示，在单晶硅片401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402上的部分氧化硅，以形成网状结构的掩膜图形403。(3).请参图44所示，采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片401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404。所述深孔 404可以为类似于实施例一中的深孔104的方形、圆形或长条形，并且深孔404的大小根据工艺及设计需要确定。(4).然后，请参图45所示，采用各向同性深反应离子硅刻蚀工艺，先采用钝化步骤，在深孔404的侧壁上形成钝化层，接着将反应离子通过深孔404射入到单晶硅片401内进行各向同性刻蚀。由于刻蚀的各向同性，氧化硅层402下面的单晶硅片401被刻蚀成为倒锥形，其余的单晶硅片401被部分刻蚀掉以在单晶硅片401的内部形成腔体405。各深孔404在单晶硅片401的内部通过腔体405连通，氧化硅层402下方的得以保留的倒锥形单晶硅片401形成网状硅膜407。所述网状硅膜407包括面向腔体405的收缩端4071，并且所述收缩端4071沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。当然，在其它实施方式中，所述剖面也可以为矩形等其它形状。(5).请参图46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401正面的氧化硅层402，使网状硅膜407暴露出来，单晶硅片401的正面形成很多小孔408，小孔408的横向尺寸与深槽404的横向尺寸一致。(6).请参图47所示，采用淀积工艺在单晶硅片401的正面淀积多晶硅或氧化硅等淀积薄膜406，由于淀积工艺的各向同性会使深孔404与网状硅膜407的表面都覆盖上淀积薄膜406。另外，由于小孔408尺寸较小，淀积工艺时反应气体不易通过深孔404而进入腔体405，所以腔体405内部反而不会淀积上多晶硅或氧化硅的淀积薄膜406。当淀积足够厚度的淀积薄膜406时，深孔404将被淀积薄膜406填充而完全封闭，进而腔体405即被完全封闭。(J).请参图48所示，采用刻蚀工艺对淀积薄膜406进行刻蚀，去除覆盖在网状硅膜407上的淀积薄膜406，但是深孔404中的淀积薄膜406不会被去除，最终使网状硅膜407 及填充在深孔404内的淀积薄膜406被暴露出来。这样网状的单晶硅薄膜407与深孔404 中的淀积薄膜406就共同构成了本发明MEMS传感器所需的薄膜409。所述薄膜409可以作为压力传感器的感压薄膜或其它器件的振动薄膜。而薄膜409上的裸露出来的网状的单晶硅可以用于压阻等的制作。依照本方法制作出来的薄膜409在后续的刻蚀或腐蚀工艺中不会受到影响，进而薄膜409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)。实施例三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
12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14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208通过牺牲层207隔开。(6).如图15及图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。依照本方法制作出来的单晶硅薄膜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。实施例四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).采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺对单晶硅片201进行处理，使氧化硅层203下面的部分单晶硅片201被腐蚀或刻蚀掉以形成位于单晶硅片201内部的腔体210，氧化硅层203下面得以保留的单晶硅片201形成梁形状的硅膜 213。各窄槽209在单晶硅片201的内部通过腔体210连通。请参图22所示，当采用各向异性硅腐蚀工艺时，将诸如氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)等碱性溶液注入窄槽 209中，对单晶硅片201进行腐蚀。由于腐蚀的各向异性，所述硅膜213形成面向腔体210 的收缩端(未标号)，并且所述收缩端沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。当然，在其它实施方式中，所述剖面也可以为矩形等其它形状。当采用各向异性深反应离子硅刻蚀(DRIE) 工艺时，将反应离子通过窄槽209射入单晶硅片201中对其进行刻蚀，通过合适的工艺参数也可以得到硅膜213。请比照图5(b)所示，使用各向同性深反应离子刻蚀工艺也可以得到硅膜213。当然，上述对单晶硅片201进行处理的步骤同样可以采用各向异性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。(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。(7).如图对所示，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).如图沈及图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。依照本方法制作出来的单晶硅薄膜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)。实施例五在前述制造薄膜、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)的单独制造或单片集成制造。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).如图观及图四所示，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，采用同实施例三及实施例四的方法，采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺对单晶硅片301进行处理，得到腔体305及硅膜 3051，所述腔体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应位于腔体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，采用光刻、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，图观至图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，可以不需要步骤(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。当然，也可以采用与实施例三同样的工艺，在单晶硅薄膜306上制作一个与压力传感器的腔体305相连通的质量块，所述质量块为可动结构，这样的好处可以增加应力集中，使得该压力传感器在同样面积的情况下可以提高分辨率，更加适用于微压测量。依照本方法制作出来的单晶硅薄膜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。利用本发明的方法制作出来的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。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、自正面向下延伸的网状硅膜3051、位于网状硅膜3051下方且与网状硅膜3051连通的
15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。所述网状硅膜3051设有面向腔体305的收缩端，并且所述收缩端沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。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传感器是压阻式加速度传感器时，所述单晶硅片301包括与腔体305连通的质量块以及悬臂梁，所述压阻307位于悬臂梁上。质量块以及悬臂梁为可动结构。当然，当 MEMS传感器是压力传感器时，同样也可以在单晶硅片301上制作一个与腔体305连通的质量块，所述质量块为可动结构，这样的好处可以增加应力集中，使得该压力传感器在同样面积的情况下可以提高分辨率，更加适用于微压测量。 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
权利要求
1.一种MEMS传感器用薄膜的制造方法，包括如下步骤(a).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，该介质层起掩膜作用；(b).去除部分介质层以形成掩膜图形；(c).采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片的正面进行刻蚀，得到若干深孔；(d).采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺，使介质层下面的部分单晶硅片被腐蚀或刻蚀掉以形成腔体，介质层下面得以保留的单晶硅片形成网状硅膜，所述若干深孔在单晶硅片的内部通过腔体相互连通；(e).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，去除掉淀积在单晶硅片正面的介质层，使网状硅膜暴露出来；(f).最后，采用外延单晶硅工艺，以网状硅膜作为单晶硅子晶，外延出覆盖于网状硅膜上的单晶硅薄膜，所述单晶硅薄膜遮蔽深孔，并使腔体位于单晶硅薄膜的下方。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器用薄膜的制造方法，其特征在于所述介质层为氧化硅或氮化硅，所述淀积工艺为低压化学气相淀积、等离子体化学气相淀积或热氧化。
3.如权利要求1所述的MEMS传感器用薄膜的制造方法，其特征在于所述网状硅膜设有面向腔体的收缩端，并且所述收缩端沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器用薄膜的制造方法，其特征在于步骤(d)所采用的各向异性硅腐蚀工艺包括将氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液注入深孔中对单晶硅片进行腐蚀。
5.如权利要求1所述的MEMS传感器用薄膜的制造方法，其特征在于所述步骤(e)中的介质层是用缓冲氢氟酸腐蚀掉或用反应离子刻蚀工艺去除掉的。
6.一种MEMS传感器用薄膜的制造方法，包括如下步骤(a).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，该介质层起掩膜作用；(b).去除部分介质层以形成掩膜图形；(c).采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片的正面进行刻蚀，得到若干深孔；(d).采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺，使介质层下面的部分单晶硅片被腐蚀或刻蚀掉以形成腔体，介质层下面得以保留的单晶硅片形成网状硅膜，所述若干深孔在单晶硅片的内部通过腔体相互连通；(e).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，去除掉淀积在单晶硅片正面的介质层，使网状硅膜暴露出来；(f).采用淀积工艺形成覆盖在网状硅膜上的淀积薄膜，所述淀积薄膜填充深孔以将腔体封闭；(g).最后，去除覆盖在网状硅膜上的淀积薄膜，以暴露出网状硅膜及填充在深孔内的淀积薄膜，所述网状硅膜及填充在深孔内的淀积薄膜形成MEMS传感器用薄膜。
7.如权利要求6所述的MEMS传感器用薄膜的制造方法，其特征在于各向同性深反应离子硅刻蚀工艺首先包括在深孔的侧壁上形成钝化层的钝化步骤，以及将反应离子通过深孔射入到单晶硅片内进行各向同性刻蚀的步骤。
8.一种MEMS传感器用质量块的制造方法，包括如下步骤(a).采用刻蚀工艺在单晶硅片的正面刻蚀出深槽；(b).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，并且使介质层填充深槽以形成牺牲层；(c).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去掉单晶硅片表面的介质层，而牺牲层不会被去除；然后，采用外延单晶硅工艺，在单晶硅片的表面外延出单晶硅薄膜；(d).去除部分单晶硅薄膜以得到质量块的图形；(e).在单晶硅片的背面进行光刻、深反应离子硅刻蚀工艺形成背腔，并使所述质量块与其余单晶硅片通过牺牲层隔开；(f).最后，腐蚀去除牺牲层使其余单晶硅片与质量块分离，进而使质量块得到释放成为可动结构。
9.如权利要求8所述的MEMS传感器用质量块的制造方法，其特征在于所述介质层为氧化硅或氮化硅，所述步骤(b)中的淀积工艺为低压化学气相淀积、等离子体化学气相淀积或热氧化。
10.如权利要求8所述的MEMS传感器用质量块的制造方法，其特征在于所述步骤(c) 中的介质层是用缓冲氢氟酸腐蚀掉或用反应离子刻蚀工艺去除掉的。
11.一种MEMS传感器用悬臂梁的制造方法，包括如下步骤(a).采用刻蚀工艺在单晶硅片的正面刻蚀出深槽；(b).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，并且使介质层填充深槽以形成牺牲层，该介质层在刻蚀或湿法腐蚀工艺时起掩膜作用；(c).然后在单晶硅片的正面形成掩膜图形；(d).采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片的正面进行刻蚀得到若干深孔；(e).采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺，使介质层下面的部分单晶硅片被腐蚀或刻蚀掉以形成腔体，所述腔体停止在牺牲层上，介质层下面得以保留的单晶硅片形成梁形状硅膜，所述若干深孔在单晶硅片的内部通过腔体相互连通；(f).采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去掉单晶硅片正面的介质层，以暴露出梁形状硅膜；(g).采用外延单晶硅工艺，以梁形状硅膜作为单晶硅子晶，外延出覆盖于梁形状硅膜上的单晶硅薄膜，所述单晶硅薄膜遮蔽深孔，并使腔体位于单晶硅薄膜的下方；(h).在单晶硅薄膜上刻蚀出悬臂梁的图形；(i).再从单晶硅片的背面采用光刻、深反应离子硅刻蚀工艺形成背腔，并使背腔与腔体通过牺牲层相互隔离；(j).最后，从背腔对牺牲层采用湿法腐蚀工艺进行去除，使背腔与腔体连通，进而使悬臂梁得到释放而成为可动结构。
12.如权利要求11所述的MEMS传感器用悬臂梁的制造方法，其特征在于所述介质层为氧化硅或氮化硅，所述步骤(b)中的淀积工艺为低压化学气相淀积、等离子体化学气相淀积或热氧化。
13.如权利要求11所述的MEMS传感器用悬臂梁的制造方法，其特征在于所述硅膜设有面向腔体的收缩端，并且所述收缩端沿平行于竖直面的剖面为倒三角形。
14.如权利要求11所述的MEMS传感器用悬臂梁的制造方法，其特征在于步骤(e)所采用的各向异性硅腐蚀工艺包括将氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液注入深孔中对单晶硅片进行腐蚀；所述步骤(f)中的介质层是用缓冲氢氟酸腐蚀掉或用反应离子刻蚀工艺去除掉的。
15.一种MEMS传感器的制造方法，包括如下步骤(a).采用刻蚀工艺在单晶硅片的正面刻蚀出深槽；(b).采用淀积工艺在单晶硅片的正面形成介质层，并且使介质层填充深槽以形成牺牲层；(c).对单晶硅片进行腐蚀或刻蚀使介质层下面的部分单晶硅片被腐蚀或刻蚀掉以形成腔体，所述腔体停止在牺牲层上，介质层下面得以保留的单晶硅片形成网状硅膜；(d).采用缓冲氢氟酸去掉单晶硅片正面的介质层使网状硅膜暴露出来，而牺牲层未被去掉，再采用外延单晶硅工艺形成覆盖在网状硅膜上的单晶硅薄膜；(e).在单晶硅薄膜上制作压阻；(f).在单晶硅薄膜上覆盖钝化层；(g).在钝化层上刻蚀出通孔，用于后续通过金属走线引出压阻；(h).采用金属淀积、光刻、金属腐蚀工艺得到金属走线以及金属压点，并使金属压点与压阻连接；(i).采用光刻及深反应离子硅刻蚀工艺从单晶硅片的背面刻蚀出背腔，并使背腔与腔体通过牺牲层隔开；(j).采用湿法腐蚀工艺去掉牺牲层使背腔与腔体连通以形成MEMS传感器。
16.如权利要求15所述的MEMS传感器的制造方法，其特征在于所述步骤(b)与(c) 之间还包括采用深反应离子硅刻蚀工艺在单晶硅片的正面进行刻蚀以得到若干深孔的步骤以及采用各向异性深反应离子刻蚀工艺与各向异性硅腐蚀工艺的组合、或者单独使用各向异性深反应离子刻蚀工艺、或者单独使用各向同性深反应离子刻蚀工艺对单晶硅片进行刻蚀或腐蚀的步骤，各深孔在单晶硅片的内部通过腔体相互连通。
17.如权利要求15所述的MEMS传感器的制造方法，其特征在于所述介质层为氧化硅或氮化硅，步骤(j)中的牺牲层是用缓冲氢氟酸腐蚀掉或用反应离子刻蚀工艺去除掉的。
18.如权利要求15所述的MEMS传感器的制造方法，其特征在于步骤(f)中的钝化层是通过低压化学气相淀积或等离子体化学气相淀积方法制作的，所述钝化层材料是氧化硅或氮化硅。
19.如权利要求15所述的MEMS传感器的制造方法，其特征在于所述MEMS传感器为加速度传感器，步骤(h)与步骤(i)之间还包括在钝化层上刻蚀出质量块以及悬臂梁的图形的步骤，所述压阻即位于悬臂梁上或腔体上方的单晶硅薄膜上。
20.如权利要求15所述的MEMS传感器的制造方法，其特征在于所述MEMS传感器为压力传感器，所述制造方法还包括形成与腔体相连通的质量块的步骤，并且所述质量块为可动结构。
21.—种MEMS传感器，其特征在于包括单晶硅片、覆盖在单晶硅片上的单晶硅薄膜及形成在单晶硅薄膜上的压阻，所述单晶硅片包括正面、背面、自正面向下延伸的网状硅膜、 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。
22.如权利要求21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。
23.如权利要求21所述的MEMS传感器，其特征在于所述深槽沿竖直方向延伸，且所述背腔与腔体相互偏移。
24.如权利要求21所述的MEMS传感器，其特征在于所述MEMS传感器为加速度传感器，所述单晶硅片包括与腔体连通的质量块以及悬臂梁，所述质量块以及悬臂梁均为可动结构，所述压阻位于悬臂梁上。
25.如权利要求21所述的MEMS传感器，其特征在于所述MEMS传感器为压力传感器， 所述单晶硅片包括与腔体连通的质量块，所述质量块为可动结构。
全文摘要
本发明揭示了一种MEMS传感器及其应用于多种MEMS传感器制造的薄膜、质量块与悬臂梁的制造方法，该方法采用硅片正面刻蚀工艺结合淀积、外延工艺、湿法腐蚀、背面刻蚀等工艺形成感压单晶硅薄膜、悬臂梁、质量块、前腔、后腔及深槽通道，能够有效控制单晶硅薄膜的厚度，可取代传统的只从硅片背面腐蚀形成背腔以及单晶硅薄膜的方法。
文档编号B81C1/00GK102190284SQ201010261039
公开日2011年9月21日 申请日期2010年8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