Mems器件的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种MEMS器件的制造方法包括步骤：提供第一半导体基底；在第一半导体基底上形成图案层和嵌在图案层内的牺牲层；在图案层和牺牲层上键合第二半导体基底；研磨第二半导体基底到一定厚度；利用第二半导体基底形成悬浮的微机械结构；在第二半导体基底上方形成封装膜层，去除牺牲层，将所述微机械结构封闭在空腔内，本发明的MEMS器件的制造方法，使得MEMS结构的体积更小，精确度更高。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种MEMS器件，尤其涉及一种MEMS器件的制造方法。 MEMS器件的制造方法
【背景技术】
[0002] 微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)是一种可集成化生产， 集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路于一体的微型器件或系统。 它是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。采用 MEMS技术的微电子器件在航空、航天、环境监控、生物医学以及几乎人们所接触到的所有领 域中有着十分广阔的应用前景。
[0003] 现有的MEMS器件的制造方法通常为在半导体基底上形成图案层和牺牲层，然后 在其上形成介质层，用所述介质层制作MEMS器件的悬浮的微机械结构，将牺牲层去除，再 将MEMS器件密封起来。
[0004] 如图1所示的一种现有的MEMS器件制作方法的流程示意图，基本步骤包括：步骤 S101、提供半导体衬底，所述半导体衬底为MEMS器件的底层半导体结构。步骤S102、在所述 半导体衬底的表面形成第一牺牲层，所述第一牺牲层的材质为无定形碳，根据MEMS器件中 容纳微机械结构所需的空间尺寸，选择所述第一牺牲层的厚度。步骤S103、刻蚀所述第一牺 牲层形成第一凹槽。步骤S104、在所述第一牺牲层表面覆盖形成第一介质层。步骤S105、 采用化学机械研磨工艺减薄所述第一介质层，直至露出所述第一牺牲层。步骤S106、在所述 第一介质层以及第一牺牲层表面CVD的方法淀积第二介质层，利用第二介质层形成悬浮的 微机械结构，并曝露出第一牺牲层。步骤S107、去除第一牺牲层，并将微机械结构密封。
[0005] 但是现有的MEMS器件制作方法常采用CVD的方法形成制作悬浮的微机械结构的 膜层即第二介质层，因此这层介质层的厚度很难做的很薄，因此现有的MEMS器件的制作方 法精确度较低，并且MEMS器件的厚度很难减小，精确度很难提高。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是现有的MEMS器件的制造方法精确度较低问题。
[0007] 为了解决上述问题，本发明提供了一种MEMS器件的制造方法，包括步骤：提供第 一半导体基底；在第一半导体基底上形成图案层和嵌在图案层内的牺牲层；在图案层和牺 牲层上键合第二半导体基底；研磨第二半导体基底到一定厚度；利用第二半导体基底形成 悬浮的微机械结构；在第二半导体基底上方形成封装膜层，去除牺牲层，将所述微机械结构 封闭在空腔内。
[0008] 可选的，所述一定厚度为1〇-50μ。
[0009] 可选的，所述第二半导体基底的材料为单晶硅。
[0010] 可选的，所述第二半导体基底为单晶硅晶圆。
[0011] 可选的，所述键合为低温键合或高温键合。
[0012] 可选的，所述牺牲层的材料为无定型碳。
[0013] 可选的，所述图案层的材料为：二氧化硅。
[0014] 可选的，所述第一半导体基底内形成有M0S电路。
[0015] 可选的，所述去除牺牲层之前还包括：刻蚀第二半导体基底形成暴露牺牲层的开 口；所述去除牺牲层为利用所述开口去除牺牲层；在去除牺牲层之后还包括将所述开口封 闭的步骤。
[0016] 可选的，在形成微机械结构之后还包括在第二半导体基底上方形成牺牲层，所述 去除牺牲层的步骤包括一起去除第二半导体基底下方和上方的牺牲层。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0018] 本发明的MEMS器件的制造方法采用了键合的方法在第一半导体基底上形成制作 悬浮的微机械结构的第二半导体基底，摒弃了传统技术采用CVD的方法形成，从而改进了 传统的形成制作悬浮的微机械结构的膜层厚度不好控制的问题，使得MEMS结构的体积更 小，精确度更高。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 通过参照附图更详细地描述示范性实施例，以上和其它的特征以及优点对于本领 域技术人员将变得更加明显，附图中：
[0020] 图1为现有的MEMS器件的制造方法流程图；
[0021] 图2为本发明的MEMS器件的制造方法流程图；
[0022] 图3至图6为本发明一个实施例的MEMS器件的制造方法的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明。
[0024] 在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不 同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类 似推广。因此本发明不受下面公开的【具体实施方式】的限制。
[0025] 图2为本发明的MEMS器件的制造方法流程图；图3至图9为本发明一个实施例的 MEMS器件的制造方法的结构示意图。下面结合图2至图9对本发明的MEMS器件的制造方 法进行详细说明。
[0026] 如图2所示，本发明的MEMS器件的制造方法包括步骤：
[0027] S210 :提供第一半导体基底。
[0028] 如图3所示，所述第一半导体基底30在本实施例中包括单晶硅晶圆31，在晶圆31 上形成的氧化硅外延层32,在氧化硅外延层32中形成有M0S电路33,例如驱动电路或者控 制电路。在氧化硅外延层32中还形成有金属互连层34以及下电极板35。所述金属互连层 34用于与本实施例所述MEMS器件的微机械结构(悬臂）电连接；所述下电极板35作为驱动 层，位于第一半导体基底30的表面区域。
[0029] S220 :在第一半导体基底上形成图案层和嵌在图案层内的牺牲层。
[0030] 具体的，如图3所不，在第一半导体基底30表面形成牺牲层36,所述牺牲层36用 于形成悬浮的微机械结构的下空间，其厚度不小于悬浮的微机械结构的悬臂向下弯曲的行 程。本实施例中，所述牺牲层36的材质为无定形碳，采用化学气相沉积形成。
[0031] 然后，刻蚀所述牺牲层36,形成凹槽。所述刻蚀可以为等离子刻蚀，无定形碳虽然 难以与其他物质产生化学反应，但是由于性质疏松，因此较容易被等离子刻蚀等具有物理 轰击效果的干法刻蚀工艺所去除。具体的，采用光刻工艺在牺牲层36表面形成光刻胶掩 模，并以第一半导体基底30为刻蚀停止层刻蚀所述牺牲层36,形成所需的凹槽。所述凹槽 底部露出第一半导体基底30,且对准金属互连层34,以便于在凹槽内制作与金属互连层34 连接的接触孔。
[0032] 所述凹槽将牺牲层36分割成独立的方形区域，且在所述方形区域内、牺牲层36的 底部对准所述下电极板35。如图3所示，在上述第一半导体基底30以及牺牲层36的表面 形成第一介质层37,所述第一介质层37填充于凹槽内，还覆盖于第一牺牲层36表面。所 述第一介质层37的材质可以为氧化硅或氮化硅等常规的半导体介质材料，采用化学气相 沉积工艺形成。接着，采用化学机械研磨，减薄所述第一介质层37直至露出牺牲层的表面。 由于无定形碳难以与抛光液反应，因此抛光速度极慢，上述化学机械研磨工艺很容易停滞 于牺牲层36表面。当牺牲层36表面的第一介质层37被研磨完后，所述第一介质层37仅 存留原凹槽内的部分，且第一介质层的顶部表面与牺牲层相平齐。所述第一介质层37即为 图案层，且材料可以为二氧化硅等硅化合物。
[0033] 如图3所示，在所述第一介质层37内制作接触孔38,所述接触孔38与第一半导体 基底30内的金属互连层34连接。
[0034] S230 :在图案层和牺牲层上键合第二半导体基底；研磨第二半导体基底到一定厚 度；所述第二半导体基底的材料为单晶硅。
[0035] 如图4所示，在本实施例中为单晶硅晶圆，所述键合为低温键合或高温键合。例如 在键合所述第一半导体基底30和第二半导体基底40的步骤中，在压力作用下将第一半导 体基底30和第二半导体基底40靠紧，并将所述第一半导体基底30和所述第二半导体基底 40加热到100°C _450°C，晶圆键合的化学键产生的压力能够使得不需要外部压力即可第一 半导体基底30中的图案层37和第二半导体基底40彼此接触。键合的第一半导体基底30 的图案层37和第二半导体基底40的晶圆之间形成强烈的化学键而键合。为了缩短形成化 学键的键合时间，在室温键合后进行低温退火处理。随着温度的上升，退火时间缩短。例如 我们可以在l〇〇°C下退火5小时，可以在150°C下退火1小时，可以在250°C下退火20分钟， 还可以在450°C下退火1分钟。
[0036] 通过键合，第一半导体基底30和第二半导体基底40键合界面处形成了无缝键合， 从而极大的提高了键合强度。
[0037] 在键和之后，研磨第二半导体基底40到一定厚度；所述一定厚度为适合制作悬浮 的微机械结构的厚度，由于悬浮的微机械结构的重量越小则灵敏度越高，因此所述的一定 厚度越小则形成的MEMS的灵敏度越高。所述的研磨为化学机械研磨，例如可以采用传统的 研磨半导体晶圆的方法进行研磨。
[0038] 在传统方法中通常是在第一半导体基底30上形成制作悬浮的微机械结构的膜 层，例如采用化学气相沉积（CVD)的方法。但是这样形成的膜层一方面和第一半导体基底 30表面结合的可靠性较差；另一方面，很难形成的很薄，形成的介质层通过研磨通常也在 50微米以上，这样形成的悬浮的微机械结构的厚度也较厚，重量也较大，不利于提高MEMS 结构的敏感性；并且由于CVD不能形成单晶结构，所以该膜层形成的悬浮的微机械结构的 稳定性不高，在研磨减薄的步骤中也很容易和第一半导体基底脱离。
[0039] 在本发明中采用了键合的方法形成的第二半导体基底40,因此和第一半导体基底 30结合的可靠性更好，由于是采用键合现成的结构，而且晶圆可以研磨到很薄的厚度，因此 第二半导体基底40的厚度可以在10-50 μ m;而且可以采用单晶的晶圆，这样制作的悬浮的 微机械结构的稳定性更高。
[0040] S240 :利用第二半导体基底形成悬浮的微机械结构。
[0041] 如图5所示，该步骤为本领域技术人员所熟知的步骤，例如采用光刻的方法形成 所需结构，例如悬臂50,因此不再赘述。
[0042] S250:在第二半导体基底上方形成封装膜层，去除牺牲层，将所述微机械结构封闭 在空腔内。
[0043] 在本实施例中具体的可以先刻蚀第二半导体基底形成暴露牺牲层的开口，如图5 所示，可以采用光刻的方法在第二半导体基底40中形成开口或者通孔51，从而暴露其底部 的牺牲层36。接着，在第二半导体基底上方形成另一牺牲层52,该牺牲层可以和第二半导 体基底下方的牺牲层用相同的方法和材料形成，不再赘述。在另一牺牲层52上形成封装膜 层53,例如可以采用CVD的方法形成二氧化硅层或其他硅化合物层，在封装膜层中形成开 口，然后利用封装膜层的开口和第二半导体基底中的开口去除牺牲层，具体的，参考图6,本 实施例中可以向通孔内通入氧气，并进行灰化工艺去除牺牲层，所述灰化工艺的温度范围 为350° C?450° C。无定形碳在上述温度下能够被氧化成二氧化碳或一氧化碳气体，而 通过通孔排出，上述牺牲层将被彻底地去除，而器件的其余部分并不会受到影响，便形成了 微机械结构层（即悬臂）的下空间和上空间。此时所述悬臂仅有一端被固定，而另一端则悬 浮于上述空间内，能够进行向上或向下的弯曲动作。
[0044] 然后，将所述开口封闭，可以采用化学气相沉积工艺，在封装膜层的表面形成覆盖 所述开口的覆盖层。当上述开口被堵塞后，就将所述微机械结构封闭在一密闭空腔内。
[0045] 另外也可以采用键合的方法在第二半导体基底上方形成封装膜层。
[〇〇46] 虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应 当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1. 一种MEMS器件的制造方法，其特征在于， 包括步骤： 提供第一半导体基底； 在第一半导体基底上形成图案层和嵌在图案层内的牺牲层； 在图案层和牺牲层上键合第二半导体基底； 研磨第二半导体基底到一定厚度； 利用第二半导体基底形成悬浮的微机械结构； 在第二半导体基底上方形成封装膜层，去除牺牲层，将所述微机械结构封闭在空腔内。
2. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述一定厚度为 10-50 μ m〇
3. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为无定 型碳。
4. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述第二半导体基底的材 料为单晶娃。
5. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述第二半导体基底为单 晶娃晶圆。
6. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述键合为低温键合或高 温键合。
7. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述图案层的材料为：二 氧化硅。
8. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述第一半导体基底内形 成有MOS电路。
9. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，所述去除牺牲层之前还包 括：刻蚀第二半导体基底形成暴露牺牲层的开口；所述去除牺牲层为利用所述开口去除牺 牲层；在去除牺牲层之后还包括将所述开口封闭的步骤。
10. 如权利要求1所述的MEMS器件的制造方法，其特征在于，在形成微机械结构之后还 包括在第二半导体基底上方形成牺牲层，所述去除牺牲层的步骤包括一起去除第二半导体 基底下方和上方的牺牲层。
【文档编号】B81C3/00GK104058367SQ201310095737
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2013年3月22日
【发明者】毛剑宏, 唐德明 申请人:上海丽恒光微电子科技有限公司