具有抗裂膜结构的微机电系统器件及其制造方法
具有抗裂膜结构的微机电系统器件及其制造方法
【专利摘要】提供了抗裂微机电系统(MEMS)器件及其制造方法。在一个实施例中，所述方法包括：在衬底上形成牺牲体；在所述衬底上制造多层膜结构，以及去除至少一部分所述牺牲体以在所述多层膜结构内形成内腔。所述多层膜结构是通过在所述牺牲体上和周围形成基膜层使得所述基膜层具有不平的上表面制造的。然后将预定厚度的基膜层去除以赋予所述基膜层平的上表面。在所述基膜层的所述平的上表面上形成的盖膜层包括具有基本平行的晶粒取向的多晶硅的材料。
【专利说明】具有抗裂膜结构的微机电系统器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例通常涉及微机电系统器件，更具体地说，涉及微机电系统(MEMS)压力传感器和其它封闭腔的MEMS器件以及制造这些MEMS器件的方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)器件在各种不同的应用程序中被用作致动器、开关和传感器(例如，惯性传感器、压力传感器等等)。例如，很多电子器件利用MEMS电容压力传感器来检测周围流体(例如，空气)的压力变化。按照常见的设计，MEMS电容压力传感器通过测量包封了被密封地封闭的包含已知的参考压力的腔的至少一个柔性多晶硅膜片来运行。参考压力作用于柔性多晶硅膜片的内侧的面，而膜片的相对的面被暴露于对其进行压力测量的流体。在MEMS传感器操作期间，膜片随着外部压力的变化以及跨膜片的主体的压力差的相应的变化而发生偏转。膜片的下方提供有电极(通常被称为“底板”)，并通过垂直间隙与膜片隔开。由于柔性膜也是由导电多晶硅材料制造的，膜就充当了与底板形成电容耦合的顶极板。该电容随着导电膜片朝向或远离底极板变形而发生变化。因此，通过测量该电容的变化，可以确定作用于膜片的暴露的面上的外部压力的变化。
【发明内容】
[0003]根据本公开的一个实施例，提供了一种制造微机电系统(MEMS)器件的方法,所述方法包括:在衬底上形成牺牲体；在所述衬底上制造多层膜结构，其中所述制造包括:在所述牺牲体上和周围形成基膜层使得所述基膜层有不平的上表面；从所述基膜层的顶部去除预定厚度的材料以赋予所述基膜层以平的上表面；在所述基膜层的所述平的上表面上形成盖膜层，所述盖膜层包括在所述盖膜层和所述基膜层之间的界面处的具有基本平行的晶粒取向的多晶硅；以及去除至少一部分所述牺牲体以在所述多层膜结构内形成内腔。
[0004]根据本公开的另一实施例，提供了一种制造微机电系统(MEMS)器件的方法，所述方法包括:在衬底上形成感测电极；在所述感测电极上沉积感测电介质层；在所述电介质层上形成牺牲体；通过形成多个多晶硅层和把要在其上沉积附加多晶硅层的至少一个多晶硅层平坦化，在所述牺牲体上构建多层多晶硅膜，使得至少所述多层多晶硅膜的最上层被赋予基本平行的晶粒结构；形成穿过所述多层多晶硅膜到达所述牺牲体的至少一个通道；去除至少一部分所述牺牲体以形成至少部分地被所述多层多晶硅膜包封的内腔；以及在所述至少一个通道中形成塞子以密封地封闭所述内腔。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]在下文中，将结合以下【专利附图】
【附图说明】本发明的至少一个例子，其中类似的数字表示类似的元件，并且:
[0006]图1是根据现有技术所教之内容示出的MEMS电容压力传感器(部分地示出)的简化横截面图，所述传感器包括相邻的多晶硅膜结构，其中所述多晶硅膜结构各自包封被密封地封闭的腔；
[0007]图2是图1中所示出的多晶硅膜结构之一的外角区域的横截面图，其一般性地示出了不规则的或非平行的晶粒结构；
[0008]图3是图1中所示出的MEMS电容压力传感器的顶表面的光学显微镜图像，其示出了裂纹可能在多晶硅膜结构内形成并朝向附近的膜片区域的中心线扩展的一种方式；
[0009]图4-图11示出了根据本发明的第一示例实施例制造的有抗裂多层膜结构的MEMS电容压力传感器在不同制造阶段的横截面图；
[0010]图12是示出了图11中所示出的层膜结构的外角区域的基本平行的晶粒结构的横截面图，该结构可以抵抗裂纹的形成和扩展；
[0011]图13-图16示出了根据本发明的第二示例实施例制造的有抗裂多层膜结构的MEMS电容压力传感器的在不同制造阶段的横截面图；以及
[0012]图17是示出了图16中所示出的层膜结构的外角区域的基本平行的晶粒结构的横截面图，该结构可以抵抗裂纹。
[0013]为了说明的简便以及清晰，附图示出了一般性构造方式，并且在随后的“【具体实施方式】”部分中，可能省略众所周知的特征和技术的描述、说明以及细节，以避免不必要地模糊了本发明的示例性的而非限制性的实施例。此外，应了解附图中出现的特征或元件并不必然按比例绘制，除非以另外的方式明确说明。例如，附图中的一些元件或区域的尺寸可以相对于其它元件或区域夸大，以帮助提高对本发明实施例的理解。
【具体实施方式】
[0014]以下的详细说明仅仅是示例性的，并不意图用于限制本发明或本申请以及本发明的用途。在此被描述为示例性的任何实施方式不应被解释为优选于或优于其它实施。此外，本发明不应受先前的【背景技术】或以下的详细说明中所呈现的任何理论的限制。
[0015]说明书以及随后的权利要求中的术语，诸如“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等(如果有的话)可以用于区分相似元件，并且并不必然用于指示的特定的顺序或时间上的顺序。这些术语因此可以互换地使用。此外，本发明的实施例能够以与在此所示出或以其它方式说明的顺序不同于的顺序操作。如在此还出现的，术语“包括”、“包含”、“有”等等旨在涵盖非排他性的包含，使得被描述为包含、包括或具有一个或多个要素的过程、方法、物品、或装置并不必然限于那些要素，而是可以包括其它没有明确列出的或是该过程、方法、物品、或装置所固有的其它要素。诸如“实质性的”、“实质性地”等等的术语用于表示特定的特征或条件足以以可实践的方式实现所说明的目的，并且对于所说明的目的，小的缺陷或变化(如果有的话)是不重要的。最后，如本发明还出现的，例如“之上、“之下”、“上”等等的术语用以表示两个结构元件或层之间的相对位置，并且并不必然表示结构元件或层之间物理接触。因此，结构或层可以被描述为在制造衬底“之上、“之下”、“上”，而不表示结构或层必然接触衬底，因为例如，一个或多个中间层的存在。
[0016]以下描述的制造方法的实施例在制造MEMS电容压力传感器方面特别有用，因此下文中主要在这样的器件的背景下进行描述。然而，应强调，以下描述的制造方法的实施例也可以用于制造其它MEMS器件，包括MEMS惯性传感器(例如，加速度计、陀螺仪、磁强计等等)和致动器，其具有至少部分地被多层膜结构包封的内腔并且通过沉积和去除牺牲材料体来制造。如将要在之下描述的，至少膜结构的最上层是由具有基本平行的晶粒结构的多晶硅形成的，该结构在晶粒取向上基本是没有不规则或不一致的，而所述不规则或不一致结构会削弱膜。在MEMS压力传感器的情况下，膜结构通常将包括柔性膜片部分，并且被膜结构包封的腔通常被密封地封闭且包含已知的参考压力。虽然如此，但是并不是在所有实施例中膜结构都需要被密封，和/或，可以不包括柔性膜片部分。例如，在替代实施例中，膜结构可以充当基本刚性的盖，该盖密封地包封传感器元件或检测质块(在MEMS器件采取加速度计或陀螺仪的形式的实施例中)、谐振器结构(在MEMS器件采取振荡器的形式的实施例中)、或类似的结构或器件。
[0017]图1是根据现有技术所教之内容示出的MEMS电容压力传感器20 (部分地示出)的简化横截面图。所示出的MEMS压力传感器20的部分包括形成于共同衬底24上的两个相邻的膜结构22，其每一都封着内部空洞或腔26。如从横截面中可以看到的，膜结构22各自包括两个相对的锚区域28和柔性膜片区域30。膜片区域30跨锚区域28横向延伸，并且有效地悬置于腔26上方。膜结构22由多晶硅形成，并且因此在下文中被称为“多晶硅膜结构22”。衬底24也可以是由导电硅材料(例如，单晶硅)制造。电介质层32形成于衬底24上，以在导电膜结构22和下面的衬底24之间提供电隔离。还在腔26内提供感测电极34，并且将其就放置在每一多晶硅膜结构22的柔性膜片区域30下方。通常会在电极34和衬底24之间形成附加电介质层，例如热生长的氧化物，但是为了清楚起见未在图1中示出。每一电极34通过在上覆的电介质层32中提供的开口而暴露，并且通过垂直间隙与其相应的膜片区域30隔开。作为这种布置的结果，创建了电容耦合，每一电极34充当下极板，相邻的导电膜片区域30充当上极板,而每一腔26内的气体或真空充当电绝缘体。
[0018]MEMS压力传感器20的内腔26被密封地封闭，并且每一都包含已知的参考压力；例如，每一内腔26可以被部分地抽空，或替代地，在密封之前用氮气或其它惰性气体加压。参考图1中所示出的示例取向，每一膜片区域30的下端的面或底表面被暴露于包含在其相应的腔26内的参考压力，而每一膜片区域30的上表面顶表面是开放或暴露于周围环境。在MEMS压力传感器20操作期间，膜片区域30的暴露的上表面被置于对其进行压力测量液体或气体连通的流体中。随着MEMS压力传感器20外部的压力的变化，跨膜片区域30的压力差也发生变化。导电膜片区域30响应于这些压力差变化向内或向外偏转，并且包括膜片区域30、电极34以及它们之间的间隙的电容结构的电容也发生相应地波动。利用未示出的电耦接于膜片区域30和电极34的互连线，可以监视电容的变化(例如，通过未示出的且封装有MEMS压力传感器20的集成电路)，并且可以计算MEMS压力传感器20外部的压力。
[0019]在MEMS压力传感器20的制造期间，膜结构22可以通过在牺牲材料体上毯式沉积(blanket deposition)多晶娃而形成,所述形牺牲材料体随后被去除以产生内腔26。从而，由于硅晶格在非平面的或不平坦的表面(即，粗糙度或特征高度大于大约0.1微米(ym)的表面)上的累积或构建，多晶硅膜结构22可以在其某些区域中，例如，膜结构22的外围边沿部或角部附近(在图1中由圆圈36表示)，被赋予不规则的或不平行的晶体结构。图2是一般性地示出了这种不规则的结晶形态的膜结构22的一个这种外沿部分的横截面图。如可以看到的，外沿部分36包括台阶式过渡区域38 ;相比于相邻的膜片区域30和锚区域28，该过渡区域具有不同的晶粒取向。跨外沿部分36的晶粒结构因此是非均匀的或非并行的，并且包括界面或边界；不同的晶粒取向在所述界面或边界处会合(在图2中由虚线41所指示)。这种不平行的晶粒边界被结构性地弱化；并且，当受到集中的机械应力时，可能会破裂或断裂。特别是，可能会在高应力集中区域，例如图2中箭头402所示的裂纹萌生点，沿着不同的结晶形态间的界面形成裂纹。在形成之后，裂纹然后可以朝向附近的膜片区域30的中心线向外扩展。参照图3可以进一步了解此，其中图3是在平面图中的MEMS压力传感器20的物理实现的光学显微镜图。在图3中，箭头40标识了裂纹萌生点，而箭头42标识了细长的裂纹，其从萌生点40朝向附近的膜片区域30的中心线向外扩展。
[0020]多晶硅膜结构22的裂纹可以由于多个原因产生问题。多晶硅膜结构22的破裂可以改变膜片区域30的结构特性，从而影响MEMS压力传感器20的电容输出的可靠性。在严重情况下，多晶硅膜结构22的破裂会危及腔26的密封的环境，从而允许气体流入或流出，从而改变了预定的参考压力，并再次使MEMS压力传感器20的输出不大可靠。由于修复有裂纹的多晶膜结构通常是不切实际的，因此有这种结构缺陷的MEMS压力传感器一般不能被回修。多晶膜结构的破裂因此会导致生产产率的重大损失；在某些生产制造过程中，损失可以高达5%。可以进行密封度测试以检测多晶膜结构的破裂；然而，这种测试成本大，并且仍可能在将MEMS压力传感器发给客户之前检测不到破裂的多晶硅膜结构。
[0021]下面说明MEMS器件(例如，MEMS电容性压力传感器)的制造方法的若干实施例，所述器件包括具有改善的机械强度和增强的对裂纹的形成和扩展的抵抗力的多层膜结构。下面描述的制造方法的实施例改善了跨至少所述膜结构的上部的多晶硅晶粒均匀性，尤其在放置于其锚区域上的上部多晶硅膜层的外围边沿或角部区域最显著。这样做时，裂纹萌生点被大大地从膜结构去除。在MEMS压力传感器的情况下，这产生了在制造和压力负荷期间不易裂开的更强的膜片。下面描述的制造方法的实施例可以有利地用于制造多种不同类型的具有至少部分地封住内部空洞或腔的膜结构的MEMS器件。通过非限定性的说明，下面结合图4-图12描述适于制造MEMS压力传感器的第一方法的例子，以及下面结合图13-图17描述适于制造MEMS电容压力传感器的第二方法的例子。
[0022]图4-图11示出了根据本发明的第一示例实施例制造的MEMS电容压力传感器50(部分地示出)在不同制造阶段的简化横截面图。如图4-图11中所示以及下面进一步说明的，MEMS压力传感器50仅仅是作为非限定性例子提供的；应强调，下面描述的制造过程可以用于制造除了电容压力传感器之外的MEMS器件。此外，下面结合图4-图11描述的制造步骤可以以替代的顺序执行；在替代实施例中，某些步骤可以省略，并且在替代实施例中，可以执行另外的步骤。对微电子器件和半导体行业内已知的结构及处理过程的描述可以是有限的，或者，可以完全省略，而不提供公知的过程细节。
[0023]首先参照图4，制造MEMS压力传感器50从提供衬底54以及在其上形成电极层52开始。衬底54可以包括至少一种半导体材料，优选包括硅。在一个实施方式中，衬底54包括通过将体硅晶片单颗化(singulation)制造的单晶硅衬底。在一个实施例中，在体硅晶片上同时制造多个压力传感器，并且稍后在处理过程中进行单颗化。然而，为了便于说明，结合图4-图11和图13-图16描述的制造方法描述了单一器件的部分。在衬底54是导电的实施例中，中间电介质层56可以形成于电极层52和衬底54的上表面之间。然后，可以在电介质层56上沉积导电材料,并将其图案化以产生电极层52,该电极层包括至少一个感测电极52(a)(图5)和导电的互连线或迹线52 (b)(图5)，其路由去往/来自感测电极的电子信号。尽管为了清晰起见在图4中未示出，但是可形成类似的互连线以路由去往或来自后续形成的膜结构(如下所述)的电子信号。通过在衬底54的上表面上生长氧化物便利地形成电介质层56 ;例如,在其中衬底54包括多晶娃的实施例中，衬底54可以在氧化环境中加热以生长其硅氧化物层。通过在电介质层56上沉积导电材料以及后续的平板印刷图案化，便利地形成电极层52。例如，电介质层56可以通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)多晶硅而形成。在一个实施例中，电介质层56生长到大约2微米(μ m)的厚度，而电极层52沉积到大约0.35微米的厚度,但是在其它实施例中，电介质层56和/或电极层52可以更厚或更薄。
[0024]如图5中所示出的，接下来，在图案化的电极层52和第一电介质层56上形成第二电介质层58。在一个实施例中，电介质层58通过沉积氮化物形成，其可以被沉积到大约0.5微米的厚度，然而电介质层58也可以更厚或更薄。沉积之后，电介质层58被图案化以创建至少一个电极开口 60 ;感测电极52 (a)通过该开口至少部分地被暴露。然后在衬底54上沉积牺牲材料层或体62 (在此被称为“牺牲体62”)，特别是，沉积到电介质层58上、在电极开口 60内、以及在感测电极52 (a)上，以产生图6中所示的结构。牺牲体62可以通过沉积任何适于随后的去除的材料来形成；下面如结合图9-图12描述的，所述去除例如利用湿法蚀刻以在后续制造的多层膜结构64、74内产生一个或多个腔。在形成自牺牲体62的层的沉积之后，该层然后被图案化以限定牺牲体62，并赋予体62以期望的宽度和长度。在一个实施例中，牺牲体62通过沉积磷硅酸盐玻璃(PSG)形成，该磷硅酸盐玻璃随后可以通过利用氟化氢(HF)蚀刻化学剂被去除。适合于形成牺牲体的其它材料包括，但不限于:未掺杂的氧化硅或硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)。作为非限定性的例子，牺牲体62可以被沉积到大约0.5微米的厚度，然而在其它实施例中，牺牲体62可以更厚或更薄。
[0025]继续说明示例的MEMS制造方法，现在参照图7，接下来，在牺牲体62上和周围形成第一或基膜层64。更具体地说，基膜层64直接沉积在牺牲体62上，并且横向延伸超出体62的边沿，以在横截面中限定两个相对的锚区域66和横向伸长的体或桥区域67，其横向延伸于锚区域66之间和牺牲体62之上。在所示出的例子中，当自上向下或平面图看时，基膜层64完全包封或围绕牺牲体62，并且锚区域66共同形成围绕体62延伸的环形结构。如将要在下面描述的，后来在抛光处理之后在基膜层64上沉积包括多晶硅的盖膜层。因此，为了促进接合并且最小化热膨胀系数(CTE)的任何不匹配，基膜层64优选通过沉积具有与形成盖膜层的多晶硅基本相同的组成的多晶硅形成；然而，在任何意义上都并不排除基膜层64可以由不同的材料制造的可能性。基膜层64可以被沉积到大约2微米的厚度，然而薄膜层64的厚度可以根据不同实施例而不同。应理解，由于层64的主要部分可以在下面结合图8描述的抛光处理期间被去除，因此层64的厚度在某种程度是任意的。
[0026]作为接合其上已经沉积基膜层64的表面的不规则的表面拓扑采取的用于形成基膜层64的沉积过程的固有结果(由于在从牺牲体62到电介质层58的转移时高度的降低导致)，薄膜层64被沿着其上表面68同样赋予了非平面的或不平坦的几何结构。例如，如图7中所示的，基膜层64的外围边沿或角区域70包括台阶式特征，其与其上已经沉积了膜层64的牺牲体62的侧壁和锚区域66之间的界面垂直对齐。当三维地考虑时，这些台阶式特征可以是在基膜层64的整个周界周围延伸的连续凸部(ledge)或支架(shelf)。这些台阶式特征的高度可以例如近似是牺牲体62的高度(例如，大约0.5微米，在图7中标示为“H/’)。注意，在基膜层64包括多晶硅的实施例中，基膜层64的外边沿或角区域70处的形态可以类似于上面结合图2描述的MEMS压力传感器20的角区域36的不规则的或不平行形态。
[0027]为了从基膜层64的上部区域去除不想要的晶粒结构，至少实质性地部分地，基膜层64的上部区域被去除。尽管在一个实施例中，这可以通过利用例如蚀刻工艺完成，但是优选执行抛光处理以去除基膜层64的上部区域。更具体地，可以使用化学机械抛光(CMP)工艺来从基膜层64去除预定厚度和赋予层64以平面的上表面；例如，在CMP抛光处理之后，膜层64的上表面可以具有小于大约0.1微米的表面粗糙度或特征高度，然而在某些实施例中，表面粗糙度或特征高度可以更大。在一些优选实施方式中，从基膜层64去除的厚度足以从外边沿或角区域70整体消除台阶式特征，同时该厚度被充分限制以保存上覆牺牲体62的桥区域67的部分。考虑到这方面，在抛光处理中去除的预定厚度可以大于或等于图7中所示出的台阶式特征高度(例如，大约0.5微米)同时小于基膜层64的桥区域67的厚度。在其中桥区域67有大约2微米的厚度的一个实施例中，根据抛光处理去除的预定厚度可以大约是I微米，然而在不同的实施例中，去除的预定厚度可以不同。图8中示出了这种部分CMP抛光的结果。如可以看到的，基膜层64被赋予了基膜层64的平的上表面72，并且如最初沉积的台阶式的外围角区域70 (图7)现在已被去除。
[0028]上述抛光处理之后，参照图9，第二或盖膜层74沉积在基膜层64的新的平坦化的上表面72上。盖膜层74通过使用例如CVD或PVD沉积技术沉积多晶硅而形成。由于基膜层64的平的表面形貌，如下面将结合图12全面讨论的，盖膜层74的上表面75也被赋予了平的形貌和基本平行的晶粒结构。盖膜层74可以有效地代替在抛光处理期间从基膜层64去除的材料。盖膜层74和基膜层64共同形成了包括了柔性膜片区域77的多层膜结构64、74,其中柔性膜片区域77横向延伸于锚区域66之间。在一个实施例中，盖膜层74被利用CVD或PVD工艺沉积到足以赋予膜片区域77以大约在1.0微米和3.0微米之间的厚度(尤其是，大约2.0微米的厚度)的厚度，然而膜片区域77也可以更厚或更薄。作为非限定性例子，多层膜结构64、74的高度可以小于或等于其宽度和长度，使得多层膜结构64、74通常将不被考虑为高深宽比结构；例如，在一个实施例中，膜结构64、74的高度可以在大约I微米和大约5微米之间，结构64、74的宽度可以在大约30微米和大约80微米之间，而膜结构64,74的长度可以在大约100微米和大约300微米之间，然而这些尺寸也可以更大或更小。
[0029]在沉积盖膜层74之后，从多层膜结构64、74的膜片区域77的顶面75蚀刻至少一个通孔、开口或通道76到牺牲体62 (在图9中示出)。在所示出的层64和74形成膜片区域77的例子中，通道76可以蚀刻通过盖膜层74和基膜层64。通道76可以通过利用各向异性干法刻蚀形成，可以利用硅选择性的化学剂(例如氢氧化钾(KOH)或氢氧化四甲基铵(TMAH)蚀刻化学剂)来执行。通道76使得牺牲体62能够暴露于合适的蚀刻剂并被其去除；例如，在牺牲体62由PSG组成的实施例中，可以采用湿法HF蚀刻。如图10中所示出的，去除牺牲体62导致在多层膜结构64、74内形成内部空洞或腔78。然后可以例如通过抽空腔78或用加压气体(例如，氮气)填充腔78而在腔78内生成参考压力。之后，如图11所示，可以例如通过将密封剂材料80沉积到通道76中以在通道76内形成塞子81，来密封腔78。在一个实施例中，密封剂材料80是利用使用硅烷(SiH4)或原硅酸四乙酯(Si (OC2H5) 4或“TE0S”)化学剂执行的低温等离子增强CVD或低压CVD沉积的氧化硅。如通常已知的，然后可以采用附加处理步骤来完成MEMS电容压力传感器50的制造和/或封装。
[0030]由于上述制造工艺，在双层膜结构64、74 (特别是，多晶硅盖膜层74)的外围边沿或角区域82处创建了基本均匀的或平行的晶粒结构。参照图12这可以被更充分地理解，其中图12在横截面图中一般性地示出了膜结构64、74的一个角区域82的形态或晶粒结构。如可以看到的，多晶硅盖层74以遍及的基本平行的晶粒结构为特征，包括沿着盖层74和基膜层64之间的界面(在图12中由虚线84所标识)。虽然基底膜层64中仍存在不平行的晶粒区86，但是该区域在体积上已被大大减小，并且通过周围的平行的晶粒结构大大屏蔽了机械应力。结果，多层膜结构64、74的强度增加了，并且裂纹萌生点被消除。在一个优选实施例中，多晶硅盖膜层74基本上完全由平行的晶粒结构构成。如图12中所一般性地表示的，多层膜结构64、74的顶部区域74中的晶粒结构是优选的，这是因为晶粒大部分都是平行的并且被取向以基本与衬底54的上表面垂直或正交的生长线。
[0031]因此，前面已经描述了用于制造封闭腔MEMS器件的工艺的示例实施例，其中多层膜结构构建或汇集在基衬底上，使得膜结构包括以基本平行的晶粒形态为特征的上部硅层(包括在其外周区域处)。多层膜结构的上部硅层被沉积在较低或基底膜层上，其中所述膜层已通过利用例如CMP工艺被平坦化。在上述的一个示例实施例中，CMP工艺仅仅部分地去除基膜层在牺牲体上的部分；即，再次简要参照图8，在上述工艺中，只有基膜层64的横向延伸的体或桥区域67的一部分在抛光处理期间被去除。然而，在替代实施例中，基膜层64的横向延伸的桥区域可以在CMP抛光处理期间被全部去除。这样的完整的CMP工艺的结果在图13中被示出，其中使用类似的数字来表示类似的结构元件，但添加撇号(')符号来表示器件50 (在图4-图12中所示出的)和器件50' (在图13-图17中所示出的)及它们相应特征可以视不同情况而有所不同。如从图13中可以看到的，根据这样完整的CMP抛光，只有基膜层64'的锚区域66'保留。此外，抛光处理暴露了牺牲体62'并赋予了牺牲体62'以平的上表面90'。换句话说，在CMP抛光处理期间已去除足够的厚度，不仅基本全部地消除了基膜层62'的桥部分，而且通过此暴露牺牲体62'，但抛光处理在牺牲体62'的最初暴露部分之外继续进行，以去除其上部部分并且赋予牺牲体62'与基膜层64'的平坦化的上表面72'齐平或水平的平的上表面72'。
[0032]继续参照图13中所示出的制造阶段，然后可以执行与上述类似的工艺步骤以完成MEMS压力传感器50'的制造。例如，可以在牺牲体62'和基膜层64'的平坦化的顶面上沉积具有基本平的顶面75'的盖硅层74'，从而形成了双层膜结构64'、74' (图14);可以蚀刻至少一个通道76'穿过盖硅层74'并且到牺牲体62' (图14);可以通过通道76'，通过例如暴露于湿法蚀刻剂来去除牺牲体62'，以在膜结构64'、74'内产生内部空洞或腔78' (图15);可以在腔78'内创建参考压力；以及，可以通过在通道76' (图16)上或内沉积密封剂80'来将腔78'密封。与先前的情况那样，这种制造工艺赋予了双层膜结构64'、74'的上部部分(包括膜结构64'、74'的周界角部，与锚区域66'垂直对齐)以抵抗裂纹的形成和扩展的基本平行的晶粒结构。
[0033]因此，前面已提供了 MEMS器件以及制造MEMS器件(例如，MEMS压力传感器)的方法的多个示例实施例，所述器件包括具有改善的机械强度和增强的对裂纹的形成和扩展的抵抗力的多层膜结构。上面描述的制造方法的实施例改善了跨至少所述膜结构的上部的多晶硅晶粒均匀性，尤其在上部多晶硅膜层的外围边沿或角区域处最显著。在这样做时，裂纹萌生点可以被完全地或大量地从所述膜结构消除。在MEMS压力传感器的情况下，这产生了在制造和压力负荷期间不易裂开的更强的膜片。因此，可以实现MEMS器件的生产产率和现场品质的改善。虽然上述描述为包括两个膜层，但是在其它实施例中，多层膜结构可以包括附加层。
[0034]在一个实施例中，上述的MEMS制造方法包括在衬底上沉积或以其它方式形成牺牲体，在所述衬底上制造多层膜结构，以及去除至少一部分所述牺牲体以在所述多层膜结构内形成内腔。所述多层膜结构是通过首先在所述牺牲体上和周围形成基膜层使得所述基膜层具有不平的上表面而制造的。例如通过抛光，从所述基膜层去除预定厚度以赋予所述基膜层以平的上表面。然后沉积或以其它方式在所述基膜层的所述平的上表面上形成盖膜层。所述盖膜层包括具有基本平行的晶粒取向的多晶硅组成。
[0035]在另一个实施例中，MEMS制造方法包括在衬底上形成感测电极，在所述感测电极上沉积电介质层，在所述电介质层上形成牺牲体，以及在所述牺牲体上构建或汇集多层的多晶硅膜。通过沉积或以另外的方式形成多个多晶硅层，以及把在其上沉积附加的多晶硅层的至少一个多晶硅层平坦化，来在所述牺牲体上构建多层的多晶硅膜，以使得至少所述多层的多晶硅膜的最上层被赋予基本平行的晶粒结构。通过蚀刻或以其它方式形成至少一个通过所述多层多晶硅膜到达所述牺牲体的通道。至少一部分所述牺牲体被去除或蚀刻掉，以形成至少部分地被所述多层的多晶硅膜封住的内腔，然后在所述至少一个通道中形成塞子以密封所述内腔。
[0036]前面还描述了抗裂的微加工的MEMS器件。例如，所述MEMS器件可以包括衬底、形成于所述衬底上的多层膜结构、以及至少部分地被所述多层膜结构封住的腔。所述多层膜结构依次包括基膜层和形成于所述基膜层上的盖膜层。所述盖膜层包括在所述盖膜层的所述外沿区域处具有基本平行的晶粒取向的多晶硅或其它材料。
[0037]虽然在上述详细描述中已提出了至少一个示例实施例，但应认识到，可以存在大量的变化。还应理解，示例实施例仅仅是例子，而并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性、或配置。而是，上面的详细描述将给本领域技术人员提供便捷的路线图以用于实施本发明的实施例。应理解，在示例实施例中所述的功能和元件的布置中可以进行各种变化，而不脱离所附权利要求提出的本发明范围。
【权利要求】
1.一种制造微机电系统(MEMS)器件的方法,所述方法包括: 在衬底上形成牺牲体； 在所述衬底上制造多层I吴结构，其中所述制造包括: 在所述牺牲体上和周围形成基膜层使得所述基膜层有不平的上表面； 从所述基膜层的顶部去除预定厚度的材料以赋予所述基膜层以平的上表面； 在所述基膜层的所述平的上表面上形成盖膜层，所述盖膜层包括在所述盖膜层和所述基膜层之间的界面处的具有基本平行的晶粒取向的多晶硅；以及去除至少一部分所述牺牲体以在所述多层膜结构内形成内腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基膜层是通过在所述牺牲体上和周围沉积多晶硅形成的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述基膜层的外沿部分包括具有不平行的晶粒取向的区域 ，并且其中具有不平行的晶粒取向的所述区域的至少一部分在去除所述预定厚度的处理期间被去除。
4.根据权利要求1所述的方法，在去除所述预定厚度之前，所述基膜层的外沿部分被赋予具有台阶式特征高度的台阶式特征；并且其中从所述基膜层去除的所述预定厚度等于或大于所述台阶式特征高度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括:在形成所述盖膜层之后，形成穿过所述多层膜结构并且到所述牺牲体的通道。
6.根据权利要求5所述的方法，其中去除至少一部分所述牺牲体包括通过所述通道蚀刻至少一部分的所述牺牲体以形成所述多层膜结构内的所述内腔，并且其中所述方法还包括通过填塞所述通道来密封地封闭所述内腔。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述抗裂MEMS器件包括MEMS电容性压力传感器，并且其中所述方法还包括在其密封封闭之前在所述内腔内创建已知的参考压力。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述基膜层被形成为，在横截面中包括:位于所述牺牲体相对面上的第一和第二锚区域；以及横向地延伸于所述第一和第二锚区域之间的桥部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中去除所述预定厚度包括利用化学机械抛光处理以部分地去除所述基膜层的所述桥部分，使得所述牺牲体在抛光之后保持被所述基膜层包封。
10.根据权利要求8所述的方法，其中去除所述预定厚度包括利用化学机械抛光处理以基本整体地去除所述基膜层的所述桥部分，并穿过其中暴露所述牺牲体。
11.根据权利要求10所述的方法，其中抛光持续进行超出最初暴露的所述牺牲体，以部分地去除所述牺牲体，并赋予所述牺牲体以与所述基膜层的所述平的上表面基本齐平的平的上表面。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在所述衬底上沉积电极层； 图案化所述电极层，以定义至少一个感测电极和从其延伸的互连线； 在所述衬底、所述感测电极以及所述互连线上形成电介质层； 图案化所述电介质层，以在其中创建暴露所述感测电极的电极口。
13.—种制造微机电系统(MEMS)器件的方法,所述方法包括: 在衬底上形成感测电极； 在所述感测电极上沉积感测电介质层； 在所述电介质层上形成牺牲体； 通过形成多个多晶硅层和把要在其上沉积附加多晶硅层的至少一个多晶硅层平坦化，在所述牺牲体上构建多层多晶硅膜，使得至少所述多层多晶硅膜的最上层被赋予基本平行的晶粒结构； 形成穿过所述多层多晶硅膜到达所述牺牲体的至少一个通道； 去除至少一部分所述牺牲体以形成至少部分地被所述多层多晶硅膜包封的内腔；以及 在所述至少一个通道中形成塞子以密封地封闭所述内腔。
14.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述感测电极包括: 在所述衬底上沉积第一多晶硅层；以及 图案化所述第一多晶硅层以至少部分地定义所述感测电极；以及 其中在所述牺牲体上构建所述多层多晶硅膜包括: 在所述牺牲体上和周围形成第二多晶硅层； 从所述第二多晶硅层去除预定厚度的多晶硅，以赋予所述第二多晶硅层以平的上表面；以及 在所述第二多晶硅层的所述平的上表面上形成第三多晶硅层。
15.—种微机电系统(MEMS)器件,包括: 衬底； 形成于所述衬底上的多层膜结构，所述多层膜结构包括: 基膜层；以及 形成于所述基膜层上的盖膜层，所述盖膜层包括在所述盖膜层的外沿区域处的具有基本平行的晶粒取向的材料；以及至少部分地被所述多层膜结构包封的腔。
16.根据权利要求15所述的MEMS器件，其中所述盖膜层和所述基膜层每一都包括多晶硅。
17.根据权利要求15所述的MEMS器件，其中所述多层膜结构的高度小于或等于其宽度和长度。
18.根据权利要求15所述的MEMS器件，其中所述多层膜结构在横截面中包括相对的锚区域和延伸于所述相对的锚区域之间的柔性膜片区域。
19.根据权利要求18所述的MEMS器件，还包括设置在所述柔性膜片区域下方并且暴露在所述腔内的电极，并且其中所述腔被密封地封闭并且包含作用在所述柔性膜片区域的内表面上的已知的参考压力。
20.根据权利要求18所述的MEMS器件，其中所述锚区域是通过所述基膜层形成的，并且其中所述柔性膜片区域是通过所述基膜层和所述盖膜层形成的。
【文档编号】B81C1/00GK103964373SQ201410032683
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2013年1月29日
【发明者】C·S·道森, D·比利克, 刘连军, A·C·麦克内尔 申请人:飞思卡尔半导体公司
【专利摘要】提供了抗裂微机电系统(MEMS)器件及其制造方法。在一个实施例中，所述方法包括：在衬底上形成牺牲体；在所述衬底上制造多层膜结构，以及去除至少一部分所述牺牲体以在所述多层膜结构内形成内腔。所述多层膜结构是通过在所述牺牲体上和周围形成基膜层使得所述基膜层具有不平的上表面制造的。然后将预定厚度的基膜层去除以赋予所述基膜层平的上表面。在所述基膜层的所述平的上表面上形成的盖膜层包括具有基本平行的晶粒取向的多晶硅的材料。
【专利说明】具有抗裂膜结构的微机电系统器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例通常涉及微机电系统器件，更具体地说，涉及微机电系统(MEMS)压力传感器和其它封闭腔的MEMS器件以及制造这些MEMS器件的方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)器件在各种不同的应用程序中被用作致动器、开关和传感器(例如，惯性传感器、压力传感器等等)。例如，很多电子器件利用MEMS电容压力传感器来检测周围流体(例如，空气)的压力变化。按照常见的设计，MEMS电容压力传感器通过测量包封了被密封地封闭的包含已知的参考压力的腔的至少一个柔性多晶硅膜片来运行。参考压力作用于柔性多晶硅膜片的内侧的面，而膜片的相对的面被暴露于对其进行压力测量的流体。在MEMS传感器操作期间，膜片随着外部压力的变化以及跨膜片的主体的压力差的相应的变化而发生偏转。膜片的下方提供有电极(通常被称为“底板”)，并通过垂直间隙与膜片隔开。由于柔性膜也是由导电多晶硅材料制造的，膜就充当了与底板形成电容耦合的顶极板。该电容随着导电膜片朝向或远离底极板变形而发生变化。因此，通过测量该电容的变化，可以确定作用于膜片的暴露的面上的外部压力的变化。
【发明内容】
[0003]根据本公开的一个实施例，提供了一种制造微机电系统(MEMS)器件的方法,所述方法包括:在衬底上形成牺牲体；在所述衬底上制造多层膜结构，其中所述制造包括:在所述牺牲体上和周围形成基膜层使得所述基膜层有不平的上表面；从所述基膜层的顶部去除预定厚度的材料以赋予所述基膜层以平的上表面；在所述基膜层的所述平的上表面上形成盖膜层，所述盖膜层包括在所述盖膜层和所述基膜层之间的界面处的具有基本平行的晶粒取向的多晶硅；以及去除至少一部分所述牺牲体以在所述多层膜结构内形成内腔。
[0004]根据本公开的另一实施例，提供了一种制造微机电系统(MEMS)器件的方法，所述方法包括:在衬底上形成感测电极；在所述感测电极上沉积感测电介质层；在所述电介质层上形成牺牲体；通过形成多个多晶硅层和把要在其上沉积附加多晶硅层的至少一个多晶硅层平坦化，在所述牺牲体上构建多层多晶硅膜，使得至少所述多层多晶硅膜的最上层被赋予基本平行的晶粒结构；形成穿过所述多层多晶硅膜到达所述牺牲体的至少一个通道；去除至少一部分所述牺牲体以形成至少部分地被所述多层多晶硅膜包封的内腔；以及在所述至少一个通道中形成塞子以密封地封闭所述内腔。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]在下文中，将结合以下【专利附图】
【附图说明】本发明的至少一个例子，其中类似的数字表示类似的元件，并且:
[0006]图1是根据现有技术所教之内容示出的MEMS电容压力传感器(部分地示出)的简化横截面图，所述传感器包括相邻的多晶硅膜结构，其中所述多晶硅膜结构各自包封被密封地封闭的腔；
[0007]图2是图1中所示出的多晶硅膜结构之一的外角区域的横截面图，其一般性地示出了不规则的或非平行的晶粒结构；
[0008]图3是图1中所示出的MEMS电容压力传感器的顶表面的光学显微镜图像，其示出了裂纹可能在多晶硅膜结构内形成并朝向附近的膜片区域的中心线扩展的一种方式；
[0009]图4-图11示出了根据本发明的第一示例实施例制造的有抗裂多层膜结构的MEMS电容压力传感器在不同制造阶段的横截面图；
[0010]图12是示出了图11中所示出的层膜结构的外角区域的基本平行的晶粒结构的横截面图，该结构可以抵抗裂纹的形成和扩展；
[0011]图13-图16示出了根据本发明的第二示例实施例制造的有抗裂多层膜结构的MEMS电容压力传感器的在不同制造阶段的横截面图；以及
[0012]图17是示出了图16中所示出的层膜结构的外角区域的基本平行的晶粒结构的横截面图，该结构可以抵抗裂纹。
[0013]为了说明的简便以及清晰，附图示出了一般性构造方式，并且在随后的“【具体实施方式】”部分中，可能省略众所周知的特征和技术的描述、说明以及细节，以避免不必要地模糊了本发明的示例性的而非限制性的实施例。此外，应了解附图中出现的特征或元件并不必然按比例绘制，除非以另外的方式明确说明。例如，附图中的一些元件或区域的尺寸可以相对于其它元件或区域夸大，以帮助提高对本发明实施例的理解。
【具体实施方式】
[0014]以下的详细说明仅仅是示例性的，并不意图用于限制本发明或本申请以及本发明的用途。在此被描述为示例性的任何实施方式不应被解释为优选于或优于其它实施。此外，本发明不应受先前的【背景技术】或以下的详细说明中所呈现的任何理论的限制。
[0015]说明书以及随后的权利要求中的术语，诸如“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等(如果有的话)可以用于区分相似元件，并且并不必然用于指示的特定的顺序或时间上的顺序。这些术语因此可以互换地使用。此外，本发明的实施例能够以与在此所示出或以其它方式说明的顺序不同于的顺序操作。如在此还出现的，术语“包括”、“包含”、“有”等等旨在涵盖非排他性的包含，使得被描述为包含、包括或具有一个或多个要素的过程、方法、物品、或装置并不必然限于那些要素，而是可以包括其它没有明确列出的或是该过程、方法、物品、或装置所固有的其它要素。诸如“实质性的”、“实质性地”等等的术语用于表示特定的特征或条件足以以可实践的方式实现所说明的目的，并且对于所说明的目的，小的缺陷或变化(如果有的话)是不重要的。最后，如本发明还出现的，例如“之上、“之下”、“上”等等的术语用以表示两个结构元件或层之间的相对位置，并且并不必然表示结构元件或层之间物理接触。因此，结构或层可以被描述为在制造衬底“之上、“之下”、“上”，而不表示结构或层必然接触衬底，因为例如，一个或多个中间层的存在。
[0016]以下描述的制造方法的实施例在制造MEMS电容压力传感器方面特别有用，因此下文中主要在这样的器件的背景下进行描述。然而，应强调，以下描述的制造方法的实施例也可以用于制造其它MEMS器件，包括MEMS惯性传感器(例如，加速度计、陀螺仪、磁强计等等)和致动器，其具有至少部分地被多层膜结构包封的内腔并且通过沉积和去除牺牲材料体来制造。如将要在之下描述的，至少膜结构的最上层是由具有基本平行的晶粒结构的多晶硅形成的，该结构在晶粒取向上基本是没有不规则或不一致的，而所述不规则或不一致结构会削弱膜。在MEMS压力传感器的情况下，膜结构通常将包括柔性膜片部分，并且被膜结构包封的腔通常被密封地封闭且包含已知的参考压力。虽然如此，但是并不是在所有实施例中膜结构都需要被密封，和/或，可以不包括柔性膜片部分。例如，在替代实施例中，膜结构可以充当基本刚性的盖，该盖密封地包封传感器元件或检测质块(在MEMS器件采取加速度计或陀螺仪的形式的实施例中)、谐振器结构(在MEMS器件采取振荡器的形式的实施例中)、或类似的结构或器件。
[0017]图1是根据现有技术所教之内容示出的MEMS电容压力传感器20 (部分地示出)的简化横截面图。所示出的MEMS压力传感器20的部分包括形成于共同衬底24上的两个相邻的膜结构22，其每一都封着内部空洞或腔26。如从横截面中可以看到的，膜结构22各自包括两个相对的锚区域28和柔性膜片区域30。膜片区域30跨锚区域28横向延伸，并且有效地悬置于腔26上方。膜结构22由多晶硅形成，并且因此在下文中被称为“多晶硅膜结构22”。衬底24也可以是由导电硅材料(例如，单晶硅)制造。电介质层32形成于衬底24上，以在导电膜结构22和下面的衬底24之间提供电隔离。还在腔26内提供感测电极34，并且将其就放置在每一多晶硅膜结构22的柔性膜片区域30下方。通常会在电极34和衬底24之间形成附加电介质层，例如热生长的氧化物，但是为了清楚起见未在图1中示出。每一电极34通过在上覆的电介质层32中提供的开口而暴露，并且通过垂直间隙与其相应的膜片区域30隔开。作为这种布置的结果，创建了电容耦合，每一电极34充当下极板，相邻的导电膜片区域30充当上极板,而每一腔26内的气体或真空充当电绝缘体。
[0018]MEMS压力传感器20的内腔26被密封地封闭，并且每一都包含已知的参考压力；例如，每一内腔26可以被部分地抽空，或替代地，在密封之前用氮气或其它惰性气体加压。参考图1中所示出的示例取向，每一膜片区域30的下端的面或底表面被暴露于包含在其相应的腔26内的参考压力，而每一膜片区域30的上表面顶表面是开放或暴露于周围环境。在MEMS压力传感器20操作期间，膜片区域30的暴露的上表面被置于对其进行压力测量液体或气体连通的流体中。随着MEMS压力传感器20外部的压力的变化，跨膜片区域30的压力差也发生变化。导电膜片区域30响应于这些压力差变化向内或向外偏转，并且包括膜片区域30、电极34以及它们之间的间隙的电容结构的电容也发生相应地波动。利用未示出的电耦接于膜片区域30和电极34的互连线，可以监视电容的变化(例如，通过未示出的且封装有MEMS压力传感器20的集成电路)，并且可以计算MEMS压力传感器20外部的压力。
[0019]在MEMS压力传感器20的制造期间，膜结构22可以通过在牺牲材料体上毯式沉积(blanket deposition)多晶娃而形成,所述形牺牲材料体随后被去除以产生内腔26。从而，由于硅晶格在非平面的或不平坦的表面(即，粗糙度或特征高度大于大约0.1微米(ym)的表面)上的累积或构建，多晶硅膜结构22可以在其某些区域中，例如，膜结构22的外围边沿部或角部附近(在图1中由圆圈36表示)，被赋予不规则的或不平行的晶体结构。图2是一般性地示出了这种不规则的结晶形态的膜结构22的一个这种外沿部分的横截面图。如可以看到的，外沿部分36包括台阶式过渡区域38 ;相比于相邻的膜片区域30和锚区域28，该过渡区域具有不同的晶粒取向。跨外沿部分36的晶粒结构因此是非均匀的或非并行的，并且包括界面或边界；不同的晶粒取向在所述界面或边界处会合(在图2中由虚线41所指示)。这种不平行的晶粒边界被结构性地弱化；并且，当受到集中的机械应力时，可能会破裂或断裂。特别是，可能会在高应力集中区域，例如图2中箭头402所示的裂纹萌生点，沿着不同的结晶形态间的界面形成裂纹。在形成之后，裂纹然后可以朝向附近的膜片区域30的中心线向外扩展。参照图3可以进一步了解此，其中图3是在平面图中的MEMS压力传感器20的物理实现的光学显微镜图。在图3中，箭头40标识了裂纹萌生点，而箭头42标识了细长的裂纹，其从萌生点40朝向附近的膜片区域30的中心线向外扩展。
[0020]多晶硅膜结构22的裂纹可以由于多个原因产生问题。多晶硅膜结构22的破裂可以改变膜片区域30的结构特性，从而影响MEMS压力传感器20的电容输出的可靠性。在严重情况下，多晶硅膜结构22的破裂会危及腔26的密封的环境，从而允许气体流入或流出，从而改变了预定的参考压力，并再次使MEMS压力传感器20的输出不大可靠。由于修复有裂纹的多晶膜结构通常是不切实际的，因此有这种结构缺陷的MEMS压力传感器一般不能被回修。多晶膜结构的破裂因此会导致生产产率的重大损失；在某些生产制造过程中，损失可以高达5%。可以进行密封度测试以检测多晶膜结构的破裂；然而，这种测试成本大，并且仍可能在将MEMS压力传感器发给客户之前检测不到破裂的多晶硅膜结构。
[0021]下面说明MEMS器件(例如，MEMS电容性压力传感器)的制造方法的若干实施例，所述器件包括具有改善的机械强度和增强的对裂纹的形成和扩展的抵抗力的多层膜结构。下面描述的制造方法的实施例改善了跨至少所述膜结构的上部的多晶硅晶粒均匀性，尤其在放置于其锚区域上的上部多晶硅膜层的外围边沿或角部区域最显著。这样做时，裂纹萌生点被大大地从膜结构去除。在MEMS压力传感器的情况下，这产生了在制造和压力负荷期间不易裂开的更强的膜片。下面描述的制造方法的实施例可以有利地用于制造多种不同类型的具有至少部分地封住内部空洞或腔的膜结构的MEMS器件。通过非限定性的说明，下面结合图4-图12描述适于制造MEMS压力传感器的第一方法的例子，以及下面结合图13-图17描述适于制造MEMS电容压力传感器的第二方法的例子。
[0022]图4-图11示出了根据本发明的第一示例实施例制造的MEMS电容压力传感器50(部分地示出)在不同制造阶段的简化横截面图。如图4-图11中所示以及下面进一步说明的，MEMS压力传感器50仅仅是作为非限定性例子提供的；应强调，下面描述的制造过程可以用于制造除了电容压力传感器之外的MEMS器件。此外，下面结合图4-图11描述的制造步骤可以以替代的顺序执行；在替代实施例中，某些步骤可以省略，并且在替代实施例中，可以执行另外的步骤。对微电子器件和半导体行业内已知的结构及处理过程的描述可以是有限的，或者，可以完全省略，而不提供公知的过程细节。
[0023]首先参照图4，制造MEMS压力传感器50从提供衬底54以及在其上形成电极层52开始。衬底54可以包括至少一种半导体材料，优选包括硅。在一个实施方式中，衬底54包括通过将体硅晶片单颗化(singulation)制造的单晶硅衬底。在一个实施例中，在体硅晶片上同时制造多个压力传感器，并且稍后在处理过程中进行单颗化。然而，为了便于说明，结合图4-图11和图13-图16描述的制造方法描述了单一器件的部分。在衬底54是导电的实施例中，中间电介质层56可以形成于电极层52和衬底54的上表面之间。然后，可以在电介质层56上沉积导电材料,并将其图案化以产生电极层52,该电极层包括至少一个感测电极52(a)(图5)和导电的互连线或迹线52 (b)(图5)，其路由去往/来自感测电极的电子信号。尽管为了清晰起见在图4中未示出，但是可形成类似的互连线以路由去往或来自后续形成的膜结构(如下所述)的电子信号。通过在衬底54的上表面上生长氧化物便利地形成电介质层56 ;例如,在其中衬底54包括多晶娃的实施例中，衬底54可以在氧化环境中加热以生长其硅氧化物层。通过在电介质层56上沉积导电材料以及后续的平板印刷图案化，便利地形成电极层52。例如，电介质层56可以通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)多晶硅而形成。在一个实施例中，电介质层56生长到大约2微米(μ m)的厚度，而电极层52沉积到大约0.35微米的厚度,但是在其它实施例中，电介质层56和/或电极层52可以更厚或更薄。
[0024]如图5中所示出的，接下来，在图案化的电极层52和第一电介质层56上形成第二电介质层58。在一个实施例中，电介质层58通过沉积氮化物形成，其可以被沉积到大约0.5微米的厚度，然而电介质层58也可以更厚或更薄。沉积之后，电介质层58被图案化以创建至少一个电极开口 60 ;感测电极52 (a)通过该开口至少部分地被暴露。然后在衬底54上沉积牺牲材料层或体62 (在此被称为“牺牲体62”)，特别是，沉积到电介质层58上、在电极开口 60内、以及在感测电极52 (a)上，以产生图6中所示的结构。牺牲体62可以通过沉积任何适于随后的去除的材料来形成；下面如结合图9-图12描述的，所述去除例如利用湿法蚀刻以在后续制造的多层膜结构64、74内产生一个或多个腔。在形成自牺牲体62的层的沉积之后，该层然后被图案化以限定牺牲体62，并赋予体62以期望的宽度和长度。在一个实施例中，牺牲体62通过沉积磷硅酸盐玻璃(PSG)形成，该磷硅酸盐玻璃随后可以通过利用氟化氢(HF)蚀刻化学剂被去除。适合于形成牺牲体的其它材料包括，但不限于:未掺杂的氧化硅或硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)。作为非限定性的例子，牺牲体62可以被沉积到大约0.5微米的厚度，然而在其它实施例中，牺牲体62可以更厚或更薄。
[0025]继续说明示例的MEMS制造方法，现在参照图7，接下来，在牺牲体62上和周围形成第一或基膜层64。更具体地说，基膜层64直接沉积在牺牲体62上，并且横向延伸超出体62的边沿，以在横截面中限定两个相对的锚区域66和横向伸长的体或桥区域67，其横向延伸于锚区域66之间和牺牲体62之上。在所示出的例子中，当自上向下或平面图看时，基膜层64完全包封或围绕牺牲体62，并且锚区域66共同形成围绕体62延伸的环形结构。如将要在下面描述的，后来在抛光处理之后在基膜层64上沉积包括多晶硅的盖膜层。因此，为了促进接合并且最小化热膨胀系数(CTE)的任何不匹配，基膜层64优选通过沉积具有与形成盖膜层的多晶硅基本相同的组成的多晶硅形成；然而，在任何意义上都并不排除基膜层64可以由不同的材料制造的可能性。基膜层64可以被沉积到大约2微米的厚度，然而薄膜层64的厚度可以根据不同实施例而不同。应理解，由于层64的主要部分可以在下面结合图8描述的抛光处理期间被去除，因此层64的厚度在某种程度是任意的。
[0026]作为接合其上已经沉积基膜层64的表面的不规则的表面拓扑采取的用于形成基膜层64的沉积过程的固有结果(由于在从牺牲体62到电介质层58的转移时高度的降低导致)，薄膜层64被沿着其上表面68同样赋予了非平面的或不平坦的几何结构。例如，如图7中所示的，基膜层64的外围边沿或角区域70包括台阶式特征，其与其上已经沉积了膜层64的牺牲体62的侧壁和锚区域66之间的界面垂直对齐。当三维地考虑时，这些台阶式特征可以是在基膜层64的整个周界周围延伸的连续凸部(ledge)或支架(shelf)。这些台阶式特征的高度可以例如近似是牺牲体62的高度(例如，大约0.5微米，在图7中标示为“H/’)。注意，在基膜层64包括多晶硅的实施例中，基膜层64的外边沿或角区域70处的形态可以类似于上面结合图2描述的MEMS压力传感器20的角区域36的不规则的或不平行形态。
[0027]为了从基膜层64的上部区域去除不想要的晶粒结构，至少实质性地部分地，基膜层64的上部区域被去除。尽管在一个实施例中，这可以通过利用例如蚀刻工艺完成，但是优选执行抛光处理以去除基膜层64的上部区域。更具体地，可以使用化学机械抛光(CMP)工艺来从基膜层64去除预定厚度和赋予层64以平面的上表面；例如，在CMP抛光处理之后，膜层64的上表面可以具有小于大约0.1微米的表面粗糙度或特征高度，然而在某些实施例中，表面粗糙度或特征高度可以更大。在一些优选实施方式中，从基膜层64去除的厚度足以从外边沿或角区域70整体消除台阶式特征，同时该厚度被充分限制以保存上覆牺牲体62的桥区域67的部分。考虑到这方面，在抛光处理中去除的预定厚度可以大于或等于图7中所示出的台阶式特征高度(例如，大约0.5微米)同时小于基膜层64的桥区域67的厚度。在其中桥区域67有大约2微米的厚度的一个实施例中，根据抛光处理去除的预定厚度可以大约是I微米，然而在不同的实施例中，去除的预定厚度可以不同。图8中示出了这种部分CMP抛光的结果。如可以看到的，基膜层64被赋予了基膜层64的平的上表面72，并且如最初沉积的台阶式的外围角区域70 (图7)现在已被去除。
[0028]上述抛光处理之后，参照图9，第二或盖膜层74沉积在基膜层64的新的平坦化的上表面72上。盖膜层74通过使用例如CVD或PVD沉积技术沉积多晶硅而形成。由于基膜层64的平的表面形貌，如下面将结合图12全面讨论的，盖膜层74的上表面75也被赋予了平的形貌和基本平行的晶粒结构。盖膜层74可以有效地代替在抛光处理期间从基膜层64去除的材料。盖膜层74和基膜层64共同形成了包括了柔性膜片区域77的多层膜结构64、74,其中柔性膜片区域77横向延伸于锚区域66之间。在一个实施例中，盖膜层74被利用CVD或PVD工艺沉积到足以赋予膜片区域77以大约在1.0微米和3.0微米之间的厚度(尤其是，大约2.0微米的厚度)的厚度，然而膜片区域77也可以更厚或更薄。作为非限定性例子，多层膜结构64、74的高度可以小于或等于其宽度和长度，使得多层膜结构64、74通常将不被考虑为高深宽比结构；例如，在一个实施例中，膜结构64、74的高度可以在大约I微米和大约5微米之间，结构64、74的宽度可以在大约30微米和大约80微米之间，而膜结构64,74的长度可以在大约100微米和大约300微米之间，然而这些尺寸也可以更大或更小。
[0029]在沉积盖膜层74之后，从多层膜结构64、74的膜片区域77的顶面75蚀刻至少一个通孔、开口或通道76到牺牲体62 (在图9中示出)。在所示出的层64和74形成膜片区域77的例子中，通道76可以蚀刻通过盖膜层74和基膜层64。通道76可以通过利用各向异性干法刻蚀形成，可以利用硅选择性的化学剂(例如氢氧化钾(KOH)或氢氧化四甲基铵(TMAH)蚀刻化学剂)来执行。通道76使得牺牲体62能够暴露于合适的蚀刻剂并被其去除；例如，在牺牲体62由PSG组成的实施例中，可以采用湿法HF蚀刻。如图10中所示出的，去除牺牲体62导致在多层膜结构64、74内形成内部空洞或腔78。然后可以例如通过抽空腔78或用加压气体(例如，氮气)填充腔78而在腔78内生成参考压力。之后，如图11所示，可以例如通过将密封剂材料80沉积到通道76中以在通道76内形成塞子81，来密封腔78。在一个实施例中，密封剂材料80是利用使用硅烷(SiH4)或原硅酸四乙酯(Si (OC2H5) 4或“TE0S”)化学剂执行的低温等离子增强CVD或低压CVD沉积的氧化硅。如通常已知的，然后可以采用附加处理步骤来完成MEMS电容压力传感器50的制造和/或封装。
[0030]由于上述制造工艺，在双层膜结构64、74 (特别是，多晶硅盖膜层74)的外围边沿或角区域82处创建了基本均匀的或平行的晶粒结构。参照图12这可以被更充分地理解，其中图12在横截面图中一般性地示出了膜结构64、74的一个角区域82的形态或晶粒结构。如可以看到的，多晶硅盖层74以遍及的基本平行的晶粒结构为特征，包括沿着盖层74和基膜层64之间的界面(在图12中由虚线84所标识)。虽然基底膜层64中仍存在不平行的晶粒区86，但是该区域在体积上已被大大减小，并且通过周围的平行的晶粒结构大大屏蔽了机械应力。结果，多层膜结构64、74的强度增加了，并且裂纹萌生点被消除。在一个优选实施例中，多晶硅盖膜层74基本上完全由平行的晶粒结构构成。如图12中所一般性地表示的，多层膜结构64、74的顶部区域74中的晶粒结构是优选的，这是因为晶粒大部分都是平行的并且被取向以基本与衬底54的上表面垂直或正交的生长线。
[0031]因此，前面已经描述了用于制造封闭腔MEMS器件的工艺的示例实施例，其中多层膜结构构建或汇集在基衬底上，使得膜结构包括以基本平行的晶粒形态为特征的上部硅层(包括在其外周区域处)。多层膜结构的上部硅层被沉积在较低或基底膜层上，其中所述膜层已通过利用例如CMP工艺被平坦化。在上述的一个示例实施例中，CMP工艺仅仅部分地去除基膜层在牺牲体上的部分；即，再次简要参照图8，在上述工艺中，只有基膜层64的横向延伸的体或桥区域67的一部分在抛光处理期间被去除。然而，在替代实施例中，基膜层64的横向延伸的桥区域可以在CMP抛光处理期间被全部去除。这样的完整的CMP工艺的结果在图13中被示出，其中使用类似的数字来表示类似的结构元件，但添加撇号(')符号来表示器件50 (在图4-图12中所示出的)和器件50' (在图13-图17中所示出的)及它们相应特征可以视不同情况而有所不同。如从图13中可以看到的，根据这样完整的CMP抛光，只有基膜层64'的锚区域66'保留。此外，抛光处理暴露了牺牲体62'并赋予了牺牲体62'以平的上表面90'。换句话说，在CMP抛光处理期间已去除足够的厚度，不仅基本全部地消除了基膜层62'的桥部分，而且通过此暴露牺牲体62'，但抛光处理在牺牲体62'的最初暴露部分之外继续进行，以去除其上部部分并且赋予牺牲体62'与基膜层64'的平坦化的上表面72'齐平或水平的平的上表面72'。
[0032]继续参照图13中所示出的制造阶段，然后可以执行与上述类似的工艺步骤以完成MEMS压力传感器50'的制造。例如，可以在牺牲体62'和基膜层64'的平坦化的顶面上沉积具有基本平的顶面75'的盖硅层74'，从而形成了双层膜结构64'、74' (图14);可以蚀刻至少一个通道76'穿过盖硅层74'并且到牺牲体62' (图14);可以通过通道76'，通过例如暴露于湿法蚀刻剂来去除牺牲体62'，以在膜结构64'、74'内产生内部空洞或腔78' (图15);可以在腔78'内创建参考压力；以及，可以通过在通道76' (图16)上或内沉积密封剂80'来将腔78'密封。与先前的情况那样，这种制造工艺赋予了双层膜结构64'、74'的上部部分(包括膜结构64'、74'的周界角部，与锚区域66'垂直对齐)以抵抗裂纹的形成和扩展的基本平行的晶粒结构。
[0033]因此，前面已提供了 MEMS器件以及制造MEMS器件(例如，MEMS压力传感器)的方法的多个示例实施例，所述器件包括具有改善的机械强度和增强的对裂纹的形成和扩展的抵抗力的多层膜结构。上面描述的制造方法的实施例改善了跨至少所述膜结构的上部的多晶硅晶粒均匀性，尤其在上部多晶硅膜层的外围边沿或角区域处最显著。在这样做时，裂纹萌生点可以被完全地或大量地从所述膜结构消除。在MEMS压力传感器的情况下，这产生了在制造和压力负荷期间不易裂开的更强的膜片。因此，可以实现MEMS器件的生产产率和现场品质的改善。虽然上述描述为包括两个膜层，但是在其它实施例中，多层膜结构可以包括附加层。
[0034]在一个实施例中，上述的MEMS制造方法包括在衬底上沉积或以其它方式形成牺牲体，在所述衬底上制造多层膜结构，以及去除至少一部分所述牺牲体以在所述多层膜结构内形成内腔。所述多层膜结构是通过首先在所述牺牲体上和周围形成基膜层使得所述基膜层具有不平的上表面而制造的。例如通过抛光，从所述基膜层去除预定厚度以赋予所述基膜层以平的上表面。然后沉积或以其它方式在所述基膜层的所述平的上表面上形成盖膜层。所述盖膜层包括具有基本平行的晶粒取向的多晶硅组成。
[0035]在另一个实施例中，MEMS制造方法包括在衬底上形成感测电极，在所述感测电极上沉积电介质层，在所述电介质层上形成牺牲体，以及在所述牺牲体上构建或汇集多层的多晶硅膜。通过沉积或以另外的方式形成多个多晶硅层，以及把在其上沉积附加的多晶硅层的至少一个多晶硅层平坦化，来在所述牺牲体上构建多层的多晶硅膜，以使得至少所述多层的多晶硅膜的最上层被赋予基本平行的晶粒结构。通过蚀刻或以其它方式形成至少一个通过所述多层多晶硅膜到达所述牺牲体的通道。至少一部分所述牺牲体被去除或蚀刻掉，以形成至少部分地被所述多层的多晶硅膜封住的内腔，然后在所述至少一个通道中形成塞子以密封所述内腔。
[0036]前面还描述了抗裂的微加工的MEMS器件。例如，所述MEMS器件可以包括衬底、形成于所述衬底上的多层膜结构、以及至少部分地被所述多层膜结构封住的腔。所述多层膜结构依次包括基膜层和形成于所述基膜层上的盖膜层。所述盖膜层包括在所述盖膜层的所述外沿区域处具有基本平行的晶粒取向的多晶硅或其它材料。
[0037]虽然在上述详细描述中已提出了至少一个示例实施例，但应认识到，可以存在大量的变化。还应理解，示例实施例仅仅是例子，而并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性、或配置。而是，上面的详细描述将给本领域技术人员提供便捷的路线图以用于实施本发明的实施例。应理解，在示例实施例中所述的功能和元件的布置中可以进行各种变化，而不脱离所附权利要求提出的本发明范围。
【权利要求】
1.一种制造微机电系统(MEMS)器件的方法,所述方法包括: 在衬底上形成牺牲体； 在所述衬底上制造多层I吴结构，其中所述制造包括: 在所述牺牲体上和周围形成基膜层使得所述基膜层有不平的上表面； 从所述基膜层的顶部去除预定厚度的材料以赋予所述基膜层以平的上表面； 在所述基膜层的所述平的上表面上形成盖膜层，所述盖膜层包括在所述盖膜层和所述基膜层之间的界面处的具有基本平行的晶粒取向的多晶硅；以及去除至少一部分所述牺牲体以在所述多层膜结构内形成内腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基膜层是通过在所述牺牲体上和周围沉积多晶硅形成的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述基膜层的外沿部分包括具有不平行的晶粒取向的区域 ，并且其中具有不平行的晶粒取向的所述区域的至少一部分在去除所述预定厚度的处理期间被去除。
4.根据权利要求1所述的方法，在去除所述预定厚度之前，所述基膜层的外沿部分被赋予具有台阶式特征高度的台阶式特征；并且其中从所述基膜层去除的所述预定厚度等于或大于所述台阶式特征高度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括:在形成所述盖膜层之后，形成穿过所述多层膜结构并且到所述牺牲体的通道。
6.根据权利要求5所述的方法，其中去除至少一部分所述牺牲体包括通过所述通道蚀刻至少一部分的所述牺牲体以形成所述多层膜结构内的所述内腔，并且其中所述方法还包括通过填塞所述通道来密封地封闭所述内腔。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述抗裂MEMS器件包括MEMS电容性压力传感器，并且其中所述方法还包括在其密封封闭之前在所述内腔内创建已知的参考压力。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述基膜层被形成为，在横截面中包括:位于所述牺牲体相对面上的第一和第二锚区域；以及横向地延伸于所述第一和第二锚区域之间的桥部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中去除所述预定厚度包括利用化学机械抛光处理以部分地去除所述基膜层的所述桥部分，使得所述牺牲体在抛光之后保持被所述基膜层包封。
10.根据权利要求8所述的方法，其中去除所述预定厚度包括利用化学机械抛光处理以基本整体地去除所述基膜层的所述桥部分，并穿过其中暴露所述牺牲体。
11.根据权利要求10所述的方法，其中抛光持续进行超出最初暴露的所述牺牲体，以部分地去除所述牺牲体，并赋予所述牺牲体以与所述基膜层的所述平的上表面基本齐平的平的上表面。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在所述衬底上沉积电极层； 图案化所述电极层，以定义至少一个感测电极和从其延伸的互连线； 在所述衬底、所述感测电极以及所述互连线上形成电介质层； 图案化所述电介质层，以在其中创建暴露所述感测电极的电极口。
13.—种制造微机电系统(MEMS)器件的方法,所述方法包括: 在衬底上形成感测电极； 在所述感测电极上沉积感测电介质层； 在所述电介质层上形成牺牲体； 通过形成多个多晶硅层和把要在其上沉积附加多晶硅层的至少一个多晶硅层平坦化，在所述牺牲体上构建多层多晶硅膜，使得至少所述多层多晶硅膜的最上层被赋予基本平行的晶粒结构； 形成穿过所述多层多晶硅膜到达所述牺牲体的至少一个通道； 去除至少一部分所述牺牲体以形成至少部分地被所述多层多晶硅膜包封的内腔；以及 在所述至少一个通道中形成塞子以密封地封闭所述内腔。
14.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述感测电极包括: 在所述衬底上沉积第一多晶硅层；以及 图案化所述第一多晶硅层以至少部分地定义所述感测电极；以及 其中在所述牺牲体上构建所述多层多晶硅膜包括: 在所述牺牲体上和周围形成第二多晶硅层； 从所述第二多晶硅层去除预定厚度的多晶硅，以赋予所述第二多晶硅层以平的上表面；以及 在所述第二多晶硅层的所述平的上表面上形成第三多晶硅层。
15.—种微机电系统(MEMS)器件,包括: 衬底； 形成于所述衬底上的多层膜结构，所述多层膜结构包括: 基膜层；以及 形成于所述基膜层上的盖膜层，所述盖膜层包括在所述盖膜层的外沿区域处的具有基本平行的晶粒取向的材料；以及至少部分地被所述多层膜结构包封的腔。
16.根据权利要求15所述的MEMS器件，其中所述盖膜层和所述基膜层每一都包括多晶硅。
17.根据权利要求15所述的MEMS器件，其中所述多层膜结构的高度小于或等于其宽度和长度。
18.根据权利要求15所述的MEMS器件，其中所述多层膜结构在横截面中包括相对的锚区域和延伸于所述相对的锚区域之间的柔性膜片区域。
19.根据权利要求18所述的MEMS器件，还包括设置在所述柔性膜片区域下方并且暴露在所述腔内的电极，并且其中所述腔被密封地封闭并且包含作用在所述柔性膜片区域的内表面上的已知的参考压力。
20.根据权利要求18所述的MEMS器件，其中所述锚区域是通过所述基膜层形成的，并且其中所述柔性膜片区域是通过所述基膜层和所述盖膜层形成的。
【文档编号】B81C1/00GK103964373SQ201410032683
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2013年1月29日
【发明者】C·S·道森, D·比利克, 刘连军, A·C·麦克内尔 申请人:飞思卡尔半导体公司
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