MEMS器件及其制造方法与流程

本发明属于MEMS技术领域，更具体地，涉及一种利用牺牲层形成防粘附突点以及在运动质量块层和多晶埋层或衬底之间形成三氧化铝防粘附层的双重防粘附MEMS器件及其制造方法。

背景技术：

MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，其发展始于20世纪60年代，MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统，是微电子和微机械的巧妙结合。在以硅为基础的MEMS加工技术中，部分产品如电容式微硅麦克风，对该类产品的研究已有二十多年的进展，具体实现的方法有多种，主要结构如衬底硅片、空腔、牺牲氧化层、振动隔膜、绝缘氧化层、多晶背极板等，但在微硅麦克风器件的微型结构制造和应用过程中，当振动隔膜和硅衬底之间的表面吸附力大于微结构的弹性恢复力时，相邻的微型结构(衬底、振动隔膜、背极板等)之间将发生粘连，从而导致器件失效，使成品率下降，粘连已成为微机械加工和应用过程中产生成品报废的主要原因，严重制约了电容式微硅麦克风发展和产业化应用，有鉴于此，有必要对现有的电容式微硅麦克风的结构和制造方法予以改进以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种MEMS器件及其制造方法。

根据本发明的一方面，提供一种MEMS器件包括：基底，所述基底具有第一空腔；第一牺牲层，位于所述基底上，所述第一牺牲层中具有第二空腔；振动隔膜层，所述振动隔膜层的至少一部分由所述第一牺牲层支撑，所述振动隔膜层包括位于所述第二空腔上方的振动隔膜，所述振动隔膜朝向所述第二空腔的表面具有向所述第二空腔突出的突点；第二牺牲层，位于所述振动隔膜上，所述第二牺牲层中具有第三空腔，所述振动隔膜的至少一部分位于所述第三空腔内；背极板层，位于所述第二牺牲层上，所述背极板层的至少一部分由所述第二牺牲层支撑，所述背极板层包括位于所述第三空腔上方的背极板；其中，所述MEMS器件还包括：防粘附层，位于所述基底和所述振动隔膜层之间、背极板层和振动隔膜之间的所有裸露表面上。

优选地，所述第一牺牲层以及所述第二牺牲层的材料为氧化硅。

优选地，所述基底为半导体衬底，所述第一牺牲层位于所述半导体衬底上。

优选地，所述突点的形状为V形、倒梯形或圆弧形，所述突点自所述振动隔膜朝向所述第二空腔的表面突出的高度为0.5μm至0.8μm。

优选地，所述MEMS器件还包括：第三牺牲层，位于所述背极板层上；金属层，位于所述第三牺牲层上，所述金属层包括引线。

优选地，所述第三牺牲层中具有通孔，所述金属层经由所述通孔与所述振动隔膜层、所述背极板层连接。

优选地，所述振动隔膜层和/或所述背极板层的材料为多晶硅。

优选地，所述防粘附层还位于所述背极板层上和/或所述MEMS器件裸露的表面上。

优选地，所述防粘附层的材料为三氧化铝。

根据本发明的另一方面，提供一种MEMS器件的制造方法，包括：提供基底，在所述基底上形成第一牺牲层；对所述第一牺牲层的上表面进行刻蚀以形成凹坑；在所述第一牺牲层的上表面形成包括释放孔的振动隔膜层，所述振动隔膜层填充所述凹坑；形成覆盖所述振动隔膜层的第二牺牲层；在所述第二牺牲层的上表面形成包括释放孔的背极板层；在基底的背面形成深槽，并通过所述深槽对所述基底进行腐蚀以在所述基底中形成第一空腔；通过所述振动隔膜层的释放孔以及所述背极板层的释放孔对所述第一牺牲层和第二牺牲层进行腐蚀以在第一牺牲层中形成第二空腔、在第二牺牲层中形成第三空腔，填充在所述凹坑中的振动隔膜层向所述第二空腔突出；在所述基底和所述振动隔膜层之间、背极板层和振动隔膜之间的所有裸露表面上形成防粘附层。

优选地，所述第一牺牲层以及所述第二牺牲层的材料为氧化硅。

优选地，所述基底为半导体衬底，所述第一牺牲层位于所述半导体衬底上。

优选地，所述凹坑的形状为V形、倒梯形或圆弧形，深度为0.5μm至0.8μm。

优选地，所述制造方法还包括：在所述背极板层上形成第三牺牲层；在所述第三牺牲层上形成金属层，并对所述金属层图形化形成引线。

优选地，所述制造方法还包括：在所述第三牺牲层上形成通孔，所述金属层经由所述通孔与所述振动隔膜层、所述背极板层连接。

优选地，所述振动隔膜层和/或所述背极板层的材料为多晶硅。

优选地，所述制造方法还包括：在所述背极板层上和/或所述MEMS器件裸露的表面上形成所述防粘附层。

优选地，所述防粘附层的材料为三氧化铝。

优选地，采用HF酸熏蒸的方式对所述第一牺牲层或第二牺牲层进行气相腐蚀。

本发明实施例的MEMS器件中，振动隔膜在朝向下方空腔的表面上具有突点，该突点可以有效地减小振动隔膜与基底的接触面积，从而减少或防止粘连，避免器件失效；振动隔膜与基底之间、背极板层和振动隔膜之间的所有裸露的表面上形成三氧化铝防粘附层，由于三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。

此外，本发明实施例的MEMS器件的制造方法中，在第一牺牲层的上表面形成凹坑，而振动隔膜层形成于第一牺牲层上并填充凹坑，在将牺牲层部分移除后，填充在凹坑内的振动隔膜层形成突点，减小了运动质量块与基底的接触面积，从而可以减少或防止粘连，避免器件失效；在振动隔膜与基底之间、背极板层和振动隔膜之间的所有裸露的表面上形成三氧化铝防粘附层，由于三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。

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是根据本发明实施例的MEMS器件的制造方法的流程示意图；

图2至图12是根据本发明实施例的MEMS器件的制造方法中各个步骤对应的器件剖面示意图。

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。

图1是根据本发明实施例的MEMS器件的制造方法的流程示意图。如图1所示，根据本实施例的MEMS器件的制造方法可以包括如下步骤。

在步骤S101中，提供基底，在所述基底上形成第一牺牲层。

在步骤S102中，对所述第一牺牲层的上表面进行刻蚀以形成凹坑。

在步骤S103中，在所述第一牺牲层的上表面形成包括释放孔的振动隔膜层，所述振动隔膜层填充所述凹坑。

在步骤S104中，形成覆盖所述振动隔膜层的第二牺牲层。

在步骤S105中，在所述第二牺牲层的上表面形成包括释放孔的背极板层。

在步骤S106中，在基底的背面形成深槽，并通过所述深槽对所述基底进行腐蚀以在所述基底中形成第一空腔。

在步骤S107中，通过所述振动隔膜层的释放孔以及所述背极板层的释放孔对所述第一牺牲层和第二牺牲层进行腐蚀以在第一牺牲层中形成第二空腔、在第二牺牲层中形成第三空腔，填充在所述凹坑中的振动隔膜层向所述第二空腔突出。

在步骤S108中，在所述基底和所述振动隔膜层之间的裸露表面上形成防粘附层。

下面参照图2至图12进行详细说明。

如图2所示，首先提供基底10，然后在所述基底10上形成第一牺牲层102。作为一个优选的例子，该基底10可以为半导体衬底101。更加具体而言，半导体衬底101可以是常规半导体工艺中的硅衬底，例如可以是晶向为<100>的N型硅衬底。第一牺牲层102的材料可以是常规半导体工艺中的绝缘材料，例如氧化硅。例如，可以使用热氧化、低压化学气相淀积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相淀积(PECVD)等方法在半导体衬底101上形成氧化硅材质的第一牺牲层102。第一牺牲层102的典型厚度可以是1μm至2μm。

如图3所示，对所述第一牺牲层102的上表面进行刻蚀以形成凹坑103。进一步而言，可以采用常规半导体工艺中的光刻工艺，在第一牺牲层102的上表面形成凹坑103的图形窗口，然后通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方法形成凹坑103。凹坑103的深度即为后续形成的突点的高度，优选地，凹坑103的深度为0.5μm至0.8μm。凹坑103的平面形状和尺寸可以根据实际需要进行设定，例如V形、倒梯形、圆弧形等。优选地，凹坑103的图形窗口的大小为1μm至2μm。作为一个非限制性的例子，凹坑A的平面形状可以是1μm*0.6μm的V形。

如图4所示，在所述第一牺牲层102的上表面形成包括释放孔的振动隔膜层104，所述振动隔膜层填充所述凹坑103。该振动隔膜层104的材料例如可以是多晶硅或掺杂的多晶硅，但并不限于此。

进一步而言，可以使用低压化学气相淀积(LPVCD)的方法，在第一牺牲层102上淀积掺杂的多晶硅，并对其图形化，淀积时的温度可以是570℃至630℃，淀积形成的多晶层的厚度可以是0.4μm至1.0μm。然后，通过半导体业界的光刻和刻蚀工艺形成包括释放孔在内的图形化，从而形成振动隔膜层104。在振动隔膜层104的底部，振动隔膜层104还填充凹坑103。其中，填充在凹坑103的部分形成后续的突点，可以防止振动隔膜层和基底之间的粘连。

如图5所示，形成覆盖所述振动隔膜层104的第二牺牲层105。所述第二牺牲层105的材料可以是氧化材料，优选为氧化硅。例如，可以通过低压化学气相淀积(LPVCD)或等离子增强型化学气相淀积(PECVD)的方法形成氧化硅材质的第二牺牲层105，其厚度通常可以是2.0μm至4.0μm。

如图6所示，在所述第二牺牲层105的上表面形成包括释放孔的背极板层106。该背极板层106的材料例如可以是多晶硅或掺杂的多晶硅，但并不限于此。

进一步而言，可以使用低压化学气相淀积(LPVCD)的方法，在第二牺牲层105上淀积掺杂的多晶硅，并对其图形化。淀积时的温度可以是570℃至630℃，淀积形成的多晶层的厚度可以是1.0μm至2.0μm。然后，通过半导体业界的光刻和刻蚀工艺形成包括释放孔在内的图形化，从而形成背极板层106。

如图7所示，在所述背极板层106上形成第三牺牲层107。所述第三牺牲层107的材料可以是氧化材料，优选为氧化硅。例如，可以通过低压化学气相淀积(LPVCD)或等离子增强型化学气相淀积(PECVD)的方法形成氧化硅材质的第三牺牲层107，其厚度通常可以是0.3μm至0.5μm。

如图8所示，在所述第三牺牲层107进行刻蚀，以形成通孔108a和108b，通孔108a的底部露出振动隔膜层104，通孔108b的底部露出背极板层106。进一步而言，可以采用常规半导体的光刻工艺，在第三牺牲层107形成通孔108a的窗口以及通孔108b的窗口，之后通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方法形成通孔108a和108b。通孔108a的深度使得通孔108a底部暴露出振动隔膜层104，通孔108b的深度使得通孔108b底部暴露出背极板层106。通孔108a可用作后续金属层与振动隔膜层104相连接的引线孔，通孔108b可用作后续金属层与背极板层106相连接的引线孔。

如图9所示，在所述第三牺牲层107上形成金属层109，并对所述金属层109图形化形成引线。进一步而言，可以采用常规半导体工艺中的溅射或蒸发工艺，在第三牺牲层107上沉积金属层106，其厚度可以是1μm～2μm，其材料可以是纯铝(Al)、铝硅(Al-Si1％)、或者Ti+TiN+Al-Si。之后，通过半导体业界的光刻和刻蚀工艺对金属层106进行图形化，从而形成一个或多个引线。

如图10所示，在基底10的背面形成深槽，并通过所述深槽对所述基底10进行腐蚀以在所述基底中形成第一空腔110。进一步而言，通过常规半导体光刻工艺方法，在基底10背面形成空腔图形，通过专门的深槽刻蚀机，一般可以选用美国Alcatel公司的AMS200深槽刻蚀机等刻蚀设备，利用MEMS业界常规Bosch工艺，刻蚀空腔深槽。

如图11所示，可以采用HF酸气相熏蒸的方式，通过所述第一空腔110和振动隔膜层104的释放孔对所述第一牺牲层102进行腐蚀以在所述振动隔膜104下方的第一牺牲层102中形成第二空腔，填充在所述凹坑103中的振动隔膜层104向所述第二空腔突出；通过所述背极板层106的释放孔对所述第二牺牲层105进行腐蚀以在所述背极板层106下方的第二牺牲层105中形成第三空腔。进一步而言，对于氧化硅材质的第一牺牲层102，可以采用HF酸气相熏蒸的方式，将振动隔膜层104和基底10之间的第一牺牲层102的一部分腐蚀移除，使得振动隔膜层104被释放，得到可运动的振动隔膜。释放后的振动隔膜在运动时，至少部分会进入第一牺牲层102中的第二空腔。对于氧化硅材质的第二牺牲层105，可以采用HF酸气相熏蒸的方式，将背极板层106和振动隔膜层104之间的第二牺牲层105的一部分腐蚀移除，形成第三空腔。

在第一牺牲层102被部分移除后，位于凹坑103内的振动隔膜层104暴露出来，形成了突点104a。该突点104a可以减小振动隔膜与基底10之间的接触面积或者与第一牺牲层102之间的接触面积，如此，即使发生接触，由于弹性恢复力远大于突点104a的表面吸附力，因此并不会发生粘连。

如图12所示，在所述基底10和所述振动隔膜层104之间的裸露表面上、背极板层106以及所述MEMS器件上其他裸露的表面上形成防粘附层。所述防粘附层的材料为三氧化铝。

进一步而言，利用原子层淀积(ALD)设备，通过三甲基铝和水作为淀积源，控制反应室温度在100℃～400℃的范围内，压力在数个毫巴内，在所述基底10和所述振动隔膜层104之间的裸露表面上、背极板层106以及所述MEMS器件上其他裸露的表面上淀积三氧化铝层111，其厚度可以是2nm～10nm。三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。

本发明实施例的MEMS器件中，振动隔膜在朝向下方空腔的表面上具有突点，该突点可以有效地减小振动隔膜与基底的接触面积，从而减少或防止粘连，避免器件失效；振动隔膜与基底之间、背极板层和振动隔膜之间的所有裸露的表面上形成三氧化铝防粘附层，由于三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。

此外，本发明实施例的MEMS器件的制造方法中，在第一牺牲层的上表面形成凹坑，而振动隔膜层形成于第一牺牲层上并填充凹坑，在将牺牲层部分移除后，填充在凹坑内的振动隔膜层形成突点，减小了运动质量块与基底的接触面积，从而可以减少或防止粘连，避免器件失效；在振动隔膜与基底之间、背极板层和振动隔膜之间的所有裸露的表面上形成三氧化铝防粘附层，由于三氧化铝的疏水性和低表面粘附力，既起到双重防粘附的目的，又不影响器件性能。

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。