自对准多晶硅单晶硅混合MEMS垂直电极及其制造方法与流程

自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极及其制造方法
技术领域
1.本发明属于微电子晶圆加工的技术领域，具体是涉及一种自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极及其制造方法。


背景技术：

2.mems(micro-electro-mechanical system)芯片中通常具有可动结构、支撑可动结构的固定结构和弹簧结构、固定电极以及为可动结构提供自由活动空间的腔体。一些mems芯片结构需要驱动结构，为mems可动结构提供运动动力，这些动力包括静电力、磁力、流体压力、压电力等等，其中最广泛的是静电力，例如mems振荡器、mems陀螺仪、谐振式mems加速度计、mems微镜、mems光衰减器、谐振式mems压力传感器、mems致动器等都要用到静电力机械驱动结构。一般静电力由固定电极和可动电极间的电压差提供，通过平行板电极或叉指电极驱动可动结构上相应的电极，使可动结构产生可控制的运动。可动结构的运动方向根据mems器件的功能要求可以是水平方向的，也可以是垂直方向的，水平方向的驱动结构比较容易加工，垂直方向的驱动结构加工工艺复杂。平行板电极驱动距离小、线性度差、单位面积驱动效率低，所以一些mems器件，如光衰减器、微镜、以及某些三轴陀螺仪需要用到垂直方向的梳齿电极驱动结构。另外，一些mems传感器的信号通过可动结构的位移来感测信号，如mems陀螺仪、mems加速度计等，它们的芯片设计中也需用到要垂直电极结构。
3.图1所示的垂直电极(以下所述的垂直电极均指mems可动电极沿垂直于mems芯片底板方向运动的电极结构)结构是最容易加工的，可动电极173与固定电极171在上部形成一个高度差d，下部无高度差，电极间距为w0，可动电极173可沿垂直方向运动，当该结构用于驱动时，可动电极只能向上单方向运动；当该结构用于检测时，也只能测单方向的信号，而且线性度差。图2所示的垂直电极结构被广泛应用于mems光衰减器、mems微镜等产品中，可动电极273位于固定电极271上方，两者在水平方向无重叠，垂直方向的间距差为d，由于该结构通过二次光刻对准/刻蚀工艺形成，或者通过双单晶硅圆片键合工艺形成，考虑到对准精度，水平方向的电极间距w1与w2不一定相等，而且间距较大，驱动力与电极间距成反比，导致驱动力较小，而且该结构制造工艺复杂，可动电极273可沿垂直方向运动，当该结构用于驱动时，可动电极只能向下单方向运动，线性度差，无法用于精确检测。专利cn11718906、cn103086316、cn113820851、cn113820852、us10268037b2、us10551613b2等描述的mems器件结构设计和加工方法形成的就是图2所示的结构。
4.专利us10077184b2、us20050013087a1描述的是在弹簧上加上不同热膨胀系数的材料，引起弹簧在垂直方向翘起，形成不同电极在垂直方向的高度差。这类技术的加工精度重复性差，所制作的器件的温度特性差。专利us7469588b2、us9493344b2通过叉指电极在垂直方向的电隔离形成全悬挂式的垂直方向感应电极，无法用于垂直方向的驱动。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种自对准多晶硅单
晶硅混合mems垂直电极及其制造方法，单晶硅可动电极与多晶硅固定电极通过一次光刻/刻蚀形成，电极间距w控制精确、加工重复性好、性能好、加工工艺简单。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极，由单晶硅可动电极、多晶硅固定电极、空腔、单晶硅衬底、单晶硅固定柱和边缘键合区构成，多晶硅固定电极通过二氧化硅层固定在单晶硅固定柱上，与单晶硅固定柱通过接触孔电连接；单晶硅固定柱键合在单晶硅衬底上，单晶硅固定柱与单晶硅衬底间有绝缘层；单晶硅可动电极连接mems功能结构；单晶硅可动电极与多晶硅固定电极间具有水平间距w，单晶硅可动电极底部低于多晶硅可动电极底部，高度差为d1，多晶硅固定电极顶部高于单晶硅可动电极，高度差为d2；单晶硅可动电极和多晶硅固定电极与单晶硅衬底间存在有空腔室，为单晶硅可动电极自由运动提供空间。
7.所述的mems功能结构是反光镜、质量块或振子。
8.所述的多晶硅固定电极与单晶硅固定柱间存留有二氧化硅，起到固定作用。
9.本发明的自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极，可以用于检测mems功能结构在垂直方向的位移信号，也可用于驱动mems功能结构在垂直方向运动。在用作检测电极时，mems功能结构在垂直方向的位移通过多晶硅固定电极与单晶硅可动电极间的电容信号变化测出；在用作驱动电极时，在多晶硅固定电极与单晶硅可动电极间施加不同极性的电压时，单晶硅可动电极向上运动；施加相同极性的电压时，单晶硅可动电极向下运动。而且本发明的电极间距w是由氧化层(二氧化硅层)的厚度决定，也就是对于同样厚度的mems结构层，本发明的电极间距可以做到更小。当本发明的垂直电极用于mems结构的驱动电极时，垂直方向的驱动力与电极间距w成反比，电极间距w越小，驱动力越大；同理，本发明的垂直电极用于mems结构的检测电极时，垂直方向的灵敏度与电极间距w成反比，电极间距w越小，灵敏度越大；更大的好处还在于在检测过程中，电极间距w保持不变，只有单晶硅可动电极和多晶硅固定电极的重叠面积发生变化，线性度较好，检测量程大；另外，单晶硅可动电极与多晶硅固定电极在垂直方向的高度差d1、d2是由刻蚀形成的，上下端都有高度差，该高度差可以根据设计需要进行调节，考虑到边缘效应，驱动力比单端高度差的电极大，所以，本发明的自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极驱动力强、驱动行程大、线性度好。
10.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极的制造方法，包括以下步骤：
11.(1)在单晶硅圆片表面通过光刻胶掩模刻蚀单晶硅，形成第一凹腔、边缘键合区和固定键合柱；
12.(2)在第一凹腔内通过光刻胶掩模刻蚀形成深沟槽，单晶硅圆片在水平方向上被深沟槽分割成单晶硅可动电极柱、单晶硅固定柱和边缘区，单晶硅固定柱上蚀刻形成第一凹腔台阶和固定键合柱，边缘区蚀刻形成边缘台阶；在垂直方向上被分割为衬底层和mems结构层；
13.(3)氧化步骤(2)处理后的单晶硅圆片，生成二氧化硅层，然后在第一凹腔台阶上通过光刻胶掩模刻蚀二氧化硅层，形成接触孔；
14.(4)步骤(3)处理后的在单晶硅圆片表面通过原位参杂的cvd方法淀积多晶硅层并退火；
15.(5)无掩模返刻多晶硅层，除去一部分多晶硅层，形成多晶硅第二表面，露出单晶
硅固定柱和边缘区的二氧化硅层第一表面，多晶硅第二表面低于二氧化硅层第一表面；
16.(6)用光刻胶掩模覆盖单晶硅固定柱，刻蚀多晶硅层，光刻胶掩模保护下的多晶硅未被刻蚀掉，形成多晶硅固定区，边缘台阶上的多晶硅被刻蚀掉，露出二氧化硅，深沟槽内的多晶硅被部分刻蚀掉，形成多晶硅第三表面，多晶硅第三表面低于单晶硅可动电极柱第一表面，深沟槽中剩余的多晶硅构成mems结构层的固定电极；
17.(7)腐蚀掉步骤(6)处理过的单晶硅圆片的表面二氧化硅层，露出单晶硅可动电极柱第一表面和边缘键合区第一表面；然后除去光刻胶掩模，腐蚀除去固定键合柱表面的二氧化硅层，露出固定键合柱第一表面，形成结构圆片；
18.(8)将步骤(7)的结构圆片键合到底板圆片上，形成键合圆片，所述的底板圆片由单晶硅衬底和绝缘层组成；
19.(9)去除衬底层，露出深沟槽背面的二氧化硅层，用光刻胶掩模覆盖键合圆片的单晶硅固定柱和边缘键合区，刻蚀单晶硅，单晶硅可动电极柱被刻蚀，形成单晶硅可动电极柱第二表面，单晶硅可动电极柱第二表面低于深沟槽背面上的二氧化硅层第二表面；
20.(10)除去键合圆片上的光刻胶，腐蚀掉多晶硅层与单晶硅可动电极柱之间的二氧化硅层，释放单晶硅可动电极柱，形成单晶硅可动电极，深沟槽中的多晶硅形成多晶硅固定电极。
21.步骤(3)也可以先热氧化单晶硅圆片，在所有表面都形成薄二氧化硅层，腐蚀掉薄二氧化硅层后，再热氧化单晶硅圆片，形成二氧化硅层。
22.步骤(5)还可以是：先减薄多晶硅层，直至刚好露出第一凹腔台阶，再形成接触孔，然后二次淀积多晶硅层并退火，最后再减薄第二次淀积的多晶硅层。
23.步骤(7)中单晶硅可动电极柱与多晶硅固定区之间的二氧化硅的腐蚀量大于多晶硅固定区与单晶硅固定柱之间的二氧化硅的腐蚀量。
24.步骤(10)中多晶硅固定电极与单晶硅固定柱间存留有二氧化硅。
25.本发明的制造方法通过在单晶硅圆片上刻蚀多个深槽、氧化单晶硅圆片、淀积多晶硅的方法，形成多晶硅、单晶硅混合垂直梳齿电极；单晶硅晶格完美，物理特性好，用于制造可动电极和功能结构，多晶硅则固定在单晶硅固定柱上作为多晶硅固定电极。单晶硅可动电极与多晶硅固定电极通过一次光刻/刻蚀的图形决定，实现自对准，电极间水平方向的电极间距w(以下简称电极间距)由二氧化硅层的厚度决定，本发明方法制造的自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极具有尺寸精度高、加工重复性好、性能一致性好、加工工艺简单的优点，而且由于不需要用到价格高的soi圆片，成本也较低。
26.在现有技术中，电极间距一般是由深硅刻蚀工序形成，现有的可量产的深硅刻蚀技术的深宽比为30：1，所谓深宽比就是mems结构层的厚度与mems结构间水平方向的间距之比，因此，现有技术所制作的垂直电极，其电极间距受制于mems结构的厚度，比如60μm厚的mems结构层，其电极间距无法小于2μm。而在本发明中，因为电极间距w是由氧化层(二氧化硅层)的厚度决定，不取决于mems结构厚度，同样以60μm厚的mems结构层为例，本发明的电极间距可以做到0.5μm。当垂直电极用于mems结构的驱动电极时，垂直方向的驱动力与电极间距w成反比，电极间距w越小，驱动力越大；同理，垂直电极用于mems结构的检测电极时，垂直方向的灵敏度与电极间距w成反比，电极间距w越小，灵敏度越大；更大的好处还在于在检测过程中，电极间距w保持不变，只有单晶硅可动电极和多晶硅固定电极的重叠面积发生变
situ)掺杂的多晶硅层40，通过cmp(化学机械抛光)工序形成平整的多晶硅第一表面40a，此时多晶硅层40填充满了深沟槽27、第一凹腔21和接触孔38；多晶硅层40覆盖了所有的二氧化硅层39，第一多晶硅层表面40a明显高于二氧化硅层第一表面39a，如图7所示。
42.(6)、利用无掩模返刻蚀工艺，如cf4、sf6等气体的等离子或反应离子刻蚀工艺，均匀除去一部分多晶硅层40，形成多晶硅第二表面40b，如图8所示，此时多晶硅层40还覆盖在第一凹腔台阶21a、边缘台阶21b和单晶硅可动电极柱第一表面32a上，接触孔38和单晶硅可动电极柱32也被多晶硅层40覆盖，边缘键合区23和固定键合柱25上方的多晶硅层40被刻蚀掉，露出二氧化硅层第一表面39a，多晶硅第二表面40b明显低于二氧化硅层第一表面39a。
43.(7)、在图8所示的单晶硅圆片表面进行涂胶、曝光、显影等加工工序，形成光刻胶掩模42，其尺寸至少在一个水平方向明显大于单晶硅固定柱34，刻蚀多晶硅层40，形成多晶硅第三表面40c，如图9所示，此时掩模42保护区域下的多晶硅没有被刻蚀掉，形成多晶硅固定区45，位于边缘台阶21b上的多晶硅被刻蚀掉，露出二氧化硅层39，深沟槽27内的多晶硅40被部分刻蚀掉，形成的多晶硅第三表面40c，多晶硅第三表面40c明显低于边缘台阶21b和单晶硅可动电极柱第一表面32a，深沟槽27中剩余的多晶硅40就构成了mems结构层17的固定电极。
44.(8)、用hf酸溶液或气态hf酸腐蚀图9所示的单晶硅圆片，控制蚀刻时间，腐蚀掉掩模42外未被多晶硅40掩盖的二氧化硅层39，以及部分位于多晶硅层40和单晶硅可动电极柱32之间的二氧化硅39，目的是便于后续工序中除去所有二氧化硅层39，释放可动结构，露出单晶硅可动电极柱第一表面32a和边缘键合区第一表面23a；然后除去光刻胶掩模42，继续用hf酸溶液或气态hf酸腐蚀，除去固定键合柱25表面的二氧化硅层39，露出固定键合柱第一表面25a；多晶硅层40与单晶硅固定柱34之间的二氧化硅39依然存在，就形成了如图10所示的结构圆片50。
45.(9)、取一个底板圆片60，其晶向与单晶硅圆片12相同，底板圆片60由单晶硅衬底62和绝缘层64组成，绝缘层64的材料为热生长的二氧化硅，厚度在0.5～3μm之间；将结构圆片50的mems结构层第一表面17a与底板圆片60的绝缘层64进行si-sio
2 fusion键合，将底板圆片60与结构圆片50键合在一起，在固定键合柱第一表面25a以及边缘键合区第一表面23a与绝缘层64之间形成键合面55，如图11所示。
46.(10)、将图11所示键合后圆片的单晶硅衬底层15通过研磨、cmp、无掩模刻蚀等工序除去，形成mems结构层第二表面17b，露出深沟槽背面27a，深沟槽背面27a上的二氧化硅层第二表面39b阻挡了刻蚀过程中的活性反应成分，保护了深沟槽27中的多晶硅40，如图12所示。
47.(11)、通过涂胶、曝光、显影、刻蚀、去胶、清洗等加工工序，刻蚀图12所示的键合圆片，形成第二凹腔66，如图13所示，光刻胶68覆盖了边缘键合区23和固定电极柱34，这两个区域没有被刻蚀，由于二氧化硅层第二表面39b阻挡了刻蚀过程中的活性反应成分，深沟槽27中的多晶硅40没有被刻蚀；此时单晶硅可动电极柱32被刻蚀，形成单晶硅可动电极柱第二表面32b，单晶硅可动电极柱第二表面32b明显低于深沟槽背面27b。
48.(12)、除去图13所示键合圆片上的光刻胶68，清洗，然后用hf溶液或气态hf腐蚀二氧化硅层39，直到多晶硅层40与单晶硅可动电极柱32之间的二氧化硅39被完全除去，二者被分离，这样，单晶硅可动电极柱32被释放，可以自由活动，形成单晶硅可动电极71；深沟槽
27中的多晶硅40形成多晶硅固定电极73，如图14所示；多晶硅固定电极73与单晶硅可动电极71之间的间距等于二氧化硅层39的厚度；多晶硅层40与单晶硅固定柱34间存留有部分二氧化硅39c，起到固定作用；非键合区的绝缘层(二氧化硅)64在hf溶液或气态hf腐蚀工序中也被腐蚀掉，露出单晶硅衬底62；腐蚀后残留的绝缘层64、单晶硅衬底62与第一凹腔21共同围成一个腔室75，为单晶硅可动电极71提供活动空间。
49.为更清楚地说明垂直梳齿电极结构单元，将图14中虚线框部分(垂直电极单元100)放大，如图15所示，单晶硅可动电极71与相邻的多晶硅固定电极73之间有间隙w，也就是水平方向的电极间距；在垂直方向，单晶硅可动电极71的第二表面32b低于多晶硅固定电极73的上表面，也就是多晶硅第四表面40d，高度差为d1；单晶硅可动电极71的第一表面32a低于多晶硅固定电极73的下表面，也就是多晶硅第三表面40c，高度差为d2；d1与d2可以相等，也可以不相等，单晶硅可动电极71可以沿垂直方向自由移动。
50.垂直电极单元100作为一个核心单元可用于不同的mems器件结构中，例如mems陀螺仪、加速度计、显微镜、谐振器或致动器等，如图16所示，多个多晶硅固定电极73组成固定梳齿电极组83，固定在单晶硅固定柱34上，单晶硅固定柱表面34a可以通过si-金属键合或si-si键合的方法键合一个导出信号的盖板；多个单晶硅可动电极71组成可动梳齿电极组81，连接到mems器件的可动功能结构110上，可动功能结构110可以是反光镜、质量块或振子等；单晶硅可动电极71四周的虚线表示其表面32b在垂直方向低于单晶硅固定柱表面34a、边缘键合区第二表面23b和可动功能结构110的表面；边缘键合区23可以用于键合盖板保护mems结构，也可以不键合任何结构。
51.本实施例制造的自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极，如图14、图15所示，由单晶硅可动电极71、多晶硅固定电极73、绝缘层64、单晶硅衬底62、腔室75、二氧化硅层39、单晶硅固定柱34和边缘键合区23构成；多晶硅固定电极73通过多晶硅固定区45和残留二氧化硅39c固定在单晶硅固定柱34上，并且与单晶硅固定柱34通过接触孔38电连接；单晶硅固定柱34通过键合工艺固定在绝缘层64上，与单晶硅衬底62没有电连接；单晶硅可动电极71连接mems器件的可动功能结构110，如反光镜、驱动质量块、检测质量块或振子等；单晶硅可动电极71与多晶硅固定电极73间具有间隙w，单晶硅可动电极71底部32a低于多晶硅固定电极73底部40c，高度差为d1；单晶硅可动电极顶部32b低于多晶硅固定电极顶部40d，高度差为d2；垂直电极单元100与单晶硅衬底62间存在有空腔室75，为可动电极71提供自由运动空间；边缘键合区23为mems结构提供保护。
52.实施例二
53.在图13所示的键合圆片形成后，保留光刻胶68，然后用hf溶液腐蚀二氧化硅层39，直到多晶硅层40与单晶硅可动电极柱32之间的二氧化硅39被完全除去，二者被分离，然后除去光刻胶68，再清洗，如图17所示，这样，单晶硅可动电极柱32被释放，可以自由活动，形成单晶硅可动电极71；深沟槽27中的多晶硅40形成多晶硅固定电极73；多晶硅固定电极73与单晶硅可动电极71之间的间距w等于二氧化硅层39的厚度；多晶硅40与单晶硅固定柱34间还留有残留二氧化硅39d，由于在hf溶液腐蚀过程中，光刻胶68阻止了其覆盖下的二氧化硅层39的在垂直方向的腐蚀，但还会有部分二氧化硅被hf溶液从水平方向钻蚀，很明显，实施例二的残留二氧化硅39d多于实施例一的残留二氧化硅39c，多晶硅固定电极73与单晶硅固定柱34的结合机械强度高于实施例一；非键合区绝缘层(二氧化硅)64在hf溶液腐蚀工序
中也被腐蚀掉，露出单晶硅衬底62；腐蚀后残留的绝缘层64、单晶硅衬底62和第一凹腔21共同围成一个腔室75，为单晶硅可动电极71提供活动空间。
54.以上所述仅是本发明的最佳实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行若干变形或者等同替换，例如：在图5所示的单晶硅圆片上淀积原位(in-situ)掺杂的多晶硅层40，通过cmp工序和返刻蚀工序减薄多晶硅层40，直至刚好露出第一凹腔台阶21a，再通过涂胶、曝光、显影、刻蚀二氧化硅层39、去胶、清洗等加工工序形成接触孔38，然后二次淀积多晶硅层、退火、通过cmp工序和返刻蚀工序减薄第二次淀积的多晶硅层，形成图8所示的圆片结构；这种方法可以避免形成接触孔38时深沟槽27与第一凹腔台阶21a间的巨大高度差，降低光刻工序的难度。这些也能达到本发明的技术效果，也应视为属于本发明的保护范围。