一种基于掺杂多晶硅的微机械结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于掺杂多晶硅的微机械结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]微机电(MEMS micro-electro-mechanical system)系统因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛用于消费电子和一些高端电子产品，例如:手机、MP3、录音笔、汽车电子等。一般地，MEMS系统在最前端包含将其他物理信号转化为电信号的微机械结构传感器，或在最后端包含将电信号转化为其他物理信号的微机械结构执行器。微机械结构在MEMS系统中起到电信号与其他物理信号的转换接口作用。为满足人民群众日益增长的物质文化需求，MEMS系统的体积、成本、灵敏度、线性度等指标也在不断地优化提高。在相关优化技术方案中，不乏众多努力，试图通过对硅材料掺杂工艺进行控制来优化作为电信号与其他物理信号接口的微机械结构。
[0003]众所周知，掺杂工艺就是将可控数量的所需杂质掺入晶圆中的特定区域内，从而改变半导体的电学性能。利用掺杂工艺，在集成电路领域上可以制作PN结、晶体管的源漏区、电阻、欧姆接触等，这些是制造大规模集成电路的基础，也是微机械结构制备工艺中的常用技巧。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要工艺。扩散是较早时期采用并沿用至今的掺杂工艺，而离子注入是20世纪60年代发展起来的一种掺杂工艺，目前是应用最广泛的主流掺杂工艺。
[0004]在集成电路领域，应用掺杂技术制作器件是非常普遍的。如中国专利CN1203445A和CN1231506A，通过掺杂技术来控制集成电路器件的寄生电容；而CN102117768A和CN1604300A应用掺杂技术来制作和控制电感；CN101814531A和CN102569426A应用掺杂技术制作的PN结的特性制作和控制电容；CN101604656A应用掺杂技术制作的PN结来实现隔离。
[0005]在微机械结构制备上，前人对利用掺杂工艺优化微机械结构的电性能方面也有一些探索，但很多工作局限于电路优化和电性能优化方面，尚没有针对微机械结构力学特性的优化工作。美国专利US5136348利用掺杂技术对薄膜半导体二极管器件做了优化，但其出发点着眼在PN结电学特性上，局限于横平竖直的方形(或矩形、L形)的块状掺杂区域在二极管器件制作中的优化和改进；美国专利US20050139871在这一点上的特点尤其突出，将掺杂工艺及相关的PN结设置到力学上与运动和变形基本不相关的位置，虽然完成了电路方面的优化，但人为地将掺杂工艺与力学方面的优化割裂开来，使掺杂工艺没有力学上的优化效果；美国专利US8518732利用掺杂技术在衬底上隔离不必要的干扰，但其掺杂技术应用在衬底单晶硅上，没有应用在可动结构层上，不但没有力学方面的优化效果，还由于其衬底较厚，在工艺实现时很难被均匀掺杂，相应的寄生和掺杂浓度梯度都会影响到最终的传感器或执行器的性能。
[0006]此外，前人在尝试广泛的电学手段优化之余，也有大量的如中国专利CN203206466U这种从力学和机械变形手段出发的优化方案。本发明可以与这些方案兼容并取得更佳的优化效果。
[0007]本发明的提出，使得MEMS系统的微机械结构优化设计在力学和电学上同时与掺杂技术相结合，相应的传感器或执行器性能优化也可以综合力学和电学优化效果，从而达到全局最优。因此，虽然为保证电气引线的通用性，本发明只适用将多晶硅层拆分为两个电极的场合，却也可以较好地从全局上进一步优化传感器或执行器的性能。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种基于掺杂多晶娃的微机械结构及其制备方法，应用掺杂工艺对微机械结构中的多晶硅层进行有选择的掺杂，通过在多晶硅层中设置线状区域将多晶硅层分隔为两个电极，不但实现了对电路和电性能的优化，也实现了对力学和几何变形的优化，从而使得微机械结构在作为传感器或执行器时的灵敏度、线性度等性能指标得到综合力学和电学的全局优化。
[0009]为实现上述目的，本发明提供了一种基于掺杂多晶硅的微机械结构，它包括:基板层、中间层、掺杂多晶娃层和覆盖层，其中，
[0010]该基板层位于微机械结构的下方，由衬底材料构成，定义在基板层上制作掺杂多晶石圭层的一边为上方，相对的一边为下方；
[0011]该中间层位于基板层和掺杂多晶娃层之间，至少包括一层牺牲层；
[0012]该掺杂多晶娃层位于中间层的上方，掺杂多晶娃层为机械连接一体，包括一个线形的低掺杂或不掺杂区域，线形的低掺杂或不掺杂区域将掺杂多晶硅层分隔为两个相同极性的浓掺杂区域，两个浓掺杂区域构成两个电极，两个浓掺杂区域和与线形的低掺杂或不掺杂区域的掺杂极性相反，实际实施过程中，需综合电学和力学优化需要，确定两个浓掺杂区域的掺杂浓度，以及低掺杂区域或不掺杂区域是否掺杂和掺杂的浓度，是否掺杂和掺杂浓度不仅与实际耗尽层的宽度有关，还与引入应力的多晶硅层的实际电阻以及PN结特性有关，需综合这几方面因素得到全局最优的参数；
[0013]该覆盖层位于微机械结构的上部，至少包括一层金属层；
[0014]较佳的，在掺杂多晶硅层中，线形的低掺杂或不掺杂区域的线宽度根据耗尽层宽度和力学优化需要确定，线的形状和掺杂的极性可根据力学优化和电学优化需要确定。实际上，掺杂工艺不仅带来掺杂极性和电学模型上的转换，也在多晶硅上引入应力影响其变形，可通过其变形情况来优化其灵敏度、噪声等。因此，在力学优化中，可根据掺杂多晶硅层实际释放后变形的需要，设置变宽度的固定形状的线形低掺杂或不掺杂区域。而其极性根据掺杂多晶硅层实际释放后变形的需要和相应的控制尺寸来定义，在力学上对应膜片变形的凸凹性。
[0015]较佳的，在掺杂多晶硅层中，两个相同极性的浓掺杂区域构成的两个电极在做电气引出时可以根据后续电路设置任意接法。实际上，可以简单地将两个电极引向同一个电极，使得微机械结构与普遍使用的结构兼容；也可以在需要的时候将两个电极上的信号分别引出并加权，甚至仅引出两个电极中的一个，另一个弃之不用；还可以根据电学优化需要，将其中一个电极接到其他电极上，例如将其中一个电极接到与另一个电极正对的电极上以减小寄生电容。
[0016]较佳的，其中的中间层，可在包括一层牺牲层之余，再包括一对或多对掺杂多晶硅层和牺牲层，当包括多对掺杂多晶硅层和牺牲层时，掺杂多晶硅层和牺牲层交替出现。另一方面，其中的覆盖层，可在包括一层金属层之余，再包括一对或多对掺杂多晶硅层和牺牲层，且掺杂多晶硅层和牺牲层交替出现。实际上，本发明对应的制备方法，允许根据电学和力学优化来制备1?3层多晶硅层，微机械结构在电学上可以构成多晶硅层与衬底之间、或多晶硅层相互之间的可变或不可变电容，这些电容可对应优化需要，通过多晶硅电极的拆分来分离，各电容之间可按照电学优化需要进行串并联或加权。
[0017]较佳的，其中牺牲层的材料可以是二氧化硅。实际上，常用的牺牲层材料还有磷硅玻璃、硼硅玻璃、铝等，甚至多晶硅本身，但从材料去除的选择比、导电性、热胀系数、介电常数和加工过程应力影响来看，选用二氧化硅是较优的。
[0018]较佳的,本发明提供的掺杂多晶娃的微机械结构方案，可以与其他力学和电学优化手段兼各。
[0019]本发明还提供了一种基于掺杂多晶硅的微机械结构的制备方法，包含以下步骤:
[0020](1).提供一基板并定义其正面和背面，将此定义拓展到本制备方法步骤中；
[0021](2).根据微机械结构制备需要，依序重复下述(2.1)?(2.6)子步骤1?3次，其中每次重复时根据需要对(2.1)?(2.6)每个子步骤选择实施或者跳过，但第一次重复时需以(2.1)子步骤开始，最后一次重复时需以(2.6)子步骤结束，并至少在一次重复时同时选择实施(2.4)和(2.5)子步骤，
[0022](2.1).在已制备的结构的正面表面上淀积第一牺牲层；
[0023](2.2).选择性地掩蔽和刻蚀前一步骤制备的所述第一牺牲层；
[0024](2.3).在前一步骤制备的结构正面表面上淀积第二牺牲层；
[0025](2.4).在前一步骤制备的结构正面表面上淀积低掺杂或不掺杂的多晶硅层；
[0026](2.5).对前一步骤制备的多晶硅层实行选择性的掺杂工艺，进行浓掺杂，使掺杂厚度与该层的多晶5圭层厚度相同；
[0027](2.6).选择性地掩蔽和刻蚀前一步骤制备的多晶硅层；
[0028](3).在前一步骤制备的多晶硅层表面上通过溅射或者蒸馏工艺，根据需要的图形制备金属层，并保留