CN101479185B

CN101479185B - Mems器件及制造方法

Info

Publication number: CN101479185B
Application number: CN200780024350XA
Authority: CN
Inventors: 马克·斯沃罗斯基; 大卫·D·R·谢弗里; 包斯卡·菲利普
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: US7982558B2; WO2008001253A3; US20090278628A1; WO2008001253A2; EP2038207A2; CN101479185A

Abstract

一种制造集成在硅衬底中的MEMS器件的方法。在制造MEMS器件的同时，可以加工诸如具有高电容密度的沟槽电容器之类的无源元件。该方法尤其适合于谐振频率在10MHz范围内的MEMS谐振器。

Description

MEMS器件及制造方法

技术领域

本发明涉及制造集成单晶MEMS器件的方法。

背景技术

US6,856，217B1公开了一种基于径向或横向振动圆盘结构的微机电系统(MEMS)器件，它能够在远高于100MHz的频率下振动。圆盘的中央是一个节点，所以当在其中央支撑圆盘谐振器时，对衬底的定位耗散(anchor dissipation)最小，从而使得该设计可以在高频下保持高Q值。此外，该设计在高频下保持高硬度，并因此使得动态范围最大。并且，该圆盘谐振器的侧壁表面区域通常大于可在以前的弯曲模式谐振器设计中获得的侧壁表面区域，从而当在给定频率下使用电容(或静电)传导时，该圆盘设计可以比其它设计实现更小的串联动态电阻。该谐振器所达到的频率和动态范围使得它可以应用于各种通信系统中的高Q值RF滤波以及振荡器应用中。其尺寸还使得它尤其适合于便携式无线应用，如果在便携式无线应用中大量使用该谐振器，则可以大大降低功耗，增强稳定性，并扩展高性能无线收发器的应用范围。此外公开了一种用于制造MEMS器件的方法。需要绝缘体上硅(SOI)晶圆来制造MEMS器件。这些SOI晶圆很贵，并且如果MEMS器件是在小于50MHz的频率下谐振的谐振器则会尤其贵，这是因为需要厚的硅层来提供谐振(圆盘)结构的机械稳定性。对无源元件(尤其是具有高电容密度的电容器)的集成不太可能。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于制造MEMS器件的成本有效的方法，该方法能够在一个衬底上集成无源元件。该目的是通过一种制造MEMS器件的方法实现的，该方法包括以下步骤：

-提供具有顶部侧和底部侧的器件衬底；

-在器件衬底的顶部侧提供至少一个沟槽，所述沟槽限定了可动结构的形状；

-在器件衬底的顶部侧提供至少一个导电区域，并且该导电区域的至少一部分形成了附在该可动结构上的至少一个可动电极；

-在器件衬底的顶部侧提供电介质层，该电介质层至少部分地覆盖了所述导电区域；

-在器件衬底的顶部侧提供并构造导电电极层；

-在电介质层中提供至少一个定位点；

-在器件衬底的顶部侧提供并构造导电结构层，并且该导电结构层将所述可动结构定位在所述定位点处；

-通过所构造的结构层来部分地去除所述电介质层；

-在限定了可动结构形状的沟槽下面的限定区域内从器件衬底的底部侧去除器件衬底，至少直到到达限定了可动结构的形状的沟槽；以及

释放所述可动结构。

相对于现有技术，通过三个步骤释放了可动结构。在第一个步骤中，例如通过时控蚀刻，将电介质层部分地去除，直到蚀刻到限定了可动结构形状的沟槽中的限定深度。时间是通过电介质层的蚀刻速度、结构层中的蚀刻孔的几何形状、以及可动结构的最终厚度确定的。在第二步骤中，限定了可动结构形状的沟槽下面的器件衬底被去除。第二步骤的蚀刻时间限定了可动结构的厚度。背部的蚀刻和电介质层的蚀刻必须被调整为这样的方式，即，背部蚀刻期间使用的蚀刻剂不会到达电介质层蚀刻之后留下的空腔。在沟槽中将电介质层去除所达到的深度必须小于可动结构的最终厚度。在第三步骤中，在利用背部蚀刻所使用的蚀刻剂对电介质层进行蚀刻之后，去除所残留的用来防止空腔被污染的电介质层残留物，从而释放可动结构。可动结构的厚度可很容易地适应由可动结构的扩展所确定的机械边界条件，这是因为可动结构是通过器件衬底形成的，这与现有技术(其中可动结构是SOI层的一部分)是不同的。可动结构的扩展是用以确定可动结构的谐振频率的一个关键参数。其它参数为构建了可动结构的材料的密度、杨氏模量、以及泊松比。特别地，在低于50MHz的谐振频率(导致相当大的可动结构)下，与通过SOI晶圆的方式来制造谐振MEMS器件相比，该方法提供了具有决定性的成本优势。通过电介质层被构造来提供定位点(或者在需要多个定位点时提供多个定位点)的(多个)区域处的结构层来对可动结构进行定位。导电结构层为可动结构在一侧提供了悬架，并在另一侧提供了与附在可动结构上的可动电极之间的导电连接。可动电极与由所构造的电极层的部分所形成的基本静态的参考电极相互作用。

上述方法的另一优点是可以并行地制造沟槽电容器。可以在器件衬底的顶部提供其它沟槽。这些沟槽的表面属于器件衬底顶部的导电区域，并形成了沟槽电容器的第一电极。沟槽的表面覆盖有电介质层。导电电极层填充了覆盖有电介质层的沟槽，形成了第二电极。这些第一电极、电介质层以及第二电极的堆叠结构可被用作电容器，其电容密度由电介质层的厚度以及电容性结构的有效面积确定。于是，可并行地制造MEMS器件和具有较高电容密度的集成电容器。添加具有限定导电率的层使得能够额外地集成电阻器和电感器。对器件衬底进行前端蚀刻(蚀刻电介质层)和背部蚀刻的结合可以进一步被用来提供通过器件衬底的通孔。在沟槽已经被从背部打开之后，可从背部提供导电接触层。该接触层与从器件衬底的前端提供的电极层物理接触，从而产生器件衬底的前端与器件衬底的背部之间的导电连接，于是形成所谓的通孔。该通孔使得MEMS器件(和其它无源电路元件)可以与第二衬底上的其它有源或无源电路进行电连接。MEMS器件可很容易地堆叠在第二衬底上。

在本发明的另一实施例中，在沉积和构建了电极层之后提供牺牲层。可在构造电介质层之前或之后沉积该牺牲层。如果可以通过与电介质层相同的蚀刻剂来去除该牺牲层，那么优选地以比电介质层更高的蚀刻速率进行蚀刻。在蚀刻电介质层之前基本去除牺牲层，并且基本在同时将预先覆盖有牺牲层的电介质层部分暴露至蚀刻剂。首先对所提供的基本与器件衬底的表面平行的电介质层部分进行蚀刻，从而能够更好地控制对提供在沟槽侧的电介质层(基本垂直于器件衬底的表面)的蚀刻。电介质层可以是热生长在硅器件衬底上的氧化层，从而能很好地控制电介质层的厚度，尤其是沟槽中的厚度，并且牺牲层是沉积的二氧化硅层(具有较低的密度)，所以相对于热生长的二氧化硅，牺牲层具有针对例如缓冲氧化蚀刻(BOE)的更快的蚀刻速度。

在本发明的另一实施例中，该牺牲层被布置成可利用第一蚀刻剂来去除牺牲层，该第一蚀刻剂基本不会去除电介质层，并且可以利用第二蚀刻剂来去电介质层，该第二蚀刻剂基本不会去除牺牲层，其中基本不会去除意味着该层针对该蚀刻剂的蚀刻速度至少低两个数量级。在这种情况下，牺牲层首先被蚀刻，直到覆盖在可动结构顶部的电介质层被蚀刻完。在第二蚀刻步骤中，电介质层被去除，其中在沟槽中的电介质层暴露至蚀刻剂之前，首先用蚀刻剂将覆盖在可动结构的顶部的电介质层部分基本上去除。蚀刻时间由对沟槽中的电介质层的蚀刻来确定，能够很好地控制沟槽中的蚀刻深度，也就是能在沟槽中去除多深的电介质层。可通过对硅器件衬底进行热氧化来再次提供电介质层，该电介质层能被缓冲氧化蚀刻所蚀刻，其中牺牲层可以是可在较高温度下被磷酸蚀刻的氮化硅。

在本发明的另一实施例中，在器件衬底的顶部侧上对MEMS器件进行封装，并且在将封装衬底键合至器件衬底的底部侧之前提供真空。对可动结构造成阻尼的空气被排出，从而产生例如高Q值谐振器。封装层可以是二氧化硅、氮化硅或有机材料。用于对电介质层或牺牲层进行蚀刻的蚀刻孔必须布置为使得封装层的沉积并不干扰可动结构的可动性。优选地，不应在可动结构的顶部沉积任何材料。如果在谐振器结构的上面提供蚀刻孔以便更快地对电介质层或牺牲层进行蚀刻，那么蚀刻孔必须被放置在导电结构层对可动结构进行定位或悬置的区域附近。在定位器(anchor)附近部分沉积封装层基本上不影响可动结构的可动性。只要在器件晶圆的底部侧上或者封装晶圆上没有必须进行对准的结构，那么可以通过公知的晶圆键合技术来将封装晶圆键合至器件衬底，而无需特殊的对准。可选地，可以提供保护气体来代替真空。

本发明的另一个目的是提供一种低成本MEMS器件。通过一种MEMS器件实现了该目的，其包括具有至少一个参考电极的器件衬底以及具有与该器件衬底相同的材料的可动结构，该可动结构具有至少一个可动电极，该可动结构被嵌入器件衬底并且通过基本布置在所述器件衬底上的至少一个定位器间接附在所述器件衬底上，所述MEMS器件还包括电介质层，该电介质层被局部去除以便使得附在可动电极上的可动结构变得可动，并且电驱动电路连接至可动电极和参考电极。可动电极和/或参考电极可以是粘在一起的电极或分段电极。如果(例如)可动电极是分段的，那么可以独立地将电压施加到可动电极的不同的电绝缘部分。操作期间处于不同电势的可动电极部分必须通过彼此电绝缘的不同定位点接触。如果可动结构被用作谐振器，那么分段的可动电极例如可以用来激发不同的谐振模式。与多晶硅相比，单晶硅是更具吸引力的材料，这是因为它具有较小的内摩擦，并由此与SOI层相比具有较高的机械品质因数、较低的内应力并与各种工艺参数无关。

在另一实施例中，MEMS器件与电容性结构相结合。该电容性结构包括器件衬底中的多个沟槽。沟槽的表面是导电的(例如，如果使用了单晶硅器件衬底，则是掺杂的硅)，形成了该电容性结构的第一电极。部分地去除电介质层，以便释放可动结构，该可动结构构建了第一电极和所构造的电极层(形成了电容性结构的第二电极)之间的绝缘层。MEMS器件与电容性结构的组合可被用来例如设计集成传感器电路或振荡电路。在第一种情况下，可动结构可以是例如用于感测加速度的测试块。在第二种情况下，可动结构是机械谐振器结构，其中优选地，通过可动电极和参考电极激发并感测谐振器结构的谐振模式。谐振器结构的几何形状与泊松比以及杨氏模量共同确定了谐振器结构的谐振频率。优选地，谐振器结构的几何形状为圆盘或方形盘。

附图说明

现在将通过参考附图来更详细地说明本发明，其中相同的参考标号表示类似的部分，其中：

图1a至图1i图示了根据本发明的一个实施例的制造MEMS器件的方法的不同阶段；

图2示出了根据本发明的一个实施例的MEMS器件的俯视图的概略图；以及

图3示出了根据本发明的另一实施例的MEMS器件的截面图。

具体实施方式

图1a示出了通过深反应离子蚀刻(DRIE)在器件衬底10的顶部之中蚀刻了圆形沟槽20之后的硅器件衬底10。图1a中下面的画面示出了具有沟槽20的器件衬底10的俯视图，其中定义了在图1a中上面的图片中示出的截面图的线A-A。线A-A不是直线。它包括在圆形沟槽20的中点处相交的直线部分，并且它包围了约120度的角度。沟槽20的宽度约为3μm，深度约为20μm。图1b中描绘了通过掺杂的方式使得包括沟槽20的表面在内的硅器件衬底10的顶部区域的一些部分变得导电之后，器件衬底沿着在图1a中定义的线A-A的截面图。该导电区域的一部分构成了可动电极30。图1c示出了在器件衬底10的顶部上热生长了SiO₂的薄电介质层40(约50nm)之后，并且随后沉积了导电掺杂多晶硅来构建电极层50之后，器件衬底10沿着线A-A的截面图。用导电掺杂多晶硅填充沟槽20来构成电极层50，从而构建参考电极。图1d示出了沉积了牺牲层60(约1μm厚的正硅酸乙酯TEOS)之后，器件衬底10沿着线A-A的截面图。牺牲层60被构造为提供与所构造的电极层50之间的接触开口110。并且，牺牲层60和电介质层40被构造在一起(它们均含有二氧化硅)，它们提供了用于可动结构的定位点100。图1e示出了在器件衬底10的顶部上沉积了导电结构层70并对其进行构造之后，器件衬底10沿着线A-A的截面图。结构层70由掺杂的多晶硅组成，在定位点100对可动结构进行定位。此外，导电的掺杂多晶硅提供了到所构造的构建了参考电极的电极层50的触点以及(通过定位点100)到可动电极30的触点，从而两个电极彼此电绝缘。此外提供了蚀刻孔120来蚀刻牺牲层60和电介质层40。图1f示出了提供并构造了硬掩膜之后，器件衬底10沿着线A-A的截面图。在牺牲层60和电介质层40已经被蚀刻掉之后去除硬掩膜，如图1g所示。经由蚀刻孔120，在定位点100附近通过缓冲氧化蚀刻(BOE)的方式蚀刻牺牲层60和电介质层40。由于热生长的二氧化硅比TEOS具有更高的密度，所以牺牲层60比电介质层40蚀刻得快。可选地，可以在定位点附近提供其它蚀刻孔以便加速牺牲层60的蚀刻。通过控制蚀刻时间，可动电极30上的牺牲层60和电介质层40被去除，并且沟槽20中的电介质层40被部分地去除，也就是说，相对于被沟槽20所包围的衬底10部分，沟槽20的内表面处的电介质层从器件衬底10的顶部开始被去除了大约15μm的深度。图1h示出了沉积了用于防止短路的封装层90之后，器件衬底10沿着线A-A的截面图。提供了通过封装层90到达导电结构层70的触点130和140，以便接触可动电极30以及由电极层50的残留物所形成的参考电极。图1i示出了释放了可动结构1000之后，器件衬底10沿着线AA的截面图。首先，通过各向异性干法蚀刻，从圆形沟槽20所包围的区域下面的器件衬底10的背部蚀刻出空腔300。空腔300的蚀刻深度等于器件衬底10的厚度减去沟槽20的深度。背部蚀刻过程中到达了沟槽20，但是没有释放可动结构1000。圆形沟槽20的内表面处的电介质层40的薄残留层对去除了牺牲层60和电介质层40之后得到的空腔200进行保护。利用缓冲氧化蚀刻通过短暂的蚀刻步骤去除该电介质层40的残留层。

图2示出了本发明的一个实施例的概略图。示出了圆盘谐振器的俯视图，其中具有通过所构造的结构层70到达可动电极的触点130。触点140提供了通过所构造的结构层70和所构造的电极层50(其构建了参考电极)之间的接触区域110来与参考电极进行电接触。通过结构层中的蚀刻孔120来将结构层70与参考电极相接触的结构部分以及结构层与可动电极相接触的结构部分分隔开。蚀刻孔120最终被封装层所填充。

图3示出了图1i所示的本发明实施例的截面图，其中已经将封装晶圆400键合至器件衬底10的背部。可动结构1000通过封装层 90和封装晶圆400而与外界隔离。可在可动结构附近提供真空或保护气体。可动结构1000是MEMS谐振器的谐振器结构。谐振器结构具有圆盘形状，并且与同向性圆盘的轮廓振动(contour vibration)有关的理论给出了圆盘的材料特性、尺寸和谐振频率之间的关系：

δ \times \frac{J_{0} (δ)}{J_{1} (δ)} = 1 - &upsi;,

其中

δ = ω_{0} \cdot R \cdot \sqrt{\frac{ρ (1 - {&upsi;}^{2})}{E}}

并且其中R是圆盘半径；ω₀＝2π·f₀是谐振角频率；J_n(y)是n阶的第一类bessel函数；ρ、υ和E分别是(例如硅衬底的)密度、泊松比以及杨氏模量。谐振器结构包括中央固定的圆盘、围绕这构建了可动电极30的谐振器结构的垂直导电表面的参考电极、以及可动电极和参考电极之间的空隙。作为一种实施方式，例如圆盘为20μm厚，并且其平均半径为例如100μm。可动电极和参考电极之间的空隙为50nm。在可动电极和参考电极之间施加电压会在谐振器结构的外表面产生使之向外扩展的径向力。于是，振动模式就是圆盘的膨胀和收缩。可通过根据与同向性圆盘的轮廓振动有关的理论对其性能进行估计来论证该谐振器的电势(potential)。可由诸如尺寸或单晶硅材料参数之类的已知参数(表格1)计算出所有这些。期望的Q值介于10000至100000之间。

参数	符号	值
			单晶硅的杨氏模量	E	150GPa
单晶硅的泊松比	υ	0.3
			单晶硅的密度	ρ	2330kg/m³
真空介电常数	ε_o	8.854e-12F/m
			相对介电常数	ε_r	1
圆盘厚度	h	20μm
			圆盘半径	R	100μm
空隙厚度	d	50nm

表格1：计算中所使用的参数，假设单晶硅为各向同性

表格1的值得到基本模式的谐振频率f₀＝27MHz。

虽然通过参考特定实施例以及一些附图来描述了本发明，但是本发明并不限于此，而是仅由权利要求所限定。权利要求中的任何标号都不被解释为限制本发明的范围。所描述的附图仅仅是示意性的而不是限制性的。在附图中，为了便于说明，一些部件的大小可能被放大，而不是按比例绘制。说明书和权利要求中所使用的术语“包括”并不排除其它部件或步骤的存在。在表示单个名词时所使用的诸如“一个”、“一种”或“该”之类的定冠词和不定冠词的使用包括多个这种名词，特别说明的除外。

并且，说明书和权利要求中所使用的术语第一、第二和第三等等被用来对类似部件进行区分，而不是为了描述空间顺序或时间顺序而必须的。应该理解的是，所使用的术语在适当的情况下可互换，并且本文所描述的本发明的实施例能够以其它顺序操作，而不限于所描述或说明的顺序。

此外，说明书和权利要求中所使用的术语顶部、底部、第一、第二等等被用于描述目的，而不是为了描述相对关系所必须的。应该理解的是，所使用的术语在适当的情况下可互换，并且本文所描述的本发明的实施例能够以其它顺序操作，而不限于所描述或说明的顺序。

Claims

1.一种制造MEMS器件的方法，该方法包括以下步骤：

-提供具有顶部侧和底部侧的器件衬底(10)；

-在器件衬底(10)的顶部侧提供至少一个沟槽(20)，所述沟槽限定了可动结构(1000)的形状；

-在器件衬底(10)的顶部侧提供至少一个导电区域，并且该导电区域的至少一部分形成了附在该可动结构(1000)上的至少一个可动电极(30)；

-在器件衬底(10)的顶部侧提供电介质层(40)，该电介质层至少部分地覆盖了所述导电区域；

-在器件衬底(10)的顶部侧提供并构造导电电极层(50)；

-在电介质层(40)中提供至少一个定位点(100)；

-在器件衬底(10)的顶部侧提供并构造导电结构层(70)，并且该导电结构层(70)将所述可动结构(1000)定位在所述定位点(100)处；

-通过所构造的导电结构层(70)来部分地去除所述电介质层(40)；

-在限定了可动结构(1000)的形状的沟槽(20)下面的限定区域内从器件衬底(10)的底部侧去除器件衬底(10)，至少到达限定了可动结构(1000)的形状的沟槽(20)；以及

-释放所述可动结构(1000)。

2.如权利要求1所述的制造MEMS器件的方法，其中，在器件衬底(10)的顶部侧提供并构造导电电极层(50)的步骤之后，且在电介质层(40)中提供至少一个定位点(100)的步骤之前，该方法包括以下附加步骤：

-在所构造的导电电极层(50)的顶部提供牺牲层(60)；以及

-构造该牺牲层(60)；

其中，通过所构造的导电结构层(70)来部分地去除所述电介质层(40)的步骤包括：

-通过所构造的导电结构层(70)来部分地去除所述牺牲层(60)和所述电介质层(40)。

3.如权利要求2所述的制造MEMS器件的方法，其中以相同的蚀刻剂去除电介质层(40)和牺牲层(60)，并且牺牲层(60)针对该蚀刻剂的蚀刻速度高于电介质层(40)针对该蚀刻剂的蚀刻速度。

4.如权利要求2所述的制造MEMS器件的方法，其中，利用第一蚀刻剂来去除牺牲层(60)，该第一蚀刻剂基本不会去除电介质层(40)，并且利用第二蚀刻剂来去除电介质层(40)，该第二蚀刻剂基本不会去除牺牲层(60)。

5.如权利要求3所述的制造MEMS器件的方法，其中所述器件衬底(10)为硅衬底，所述电介质层(40)为热生长的二氧化硅，并且所述牺牲层(60)是沉积的二氧化硅。

6.如权利要求4所述的制造MEMS器件的方法，其中所述器件衬底(10)为硅衬底，所述电介质层(40)为热生长的二氧化硅，并且所述牺牲层(60)是沉积的氮化硅。

7.如上述任意一个权利要求所述的制造MEMS器件的方法，该方法包括以下附加步骤：

-对所述器件衬底(10)的顶部侧进行封装；

-提供真空；

-提供封装衬底(400)；以及

-将该封装衬底(400)键合至所述器件衬底(10)的底部侧。

8.一种MEMS器件，其包括具有至少一个参考电极的器件衬底(10)以及具有与该器件衬底(10)相同的材料的可动结构(1000)，该可动结构(1000)具有至少一个可动电极(30)，该可动结构(1000)被嵌入所述器件衬底(10)并且通过布置在所述器件衬底(10)上的至少一个定位器间接附在所述器件衬底(10)上，所述MEMS器件还包括电介质层(40)，该电介质层(40)被局部去除以便使得附在可动电极(30)上的可动结构变得可动，并且电驱动电路连接至所述可动电极(30)和所述参考电极。

9.如权利要求8所述的MEMS器件，还包括：电连接至所述可动电极(30)和/或参考电极的电容性结构，该电容性结构包括器件衬底中的多个沟槽(20)，所述沟槽(20)的表面是导电的并形成了该电容性结构的第一电极，并且该电容性结构还包括电介质层(40)和第二电极，该第二电极具有与参考电极相同的材料。

10.如权利要求8或9所述的MEMS器件，其特征在于所述MEMS器件为MEMS谐振器。

11.如权利要求10所述的MEMS器件，其特征在于所述可动结构(1000)为圆盘形状。