本發(fā)明涉及MEMS(微機電系統(tǒng))結(jié)構(gòu)的制造方法，更具體地，涉及具有臺階的MEMS結(jié)構(gòu)的制造方法。

背景技術(shù)：

MEMS器件是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的采用微加工工藝制作的電子機械器件，已經(jīng)廣泛地用作傳感器和執(zhí)行器。例如，MEMS器件可以是硅電容麥克風(fēng)。硅電容麥克風(fēng)通常包括基板、背極板和振膜，其中振膜是硅電容麥克風(fēng)的核心部件，該振膜靈敏地響應(yīng)聲壓信號并將之轉(zhuǎn)化為電信號。在硅電容麥克風(fēng)中，基板和背極板是固定部件，振膜是可動部件。振膜的一端固定在基板上，另一端則可以自由振動。不僅僅是硅電容麥克風(fēng)，基于電容特性的MEMS傳感器以及大部分的MEMS執(zhí)行器均包括固定部件和可動部件。

在形成包括可動部件的MEMS器件的工藝中，為了形成可動部件，通常包括在犧牲層上形成功能層、以及去除犧牲層的一部分使得功能層的一端懸空的步驟，該步驟可以稱為釋放步驟，例如，可以采用濕法工藝或干法工藝釋放可動部件。在濕法工藝中，將包括功能層和犧牲層的中間結(jié)構(gòu)一起浸入蝕刻溶液中，使得蝕刻劑到達功能層下方的犧牲層，然后利用各向同性蝕刻特性橫向蝕刻犧牲層，從而在功能層下方形成空間，使得功能層的至少一部分懸空成為自由端。在干法蝕刻中，例如采用反應(yīng)離子蝕刻，在蝕刻形成的開口到達犧牲層之后，利用反應(yīng)離子蝕刻的側(cè)掏橫向蝕刻犧牲層。

在上述兩種工藝中，干法蝕刻的橫向蝕刻速率低，難以在功能層下方形成足夠大的空間，從而對MEMS器件結(jié)構(gòu)的限制大。濕法蝕刻在選擇合適的蝕刻劑的情形下，橫向蝕刻速率高，容易形成功能層下方的空間，因而在形成MEMS結(jié)構(gòu)時是優(yōu)選的。

然而，由于犧牲層的厚度可能過大，濕法蝕刻的時間過長，或者MEMS結(jié)構(gòu)的形貌特征包括臺階或者高寬比過大的深孔等因素，因此，濕法蝕刻可能導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)的受保護部分的鉆蝕，從而使得MEMS結(jié)構(gòu)的機械性能劣化。進一步地，在MEMS結(jié)構(gòu)的加工過程中，例如在芯片拾取和引線鍵合期間，由于加工工具碰撞芯片導(dǎo)致機械損壞或線路斷開，導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)失效。

因此，期望進一步改進現(xiàn)有MEMS結(jié)構(gòu)的制造方法，以獲得高可靠性的MEMS結(jié)構(gòu)，從而提高產(chǎn)率及降低成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于通過在釋放可動部件之前提供附加的保護層，以提高MEMS結(jié)構(gòu)的可靠性。

根據(jù)本發(fā)明，提供一種MEMS結(jié)構(gòu)的制造方法，包括：在基板的第一表面上形成第一犧牲層，所述基板還包括與第一表面相對的第二表面；在第一犧牲層上形成第一功能層，所述第一功能層具有相對的第一表面和第二表面且所述第一表面與所述第一犧牲層接觸；在第一功能層的第二表面上形成第二犧牲層；在第二犧牲層上形成第二功能層；去除第二犧牲層和第二功能層的一部分，使得第二犧牲層和第二功能層的側(cè)壁與第一功能層的表面形成臺階；形成覆蓋臺階的保護層，所述保護層與臺階表面的間隙小于等于0.1微米；穿過第二功能層中的透孔去除第二犧牲層的一部分，使得第二功能層和第二犧牲層的剩余部分形成內(nèi)部空間，所述第一功能層的第二表面暴露于所述內(nèi)部空間；以及去除保護層。

優(yōu)選地，所述保護層相對于所述第二功能層、所述二犧牲層和所述第一功能層的蝕刻選擇比大于50。

優(yōu)選地，所述保護層由選自氧化硅和氮化硅的一種組成，所述第二犧牲層由選自氧化硅和氮化硅的另一種組成。

優(yōu)選地，所述臺階的高度大于1微米，所述保護層的厚度小于1微米。

優(yōu)選地，所述MEMS結(jié)構(gòu)為選自MEMS傳感器和MEMS致動器的一種。

優(yōu)選地，所述MEMS結(jié)構(gòu)為硅電容麥克風(fēng)，其中，所述第一功能層和 所述第二功能層分別為所述硅電容麥克風(fēng)的振膜和背極板，所述振膜包括中間部分、周邊部分和二者之間的連接區(qū)，在形成臺階的步驟中暴露所述振膜的周邊部分的表面。

優(yōu)選地，在形成臺階和形成保護層的步驟之間，還包括：在所述振膜的周邊部分的表面形成第一電極；以及在所述背極板的表面形成第二電極，其中，所述保護層覆蓋所述第一電極和所述第二電極。

優(yōu)選地，在形成保護層的步驟和去除保護層的步驟之間，還包括：去除部分保護層，以暴露所述振膜的周邊部分的一部分表面和所述背極板的一部分表面；以及在所述振膜的周邊部分的暴露表面和所述背極板的暴露表面上分別形成第一電極和第二電極。

優(yōu)選地，在形成保護層的步驟和形成內(nèi)部空間的步驟之間，還包括：從所述基板的第二表面形成到達所述第一犧牲層的聲腔；以及在所述第一犧牲層中形成透孔，使得聲波經(jīng)由所述聲腔和所述透孔到達所述振膜。

優(yōu)選地，采用濕法蝕刻去除所述保護層。

該方法在釋放MEMS結(jié)構(gòu)的步驟中利用保護層保護臺階，從而避免了在臺階的拐角處出現(xiàn)鉆蝕導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)失效。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1至3分別示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖、俯視圖和截面圖。

圖4a至4i示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS結(jié)構(gòu)的制造方法中的不同階段的MEMS結(jié)構(gòu)的截面圖。

具體實施方式

以下將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標(biāo)記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。為了簡明起見，可以在一幅圖中描述經(jīng)過數(shù)個步驟后獲得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

應(yīng)當(dāng)理解，在描述器件的結(jié)構(gòu)時，當(dāng)將一層、一個區(qū)域稱為位于另一層、另一個區(qū)域“上面”或“上方”時，可以指直接位于另一層、另一個區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將器件翻轉(zhuǎn)，該一層、一個區(qū)域?qū)⑽挥诹硪粚?、另一個區(qū)域“下面”或“下方”。

如果為了描述直接位于另一層、另一個區(qū)域上面的情形，本文將采用“A直接在B上面”或“A在B上面并與之鄰接”的表述方式。在本申請中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A與B直接鄰接。

在本申請中，術(shù)語“MEMS結(jié)構(gòu)”指在制造MEMS器件的各個步驟中形成的整個MEMS結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括已經(jīng)形成的所有層或區(qū)域。

在下文中描述了本發(fā)明的許多特定的細節(jié)，例如器件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、處理工藝和技術(shù)，以便更清楚地理解本發(fā)明。但正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。

在下文中將以硅電容麥克風(fēng)為例說明MEMS結(jié)構(gòu)的制造方法?？梢岳斫?，采用類似的方法能夠制造與硅電容麥克風(fēng)類似結(jié)構(gòu)的各種類型的MEMS傳感器和執(zhí)行器。

圖1至3分別示出根據(jù)本發(fā)明的實施例MEMS結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖、俯視圖和截面圖，其中圖2中的線AA示出截面圖的截取位置。在該實施例中，MEMS結(jié)構(gòu)100為硅電容麥克風(fēng)100。MEMS結(jié)構(gòu)100包括依次堆疊的基板110、第一犧牲層120、振膜130、第二犧牲層140和背極板150?；?10例如是單晶硅襯底，第一犧牲層120和第二犧牲層140由絕緣材料(例如氧化硅、或氮化硅)組成，振膜130和背極板150由導(dǎo)電材料(例如摻雜的多晶硅、金屬或合金)組成。

在基板110中形成有聲腔，第一犧牲層120中形成有第一透孔，從而一起提供聲波從基板110的下表面到達振膜130的下表面的第一通道。在背極板150中形成有中間的第二透孔151以及分布在第二透孔151周圍的多個第三透孔152，第二犧牲層140中形成第四透孔，從而一起提供從外部到達振膜130上表面的第二通道。

如果該第二通道未與外部連通，則在振膜130的振動時將封閉空間中的空氣，空氣阻尼最大，這可能導(dǎo)致聲波響應(yīng)的靈敏度降低和線性度 劣化。因此，根據(jù)硅電容麥克風(fēng)的設(shè)計要求選擇第二通道的各個透孔的直徑，使得振膜130振動時空氣阻尼最優(yōu)化。

振膜130包括平整的中間部分132和周邊部分134，以及連接中間部分132和周邊部分134的連接區(qū)133。在硅電容麥克風(fēng)中，振膜130的中間部分132與背極板150構(gòu)成電容的一對極板。振膜130的中間部分132和連接區(qū)133的上下表面均為自由面，分別暴露于第二犧牲層140中的第四透孔和第一犧牲層120中的第一透孔的空間中，使得在受到聲波沖擊時，振膜130的中間部分132可以自由振動。

振膜130的中間部分132中還形成有第五透孔131，用于減輕聲波沖擊時對振膜130的壓力。第五透孔131的形狀優(yōu)選為圓形。根據(jù)硅電容麥克風(fēng)的設(shè)計要求選擇第五透孔131的直徑。如果該直徑過小則無法起到減小聲波壓力的作用，如果該直徑過大則可能損失聲波響應(yīng)的靈敏度。

振膜130的連接區(qū)具有褶皺環(huán)結(jié)構(gòu)，包括多個突起的同心環(huán)。在振膜130振動時，該褶皺環(huán)結(jié)構(gòu)可以保持變形協(xié)調(diào)一致，有利于應(yīng)力的釋放，從而實現(xiàn)不同產(chǎn)品的聲音響應(yīng)特性的一致性，提高產(chǎn)品的良率。

背極板150在面對振膜130的表面上設(shè)置有突起153，用于限制振膜130向上振動的極限位置。如果振膜130受到的聲波壓力過大，振膜130向上振動的最大位移受到突起153的限制，從而避免振膜130與背極板150的大面積接觸造成粘附，導(dǎo)致硅電容麥克風(fēng)失效。

MEMS結(jié)構(gòu)100還包括與振膜130的錨區(qū)134的表面接觸的第一電極111，以及與背極板150的表面接觸的第二電極112，用于與外部電路相連接，從而向其提供響應(yīng)聲波信號產(chǎn)生的電信號。

圖4a至4i示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS結(jié)構(gòu)的制造方法中的不同階段的截面圖，這些截面圖的截取位置如圖2中的線AA所示。

如圖4a所示，在基板110上沉積第一絕緣層121且進行圖案化，僅保留與將要形成的振膜的褶皺環(huán)的突出部相對應(yīng)的突出部。該基板110例如為單晶硅基板，第一絕緣層例如由氧化硅組成。沉積工藝?yán)缡沁x自電子束蒸發(fā)(EBM)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、濺射中的一種。圖案化例如包括形成光致抗蝕劑掩模以及經(jīng)由掩模中的 開口蝕刻的步驟。

在圖案化第一絕緣層121時，采用蝕刻劑相對于基板110選擇性地去除第一絕緣層121的暴露部分，并且使得蝕刻停止在基板110的表面上。

進一步地，在MEMS結(jié)構(gòu)的表面上沉積第二絕緣層，第一絕緣層和第二絕緣層一起形成第一犧牲層120，如圖4b所示。第一絕緣層和第二絕緣層的材料相同，例如均為氧化硅。由于預(yù)先形成的第一絕緣層121的圖案，第一犧牲層相應(yīng)地包括與將要形成的振膜的褶皺環(huán)的突出部相對應(yīng)的突出部。

進一步地，在MEMS結(jié)構(gòu)的表面上沉積導(dǎo)體層且進行圖案化，以獲得振膜130，振膜130的中間形成透孔131，如圖4c所示。振膜130與第一犧牲層120的上表面共形，從而相應(yīng)地包括平整的中間部分132和周邊部分134，以及連接中間部分132和周邊部分134的連接區(qū)133。振膜130的中間部分132和周邊部分134平整，連接區(qū)133具有褶皺環(huán)結(jié)構(gòu)。

在圖案化導(dǎo)體層時，采用蝕刻劑相對于第一犧牲層120選擇性地去除導(dǎo)體層的暴露部分，并且使得蝕刻停止在第一犧牲層120的表面上。

進一步地，在MEMS結(jié)構(gòu)的表面上沉積第三絕緣層且進行圖案化，以形成第二犧牲層140，如圖4d所示。該圖案化在第二犧牲層140的上表面，與振膜130的中間部分132相對應(yīng)地形成凹槽141。第二犧牲層140例如由氧化硅組成。此外，第二犧牲層140的下表面的一部分經(jīng)由振膜130中的透孔131接觸第一犧牲層120的上表面。

在形成凹槽141時，采用蝕刻劑去除第二犧牲層140的暴露部分形成開口，進一步地，控制蝕刻的時間，使得凹槽141向下延伸至預(yù)定的深度。

進一步地，在MEMS結(jié)構(gòu)的表面上沉積導(dǎo)體層且進行圖案化，以形成背極板150，如圖4e所示。背極板150例如由摻雜的多晶硅組成。背極板150填充第二犧牲層140中的凹槽141，從而形成突起153。

在圖案化步驟中，至少在振膜130的周邊部分134上方，從上至下依次去除背極板150和第二犧牲層140的暴露部分，從而露出振膜130 的周邊部分134的至少一部分表面。相應(yīng)地，振膜130的周邊部分134的暴露表面與背極板150和第二犧牲層140的側(cè)壁形成臺階。在MEMS結(jié)構(gòu)中，臺階的高度例如大于1微米。在硅電容麥克風(fēng)中，臺階的高度甚至大于5微米。

如前文所述，MEMS結(jié)構(gòu)的臺階的拐角處可能在隨后的蝕刻步驟中導(dǎo)致鉆蝕的發(fā)生，損壞MEMS結(jié)構(gòu)的功能。如果采用光致抗蝕劑掩模作為保護層，則受應(yīng)力作用會出現(xiàn)振膜的周邊部分的邊緣結(jié)合不緊密的現(xiàn)象，從而形成窄縫，且窄縫中存在負壓。在濕法釋放時，由于毛細效應(yīng)腐蝕液仍然會沿著這條縫進去，形成對臺階拐角處的鉆蝕。

本申請的方法則包括如圖4f所示的附加步驟以保護MEMS結(jié)構(gòu)的臺階。

如圖4f所示，在振膜130的周邊部分134的暴露表面上形成第一電極111，在背極板150的上表面上形成第二電極112，然后在MEMS結(jié)構(gòu)的表面上沉積形成保護層160。保護層160例如由氮化硅組成，相對于第一犧牲層120、第二犧牲層140和背極板150具有蝕刻選擇性。例如，針對選擇的蝕刻劑，保護層160相對于第一犧牲層120和第二犧牲層140的選擇比大于50。保護層160的厚度小于1微米，優(yōu)選地，厚度在約0.1至0.5微米的范圍內(nèi)。該保護層160共形地覆蓋在MEMS結(jié)構(gòu)的表面上。該保護層160至少覆蓋振膜130的周邊部分134的暴露表面以及背極板150和第二犧牲層140的側(cè)壁，并且形成密切貼合的接觸面。優(yōu)選地，該保護層160與覆蓋振膜130的周邊部分134的暴露表面以及背極板150和第二犧牲層140的側(cè)壁之間的間隙小于等于0.1微米。

進一步地，在MEMS結(jié)構(gòu)的表面上形成光致抗蝕劑掩模PR，如圖4g所示。該光致抗蝕劑掩模PR包括多個開口。

進一步地，采用光致抗蝕劑掩模PR，形成從上至下依次穿過保護層160、背極板150、第二犧牲層140到達第一犧牲層120的上表面的開口151，以及從上至上穿過保護層10和背極板150到達第二犧牲層140的上表面的開口152，如圖4h所示。由于第二犧牲層140的下表面的一部分經(jīng)由振膜130中的透孔131接觸第一犧牲層120的上表面，因此，開口151與振膜130中的透孔131對準(zhǔn)，即可到達第一犧牲層120的上表 面。開口151不需要蝕刻去除振膜130的任何部分。

在形成開口151和152時，采用蝕刻劑去除相關(guān)層的暴露部分形成開口。利用蝕刻劑的選擇性，使得蝕刻停止在期望的層表面上。

進一步地，在基板110的背表面，采用蝕刻形成聲腔，以及經(jīng)由開口151和152以及聲腔，采用各向同性蝕刻特性橫向蝕刻第一犧牲層120和第二犧牲層140，從而在振膜130的中間部分132和連接區(qū)133上方形成空間而釋放結(jié)構(gòu)。在釋放結(jié)構(gòu)期間，保護層160與振膜130的周邊部分134的暴露表面與背極板150和第二犧牲層140的側(cè)壁均形成密切貼合的接觸面，可以阻止蝕刻劑到達臺階的拐角處。由于保護層160形成密切貼合的接觸面，例如，與覆蓋振膜130的周邊部分134的暴露表面以及背極板150和第二犧牲層140的側(cè)壁之間的間隙小于等于0.1微米，因此可以保護臺階的拐角。如果該間隙過大，蝕刻劑仍然可能基于毛細效應(yīng)沿著間隙進來，將間隙腐蝕擴大，從而產(chǎn)生外蝕。如果該間隙控制在0.1微米以內(nèi)，則可以通過疏水保護層的表面張力，來排斥和防止蝕刻劑流進間隙，從而防止鉆蝕的發(fā)生。

振膜130的中間部分132和連接區(qū)133的上下表面均為自由面，分別暴露于第二犧牲層140中的透孔和第一犧牲層120中的透孔的空間中，使得在受到聲波沖擊時，振膜130的中間部分132可以自由振動。

在釋放結(jié)構(gòu)后，通過在溶劑中溶解或灰化去除光致抗蝕劑層PR，通過選擇性蝕刻去除保護層160，以暴露出第一電極111和第二電極112，用于外部電連接，如圖4i所示。

綜上所述，本發(fā)明提出的針對MEMS結(jié)構(gòu)的臺階形成附加保護層的制造方法可以避免鉆蝕的發(fā)生，使得具有較高的可靠性和良率，成本低廉，工藝上容易實現(xiàn)?？筛鶕?jù)具體的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)值確定具體振膜結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)，適合大批量生產(chǎn)。

在上述的實施例中，描述了硅電容麥克風(fēng)的制造方法。然而，如上所述，該方法可以廣泛地用于與硅電容麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)類似的MEMS傳感器和致動器。因此，更一般地，本申請公開的MEMS結(jié)構(gòu)的制造方法包括：在基板的第一表面上形成第一犧牲層，所述基板還包括與第一表面相對的第二表面；在第一犧牲層上形成第一功能層，所述第一功能層具有相 對的第一表面和第二表面且所述第一表面與所述第一犧牲層接觸；在第一功能層的第二表面上形成第二犧牲層；在第二犧牲層上形成第二功能層；去除第二犧牲層和第二功能層的一部分，使得第二犧牲層和第二功能層的側(cè)壁與第一功能層的表面形成臺階；形成覆蓋臺階的保護層；穿過第二功能層中的透孔去除第二犧牲層的一部分，使得第二功能層和第二犧牲層的剩余部分形成內(nèi)部空間，所述第一功能層的第二表面暴露于所述內(nèi)部空間；以及去除保護層。

此外，在上述的實施例中，描述了在形成保護層之前，預(yù)先形成了第一電極和第二電極，在釋放結(jié)構(gòu)之后，去除保護層，重新暴露第一電極和第二電極用于外部電連接。在替代的實施例中，在形成保護層之后，采用蝕刻去除保護層的一部分，暴露所述振膜的周邊部分的一部分表面和所述背極板的一部分表面，用于形成第一電極和第二電極。

應(yīng)當(dāng)說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

依照本發(fā)明的實施例如上文所述，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實施例。顯然，根據(jù)以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明以及在本發(fā)明基礎(chǔ)上的修改使用。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。