MEMS器件的形成方法

摘要

一种MEMS器件的形成方法，首先在硅基底表层的部分区域进行离子注入形成改性区，之后在具有改性区的硅基底上形成器件层，在器件层内形成暴露改性区的沟槽，通过该沟槽湿法腐蚀去除该改性区以及部分硅基底以形成空腔，由于改性区的性质与硅基底的性质不同，因而可以通过选择腐蚀溶液，在腐蚀硅基底形成空腔时，能对悬浮于空腔上部的器件层下的改性区材质进行完全去除，由于改性区的完全去除，使得悬浮的可动部件下无硅材质残留，进而提高可动部件的灵敏度。

权利要求

1.一种MEMS器件的形成方法，其特征在于，包括：提供硅基底，在所述硅基底表层的部分区域进行离子注入形成改性区；

在所述具有改性区的硅基底上形成器件层；

干法刻蚀所述器件层以在其内形成沟槽，所述沟槽暴露出所述改性区；

通过所述沟槽湿法去除所述改性区以及部分硅基底以形成空腔，悬浮在所述空腔上部的器件层形成可动部件。

2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述湿法去除所述改性区以及部分硅基底采用同一溶液，所述溶液对所述改性区的去除为各向同性腐蚀，对所述硅基底的腐蚀为各向异性去除。

3.根据权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述硅基底表层注入的离子为硅离子，形成的改性区的材质为无定型硅。

4.根据权利要求1或2或3所述的形成方法，其特征在于，所述器件层的材质为二氧化硅。

5.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述可动部件为单臂梁或两端支撑的可动薄膜。

6.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述可动部件为压阻式湿度传感器的传感元件或电容式湿度传感器的传感元件。

7.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，形成无定型硅改性区包括：在所述硅基底上形成图形化的硬掩膜层；

以所述图形化的硬掩膜层为掩膜对所述硅基底进行硅离子注入。

8.根据权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材质为氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。

9.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，所述无定型硅改性区的深度范围为

50nm～100nm。

10.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述二氧化硅器件层包括自下而上的第一氧化硅层与第二氧化硅层。

11.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，湿法去除所述无定型硅改性区以及部分硅基底采用碱性溶液。

12.根据权利要求11所述的形成方法，其特征在于，所述碱性溶液为TMAH水溶液。

13.根据权利要求11所述的形成方法，其特征在于，所形成的空腔呈开口大，底部小的梯形，所述空腔的侧壁与底壁之间的夹角范围为50度～60度。

14.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述器件层内形成的沟槽的数目为两个或两个以上。

说明书

MEMS器件的形成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种MEMS器件的形成方法。

背景技术

[0002] 现有技术中，为提高器件集成程度、减小器件体积、降低器件成本，MEMS器件逐渐成为半导体器件的主流。MEMS器件，例如湿度传感器，其内具有悬浮于空腔内的可动部件，实际制作过程中发现，上述制作的可动部件具有一些缺陷，例如可动部件易失效，或传感灵敏度较低。

[0003] 针对上述问题，本发明提供一种新的MEMS器件的形成方法，以提高可动部件的良率及灵敏度。

发明内容

[0004] 本发明解决的问题是如何提高MEMS器件中的可动部件的的良率及灵敏度。

[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括：

[0006] 提供硅基底，在所述硅基底表层的部分区域进行离子注入形成改性区；

[0007] 在所述具有改性区的硅基底上形成器件层；

[0008] 干法刻蚀所述器件层以在其内形成沟槽，所述沟槽暴露出所述改性区；

[0009] 通过所述沟槽湿法去除所述改性区以及部分硅基底以形成空腔，悬浮在所述空腔上部的器件层形成可动部件。

[0010] 可选地，所述湿法去除所述改性区以及部分硅基底采用同一溶液，所述溶液对所述改性区的去除为各向同性腐蚀，对所述硅基底的腐蚀为各向异性去除。

[0011] 可选地，所述硅基底表层注入的离子为硅离子，形成的改性区的材质为无定型硅。

[0012] 可选地，所述器件层的材质为二氧化硅。

[0013] 可选地，所述可动部件为单臂梁或两端支撑的可动薄膜。

[0014] 可选地，所述可动部件为压阻式湿度传感器的传感元件或电容式湿度传感器的传感元件。

[0015] 可选地，形成无定型硅改性区包括：

[0016] 在所述硅基底上形成图形化的硬掩膜层；

[0017] 以所述图形化的硬掩膜层为掩膜对所述硅基底进行硅离子注入。

[0018] 可选地，所述硬掩膜层的材质为氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。

[0019] 可选地，所述无定型硅改性区的深度范围为50nm～100nm。

[0020] 可选地，所述二氧化硅器件层包括自下而上的第一氧化硅层与第二氧化硅层。

[0021] 可选地，湿法去除所述无定型硅改性区以及部分硅基底采用碱性溶液。

[0022] 可选地，所述碱性溶液为TMAH水溶液。

[0023] 可选地，所形成的空腔呈开口大，底部小的梯形，所述空腔的侧壁与底壁之间的夹角范围为50度～60度。

[0024] 可选地，所述器件层内形成的沟槽的数目为两个或两个以上。

[0025] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：1)首先在硅基底表层的部分区域进行离子注入形成改性区，之后在具有改性区的硅基底上形成器件层，在器件层内形成暴露改性区的沟槽，通过该沟槽湿法腐蚀去除该改性区以及部分硅基底以形成空腔，由于改性区的性质与硅基底的性质不同，因而可以通过选择腐蚀溶液，在腐蚀硅基底形成空腔时，能对悬浮于空腔上部的器件层下的改性区材质进行完全去除，由于改性区的完全去除，使得悬浮的可动部件下无硅材质残留，进而提高可动部件的灵敏度。

[0026] 2)可选方案中，改性区是通过对硅基底进行硅离子注入形成的，所形成的改性区材质为无定型硅，具有改性区的硅基底上形成的器件层的材质为二氧化硅，对于二氧化硅材质的可动部件，采用同一碱性溶液去除无定型硅改性区以及硅基底，这是因为碱性溶液对无定型硅的腐蚀为各向同性腐蚀，对硅基底内的硅为各向异性腐蚀，而碱性溶液不腐蚀二氧化硅，因而碱性溶液能在硅基底内形成空腔同时，还能形成底部无硅残留的二氧化硅可动部件。

[0027] 3)可选方案中，2)可选方案中的碱性溶液为TMAH水溶液，由于TMAH水溶液对硅的腐蚀具有晶向选择，在<100>晶向上腐蚀较快，在<111>晶向上腐蚀较慢，<100>晶向即向下方向，<111>晶向即空腔侧壁方向，如此，所形成的空腔为顶部开口大，底部小的梯形，相对于各向同性腐蚀溶液腐蚀硅基底形成的弧形凹槽，顶部开口大的梯形，在可动部件的支撑区域对硅基底的去除量较小，能避免可动部件坍塌，从而提高了可动部件的良率。

附图说明

[0028] 图1至图5是本发明一实施例中的MEMS器件在形成过程中不同阶段的结构示意图；

[0029] 图6是无改性区存在时，采用各向同性刻蚀硅基底所形成的半导体结构的结构示意图；

[0030] 图7是无改性区存在时，采用TMAH水溶液腐蚀硅基底所形成的半导体结构的结构示意图。

具体实施方式

[0031] 如背景技术中所述，现有的MEMS器件的可动部件灵敏度低。针对上述问题，本发明人进行了分析，发现产生的原因是：在硅基底内形成空腔以释放可动部件时，若采用各向同性刻蚀，由于各向同性刻蚀所形成空腔侧壁形状为弧形，则会造成可动部件下方有硅残留物；若进行各向异性腐蚀，例如采用TMAH水溶液时，由于在<100>晶向上腐蚀较快，在<111>晶向上腐蚀较慢，<100>晶向即向下方向，<111>晶向即空腔侧壁方向，则会造成预定空腔深度已达到时，空腔侧壁去除量较小，造成可动部件下方有硅残留物；上述残留物由于与可动部件材质不同，因而会影响可动部件的灵敏度。基于上述分析，本发明提出：首先在硅基底表层的部分区域进行离子注入形成改性区，之后在具有改性区的硅基底上形成器件层，在器件层内形成暴露改性区的沟槽，通过该沟槽湿法腐蚀去除该改性区以及部分硅基底以形成空腔，由于改性区的性质与硅基底的性质不同，因而可以通过选择腐蚀溶液，在腐蚀硅基底形成空腔时，能对悬浮于空腔上部的器件层下的改性区材质进行完全去除，由于改性区的完全去除，使得悬浮的可动部件下无硅材质残留，进而提高可动部件的灵敏度。

[0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

[0033] 图1至图5是本发明一实施例提供的MEMS器件在形成过程中不同阶段的结构示意图。以下结合图1至图5所示，详细介绍的MEMS器件的形成方法。

[0034] 首先，参照图1所示，提供硅基底10，在硅基底10表层的部分区域进行硅离子注入形成改性区12。

[0035] 上述硅基底10可以为半导体硅衬底(硅晶圆)，也可以为绝缘体上硅(SOI)。硅离子注入的硅源例如为SiH4，其它实施例中，也可以采用现有的其它硅等离子体源。

[0036] 在具体离子注入过程中，可以首先在硅基底10上形成图形化的硬掩膜层11，该图形化的硬掩膜层11具有开口，该开口的大小及位置对应预定形成改性区12的区域大小及位置。

[0037] 接着，以所述图形化的硬掩膜层11为掩膜对硅基底10进行硅离子注入，离子注入完毕后，去除上述图形化的硬掩膜层11。

[0038] 硬掩膜层11的材质例如为氮化硅、氮氧化硅中的至少一种，对应采用热磷酸去除。

[0039] 硅基底10进行硅离子注入后，形成的改性区12的材质为无定型硅，在某些方面，上述无定型硅的性质与硅的性质不同。

[0040] 一个实施例中，上述无定型硅改性区12的深度范围为50nm～100nm。

[0041] 接着，参照图2所示，在具有改性区12的硅基底10上形成器件层13。

[0042] 器件层13用于形成MEMS器件的可动部件。在具体实施过程中，器件层13的材质根据MEMS器件的传感类型进行具体选择。本实施例中，MEMS器件为压阻式湿度传感器或电容式湿度传感器，器件层13用于形成湿度传感器的传感元件，器件层13的材质为二氧化硅。对于压阻式湿度传感器，二氧化硅吸水后，会发生形变，因而对其上的硅材质(后续形成)施加压应力或拉应力，造成该硅材质电阻变化，通过检测电阻变化量，即可反映出吸水量，也即湿度的大小。对于电容式湿度传感器，二氧化硅吸水后，介电常数会发生变化，通过检测反映该二氧化硅的介电常数变化量的电容，即可获得吸水量，也即湿度的大小。

[0043] 在具体实施过程中，如图2所示，为增大形变量或介电常数变化量，上述二氧化硅器件层13包括自下而上的第一氧化硅层131与第二氧化硅层132。其它实施例中，器件层13的层数也可以为其它数目。

[0044] 之后，参照图3所示，干法刻蚀所述器件层13(参照图2所示)以在其内形成沟槽14，所述沟槽14暴露出所述改性区12。

[0045] 图4为沿图3中A-A直线的剖视图。参照图3与图4所示，本实施例中，形成的沟槽14为两个。两沟槽14之间的器件层13后续用于形成可动部件。可以看出，该器件层13为两端支撑的敏感薄膜。其它实施例中，还可以增加一垂直两沟槽14的另一沟槽(未图示)，以形成只有一端支撑的可动部件，即单臂梁。

[0046] 沟槽14的刻蚀可以采用现有的光刻、干法刻蚀形成，即在器件层13上形成光刻胶，采用图案化的掩膜板曝光显影后形成图案化的光刻胶，以该图案化的光刻胶为掩膜进行干法刻蚀以形成沟槽14。

[0047] 其它实施例中，也可以根据传感器的类型，只形成一个沟槽14。

[0048] 接着，参照图5所示，通过沟槽14湿法去除所述改性区12以及部分硅基底10以形成空腔15，悬浮在所述空腔15上部的器件层13形成可动部件。

[0049] 本步骤通过形成空腔15，对两沟槽14之间的器件层13进行了释放，使其成为可动部件。上述过程中，由于改性区12与硅基底10的材质不同，因而可以通过选择湿法去除溶液，使其对改性区12完全去除。由于改性区12被完全去除，因而所释放的可动部件(器件层13)下无硅残留。

[0050] 在具体实施过程中，对改性区12的完全去除与对部分硅基底10的去除可以采用同一溶液。在具体实施过程中，由于改性区12较薄，因而若选择的溶液对所述改性区12的去除为各向同性腐蚀，对所述硅基底10的腐蚀为各向异性去除，则能在腐蚀硅基底10时完全去除该改性区12。本实施例中，该同一湿法去除溶液为碱性溶液，例如KOH溶液、NaOH溶液，或TMAH水溶液。本实施例中以TMAH水溶液为例。TMAH水溶液对无定型硅为各向同性去除，对硅为各向异性去除。具体地，对于硅，TMAH水溶液具有较佳的晶向选择，在<100>晶向上腐蚀较快，在<111>晶向上腐蚀较慢，前者大约是后者的35倍，<100>晶向即向下方向，<111>晶向即空腔15侧壁方向。因而，所形成的空腔15呈开口大，底部小的梯形。一个实施例中，采用质量体积百分比浓度为2％～20％的TMAH水溶液，在温度为20℃～60℃进行腐蚀。

[0051] 一个实施例中，由于无定型硅改性区12的隔开，因而，空腔15的深度为5微米～10微米，即空腔15底壁距硅基底10的表面的距离为5微米～10微米，空腔15的侧壁与底壁之间的夹角范围为50度～60度。

[0052] 图6是无改性区存在时，采用各向同性刻蚀硅基底10所形成的半导体结构的结构示意图。参照图6所示，可以看出，由于各向同性刻蚀所形成空腔15侧壁形状为弧形，一则会造成可动部件下方有硅残留物，二则在可动部件的支撑区域，对硅基底10的去除量较大，可能造成可动部件坍塌。上述各向同性刻蚀气体例如为XeF2，还可能造成空腔15的内壁毛糙，硅去除量不均等。而参照图5所示，本发明由于设置了改性区12，以及采用TMAH水溶液对硅基底10进行腐蚀，不但解决了可动部件下方具有硅残留物的问题，处理结果稳定适于批处理，而且在可动部件的支撑区域对硅基底10的去除所形成的为锐角的三角形，因而对硅的去除量较小，能避免可动部件坍塌。此外，TMAH水溶液的晶向选择较佳，所形成的空腔15的内壁光滑。

[0053] 图7是无改性区存在时，采用TMAH水溶液腐蚀硅基底10所形成的半导体结构的结构示意图。参照图7所示，由于TMAH水溶液在<100>晶向上腐蚀速率远大于在<111>晶向上的腐蚀速率，因而当形成的空腔15的深度满足需求时，两沟槽14之间的器件层13下还可能有硅残留。而参照图5所示，本发明由于设置了改性区12，由于改性区12的隔开，TMAH水溶液腐蚀硅基底10形成空腔15过程中，改性区12被完全去除，也可以避免可动部件下的硅残留问题。

[0054] 可以理解的是，本实施例中以无定型硅作为改性区12的材质为例进行说明，其它实施例中，也可以通过对硅基底10的部分区域进行其它类型的离子注入形成其它材质的改性区12，只要对该改性区12进行完全去除，就能起到避免可动部件下具有硅残留的问题。

[0055] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。