MEMS器件及其制造方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种MEMS器件及其制造方法。

背景技术

基于MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)加工工艺制作的诸如惯性传感器之类的MEMS器件已有广泛应用，其由于具有结构简单、与微电子制作工艺兼容性好、可大批量制造、占用面积小、使用方便等优点而受到广泛关注。

以惯性传感器为例，其通常包括器件片。参见附图1，现有的器件片由下至上通常依次包括衬底10、第一介质层20、第一导电层30、第二介质层40和第二导电层50。第一导电层30和第二导电层50为图形化的导电层。其中，图形化的第一导电层30作为布线以及检测电容的电容极板，图形化的第二导电层50形成梳齿结构。通过刻蚀工艺释放梳齿结构下方的第二介质层40形成空腔，可以使梳齿结构部分地成为可动结构。

参见附图2，现有的器件片因为没有设置阻挡层，在通过刻蚀工艺释放梳齿结构下方的第二介质层40时，第一导电层30下方的第一介质层20(第一介质层20和第二介质层40通常为相同的材质，例如氧化硅)会出现侧掏，侧掏过大时会影响器件片的结构稳定性。

因此需要进行改进，以至少部分地解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分地解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS器件的制造方法，其包括：

在衬底上形成介质层，在所述介质层上形成图案化的第一导电层；

在所述介质层和所述第一导电层上形成隔离层，所述隔离层覆盖所述第一导电层；

在所述隔离层上形成阻挡层，所述阻挡层覆盖所述隔离层；

在所述隔离层和所述阻挡层内形成第一沟槽，所述第一沟槽露出部分所述第一导电层；

在所述阻挡层和露出的所述第一导电层上形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述阻挡层且填充所述第一沟槽；

在所述第一导电层上的所述牺牲层内形成第二沟槽，所述第二沟槽部分地位于所述第一沟槽内，所述第二沟槽露出部分所述第一导电层；

在所述牺牲层和露出的所述第一导电层上形成第二导电层，所述第二导电层覆盖所述牺牲层且填充所述第二沟槽；

在所述第二导电层内形成第三沟槽，所述第三沟槽露出部分所述牺牲层；

释放所述牺牲层。

示例性地，所述第二沟槽的宽度小于所述第一沟槽的宽度，所述第二沟槽不露出所述阻挡层。

示例性地，所述介质层的材质包括氧化硅；

所述第一导电层的材质包括掺杂多晶硅；

所述隔离层的材质包括氧化硅；

所述阻挡层的材质包括无掺杂多晶硅；

所述牺牲层的材质包括氧化硅；

所述第二导电层的材质包括掺杂多晶硅。

示例性地，所述制造方法包括：

通过气态氢氟酸释放所述牺牲层。

示例性地，所述介质层通过氧化工艺形成；

所述隔离层和所述牺牲层通过PECVD工艺形成；

所述第二导电层通过气相外延工艺形成。

示例性地，在所述第二导电层内形成所述第三沟槽以使所述第二导电层中具有梳齿结构；

释放所述牺牲层以使所述梳齿结构部分地成为可动结构。

示例性地，所述制造方法还包括：

在所述介质层和所述第一导电层上形成隔离层后，对所述隔离层进行平坦化；

在所述阻挡层上形成所述牺牲层后，对所述牺牲层进行平坦化；

在所述牺牲层上形成第二导电层后，对所述第二导电层进行平坦化。

根据本发明的第二方面，提供了一种MEMS器件，其包括：

衬底；

介质层，位于所述衬底上；

第一导电层，位于所述介质层上，所述第一导电层中具有第一开口，所述第一开口露出部分所述介质层；

隔离层，位于所述介质层上且位于所述第一开口中，所述隔离层的上表面高于所述第一导电层的上表面；

阻挡层，位于所述隔离层上，所述隔离层和所述阻挡层中具有位于所述第一导电层上的第二开口，所述第二开口露出部分所述第一导电层；

第二导电层，位于所述第一导电层上，且部分地位于所述第二开口中。

示例性地，所述介质层的材质包括氧化硅；

所述第一导电层的材质包括掺杂多晶硅；

所述隔离层的材质包括氧化硅；

所述阻挡层的材质包括无掺杂多晶硅；

所述第二导电层的材质包括掺杂多晶硅。

示例性地，所述第二导电层与所述隔离层和所述阻挡层之间具有空腔，且所述第二导电层与所述阻挡层不接触。

示例性地，所述第二导电层中具有梳齿结构。

示例性地，所述MEMS器件为惯性传感器。

根据本发明的MEMS器件及其制造方法，通过在MEMS器件中设置阻挡层，可以有效避免第一导电层下方出现侧掏，保障了MEMS器件的结构稳定性。

附图说明

本申请的下列附图在此作为本申请的一部分用于理解本申请。附图中示出了本申请的实施例及其描述，用来解释本申请的装置及原理。在附图中，

图1为现有技术中器件片的结构示意图，其中，第二介质层未被释放；

图2为现有技术中器件片的结构示意图，其中，第二介质层已被释放；

图3为根据本申请一实施例的MEMS器件的制造方法的流程示意图；

图4-10为根据本申请一实施例的MEMS器件的制造过程中的剖面示意图；

图11为根据本申请一实施例的MEMS器件的结构示意图。

附图标记说明：

10-衬底，20-第一介质层，30-第一导电层，40-第二介质层，50-第二导电层；

100-衬底，200-介质层，300-第一导电层，400-隔离层，500-阻挡层，600-牺牲层，700-第二导电层，710-第一梳齿部分，720-第二梳齿部分；

A-第一沟槽，B-第二沟槽，C-第三沟槽，D-第二开口。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本申请能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本申请的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本申请的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本申请的实施例不应当局限于在此所示的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。因此，图中显示的实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的实际形状且并不意图限定本申请的范围。

参照附图3-10对根据本申请一实施例的MEMS器件的制造方法进行示例性说明，该制造方法包括如下步骤：

S100：在衬底100上形成介质层200，在介质层200上形成图案化的第一导电层300。

具体地，参见附图4，在步骤S100中，可以通过氧化工艺在衬底100上形成介质层200，氧化工艺可以为热氧化工艺、湿法氧化工艺或化学氧化工艺，介质层200覆盖衬底100的上表面。介质层200形成后，可以通过干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺在介质层200内形成沟槽，该沟槽贯穿介质层200，露出衬底100。然后，可以通过化学气相沉积工艺在介质层200上形成第一导电层300，第一导电层300覆盖介质层200的上表面且填充，然后在第一导电层300的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺图形化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模，以及经由抗蚀剂掩模刻蚀第一导电层300，以形成图案化的第一导电层300。之后，可以采用溶剂溶解或灰化的方式去除抗蚀剂掩模。其中，衬底100可以为硅衬底。在一些实施例中，衬底100的材质也可以包括Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP、InGaAs或者其它III/V化合物半导体，还可以包括这些半导体构成的多层结构等。或者，衬底100可以为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。本领域的技术人员可以根据需要进行选择。介质层200的材质包括但不限于氧化硅。第一导电层300的材质包括但不限于掺杂多晶硅(Dpoly)。在一些实施例中，第一导电层300的材质也可以为掺杂单晶硅或金属。

S200：在介质层200和第一导电层300上形成隔离层400，隔离层400覆盖第一导电层300。

具体地，参见附图4，通过步骤S100在介质层200上形成图案化的第一导电层300后，第一导电层300中具有第一开口，第一开口露出介质层200。在步骤S200中，可以通过CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)工艺在介质层200和第一导电层300上沉积隔离层400，该CVD工艺例如可以为PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)工艺或其它合适的CVD工艺。隔离层400覆盖第一导电层300的上表面，且填充第一导电层300中的第一开口。隔离层400形成后，可以对其上表面进行平坦化，例如通过CMP(ChemicalMechanical Polishing，化学机械抛光)工艺对其上表面进行平坦化，使隔离层400的上表面成为平面。隔离层400的材质包括但不限于氧化硅。

S300：在隔离层400上形成阻挡层500，阻挡层500覆盖隔离层400。

具体地，参见附图4，步骤S300中，可以通过CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)工艺在隔离层400上沉积隔阻挡层500，阻挡层500覆盖隔离层400的上表面。阻挡层500的材质包括但不限于无掺杂多晶硅(Upoly)。隔离层400用于对第一导电层300和阻挡层500进行隔离，避免第一导电层300中的离子进入阻挡层500(Upoly)令阻挡层500导电致使MEMS器件失效。

S400：在隔离层400和阻挡层500内形成第一沟槽A，第一沟槽A露出部分第一导电层300。

具体地，参见附图5，在步骤S400中，通过干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺刻蚀第一导电层300上方的隔离层400和阻挡层500，以在隔离层400和阻挡层500内形成第一沟槽A，第一沟槽A露出部分第一导电层300。第一沟槽A的宽度可以小于其下方的第一导电层300的宽度，使得第一沟槽A的槽底完全地位于第一导电层300上。

S500：在阻挡层500和露出的第一牺牲层600上形成牺牲层600，牺牲层600覆盖阻挡层500且填充第一沟槽A。

具体地，参见附图6，在步骤S400中，可以通过CVD工艺在阻挡层500上和通过第一沟槽A露出的第一导电层300上沉积牺牲层600，该CVD工艺例如可以为PECVD工艺或其它合适的CVD工艺。牺牲层600覆盖阻挡层500的上表面，且填充第一沟槽A。牺牲层600形成后，可以对其上表面进行平坦化，例如通过CMP工艺对其上表面进行平坦化，使阻挡层500的上表面成为平面。牺牲层600与隔离层400可以采用相同的材质，也即，牺牲层600的材质包括但不限于氧化硅。牺牲层600(氧化硅)与阻挡层500(Upoly)材质不同，使得后续释放牺牲层600时，阻挡层500不会被释放，且阻挡层500下方的隔离层400也不易被释放。

S600：在第一导电层300上的牺牲层600内形成第二沟槽B，第二沟槽B部分地位于第一沟槽A内，第二沟槽B露出部分第一导电层300。

具体地，参见附图7，通过干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺刻蚀第一导电层300上方的牺牲层600，以在牺牲层600内形成第二沟槽B。第二沟槽B的下部位于第一沟槽A内(的牺牲层600中)，且第二沟槽B的下部露出部分第一导电层300，第二沟槽B的上部位于第一沟槽A上方(的牺牲层600中)。在本申请实施例中，第二沟槽B的宽度小于第一沟槽A的宽度，第二沟槽B不露出阻挡层500。也即，阻挡层500的侧面与第二沟槽B之间存在一定厚度的牺牲层600作为间隔，该牺牲层600的存在使得后续在第二沟槽B中形成第二导电层700时，第二导电层700与阻挡层500不直接接触，避免第一导电层300中的离子进入阻挡层500(Upoly)令阻挡层500导电，保护了阻挡层500的绝缘特性，避免因掺杂导电引起的器件失效。在其它一些实施例中，阻挡层500可以为非Upoly的绝缘材料，此时，第二沟槽B的宽度可以小于或等于第一沟槽A的宽度，第二沟槽B可以露出阻挡层500。

S700：在牺牲层600和露出的第一导电层300上形成第二导电层700，第二导电层700覆盖牺牲层600且填充第二沟槽B。

具体地，参见附图8，通过气相外延工艺在牺牲层600和露出的第一导电层300上形成第二导电层700，第二导电层700覆盖牺牲层600的上表面且填充第二沟槽B。第二导电层700形成后，可以对其上表面进行平坦化，例如通过CMP工艺对其上表面进行平坦化，使外延层的上表面成为平面。第二导电层700的材质包括但不限于掺杂多晶硅。

S800：在第二导电层700内形成第三沟槽C，第三沟槽C露出部分牺牲层600；

具体地，参见附图9，在步骤S800中，可以在第二导电层700的上表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺图形化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模，经由抗蚀剂掩模刻蚀所述第二导电层700以形成贯穿第二导电层700的第三沟槽C，第三沟槽C露出部分第二牺牲层600。之后，可以采用溶剂溶解或灰化的方式去除抗蚀剂掩模。在第二导电层700内形成第三沟槽C用于使第二导电层700具有梳齿结构，该梳齿结构包括第一梳齿部分710和第二梳齿部分720，第一梳齿部分710与第一导电层300直接连接，作为固定电极，第二梳齿部分720与第一梳齿部分710间隔设置(通过第三沟槽C间隔)且不与第一导电层300直接连接，作为惯性电极。

S900：释放牺牲层600。

具体地，参见附图10，在步骤S900中，使用气态刻蚀剂释放牺牲层600，该气态刻蚀剂例如可以为气态的氢氟酸(HF)。释放牺牲层600用于使第二导电层700与阻挡层500和隔离层400之间形成空腔，也即，使第二梳齿部分720与阻挡层500之间形成空腔，从而使第二梳齿部分720成为可动结构，进而形成MEMS器件。需要说明的是，阻挡层500和第二导电层700之间的牺牲层600没有完全被释放，第二梳齿部分720的边缘可以与没有被释放的牺牲层600连接。也即，第一梳齿部分710与第一导电层300直接连接；第二梳齿部分720通过未被释放的牺牲层600与第一导电层300连接。第二梳齿部分720成为可动结构后，其在惯性力作用下能够相对于第一梳齿部分710发生位置改变，从而，通过检测第一梳齿部分710和第二梳齿部分720之间的电容变化，可以对该惯性力进行测量，使MEMS器件实现惯性传感器的功能。

在本申请实施例中，由于阻挡层500的材料为Upoly，因此，其在步骤S900中不会受到氢氟酸的腐蚀，能够有效阻挡氢氟酸对其下方的隔离层400(及介质层200)的腐蚀，避免第一导电层300下方出现侧掏，保障了MEMS器件的结构稳定性。即使阻挡层500下方的隔离层400会有一定的侧掏，但不会影响MEMS器件整体的结构稳定性。采用Upoly作为阻挡层500，可以有效避免气态的氢氟酸(HF)在释放牺牲层600时产生难以去除的副产物，保障了MEMS器件的性能。在一些实施例中，也可以采用氮化硅作为阻挡层500，只是这种方案在气态的氢氟酸释放牺牲层600的过程中会难以去除产生副产物，会在一定程度上影响MEMS器件的性能。采用Upoly作为阻挡层500还可以优化MEMS器件的应力状态。在本申请实施例中，通过隔离层400隔离阻挡层500(Upoly)和第一导电层300，通过牺牲层600隔离阻挡层500(Upoly)和第二导电层700(Dpoly)，使阻挡层500与第一导电层300和第二导电层700均不直接接触，有效避免了阻挡层500被第一导电层300和第二导电层700中的离子掺杂而导致器件失效。

在一些实施例中，MEMS器件的制造方法还包括形成盖帽片的步骤和将盖帽片与第二导电层700键合的步骤，其具体实现方式是本领域技术人员公知的，这里不再具体说明。

参见附图11，本申请实施例还提供了一种MEMS器件，其可以通过上述的制造方法形成。该MEMS器件包括：衬底100、介质层200、第一导电层300、隔离层400、阻挡层500和第二导电层700。

衬底100可以为硅衬底。在一些实施例中，衬底100的材质也可以包括Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP、InGaAs或者其它III/V化合物半导体，还可以包括这些半导体构成的多层结构等。或者，衬底100可以为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。本领域的技术人员可以根据需要进行选择。

介质层200位于衬底100上，其材质包括但不限于氧化硅。

第一导电层300位于介质层200上，第一导电层300中具有第一开口，该第一开口是对第一导电层300进行图案化时形成的，第一开口露出部分介质层200。第一导电层300的材质包括但不限于掺杂多晶硅(Dpoly)。在一些实施例中，第一导电层300的材质也可以为掺杂单晶硅或金属。

隔离层400位于介质层200上且位于第一开口中，隔离层400的上表面高于第一导电层300的上表面。隔离层400的材质包括但不限于氧化硅。

阻挡层500位于隔离层400上，其材质包括但不限于无掺杂多晶硅(Upoly)。隔离层400用于对第一导电层300和阻挡层500进行隔离，避免第一导电层300中的离子进入阻挡层500(Upoly)令阻挡层500导电致使MEMS器件失效。隔离层400和阻挡层500中具有位于第一导电层300的上的第二开口D，第二开口D露出部分第一导电层300。

第二导电层700位于露出的第一导电层300上，且部分地位于第二开口D中。第二导电层700的材质包括但不限于掺杂的多晶硅。第二导电层700包括梳齿结构，具体地，该梳齿结构包括第一梳齿部分710和第二梳齿部分720，第一梳齿部分710与第一导电层300直接连接，作为固定电极，第二梳齿部分720与第一梳齿部分710间隔设置且不与第一导电层300直接连接，作为惯性电极。第二导电层700与隔离层400和阻挡层500之间具有空腔，该空腔使第二导电层700与阻挡层500(Upoly)不直接接触，避免第二导电层700中的离子进入阻挡层500令阻挡层500导电，保护了阻挡层500的绝缘特性，避免因掺杂导电引起的器件失效。在其它一些实施例中，阻挡层500可以为非Upoly的绝缘材料，此时，第二导电层700与阻挡层500可以部分接触。第二导电层700与隔离层400和阻挡层500之间具有空腔，也即，第二梳齿部分720与阻挡层500之间具有空腔，该空腔使第二梳齿部分720为可动结构，其在惯性力作用下会相对于第一梳齿部分710发生位置改变，从而，通过检测第一梳齿部分710和第二梳齿部分720之间的电容变化，可以对该惯性力进行测量，使MEMS器件实现惯性传感器的功能。也即，本申请实施例的MEMS器件可以为惯性传感器。该惯性传感器还可以包括盖帽片，盖帽片可以通过键合结构与第二导电层700键合形成封闭的腔体，使第二导电层700内的沟槽、第二导电层700与隔离层400和阻挡层500之间的空腔与外部环境隔离，避免惯性传感器内部的结构受到外界环境的影响导致工作稳定性变差。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本申请的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本申请的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本申请的范围之内。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本申请的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。