一种MEMS器件及其制造方法与流程

一种mems器件及其制造方法
技术领域
1.本发明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：

2.基于微机电系统（mems）工艺制备形成的mems麦克风，因与传统麦克风相比具有体积小、成本低且性能稳定等优点而被广泛应用。
3.吸合电压是mems麦克风的一个重要参数指标，只有吸合电压处于一定的阈值电压范围内，mems麦克风才能正常工作。然而，传统的mems麦克风的制备工艺中，由于振膜结构和形成空腔时氧化物释放工艺过程的波动，导致mems麦克风的吸合电压也会有所波动，当吸合电压高于或低于阈值电压范围时，需要对吸合电压进行调整以使其落入阈值电压范围，然而目前工艺仅能降低吸合电压，而无法升高吸合电压，这导致一旦mems麦克风的吸合电压低于阈值电压范围，就只能报废，从而使得产品良率低，成本高。


技术实现要素：

4.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。
5.针对目前存在的问题，本发明一方面提供一种mems器件的制造方法，包括：提供基底，所述基底上形成有相对设置的复合振膜结构和背极板，所述复合振膜结构和所述背极板之间具有空腔，所述复合振膜结构包括层叠的张应力膜层和压应力膜层，所述张应力膜层和所述压应力膜层中的一者为介质层，另一者为导电层；检测所述复合振膜结构的吸合电压；当所述吸合电压高于第一阈值电压时，减薄所述张应力膜层以降低所述吸合电压至预定阈值区间内，所述预定阈值区间不大于所述第一阈值电压且不小于第二阈值电压，其中，所述第一阈值电压大于所述第二阈值电压；当所述吸合电压低于所述第二阈值电压时，减薄所述压应力膜层，以升高所述吸合电压至所述预定阈值区间内。
6.示例性地，所述减薄所述张应力膜层以降低所述吸合电压至预定阈值区间内，包括：采用第一刻蚀剂对所述张应力膜层进行刻蚀以减薄，其中，所述第一刻蚀剂对所述张应力膜层相比对所述压应力膜层具有更高的选择比。
7.示例性地，所述第一刻蚀剂对所述张应力膜层相比对所述压应力膜层的选择比高于3：1。
8.示例性地，所述张应力膜层为氮化硅层，所述第一刻蚀剂使用缓冲氧化物刻蚀液或使用氢氟酸蒸汽刻蚀。
9.示例性地，所述减薄所述压应力膜层以升高所述吸合电压至所述预定阈值区间内，包括：采用第二刻蚀剂对所述压应力膜层进行刻蚀以减薄，其中，所述第二刻蚀剂对所
述压应力膜层相比对所述张应力膜层具有更高的选择比。
10.示例性地，所述第二刻蚀剂对所述压应力膜层相比对所述张应力膜层的选择比高于3：1。
11.示例性地，所述压应力膜层为多晶硅层，所述第二刻蚀剂包括二氟化氙。
12.示例性地，所述第一阈值电压是16v，所述第二阈值电压是10v。
13.示例性地，检测所述复合振膜结构的吸合电压之前，形成所述空腔的方法包括：提供基底，所述基底上形成有相对设置的复合振膜结构和背极板，在所述复合振膜结构和所述背极板之间填充有牺牲材料层，在所述背极板中形成有释放孔；通过所述释放孔刻蚀去除所述牺牲材料层，以在所述复合振膜结构和所述背极板之间形成所述空腔。
14.本发明另一方面提供一种mems器件，包括：基底；复合振膜结构和背极板，所述复合振膜结构和所述背极板相对设置于所述基底上，所述复合振膜结构和所述背极板之间具有空腔，所述复合振膜结构包括层叠的张应力膜层和压应力膜层，其中，所述张应力膜层和所述压应力膜层中的一者为介质层，另一者为导电层，所述复合振膜结构的吸合电压在预定阈值区间内。
15.本发明实施例的mems器件及其制造方法，通过形成复合振膜结构，在形成空腔后通过选择减薄张应力膜层或压应力膜层来双向调节吸合电压，进而提高产品良率。
附图说明
16.本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
17.附图中：图1示出了本发明一具体实施例方式的mems器件的制造方法实施过程中所获得器件的剖面示意图；图2示出了本发明一具体实施例方式的mems器件的制造方法的流程图；图3示出了本发明一具体实施例方式的mems器件的复合振膜结构进行减薄时的示意图。
具体实施方式
18.接下来，将结合附图更加完整地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。但是，本发明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，并且将本发明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。
19.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。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，在不脱离本发明教导之下，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。
20.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。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
21.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发明的限制。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”，当在该规格书中使用时，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。
22.这里参考作为本发明的理想实施例(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/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
23.除非另外定义，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。还将理解，诸如普通使用的字典中所定义的术语应当理解为具有与它们在相关领域和/或本规格书的环境中的含义一致的含义，而不能在理想的或过度正式的意义上解释，除非这里明示地这样定义。
24.为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细步骤以及结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
25.因此，鉴于前述技术问题的存在，本发明提出一种mems器件的制造方法，如图2所示，其主要包括以下步骤：步骤s1，提供基底，所述基底上形成有相对设置的复合振膜结构和背极板，所述复合振膜结构和所述背极板之间具有空腔，所述复合振膜结构包括层叠的张应力膜层和压应力膜层，所述张应力膜层和所述压应力膜层中的一者为介质层，另一者为导电层；步骤s2，检测所述复合振膜结构的吸合电压；步骤s3，当所述吸合电压高于第一阈值电压时，减薄所述张应力膜层以降低所述吸合电压至预定阈值区间内，所述预定阈值区间不大于所述第一阈值电压且不小于第二阈
值电压，其中，所述第一阈值电压大于所述第二阈值电压；当所述吸合电压低于所述第二阈值电压时，减薄所述压应力膜层，以升高所述吸合电压至所述预定阈值区间内。
26.本发明的mems器件的制造方法，通过形成复合振膜结构，在形成空腔后通过选择减薄张应力膜层或压应力膜层来双向调节吸合电压，以使调节后的吸合电压在阈值区间范围内，进而提高产品良率。
27.实施例一下面，参考图1至图3对本发明的mems器件的制造方法做详细描述，其中，图1示出了本发明一具体实施例方式的mems器件的制造方法实施过程中所获得器件的剖面示意图；图2示出了本发明一具体实施例方式的mems器件的制造方法的流程图；图3示出了本发明一具体实施例方式的mems器件的复合振膜结构进行减薄时的示意图。
28.示例性地，如图2所示，本发明的mems器件的制造方法包括以下步骤：首先，执行步骤s1，提供基底，所述基底上形成有相对设置的复合振膜结构和背极板，所述复合振膜结构和所述背极板之间具有空腔，所述复合振膜结构包括层叠的张应力膜层和压应力膜层，所述张应力膜层和所述压应力膜层中的一者为介质层，另一者为导电层。
29.所述mems器件可以是本领域技术人员熟知的任何适合类型的器件，本实施例中主要以所述mems器件为mems麦克风的情况为例对本发明的技术方案进行解释和说明。
30.具体地，如图1所示，基底100为体硅基底，其可以是以下所提到的材料中的至少一种：si、ge、sige、sic、sigec、inas、gaas、inp、ingaas或者其它iii/v化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅（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。
31.在一个示例中，如图1所示，在基底100上形成有相对设置的复合振膜结构和背极板103。背极板103中形成有贯穿所述背极板103的释放孔104，所述释放孔104可以通过不同的光刻结合刻蚀的工艺来形成。其中，对于mems麦克风来说，其背极板103也即为上极板，而复合振膜结构位于背极板103的下方，也可以称为下极板。
32.在mems麦克风的工作过程中，所述复合振膜结构与所述背极板103可组成平行板电容，当外部的声压作用在复合振膜结构上时，即会引起所述复合振膜结构的振动，使得所述复合振膜结构与背极板之间的距离发生变化，进而产生电容的变化，并利用电容变化量进行运算和工作，以完成声音信号和电信号的转换。
33.在一些实施例中，mems器件还可以是mems压力传感器和加速度传感器等mems传感器，其中，复合振膜结构也可以为mems器件的下极板，并不局限于上述举例。
34.在一个示例中，如图1所示，复合振膜结构包括层叠的张应力膜层102和压应力膜层101，所述张应力膜层102包括第一表面和与所述第一表面相背离的第二表面，所述张应力膜层102的第一表面朝向所述背极板103，所述压应力膜层101覆盖所述张应力膜层102的第二表面，所述张应力膜层102和所述压应力膜层101中的一者为介质层，另一者为导电层。
35.值得一提的是，在本技术中，张应力膜层102可以是指的具有张应力的膜层，而压应力膜层101可以是指的具有压应力的膜层。
36.介质层的材料可以是本领域技术人员熟知的任意适合的绝缘材料，例如介质层包括以下材料中的至少一种：氮化硅、或者氮氧化硅，导电层的材料可以包括可以选用金属或
者磷等n型离子掺杂的多晶硅或硼等p型离子掺杂的多晶硅等，并不局限于某一种，本实施例中，张应力膜层102材质可以包括氮化硅，压应力膜层101材质包括多晶硅。
37.张应力膜层102和压应力膜层101的厚度可以根据实际需要合理设定，例如，张应力膜层102和压应力膜层101总厚度范围为300纳米-600纳米，或者其他适合的范围。
38.在一些示例中，可以是张应力膜层102朝向背极板103，而压应力膜层101背离背极板103，所述张应力膜层102包括第一表面和与所述第一表面相背离的第二表面，所述张应力膜层102的所述第一表面朝向所述背极板103，所述压应力膜层101覆盖所述张应力膜层102的所述第二表面；在其他一些示例中，还可以是压应力膜层101朝向背极板103，而张应力膜层102背离背极板103。
39.背极板103的结构可以是本领域技术人员熟知的任意适合的结构，例如，背极板103可以包括导电层和覆盖导电层顶面的顶介电层，或者背极板103可以包括导电层、顶介电层和底介电层，其中，底介电层覆盖导电层的底面，顶介电层覆盖导电层顶面。
40.可选地，导电层的材料可以选用金属或者磷等n型离子掺杂的多晶硅或硼等p型离子掺杂的多晶硅等，并不局限于某一种。在该实施例中，所述导电层选用n型离子掺杂的多晶硅。在本技术中，复合振膜结构和背极板103的材料并不仅仅限于上述举例，可以是本领技术人员所熟知的任意合适材料。
41.在一个示例中，复合振膜结构和背极板103之间具有空腔105，形成空腔105的方法包括：提供基底100，所述基底100上形成有相对设置的复合振膜结构和背极板103，在所述复合振膜结构和所述背极板103之间填充有牺牲材料层，在所述背极板103中形成有贯穿所述背极板的释放孔104，该释放孔104还可以用作麦克风的声孔。通过所述释放孔104刻蚀去除所述牺牲材料层（可以是去除至少部分牺牲材料层），以在所述复合振膜结构和所述背极板103之间形成所述空腔105。
42.牺牲材料层的材料可以包括锗化硅、氮化硅、无定形碳或者其他适合的材料，牺牲材料层的材料还可以是包含聚乙烯苯酚、聚酰亚胺或硅氧烷等有机绝缘层。所述牺牲材料层可以选用现有技术中常用的沉积方法，例如可以是通过化学气相沉积（cvd）法、物理气相沉积（pvd）法或原子层沉积（ald）法等形成的。
43.可以通过湿法刻蚀去除牺牲材料层，其中，湿法刻蚀可以选用例如用缓冲刻蚀(buffered oxide etch，boe)液作为湿法刻蚀剂。boe刻蚀液可以是氢氟酸hf与氟化铵nh4f、水以相应的比例混合而成，其中，hf为主要的刻蚀液，nh4f则作为缓冲剂使用，利用nh4f固定h+的浓度，使之保持一定的刻蚀率。boe刻蚀液对牺牲材料层具有很大蚀刻速率，而对基底、复合振膜结构和背极板等则具有很低的蚀刻速率，因此所述boe刻蚀液具有很大的刻蚀选择比。
44.需要注意的是，形成所述空腔105的方法仅仅是示例性的，并不局限于上述方法。
45.在一些实施例中，在复合振膜结构背离背极板的一侧还形成有背腔106，该背腔106贯穿基底。随后，执行步骤s2，检测所述复合振膜结构的吸合电压。
46.在一个实施例中，复合振膜结构和背极板103分别连接有焊盘（未示出），用于将复合振膜结构和背极板103对外电性引出。
47.测试电压设备分别连接至复合振膜结构对应的焊盘和背极板103对应的焊盘，并分别对复合振膜结构和背极板103施加电压，可使复合振膜结构和背极板103电性相异并带
有电荷，从而形成一电容结构，在复合振膜结构和背极板103之间形成内电场。随着施加电压的增大，复合振膜结构会逐渐向背极板103偏移，当对复合振膜结构和背极板103施加的电压达到一定值时，复合振膜结构和背极板103会吸附在一起，此时测得电压值就是mems麦克风的吸合电压。
48.最后，执行步骤s3，当测得吸合电压高于第一阈值电压，减薄所述张应力膜层以降低所述吸合电压至预定阈值区间内，所述预定阈值区间不大于所述第一阈值电压且不小于第二阈值电压，其中，所述第一阈值电压大于所述第二阈值电压；当所述吸合电压低于所述第二阈值电压，减薄所述压应力膜层，以升高所述吸合电压至所述预定阈值区间内。
49.预定阈值区间可以根据实际需要合理设定，例如，预定阈值区间不大于所述第一阈值电压且不小于第二阈值电压，也即预定阈值区间介于所述第一阈值电压和第二阈值电压之间，例如，所述第一阈值电压是16v，所述第二阈值电压是10v，那么预定阈值区间则是不小于16v不大于10v，上述阈值区间只作为示例，由于测量手段或者测量设备误差或者工艺变化等原因，该阈值区间还可能有其他取值范围。
50.例如，如图3所示，当测得吸合电压低于所述第二阈值电压时，减薄所述压应力膜层101以升高所述吸合电压至所述预定阈值区间内。
51.在一个示例中，所述减薄所述张应力膜层102以降低所述吸合电压至预定阈值区间内，包括：采用第一刻蚀剂对所述张应力膜层102进行刻蚀以减薄，其中，所述第一刻蚀剂对所述张应力膜层102相比对所述压应力膜层101具有更高的选择比，从而可以在对张应力膜层102蚀刻时基本上不会对压应力膜层101造成腐蚀。
52.该更高的选择比可以根据是实际需要合理设定，例如，所述第一刻蚀剂对所述张应力膜层102相比对所述压应力膜层101的选择比高于3：1，或者其他适合的选择比。
53.可以根据张应力膜层102的材料选择适合的第一刻蚀剂，例如，张应力膜层102可以为氮化物层（例如氮化硅层）或者氮氧化物层，此时第一刻蚀剂可以使用缓冲氧化物刻蚀液或使用氢氟酸蒸汽刻蚀。在一些实施例中，第一刻蚀剂也可以使用热磷酸等。
54.例如，如图3所示，当所述吸合电压低于所述第二阈值电压时，所述减薄所述压应力膜层101以升高所述吸合电压至所述预定阈值区间内，包括：采用第二刻蚀剂对所述压应力膜层101进行刻蚀以减薄，其中，所述第二刻蚀剂对所述压应力膜层101相比对所述张应力膜层102具有更高的选择比，从而可以在对张应力膜层102蚀刻时基本上不会对压应力膜层101造成腐蚀。
55.该更高的选择比可以根据是实际需要合理设定，例如，所述第二刻蚀剂对所述压应力膜层101相比对所述张应力膜层102的选择比高于3：1，或者其他适合的选择比。
56.可以根据应力膜层101的材料选择适合的第二刻蚀剂，例如，压应力膜层101可以为多晶硅层，此时第二刻蚀剂可以使用二氟化氙。
57.至此完成了对本发明的mems器件的制造方法的关键步骤的描述，对于完整的mems器件的制备还可以包括其他的步骤，在此不做一一赘述。
58.综上，本发明的mems器件的制造方法，通过形成复合振膜结构，在形成空腔后通过选择减薄张应力膜层或压应力膜层来双向调节吸合电压，进而提高产品良率，降低成本。
59.实施例二本发明还提供一种mems器件，该mems器件由前述实施例一中的方法制备获得，本
发明的mems器件包括：基底；复合振膜结构和背极板，所述复合振膜结构和所述背极板相对设置于所述基底上，所述复合振膜结构和所述背极板之间具有空腔，所述复合振膜结构包括层叠的张应力膜层和压应力膜层，其中，所述张应力膜层和所述压应力膜层中的一者为介质层，另一者为导电层，所述复合振膜结构的吸合电压在预定阈值区间内。
60.具体地，如图1所示，mems基底100为体硅基底，其可以是以下所提到的材料中的至少一种：si、ge、sige、sic、sigec、inas、gaas、inp、ingaas或者其它iii/v化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅（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。
61.背极板103中有贯穿所述背极板103的释放孔104。
62.复合振膜结构包括层叠的张应力膜层102和压应力膜层101，所述张应力膜层102包括第一表面和与所述第一表面相背离的第二表面，所述张应力膜层102的第一表面朝向所述背极板103，所述压应力膜层101覆盖所述张应力膜层102的第二表面，所述张应力膜层102和所述压应力膜层101中的一者为介质层，另一者为导电层。本实施例中，张应力膜层102材质是氮化硅层，压应力膜层101材质是多晶硅层。张应力膜层102和压应力膜层101厚度范围为300纳米-600纳米。
63.有关本实施例中的mems器件结构的一些细节还可以参考前文方法的相关描述，在此不再赘述。
64.至此完成了对本发明的mems器件的结构的介绍，对于完整的器件还可能包括其他的组成结构，在此不做一一赘述。
65.由于本发明的mems器件形成有复合振膜结构，在形成空腔后通过选择减薄张应力膜层或压应力膜层来双向调节吸合电压，进而提高产品良率，降低成本。
66.尽管本文中描述了多个实施例，但是应该理解，本领域技术人员可以想到多种其他修改和实施例，他们都将落入本发明公开的构思的精神和范围内。更特别地，在本发明公开、附图、以及所附权利要求的范围内，可以在主题的结合排列的排列方式和/或组成部分方面进行各种修改和改变。除了组成部分和/或排列方式的修改和改变以外，可替换方式的使用对于本领域技术人员来说也是显而易见的选择。