本實用新型屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及具有表面保護層的MEMS器件。

背景技術(shù)：

MEMS(Micro Electromechanical System，即微電子機械系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)。采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。目前，MEMS市場的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀和硬盤驅(qū)動頭等。

在以硅為基礎(chǔ)的MEMS加工技術(shù)中，MEMS器件例如包括在硅襯底中形成的空腔、固定電極和可動電極等微構(gòu)件?？蓜与姌O的至少一部分可以在空腔內(nèi)或空氣中自由移動。由于硅襯底和可動電極的一部分表面暴露于空氣中，因此，硅襯底的暴露表面在空氣中易于形成一層親水性的自然氧化層。在親水性的自然氧化層表面會覆蓋一層水分子。如果MEMS器件工作于潮濕的環(huán)境下，則多晶硅層間會產(chǎn)生較強的毛細(xì)力，導(dǎo)致粘附現(xiàn)象的發(fā)生。此外，多晶硅層的分子間范德華力、靜摩擦力、殘余應(yīng)力也將導(dǎo)致發(fā)生粘附現(xiàn)象。此種結(jié)構(gòu)在使用過程中易于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)層間的粘附現(xiàn)象，比如電容式加速度計、陀螺儀的可動梳齒之間就易于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。硅襯底的摩擦系數(shù)較高，彈性模量和機械硬度較低，存在著抗磨損能力不足的缺點。因此，摩擦、磨損和粘附問題已經(jīng)成為影響MEMS性能和可靠性的主要因素。

在MEMS器件中，微構(gòu)件表面改性被認(rèn)為是改善摩擦、降低磨損、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效手段。例如，可以在硅襯底和電極的暴露表面涂覆一層疏水性薄膜。

一種表面改性的方法包括在硅襯底和電極的暴露表面涂覆一層疏水性的自組裝單分子層(Self-assembled monolayer,SAM)層，使表面曾疏水性，從而降低粘附現(xiàn)象。然而，但是SAM方式沉積表面保護層有如下缺點。該方法沉積的表面保護層一般為有機硅烷，比如十八烷基三氯硅烷和全氟葵基三氯硅烷，在高溫處理后，表面保護層可能由于有機分子的揮發(fā)而失去防粘附效果。

另一種表面改性的方法包括在硅襯底和電極的暴露表面形成類金剛石(Diamond-Like Carbon，DLC)膜。類金剛石膜是一種亞穩(wěn)態(tài)非晶碳膜，膜內(nèi)部含有金剛石結(jié)構(gòu)。類金剛石膜具有優(yōu)異的耐磨性能，低的摩擦系數(shù)，具有自潤滑特性，是一種理想的表面抗磨損改性膜。然而，類金剛石膜的表面覆蓋能力差。在通過深槽刻蝕工藝形成的側(cè)壁表面就無法沉積類金剛石膜。然而，在MEMS器件中，側(cè)壁表面導(dǎo)致的粘附和/或磨損是MEMS器件成品率低和失效的主要問題。

因此，期望進一步改進MEMS器件的結(jié)構(gòu)和工藝，以形成可靠穩(wěn)定的表面保護層，從而提高MEMS器件的成品率和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本實用新型的目的在于提供一種在空腔內(nèi)部的微構(gòu)件表面沉積表面保護層的MEMS器件。

根據(jù)本實用新型的一方面，提供一種MEMS器件的制造方法，包括：在襯底上形成結(jié)構(gòu)層；在所述襯底上形成第一絕緣層；在所述第一絕緣層和所述襯底上形成結(jié)構(gòu)層；在所述結(jié)構(gòu)層上形成第一布線層；在所述第一絕緣層中形成空腔，所述結(jié)構(gòu)層的第一部分位于空腔上方從而形成可動結(jié)構(gòu)；以及在所述可動結(jié)構(gòu)和所述第一絕緣層至少之一位于所述空腔內(nèi)的暴露表面上，形成表面保護層。

優(yōu)選地，所述表面保護層具有疏水性和/或耐磨性能。

優(yōu)選地，所述表面保護層為單層或多層的氧化膜。

優(yōu)選地，所述氧化膜由選自氧化鈦、氧化鋁和氧化鉭的至少一種氧化物組成。

優(yōu)選地，所述表面保護層的厚度為3納米至10納米。

優(yōu)選地，采用原子層沉積的方法，形成所述表面保護層。

優(yōu)選地，還包括：形成從所述結(jié)構(gòu)層的上表面延伸至所述空腔的多個第一深槽，其中，形成空腔的步驟包括：經(jīng)由所述多個第一深槽進行各向同性蝕刻，從而橫向去除所述第一絕緣層的一部分，在形成所述表面保護層之后，所述表面保護層覆蓋所述多個第一深槽的側(cè)壁表面。

優(yōu)選地，在形成表面保護層的步驟中，將氣相前驅(qū)體經(jīng)由所述多個第一深槽擴散進入所述空腔，從而形成所述表面保護層。

優(yōu)選地，在形成第一絕緣層之前，還包括：在所述襯底上形成第二絕緣層，以及在所述第二絕緣層上形成第二布線層，其中，所述表面保護層位于所述第二絕緣層和所述第二布線層至少之一在所述空腔內(nèi)的暴露表面上。

優(yōu)選地，還包括：在所述第一絕緣層和所述第二絕緣層中形成到達(dá)所述襯底的通孔，其中，所述結(jié)構(gòu)層的第二部分經(jīng)由所述通孔接觸所述襯底，所述結(jié)構(gòu)層的第一部分和第二部分彼此隔離。

優(yōu)選地，在形成結(jié)構(gòu)層之前，還包括：在所述第一絕緣層上形成種子層。

優(yōu)選地，所述第一布線層包括：第一布線，所述第一布線與所述結(jié)構(gòu)層的第一部分電連接；第二布線，所述第二布線經(jīng)由所述結(jié)構(gòu)層的第二部分與所述襯底電連接；以及第三布線，所述第三布線經(jīng)由所述結(jié)構(gòu)層的第三部分與所述第二布線層電連接。

優(yōu)選地，采用原子層沉積的方法形成所述表面保護層。

優(yōu)選地，所述第一絕緣層和所述第二絕緣層分別由二氧化硅組成，所述第一布線層由鋁、鋁硅、或者鈦/氮化鈦/鋁硅的復(fù)合層組成，所述第二布線層由摻雜多晶硅組成。

根據(jù)本實用新型的另一方面，提供一種MEMS器件，包括：襯底；位于所述襯底上的第一絕緣層；位于所述第一絕緣層和所述襯底上的結(jié)構(gòu)層；以及位于所述結(jié)構(gòu)層上的第一布線層，其中，位于所述第一絕緣層中的空腔，所述結(jié)構(gòu)層的第一部分位于空腔上方從而形成可動結(jié)構(gòu)，其中，所述MEMS器件還包括表面保護層，所述表面保護層位于所述可動結(jié)構(gòu)和所述第一絕緣層至少之一在所述空腔內(nèi)的暴露表面上。

優(yōu)選地，所述表面保護層具有疏水性和/或耐磨性能。

優(yōu)選地，所述表面保護層為單層或多層的氧化膜。

優(yōu)選地，所述氧化膜由選自氧化鈦、氧化鋁和氧化鉭的至少一種氧化物組成。

優(yōu)選地，所述表面保護層的厚度為3納米至10納米。

優(yōu)選地，所述結(jié)構(gòu)層包括從所述結(jié)構(gòu)層的上表面延伸至所述空腔的多個第一深槽。

優(yōu)選地，所述表面保護層位于所述多個第一深槽的側(cè)壁表面上。

優(yōu)選地，還包括：位于所述襯底和所述第一絕緣層之間的第二絕緣層；位于所述第一絕緣層和所述第二絕緣層之間的第二布線層。

優(yōu)選地中，所述表面保護層位于所述第二絕緣層和所述第二布線層至少之一在所述空腔內(nèi)的暴露表面上。

優(yōu)選地，所述MEMS器件包括穿過所述第一絕緣層和所述第二絕緣層到達(dá)所述襯底的通孔，所述結(jié)構(gòu)層的第二部分經(jīng)由所述通孔接觸所述襯底，所述結(jié)構(gòu)層的第一部分和第二部分彼此隔離。

優(yōu)選地，所述第一布線層包括：第一布線，所述第一布線與所述結(jié)構(gòu)層的第一部分電連接；第二布線，所述第二布線經(jīng)由所述結(jié)構(gòu)層的第二部分與所述襯底電連接；以及第三布線，所述第三布線經(jīng)由所述結(jié)構(gòu)層的第三部分與所述第二布線層電連接。

優(yōu)選地，還包括在所述第一絕緣層和所述結(jié)構(gòu)層之間形成的種子層。

優(yōu)選地，所述表面保護層采用原子層沉積的方法形成。

優(yōu)選地，所述第一絕緣層和所述第二絕緣層分別由二氧化硅組成，所述第一布線層由鋁、鋁硅、或者鈦/氮化鈦/鋁硅的復(fù)合層組成，所述第二布線層由摻雜多晶硅組成。

優(yōu)選地，所述MEMS器件為選自加速度計、陀螺儀，麥克風(fēng)的一種電容式傳感器。

優(yōu)選地，所述MEMS器件為加速度傳感器，所述可動結(jié)構(gòu)為質(zhì)量塊。

根據(jù)本實用新型實施例的MEMS器件，所述表面保護層位于所述可動結(jié)構(gòu)和所述第一絕緣層至少之一在所述空腔內(nèi)的暴露表面上，從而可以避免所述可動結(jié)構(gòu)和所述第一絕緣層之間的粘附和磨損。

在優(yōu)選的實施例中，所述結(jié)構(gòu)層包括從所述結(jié)構(gòu)層的上表面延伸至所述空腔的多個第一深槽，所述表面保護層位于所述多個第一深槽的側(cè)壁表面上，從而可以避免可動結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)層的其余部分之間的粘附和磨損。

在優(yōu)選的實施例中，采用原子層淀積方法形成表面保護層，從而可以覆蓋第一深槽的側(cè)壁表面。通常，在深槽刻蝕工藝形成的側(cè)壁表面無法沉積表面保護層，而此類側(cè)壁表面導(dǎo)致的磨損/粘附是主要問題。本實用新型采用原子層淀積方法可以在所述多個第一深槽的側(cè)壁表面上形成厚度均勻的表面保護層。

在優(yōu)選的實施例中，所述MEMS器件還包括位于所述襯底和所述第一絕緣層之間的第二絕緣層，以及位于所述第一絕緣層和所述第二絕緣層之間的第二布線層，所述表面保護層位于所述第二絕緣層和所述第二布線層至少之一在所述空腔內(nèi)的暴露表面上，從而可以避免可動結(jié)構(gòu)與所述第二絕緣層和所述第二布線層之間的粘附和磨損。

本實用新型采用在空腔內(nèi)或深槽側(cè)壁上形成的表面保護層，從而可以避免MEMS器件的微構(gòu)件內(nèi)部及與外部部件之間的粘附和磨損。該表面保護層提高MEMS器件的成品率和可靠性，有利于降低MEMS器件的成本和延長MEMS器件的使用壽命。

在優(yōu)選的實施例中，在結(jié)構(gòu)層中，形成從上表面延伸至空腔內(nèi)部的多個第一深槽。所述多個第一深槽不僅作為蝕刻通道，而且在形成表面保護層時，提供氣相前驅(qū)體的進入通道。因此，該MEMS器件無需修改主體結(jié)構(gòu)，可以保持器件制造工藝的兼容性和器件性能。

在優(yōu)選的實施例中，所述表面保護層是單層或多層的氧化膜，可經(jīng)過高溫處理過程，從而與晶圓級封裝工藝兼容。

附圖說明

通過以下參照附圖對本實用新型實施例的描述，本實用新型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10分別示出根據(jù)本實用新型實施例的MEMS制造方法的各個階段的示意性截面圖。

具體實施方式

以下將參照附圖更詳細(xì)地描述本實用新型的各種實施例。在各個附圖中，相同的元件采用相同或類似的附圖標(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。

本實用新型可以各種形式呈現(xiàn)，以下將描述其中一些示例。

如圖1所示，在所述襯底101上形成絕緣層102。優(yōu)選地，該襯底101可以為半導(dǎo)體襯底。更優(yōu)選地，半導(dǎo)體襯底101例如是硅襯底。進一步優(yōu)選地，半導(dǎo)體襯底101例如是晶向為<100>的N型硅襯底。

絕緣層102由絕緣材料組成，例如二氧化硅。例如，可以采用熱氧化、低壓化學(xué)氣相沉積(LPVCD)或者等離子增強型化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法，在半導(dǎo)體襯底101上形成二氧化硅材質(zhì)的絕緣層102。絕緣層102的厚度例如是1.5微米至3微米。

優(yōu)選地，在襯底101上采用熱氧化形成絕緣層102。絕緣層102從襯底101的表面向下延伸形成埋層。在該優(yōu)選的實施例中，絕緣層102的厚度與熱氧化消耗的襯底101的表面層的厚度相對應(yīng)。

然后，采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPVCD)的方法，在絕緣層102上沉積摻雜的多晶硅，并且采用光刻和蝕刻工藝進行圖形化，從而形成布線層103，如圖2所示。

在沉積步驟中，沉積溫度可以是570℃至630℃，多晶硅的厚度可以是2微米至50微米，例如3微米至10微米。

在圖形化步驟中，例如在多晶硅的表面形成抗蝕劑層，采用光刻工藝在抗蝕劑層中形成包含開口的圖案。以抗蝕劑層作為掩模，采用選擇性的蝕刻劑去除多晶硅的暴露部分。由于蝕刻的選擇性，該蝕刻可以在絕緣層102的表面停止。在蝕刻之后，可以通過灰化或溶劑中溶解來去除抗蝕劑層。

在圖形化之后，多晶硅的剩余部分形成布線層103。該圖形化步驟的蝕刻工藝?yán)缡歉飨虍愋晕g刻。布線層103的圖案與掩模中的開口圖案的形狀是互補的。

然后，在絕緣層101和布線層103的暴露表面上形成絕緣層104，如圖3所示。

絕緣層104由絕緣材料組成，例如二氧化硅。例如，可以采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPVCD)或者等離子增強型化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法，在半導(dǎo)體襯底101上形成二氧化硅材質(zhì)的絕緣層104。絕緣層104的厚度例如是1.5微米至3微米。

如下文將描述的那樣，絕緣層104不僅用于為隨后形成的導(dǎo)體層提供層間絕緣層，而且絕緣層104的至少一部分作為犧牲層，在隨后的步驟中將去除以形成空腔。

然后，采用上述的光刻和蝕刻工藝進行圖形化，從而形成依次穿過絕緣層104和絕緣層102到達(dá)襯底101的通孔，如圖4所示。

在該步驟的蝕刻工藝中，可以選擇合適的蝕刻劑。利用蝕刻劑相對于襯底101選擇性去除絕緣層104和絕緣層102的暴露部分的特性，使得蝕刻在襯底101的表面停止。因而，通過蝕刻劑的選擇性蝕刻，可以控制蝕刻深度，使得通孔恰好穿透絕緣層104和絕緣層102。在替代的實施例中，通過控制蝕刻的時間來控制蝕刻深度，使得通孔穿透絕緣層104和絕緣層102，并且可以達(dá)到襯底101表面下方的預(yù)定深度。因此，通孔可以延伸進入襯底101中。

該圖形化步驟的蝕刻工藝?yán)缡歉飨虍愋晕g刻。在絕緣層104和絕緣層102中形成的通孔的圖案與掩模中的開口圖案的形狀大致相同。應(yīng)當(dāng)注意，該圖形化是優(yōu)選的步驟，用于提供隨后形成的布線層與襯底和布線層103之間的電連接。在替代的實施例中，根據(jù)MEMS器件的設(shè)計需求，如果不需要提供上部布線層至襯底的電連接，則可省去該步驟。

然后，在絕緣層104上形成多晶硅種子層105，如圖5所示。種子層105不僅形成在絕緣層104的表面上，而且位于通孔的側(cè)壁和底部，即形成在襯底101經(jīng)由通孔暴露的一部分表面上。

例如，可以采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPVCD)或者等離子增強型化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法，在絕緣層104上沉積多晶硅從而形成種子層105。種子層105的厚度例如是10納米至100納米微米。為了提高種子層105的導(dǎo)電性，可以通過預(yù)沉積工藝對種子層105進行摻雜。

應(yīng)當(dāng)注意，形成種子層是優(yōu)選的步驟，用于改善隨后形成的結(jié)構(gòu)層與絕緣層104之間的粘附性。在替代的實施例中，根據(jù)MEMS器件的設(shè)計需求，如果不需要提供提高MEMS器件的結(jié)構(gòu)強度，則可省去該步驟。

然后，采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPVCD)的方法，在種子層105上外延生長多晶硅，從而形成結(jié)構(gòu)層106，如圖6所示。結(jié)構(gòu)層106不僅形成在絕緣層104的上方，而且填充通孔，經(jīng)由通孔到達(dá)襯底101。

例如，可以采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPVCD)或者等離子增強型化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法，在種子層105上外延生長多晶硅從而形成結(jié)構(gòu)層106。結(jié)構(gòu)層106的厚度例如是10微米至50微米。

優(yōu)選地，在外延生長的步驟之后，進行化學(xué)機械平面化(CMP)處理，以獲得平整的結(jié)構(gòu)表面。

然后，在結(jié)構(gòu)層106上形成金屬層，并且采用上述的光刻和蝕刻工藝進行圖形化，從而形成布線層107，如圖7所示。在替代的實施例中，在形成布線層107的步驟中，結(jié)構(gòu)層106可以與金屬層一起蝕刻形成布線。由于結(jié)構(gòu)層106的導(dǎo)電性，因此結(jié)構(gòu)層106的一部分可以與布線層107共同形成布線和結(jié)構(gòu)層。

例如，可以采用濺射或蒸發(fā)工藝，在結(jié)構(gòu)層106上沉積金屬層。金屬層的厚度例如是1.5微米至3微米，其材料可以是鋁(Al)、鋁硅(Al-Si1％)、或者鈦/氮化鈦/鋁硅(Ti+TiN+Al-Si)的復(fù)合層。

布線層107可以包括鍵合布線(bonding pad)和引線，用于提供MEMS器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和與外部電路的電連接。在優(yōu)選的實施例中，布線層107包括第一至第三布線。第一布線與所述結(jié)構(gòu)層的第一部分電連接。第二布線經(jīng)由所述結(jié)構(gòu)層的第二部分與所述襯底電連接。第三布線經(jīng)由所述結(jié)構(gòu)層的第三部分與所述布線層電連接。

然后，采用光刻和蝕刻工藝進行圖形化，從而在結(jié)構(gòu)層106中形成多個深槽，如圖8所示。

在圖形化步驟中，例如在結(jié)構(gòu)層106的表面形成抗蝕劑層PR，采用光刻工藝在抗蝕劑層中形成包含開口的圖案。以抗蝕劑層PR作為掩模，采用干法蝕刻去除結(jié)構(gòu)層106的暴露部分。通過控制蝕刻的時刻，使得蝕刻在在絕緣層104的表面停止，或者進入絕緣層104中，但未穿透絕緣層104。在蝕刻之后，可以通過灰化或溶劑中溶解來去除抗蝕劑層PR。

該圖形化步驟的蝕刻工藝?yán)缡歉飨虍愋晕g刻。在圖形化之后，結(jié)構(gòu)層106的多個深槽的圖案與掩模中的開口圖案的形狀大致相同。

然后，以結(jié)構(gòu)層106作為硬掩模進行蝕刻，使得結(jié)構(gòu)層106的一部分形成可動結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

該蝕刻步驟例如采用各向同性蝕刻，其中使用氣態(tài)的HF作為蝕刻劑。結(jié)構(gòu)層106作為硬掩模，蝕刻劑經(jīng)由結(jié)構(gòu)層106中的多個深槽到達(dá)絕緣層104的暴露表面。由于蝕刻的選擇性，該蝕刻可以相對于結(jié)構(gòu)層106、布線層103和絕緣層102選擇性地去除絕緣層104在所述多個深槽底部暴露的第一部分，并且進一步橫向去除絕緣層104與所述第一部分相鄰的第二部分。

在蝕刻之后，絕緣層104在結(jié)構(gòu)層106的多個深槽附近的部分去除形成空腔，從而結(jié)構(gòu)層106的一部分形成可動結(jié)構(gòu)。該可動結(jié)構(gòu)在MEMS結(jié)構(gòu)的電容式傳感器中可以作為極板的一部分，在MEMS結(jié)構(gòu)的加速度傳感器中可以作為質(zhì)量塊。

然后，采用原子層沉積(ALD)的方法，形成表面保護層108，如圖10所示。

表面保護層108不僅形成在結(jié)構(gòu)層106的表面上，而且，由于氣相前驅(qū)體經(jīng)由所述結(jié)構(gòu)層106中的多個深槽擴散進入空腔，因此在結(jié)構(gòu)層106中的可動結(jié)構(gòu)上表面、下表面和深槽側(cè)壁中，以及在布線層103的表面上均形成表面保護層108。表面保護層108的厚度例如是3納米至10納米。表面保護層108為單層或多層的氧化物膜，所述氧化物膜例如包括選自氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鉭(Ta2O5)中的至少一種氧化物。

上述表面保護層108具有疏水性和耐磨性能。由于表面保護層108既形成在可動結(jié)構(gòu)的下表面，又形成在布線層103的表面上，因此可以達(dá)到雙重防粘附的目的，又不影響器件性能。

在上述的實施例中，描述了MEMS器件在襯底上包括依次形成的絕緣層102、布線層103、絕緣層104、種子層105、結(jié)構(gòu)層106和布線層107。在絕緣層104中形成空腔。在替代的實施例中，根據(jù)MEMS器件的設(shè)計要求，MEMS器件可以包含更少的層，例如，MEMS器件中可以省去絕緣層102和布線層103。根據(jù)MEMS器件的工藝要求，MEMS器件可以省去種子層105。在該替代的實施例中，仍然在絕緣層104中形成空腔，絕緣層104和結(jié)構(gòu)層106的至少一部分表面暴露于空腔中，并且覆蓋有表面保護層108。

依照本實用新型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(xì)節(jié)，也不限制該實用新型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實用新型的原理和實際應(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實用新型以及在本實用新型基礎(chǔ)上的修改使用。本實用新型的保護范圍應(yīng)當(dāng)以本實用新型權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。