CN104993804A - 一种mems谐振结构的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MEMS谐振结构的加工方法，提供硅晶圆作为衬底硅，在衬底硅的表面生长第一掩膜层；在第一掩膜层上加工开口图样；通过干法刻蚀去除与开口图样对应部分的第一掩膜层以及衬底硅，在衬底硅上形成凹槽结构；生长第二掩膜层，在所述凹槽结构的凹槽侧壁以及凹槽底部形成第二掩膜层，在所述衬底硅表面形成复合掩膜层；通过干法刻蚀去除所述第二掩膜层，使所述凹槽底部的所述第二掩膜层全部去除；通过干法刻蚀再次对所述衬底硅进行刻蚀，使所述凹槽结构加深，并使得新刻蚀的凹槽侧壁上没有掩膜层覆盖；通过湿法刻蚀在所述衬底硅内部连通开口图样形成空腔；淀积下电极、压电功能材料以及上电极；图形化并通过干法刻蚀释放谐振结构。

Description

一种MEMS谐振结构的加工方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种MEMS谐振结构的加工方法，特别涉及一种在同一片晶圆上同时制作不同硅膜厚度的谐振结构的方法。

背景技术

MEMS振荡器是指通过微机电***制作出的一种可编程的振荡器，它是对传统石英晶振产品的一个升级更新换代，防震效果是前者的25倍，具有不受振动影响、不易碎的特点。

现有技术中MEMS谐振结构的加工有如下方法：

1、采用SOI晶圆将其表面氧化以后与另一预先加工好腔体的衬底晶圆键合在一起。将SOI晶圆减薄以后，再分别淀积上金属下电极，压电功能材料和金属上电极。最后图形化金属上电极以后，再刻开顶层硅，释放谐振结构。或依然基于SOI晶圆，在该SOI晶圆上生长绝缘层、淀积金属下电极、压电功能材料和金属上电极之后，图形化金属上电极，最后从晶圆背面去除衬底硅，释放谐振结构。

2、采用普通衬底，利用“硅衬底上的空腔”，来实现谐振结构的悬浮结构制造。其基本原理是在硅衬底上刻蚀出二维细槽或细圆柱腔，利用高温下表面硅原子迁移的物理现象，经过高温退火(annealing)最后闭合成一个完整的硅膜，在硅膜下方有一个空腔。在形成硅膜的同时，硅膜上可以留出小孔，或者形成硅膜以后，再刻蚀出小孔。利用这些小孔，硅膜的两面都可以被氧化形成氧化硅材料，达到对原有硅材料进行谐振频率温度补偿的作用。在做好氧化硅 层以后，同样淀积下电极、压电功能材料以及上电极，图形化上电极以后，从晶圆正面刻开硅膜，释放谐振器件。

上述方法的缺陷在于：采用SOI晶圆，虽然工艺相对简单，但是SOI晶圆的成本很高。其次，使用了晶圆键合工艺，成本高，良率也不是很容易控制；采用背面刻蚀的方法释放谐振结构，在刻蚀到氧化硅材料的时候，难以避免会有一些过刻蚀，这样造成硅膜两面的氧化硅材料厚度不一致，降低器件的性能。

利用“硅衬底上的空腔”技术在普通硅晶圆上加工悬浮结构，成本比SOI晶圆有优势。但是这一特殊加工技术，需要特定的退火设备，包括高温(一般要大于1050℃)以及特殊气氛(氢气或者氩气)，对于芯片代工厂的固定资产投入很大。

发明内容

本发明的一个目的在于：提供一种MEMS谐振结构的加工方法，其采用普通硅晶圆作为衬底硅，不需要使用昂贵的SOI晶圆，材料成本低。

本发明的另一个目的在于：提供一种MEMS谐振结构的加工方法，加工过程无需采用特殊加工设备，降低生产成本。

本发明的再一个目的在于：提供一种MEMS谐振结构的加工方法，其可以在同一块硅晶圆上加工不同膜厚的谐振结构。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种MEMS谐振结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供硅晶圆作为衬底硅，在所述衬底硅的表面生长第一掩膜层；

步骤S2、在所述第一掩膜层上加工开口图样；

步骤S3、去除与所述开口图样对应部分的所述第一掩膜层以及所述衬底硅， 在所述衬底硅上形成凹槽结构；

步骤S4、生长第二掩膜层，在所述凹槽结构的凹槽侧壁以及凹槽底部形成第二掩膜层，在所述衬底硅表面形成复合掩膜层；

步骤S5、刻蚀去除所述第二掩膜层，使所述凹槽底部的所述第二掩膜层全部去除，而衬底硅表面以及凹槽侧壁仍有掩膜层覆盖；

步骤S6、再次对所述衬底硅进行刻蚀，使所述凹槽结构加深，形成第二级凹槽，并使得新刻蚀的凹槽侧壁上没有掩膜层覆盖；

步骤S7、通过湿法刻蚀在所述衬底硅内部连通开口图样形成空腔；

步骤S8、淀积下电极、压电功能材料以及上电极；

步骤S9、图形化并通过干法刻蚀释放谐振结构。

根据权利要求1所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，所述步骤S7还包括：

步骤S71、湿法刻蚀完成后，清除之前所有掩膜层结构；

步骤S72、在所述衬底硅的所有表面重新均匀的生长一层或多层谐振结构频率温度补偿材料层。

优选的，所述谐振结构温度频率补偿材料层采用氧化硅材料。

作为MEMS谐振结构的加工方法的一种优选技术方案，步骤S9中所述图形化具体包括：

步骤S91、图形化上电极；

步骤S92、图形化压电功能材料；

步骤S93、图形化下电极；

步骤S94、图形化谐振结构。

作为MEMS谐振结构的加工方法的一种优选技术方案，所述开口图样为多组， 每组所述开口图样中两图形尺寸相同，不同组所述开口图样图形尺寸不同。

作为MEMS谐振结构的加工方法的一种优选技术方案，同时刻蚀多组所述开口图样，使多组所述开口图样形成不同深度的凹槽结构。

作为MEMS谐振结构的加工方法的一种优选技术方案，所述刻蚀采用深反应离子刻蚀(DRIE)。

作为MEMS谐振结构的加工方法的一种优选技术方案，所述开口图样为多组，每组所述开口图样中图形尺寸相同，不同组所述开口图样图形尺寸相同。

作为MEMS谐振结构的加工方法的一种优选技术方案，在对其中一组所述开口图样进行刻蚀的过程中，采用保护材料保护晶圆上的其它图样位置，避免其发生刻蚀。

作为MEMS谐振结构的加工方法的一种优选技术方案，所述保护材料为光刻胶。

作为MEMS谐振结构的加工方法的一种优选技术方案，所述衬底硅采用〈111〉晶向的硅晶圆，所述掩膜层采用氧化硅材料，所述湿法刻蚀采用氢氧化钾(KOH)或者四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀溶液。

本发明的有益效果为：整套工艺避免采用昂贵的SOI晶圆，使用普通MEMS代工厂现有的加工设备完成整个工艺流程，降低材料成本以及生产设备成本；生产过程中为谐振结构提供被动温度补偿，可以降低谐振结构的频率温度系数，达到更好的频率稳定性；可以在同一片晶圆上加工出不同膜厚的谐振结构；可以在不需要增加额外的光罩的情况下加工出不同厚度的硅膜；在增加额外的光罩加工谐振结构时，能够更加准确的控制不同膜厚。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为实施例所述MEMS谐振结构的加工方法流程图。

图2为实施例所述衬底硅表面覆盖第一掩膜层结构示意图。

图3为干法刻蚀去除图样中第一掩膜层及部分衬底硅结构示意图。

图4为图3中A-A向剖视图。

图5为生长第二掩膜层后结构示意图。

图6为刻蚀掉凹槽结构底部第二掩膜层后结构示意图。

图7为干法刻蚀再次对所述衬底硅进行刻蚀后结构示意图。

图8为通过湿法刻蚀在所述衬底硅内部连通开口图样形成空腔后结构示意图。

图9为清除所有掩膜层结构后示意图。

图10为生长二氧化硅材料层后结构示意图。

图11为图9俯视图(图中虚线以内的图形为腐蚀形成的空腔图形)。

图12为淀积下电极、压电功能材料、上电极并图形化上电极后结构示意图。

图13为图形化压电功能材料，下电极并干法刻蚀释放谐振结构示意图。

图14为一实施例中在第一掩膜层制作不同尺寸图形结构示意图。

图15为刻蚀后结构示意图。

图16为制作第二掩膜层后结构示意图。

图17为湿法刻蚀后在衬底硅中不同深度形成空腔结构示意图。

图18为又一实施例中在第一掩膜层制作相同尺寸图形结构示意图。

图19为保护刻蚀槽以外图形的结构示意图。

图20为刻蚀另一图形时保护刻蚀槽以外图形的结构示意图。

图21为制作第二掩膜层后结构示意图。

图22为再次对所述衬底硅进行刻蚀后结构示意图。

图23为湿法刻蚀后在衬底硅中不同深度形成空腔结构示意图。

图中：

1、衬底硅；2、第一掩膜层；3、第二掩膜层；4、凹槽结构；5、第二级凹槽；6、空腔；7、二氧化硅材料；8、光刻胶。 

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-13所示：

一种MEMS谐振结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供硅晶圆作为衬底硅1，在所述衬底硅1的表面生长第一掩膜层2；

步骤S2、在所述第一掩膜层2上加工开口图样；

步骤S3、通过干法刻蚀去除与所述开口图样对应部分的第一掩膜层2以及衬底硅1，在衬底硅1上形成凹槽结构4；

步骤S4、生长第二掩膜层3，在所述凹槽结构4的凹槽侧壁以及凹槽底部形成第二掩膜层3，在所述衬底硅1表面形成复合掩膜层；

步骤S5、通过干法刻蚀去除所述第二掩膜层3，使所述凹槽底部以及衬底硅表面的所述第二掩膜层3全部去除；

步骤S6、通过干法刻蚀再次对所述衬底硅1进行刻蚀，使所述凹槽结构4加深，形成第二级凹槽5，并使得新刻蚀的部分凹槽侧壁上没有掩膜层覆盖；

步骤S7、通过湿法刻蚀在所述衬底硅1内部连通开口图样形成空腔6；

步骤S71、通过湿法刻蚀清除之前所有掩膜层结构；

步骤S72、在所述衬底硅1上生长二氧化硅材料7层；

步骤S8、淀积下电极、压电功能材料以及上电极；

步骤S9、图形化上电极；图形化压电功能材料；图形化下电极；图形化谐振结构并通过干法刻蚀释放谐振结构。

于本实施例中所述衬底硅1采用〈111〉晶向的硅晶圆，所述掩膜层采用氧化硅材料，所述湿法刻蚀采用氢氧化钾(KOH)腐蚀溶液。

具体的：使用<111>晶向的硅晶圆作为衬底硅1，首先在衬底硅1上生长一层氧化硅材料作为第一掩模层。在第一掩模层上光刻出一系列小的开口图样，并使用干法刻蚀，去除部分掩模层及衬底硅1。干法刻蚀衬底硅1的厚度决定了谐振结构的厚度。

在此基础上，生长第二层氧化硅作为第二掩膜层3，由于晶圆表面之前第一掩模层2并没有被去除，因此在晶圆表面形成第一掩膜层2与第二掩膜层3的复合掩膜层。

不经过任何图形化处理，直接使用干法刻蚀的方法去除凹槽底部的第二掩模层。由于复合掩膜层的厚度大于第二掩膜层3的厚度，所以当凹槽底部的掩模层被完全去除的时候，晶圆表面依然有掩模层保护，而由于干法刻蚀的各向异性，凹槽侧壁也依然有掩模层保护。

不经过任何图形化处理，直接使用深反应离子刻蚀DRIE技术，继续刻出更深的凹槽。由于采用的干法刻蚀具有良好的掩模层与硅的选择性，因此，在刻出更深的凹槽的同时，对于晶圆表面及凹槽侧壁的掩模层刻蚀基本可以忽略不计。

不经过任何图形化处理，直接使用氢氧化钾(KOH)腐蚀溶液，利用其对于硅材料腐蚀沿不同晶向的各项异性，腐蚀出一个腔及悬空的硅膜。湿法刻蚀去除之前的所有掩模层以后，新生长一层均匀的二氧化硅材料7。生长这一层材料 的目的是利用二氧化硅材料7与硅材料的杨氏模量温度系数符号相反的特点，进行谐振结谐振频率的被动温度补偿。

此基础上分别淀积下电极，压电功能材料以及上电极，并图形化上电极。继续图形化压电功能材料和下电极，暴露出下电极以方便后续电连接。最后图形化并干法刻蚀释放谐振结构。

如图1、14-17所示：

提供硅晶圆作为衬底硅1，在所述衬底硅1的表面生长第一掩膜层2，在所述第一掩膜层2上进行图形化时，开设大小不同的凹槽结构4，

一种MEMS谐振结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供〈111〉晶向的硅晶圆作为衬底硅1，在所述衬底硅1的表面生长第一掩膜层2；

步骤S2、在所述第一掩膜层2上加工尺寸不同的开口图样；

步骤S3、通过干法刻蚀去除与所述开口图样对应部分的第一掩膜层2以及衬底硅1，在衬底硅1上形成凹槽结构4；

由于干法刻蚀(DRIE)的刻蚀速率与开口的大小成正比的关系(DRIE lag效应)，可以在一次刻蚀过程中形成不同深度的凹槽，这些不同深度的凹槽也决定了谐振结构硅膜的厚度是不同的。

步骤S4、生长第二掩膜层3，在所述凹槽结构4的凹槽侧壁以及凹槽底部形成第二掩膜层3，在所述衬底硅1表面形成复合掩膜层；

步骤S5、通过干法刻蚀去除所述第二掩膜层3，使所述凹槽底部的所述第二掩膜层3全部去除，而衬底硅表面以及凹槽侧壁仍有掩膜层覆盖；

步骤S6、通过干法刻蚀再次对所述衬底硅1进行刻蚀，使所述凹槽结构4加深，形成第二级凹槽5，并使得新刻蚀的凹槽侧壁上没有掩膜层覆盖；

同样由于干法刻蚀(DRIE)刻蚀速率与开口的大小成正比的关系，第二级凹槽5的深度也不一样。

步骤S7、采用四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀溶液，通过湿法刻蚀在所述衬底硅1内部连通开口图样形成空腔6；

步骤S71、通过湿法刻蚀清除之前所有掩膜层结构；

步骤S72、在所述衬底硅1的所有表面重新生长二氧化硅材料7层；

步骤S8、淀积下电极、压电功能材料以及上电极；

步骤S9、图形化上电极、图形化压电功能材料、图形化下电极，并通过干法刻蚀释放谐振结构。

通过本方法，可以在同一晶圆上加工出不同硅膜厚度的谐振结构。

如图1、18-23所示：

本实施例与上述实施例的区别在于，在硅晶圆上生长第一掩膜层2后制作图样时将图样的尺寸制作相同，在干法刻蚀的过程中，刻蚀不同深度的凹槽时将其他图样采用光刻胶8进行保护，从刻蚀深度浅的凹槽开始刻蚀依次将晶圆上不同深度的凹槽刻蚀完毕

以此类推，将晶圆上不同深度的凹槽结构4刻蚀完毕。再按照之前描述的生长第二层掩模层3及刻蚀的方法，形成第二级凹槽5。由于凹槽结构4开口宽度一致，因此第二级凹槽5的深度是一样的。最后用湿法腐蚀的方法腐蚀出不同厚度的谐振结构硅膜。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于 在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于,包括以下步骤：

步骤S1、提供硅晶圆作为衬底硅，在所述衬底硅的表面生长第一掩膜层；

步骤S2、在所述第一掩膜层上加工开口图样；

步骤S3、去除与所述开口图样对应部分的所述第一掩膜层以及所述衬底硅，在所述衬底硅上形成凹槽结构；

步骤S4、生长第二掩膜层，在所述凹槽结构的凹槽侧壁以及凹槽底部形成第二掩膜层，在所述衬底硅表面形成复合掩膜层；

步骤S5、刻蚀去除所述第二掩膜层，使所述凹槽底部的所述第二掩膜层全部去除，而衬底硅表面以及凹槽侧壁仍有掩膜层覆盖；

步骤S6、再次对所述衬底硅进行刻蚀，使所述凹槽结构加深，形成第二级凹槽，并使得新刻蚀的凹槽侧壁上没有掩膜层覆盖；

步骤S7、通过湿法刻蚀在所述衬底硅内部连通开口图样形成空腔；

步骤S8、淀积下电极、压电功能材料以及上电极；

步骤S9、图形化并通过干法刻蚀释放谐振结构。

2.根据权利要求1所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，所述步骤S7还包括：

步骤S71、湿法刻蚀完成后，清除之前所有掩膜层结构；

步骤S72、在所述衬底硅的所有表面重新均匀的生长一层或多层谐振结构频率温度漂移补偿材料层。

3.根据权利要求1所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，步骤S9中所述图形化具体包括：

步骤S91、图形化上电极；

步骤S92、图形化压电功能材料；

步骤S93、图形化下电极；

步骤S94、图形化谐振结构。

4.根据权利要求1所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，所述开口图样为多组，每组所述开口图样中两图形尺寸相同，不同组所述开口图样图形尺寸不同。

5.根据权利要求4所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，同时刻蚀多组所述开口图样，使多组所述开口图样形成不同深度的凹槽结构。

6.根据权利要求5所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，所述刻蚀采用深反应离子刻蚀(DRIE)。

7.根据权利要求1所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，所述开口图样为多组，每组所述开口图样中图形尺寸相同，不同组所述开口图样图形尺寸相同。

8.根据权利要求7所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，在对其中一组所述开口图样进行刻蚀的过程中，采用保护材料保护晶圆上的其它图样位置，避免其发生刻蚀。

9.根据权利要求8所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，所述保护材料为光刻胶。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的MEMS谐振结构的加工方法，其特征在于，所述衬底硅采用〈111〉晶向的硅晶圆，所述掩膜层采用氧化硅材料，所述湿法刻蚀采用氢氧化钾(KOH)或者四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀溶液。