CN111960376A - 一种mems支撑和电连接孔结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS支撑和电连接孔结构，所述支撑和电连接孔结构呈缩口瓶状，其瓶口设置在微桥上，所述瓶口的投影面积小于瓶身的投影面积，用于实现对微桥的支撑以及微桥和衬底之间的电连接。还公布了一种MEMS支撑和电连接孔结构的制备方法。借助缩口瓶状的支撑和电连接孔结构，可以在保证有效电连接的前提下，提升填充因子，从而提升光吸收率和MEMS的整体性能，同时形成瓶口和部分的瓶底具有金属Ti钛层、瓶身没有金属Ti钛层但整个缩口瓶状结构都具有金属电极层的支撑和电连接孔结构，避免释放气体通过金属钛Ti层钻蚀到其他膜层，引起整个器件失效。

Description

一种MEMS支撑和电连接孔结构及制备方法
技术领域
本发明属于半导体的技术领域，涉及一种MEMS支撑和电连接孔结构及制备方法。
背景技术
传统MEMS结构一般都设置有支撑和电连接结构，用于支撑微桥结构并实现电连接，常规图形化工艺一般将该结构设置为侧面垂直结构，以降低其占用的面积，并提高填充因子，但是为了提升电连接的效果，会将侧壁角度做成小于90度的斜角，以便于后续薄膜在侧壁上的台阶覆盖率提升，这样会减小填充因子的填充空间，导致性能下降。同时，由于支撑和电连接孔结构与微桥桥面结构一起组成整个微桥的投影面积，而支撑和电连接孔结构会占用较大面积，导致微桥实际的有效面积减小，也会使填充因子降低，不利于各个频段的光、电磁波等外界信号被微桥桥面吸收，从而引起敏感信号下降，产品性能整体受到影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的MEMS支撑和电连接结构的侧壁内倾，会减少填充因子的填充空间，导致性能下降等缺陷，提供一种MEMS支撑和电连接孔结构及制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种MEMS支撑和电连接孔结构，所述支撑和电连接孔结构呈缩口瓶状，其瓶口设置在微桥上，所述瓶口的投影面积小于瓶身的投影面积，用于实现对微桥的支撑以及微桥和衬底之间的电连接。
进一步，所述缩口瓶状的瓶口、瓶身和瓶底由外至内依次设置为金属电极层、释放保护层、支撑及功能层，所述瓶底的金属电极层包括两层，由外至内依次包括阻挡层和黏度层，其余部分的金属电极层仅设置有一层，为阻挡层。
进一步，所述瓶底的边缘通过阻挡层与衬底上的金属层相连，其余部分通过黏度层与衬底上的金属层相连。
进一步，所述阻挡层采用氮化钛材料制成，所述黏度层采用钛材料制成。
进一步，所述微桥通过缩口瓶状结构的金属电极层与衬底上的金属层相连。
进一步，所述微桥表面依次设置有释放保护层、敏感层、金属电极层、释放保护层、支撑及功能层。
进一步，所述瓶身的纵向截面呈外凸弧形、外张直线形或者竖直线形。
一种基于上文所述的MEMS支撑和电连接孔结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上依次沉积金属层、牺牲层、释放保护层、敏感层，刻蚀所述敏感层直至暴露衬底上的金属层，形成呈缩口瓶状的支撑与电连接孔结构；
步骤二、利用PVD物理气相沉积工艺，在微桥表面和缩口瓶状结构的瓶底的中央区域沉积形成钛层，再利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术，在缩口瓶状结构的瓶口、瓶身、瓶底区域以及微桥表面沉积形成氮化钛层；
步骤三、对微桥区域的氮化钛层进行图形化处理，再利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术，在缩口瓶状的瓶口、瓶身、瓶底区域以及微桥表面沉积形成释放保护层和支撑及功能层。
进一步，刻蚀所述敏感层直至暴露衬底上的金属层，先形成用的直孔结构，再通过各向同性刻蚀技术，将直孔内侧壁对应的牺牲层向外刻蚀，形成呈缩口瓶状的孔结构，并对瓶口区域两侧的敏感层进行刻蚀。
进一步，所述直孔的横截面与瓶底钛层区域相同。
有益效果：
在微桥表面打开的区域较小，朝向衬底形成一个内凹的空间，整体呈缩口瓶状的支撑和电连接孔结构，减少支撑和电连接孔结构所占的微桥投影面积，可以在保证有效电连接的前提下，提升填充因子，有利于各个频段的光、电磁波等外界信号被微桥桥面吸收，从而提升光吸收率和MEMS的整体性能。同时利用PVD物理气相沉积工艺在瓶底和微桥表面沉积形成钛层，利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术，在瓶口、瓶身、瓶底及微桥表面沉积形成其他层，完成支撑和电连接孔结构的制作，从而形成瓶口和部分的瓶底具有金属Ti钛层、瓶身没有金属Ti钛层但整个缩口瓶状结构都具有金属电极层的支撑和电连接孔结构，避免释放气体通过金属钛Ti层钻蚀到其他膜层，引起整个器件失效，从而有效保障微桥表面和衬底之间的电连接。
本发明的制备方法操作简单，成本低廉，效率高，适应性强，极具应用前景。
附图说明
图1为本发明的实施例1的流程示意图；
其中，101-衬底，102-金属层，103-牺牲层，104-释放保护层，105-敏感层，106-钛层，107-氮化钛层，108-支撑及功能层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。
本发明提供了一种MEMS支撑和电连接孔结构，该支撑和电连接孔结构呈缩口瓶状，其瓶口设置在微桥上，该瓶口的投影面积小于瓶身的投影面积，用于实现对微桥的支撑以及微桥和衬底之间的电连接。由于本发明的支撑和电连接结构在微桥表面打开的区域较小，朝向衬底形成一个内凹的空间，整体呈缩口瓶状，减少支撑和电连接孔结构所占的微桥投影面积，同时，可以在保证有效电连接的前提下，提升填充因子，有利于各个频段的光、电磁波等外界信号被微桥桥面吸收，从而提升光吸收率和MEMS的整体性能。
具体地，该缩口瓶状的瓶口、瓶身和瓶底由外至内依次设置为金属电极层、释放保护层、支撑及功能层，该瓶底的金属电极层包括两层，由外至内依次包括阻挡层和黏度层，而其余部分的金属电极层仅设置有一层，为阻挡层，更优选地，瓶底的边缘通过阻挡层与衬底上的金属层相连，其余部分通过黏度层与衬底上的金属层相连，对应地，可以将微桥表面依次设置有释放保护层、敏感层、金属电极层、释放保护层、支撑及功能层。该阻挡层可采用氮化钛材料制成，黏度层可采用钛材料制成。
这样，整个微桥的金属电极层通过与缩口瓶状结构的金属电极层与衬底上的金属层相连。由于微桥结构是通过释放工艺形成，将黏度层设置在瓶底的阻挡层与衬底上的金属层之间，而金属Ti的电阻较低，氮化钛TiN的电阻稍微高些，但其难于被释放气体损伤，当然也可以采用其他难于被释放气体损伤的材料制成阻挡层，可以很好地保护黏度层即金属Ti不被释放气体损伤，从而保证微桥结构与衬底之间的有效电连接。
考虑到填充因子的填充空间，可以把瓶身对应的侧壁做成外凸弧形或者向大于90度的方向外张的直线形或者竖直线形，即其纵向截面可呈外凸弧形、外张直线形或者竖直线形。这样，在保障对微桥支撑力的前提下，尽可能地增大其填充空间，提高器件的整体性能。
本发明还提供了一种基于上文所述的MEMS支撑和电连接孔结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上依次沉积金属层、牺牲层、释放保护层、敏感层，刻蚀敏感层直至暴露衬底上的金属层，形成呈缩口瓶状的支撑与电连接孔结构；
具体地，刻蚀敏感层直至暴露衬底上的金属层，先形成用的直孔结构，再通过各向同性刻蚀技术，将直孔内侧壁对应的牺牲层向外刻蚀，形成呈缩口瓶状的孔结构，并对瓶口区域两侧的敏感层进行刻蚀。
由于敏感层材料一般会受到释放气体的损伤，为了避免该问题，一般会将瓶口边缘往两侧推进一些，后续薄膜会将推进的区域进行覆盖，这样，即使后续可能有少量释放气体达到这里，后续薄膜也会阻止其可能的损伤。
该直孔的横截面与后续的瓶底钛层区域相同，通过刻蚀形成直孔结构，再采用各向同性刻蚀工艺，形成顶部小开口的缩口瓶状结构，为后续瓶底的中央区域形成钛层而瓶底其他区域以及瓶身没有钛层，提供物理结构基础，从而可以保护钛层不被释放气体损伤。
步骤二、利用PVD物理气相沉积工艺，在微桥表面和缩口瓶状结构的瓶底的中央区域沉积形成钛层，再利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术，在缩口瓶状结构的瓶口、瓶身、瓶底区域以及微桥表面沉积形成氮化钛层；
步骤三、对微桥区域的氮化钛层进行图形化处理，再利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术，在缩口瓶状的瓶口、瓶身、瓶底区域以及微桥表面沉积形成释放保护层和支撑及功能层。
常规PVD物理气相沉积工艺的台阶侧壁覆盖较差的，而CVD有机化学气相沉积工艺对侧壁覆盖较好，尤其是MOCVD\ALD等成膜技术，在内凹的结构侧壁也能够形成较好的薄膜，因此，本发明利用这一技术特点，首先，形成在微桥表面小的开口且具有垂直侧壁的缩口瓶状的支撑和电连接孔结构，然后，利用PVD物理气相沉积工艺在瓶底和微桥表面沉积形成钛层，利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术，在瓶口、瓶身、瓶底及微桥表面沉积形成其他层，完成支撑和电连接孔结构的制作，从而形成瓶口和部分的瓶底具有金属Ti钛层、瓶身没有金属Ti钛层但整个缩口瓶状结构都具有氮化钛层的支撑和电连接孔结构，从而有效保障微桥表面和衬底之间的电连接。
以下结合附图1，具体地说明其制作过程：
Step1、在衬底101上沉积形成金属层102并图形化，再沉积一层介质层，然后用化学机械抛光来直接实现表面平坦化；
Step 2、继续沉积形成牺牲层103、释放保护层104和敏感层105；
该牺牲层103可设置为非晶硅或有机物如聚酰亚胺等，敏感层105设置为非晶硅。
Step3、刻蚀表面各层薄膜直至暴露衬底101上的金属层102，形成支撑和电连接孔结构的初始状态即直孔结构，该直孔结构的横截面大小可以由支撑和电连接孔结构底部的金属Ti钛层106面积所决定；
Step 4、保留上述步骤图形化用的光刻胶，再通过各向同性刻蚀方法，如纯化学刻蚀方法，将直孔结构内侧壁对应的牺牲层103向外继续刻蚀，形成微桥表面开口较小而直孔侧壁内凹的缩口瓶状结构，此时，处于瓶口的两侧区域的敏感层105也被刻蚀，故呈现缩口状的颈部，然后去除光刻胶；由于后续牺牲层103释放的释放气体会损伤金属Ti钛层106，增加敏感层105侧蚀，可以增加释放气体通过腐蚀金属Ti钛层106接触到敏感层105的距离，降低敏感层105被损伤的风险。
Step 5、利用PVD物理气相沉积工艺在微桥表面和瓶底的中央区域实现金属Ti钛层106的沉积，然后再利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术实现TiN氮化钛层107在微桥表面、瓶口、瓶身和瓶底区域的沉积，完成整个微桥、支撑和电连接孔结构的金属电极层沉积；
Step 6、图形化金属电极层，然后再利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术在微桥表面、瓶口、瓶身和瓶底区域沉积释放保护层104和支撑及功能层108，并将微桥结构图形化。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (10)

1.一种MEMS支撑和电连接孔结构，其特征在于：所述支撑和电连接孔结构呈缩口瓶状，其瓶口设置在微桥上，所述瓶口的投影面积小于瓶身的投影面积，用于实现对微桥的支撑以及微桥和衬底之间的电连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS支撑和电连接孔结构，其特征在于：所述缩口瓶状的瓶口、瓶身和瓶底由外至内依次设置为金属电极层、释放保护层、支撑及功能层，所述瓶底的金属电极层包括两层，由外至内依次包括阻挡层和黏度层，其余部分的金属电极层仅设置有一层，为阻挡层。
3.根据权利要求2所述的MEMS支撑和电连接孔结构，其特征在于：所述瓶底的边缘通过阻挡层与衬底上的金属层相连，其余部分通过黏度层与衬底上的金属层相连。
4.根据权利要求2所述的MEMS支撑和电连接孔结构，其特征在于：所述微桥通过缩口瓶状结构的金属电极层与衬底上的金属层相连。
5.根据权利要求3所述的MEMS支撑和电连接孔结构，其特征在于：所述阻挡层采用氮化钛材料制成，所述黏度层采用钛材料制成。
6.根据权利要求4所述的MEMS电连接孔结构，其特征在于：所述微桥表面依次设置有释放保护层、敏感层、金属电极层、释放保护层、支撑及功能层。
7.根据权利要求1所述的MEMS电连接孔结构，其特征在于：所述瓶身的纵向截面呈外凸弧形、外张直线形或者竖直线形。
8.一种基于权利要求1所述的MEMS支撑和电连接孔结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、在衬底上依次沉积金属层、牺牲层、释放保护层、敏感层，刻蚀所述敏感层直至暴露衬底上的金属层，形成呈缩口瓶状的支撑与电连接孔结构；
步骤二、利用PVD物理气相沉积工艺，在微桥表面和缩口瓶状结构的瓶底的中央区域沉积形成钛层，再利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术，在缩口瓶状结构的瓶口、瓶身、瓶底区域以及微桥表面沉积形成氮化钛层；
步骤三、对微桥表面的氮化钛层进行图形化处理，再利用MOCVD金属有机化学气相沉积或ALD原子层沉积技术，在缩口瓶状的瓶口、瓶身、瓶底区域以及微桥表面沉积形成释放保护层和支撑及功能层。
9.根据权利要求8所述的MEMS支撑和电连接孔结构的制备方法，其特征在于：刻蚀所述敏感层直至暴露衬底上的金属层，先形成用的直孔结构，再通过各向同性刻蚀技术，将直孔内侧壁对应的牺牲层向外刻蚀，形成呈缩口瓶状的孔结构，并对瓶口区域两侧的敏感层进行刻蚀。
10.根据权利要求9所述的MEMS支撑和电连接孔结构的制备方法，其特征在于：所述直孔的横截面与瓶底的钛层区域相同。
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