微机电系统传感器、其制造方法及电子设备与流程

1.本公开涉及微机电系统mems传感器技术领域，更具体地，涉及一种微机电系统传感器的制造方法、微机电系统传感器及电子设备。


背景技术：

2.微机电系统(mems,micro-electro-mechanical system)也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等。微机电系统结构一般在微米甚至纳米量级。微机电系统是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、liga、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术。
3.微机电系统传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，微机电系统传感器的体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高，并且微机电系统传感器适于批量化生产、易于集成。
4.由于微机电系统传感器的尺寸越来越小，因此，在制造过程中，不同工艺步骤之间的影响越来越大。


技术实现要素：

5.本公开的一个目的是提供一种用于微机电系统传感器的新技术方案。
6.根据本公开的第一方面，提供了一种微机电系统传感器的制造方法，包括：在器件衬底上的牺牲层上形成微机电系统传感器的器件层，其中，所述器件层包括位于牺牲层上的机械层和位于机械层上的感测层，以及所述机械层中与器件衬底中要形成的背洞对应的部分是封闭的；在所述器件衬底及牺牲层中形成背洞；以及在机械层中形成与背洞连通的连通沟槽。
7.根据本公开的第二方面，提供了一种使用上述制造方法制造的微机电系统传感器。
8.根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括根据上述微机电系统传感器。
9.在所公开的实施例中，可以避免用于背洞的蚀刻剂损坏机械层上的结构。
10.通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
11.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且连同其说明一起用于解释本公开的原理。
12.图1示出了在释放之前的微机电系统传感器的结构示意图。
13.图2示出了在释放之后的微机电系统传感器的结构示意图。
14.图3-8示出了根据一个实施例的微机电系统传感器的示意性制造流程。
15.图9示出了根据一个实施例的电子设备的示意图。
16.附图标记：
17.1、器件衬底；2、牺牲层；3、机械层；4、钝化层；5、焊盘及互连结构；6、保护层；7、感测层；8、背洞；9、连通沟槽；10、焊盘。
具体实施方式
18.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
19.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
20.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
21.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
22.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
23.微机电系统传感器的尺寸较小。因此，在制造过程中的细微差异会对最终的产品质量产生影响。由于微机电系统传感器的工艺复杂，因此，在绝大部分情况下，很难确定哪个工艺步骤对最终产品的质量产生较大影响。发明人在研发时经过大量实验发现，用于形成背洞的刻蚀剂会对微机电系统传感器的性能产生影响。尤其是当微机电系统传感器越来越向着小型发展，用于形成背洞的刻蚀剂的泄漏对微机电系统传感器的性能影响越来越大。
24.图1示出了在释放之前的微机电系统传感器的结构示意图。如图1所示，在器件衬底1上形成牺牲层2。器件衬底1例如是硅衬底。牺牲层2对材料例如是二氧化硅，它具有高抗压性，例如，约300mpa。在牺牲层2上形成器件层，器件层包括机械层3和感测层7。机械层3的材料例如是硅或多晶硅。感测层7位于机械层3的上方。机械层3位于牺牲层2上。机械层3位于牺牲层2和感测层7之间。在图1中，感测层7被示出为磁阻和磁源，但是，感测层7还可以是其他类型的感测结构，例如，压电感测结构、电容感测结构等。
25.感测层7是机械层3上用于感测的部分，它可以仅占据机械层3上方的一部分空间。感测层7包括用于保护感测层7的钝化层4。此外，通常在机械层3上也覆盖有钝化层4。在器件层上还布置有焊盘及互连结构5。焊盘及互连结构5的材料可以是cr/ni/au等。
26.在释放器件层之前，已经形成了背洞8以及在器件层中用于连通背洞8的连通沟槽9。根据设计需要，连通沟槽9可以是一个缝隙，也可以是一个通孔。
27.通常，为了保护已经形成的微机电系统结构，在器件层上方还形成有临时保护层6。临时保护层6例如可以是光刻胶、胶带等。
28.在图1中，在未构图的牺牲层2上构图形成前侧微机电系统的各个层，例如，要释放的机械层、感测层、焊盘及互连结构、钝化层等。通过前后对准微影和深反应离子蚀刻(drie)，对硅器件衬底1进行构图并在牺牲层2停止。
29.临时保护层6用于增强前端结构的保护。在很多情况下，由于感测层(例如，巨磁阻
gmr)形成之后的工艺限制，对于低温沉积的钝化层，这是有影响的。
30.图2示出了在释放之后的微机电系统传感器的结构示意图。通常，临时保护层6足以保护所形成微机电系统结构免受来自前侧的氢氟酸hf/缓冲氧化物蚀刻剂boe的损坏。但是，在去除牺牲层2时，从背洞8施加的蚀刻剂会通过光刻胶和器件层的界面泄漏进来，从而损坏钝化层4，甚至感测层7。如图2所示，在去除牺牲层2时，蚀刻剂会通过c所指示的位置，泄漏进入临时保护层6和微机电系统结构之间的界面，例如，图2中a和b所指示的位置，从而损坏微机电系统传感器，例如，钝化层5，甚至感测层7中的感触部件。这可以导致严重的良率损失，尤其是在低温沉积的钝化层的情况下，由于在形成诸如gmr或tmr的某些感测层之后的处理问题限制，需要使用低温沉积的钝化层。例如，通常，在形成磁阻之后的化学气相沉积的温度要求小于250度，或200度。
31.图3-8示出了根据一个实施例的微机电系统传感器的示意性制造流程。
32.如图3所示，在器件衬底11上的牺牲层12上形成微机电系统传感器的器件层。器件层包括位于牺牲层12上的机械层13和位于机械层13上的感测层14。在图3中，机械层13中与器件衬底11中要形成的背洞18对应的部分是封闭的。
33.在图3中的器件衬底11是未经减薄的原始衬底，它的材料例如是硅，它的厚度例如是380微米至750微米。牺牲层12的材料例如是二氧化硅或掩埋氧化物，它的厚度例如是200纳米至1000纳米。机械层13可以是各种能够形成微机械结构的材料的，例如，硅或多晶硅。感测层17位于机械层13的上方。机械层13位于牺牲层12上。机械层13位于牺牲层12和感测层17之间。在图3中，感测层17被示出为磁阻和磁源，但是，感测层17还可以是其他类型的感测结构，例如，压电感测结构、电容感测结构等。
34.在机械层13上还可以设置钝化层14和焊盘及互连结构15。钝化层14可以是低温沉积的sin
x
。焊盘及互连结构15的材料可以是cr/ni/au等。
35.如图3所示，在封闭的器件层13、17上形成经构图的硬掩膜层16。例如，硬掩膜层17的材料是bcb材料(苯并环丁烯)，它的厚度范围是2微米至3微米。在图3中，通过微影或构图蚀刻形成硬掩膜层17的图案。例如，在机械层13中要形成连通沟槽19的位置，硬掩膜层17包括图案21。在图3中，机械层13是封闭的。在后续的处理中，可以通过图案21，在机械层13中形成连通沟槽19。
36.可以在硬掩膜层16上形成抗蚀剂保护层21，以增加保护性。例如，抗蚀剂保护层21的材料是az4620材料，它的厚度范围是3微米至7微米。az4620材料具有高对比度以及高感光度的特性，3微米至7微米的抗蚀剂保护层8能够有效的保护器件层内的结构不会在形成背洞5时受到侵蚀，同时在取出过程中也较为简单。
37.如图4和图5所示，在器件衬底11及牺牲层12中形成背洞18。
38.在图4中，通过背面研磨处理和/或剖光处理，对器件衬底11进行减薄。减薄后的器件衬底11点厚度可以是150微米至350微米。然后，在器件衬底11上进行构图并通过深度反应离子刻蚀，在器件衬底11上形成背洞18。此时，蚀刻在牺牲层12处停止。
39.接着，如图5所示，通过湿法蚀刻，蚀刻与背洞18对应的牺牲层部分。例如，可以利用氢氟酸hf或缓冲氧化物刻蚀剂boe进行所述湿法蚀刻。
40.如图5所示，由于机械层13是封闭的，用于牺牲层12的蚀刻剂不会进入机械层13的上方，也不会泄露进入抗蚀剂与微机电系统结构之间的界面。因此，在这里，减小了用于牺
牲层12的蚀刻剂损坏机械层13的上方的钝化层和感测层的可能性。这有利于提高产品的良率。
41.如图6至图8所示，在机械层13中形成与背洞18连通的连通沟槽19。
42.如图6所示，去除抗蚀剂保护层21。
43.在这里，例如，硬掩膜层16的应力与器件层的应力接近，从而提供较强的保护。例如，硬掩膜层16的应力范围是20mpa至30mpa，这接近于器件层的应力范围。例如，可以有利地将用bcb材料用于硬掩膜层16。一方面，bcb材料的应力范围是20mpa至30mpa，与微机电系统器件层的应力范围接近；另一方面，可以在200摄氏度的范围内对bcb材料进行处理，这与自旋电子处理后的结构相匹配，不会对这些结构造成过大影响。此外，固化后的bcb材料的硬度足够大，可以有效地保护器件层，例如机械层13。
44.如图7所示，利用经构图的硬掩膜层16，形成所述连通沟槽19。
45.例如，可以通过反应离子蚀刻rie释放微机电系统器件层(机械层13)，从而在机械层13中形成连通沟槽19。这里，硬掩模层16具有足够的用于蚀刻通过机械层13的蚀刻选择性，例如，蚀刻选择性大于2:1，优选地，大于5:1。
46.如图8所示，去除硬掩膜层16。可以使用o2等离子体、o2反应离子蚀刻和o2/sf6反应离子蚀刻，去除硬掩膜层16。
47.如上所述，在图8所示的微机电系统传感器中，由于在使用氢氟酸hf/缓冲氧化物蚀刻剂boe的湿法蚀刻之后通过干法蚀刻进行微机电系统器件层的释放，因此，微机电系统器件层可以很好地保护其上面的结构。在这种情况下，在所制造的微机电系统传感器中，机械层13上方的结构可以没有被湿法蚀刻剂损坏的痕迹。因此，可以有效提高产品的良率。
48.图9示出了根据这里公开的一个实施例的电子设备的示意图。如图9所示，电子设备200可以包括图8所示的微机电系统压电麦克风201。电子设备200可以是手机、平板电脑、可穿戴设备等。
49.虽然已经通过例子对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制这里公开的范围。

技术特征：
1.一种微机电系统传感器的制造方法，包括：在器件衬底上的牺牲层上形成微机电系统传感器的器件层，其中，所述器件层包括位于牺牲层上的机械层和位于机械层上的感测层，以及所述机械层中与器件衬底中要形成的背洞对应的部分是封闭的；在所述器件衬底及牺牲层中形成背洞；以及在机械层中形成与背洞连通的连通沟槽。2.根据权利要求1所述的制造方法，还包括：在封闭的器件层上形成经构图的硬掩膜层；以及在硬掩膜层上形成抗蚀剂保护层，其中，在机械层中形成与背洞连通的连通沟槽包括：去除抗蚀剂保护层；利用经构图的硬掩膜层，形成所述连通沟槽；以及去除所述硬掩膜层。3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述硬掩膜层的材料是bcb材料，它的厚度范围是2微米至3微米。4.根据权利要求3所述的制造方法，其中，所述抗蚀剂保护层的材料是az4620材料，它的厚度范围是3微米至7微米。5.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述硬掩膜层的应力范围是20mpa至30mpa。6.根据权利要求2所述的制造方法，其中，去除所述硬掩膜层包括：使用o2等离子体、o2反应离子蚀刻和o2/sf6反应离子蚀刻，去除所述硬掩膜层。7.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在所述器件衬底及牺牲层中形成背洞包括：通过背面研磨处理和/或剖光处理，对所述器件衬底进行减薄；在器件衬底上进行构图；通过深度反应离子刻蚀，在器件衬底上形成背洞；通过湿法蚀刻，蚀刻与背洞对应的牺牲层部分。8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，所述湿法蚀刻包括使用氢氟酸或缓冲氧化物刻蚀液的蚀刻。9.一种使用根据权利要求1所述的制造方法制造的微机电系统传感器。10.一种电子设备，包括根据权利要求9所述的微机电系统传感器。

技术总结
公开了一种微机电系统传感器、其制造方法及电子设备。该制造方法包括：在器件衬底上的牺牲层上形成微机电系统传感器的器件层，其中，所述器件层包括位于牺牲层上的机械层和位于机械层上的感测层，以及所述机械层中与器件衬底中要形成的背洞对应的部分是封闭的；在所述器件衬底及牺牲层中形成背洞；以及在机械层中形成与背洞连通的连通沟槽。中形成与背洞连通的连通沟槽。中形成与背洞连通的连通沟槽。


技术研发人员：邹泉波 周良 丁凯文 张贺存 李刚 周汪洋 赵海轮 冷群文
受保护的技术使用者：歌尔微电子股份有限公司
技术研发日：2021.11.08
技术公布日：2022/3/7