一种微机械锚区释放停止结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及mems(微电子机械系统)加工工艺领域，特别涉及一种微机械锚区释放停止结构及其制备方法。

背景技术：

2.mems(微电子机械系统)加工工艺中，释放是去除牺牲层，实现结构可动的关键工艺，一般对于表面加工工艺中或者是结构层与牺牲层交替堆叠等类型的释放而言，释放主要沿牺牲层平面方向腐蚀推进，许多mems结构对释放腐蚀的边界有要求，工艺上，有控制刻蚀时间(time-mode control)来达到释放腐蚀停止边界的方法，无论是干法或是湿法都存在会有设备因气体置换与酸液置换等制程差异导致晶圆上不同元件释放腐蚀停止边界的差异，这些差异往往会造成微结构元件尺寸定义的差异，影响旋臂、悬膜或质块的大小，进而影响元件性能。当前大多是采用控制刻蚀时间(time-mode control)来定义牺牲层释放边界，停止边界存在波动与误差，无法实现任意控制牺牲层边界停止位置。为了保证元件尺寸的一致性与元件良率，往往通过单纯控制腐蚀时间不能满足，因此需要制作锚区释放停止结构。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于，克服牺牲层腐蚀时导致边界不明显、结构性能差的问题，从而提供一种微机械锚区释放停止结构及其制备方法。
4.本发明通过在mems结构中制作锚区释放停止结构，实现释放腐蚀精确停止，满足腐蚀边界要求。同时本发明提出的新的锚区结构设计和制作工艺，可以获得较为平坦的表面结构，实现尺寸灵活设计，减小制造难度并增大工艺窗口，以及达到提升结构强度、性能、一致性与良率的效果。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种微机械锚区释放停止结构，所述停止结构1包括一层呈“凹”字形的停止层1。
6.作为上述技术方案的改进之一，所述停止结构还包括填充结构2和上结构层3。
7.作为上述技术方案的改进之一，所述停止层1的凹坑内侧底部设置为直角或斜角。
8.作为上述技术方案的改进之一，所述停止层1的凹坑内侧底部中心位置凹陷设置为一级或多级阶梯式台阶形状，所述台阶形状为直角或斜角。
9.本发明还提出了一种上述之一所述微机械锚区释放停止结构的制备方法，包括以下步骤：
10.a)沉积下结构层，在下结构层上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层，形成释放锚区凹坑；
11.b)沉积释放停止结构的薄膜材料；
12.c)刻蚀去除释放停止结构膜层的非必要区域得到释放停止结构。
13.本发明还提出了一种上述之一所述微机械锚区释放停止结构的制备方法，包括以下步骤：
14.a)沉积下结构层，在下结构层上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层，形成释放锚区凹坑；
15.b)沉积释放停止结构的薄膜材料；
16.c)沉积锚区凹坑填充材料，而后利用化学机械抛光cmp停止在锚区释放停止薄膜表面，使表面平坦；
17.d)刻蚀去除释放停止结构膜层的非必要区域得到释放停止结构的停止层；
18.e)沉积上结构层的薄膜材料。
19.作为上述技术方案的改进之一，所述上结构层的薄膜材料完成沉积后，对上结构层的膜层材料进行图形化形成释放孔，所述释放孔用于释放停止层、下结构层与上结构层之间的牺牲层材料。
20.本发明还提出了一种上述之一所述的微机械锚区释放停止结构的制备方法，当所述释放停止结构的凹坑底部设置一级台阶时，所述制备方法的步骤为：
21.a)沉积第一层牺牲层，光刻形成一级台阶的图形；
22.b)刻蚀掉图形内的第一层牺牲层并去除光刻胶，形成一级台阶凹坑；
23.c)沉积第二层牺牲层，光刻形成上一级台阶的图形；
24.d)刻蚀掉图形内的第二层牺牲层并去除光刻胶，形成上一级台阶凹坑与一级台阶凹坑组合成的阶梯式台阶形状凹坑；
25.e)沉积停止层膜层材料，得到释放停止结构；
26.或
27.a＇)沉积牺牲层；
28.b＇)光刻形成上一级或下一级台阶的图形，刻蚀掉台阶深度对应的牺牲层；
29.c＇)再次光刻步骤b＇)剩余一级台阶的图形，形成阶梯式台阶形状的图形，刻蚀掉图形内的剩余牺牲层并去除光刻胶，形成阶梯式台阶形状的凹坑；
30.d＇)沉积停止层膜层材料，得到释放停止结构。
31.作为上述技术方案的改进之一，当所述释放停止结构的凹坑底部设置有多级台阶时，重复步骤a)-d)或在步骤b＇)-c＇)中由外向内或由内向外依次逐层刻蚀，得到多级台阶形状的凹坑。
32.作为上述技术方案的改进之一，所述下结构层的材料为硅、多晶硅、非晶硅、多晶硅和氮化硅复合层、非晶硅和氮化硅复合层；
33.所述牺牲层的材料和锚区凹坑填充材料为氧化硅、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)或硼磷硅玻璃(bpsg)的单一材料，或由至少其中两种随机堆叠的复合材料；所述牺牲层材料和锚区凹坑填充材料沉积的方式为化学气相沉积cvd，所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相沉积pecvd，当牺牲层为氧化硅时，其沉积方式也可以为热氧化；
34.所述锚区停止薄膜材料和上结构层材料为多晶硅、非晶硅、氮化硅、碳化硅，或者这几种材料中2种或者多种材料随机堆叠的复合层；所述锚区停止薄膜材料和上结构层材料的沉积方式为cvd；所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相淀积pecvd。
35.本发明提出的微机械锚区释放停止结构能够实现的的技术效果：
36.1.mems结构中制作锚区释放停止结构，可以作为单侧腐蚀阻挡或者形成独立锚区
结构，实现释放腐蚀精确停止和锚区尺寸精确控制；
37.2.mems结构中增加了释放停止结构，使得腐蚀工艺窗口变大，减小制造难度，同时释放孔的设计宽容度也增加，本发明的停止结构在设置释放孔的位置时不需要考虑time-mode control被限定在某固定位置,而释放孔位置可以放远一点或是放近一点,不影响释放后最终牺牲层停止的位置，可做成非绝对对称的设计，实现牺牲层在单侧、两侧或四周进行腐蚀；
38.3.锚区释放停止结构采用复合层材料，搭配cmp，获得较为平坦的表面结构，有利于后续小尺寸的图形化；
39.4.锚区释放停止结构采用复合层材料，锚区释放停止结构的凹坑填充后cmp，整个锚区结构较为强壮，可靠性好，具备优异的性能、一致性及良率，可以满足对锚区结构不同尺寸的设计需求；
40.5.锚区释放停止结构对厚牺牲层适应性优异，在锚区搭配多级台阶，可以进一步减缓后续薄膜沉积时的爬坡效果，优化材料填充效果。锚区释放停止结构做成阶梯状可以降低后面长膜或是黄光涂布工艺可能填充不均的困扰,可提升生产良率。
附图说明
41.图1(a)、(b)、(c)依次分别为制备本发明只包括停止层的所述微机械锚区释放停止结构的制备方法的各步骤示意图；
42.图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)依次分别为制备本发明包括停止层、填充结构和上结构层的所述微机械锚区释放停止结构的制备方法的各步骤示意图；
43.图3(a)为图形化上结构层，形成牺牲层释放孔的截面示意图，图3(b)为通过释放孔释放停止层、下结构层与上结构层之间的牺牲层材料后的截面示意图；
44.图4为本发明所述微机械锚区释放停止结构的实施例一示意图，其中，图4(a)为牺牲层释放前的示意图，图4(b)为牺牲层释放后的示意图；
45.图5为本发明所述微机械锚区释放停止结构的实施例二示意图，其中，图5(a)为牺牲层释放前的示意图，图5(b)为牺牲层释放后的示意图；
46.图6为本发明所述微机械锚区释放停止结构的实施例三示意图，其中，图6(a)为牺牲层释放前的示意图，图6(b)为牺牲层释放后的示意图；
47.图7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)依次分别为本发明在凹坑内侧设置阶梯式台阶时的方式一的步骤a)、b)、c)、d)、e)的示意图；
48.图8(a)、(b1)或(b2)、(c)、(d)依次分别为本发明在凹坑内侧设置阶梯式台阶时的方式二的步骤a＇)、b＇)、c＇)、d＇)的示意图；
49.图9为本发明在凹坑内侧设置多级直角阶梯式台阶的截面示意图。
50.附图标识
51.1、停止层 2、填充结构 3、上结构层
具体实施方式
52.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
53.本发明提出：在下层结构上沉积牺牲层，图形化形成释放锚区凹坑，沉积释放停止
薄膜材料，沉积锚区凹坑填充材料，cmp使表面平坦，刻蚀去除非必要区域释放停止薄膜，再沉积上结构层并图形化，达到通过锚区释放停止结构来控制释放腐蚀边界的效果。
54.如图1(a)、(b)、(c)所示，依次分别为制备本发明只包括停止层1的所述微机械锚区释放停止结构的制备方法的各步骤示意图，具体包括以下步骤：
55.a)沉积下结构层，在下结构层上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层，形成释放锚区凹坑；
56.b)沉积释放停止结构的薄膜材料；
57.c)刻蚀去除释放停止结构膜层的非必要区域得到释放停止结构。
58.如图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示，依次分别为制备本发明包括停止层1、填充结构2和上结构层3的所述微机械锚区释放停止结构的制备方法的各步骤的示意图，关键制程和顺序包括如下步骤：
59.a)在下结构上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层，形成释放锚区凹坑；
60.b)沉积释放停止薄膜材料，该层结构是后续释放停止层主要材料；
61.c)沉积锚区凹坑填充材料，而后cmp停止在锚区释放停止薄膜表面，使表面平坦；
62.d)刻蚀去除非必要区域释放停止薄膜；
63.e)沉积上层结构薄膜材料。
64.如图3(a)所示，为图形化上结构层，形成牺牲层释放孔的截面示意图，如图3(b)所示，为通过释放孔释放停止层、下结构层与上结构层之间的牺牲层材料后的截面示意图；通过释放孔腐蚀牺牲层，实现锚区释放停止结构精确定义牺牲层腐蚀边界。
65.在腐蚀牺牲层时，不仅可以单侧释放腐蚀停止，也可进行双边或者四周同时腐蚀，最后仅剩锚区释放停止结构，亦可实现精确停止的效果。
66.如图4所示，为本发明所述微机械锚区释放停止结构的实施例一示意图，其中，图4(a)为牺牲层释放前的示意图，图4(b)为牺牲层释放后的示意图；释放牺牲层时对其进行了四周腐蚀，并且锚区释放停止结构的凹坑填充材料后cmp再沉积上结构，整个锚区结构较为强壮，可靠性好，具备优异的性能、一致性及良率，可以满足对锚区结构不同尺寸的设计需求。
67.优选的，下结构为硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、多晶硅和氮化硅复合层、非晶硅和氮化硅复合层等材料；
68.优选的，牺牲层为氧化硅、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)、硼磷硅玻璃(bpsg)或由至少其中两种随机堆叠的复合材料，通过化学气相沉积cvd沉积方式形成,所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相沉积pecvd；
69.优选的，锚区薄膜材料为多晶硅、非晶硅、氮化硅、碳化硅，或者这几种材料中2种或者多种材料的复合层，通过化学气相沉积cvd沉积方式形成,所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相沉积pecvd；
70.优选的，锚区凹坑填充材料为氧化硅、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)、硼磷硅玻璃(bpsg)或由至少其中两种随机堆叠的复合材料，通过化学气相沉积cvd沉积方式形成,所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相沉积pecvd；
71.优选的，上结构为硅、多晶硅、非晶硅、碳化硅等材料或者这几种材料中2种或者多种材料的复合层，通过化学气相沉积cvd沉积方式形成,所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相沉积pecvd。
72.优选的，锚区释放停止结构凹坑内搭配阶梯是多级台阶，如图5所示，为本发明所述微机械锚区释放停止结构的实施例二示意图，其中，图5(a)为牺牲层释放前的示意图，图5(b)为牺牲层释放后的示意图；在停止结构的凹坑设置成阶梯形状；此实施例在停止结构的凹坑内侧设置成直角阶梯形状，其台阶的设置能够降低填充材料爬坡难度，填充效果更优。制备时，结合刻蚀速率设定刻蚀时间达到目标深度(刻蚀速率乘以刻蚀时间即为深度)。最后一次刻蚀时，刻蚀结束需要结合刻蚀终点监控以及(或或者)追加一定过刻量，确保牺牲层刻蚀干净露出下结构层表面。
73.图6为本发明所述微机械锚区释放停止结构的实施例三示意图，其中，图6(a)为牺牲层释放前的示意图，图6(b)为牺牲层释放后的示意图，此实施例在停止结构的凹坑内侧设置成斜角阶梯形状。制备斜角阶梯形状时，在刻蚀时，保持牺牲层刻蚀的侧壁角度倾斜即可。
74.当所述释放停止结构的凹坑底部设置一级台阶时，所述制备方法的具体制备方法为：如图7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示，依次分别为本发明在凹坑内侧设置阶梯式台阶时的方式一的步骤a)、b)、c)、d)、e)的示意图，具体地，
75.a)沉积第一层牺牲层，光刻形成一级台阶的图形；
76.b)刻蚀掉图形内的第一层牺牲层并去除光刻胶，形成一级台阶凹坑；
77.c)沉积第二层牺牲层，光刻形成上一级台阶的图形；
78.d)刻蚀掉图形内的第二层牺牲层并去除光刻胶，形成上一级台阶凹坑与一级台阶凹坑组合成形状的阶梯式台阶形状凹坑；
79.e)沉积停止层膜层材料，得到释放停止结构。
80.或如图8(a)、(b1)或(b2)、(c)、(d)所示，依次分别为本发明在凹坑内侧设置阶梯式台阶时的方式二的步骤a＇)、b＇)、c＇)、d＇)的示意图，其中，图8(a)、(b1)、(c)、(d)为由外向内逐层刻蚀形成一级台阶，图8(a)、(b2)、(c)、(d)为由内向外逐层刻蚀形成一级台阶；具体地，
81.a＇)沉积牺牲层；
82.b＇)光刻形成上一级或下一级台阶的图形，刻蚀掉台阶深度对应的牺牲层并去除光刻胶；
83.c＇)再次光刻步骤b＇)剩余一级台阶的图形，形成阶梯式台阶形状的图形，刻蚀掉图形内的剩余牺牲层，形成阶梯式台阶形状的凹坑；
84.d＇)沉积停止层膜层材料，得到释放停止结构。
85.当所述释放停止结构的凹坑底部设置有多级台阶时，重复步骤a)-d)或在步骤b＇)-c＇)中，由外向内依次逐层刻蚀或者由内向外依次逐层刻蚀，得到多级台阶。
86.如图9所示，为本发明在凹坑内侧设置多级直角阶梯式台阶的截面示意图。
87.从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提出的锚区释放停止结构可以作为单侧腐蚀阻挡或者形成独立锚区结构，实现释放腐蚀精确停止和锚区尺寸精确控制，并且
在锚区搭配多级台阶，可以进一步减缓后续薄膜沉积时的爬坡效果。
88.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种微机械锚区释放停止结构，其特征在于，所述停止结构包括一层呈“凹”字形的停止层(1)。2.根据权利要求1所述的微机械锚区释放停止结构，其特征在于，所述停止结构还包括填充结构(2)和上结构层(3)。3.根据权利要求1或2所述的微机械锚区释放停止结构，其特征在于，所述停止层(1)的凹坑内侧底部设置为直角或斜角。4.根据权利要求1或2所述的微机械锚区释放停止结构，其特征在于，所述停止层(1)的凹坑内侧底部中心位置凹陷设置为一级或多级阶梯式台阶形状，所述台阶形状为直角或斜角。5.一种权利要求1所述的微机械锚区释放停止结构的制备方法，包括以下步骤：a)沉积下结构层，在下结构层上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层，形成释放锚区凹坑；b)沉积释放停止结构的薄膜材料；c)刻蚀去除释放停止结构膜层的非必要区域得到释放停止结构。6.一种权利要求2所述的微机械锚区释放停止结构的制备方法，包括以下步骤：a)沉积下结构层，在下结构层上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层，形成释放锚区凹坑；b)沉积释放停止结构的薄膜材料；c)沉积锚区凹坑填充材料，而后利用化学机械抛光cmp停止在锚区释放停止薄膜表面，使表面平坦；d)刻蚀去除释放停止结构膜层的非必要区域得到释放停止结构的停止层；e)沉积上结构层的薄膜材料。7.根据权利要求6所述的微机械锚区释放停止结构的制备方法，其特征在于，所述上结构层的薄膜材料完成沉积后，对上结构层的膜层材料进行图形化形成释放孔，所述释放孔用于释放停止层、下结构层与上结构层之间的牺牲层材料。8.一种权利要求4所述的微机械锚区释放停止结构的制备方法，其特征在于，当所述释放停止结构的凹坑底部设置一级台阶时，所述制备方法的步骤为：a)沉积第一层牺牲层，光刻形成一级台阶的图形；b)刻蚀掉图形内的第一层牺牲层并去除光刻胶，形成一级台阶凹坑；c)沉积第二层牺牲层，光刻形成上一级台阶的图形；d)刻蚀掉图形内的第二层牺牲层并去除光刻胶，形成上一级台阶凹坑与一级台阶凹坑组合成的阶梯式台阶形状凹坑；e)沉积停止层膜层材料，得到释放停止结构；或a＇)沉积牺牲层；b＇)光刻形成上一级台阶或下一级台阶的图形，刻蚀掉台阶深度对应的牺牲层并去除光刻胶；c＇)再次光刻步骤b＇)剩余一级台阶的图形，形成阶梯式台阶形状的图形，刻蚀掉图形内的剩余牺牲层并去除光刻胶，形成阶梯式台阶形状的凹坑；d＇)沉积停止层膜层材料，得到释放停止结构。9.根据权利要求8所述的微机械锚区释放停止结构的制备方法，其特征在于，当所述释
放停止结构的凹坑底部设置有多级台阶时，重复步骤a)-d)或在步骤b＇)-c＇)中由外向内或由内向外依次逐层刻蚀，得到多级台阶形状的凹坑。10.根据权利要求5或6所述的微机械锚区释放停止结构的制备方法，其特征在于，所述下结构层的材料为硅、多晶硅、非晶硅、多晶硅和氮化硅复合层、非晶硅和氮化硅复合层；所述牺牲层的材料和锚区凹坑填充材料为氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃的单一材料，或由至少其中两种随机堆叠的复合材料；所述牺牲层材料和锚区凹坑填充材料的沉积方式为化学气相沉积cvd，所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相沉积pecvd，当牺牲层为氧化硅时，其沉积方式也可以为热氧化；所述锚区停止薄膜材料和上结构层材料为多晶硅、非晶硅、氮化硅、碳化硅，或者这几种材料中2种或者多种材料随机堆叠的复合层；所述锚区停止薄膜材料和上结构层材料的沉积方式为cvd；所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相淀积pecvd。

技术总结

本发明涉及一种微机械锚区释放停止结构及其制备方法，所述停止结构包括一层呈“凹”字形的停止层，或包括一层呈“凹”字形的停止层、填充结构和上结构层；其凹坑内侧底部设置为直角或斜角，或其凹坑中心位置设置为一级或多级阶梯式台阶形状，台阶形状为直角或斜角。本发明所述锚区释放停止结构的制备方法包括以下步骤：在下结构上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层形成凹坑；沉积释放停止薄膜材料；沉积凹坑填充材料，而后CMP停止在停止薄膜表面；刻蚀去除非必要区域释放停止薄膜；沉积上层结构薄膜材料，图形化上结构层，形成牺牲层释放孔。本发明实现了释放腐蚀精确停止和锚区尺寸精确控制，并且搭配多级台阶，减缓了后续薄膜沉积时的爬坡效果。效果。效果。