一种MEMS宽槽低台阶结构的制作方法与流程

本发明涉及微机电系统器件的制造领域，具体是一种MEMS宽槽低台阶结构的制作方法。

背景技术：

微机电系统(MEMS)中的微腔结构是MEMS器件中的一种常见结构。它一般包括曲梁和壳等，此结构通常用于制作可动的微结构，应用于各类微传感器和微执行器中。

近年来，微电子技术与机械、光学等领域交叉融合产生的MEMS技术发展迅猛，特别是基于MEMS技术的滤波器更是应用广泛。传统的压力传感器、加速度传感器等MEMS器件对可动的微腔结构精度要求并不太高，但基于MEMS技术的滤波器等新兴器件对微腔结构精度要求非常苛刻，微腔的上方支撑层要求接近理想化的平整。

在工艺实现过程中，要做好支撑层，难点就是下面的基石工作要做好，即做好牺牲层的平坦化，沟槽内的牺牲层与沟槽外膜层台阶越小越好(小于50nm)。不同频率的滤波器沟槽宽度不同，最宽甚至达到500μm，因此，实现宽槽低台阶结构是做好MEMS滤波器最关键、最核心的工作。

要实现宽槽低台阶结构，主要就是做好牺牲层的平坦化。传统的平坦化工艺有反刻、玻璃回流、旋涂膜层等，反刻是采用干法刻蚀技术刻蚀牺牲层，通过用比低处图形快的刻蚀速率刻蚀掉高处的图形来使表面平坦化，但把表面相近的台阶变得平滑是一种局部平坦化，反刻不能实现全局平坦化；玻璃回流是通过BPSG流动来实现平坦化，玻璃回流也只能获得部分平坦化，不足以满足全局平坦化要求；同样，旋涂膜层也是受限于过高的台阶高度而不适用于低台阶工艺。

CMP化学机械抛光工艺是实现全局平坦化的最佳技术，在平坦化相同的材料，最大台阶高度可以达到50埃。但直接对牺牲层进行CMP工艺，仍无法实现宽槽低台阶(槽宽500μm，台阶小于50nm)的结构，具体的：

一、因为沟槽内牺牲层与槽外膜层是两种材料物质(否则后期无法释放牺牲层，则无法形成微腔结构)，平坦化过程中工艺终点无法控制；

二、因为CMP工艺是通过化学和机械两种作用力来达到材料的去除和平坦化，机械作用是片内不均匀性的主因，部分区域抛光速率较快，而部分区域抛光速率相对较慢，在平坦化过程中，抛光速率较快区域已经将表面牺牲层去除干净，而抛光速率较慢区域表面仍残留多晶，为了保证整个硅片表面牺牲层全部抛干净(沟槽内仍填满牺牲层)，必然导致抛光速率较快区域沟槽内的牺牲层形成过抛，形成如图4所示的凹陷结构，而且凹陷的高度与槽的宽度是成正比的，即槽越宽，凹陷高度越大，这也是CMP工艺(如钨CMP、铜CMP、多晶CMP等)的共性问题。

CMP工艺形成的这种凹陷，台阶高度能控制在200nm左右，距小于50nm的要求仍有不小距离。

因此，急需一种实现MEMS宽槽低台阶结构的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中MEMS宽槽低台阶结构的制造工艺复杂、制造效率低等问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种MEMS宽槽低台阶结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在硅片上进行光刻、刻蚀，形成沟槽；

2)在步骤1)中得到的具有沟槽的硅片上生长SiO₂阻挡层；

3)在步骤2)中得到的硅片上淀积多晶硅牺牲层；

4)采用化学机械抛光工艺，用Si粗研磨液对硅片的表面进行平整化处理，去除硅片表面的多晶硅牺牲层，所述沟槽内仍填满多晶硅牺牲层；

5)采用SiO₂研磨液对SiO₂层进行化学机械抛光，去掉硅片表面的部分厚度的SiO₂层，所述沟槽内多晶硅牺牲层的上表面高于槽外SiO₂阻挡层的上表面高度；

6)采用Si精研磨液将步骤5)中硅片上表面凸出的多晶硅牺牲层抛平，形成一种MEMS宽槽低台阶结构。

进一步，所述步骤1)中的沟槽深度为1～10μm，宽度为10μm～500μm。

进一步，所述步骤2)中的SiO₂阻挡层的厚度为100nm～2000nm。

进一步，所述步骤3)中的多晶硅牺牲层厚度大于沟槽的深度；所述多晶硅牺牲层还能够是非晶硅材料(amorphous siliconα-Si)、聚酰亚胺或光刻胶材料。

进一步，所述步骤4)中的化学机械抛光过程中，除沟槽内的多晶硅牺牲层外，硅片表面其余区域的多晶硅牺牲层被研磨掉，抛光在SiO₂阻挡层终止。

进一步，所述步骤5)中硅片表面去除掉的SiO₂层的厚度为200～300nm。

值得说明的是，所述步骤6)中进行化学机械抛光，Si精研磨液对沟槽外SiO₂阻挡层几乎无研磨量，可有效将沟槽处凸出的多晶抛平，形成宽凹槽低台阶的结构，同时保障沟槽内多晶的表面粗糙。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：

1)本发明方法采用的所有工艺均为常规IC工艺，有效将MEMS工艺与IC工艺兼容。

2)本发明方法采用了三段CMP工艺来实现牺牲层的平坦化，三段CMP工艺可以在一台机台上通过整合成一个工艺菜单，一次CMP过程就能实现，工艺简单、制作效率高。

附图说明

图1为在硅片上进行光刻、刻蚀，形成沟槽后的硅片剖面示意图；

图2为在图1的硅片上生长一层SiO₂阻挡层后的剖面示意图；

图3为在图2的硅片上淀积一层多晶硅牺牲层后的剖面示意图；

图4为在图3的硅片上对多晶硅层进行CMP粗抛光后的剖面示意图；

图5为在图4的硅片上对SiO₂阻挡层进行CMP抛光后的剖面示意图；

图6为在图5的硅片上对多晶硅牺牲层进行CMP精抛光，最终形成一种MEMS宽槽低台阶结构的剖面示意图；

图中：硅片1、沟槽2、SiO₂阻挡层3、多晶硅牺牲层4、一次CMP粗抛光后由于抛光不均匀或过抛形成的凹陷多晶硅牺牲层41、二次SiO₂阻挡层CMP后形成的凸型多晶硅牺牲层42、三次CMP精抛光后形成的低台阶多晶硅牺牲层43。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

一种MEMS宽槽低台阶结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)如图1所示，在硅片1上进行光刻、刻蚀，形成沟槽2；

具体的：选用<100>晶向、厚度625±20μm、电阻率10-20Ω·cm的P型硅片1，清洗，氧化，氧化层厚度为0.6±0.05μm；进行常规光刻，开出沟槽区域；用氟化铵腐蚀剂，刻蚀去掉沟槽区域2上的SiO₂；用质量百分比20％～30％的KOH溶液、70℃下，湿法刻蚀3～5min，形成沟槽2，沟槽的深度为1～5μm；

2)如图2所示，在步骤1)中得到的具有沟槽2的硅片1上生长SiO₂阻挡层3；

具体的：对形成了沟槽2的硅片1进行清洗，在1000℃下、采用热氧化工艺，生长1μm厚的SiO₂阻挡层3；

3)如图3所示，在步骤2)中得到的硅片1上淀积多晶硅牺牲层4；

具体的：在625℃下，采用LPCVD淀积一层1～5μm多晶硅牺牲层4，多晶硅牺牲层4的厚度必须大于沟槽的深度；

4)如图4所示，采用化学机械抛光工艺，用Si粗研磨液对硅片1的表面进行平整化处理，去除硅片表面的多晶硅牺牲层4，所述沟槽2内填满多晶硅牺牲层41；

具体的：选用硅粗抛光液，采用化学机械抛光(CMP)工艺对硅片进行平整化，将硅片表面的多晶硅层去除干净，在沟槽内仍填满多晶硅牺牲层41，其厚度与沟槽深度相当，形成如图4所示的凹陷结构，沟槽内多晶硅牺牲层与沟槽外SiO₂层台阶高度约为100～300nm。

5)如图5所示，采用SiO₂研磨液对SiO₂层进行化学机械抛光，去掉硅片表面的200～300nm的SiO₂层，所述沟槽内多晶硅牺牲层的上表面高于槽外SiO₂阻挡层的上表面高度；

具体的：由于SiO₂抛光液对SiO₂的腐蚀速率略大于其对多晶硅的腐蚀速率，因此去掉硅片表面的200～300nm厚度的SiO₂阻挡层后，沟槽内的多晶硅牺牲层32形成了向上凸的结构，沟槽内多晶硅与槽外SiO₂层的台阶高度约为100～200nm。

6)如图6所示，采用Si精研磨液将步骤5)中硅片上表面凸出的多晶硅牺牲层抛平，形成一种MEMS宽槽低台阶结构。

具体的：选用硅精抛光液，采用化学机械抛光(CMP)工艺对硅片进行平整化，将沟槽内凸起的多晶硅抛平，形成宽槽低台阶结构，沟槽内多晶硅层与槽外SiO₂层的台阶高度0～50nm。