Mems器件及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，具体涉及一种MEMS器件及其形成方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-SystemsJI^lMEMS)是利用微细加工技术在芯片上集成传感器、执行器、处理控制电路的微型系统。
[0003]在MEMS器件中，包括设置在一空腔内的一端悬空设置的振动膜片，使用过程中，通过振动膜片振动设置在空腔侧壁的半导体元器件传递信号。参考图1，为一个MEMS电容器件结构，具体结构包括:
[0004]设置在空腔102内的振动膜片103，所述振动膜片103的一端固定在空腔102内壁，另一端悬空设置；在所述空腔102的上端面设置金属膜片105。使用时，所述振动膜片103和金属膜片105分别作为电容片，并通过振动膜片105振动改变金属膜片105和振动膜片103之间的电容，以产生电容信号。
[0005]继续参考图1，为了避免振动膜片103高频率且大幅度振动时，振动膜片103的悬空端振动幅度过大，而致使振动膜片103出现断裂缺陷；还为了避免在振动膜片103振动过程中，振动膜片103的悬空端与空腔102上端面接触而粘附在空腔上端面上，从而使振动膜片103停止振动并导致电容信号中断的问题。在所述空腔102上端面会设置限位柱(stopper) 104，以限定振动膜片103振动，并避免振动膜片103粘附在所述空腔102上端。
[0006]然而，即使如此，在实际使用过程中，MEMS器件使用仍然无法满足半导体器件发展要求，为此，如何进一步改善MEMS器件的性能是本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
[0007]本发明解决的问题是提供一种MEMS器件及其形成方法，以提高MEMS器件的性能。
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括:
[0009]提供半导体基底；
[0010]在所述半导体基底上形成第一牺牲层；
[0011 ] 在所述第一牺牲层上形成振动膜片；
[0012]在所述第一牺牲层以及振动膜片上形成第二牺牲层，并在所述第二牺牲层内形成第一开口，所述第一开口位于所述振动膜片一端的上方，且所述第一开口的上端开口尺寸大于下端开口尺寸；
[0013]在所述第一开口中以及所述第二牺牲层上形成介质层，填充于所述第一开口中的介质层用于形成限位柱；
[0014]去除所述介质层和振动膜片之间的第二牺牲层，以及部分第一牺牲层，在所述半导体基底和所述介质层之间形成空腔，且使所述振动膜片与所述限位柱对应的一端为悬空结构。
[0015]可选地，在所述振动膜片上形成第二牺牲层，在所述第二牺牲层内形成第一开口的步骤包括:
[0016]在所述第二牺牲层上形成掩模层，并在所述掩模层内形成贯穿所述掩模层的第二开口，所述第二开口上端开口尺寸大于下端开口尺寸；
[0017]沿着所述第二开口刻蚀所述第二牺牲层，在所述第二牺牲层内形成所述第一开
□ O
[0018]可选地，在所述振动膜片上形成第二牺牲层，在所述第二牺牲层内形成第一开口的步骤包括:
[0019]在所述第一牺牲层和振动膜片层上形成第三牺牲层；
[0020]在所述第三牺牲层上形成掩模层，并在所述掩模层内形成贯穿所述掩模层的第二开口，所述第二开口上端开口尺寸大于下端开口尺寸；
[0021 ] 沿着所述第二开口刻蚀所述第三牺牲层，在所述第三牺牲层内形成第三开口，所述第三开口的上端开口尺寸大于下端开口尺寸；
[0022]在所述第三牺牲层上保型覆盖所述第二牺牲层，在所述第二牺牲层内形成与所述第二开口对应的第一开口，所述第一开口的侧壁与第一开口底部的间的夹角大于所述第二开口侧壁与第二开口底部间的夹角；
[0023]去除所述介质层和振动膜片之间的第二牺牲层，以及部分第一牺牲层，以形成空腔的步骤中还包括:去除所述第三牺牲层。
[0024]可选地，形成掩模层，并在所述掩模层内形成贯穿所述掩模层的第二开口的步骤包括:
[0025]形成光刻胶层，以所述光刻胶层作为掩模层；
[0026]经曝光显影工艺后，在所述光刻胶层内形成第四开口 ；
[0027]进行加热软化工艺使得所述光刻胶层变软，且使所述第四开口侧壁倾斜以在所述光刻胶层内形成上端开口尺寸大于下端开口尺寸的第二开口；
[0028]在沿着所述第二开口刻蚀所述第三牺牲层，形成所述第三开口之后，去除所述光刻胶层，在所述第三牺牲层上保型覆盖所述第二牺牲层。
[0029]可选地，所述光刻胶层的厚度为I?3 μ m。
[0030]可选地，所述加热软化工艺的步骤包括，控制加热温度为120°?160°。
[0031]可选地，所述第一开口侧壁与第一开口底面的夹角为140?150°。
[0032]可选地，所述第二开口侧壁与第二底面的夹角大于或等于120°。
[0033]可选地，在形成所述介质层后，形成所述空腔之前，所述形成方法还包括:
[0034]刻蚀所述介质层和第二牺牲层，在所述介质层和第二牺牲层内形成露出所述振动膜片的通孔；
[0035]向所述通孔内填充导电材料，形成下端与所述振动膜片固定连接的插塞。
[0036]可选地，去除所述介质层和振动膜片之间的第二牺牲层，以及部分第一牺牲层的步骤包括:采用湿法刻蚀工艺去除至少部分所述第一牺牲层和第二牺牲层。
[0037]可选地，在所述第二牺牲层内形成第一开口后，形成介质层之前，所述形成方法还包括:在所述第二牺牲层表面形成电容片；
[0038]在所述第二牺牲层上形成介质层的步骤包括:所述介质层形成在所述电容片表面。
[0039]本发明还提了一种MEMS器件，包括:
[0040]半导体基底；
[0041]位于所述半导体基底上的第一介质层，所述第一介质层中形成有开口 ；
[0042]位于所述第一介质层上的第二介质层，所述第二介质层与所述第一介质层在所述开口处围成一空腔；
[0043]位于所述空腔内的振动膜片，所述振动膜片一端固定在所述空腔的内壁，另一端悬空设置；
[0044]位于所述空腔内的限位柱，所述限位柱位于所述振动膜片悬空端的上方，所述限位柱的一端固定在所述第二介质层上，另一端朝向所述振动膜片，且所述限位柱固定于所述第二介质层上的端面尺寸大于朝向所述振动膜片一端的端面尺寸。
[0045]可选地，所述限位柱在垂直半导体基底方向上的截面为倒梯形结构。
[0046]可选地，所述第二介质层和所述限位柱为一体成型结构。
[0047]可选地，所述限位柱侧壁与所述第二介质层间的夹角为140?150°。
[0048]可选地，所述限位柱的高度为I?2 μ m。
[0049]可选地，所述限位柱的材料为氮化硅。
[0050]可选地，所述空腔内设有插塞，所述插塞一端位于在所述第二介质层内，另一端与所述振动膜片的固定端连接，用于将所述振动膜片固定在所述空腔的内壁上。
[0051]可选地，所述振动膜片为条形结构。
[0052]可选地，所述第二介质层朝向所述空腔的表面上设有电容片，所述电容片与所述振动膜片对应设置。
[0053]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0054]MEMS器件的空腔内，位于所述振动膜片悬空端的上方设有限位柱，所述限位柱的一端固定在所述第二介质层上，另一端朝向所述振动膜片，在所述振动膜片振动过程中，振动膜片的悬空端触碰所述限位柱后弹回，避免所述振动膜片的悬空端粘附在所述空腔上；所述限位柱固定于所述第二介质层上的端面尺寸大于朝向所述振动膜片一端的端面尺寸，从而提升限位柱与所述振动膜片对应一端端面的受力能力，使得振动膜片振动过程中，降低振动膜片高频率振动击打时造成限位柱损伤的程度，从而提高后续形成的MEMS器件的性能。
[0055]在MEMS器件的形成方法中，在半导体基底上形成第一牺牲层后，在所述第一牺牲层上形成振动膜片；并在所述第一牺牲层以及振动膜片上形成第二牺牲层后，在所述第二牺牲层内形成第一开口，所述第一开口位于所述振动膜片一端的上方，且所述第一开口的上端开口尺寸大于下端开口尺寸，使得后续在所述第二牺牲层上形成第二介质层，以在所述第一开口内形成限位柱时，使所述限位柱朝向所述振动膜片的一端端面尺寸小于另一端端面尺寸，从而提高限位柱朝向所述振动膜片一端端面的抗击打能力。
[0056]此外，在去除至少部分第一牺牲层和第二牺牲层，从而在所述半导体基底和所述第二介质层之间形成空腔，并形成振动膜片时，使所述振动膜片与所述限位柱对应的一端为悬空结构。在所述振动膜片振动过程中，基于限位柱朝向所述振动膜片一端端面的抗击打能力提升，可有效降低基于振动膜片高频率振动击打而造成限位柱损伤程度，进而提高后续形成的MEMS器件的性能。
[0057]可选方案中，可先在第一牺牲层和振动膜片上形成第三牺牲层，在所述第三牺牲层上形成光刻胶层，并经曝光显影工艺后，在所述光
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，具体涉及一种MEMS器件及其形成方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-SystemsJI^lMEMS)是利用微细加工技术在芯片上集成传感器、执行器、处理控制电路的微型系统。
[0003]在MEMS器件中，包括设置在一空腔内的一端悬空设置的振动膜片，使用过程中，通过振动膜片振动设置在空腔侧壁的半导体元器件传递信号。参考图1，为一个MEMS电容器件结构，具体结构包括:
[0004]设置在空腔102内的振动膜片103，所述振动膜片103的一端固定在空腔102内壁，另一端悬空设置；在所述空腔102的上端面设置金属膜片105。使用时，所述振动膜片103和金属膜片105分别作为电容片，并通过振动膜片105振动改变金属膜片105和振动膜片103之间的电容，以产生电容信号。
[0005]继续参考图1，为了避免振动膜片103高频率且大幅度振动时，振动膜片103的悬空端振动幅度过大，而致使振动膜片103出现断裂缺陷；还为了避免在振动膜片103振动过程中，振动膜片103的悬空端与空腔102上端面接触而粘附在空腔上端面上，从而使振动膜片103停止振动并导致电容信号中断的问题。在所述空腔102上端面会设置限位柱(stopper) 104，以限定振动膜片103振动，并避免振动膜片103粘附在所述空腔102上端。
[0006]然而，即使如此，在实际使用过程中，MEMS器件使用仍然无法满足半导体器件发展要求，为此，如何进一步改善MEMS器件的性能是本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
[0007]本发明解决的问题是提供一种MEMS器件及其形成方法，以提高MEMS器件的性能。
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括:
[0009]提供半导体基底；
[0010]在所述半导体基底上形成第一牺牲层；
[0011 ] 在所述第一牺牲层上形成振动膜片；
[0012]在所述第一牺牲层以及振动膜片上形成第二牺牲层，并在所述第二牺牲层内形成第一开口，所述第一开口位于所述振动膜片一端的上方，且所述第一开口的上端开口尺寸大于下端开口尺寸；
[0013]在所述第一开口中以及所述第二牺牲层上形成介质层，填充于所述第一开口中的介质层用于形成限位柱；
[0014]去除所述介质层和振动膜片之间的第二牺牲层，以及部分第一牺牲层，在所述半导体基底和所述介质层之间形成空腔，且使所述振动膜片与所述限位柱对应的一端为悬空结构。
[0015]可选地，在所述振动膜片上形成第二牺牲层，在所述第二牺牲层内形成第一开口的步骤包括:
[0016]在所述第二牺牲层上形成掩模层，并在所述掩模层内形成贯穿所述掩模层的第二开口，所述第二开口上端开口尺寸大于下端开口尺寸；
[0017]沿着所述第二开口刻蚀所述第二牺牲层，在所述第二牺牲层内形成所述第一开
□ O
[0018]可选地，在所述振动膜片上形成第二牺牲层，在所述第二牺牲层内形成第一开口的步骤包括:
[0019]在所述第一牺牲层和振动膜片层上形成第三牺牲层；
[0020]在所述第三牺牲层上形成掩模层，并在所述掩模层内形成贯穿所述掩模层的第二开口，所述第二开口上端开口尺寸大于下端开口尺寸；
[0021 ] 沿着所述第二开口刻蚀所述第三牺牲层，在所述第三牺牲层内形成第三开口，所述第三开口的上端开口尺寸大于下端开口尺寸；
[0022]在所述第三牺牲层上保型覆盖所述第二牺牲层，在所述第二牺牲层内形成与所述第二开口对应的第一开口，所述第一开口的侧壁与第一开口底部的间的夹角大于所述第二开口侧壁与第二开口底部间的夹角；
[0023]去除所述介质层和振动膜片之间的第二牺牲层，以及部分第一牺牲层，以形成空腔的步骤中还包括:去除所述第三牺牲层。
[0024]可选地，形成掩模层，并在所述掩模层内形成贯穿所述掩模层的第二开口的步骤包括:
[0025]形成光刻胶层，以所述光刻胶层作为掩模层；
[0026]经曝光显影工艺后，在所述光刻胶层内形成第四开口 ；
[0027]进行加热软化工艺使得所述光刻胶层变软，且使所述第四开口侧壁倾斜以在所述光刻胶层内形成上端开口尺寸大于下端开口尺寸的第二开口；
[0028]在沿着所述第二开口刻蚀所述第三牺牲层，形成所述第三开口之后，去除所述光刻胶层，在所述第三牺牲层上保型覆盖所述第二牺牲层。
[0029]可选地，所述光刻胶层的厚度为I?3 μ m。
[0030]可选地，所述加热软化工艺的步骤包括，控制加热温度为120°?160°。
[0031]可选地，所述第一开口侧壁与第一开口底面的夹角为140?150°。
[0032]可选地，所述第二开口侧壁与第二底面的夹角大于或等于120°。
[0033]可选地，在形成所述介质层后，形成所述空腔之前，所述形成方法还包括:
[0034]刻蚀所述介质层和第二牺牲层，在所述介质层和第二牺牲层内形成露出所述振动膜片的通孔；
[0035]向所述通孔内填充导电材料，形成下端与所述振动膜片固定连接的插塞。
[0036]可选地，去除所述介质层和振动膜片之间的第二牺牲层，以及部分第一牺牲层的步骤包括:采用湿法刻蚀工艺去除至少部分所述第一牺牲层和第二牺牲层。
[0037]可选地，在所述第二牺牲层内形成第一开口后，形成介质层之前，所述形成方法还包括:在所述第二牺牲层表面形成电容片；
[0038]在所述第二牺牲层上形成介质层的步骤包括:所述介质层形成在所述电容片表面。
[0039]本发明还提了一种MEMS器件，包括:
[0040]半导体基底；
[0041]位于所述半导体基底上的第一介质层，所述第一介质层中形成有开口 ；
[0042]位于所述第一介质层上的第二介质层，所述第二介质层与所述第一介质层在所述开口处围成一空腔；
[0043]位于所述空腔内的振动膜片，所述振动膜片一端固定在所述空腔的内壁，另一端悬空设置；
[0044]位于所述空腔内的限位柱，所述限位柱位于所述振动膜片悬空端的上方，所述限位柱的一端固定在所述第二介质层上，另一端朝向所述振动膜片，且所述限位柱固定于所述第二介质层上的端面尺寸大于朝向所述振动膜片一端的端面尺寸。
[0045]可选地，所述限位柱在垂直半导体基底方向上的截面为倒梯形结构。
[0046]可选地，所述第二介质层和所述限位柱为一体成型结构。
[0047]可选地，所述限位柱侧壁与所述第二介质层间的夹角为140?150°。
[0048]可选地，所述限位柱的高度为I?2 μ m。
[0049]可选地，所述限位柱的材料为氮化硅。
[0050]可选地，所述空腔内设有插塞，所述插塞一端位于在所述第二介质层内，另一端与所述振动膜片的固定端连接，用于将所述振动膜片固定在所述空腔的内壁上。
[0051]可选地，所述振动膜片为条形结构。
[0052]可选地，所述第二介质层朝向所述空腔的表面上设有电容片，所述电容片与所述振动膜片对应设置。
[0053]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0054]MEMS器件的空腔内，位于所述振动膜片悬空端的上方设有限位柱，所述限位柱的一端固定在所述第二介质层上，另一端朝向所述振动膜片，在所述振动膜片振动过程中，振动膜片的悬空端触碰所述限位柱后弹回，避免所述振动膜片的悬空端粘附在所述空腔上；所述限位柱固定于所述第二介质层上的端面尺寸大于朝向所述振动膜片一端的端面尺寸，从而提升限位柱与所述振动膜片对应一端端面的受力能力，使得振动膜片振动过程中，降低振动膜片高频率振动击打时造成限位柱损伤的程度，从而提高后续形成的MEMS器件的性能。
[0055]在MEMS器件的形成方法中，在半导体基底上形成第一牺牲层后，在所述第一牺牲层上形成振动膜片；并在所述第一牺牲层以及振动膜片上形成第二牺牲层后，在所述第二牺牲层内形成第一开口，所述第一开口位于所述振动膜片一端的上方，且所述第一开口的上端开口尺寸大于下端开口尺寸，使得后续在所述第二牺牲层上形成第二介质层，以在所述第一开口内形成限位柱时，使所述限位柱朝向所述振动膜片的一端端面尺寸小于另一端端面尺寸，从而提高限位柱朝向所述振动膜片一端端面的抗击打能力。
[0056]此外，在去除至少部分第一牺牲层和第二牺牲层，从而在所述半导体基底和所述第二介质层之间形成空腔，并形成振动膜片时，使所述振动膜片与所述限位柱对应的一端为悬空结构。在所述振动膜片振动过程中，基于限位柱朝向所述振动膜片一端端面的抗击打能力提升，可有效降低基于振动膜片高频率振动击打而造成限位柱损伤程度，进而提高后续形成的MEMS器件的性能。
[0057]可选方案中，可先在第一牺牲层和振动膜片上形成第三牺牲层，在所述第三牺牲层上形成光刻胶层，并经曝光显影工艺后，在所述光
再多了解一些
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