一种MEMS惯性器件可动微结构的制备方法与流程

本发明属于惯性器件的微纳制造领域，尤其涉及一种mems惯性器件可动微结构的制备方法。

背景技术：

微机电系统(microelectromechanicalsystem，mems)是在微电子制造技术发展的基础上随着精密微型机械制造技术的发展而成长起来的，尺寸从微米到毫米级，集微型传感器、微型执行器、微型传动结构、处理电路及接口于一体，具有可批量生产、微型化、集成化及多学科交叉等特点。mems惯性器件是对物理运动做出反应的器件，如对加速度和旋转的感应，并将这种反应转换成可识别的电信号。加速度计和陀螺仪是最常见的两大类mems惯性传感器。mems惯性器件主要应用于导航，汽车的自动驾驶以及各种智能穿戴设备。

微纳制造技术是先进制造的重要组成部分，也是制备mems惯性传感器关键技术之一。惯性器件通常采用体硅加工工艺，即是对硅衬底进行加工的一种技术，采用各项异性化学刻蚀，深硅刻蚀，自停止刻蚀以及晶圆键合等技术，来制作不同的微机械结构，利用该技术可制造出mems精密微结构，同时进行mems器件的高精度，高效，批量生产。

当下惯性器件采用的体硅加工工艺主要有两种：

第一种工艺：首先，采用soi晶圆作为衬底；接着对soi晶圆进行深硅刻蚀，刻蚀到sio2层停止，形成微机械结构；然后对sio2埋层进行湿法刻蚀，释放结构，形成可动结构。该工艺中采用soi晶圆，增加了整体成本，且制备的惯性器件具有较大的寄生电容，同时在深硅刻蚀中容易出现footing效应。

第二种工艺：首先，采用单晶硅晶圆作为第一衬底，并在单晶硅晶圆上进行刻蚀形成腔体；接着在单晶硅晶圆第一衬底上键合一层单晶硅晶圆作为第二衬底，并对第二衬底进行深硅刻蚀形成可动微结构。该工艺中采用多层硅直接键合，会在键合处出现应力，而应力的消除需要精细的工艺调节，导致工艺难度上升。

因此，现有惯性器件加工工艺不能在低成本的基础上，降低可动质量块与衬底之间的寄生电容，避免在深硅刻蚀中出现footing效应，以及无法减少晶圆键合次数、完全避免键合带来的应力问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种mems惯性器件可动微结构的制备方法，采用体硅晶圆作为衬底，以大幅度降低制作成本，同时有效降低可动质量块与衬底之间的寄生电容，避免在深硅刻蚀中容易出现footing效应，减少了晶圆键合的次数，降低成本的同时避免了键合带来的应力问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种mems惯性器件可动微结构的制备方法，包括以下步骤：

1)在双面抛光的体硅晶圆衬底上进行第一次掺杂工艺，在体硅晶圆衬底的表面形成上表面高浓度硼掺杂层和下表面高浓度硼掺杂层；

2)对经过第一次掺杂工艺的体硅晶圆衬底进行清洗，然后通过热氧化在体硅晶圆衬底的表面形成上表面氧化层和下表面氧化层；

3)将体硅晶圆衬底进行清洗，然后光刻微结构图形，刻蚀微结构图形部分的上表面氧化层，并进行第一次深硅刻蚀，刻蚀体硅晶圆衬底上的硅到第一预定深度；

4)将体硅晶圆衬底进行去胶清洗后，进行第二次掺杂工艺，在体硅晶圆衬底上形成第二高浓度硼掺杂层；

5)将体硅晶圆衬底进行清洗，进行第二次深硅刻蚀，将体硅晶圆衬底上第一次深硅刻蚀形成的沟槽的底部刻蚀到第二预定深度；

6)将体硅晶圆衬底进行清洗，采用碱性溶液湿法腐蚀对微结构进行释放，形成可动微结构；

7)去除体硅晶圆衬底表面的所述上表面氧化层和下表面氧化层，并刻蚀掉体硅晶圆衬底背面的下表面高浓度硼掺杂层。

作为上述技术方案的进一步描述：

在步骤1)中，第一次掺杂工艺包括离子注入工艺或高温扩散工艺。

作为上述技术方案的进一步描述：

在步骤2)中，上表面氧化层的厚度为100纳米到2微米。

作为上述技术方案的进一步描述：

在步骤4)中，第二次掺杂工艺为高温扩散工艺。

作为上述技术方案的进一步描述：

在步骤7)中，采用湿法腐蚀去除晶圆表面的上表面氧化层和下表面氧化层3b。

作为上述技术方案的进一步描述：

在步骤7)中，采用干法刻蚀或cmp磨抛去除体硅晶圆衬底背面的下表面高浓度硼掺杂层。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，采用n型体硅晶圆作为衬底，先通过浓硼扩散工艺和氧化工艺在晶圆表面形成浓硼层和氧化层；然后利用深硅刻蚀形成微结构，刻蚀到需要的深度；之后，对刻蚀后的晶圆进行二次浓硼扩散，在刻蚀后结构表面形成浓硼扩散层；接着对晶圆进行二次硅刻蚀；最后采用湿法刻蚀对结构进行释放，形成可动微结构。惯性器件制备时采用浓硼扩散层对湿法刻蚀进行部分阻挡，保护可动微结构部分不被刻蚀，并可对其进行释放，同时采用n型衬底以及结构表面硼扩散形成pn结，对微结构表面与器件衬底形成电学隔离。

2、本发明中，相较于以soi晶圆作为衬底的加工工艺，采用体硅晶圆作为衬底，大幅度降低制作成本。同时，可动结构下方空间较大，有效降低可动质量块与衬底之间的寄生电容，避免在深硅刻蚀中容易出现footing效应。相较于进行多次晶圆键合的工艺，减少了晶圆键合的次数，降低成本，避免了键合带来的应力问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法的工艺流程图。

图2为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法中经过步骤1加工的体硅晶圆衬底的结构示意图。

图3为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法中经过步骤2加工的体硅晶圆衬底的结构示意图。

图4为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法中经过步骤3加工的体硅晶圆衬底的结构示意图。

图5为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法中经过步骤4加工的体硅晶圆衬底的结构示意图。

图6为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法中经过步骤5加工的体硅晶圆衬底的结构示意图。

图7为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法中经过步骤6加工的体硅晶圆衬底的结构示意图。

图8为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法中体硅晶圆衬底上释放孔的示意图。

图9为一种mems惯性器件可动微结构的制备方法中经过步骤7加工的体硅晶圆衬底的结构示意图。

图例说明：

1a、上表面高浓度硼掺杂层；1b、下表面高浓度硼掺杂层；2、体硅晶圆衬底；3a、上表面氧化层；3b、下表面氧化层；4、沟槽；5、第二高浓度硼掺杂层；6、底部；7a、第一梳齿；7b、第二梳齿；8、质量块；9、结构锚点；10、空腔；11、质量块；12、释放孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：

步骤1：提供一片双面抛光n型的单晶硅晶圆，在该晶圆上做掺杂工艺，形成上表面高浓度硼掺杂层1a、下表面高浓度硼掺杂层1b(如附图2所示)。单晶硅晶圆厚度采用300至800微米，体掺杂浓度小于2×10¹⁹cm^-3，便于之后在碱性溶液中进行湿法腐蚀，释放结构。制备的高浓度硼掺杂浓度为3×10¹⁹cm^-3到1×10²¹cm^-3，目的是让选用体硅晶圆衬底2与上表面高浓度硼掺杂层1a、下表面高浓度硼掺杂层1b在碱性溶液中腐蚀速度比大于150∶1。同时，制备的高浓度硼掺杂层厚度一般在100nm到30um，但不能大于器件可动微结构厚度。掺杂工艺可选离子注入或高温扩散；离子注入在衬底加热或常温下进行，直接将硼原子注入到晶圆内部，然后再通过1000℃-1300℃高温激活重分布；高温扩散掺杂采用硼源通过800-1100℃对晶圆进行硼源的预淀积，使硼源附着在晶圆表面同时部分硼原子扩散进硅晶圆，然后再通过1000℃-1300℃高温对其进行再分布，使硼原子在硅中推进并重新分布，得到适合的工艺窗口。

步骤2：将步骤1掺杂工艺后的晶圆进行清洗，然后通过热氧化在晶圆表面形成上表面氧化层3a、下表面氧化层3b(如附图3所示)。对上述晶圆进行清洗；一般先采用浓氢氟酸对晶圆进行浸泡，浸泡时间一般为一个小时，目的是清除硅晶圆表面的氧化层；其次采用碱溶液，如四甲基氢氧化铵、氢氧化钾，在20-90℃下将硅晶圆表面的非晶硅以及其化合物溶解；最后再采用半导体工艺中标准rca清洗，得到干净的硅晶圆。清洗后，对晶圆进行氧化。氧化厚度一般为100纳米到2微米，厚度不超过硼扩散层厚度的2.27倍，目的是氧化后仍保留部分硼扩散层。氧化时将晶圆放入氧化炉管，通入工艺气体，工艺气体可以采用干法氧化的氧气，或湿法氧化的氧气、氢气、水蒸气，炉管加热到800℃到1200℃。氧气在高温下扩散到硅衬底内并与之反应，形成二氧化硅。根据厚度要求选用氧化方式，干法氧化厚度一般不超过300纳米，湿法氧化一般不超过2微米。调节温度、时间、气体流量等参数，得到合适的工艺窗口。

步骤3：将上述晶圆进行清洗，然后光刻定义微结构图形，刻蚀定义图形部分二氧化硅，并采用深硅刻蚀，刻蚀硅到第一预定深度(如附图4所示)。清洗晶圆采用半导体工艺标准rca清洗；采用光刻工艺定义并制作设计的微结构图形，光刻胶厚度为1微米以上；干法刻蚀掉氧化硅层；再通过深硅刻蚀，刻蚀硅到第一预定深度(一般为40-80微米)。深硅刻蚀时除关注深宽比、关键尺寸、刻蚀速率等，还需要降低深硅刻蚀的lag效应。深硅刻蚀的循环分为淀积和刻蚀两个步骤，而lag效应主要取决于刻蚀沟槽内的气体平均自由程，适当提高淀积步骤的压力，降低深硅刻蚀工艺的lag效应。

步骤4：将上一步骤晶圆去胶清洗后，做掺杂工艺，形成第二高浓度硼掺杂层5(如附图5所示)。制备的高浓度硼掺杂浓度一般为3×10¹⁹cm^-3到1×10²¹cm^-3，目的是降低后续碱性溶液对其的腐蚀速度，厚度为1到5微米。掺杂工艺选择扩散掺杂工艺。

步骤5：将上一步骤完成晶圆进行清洗，再深硅刻蚀，将沟槽4的底部6刻蚀到第二预定深度(如附图6所示)。清洗一般先采用浓硫酸、双氧水和去离子水溶液；然后再采用半导体工艺中标准rca清洗，得到干净的硅晶圆。步骤5中深硅刻蚀的深度需超过上一步骤硼扩散层(即高浓度硼掺杂层5)厚度。

步骤6：将上一步骤完成晶圆进行清洗，采用碱性溶液湿法腐蚀对微结构进行释放，形成可动微结构8(如附图7所示)。采用半导体工艺中标准rca清洗，得到干净的硅晶圆。碱性溶液一般为无机碱、有机碱溶液以及混合液，例如氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、epw等溶液。溶液温度一般为20-90℃，刻蚀时间满足结构释放要求，即第一梳齿7a、第二梳齿7b下方被刻蚀形成空腔10，而对于结构锚点9，刻蚀溶液不能将其腐蚀穿透。对于质量块8，其下方也需要形成腐蚀空腔，一般质量块的尺寸是梳齿尺寸的50-200倍。为了让质量块释放、下方被刻蚀，在定义可动微结构时，在质量块上定义释放孔。如附图8所示，其中11为质量块，12为定义的释放孔，释放孔同样经过步骤3深硅刻蚀，然后步骤4和步骤5的硼扩散和二次刻蚀，保证质量块能够被释放。碱性溶液刻蚀后，最后一步工艺将晶圆放入低表面张力溶液，如甲醇、酒精等，降低黏附可能性。

步骤7：采用湿法腐蚀去除晶圆表面氧化层，并刻蚀掉晶圆背面硼扩散层(如附图9所示)。在氢氟酸溶液或boe溶液中可将氧化层去除，根据步骤2制备的氧化层厚度，调节溶液氢氟酸浓度和温度，以及腐蚀时间，可将氧化层完全去除。晶圆表面出现疏水现象可判断氧化层已腐蚀完。将晶圆清洗后，从低表面张力溶液中取出，直接烘干。采用干法刻蚀或cmp磨抛，将晶圆背面硼扩散层去除。

工作原理：采用n型体硅晶圆作为衬底，先通过浓硼扩散工艺和氧化工艺在晶圆表面形成浓硼层和氧化层；然后利用深硅刻蚀形成微结构，刻蚀到需要的深度；之后，对刻蚀后的晶圆进行二次浓硼扩散，在刻蚀后结构表面形成浓硼扩散层；接着对晶圆进行二次硅刻蚀；最后采用湿法刻蚀对结构进行释放，形成可动微结构。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。