一种微机械堆叠结构和连杆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)结构连接领域，特别涉及一种微机械堆叠结构和连杆结构及其制备方法。


背景技术：

2.mems(微电子机械系统)多层运动结构有时会需要上下膜层通过连杆连接，来达到联合运动的效果。
3.传统薄膜工艺在释放后所形成的薄膜连杆结构，其垂直转角结构容易因薄膜本身的残余应力在结构释放后产生微往上或是微往下的薄膜变形，对薄膜有平整性要求的应用容易影响元件性能与成品一致性；此外当垂直转角结构在释放后为可动时，此处容易形成结构应力集中点，结构相对脆弱，遇外力容易有结构断裂破损的隐患。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，克服现有薄膜工艺所形成的薄膜易发生变形导致平整性不够甚至发生断裂的问题，从而提供一种微机械堆叠结构和连杆结构及其制备方法。
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堆叠结构1，所述堆叠结构1包括上结构层1-1、下结构层1-2和中间薄膜层1-3；
6.所述中间薄膜层1-3沉积在下结构层1-2上，并刻蚀形成环形凹槽后，沉积所述上结构层1-1，所述凹槽内沉积形成接触通道1-4，图形化去除上结构层1-1的非必要部分，并释放所述接触通道1-4外侧的中间薄膜层1-3。
7.作为上述技术方案的改进之一，所述中间薄膜层1-3为单一材料膜层或由多种材料随机堆叠的复合膜层。
8.作为上述技术方案的改进之一，所述环形凹槽呈圆环形、方形环形或多边形环形。
9.本发明还提出了一种微机械连杆结构，所述连杆结构至少包括一个第一堆叠结构1；
10.所述第一堆叠结构1包括上结构层1-1、下结构层1-2和中间薄膜层1-3；所述中间薄膜层1-3沉积在下结构层1-2上，并刻蚀形成环形凹槽后，沉积所述上结构层1-1，所述凹槽内沉积形成接触通道1-4，图形化去除上结构层1-1的非必要部分，并释放所述接触通道1-4外侧的中间薄膜层1-3；所述中间薄膜层1-3为单一材料膜层或由多种材料随机堆叠的复合膜层；所述环形凹槽呈圆环形、方形环形或多边形环形。
11.作为上述技术方案的改进之一，所述连杆结构还包括第一堆叠结构1、第二堆叠结构2、柱体3或/和传统结构4；
12.所述第二堆叠结构2包括上层结构2-1、填充结构2-4、停止层2-3和下层结构2-2；所述下层结构2-2上沉积牺牲层后，图形化形成凹坑，然后沉积所述停止层2-3的膜层，沉积所述填充结构2-4层并填满所述停止层2-3膜层形成的凹坑，化学机械抛光cmp去除停止层2-3膜层顶层2-3-1上表面以上的填充结构2-4材料，露出停止层2-3膜层顶层2-3-1上表面，
图形化停止层2-3膜层顶层2-3-1并去除停止层2-3膜层的非必要部分，形成停止层2-3，沉积上层结构2-1并图形化去除上层结构2-1膜层的非必要部分，释放停止层2-3外侧的牺牲层；
13.所述柱体3为直接沉积形成的薄膜层；
14.所述传统结构4包括上、下两层薄膜层，其中，上层薄膜层呈“凹”字形堆积在下层薄膜层上。
15.作为上述技术方案的改进之一，所述第二堆叠结构2的停止层2-3形成的凹坑内侧底部设置为直角或阶梯式台阶形状，所述阶梯式台阶形状呈直角台阶或斜角台阶。
16.本发明还提出了一种制备本发明提出的所述微机械堆叠结构的制备方法，包括以下步骤：
17.a)沉积下结构层1-2的薄膜材料；
18.b)沉积中间薄膜层1-3的牺牲材料；
19.c)利用光刻在中间薄膜层1-3的膜层表面定义接触区域图形，利用干法刻蚀去除图形定义的部分中间薄膜，形成接触通道1-4，所述接触通道1-4的图形定义为环形；
20.d)沉积上结构层1-1的薄膜材料，通过接触通道1-4与下结构层1-2互连，图形化去除上结构层1-1的非必要部分；
21.e)释放接触通道1-4外侧的牺牲薄膜材料，形成堆叠结构1。
22.作为上述技术方案的改进之一，所述步骤c)中接触通道的环形包括圆环形、方形环形或多边形环形。
23.作为上述技术方案的改进之一，所述上结构层1-1膜层和下结构层1-2膜层的材料为硅、多晶硅、非晶硅或氮化硅的单一材料，或多晶硅和氮化硅的复合层，或非晶硅和氮化硅的复合层；
24.作为上述技术方案的改进之一，所述中间牺牲层1-3的薄膜材料为氧化硅、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，其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；当中间牺牲层1-3的薄膜材料为氧化硅时，其沉积方式还可采用热氧化。
25.本发明通过复合膜层来制作连杆，各膜层依次堆叠，提升强度，也可以实现各层小尺寸图形制作，同时通过优化膜层堆叠方式和工艺，形成较为平坦表面结构；也可以通过选择连杆复合膜层材料组合来匹配连杆复合膜层应力以降低连杆复合膜层材料薄膜残余应力的影响，可以使与连杆连接的薄膜结构更平整,减少连杆残余应力干扰，提升元件灵敏度性能与成品一致性。
26.本发明提出的微机械连杆能够实现的技术效果：
27.1.实现上下层薄膜互连的同时，可降低台阶高低差，获得相对平整的表面结构，方便后续膜层平坦化沉积，易于实现小线条图形化。
28.2.第一堆叠结构和第二堆叠结构均为结构层材料包裹牺牲层材料，在确保锚区表面平坦度的同时，连杆截面积可以根据器件结构设计需要灵活设置，且复用为释放停止结构，实现释放腐蚀精确停止。
29.3.连杆采用复合层材料，各膜层依次堆叠，第一堆叠结构和第二堆叠结构工艺使
得连杆中心区域均为实心薄膜材料，整个结构较为强壮，可靠性好。
30.4.通过选择连杆复合膜层材料组合来匹配连杆复合膜应力以降低连杆复合膜层材料薄膜残余应力的影响，可以使与连杆连接的薄膜结构更平整，减少连杆残余应力干扰，提升元件灵敏度性能与成品一致性。
附图说明
31.图1为本发明提出的第一堆叠结构截面示意图；
32.图2为本发明提出的第一堆叠结构接触通道的三种截面示意图；
33.图3为本发明提出的连杆结构所包括的第二堆叠结构的截面示意图；
34.图4为传统结构与本发明提出的第一堆叠结构的截面示意图，其中，图4(a)为传统结构的截面示意图，图4(b)为本发明提出的第一堆叠结构的截面示意图；
35.图5为本发明提出的第一堆叠结构的截面示意图，其中中间薄膜层为复合层；
36.图6为传统结构的制备过程示意图；
37.图7为本发明提出的第一堆叠结构的制备过程示意图；
38.图8为本发明提出的连杆结构所包含的第二堆叠结构的制备过程示意图；
39.图9为本发明提出的连杆结构所包含的第二堆叠结构实施例一的截面示意图，本实施例中，停止层形成的凹坑内侧设置有直角阶梯式台阶，其中，图9(a)为牺牲层释放前的截面图，图9(b)为牺牲层释放后的截面图；
40.图10为本发明提出的连杆结构所包含的第二堆叠结构实施例二的截面示意图，本实施例中，停止层形成的凹坑内侧设置有斜角阶梯式台阶，其中，图10(a)为牺牲层释放前的截面图，图10(b)为牺牲层释放后的截面图；
41.图11为第一堆叠结构分别和柱体、第二堆叠结构、传统结构堆叠形成的连杆截面示意图；
42.图12为两个第一堆叠结构和第二堆叠结构堆叠形成的连杆截面示意图；
43.图13为柱体、第二堆叠结构和传统结构中任意两种与第一堆叠结构堆叠形成的连杆截面示意图；
44.图14为第一堆叠结构、柱体、第二堆叠结构和传统结构堆叠形成的连杆截面示意图；
45.图15～19为本发明提出的连杆在硅麦克风中应用的截面示意图。
46.附图标识
47.1、第一堆叠结构2、第二堆叠结构3、柱体4、传统结构
48.1-1、上结构层1-2、下结构层1-3、中间薄膜层1-4、接触通道
49.2-1、上层结构2-2、下层结构2-3、停止层2-3-1、停止层顶层
50.2-4、填充结构
具体实施方式
51.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
52.本发明提出：一种堆叠结构及一种复合膜层连杆结构，通过引入两种堆叠制作工艺，使得连杆强度提升，同时形成较为平坦表面结构；也可以通过复合膜层材料组合来匹配
复合膜层应力以降低连杆复合膜层材料薄膜残余应力的影响，可以使与连杆连接的薄膜结构更平整，减少连杆残余应力干扰，提升元件灵敏度性能与成品一致性。
53.如图1所示，本发明提出的第一堆叠结构的截面示意图；所述堆叠结构1包括上结构层1-1、下结构层1-2和中间薄膜层1-3；所述中间薄膜层1-3沉积在下结构层1-2上，并刻蚀形成环形凹槽后，沉积所述上结构层1-1，所述凹槽内沉积形成接触通道1-4，图形化去除上结构层1-1的非必要部分，并释放所述接触通道1-4外侧的中间薄膜层1-3。
54.如图2所示，为本发明提出的第一堆叠结构接触通道的三种截面示意图；其中，a)为圆环形、b)为方形环形、c)为六边形环形。
55.如图7所示，为本发明提出的第一堆叠结构的制备过程示意图；
56.关键制程和顺序如下：
57.a)沉积下结构层薄膜材料；
58.b)沉积中间牺牲层薄膜材料；
59.c)利用光刻在中间层薄膜表面定义接触区域图形，干法刻蚀去除图形定义的该部分中间薄膜，形成接触通道；
60.d)沉积上结构层薄膜材料，通过接触通道与下层薄膜互连，图形化去除上结构层的非必要部分；
61.e)释放形成第一堆叠结构。
62.优选的，接触区域图形为环形；
63.优选的，上层薄膜通过lpcvd、pecvd方式形成。
64.优选的，上层薄膜、下层薄膜为结构层，
65.优选的，中间膜层为牺牲层为氧化硅、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，其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；牺牲层腐蚀速率大于或者远大于结构层，通过将牺牲层腐蚀释放，保留接触区域结构层材料，形成锚区结构，锚区结构为结构层材料包裹牺牲层材料，在确保锚区表面平坦度的同时，锚区面积可以根据器件结构设计需要灵活设置，且释放后锚区尺寸可以精确控制。
66.其中，中间膜层为单一材料膜层或者多种材料堆叠的复合膜层。如图5所示，为本发明提出的第一堆叠结构的截面示意图，其中间薄膜层为双层复合层。
67.所述第一堆叠结构的特点是将刻蚀接触区域图形改为环形，形成上下层结构互连通道，而后沉积上层薄膜。相对传统结构，通过优化刻蚀图形减少了薄膜需填充的区域，可有效降低台阶高低差，减少工艺难度,获得相对平整的表面结构，同时中心实体区域变厚，强度更高。
68.传统结构在台阶高低差方面存在劣势，容易对后层造成台阶高度大的问题，不适用在产品工艺流程中靠前的层次，会对后面层次的工艺加工带来难度，但在靠后或者最后的层次可以使用，因为到较为靠后的层次时，芯片表面的台阶高低差会比较大，而传统结构与下结构层连接处的图形平面尺寸可以做的比较大，可以使用厚胶做尺寸较大的图形来实现，光刻难度相对会低些，所以在本技术的实施例中，根据具体需要有些连杆结构使用本发明提出的第一堆叠结构与传统结构进行组合堆叠形成。
69.如图4所示，为传统结构与本发明提出的第一堆叠结构的截面对比示意图，其中，图4(a)为传统结构的截面示意图，图4(b)为本发明提出的第一堆叠结构的截面示意图；
70.如图6所示，为传统结构的制备过程示意图；
71.关键制程和顺序如下：
72.a)沉积下结构层；
73.b)在下结构上沉积牺牲层；
74.c)刻蚀牺牲层，形成接触区凹坑；
75.d)沉积上结构层薄膜材料，图形化去除上结构层的非必要部分；
76.e)释放牺牲层形成传统结构。
77.传统结构由于膜层间应力，上层膜层两侧容易发生形变影响膜层结构，本发明提出的第一堆叠结构很好地解决了上层膜层容易发生形变或断裂的问题。
78.如图3所示，为本发明提出的连杆结构所包括的第二堆叠结构的截面示意图；
79.所述第二堆叠结构2包括上层结构2-1、填充结构2-4、停止层2-3和下层结构2-2；所述填充结构2-4填充在停止层2-3形成的凹坑中，用于使第二堆叠结构2的中心部分为实心，以连接上层结构2-1和下层结构2-2；
80.所述第二堆叠结构在刻蚀接触区内填充释放停止层薄膜材料，其中底层为互连材料，也作为释放腐蚀阻挡层，再搭配cmp材料填充及磨平，而后沉积上层结构层薄膜。相对传统方式，经过填充和cmp后，表面结构较为平整，同时中心实体区域变厚，强度更高。
81.如图8所示，为本发明提出的连杆结构所包含的第二堆叠结构的制备过程示意图；
82.关键制程和顺序如下：
83.a)在下层结构薄膜上沉积牺牲层，刻蚀牺牲层，形成接触区凹坑；
84.b)沉积释放停止层薄膜材料；
85.c)沉积接触区凹坑填充材料，而后cmp使表面平坦；
86.d)图形化去掉停止层非必要区域；
87.e)沉积上层结构薄膜材料，图形化去除上层结构膜层的非必要部分，；
88.f)释放形成第二堆叠结构。
89.优选的，下层结构薄膜的材料为硅、多晶硅、非晶硅，多晶硅和氮化硅复合层，或非晶硅和氮化硅复合层等材料；
90.优选的，牺牲层的材料为氧化硅，通过lpcvd、apcvd、sacvd、pecvd等方式形成；
91.优选的，释放停止层薄膜材料为氮化硅，通过lpcvd或pecvd方式形成；
92.优选的，接触区凹坑填充材料为氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃或由至少其中两种随机堆叠的复合材料；
93.优选的，上层结构薄膜的材料为硅、多晶硅、非晶硅，多晶硅和氮化硅复合层，或非晶硅和氮化硅复合层等材料或由至少其中两种随机堆叠的复合材料。
94.如图9所示，为本发明提出的连杆结构所包含的第二堆叠结构实施例一的截面示意图，本实施例中，停止层形成的凹坑内侧设置有直角阶梯式台阶，其中，图9(a)为牺牲层释放前的截面图，图9(b)为牺牲层释放后的截面图；
95.如图10所示，为本发明提出的连杆结构所包含的一种第二堆叠结构实施例二的截面示意图，本实施例中，停止层形成的凹坑内侧设置有斜角阶梯式台阶，其中，图10(a)为牺
牲层释放前的截面图，图10(b)为牺牲层释放后的截面图；制备斜角阶梯式台阶时，在进行牺牲层刻蚀步骤过程中，保持牺牲层刻蚀侧壁角度倾斜即可。
96.如图11所示，为第一堆叠结构分别和柱体、第二堆叠结构、传统结构堆叠及第一堆叠结构形成的连杆截面示意图；其中，图11(a)的连杆为第一堆叠结构1和柱体3堆叠形成，图11(b)的连杆为第一堆叠结构1和第二堆叠结构2堆叠形成，图11(c)的连杆为第一堆叠结构1和传统结构4堆叠形成，图11(d)的连杆为两个第一堆叠结构1堆叠形成；
97.如图12所示，为两个第一堆叠结构和一个第二堆叠结构堆叠形成的连杆截面示意图，其中，图12(a)中第二堆叠结构的停止层凹坑为直角阶梯式台阶形状，图12(b)中第二堆叠结构的停止层凹坑为斜角阶梯式台阶形状；
98.如图13所示，为柱体、第二堆叠结构和传统结构中任意两种与第一堆叠结构堆叠形成的连杆截面示意图，其中图13(a)的连杆由第一堆叠结构1和柱体3、传统结构4堆叠形成，图13(b)的连杆由第一堆叠结构1和第二堆叠结构2、柱体3堆叠形成，图13(c)的连杆由第一堆叠结构1和第二堆叠结构2、传统结构4堆叠形成；
99.如图14所示，为第一堆叠结构1、柱体3、第二堆叠结构2和传统结构4堆叠形成的连杆截面示意图，其中，图14(a)中的第二堆叠结构2的停止层凹坑为直角阶梯式台阶形状，图14(b)中的第二堆叠结构2的停止层凹坑为斜角阶梯式台阶形状；
100.如图15～19所示，为本发明提出的连杆在硅麦克风中应用的截面示意图，其中，图15中的连杆结构由两个第一堆叠结构1堆叠形成；图16中的连杆结构由一个第一堆叠结构1和一个柱体3、一个传统结构4堆叠形成；图17中的连杆结构由一个第一堆叠结构1和两个柱体3堆叠形成；图18中的连杆结构由一个第一堆叠结构1和一个传统结构4堆叠形成，其中第一堆叠结构的中间膜层为复合层；图19中的连杆结构由两个第一堆叠结构1和一个柱体3堆叠形成。三层结构中连杆实现了表面平整，降低了高低台阶差，且整体结构较为强壮。
101.本发明提出的多层连杆结构的内部复合膜层可匹配膜层应力以降低连杆受其薄膜残余应力的干扰与影响，可提升元件灵敏度性能与成品一致性。
102.本发明提供的多种结构堆叠组合能够匹配膜层应力，实现降低复合层残余应力的目标。
103.从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明所述微机械连杆结构通过选择连杆复合膜层材料组合来匹配连杆复合膜应力，降低了连杆复合膜层材料薄膜残余应力的影响，使与连杆连接的薄膜结构更平整，减少了连杆残余应力干扰，提升了元件灵敏度性能与成品一致性。
104.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。