一种MEMS结构及其制造方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种mems(micro-electro-mechanicalsystem，即微机电系统)结构及其制造方法。

背景技术：

随着智能设备的发展,市场上出现了高性能的压电式mems声学器件，该压电式mems声学器件可以提供较小尺寸并且保持良好的性能、保真度及可靠性，从而适用于便携式设备。

但是相关技术中形成压电式mems声学器件的工艺过程较复杂，压电晶体生长质量不佳导致mems声学器件的产率较低。目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中压电晶体生长质量不佳的问题，本发明提出一种mems结构，能够提高压电晶体质量，提高mems声学器件的产率。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种mems结构，包括：衬底，具有空腔；压电复合振动层，形成在所述空腔的正上方，其中，所述压电复合振动层包括：第一重掺杂氧化锌层，形成在所述衬底的上方；第一压电层，形成在所述第一重掺杂氧化锌层上方；第一电极层，形成在所述第一压电层上方。

其中，所述压电复合振动层还包括振动支撑层，所述振动支撑层形成在所述第一重掺杂氧化锌层和所述衬底之间。

其中，所述振动支撑层包括氮化硅、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构。

其中，所述压电复合振动层还包括:第二压电层，形成在所述第一电极层上方；第二电极层，形成在所述第二压电层上方。

其中，所述第一压电层包括氧化锌层，所述第二压电层包括氧化锌层。

其中，所述第二电极层包括重掺杂氧化锌材料，其中，所述第二电极层的重掺杂的元素选自过渡金属、稀土材料、卤素、金属的一种或多种。

其中，所述第二电极层包括导电金属材料。

其中，所述第一重掺杂氧化锌层的重掺杂的元素选自过渡金属、稀土材料、卤素、金属的一种或多种。

其中，所述第一电极层包括重掺杂氧化锌材料，其中，所述第一电极层的重掺杂的元素选自过渡金属、稀土材料、卤素、金属的一种或多种。

其中，所述第一电极层包括导电金属材料。

根据本发明的另一方面，提供了一种mems结构的制造方法，包括：在衬底的正面上方形成压电复合振动层；蚀刻所述衬底的背面以形成空腔，所述压电复合振动层形成在所述空腔正上方；其中，形成所述压电复合振动层包括：在所述衬底的正面上方形成第一重掺杂氧化锌层；在所述第一重掺杂氧化锌层上方形成第一压电层；在所述第一压电层上方形成第一电极层。

其中，在所述衬底的正面上方形成振动支撑层，之后在所述振动支撑层上方形成所述第一重掺杂氧化锌层。

其中，形成所述压电复合振动层还包括:在所述第一电极层上方形成第二压电层；在所述第二压电层上方形成第二电极层。

本发明基于同质结原理的制造mems结构的方法，可以减少晶体缺陷、获得高质量的压电晶体，明显提高压电性能、提升器件灵敏度，同时降低了工艺难度。另外，由于重掺杂氧化锌层的透明特性，使得电磁波可以穿透透明的重掺杂氧化锌层并在第一压电层内产生光生载流子，从而可以实现光学感测。因此，本申请实施例所提供的mems结构集成了光学传感器和声学传感器的功能，扩展了应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。需要强调的是，根据行业的标准实践，各个部件未按比例绘制，并且仅用于说明目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。

图1是根据本发明实施例的mems结构的制造方法的中间阶段的结构截面图；

图2是根据本发明实施例的mems结构的制造方法的中间阶段的结构截面图；

图3是根据本发明实施例的mems结构的制造方法的中间阶段的结构截面图；

图4是根据本发明实施例的mems结构的制造方法的中间阶段的结构截面图；

图5是根据本发明实施例的mems结构的截面图。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例以实现本发明的不同特征。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本发明。当然这些仅是实例并不旨在限定。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或值，但可能依赖于工艺条件和/或器件所需的性能。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚，可以以不同的尺寸任意地绘制各个部件。

此外，为便于描述，空间相对术语如“在...之下(beneath)”、“在...下方(below)”、“下部(lower)”、“在...之上(above)”、“上部(upper)”等在本文可用于描述附图中示出的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。空间相对术语旨在包括除了附图中所示的方位之外，在使用中或操作中的器件的不同方位。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，本文使用的空间相对描述符可同样地作相应解释。

根据本发明的实施例，提供了一种mems结构的制造方法，该mems结构用于声电转换器件，例如麦克风。

参见图1，在步骤s101中，在衬底10的正面上方形成振动支撑层24。衬底10的材料包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、soi、sio2/si上的多晶硅)。振动支撑层24的材料包括氮化硅(si3n4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜。形成振动支撑层24的方法包括热氧化法或化学气相沉积法。在一些实施例中，形成振动支撑层24的步骤可以省略或跳过。

参见图2，在步骤s102中，在振动支撑层24上方形成第一重掺杂氧化锌层21。该第一重掺杂氧化锌层21用作电导率较大的电极。值得注意的是，氧化锌的电导率取决于氧空位和掺杂原子产生的载流子浓度，浓度越高，电导率越大。重掺杂材料选自过渡金属、稀土材料、卤素、金属的一种或多种。其中，过渡金属包括钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜、锆、铌、钼、金等。稀土材料包括铈(ce)、钕(nd)、铕(eu)、铒(er)、镱(yb)、钇(y)等。卤素包括氟、氯。金属包括硼、锗、铝、锡、镓、铟等。形成第一重掺杂氧化锌层21的方法包括:金属有机化学气相沉积法、磁控溅射法、溶胶凝胶法、脉冲激光沉积法和喷雾热解法。以采用磁控溅射法生长铝掺杂氧化锌薄膜为例，具体工艺包括：靶材为铝掺杂的氧化锌(zno与al2o3的质量分数比为98:2，纯度大于99.99％)，氩气为工作气体。氩气流量为30sccm，衬底10温度为200℃，工作气压为1.0pa，溅射功率为50w。

参见图3，在步骤s103中，在第一重掺杂氧化锌层21上方形成第一压电层22。第一压电层22的材料包括锆钛酸铅(pzt)、氧化锌、聚偏二氟乙烯(pvdf)、铌酸铅镁-钛酸铅(pmn-pt)。形成第一压电层22的方法包括磁控溅射法。

参见图4，在步骤s104中，在第一压电层22上方形成第一电极层23。第一电极层23包括重掺杂氧化锌材料，其中，第一电极层23的掺杂材料与第一重掺杂氧化锌层21中的掺杂材料可以相同或不同。值得注意的是，第一压电层22的材料优选为氧化锌，使得第一压电层22与其下方的第一重掺杂氧化锌层21构成同质结，从而利于获得高质量的压电晶体，并且降低了工艺难度。在一些实施例中，当第一电极层23上方没有形成其他层的情况下，第一电极层23包括导电金属材料，例如铝、金、铂、钼。形成氧化锌的方法中，靶材为未掺杂的氧化锌。

在步骤s105中，在第一电极层23上方依次形成第二压电层(图中未示出)和第二电极层(图中未示出)。其中，第二压电层的材料包括锆钛酸铅(pzt)、氧化锌、聚偏二氟乙烯(pvdf)、铌酸铅镁-钛酸铅(pmn-pt)。第二压电材料与第一压电层22的材料相同或不同。优选的，第二压电层包括氧化锌，从而使得第二压电层与其下方的第一电极层23构成同质结，从而利于获得高质量的压电晶体，并且降低了工艺难度。第二电极层包括重掺杂氧化锌材料，其中，第二电极层的掺杂材料与第一重掺杂氧化锌层21的掺杂材料相同或不同。在一些实施例中，第二电极层的材料包括导电金属材料，例如铝、金、铂、钼。在一些实施例中，该形成第二压电层和第二电极层的步骤可以省略或跳过。

值得注意的是，可以在不形成振动支撑层24的情况下，在第一电极层23上方形成第二压电层和第二电极层，从而提高压电转换效率。

参见图5，在步骤105中，蚀刻衬底10的背面以形成空腔25，压电复合振动层形成在空腔25正上方。可以使用drie(深反应离子蚀刻)或湿法蚀刻来形成空腔25。

基于同质结原理的制造mems结构的方法，可以减少晶体缺陷、获得高质量的压电晶体，明显提高压电性能、提升器件灵敏度，同时降低了工艺难度。另外，由于重掺杂氧化锌层的透明特性，使得电磁波可以穿透透明的重掺杂氧化锌层并在第一压电层22内产生光生载流子，从而可以实现光学感测。因此，本申请实施例的mems结构集成了光学传感器和声学传感器的功能，扩展了应用范围。

另一方面，根据本发明的实施例，还提供了基于以上制造方法所获得的mems结构。参见图5，mems结构包括：具有空腔25的衬底10；形成在空腔25的正上方的压电复合振动层。其中，压电复合振动层包括：形成在衬底10的上方的第一重掺杂氧化锌层21；形成在第一重掺杂氧化锌层21上方的第一压电层22；形成在第一压电层22上方的第一电极层23。

在一些实施例中，压电复合振动层还包括振动支撑层24，振动支撑层24形成在第一重掺杂氧化锌层21和衬底10之间。

在一些实施例中，压电复合振动层还包括:形成在第一电极层23上方的第二压电层(图中未示出)；形成在第二压电层上方的第二电极层(图中未示出)。

关于该mems结构的各层的材料和形成方法在关于mems结构的制造方法中已经做出了说明，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。