红外MEMS桥梁柱结构及工艺方法与流程

本发明涉及半导体器件制造领域，特别是指一种mems产品桥梁结构中，能够有效的支撑mems镂空的红外mems桥梁柱结构，可以有效的降低桥梁结构翘曲带来的后续封装异常。

本发明还涉及所述红外mems桥梁柱结构的工艺方法。

背景技术：

微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括mems加速度计、mems麦克风、微马达、微泵、微振子、mems压力传感器、mems陀螺仪、mems湿度传感器等以及它们的集成产品。

mems具有以下几个基本特点：微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。mems技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。mems技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，侧重于超精密机械加工，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：1.理论基础：在当前mems所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响(scalingeffects)，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。2.技术基础研究：主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。3.微机械在各学科领域的应用研究。

微机电系统是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、liga、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。

非晶硅是硅的同素异形体形式，能够以薄膜形式沉积在各种基板上，为各种电子应用提供某些独特的功能。非晶硅被用在大规模生产的微机电系统(mems)和纳米机电系统(nems)、太阳能电池、微晶硅和微非晶硅、甚至对于各种基板上的滚压工艺技术都是有用的。传统memes器件比较依赖于在硅基层电路制造中使用的那些典型材料，例如单晶硅，多晶硅，氧化硅和氮化硅。由于mems器件的机械本质，像杨氏模量、热膨胀系数和屈服强度这些材料属性对于mems的设计来说是非常重要的。mems结构中经常会有无支撑(或悬垂)的元件，因此对于薄膜中的应力和应力梯度需要严格控制，否则无支撑元件将会断裂或卷曲，致使结构失效。

现有的工艺包括如下的步骤：

步骤一，在半导体基片上形成非晶硅薄膜层；

步骤二，淀积ti/tin金属介质层及一层darc层；

步骤三，淀积光刻胶并光刻，使光刻胶图案化；

步骤四，在光刻胶的定义下对darc层进行刻蚀；

步骤五，去除光刻胶；

步骤六，进行drytreat工艺，对tin层进行刻蚀；

步骤七，继续对tin层及tin层下方的ti层进行刻蚀。

上述工艺在光刻去胶刻蚀时，氧离子会对tin层进行轰击而使tin层被氧化，后续的湿法刻蚀工艺难以将氧化的tin层刻蚀干净，容易残留。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种红外mems桥梁柱结构及形成方法，优化膜层结构，解决桥梁柱形成过程中刻蚀不干净的问题。

为解决上述问题，本发明所述的红外mems桥梁柱结构，所述桥梁柱结构形成与半导体衬底之上，其结构包括第一释放保护层、金属介质层以及第二释放保护层；

所述第一释放保护层为氧化硅层；

所述第二释放保护层为四层结构，从下至上依次为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层；

所述金属介质层为三层结构，从下至上依次为ti、tin以及ti层，即两层ti金属层夹着tin形成三明治结构。

进一步的改进是，在所述桥梁柱结构以外的区域，还具有由其他多种膜层形成的mems结构，在桥梁柱结构区域以外的层次包括衬底、金属反射层、介质层、释放层、第一释放保护层、感光敏感层、金属电极、darc层以及第二释放保护层；

所述第一释放保护层沉积于释放层之上，并一起位于介质层之上；

所述感光敏感层沉积于第一释放保护层之上；

所述darc层淀积于金属电极上之上；

所述第二释放保护层沉积于darc层之上。

进一步的改进是，所述的衬底为硅衬底，是用来读取红外传感信号的电路基片。

进一步的改进是，所述的金属反射层为高反射率的金属薄膜，材料为金、银、铝或者铜，或者是其中几种材料混合体。

进一步的改进是，所述的介质层、第一释放保护层、darc层，均是电性绝缘层，材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和碳化硅中的一种或几种；或者非化学计量比的氮化硅、氮氧化硅的一种或者几种；所述碳化硅可替换氧化硅。

进一步的改进是，所述的感光敏感层材料，为红外吸收的非晶硅材料。

进一步的改进是，所述的金属电极，材料为ti/tin结构的金属薄膜。

进一步的改进是，还包括支撑孔区域。

为解决上述问题，本发明提供一种红外mems的桥梁柱结构的工艺方法，所述方法包含：

步骤一，提供一半导体基片，在所述半导体基片上沉积一层非晶硅薄膜；

步骤二，在所述半导体基片上整体依次淀积ti、tin以及ti层，形成金属介质层，再淀积一层darc膜层；

步骤三，通过光刻胶定义出桥梁柱刻蚀区；

步骤四，通过图案化的光刻胶的遮蔽向下对darc膜层进行刻蚀；

步骤五，去除光刻胶；

步骤六，继续向下对ti、tin以及ti层进行刻蚀，直到露出非晶硅薄膜层。

进一步的改进是，所述的半导体基片为用来读取红外传感信号的电路基片。

进一步的改进是，所述的半导体基片为硅衬底。

进一步的改进是，所述桥梁柱结构包含第一释放保护层、金属介质层及第二释放保护层。

进一步的改进是，所述第一释放保护层为氧化硅层，所述第二释放保护层为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层所形成的复合层。

本发明所述的红外mems桥梁柱结构及形成方法，在淀积金属介质层时将薄膜层追加一层金属ti层，在刻蚀darc时，去除光刻胶时，金属ti层能阻挡刻蚀时候的氧离子对tin层的氧化作用，防止tin层被氧化，后续湿法刻蚀更容易去除干净，防止残留。

附图说明

图1是普通红外mens结构的示意图，包含支撑孔及桥梁柱结构。

图2是本发明提供的桥梁柱结构，包含第一释放保护层、金属介质层及第二释放保护层。

图3是现有技术的红外mems结构的制作工艺步骤示意图，包括s1～s7共七步工艺。

图4是本发明红外mems结构的制作工艺步骤示意图。

具体实施方式

本发明所述的红外mems桥梁柱结构，主要针对mems结构桥梁柱的膜层进行了改进。如图1中所示，图中是一种红外mems结构的剖面图，包含有支撑孔结构，桥梁柱结构以及桥梁柱区域以外的膜层结构，图中支撑孔位于两端，两支撑孔之间为mems结构，图1中的虚线圆圈处即为红外mems结构的桥梁柱结构区。传统的桥梁柱膜层包括第一释放保护层、金属介质层、第二释放保护层。其中金属介质层包括tin及ti层，由于在传统的工艺中，在对膜层进行刻蚀形成桥梁柱的过程中，在对移除光刻胶的刻蚀过程以及刻蚀darc层时，tin层对刻蚀的氧离子的抵挡作用稍弱，从而导致下层ti层被氧化，后续湿法刻蚀难以去除干净，存在残留的情况。

本发明提供一种新的桥梁柱膜层结构，与传统结构相比，本发明主要对金属介质层进行改进，在tin上方再追加一层金属ti膜层。具体结构如图2所示，其中金属介质层上方及下方分别是第二释放保护层、第一释放保护层。

所述第一释放保护层为氧化硅层。

所述第二释放保护层为四层结构，从下至上依次为氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层。

所述金属介质层为三层结构，从下至上依次为ti、tin以及ti层，即两层ti金属层夹着tin形成三明治结构。

本发明在淀积金属介质层时将薄膜层追加一层金属ti层，在刻蚀darc时，金属ti层阻挡刻蚀时候的氧离子对tin层的影响，从而保护下层tin层不被氧化，后续湿法刻蚀更容易去除干净，防止残留。

在mem结构中，除桥梁柱结构以外的区域形成其他结构时还需要淀积其他膜层，如前文所述的比如支撑孔区域等，在此不再赘述。

本发明提供一种红外mems的桥梁柱结构的工艺方法，所述方法结合附图4说明如下，包含s1～s6共六个步骤：

步骤一，提供一半导体基片，所述的半导体基板比如为硅衬底，为能接收红外传感信号的电路基片。在所述半导体基片上沉积一层非晶硅薄膜。

步骤二，在所述半导体基片上整体依次淀积ti、tin以及ti层，形成金属介质层，再淀积一层darc膜层。

步骤三，通过光刻胶定义出桥梁柱刻蚀区。

步骤四，通过图案化的光刻胶的遮蔽向下对darc膜层进行刻蚀。

步骤五，去除光刻胶。

步骤六，继续向下对ti、tin以及ti层进行刻蚀，直到露出非晶硅薄膜层。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。