一种MEMS垂直电极结构的制造方法与流程

本发明属于微电子晶圆加工的，具体是涉及一种硅基mems垂直电极结构的制造方法。

背景技术：

1、mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)器件以其底成本、小体积、低功耗、环境适应性强的优点，被广泛应用于以手机为代表的消费电子、以汽车为代表的普通工业设备及以人造卫星为代表的高端工业设备中。mems芯片中通常具有可动结构、支撑可动结构的固定结构和弹簧结构、电极以及为可动结构提供自由活动空间的腔体。大部分mems芯片由si材料构成，称为硅基mems。其中有一些mems芯片需要驱动结构，为mems可动结构提供运动动力，这些动力包括静电力、磁力、流体压力、压电力等等，其中最广泛的是静电力，例如mems振荡器、mems陀螺仪、谐振式mems加速度计、mems微镜、mems光衰减器、谐振式mems压力传感器、mems致动器、mems rf开关等都要用到静电力机械驱动结构。一般静电力由电极和电极间的电压差提供，通过平行板电极或叉指电极驱动可动结构上相应的电极，使可动结构产生可控制的运动。可动结构的运动方向根据mems器件的功能要求可以是水平方向的，也可以是垂直方向的，水平方向的驱动结构比较容易加工，垂直方向的驱动结构加工工艺复杂。平行板电极驱动距离小，线性度差，所以一些mems器件，如光衰减器、微镜、以及某些三轴陀螺仪需要用到垂直方向的梳齿电极驱动结构。另外，一些mems传感器的信号通过可动结构的位移来感测信号，如mems陀螺仪、mems加速度计等，它们的芯片设计中也需用到要垂直电极结构。

2、现有的一种mems垂直电极结构(以下所述的垂直电极结构均指mems电极沿垂直于mems芯片底板方向运动的电极结构)是电极与电极在上部形成一个高度差，下部无高度差，当该结构用于驱动时，电极只能向上单方向运动；当该结构用于检测时，也只能测单方向的信号，而且线性度差。

3、图1所示的垂直电极结构被广泛应用于mems光衰减器、mems微镜等产品中，可动电极273位于固定电极271的上方，两者在水平方向无重叠，垂直方向的间距差为d，由于该结构通过二次光刻对准/刻蚀工艺形成，或者通过双单晶硅圆片键合工艺形成，考虑到对准精度，水平方向的电极间距g1与g2不一定相等，从而产生电极在水平方向的运动分量，而且驱动力与电极间距成反比，间距越大，驱动力就越小，而且该结构制造工艺复杂，可动电极273可沿垂直方向运动，当该结构用于驱动时，可动电极273只能向下单方向运动，线性度差，无法用于精确检测。

4、专利us10077184b2、us20050013087a1描述的是在弹簧上加上不同热膨胀系数的材料，引起弹簧在垂直方向翘起，形成不同电极在垂直方向的高度差。这类技术的加工精度重复性差，所制作的器件的温度特性差。专利us7469588b2、us9493344b2通过叉指电极在垂直方向的电隔离形成全悬挂式的垂直方向感应电极，无法用于垂直方向的驱动。

5、另外一种mems垂直电极结构是在单晶硅片上刻蚀深槽，淀积多晶硅，然后再键合另一个单晶圆片的方法，制作出的结构中相邻垂直电极上下部都有高度差，性能好，但是制造工艺比较复杂，加工成本也较高。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种mems垂直电极结构的制造方法，加工工艺简单，电极间距控制精确、性能好、成本低。

2、为解决上述技术问题，本发明还提供了一种mems垂直电极结构的制造方法，包括以下步骤：

3、(1)在soi单晶硅圆片的结构层表面生长第一si3n4层和第一sio2层，通过涂胶、对准、曝光、显影、刻蚀加工工序，在结构层上形成第一光刻胶图形、第一sio2电极区图形、第一si3n4电极区图形、第一sio2外围区图形和第一si3n4外围区图形，并在这些图形间形成了第一窗口，露出结构层表面；

4、(2)深硅刻蚀除去第一窗口对应的结构层，形成第一沟槽、单晶硅电极和单晶硅外围；继续刻蚀，在衬底硅层上刻蚀出衬底凹槽，露出衬底凹槽表面，形成第二沟槽和衬底柱；

5、(3)清洗并热氧化，在第二沟槽内壁生成第二sio2层；

6、(4)通过cvd生长原位掺杂的多晶硅，再无掩模回蚀多晶硅，形成多晶硅电极，多晶硅电极上表面低于结构层上表面；

7、(5)淀积第二si3n4层；

8、(6)在第二si3n4层上涂覆第二光刻胶，再无掩模回蚀第二光刻胶，露出第二si3n4层，并留下多晶硅电极表面的第二光刻胶图形；

9、(7)除去第二si3n4层、第一sio2层、第二sio2层和部分埋氧层，在多晶硅电极和单晶硅电极间形成第二窗口，同时在单晶硅电极与衬底柱之间形成空隙；

10、(8)在单晶硅电极、多晶硅电极、衬底柱和衬底凹槽裸露面氧化生长第三sio2层；

11、(9)在无光刻胶掩模的情况下，用反应离子刻蚀第三sio2层，在硅衬底层表面形成第三窗口；

12、(10)透过第三窗口各向同性腐蚀硅衬底层，形成第二空腔；

13、(11)除去第三sio2层、第一si3n4层16和第二si3n4层，释放mems结构，形成mems垂直电极结构。

14、具体地，步骤(4)也可以先通过cvd工艺生长多晶硅种子层，再通过外延工艺生长多晶硅；步骤(6)中第二光刻胶的厚度为多晶硅电极上方最厚；步骤(9)中反应离子刻蚀的刻蚀气体是c5f8、c5hf7或c3f6。

15、而且，步骤(3)生成的第二sio2层的厚度决定了单晶硅电极和多晶硅电极间的水平间距；步骤(2)中的第二沟槽的深度决定了多晶硅电极底部低于单晶硅电极底部的高度差；步骤(4)中无掩模回蚀多晶硅的量决定了单晶硅电极顶部高于多晶硅电极顶部的高度差。

16、本发明的制造方法通过在soi(silicon on isolation)单晶硅圆片的结构层上淀积多层硬掩模，刻蚀多个直抵soi圆片硅衬底层的沟槽，再热氧化沟槽，在沟槽表面形成第二sio2层，在沟槽内淀积多晶硅，无掩模返刻多晶硅，淀积第二si3n4层，涂覆光刻胶，无掩模返刻光刻胶，释放mems结构，热氧化，各向异性刻穿沟槽底部氧化层，各向同性腐蚀形成下空腔等工艺步骤，形成mems垂直电极结构；单晶硅电极和多晶硅电极通过一次光刻/刻蚀的图形决定，实现二者的自对准，电极间水平方向的电极间距(以下简称电极间距)由步骤(3)热氧化生成的第二sio2层的厚度决定；多晶硅电极底部低于单晶硅电极底部的高度差由步骤(2)形成的第二沟槽的深度决定；单晶硅电极顶部高于多晶硅电极顶部的高度差由步骤(4)无掩模回蚀多晶硅的量决定。根据本发明的方法制造的mems垂直电极结构具有尺寸精度高、加工重复性好、性能一致性好、不需要圆片与圆片键合的工艺、加工工艺简单的优点，而且工艺简单、良率高，实际成本反而更低。

17、在真空中，叉指电极的驱动力其中n是叉指数量，ε是真空介电常数，l是固定叉指电极和可动叉指电极重叠的长度，g是叉指电极间的间距，v是驱动电压，考虑到与叉指设计结构参数相关的边缘电场效应，实际驱动力比上述公式计算的数值稍大。

18、在现有技术中，电极间距一般由深硅刻蚀工序形成，现有的可量产的深硅刻蚀技术的深宽比为30:1，所谓深宽比就是mems结构层的厚度与mems结构间水平方向的间距之比，因此，根据现有技术所制作的垂直电极，其电极间距受制于mems结构的厚度，比如60μm厚的mems结构层，其电极间距无法做到小于2μm。但在本发明中，因为电极间距由氧化层厚度决定，不取决于mems结构层的厚度，同样以60μm厚的mems结构层为例，电极间距可以做到0.5μm。当垂直电极用于mems结构的驱动电极时，垂直方向的驱动力与电极间距成反比，电极间距越小，驱动力就越大；同理，垂直电极用于mems结构的检测电极时，垂直方向的灵敏度与电极间距成反比，电极间距越小，灵敏度则越大；更大的好处还在于在检测过程中，电极间距保持不变，只有电极和电极的重叠面积发生变化，线性度好、检测量程大；另外，电极与电极垂直方向的高度差由刻蚀形成，上下端都有高度差，该高度差可以根据设计需要进行调节，所以，根据本发明的方法制作的mems垂直电极，驱动力更强、驱动行程更大、线性度也更好。

19、本发明的mems垂直电极结构，由单晶硅电极、多晶硅电极、空腔、单晶硅衬底、氧化层和边缘区构成，单晶硅电极与多晶硅电极间具有间隙g，多晶硅电极顶部低于单晶硅电极顶部d1，单晶硅电极底部高于多晶硅电极底部d2；d1、d2可以相等，也可以不相等；垂直电极与衬底间存在有空腔，为电极自由运动提供空间。

20、本发明的mems垂直电极结构可以用于检测功能结构在垂直方向的位移信号，也可用于驱动mems功能结构在垂直方向运动。在用作检测电极时，mems功能结构在垂直方向的位移通过电极与电极间的电容信号变化测出；在用作驱动电极时，在电极与电极间施加不同极性的电压时，电极向上运动；施加相同极性的电压时，电极向下运动。