一種MEMS器件及其制備方法、電子裝置與流程

本發明涉及半導體領域，具體地，本發明涉及一種MEMS器件及其制備方法、電子裝置。

背景技術：

隨著半導體技術的不斷發展，在傳感器(motion sensor)類產品的市場上，智能手機、集成CMOS和微機電系統(MEMS)器件日益成為最主流、最先進的技術，并且隨著技術的更新，這類傳動傳感器產品的發展方向是規模更小的尺寸，高質量的電學性能和更低的損耗。

其中，微電子機械系統(MEMS)在體積、功耗、重量以及價格方面具有十分明顯的優勢，至今已經開發出多種不同的傳感器，例如壓力傳感器、加速度傳感器、慣性傳感器以及其他的傳感器。

在MEMS微機械結構中，懸臂梁結構是應用相當廣泛的一種結構，依靠懸臂梁上下振動，導致空間電容的變化，從而引起信號的變化，達到結構設計的目的，所以對于材料的應力系數和彈性系數就變得格外敏感和重要。

目前針對于懸臂梁結構，也存在一個固有的問題，就是懸臂梁長度要遠大于梁截面積高，寬尺寸，另外若增加質量塊，都會導致懸臂梁擾度增大，存在懸臂梁根部斷裂的風險。此外由于微結構常采用單晶硅、多晶硅，鍺硅等脆性材料制成，在沖擊或振動載荷作用下，當應力超過材料的強度極限時，也可能會發生斷裂失效。

其中，懸臂梁的制作一般都采用一體式的方式，通過去除犧牲材料來釋放結構，達到制作目的，但是所述方法也由于一體式存在懸臂梁根部斷裂的風險。

因此需要對目前MEMS器件的制備方法作進一步的改進，以便消除上述各種弊端。

技術實現要素：

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。

本發明為了克服目前存在問題，提供了一種MEMS器件，包括：

基底；

副懸梁臂，所述副懸梁臂的懸臂位于所述基底的上方，所述副懸梁臂的根部嵌于所述基底中；

空腔，位于所述副懸梁臂的懸臂和所述基底之間；

主懸梁臂，所述主懸梁臂的懸臂位于所述空腔內，所述主懸梁臂的根部嵌于所述空腔下方的所述基底中。

可選地，所述副懸梁臂根部的側壁和所述基底之間形成有隔離層。

可選地，所述副懸梁臂的尺寸大于所述主懸梁臂的尺寸。

可選地，所述副懸梁臂的懸臂的延伸方向與所述主懸梁臂的懸臂的延伸方向相反。

本發明還提供了一種MEMS器件的制備方法，包括：

步驟S1：提供基底，在所述基底上形成有犧牲材料層，在所述犧牲材料層中形成有延伸到所述基底中的第一溝槽；

步驟S2：在所述犧牲材料層和所述第一溝槽中形成主懸梁臂材料層并圖案化，以形成主懸梁臂；

步驟S3：繼續沉積所述犧牲材料層，以覆蓋所述主懸梁臂；

步驟S4：圖案化所述犧牲材料層和所述基底，以在所述第一溝槽的一側形成第二溝槽；

步驟S5：在所述犧牲材料層上和所述第二溝槽中形成副懸梁臂，以覆蓋所述犧牲材料層；

步驟S6：去除所述犧牲材料層，以在所述基底和所述副懸梁臂之間形成空腔。

可選地，所述步驟S1包括：

步驟S11：提供基底并在所述基底上形成所述犧牲材料層；

步驟S12：在所述犧牲材料層上形成具有開口的掩膜層，以定義蝕刻區域；

步驟S13：以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述犧牲材料層和所述基底，以在所述基底中形成所述第一溝槽；

步驟S14：去除所述掩膜層。

可選地，在所述步驟S4中在形成所述第二溝槽之后還進一步包括在所述第二溝槽的側壁上形成隔離層的步驟。

可選地，所述步驟S4包括：

步驟S41：在所述第二溝槽的側壁、底部以及所述犧牲材料層上形成隔離材料層；

步驟S42：去除所述第二溝槽底部以及所述犧牲材料層上的所述隔離材料層，以在所述第二溝槽的側壁上形成所述隔離層。

可選地，所述副懸梁臂的懸臂的延伸方向與所述主懸梁臂的懸臂的延伸方向相反。

可選地，所述副懸梁臂的尺寸大于所述主懸梁臂的尺寸。

本發明還提供了一種電子裝置，包括上述的MEMS器件。

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種MEMS器件及其制備方法，通過從傳統的單一的懸臂梁結構，設計成雙懸臂梁的組合結構，緩沖與支撐懸臂梁根部，起到保護作用，降低斷裂風險，提高MEMS器件懸梁臂的使用壽命。

在本發明中通過新的設計方案，將懸梁臂設計雙懸臂梁組合結構，副懸臂梁尺寸遠大于主懸臂梁，故而不會對主懸臂梁空間變化產生較大影響。當主懸臂梁產生過載，變形嚴重時，主懸臂梁根部產生較大的轉矩變形，而副懸臂梁的設計，可以適當起到緩沖與支撐作用，保護懸臂梁根部防止斷裂。

附圖說明

本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用于理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的裝置及原理。在附圖中，

圖1為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖2為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖3為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖4為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖5為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖6為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖7為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖8為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖9為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖10為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖11為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖12為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖13為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖14為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖15為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；

圖16為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備工藝流程圖。

具體實施方式

在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進行描述。

應當理解的是，本發明能夠以不同形式實施，而不應當解釋為局限于這里提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使公開徹底和完全，并且將本發明的范圍完全地傳遞給本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區的尺寸以及相對尺寸可能被夸大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。

應當明白，當元件或層被稱為“在...上”、“與...相鄰”、“連接到”或“耦合到”其它元件或層時，其可以直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，當元件被稱為“直接在...上”、“與...直接相鄰”、“直接連接到”或“直接耦合到”其它元件或層時，則不存在居間的元件或層。應當明白，盡管可使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、部件、區、層和/或部分，這些元件、部件、區、層和/或部分不應當被這些術語限制。這些術語僅僅用來區分一個元件、部件、區、層或部分與另一個元件、部件、區、層或部分。因此，在不脫離本發明教導之下，下面討論的第一元件、部件、區、層或部分可表示為第二元件、部件、區、層或部分。

空間關系術語例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在這里可為了方便描述而被使用從而描述圖中所示的一個元件或特征與其它元件或特征的關系。應當明白，除了圖中所示的取向以外，空間關系術語意圖還包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉，然后，描述為“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征將取向為在其它元件或特征“上”。因此，示例性術語“在...下面”和“在...下”可包括上和下兩個取向。器件可以另外地取向(旋轉90度或其它取向)并且在此使用的空間描述語相應地被解釋。

在此使用的術語的目的僅在于描述具體實施例并且不作為本發明的限制。在此使用時，單數形式的“一”、“一個”和“所述/該”也意圖包括復數形式，除非上下文清楚指出另外的方式。還應明白術語“組成”和/或“包括”，當在該說明書中使用時，確定所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其它的特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時，術語“和/或”包括相關所列項目的任何及所有組合。

為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結構，以便闡釋本發明的技術方案。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。

實施例一

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種MEMS器件的制備方法，下面結合附圖1-16對所述方法做進一步的說明，其中，圖1-15為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備過程示意圖；圖16為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備工藝流程圖。

首先，執行步驟101，提供基底101，在所述基底上形成有犧牲材料層，在所述犧牲材料層102中形成有延伸到所述基底101中的第一溝槽。

具體地，所述第一溝槽的深度并不局限于某一數值范圍，可以根據主懸梁臂的尺寸進行選擇。

可選地，所述步驟101包括以下子步驟：

步驟1011：提供基底101并在所述基底上形成所述犧牲材料層102；

具體地，如圖1所示，其中，所述基底101可以為半導體襯底，在該步驟中所述半導體襯底可以是以下所提到的材料中的至少一種：硅、絕緣體上硅(SOI)、絕緣體上層疊硅(SSOI)、絕緣體上層疊鍺化硅(S-SiGeOI)、絕緣體上鍺化硅(SiGeOI)以及絕緣體上鍺(GeOI)等。

在該實施例中半導體襯底選用硅。

然后在所述基底101上可以形成CMOS器件以及各種MEMS元件，其中所述MEMS元件是指所述MMES傳感器中必要的各種元器件。

其中，所述犧牲材料層102可以選用半導體材料層或者氧化物、氮化物等，并不局限于某一種。

在該實施例中所述犧牲材料層102可以選用半導體材料層，例如可以選用Ge。

其中，該實施例中所述犧牲材料層102的厚度并不局限于某一數值范圍，可以根據主懸梁臂的尺寸進行選擇。

步驟1012：在所述犧牲材料層102上形成具有開口的掩膜層，如圖2所示，以定義蝕刻區域；

其中，所述掩膜層可以選用光刻膠層，并對所述光刻膠進行曝光顯影，以形成所述開口。

步驟1013：以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述犧牲材料層102和所述基底，以在所述基底中形成所述第一溝槽，如圖3所示；

具體地，其中在該步驟中選用干法蝕刻以形成所述溝槽，作為優選，選用氣體蝕刻來形成所述溝槽，在本發明中可以根據所選材料的不同來選擇蝕刻氣體，例如在本發明中可以選擇CF₄、CO₂、O₂、N₂中的一種或者多種，所述蝕刻壓力可以為20-300mTorr，優選為50-150mTorr，功率為200-600W。

步驟1014：去除所述掩膜層，如圖4所示。

執行步驟102，在所述犧牲材料層和所述第一溝槽中形成主懸梁臂材料層103并圖案化，以形成主懸梁臂1031。

具體地，形成主懸梁臂1031的方法可以包括以下步驟：

步驟1021：在所述犧牲材料層和所述第一溝槽中形成主懸梁臂材料層103，以覆蓋所述犧牲材料層并填充所述第一溝槽，如圖5所示。

其中，主懸梁臂材料層可以選用半導體材料層或各種金屬材料層，在該 實施例中主懸梁臂材料層可以選用半導體材料層，例如多晶硅。

其中，所述主懸梁臂材料層的沉積可以選用化學氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉積(PVD)法或原子層沉積(ALD)法等形成的低壓化學氣相沉積(LPCVD)、激光燒蝕沉積(LAD)以及選擇外延生長(SEG)中的一種。

步驟1021：在所述主懸梁臂材料層上形成圖案化的掩膜層，如圖6所示，以定義蝕刻區域；

其中，所述掩膜層可以選用光刻膠層，并對所述光刻膠進行曝光顯影，以定義蝕刻區域。

步驟1022：以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述主懸梁臂材料層，以形成主懸梁臂1031，如圖7所示。

步驟1023：去除所述掩膜層，如圖8所示。

執行步驟103，繼續沉積所述犧牲材料層102，以完全覆蓋所述主懸梁臂1031。

具體地，如圖9所示，所述犧牲材料層102可以選用半導體材料層或者氧化物、氮化物等，并不局限于某一種。

在該實施例中所述犧牲材料層102可以選用半導體材料層，例如可以選用Ge。

其中，該實施例中所述犧牲材料層102的厚度并不局限于某一數值范圍，可以完全覆蓋所述主懸梁臂1031即可。

該實施例中所述犧牲材料層102的沉積可以選用化學氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉積(PVD)法或原子層沉積(ALD)法等形成的低壓化學氣相沉積(LPCVD)、激光燒蝕沉積(LAD)以及選擇外延生長(SEG)中的一種。

執行步驟104，圖案化所述犧牲材料層102和所述基底101，以在所述第一溝槽的一側形成第二溝槽。

具體地，圖案化所述犧牲材料層102和所述基底101，以在所述第一溝槽的一側形成第二溝槽的方法包括：

步驟1041：在所述犧牲材料層102上形成圖案化的掩膜層，如圖10所示，以定義蝕刻區域；

其中，所述掩膜層可以選用光刻膠層，并對所述光刻膠進行曝光顯影， 以定義蝕刻區域。

步驟1042：以所述掩膜層為掩膜蝕刻所述犧牲材料層102和所述基底101，以在所述第一溝槽的一側形成第二溝槽，如圖11所示。

步驟1043：去除所述掩膜層，如圖12所示。

可選地，在所述步驟1043中在形成所述第二溝槽之后還進一步包括在所述第二溝槽的側壁上形成隔離層的步驟，包括：

步驟1044：在所述第二溝槽的側壁、底部以及所述犧牲材料層上形成隔離材料層，如圖12所示；

其中，所述隔離材料層可以選用本領域常用的絕緣材料，并不局限于某一種。

步驟1045：去除所述第二溝槽底部以及所述犧牲材料層上的所述隔離材料層，以在所述第二溝槽的側壁上形成所述隔離層，如圖13所示。

其中，去除所述隔離材料層可以選用本領域常用的方法，并不局限于某一種。

執行步驟105，在所述犧牲材料層上和所述第二溝槽中形成副懸梁臂105，以覆蓋所述犧牲材料層102。

具體地，在所述犧牲材料層和所述第二溝槽中形成副懸梁臂105，以覆蓋所述犧牲材料層并填充所述第二溝槽，如圖14所示。

其中，副懸梁臂可以選用半導體材料層或各種金屬材料層，在該實施例中副懸梁臂可以選用半導體材料層，例如多晶硅。

其中，所述副懸梁臂的沉積可以選用化學氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉積(PVD)法或原子層沉積(ALD)法等形成的低壓化學氣相沉積(LPCVD)、激光燒蝕沉積(LAD)以及選擇外延生長(SEG)中的一種。

可選地，所述副懸梁臂105的懸臂的延伸方向與所述主懸梁臂1031的懸臂的延伸方向相反。

可選地，所述副懸梁臂105的尺寸大于所述主懸梁臂1031的尺寸，具體地，所述副懸梁臂105的懸臂長度和寬度均大于所述主懸梁臂1031的懸臂長度和寬度，所述副懸梁臂105的根部長度和寬度均大于所述主懸梁臂1031的根部長度和寬度。

在本發明中通過從傳統的單一的懸臂梁結構，設計成雙懸臂梁的組合結 構，副懸臂梁尺寸遠大于主懸臂梁，故而不會對主懸臂梁空間變化產生較大影響。當主懸臂梁產生過載，變形嚴重時，主懸臂梁根部產生較大的轉矩變形，而副懸臂梁的設計，可以適當起到緩沖與支撐作用，保護懸臂梁根部防止斷裂，提高MEMS器件懸梁臂的使用壽命。

執行步驟106，去除所述犧牲材料層102，以在所述基底101和所述副懸梁臂105之間形成空腔。

具體地，如圖15所示，在該步驟中選用CLK888作為蝕刻液，所述CLK888蝕刻液作為清除劑，其主要成分為氫氧化烷基銨以及溶劑，所述CLK888為市售產品，市場上所售CLK888蝕刻液均可以應用于本發明，并不局限于某一品牌，本領域技術人員可以根據需要進行選擇。

作為優選，為了更好的蝕刻所述犧牲材料層，需要嚴格控制蝕刻溫度，作為優選，所述蝕刻溫度為60-90℃，更優選為70-80℃，蝕刻時間并不局限于某一范圍。

至此，完成了本發明實施例的MEMS器件制備的相關步驟的介紹。在上述步驟之后，還可以包括其他相關步驟，此處不再贅述。并且，除了上述步驟之外，本實施例的制備方法還可以在上述各個步驟之中或不同的步驟之間包括其他步驟，這些步驟均可以通過現有技術中的各種工藝來實現，此處不再贅述。

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種MEMS器件及其制備方法，通過從傳統的單一的懸臂梁結構，設計成雙懸臂梁的組合結構，緩沖與支撐懸臂梁根部，起到保護作用，降低斷裂風險，提高MEMS器件懸梁臂的使用壽命。

在本發明中通過新的設計方案，將懸梁臂設計雙懸臂梁組合結構，副懸臂梁尺寸遠大于主懸臂梁，故而不會對主懸臂梁空間變化產生較大影響。當主懸臂梁產生過載，變形嚴重時，主懸臂梁根部產生較大的轉矩變形，而副懸臂梁的設計，可以適當起到緩沖與支撐作用，保護懸臂梁根部防止斷裂。

圖16為本發明一具體實施方式中所述MEMS器件的制備工藝流程圖， 具體包括以下步驟：

步驟S1：提供基底，在所述基底上形成有犧牲材料層，在所述犧牲材料層中形成有延伸到所述基底中的第一溝槽；

步驟S2：在所述犧牲材料層和所述第一溝槽中形成主懸梁臂材料層并圖案化，以形成主懸梁臂；

步驟S3：繼續沉積所述犧牲材料層，以覆蓋所述主懸梁臂；

步驟S4：圖案化所述犧牲材料層和所述基底，以在所述第一溝槽的一側形成第二溝槽；

步驟S5：在所述犧牲材料層上和所述第二溝槽中形成副懸梁臂，以覆蓋所述犧牲材料層；

步驟S6：去除所述犧牲材料層，以在所述基底和所述副懸梁臂之間形成空腔。

實施例二

本發明還提供了一種MEMS器件，所述MEMS器件通過實施例1中的所述方法制備得到，所述器件包括：

基底101；

副懸梁臂105，所述副懸梁臂105的懸臂位于所述基底101上方，所述副懸梁臂105的根部位于所述基底101中；

空腔，位于所述副懸梁臂105的懸臂和所述基底之間；

主懸梁臂1031，所述主懸梁臂位于所述基底和所述副懸梁臂105的懸臂之間的空腔中，所述主懸梁臂1031的懸臂位于所述基底和所述副懸梁臂105的懸臂之間，所述主懸梁臂的根部嵌于所述基底中。

可選地，所述副懸梁臂105根部的側壁和所述基底之間形成有隔離層104。

可選地，所述副懸梁臂105的尺寸大于所述主懸梁臂1031的尺寸。具體地，所述副懸梁臂105的懸臂長度和寬度均大于所述主懸梁臂1031的懸臂長度和寬度，所述副懸梁臂105的根部長度和寬度均大于所述主懸梁臂1031的根部長度和寬度。

可選地，所述副懸梁臂105的懸臂的延伸方向與所述主懸梁臂1031的懸臂的延伸方向相反。

其中，所述基底101可以為半導體襯底，在該步驟中所述半導體襯底可以是以下所提到的材料中的至少一種：硅、絕緣體上硅(SOI)、絕緣體上層疊硅(SSOI)、絕緣體上層疊鍺化硅(S-SiGeOI)、絕緣體上鍺化硅(SiGeOI)以及絕緣體上鍺(GeOI)等。

在該實施例中半導體襯底選用硅。

然后在所述基底101上可以形成CMOS器件以及各種MEMS元件，其中所述MEMS元件是指所述MMES傳感器中必要的各種元器件。

其中，主懸梁臂可以選用半導體材料層或各種金屬材料層，在該實施例中主懸梁臂可以選用半導體材料層，例如多晶硅。

其中，副懸梁臂可以選用半導體材料層或各種金屬材料層，在該實施例中副懸梁臂可以選用半導體材料層，例如多晶硅。

其中，所述副懸梁臂的沉積可以選用化學氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉積(PVD)法或原子層沉積(ALD)法等形成的低壓化學氣相沉積(LPCVD)、激光燒蝕沉積(LAD)以及選擇外延生長(SEG)中的一種。

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種MEMS器件及其制備方法，通過從傳統的單一的懸臂梁結構，設計成雙懸臂梁的組合結構，緩沖與支撐懸臂梁根部，起到保護作用，降低斷裂風險，提高MEMS器件懸梁臂的使用壽命。

在本發明中通過新的設計方案，將懸梁臂設計雙懸臂梁組合結構，副懸臂梁尺寸遠小于住懸臂梁，故而不會對主懸臂梁空間變化產生較大影響。當主懸臂梁產生過載，變形嚴重時，主懸臂梁根部產生較大的轉矩變形，而副懸臂梁的設計，可以適當起到緩沖與支撐作用，保護懸臂梁根部防止斷裂。

實施例三

本發明還提供了一種電子裝置，包括實施例二所述的MEMS器件。其中，半導體器件為實施例二所述的MEMS器件，或根據實施例一所述的制備方法得到的MEMS器件。

本實施例的電子裝置，可以是手機、平板電腦、筆記本電腦、上網本、游戲機、電視機、VCD、DVD、導航儀、照相機、攝像機、錄音筆、MP3、MP4、PSP等任何電子產品或設備，也可為任何包括所述MEMS器件的中間產品。本發明實施例的電子裝置，由于使用了上述的MEMS器件，因而具有 更好的性能。

本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明并不局限于上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的范圍以內。本發明的保護范圍由附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。