阅读说明：本技术 红外mems桥梁柱结构及工艺方法 (Infrared MEMS bridge column structure and process method ) 是由 刘善善 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种红外MEMS桥梁柱结构及形成方法,所述结构采用多层薄膜复合结构,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。本发明通过在对桥梁结构应力的控制来中和几种薄膜应力：通过增加多种反作用应力的薄膜,可以有效降低桥梁结构释放以后引起的桥梁翘曲,既不影响整体桥梁结构的厚度,同时又有利于后续光刻工艺对准及后续蚀刻沟道的控制。(The invention discloses an infrared MEMS bridge column structure and a forming method thereof, wherein the structure adopts a multilayer film composite structure and comprises a first release protective layer, a metal medium layer and a second release protective layer; the first release protection layer is a silicon oxide layer; the second release protection layer is of a four-layer structure and sequentially comprises a mixed layer of silicon oxynitride and silicon oxide, a silicon oxide layer, a silicon oxynitride layer and a silicon oxide layer from bottom to top. The invention neutralizes several film stresses by controlling the stress of the bridge structure: the film with various reaction stresses is added, so that the bridge warping caused after the bridge structure is released can be effectively reduced, the thickness of the whole bridge structure is not influenced, and the alignment of a subsequent photoetching process and the control of a subsequent etching channel are facilitated.)

红外MEMS桥梁柱结构及工艺方法

技术领域

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-Mechanical System)，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(Scaling Effects)，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金属反射层，图形化后淀积牺牲层并图形化；

步骤二，整体淀积一层保护层及一层感光敏感层；

步骤三，图形化感光敏感层；

步骤四，在桥梁柱以外的支撑孔区域，对支撑孔区域的膜层进行图形化；

步骤五，整体淀积形成金属电极膜；

步骤六，整体淀积形成DARC膜(介电抗反射涂层，Dielectric Anti ReflectiveCoating，DARC)并图形化；

步骤七，金属电极膜层进行刻蚀；

步骤八，淀积保护层薄膜，对桥梁柱结构区域进行图形化；

步骤九，对接触PAD区进行图形化。

上述工艺形成的桥梁柱结构的膜层容易因应力释放不均而发生膜层断裂的问题。

发明内容

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，通过新的复合膜结构层设计，可以有效的降低桥梁结构翘曲带来的后续封装异常。

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。

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。

本发明所述的一种红外MEMS的桥梁柱结构的工艺方法，包含：

步骤一，在半导体基片上形成金属反射层，图形化后淀积牺牲层并图形化；

步骤二，整体淀积一层第一释放保护层及一层感光敏感层；

步骤三，图形化感光敏感层；

步骤四，在桥梁柱以外的支撑孔区域，对支撑孔区域的膜层进行图形化；

步骤五，整体淀积形成金属电极膜；

步骤六，整体淀积形成DARC膜并图形化；

步骤七，金属电极膜层进行刻蚀；

步骤八，淀积第二释放保护层薄膜，对桥梁柱结构区域进行图形化；

步骤九，对接触PAD区进行图形化。

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。

本发明所述的红外MEMS桥梁柱结构及形成方法，应用于MEMS工艺中带桥梁结构的工艺中，可以有效降低桥梁结构释放以后引起的桥梁翘曲，从而影响后续封装测试。本发明主要是通过在对桥梁结构应力的控制来中和几种薄膜应力：通过增加多种反作用应力的薄膜，既不影响整体桥梁结构的厚度，同时又有利于后续光刻工艺对准及后续蚀刻沟道的控制。

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、金属层及第二释放保护层。

图3～4是现有技术的红外MEMS结构的制作工艺步骤示意图。

图5是本发明红外MEMS结构的制作工艺步骤示意图(续图3所示工艺之后)。

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，由于传统的膜层单一，应力不能得到抵消释放，导致膜层应力不均而断裂，使桥梁柱结构受损而失效。

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，与其他区域的膜层相比其呈略微凹陷的形貌，传统的桥梁柱结构膜层如图1中的箭头所指处所示，一般包含有两层应力释放保护层，即两层氧化硅层中间夹金属层的三层的三明治结构，两层氧化硅层即为对应的两层应力释放保护层。由于单层的(针对某一层应力释放保护层)氧化硅层的应力特性比较单一，因此在应力释放时会出现单一方向的翘曲等，从而使得膜层出现断裂等问题。

针对传统的桥梁柱结构应力释放保护层膜层比较单一的问题，本发明提供一种复合膜层作为应力释放保护层，具体是指第二释放保护层。

所述桥梁柱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；如图2所示。

所述第一释放保护层为氧化硅层，与传统的第一释放保护层相同。

金属介质层为Ti/TiN层。

所述第二释放保护层包含四层结构，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。

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。

本发明将第二释放保护层由传统的单层氧化硅膜改为了多层膜的复合结构，通过氮氧化硅与氧化硅的混合层、氧化硅层、氮氧化硅层、氧化硅层的复合膜，各层膜之间具有不同的正负应力特性，正向应力与负向应力互相抵消，从而使得复合膜层的应力达到中性，不会产生卷曲等缺陷的问题。针对上述结构，本发明还公开了所述MENS结构的制作方法，包含如下的工艺步骤：

步骤一，在半导体基片上形成金属反射层，图形化后淀积牺牲层并图形化；

步骤二，整体淀积一层第一释放保护层及一层感光敏感层；

步骤三，图形化感光敏感层；

步骤四，在桥梁柱以外的支撑孔区域，对支撑孔区域的膜层进行图形化；

步骤五，整体淀积形成金属电极膜；

步骤六，整体淀积形成DARC膜并图形化；

步骤七，金属电极膜层进行刻蚀；

步骤八，淀积第二释放保护层薄膜，对桥梁柱结构区域进行图形化；

步骤九，对接触PAD区进行图形化。

上述工艺步骤可参考附图3及附图5，因本发明前段工艺与传统器件相同，即图3所示的工艺步骤，从图3以后的步骤开始，本发明的工艺与传统工艺存在区别，需要注意的是，上述的九个工艺步骤与图3及图5的组合并不是完全对应的，即附图中的步骤可能更加细化。

通过上述工艺即可形成本发明所述的桥梁柱结构。

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。