一种全硅mems器件结构及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种全硅MEMS器件，由衬底SOI硅片(17)、结构层硅片(10)及盖帽SOI硅片(16)经硅硅直接键合后组成，其特征在于：结构层硅片(10)及盖帽SOI硅片的顶层硅(6)采用低阻硅；盖帽SOI硅片的顶层硅(6)制成电互联线，通过键合面(5)与结构层硅进行硅硅直接键合，将该处结构层的电信号通过电互联线引出到盖帽SOI硅片中的硅电极(9)，与设置在硅电极(9)上的压焊点(3)电学连接，硅电极(9)与结构层硅硅直接键合。本发明优点在于：采用盖帽层体硅引线，避免结构层刻蚀反溅损伤；采用两次硅硅直接键合，无残余应力，硅硅直接键合气密性好，真空封装时无需额外添加吸气剂，能够有效降低成本。
【专利说明】 一种全硅MEMS器件结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械【技术领域】，特别涉及一种通过盖帽体硅引线的全硅MEMS器件结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems, MEMS)是在半导体集成电路基础上发展起来的一门新兴学科，MEMS以其小型化、低功耗、批量化生产等诸多优点吸引了人们的广泛关注，在汽车电子、消费电子、生物医学、航空航天、信息技术等领域有广泛应用。近年来MEMS市场发展迅猛，已成为一项新的经济增长点。
[0003]MEMS加工工艺是在半导体集成电路基础上发展起来的，发展至今已形成以体硅工艺与表面牺牲层工艺为代表的加工手段。与半导体集成电路相比，MEMS器件一般包含可动机械结构，对于体硅工艺而言，可动结构的加工一般将键合技术与深反应离子刻蚀技术相结合，键合技术实现机械结构支撑与电学互联作用，深反应离子刻蚀技术实现可动结构刻蚀释放。可动机械结构往往比较脆弱，并且可动结构体积微小，表面效应占主导作用，因此外界阻尼会对可动结构的运动形式产生重要影响。为了保护可动结构，避免外界损伤并提供合适的阻尼环境，MEMS器件一般会进行晶圆级真空封装。对真空封装而言，其难点在于即要保证可动结构的密闭环境，又要方便电互联线引出。
[0004]在MEMS工艺中，电互联线的引出方式多种多样，通常会采用衬底引线或者盖帽引线的方式，衬底引线形式一般为基于娃玻键合工艺的玻璃衬底派射金属引线方式或者基于硅硅键合工艺的衬底SOI硅片顶层硅引线方式，最后利用金硅共晶或玻璃浆料等键合方式实现真空封装；盖帽引线一般为基于硅硅键合工艺的盖帽层溅射金属引线，通过金硅共晶键合等方式实现真空封装与电学互联。基于硅玻键合的MEMS工艺方法简单，但硅片与玻璃键合后的残余应力影响器件性能；基于硅硅键合工艺的加工方法中，利用衬底SOI硅片顶层硅作为互联线，衬底表面需被二氧化硅保护层覆盖，悬浮结构刻通后，刻蚀离子轰击衬底表面二氧化硅层会发生反溅现象，容易导致悬浮结构背面产生反溅损伤，而利用盖帽金属引线的方式在真空封装时需添加吸气剂，导致加工成本大大增加。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种全硅MEMS器件及其实现方法，优化了 MEMS器件晶圆级真空封装中电互联引线方法，此种方法具有简单可行，易于实现的特点。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种全硅MEMS器件，由衬底SOI硅片、结构层硅片及盖帽S0I硅片经硅硅直接键合后组成，其中衬底S0I硅片包含衬底层、埋氧层及顶层硅，盖帽S0I硅片包含衬底层、埋氧层及顶层硅，其特征在于:
结构层硅片及盖帽S0I硅片的顶层硅采用N型或P型低阻硅，典型电阻率0.001 Ω.cm?0.1 Ω.cm ; 盖帽SOI硅片的顶层硅制成电互联线，通过键合面与结构层硅进行硅硅直接键合，将该处结构层的电信号通过电互联线引出到盖帽SOI硅片中的硅电极，与设置在硅电极上的压焊点电学连接，娃电极与结构层娃娃直接键合；
结构层刻通区域，与衬底SOI硅片裸露的衬底层中的浅槽相对应。
[0007]上述技术方案中，结构层硅片及盖帽SOI硅片顶层硅采用N型或P型低阻硅，典型电阻率0.001Ω.cnT0.1 Ω.cm,可作为电互联导体,一般电容式器件均可米用这种低阻娃作为电极引线，对电极引线电阻率没有严格要求的其他器件也可采用这种结构。
[0008]盖帽S0I硅片顶层硅作为电互联线，通过键合面与结构层硅进行硅硅直接键合，将该处结构层的电信号通过硅互联线引出到硅电极，进而引出到压焊点，硅电极与结构层硅硅直接键合，即保证压焊点密封性又能使电信号引出，芯片整体通过外围硅硅直接键合形成密封环，保证气密性封装；衬底采用S0I硅片，能够保证器件结构锚点高度一致；锚点底部埋氧层起到引线间电隔离作用；结构层刻通区域底部S0I衬底硅裸露，结构刻通后，刻蚀离子轰击衬底硅，形成浅槽，不会对结构层产生反溅损伤。
[0009]本发明还包括一种MEMS器件结构实现方法，其特征在于包含如下步骤:
(1)衬底结构制作:衬底采用S0I硅片，利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术在衬底S0I硅片上形成键合锚点，并腐蚀裸露的埋氧层；
(2)结构层制作:结构层S0I硅片顶层硅采用N型或P型低阻硅，典型电阻率0.001 Ω.cm^0.1 Ω.αιι，利用硅硅直接键合技术实现衬底S0I硅片与结构层S0I硅片键合，键合后利用减薄机或化学机械抛光机将结构层S0I硅片衬底硅去除，随后将结构层S0I硅片埋氧层腐蚀掉，最后利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术实现结构释放；
(3)盖帽制作:盖帽S0I硅片顶层硅采用N型或P型低阻硅，典型电阻率
0.001 Ω.cnT0.1 Ω.cm，分别依次利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术在盖帽S0I硅片顶层硅表面制作浅腔及电互联线，浅腔保证可动结构有足够的运动空间，互联线之间的区域刻蚀至埋氧层，保证引线间电隔离；
(4)盖帽S0I硅片与结构层硅片键合:利用硅硅直接键合技术实现盖帽S0I硅片与结构层娃片的键合；
(5)打开引线孔:利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术将压焊点排列区域盖帽S0I硅片衬底硅刻蚀至100MflT200Mffl厚，形成深槽18，减小引线孔垂直高度，方便后期引线键合，再次利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术将引线孔区域2衬底硅刻蚀干净，至埋氧层，引线孔面积要小于底部硅电极面积，以保证结构密封，将引线孔区域埋氧层腐蚀干净，露出压焊点。
[0010](6)压焊点金属化:利用磁控溅射或蒸发技术制作金属层，利用光刻技术、金属腐蚀技术实现压焊点金属图形化，所述金属层可以为铝层或金层等，所述光刻技术中，利用喷胶技术实现光刻胶涂覆。
[0011]本发明提供的MEMS器件采用全硅结构，衬底采用S0I硅片，能够精确控制锚点高度，锚点周围埋氧层腐蚀干净，裸露SOI硅片衬底硅，能够保证结构释放时结构层背面无刻蚀反溅损伤。利用硅硅直接键合技术实现结构层悬空，利用ICP深槽刻蚀技术实现结构释放。盖帽采用S0I硅片制作，盖帽S0I硅片顶层硅作为电互联引线，避免了利用金属引线无法经历后续高温工艺的缺点。采用硅硅直接键合技术实现盖帽S0I硅片与结构层的真空键合封装，无需添加吸气剂。从盖帽SOI衬底硅层打开引线孔，引线孔面积小于底部硅电极面积，即能保证电极引出又能保证结构密封。
[0012]本发明与传统MEMS器件结构相比优点在于:采用盖帽层体硅引线，结构刻蚀释放时，结构层底部可以裸露衬底硅，避免结构层刻蚀反溅损伤；采用两次硅硅直接键合实现器件结构与器件晶圆级真空封装，全硅结构，无残余应力，对器件性能有本质提高；硅硅直接键合气密性好，真空封装时无需额外添加吸气剂，能够有效降低成本；器件结构实现方法简单、可行，便于形成标准工艺。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明全硅MEMS器件结构剖视图；
图2为图1的A— A向视图；
图3a—图3n为本发明全硅MEMS器件结构制作工艺流程图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0015]一、MEMS 器件结构:
如图1、图2所示，MEMS器件由衬底SOI硅片17、SOI硅片顶层硅形成的结构层10、盖帽层SOI硅片16组成。其中衬底SOI硅片17包含衬底层15、埋氧层12及顶层硅11，盖帽SOI娃片16包含衬底层8、埋氧层4及顶层娃6。
[0016]衬底SOI硅片17包含锚点11，起到可动结构支撑作用，锚点11底部埋氧层12起到电隔离作用。
[0017]器件结构层10与衬底SOI硅片17硅硅直接键合，结构刻蚀释放过程中，刻通区域13刻蚀离子轰击衬底硅15表面，形成浅槽结构14，避免反溅损伤结构层背面。盖帽SOI硅片16包含键合面5、电互联线6、引线隔离槽7、硅电极9等结构，其中键合面5起到与结构层电学连接作用，电互联线6将电信号引出到压焊点，隔离槽7刻蚀至埋氧层，保证体硅引线间的电隔离，硅电极9起到电极引线与密封作用，并提供压焊点支撑区域；盖帽SOI硅片衬底硅压焊区域刻蚀深槽18，减小引线孔2垂直高度，方便后期引线键合，引线孔2面积小于底部硅电极面积9，从而保证结构密封，并对压焊区进行金属化3 ;器件周围通过键合环I进行密封。
[0018]二、MEMS器件结构制作工艺流程:
图3中(a) - (η)为MEMS器件结构制作的主要工艺流程示意图，具体如下:
(a)- (c)为衬底SOI硅片17的加工工艺流程，首先利用光刻、ICP深槽刻蚀技术形成锚点11，随后利用BOE湿法腐蚀去除埋氧层12，使衬底硅15裸露。
[0019](d)为器件结构层SOI硅片10与加工好的衬底SOI硅片17硅硅直接键合。
[0020](e)- (f)利用减薄机或化学机械抛光机或湿法腐蚀将器件结构层SOI硅衬底硅去掉，再将埋氧层腐蚀掉。
[0021](g)为利用光刻、ICP刻蚀技术进行结构释放刻蚀，刻蚀后形成可动结构。
[0022](h) - (i)为盖帽SOI硅片16的加工工艺流程，首先利用光刻、ICP深槽刻蚀技术形成浅腔16a，保证可动结构运动空间，再利用光刻、ICP深槽刻蚀技术形成隔离开的体硅电互联引线6。
[0023](j)为器件结构10与盖帽SOI硅片16进行硅硅直接键合实现真空封装。
[0024](k)-(m)为引线孔制作，分别利用光刻、ICP深槽刻蚀技术对压焊点排列区域进行深槽刻蚀及引线孔刻蚀，并腐蚀引线孔埋氧层，露出压焊硅电极。
[0025]打开引线孔:利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术将压焊点排列区域盖帽SOI硅片衬底硅刻蚀至100MflT200Mffl厚，形成深槽18，减小引线孔垂直高度，方便后期引线键合，再次利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术将引线孔区域2衬底硅刻蚀干净，至埋氧层，引线孔面积要小于底部硅电极面积，以保证结构密封，将引线孔区域埋氧层腐蚀干净，露出压焊点。
[0026](η)为压焊点金属化，利用磁控溅射形成金属膜，利用光刻、金属腐蚀技术实现压焊点金属图形化。
[0027]经上述工艺流程，实现了 MEMS器件结构的制作。
【权利要求】
1.一种全硅MEMS器件，由衬底SOI硅片(17)、结构层硅片(10)及盖帽SOI硅片(16)经硅硅直接键合后组成，其中衬底SOI硅片(17)包含衬底层(15)、埋氧层(12)及顶层硅(11)，盖帽SOI硅(16)包含衬底层(8)、埋氧层(4)及顶层硅(6)，其特征在于: 结构层硅片(10)及盖帽SOI硅片的顶层硅(6)采用N型或P型低阻硅，典型电阻率0.001 Ω.cm?0.1 Ω.cm ; 盖帽SOI硅片的顶层硅(6)制成电互联线，通过键合面(5)与结构层硅进行硅硅直接键合，将该处结构层的电信号通过电互联线弓I出到盖帽SOI硅片中的硅电极(9)，与设置在娃电极(9)上的压焊点(3)电学连接,娃电极(9)与结构层娃娃直接键合； 结构层(10)刻通区域(13)，与衬底SOI硅片裸露的衬底层(15)中的浅槽(14)相对应。
2.一种全硅MEMS器件的制造方法，其特征在于包括以下步骤: .(1)衬底结构制作:衬底采用SOI硅片，利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术在衬底SOI硅片上形成键合锚点，并腐蚀裸露的埋氧层； .(2)结构层制作:结构层SOI硅片顶层硅采用N型或P型低阻硅，典型电阻率0.001 Ω.cnT0.1 Ω.Cm,利用硅硅直接键合技术实现衬底SOI硅片与结构层SOI硅片键合； 键合后利用减薄机或化学机械抛光机将结构层SOI硅片衬底硅去除，随后将结构层SOI硅片埋氧层腐蚀掉，最后利用光刻技术、ICP深槽刻蚀技术进行结构释放刻蚀，刻蚀后形成可动结构； .(3)盖帽制作:盖帽SOI硅片顶层硅采用N型或P型低阻硅，典型电阻率0.001 Ω.cnT0.1 Ω.cm,首先利用光刻、ICP深槽刻蚀技术形成浅腔,保证可动结构运动空间，再利用光刻、ICP深槽刻蚀技术形成隔离开的体硅电互联引线，电互联线之间的区域刻蚀至埋氧层，保证电互联线间电隔离； .(4)盖帽SOI硅片与结构层硅片键合:利用硅硅直接键合技术实现盖帽SOI硅片与结构层娃片的键合；. .(5)引线孔制作:分别利用光刻、ICP深槽刻蚀技术对压焊点排列区域进行深槽刻蚀及弓丨线孔刻蚀，并腐蚀弓丨线孔埋氧层，露出压焊硅电极； .(6)压焊点金属化:利用磁控溅射形成金属膜，利用光刻、金属腐蚀技术实现压焊点金属图形化。
【文档编号】B81C1/00GK104355286SQ201410535339
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】何凯旋, 郭群英, 黄斌, 王鹏, 陈博, 陈璞, 王文婧, 刘磊 申请人:华东光电集成器件研究所