一种MEMS集成器件及其制备方法与流程

一种mems集成器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及mems技术领域，尤其涉及一种mems集成器件及其制备方法。


背景技术：

2.mems(微机电系统，micro-electro-mechanical-system，简称mems)器件与集成电路结合才能有效工作。集成电路用于实现mems器件与外界之间的通信；集成电路还用于处理mems器件的信号，例如模数转换、放大和滤波等。
3.目前绝大多数mems器件和集成电路采用叠层集成方式或者side by side的方式集成封装在一起，利用引线键合方式实现芯片之间的电气连接，目的是实现更短的信号路径长度、更小的寄生电容、更低的互连电阻和更小的封装尺寸。德国弗劳恩霍夫研究所提出了基于硅通孔转接板的mems三维集成技术概念，硅通孔硅转接板是指含有硅通孔互连的硅晶圆，其上下表面制作了重新布线层，利用微凸点在硅通孔转接板上组装mems芯片及集成电路芯片。为了匹配mems芯片与硅通孔转接板的机械强度，硅通孔转接板的厚度通常需要大于或等于200微米。同时，由于铜硅通孔互连与周围硅衬底的热膨胀系数失配，铜硅通孔的互连直径通常被控制为小于或等于20微米，硅通孔互连的深宽比大于或等于10：1，工艺难度较大。
4.mems器件与集成电路之间的叠层集成方式包括芯片与芯片集成，芯片与晶圆集成，以及晶圆与晶圆集成。晶圆与晶圆集成即分别加工mems晶圆与集成电路晶圆，再通过键合进行封装；该方式可在整片晶圆上进行封装和测试，然后再切割成独立芯片，封装后的芯片尺寸等同于芯片的尺寸，效率高、尺寸小。
5.但是，晶圆级集成方式需要针对mems器件结构采用专用集成电路。目前世界上主流的集成电路制造商最先进的集成制造工艺都采用铜互连工艺，而传统mems器件互连一般都采用金布线或者铝布线，无法实现与先进的集成电路制造工艺的直接集成。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种mems集成器件，以解决mems器件与专用集成电路无法直接集成的问题。
7.第一方面，本发明实施例提供了一种mems集成器件，包括第一重布线层、mems层和专用集成电路层；所述mems层包括盖板层、mems可动结构层；mems层的空腔结构内包括mems可动结构；所述mems层与所述专用集成电路层采用晶圆级低温硅硅键合技术连接；所述mems层设有内壁淀积介质层、内部填充铜的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔贯穿所述mems层连接专用集成电路层，所述第二通孔贯穿所述盖板层连接mems可动结构层；所述第一重布线层设在mems层与专用集成电路层相背的一侧；所述第一重布线层包括连接第一通孔、第二通孔和外部电极的内部布线；所述专用集成电路层与所述mems层相向的一侧设有连接内部电路的内部电极，所述内部电极与所述通孔电连接。
8.在一种可能的实现方式中，所述第一通孔设置在所述mems层的空腔区域之外。
9.在一种可能的实现方式中，所述专用集成电路层与所述mems层相向的一侧还包括第二重布线层；所述第二重布线层包括连接所述内部电极和所述内部电路的内部布线。
10.在一种可能的实现方式中，所述内部电路的金属材料为铜。
11.在一种可能的实现方式中，所述空腔结构内设有吸气剂。
12.第二方面，本发明实施例提供了一种mems集成器件制备方法，包括：
13.在第一晶圆上制备mems层；所述mems层包括盖板层、mems可动结构层；mems层的空腔结构内包括mems可动结构。
14.在第二晶圆上制备专用集成电路层。
15.在所述专用集成电路层的表面制备连接内部电路的内部电极。
16.对所述mems层与所述专用集成电路层制备内部电极的一侧进行晶圆级低温硅硅键合。
17.在所述mems层上刻蚀第一通孔和第二通孔，所述第一通孔贯穿所述mems层，所述第一通孔与所述专用集成电路层相向的一侧出口连接所述内部电极；所述第二通孔贯穿所述盖板层连接mems可动结构层。
18.在通孔内壁淀积介质层；在通孔内电镀填充铜。
19.在mems层与专用集成电路层相背的一侧制备第一重布线层；所述第一重布线层包括连接第一通孔、第二通孔和外部电极的内部布线。
20.在一种可能的实现方式中，所述第一通孔设置在所述mems层的空腔区域之外。
21.在一种可能的实现方式中，所述在第二晶圆上制备专用集成电路层包括：
22.在所述专用集成电路层的上表面制备第二重布线层，所述第二重布线层包括连接所述内部电极和所述内部电路的内部布线。
23.在一种可能的实现方式中，所述内部电路的金属材料为铜。
24.在一种可能的实现方式中，所述空腔结构内设有吸气剂。
25.本发明实施例提供一种mems集成器件，包括第一重布线层、mems层和专用集成电路层；所述mems层包括盖板层、mems可动结构层；mems层的空腔结构内包括mems可动结构；所述mems层与所述专用集成电路层采用晶圆级低温硅硅键合技术连接；所述mems层设有内壁淀积介质层、内部填充铜的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔贯穿所述mems层连接专用集成电路层，所述第二通孔贯穿所述盖板层连接mems可动结构层；所述第一重布线层设在mems层与专用集成电路层相背的一侧；所述第一重布线层包括连接第一通孔、第二通孔和外部电极的内部布线；所述专用集成电路层与所述mems层相向的一侧设有连接内部电路的内部电极，所述内部电极与所述通孔电连接。通过晶圆级低温硅硅键合完成mems器件与专用集成电路的晶圆级集成与封装，在mems层上设置填充铜的通孔实现多层芯片层间垂直互连，避免在专用集成电路上增加用于内外部通信的通孔，铜填充兼容先进集成电路制造工艺，可实现mems器件与90纳米以下专用集成电路晶圆直接集成，提高了兼容性，降低了封装成本、提高封装效率。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明实施例提供的mems集成器件的结构示意图；
28.图2是本发明实施例提供的mems层的俯视结构示意图；
29.图3是本发明实施例提供的带重布线层的mems集成器件结构示意图；
30.图4是本发明实施例提供的mems集成器件的制备方法流程图；
31.图5是本发明实施例提供的制备方法s1对应器件结构示意图；
32.图6是本发明实施例提供的制备方法s2、s3对应器件结构示意图；
33.图7是本发明实施例提供的制备方法s4至s7对应器件结构示意图。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。
35.本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
36.以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
37.图1为本发明实施例提供的一种mems集成器件的结构示意图。参照图1，该mems集成器件包括：第一重布线层3、mems层1和专用集成电路层2；mems层包括盖板层15、mems可动结构层16；mems层1的空腔结构14内包括mems可动结构141；mems层1和专用集成电路层2可以是在硅衬底上制备的晶圆。
38.mems层1与专用集成电路层2采用晶圆级低温硅硅键合技术连接；即通过晶圆低温硅硅键合工艺，将分别加工的mems晶圆和专用集成电路晶圆连接成一个整体；mems晶圆与专用集成电路晶圆接触的一侧为键合面。盖板层15的下表面与mems可动结构层16的上表面通过晶圆级低温硅硅键合连接。
39.mems层1设有内壁淀积介质层、内部填充铜的第一通孔11和第二通孔12，第一通孔11贯穿mems层1连接专用集成电路层2，第二通孔12贯穿所述盖板层15连接mems可动结构层16。
40.第一重布线层3设在mems层1与专用集成电路层2相背的一侧；第一重布线层3包括连接第一通孔11、第二通孔12和外部电极31的内部布线；外部电极31用于mems集成器件的内部与外部电连接；示例性的，外部电极31可以是金属凸点。
41.专用集成电路层2与mems层1相向的一侧设有连接内部电路的内部电极21，内部电极21与第一通孔11电连接；外部电极31、第一通孔11、第二通孔12和内部电极21实现mems集成器件的内部电路与外部电连接，实现内外通信。
42.专用集成电路的集成密度大，器件结构对串扰信号敏感，器件隔离的难度大。在专用集成电路层2增加通孔，会降低器件集成密度、增加对器件的串扰。
43.通过在mems层1上设置通孔，通孔内填充铜，第一通孔11连接内部电极21，第二通
孔12连接mems可动结构层16，第一通孔11和第二通孔12通过重布线层连接外部电极31，在mems层1上实现了集成器件内部与外部通信，避免在专用集成电路上增加用于内外部通信的通孔。
44.图2为本发明实施例提供的mems层的俯视结构示意图。参照图2：
45.在一个可选的实施例中，第一通孔11设置在mems层1的空腔区域13之外。
46.mems层1包括空腔结构14，空腔结构14为密闭的空腔，空腔内部设置mems可动结构141；空腔结构14的垂直方向上的区域为空腔区域13；mems层1的空腔区域13之外的区域是非关键区域，仅起到结构支撑作用；在非关键区域增加第一通孔11对mems层1的器件性能和尺寸影响较小。
47.示例性的，mems层1包括多个空腔，第一通孔11设置在mems层1的多个空腔区域13之外。
48.示例性的，mems层1包括多个第一通孔11，多个第一通孔11设置在空腔区域13之外。
49.内部电极21的位置可以设置在空腔区域13之外；内部电极21对应位置设置第一通孔11；第一通孔11实现内部电路与mems集成器件外部的连通。第一通孔11位置对应内部电极21位置、第一通孔11设置在空腔区域13之外，可以实现mems层1与专用集成电路层2相互兼容，直接集成、提高封装效率。
50.在一个可选的实施例中，盖板层15的下表面设有第一凹槽152；mems可动结构层16在与第一凹槽152对应的位置设有mems可动结构141；专用集成电路在与第一凹槽152对应的位置设有第二凹槽222；第一凹槽152和第二凹槽222共同构成包含mems可动结构141的空腔结构14。
51.图3是本发明实施例提供的带重布线层的mems集成器件结构示意图；参照图3：
52.在一个可选的实施例中，专用集成电路层2与mems层1相向的一侧还包括第二重布线层22；第二重布线层22包括连接内部电极21和内部电路的内部布线221。
53.示例性的，第二重布线层22包括多层介质层224和内部布线221；内部布线221包括垂直布线和水平布线；内部布线221的两端在垂直方向上的位置不同。
54.第二重布线层22用于重新设置专用集成电路层2的内部电极21的位置；示例性的，第二重布线层22用于将专用集成电路的内部电极21设置在空腔区域13之外。当专用集成电路层2的内部电路引出端未完全分布在mems层1的空腔区域13之外时，通过设置第二重布线层22，实现重新分布内部电极21的位置，内部电极21设置在mems层1的空腔区域13之外；第二重布线层22使同一种专用集成电路可以兼容多种类型的mems层1的结构，提高了兼容性。
55.在一个可选的实施例中，内部电路的金属材料为铜。通孔内填充的金属材料与内部电路的金属材料相同，工艺相互兼容，可直接集成。
56.90纳米以下的先进集成电路制造工艺一般采用铜互连工艺；而传统的mems器件互连一般都采用金布线或者铝布线，金属材料不同、兼容性差；第一通孔11的金属材料采用铜，可以实现mems层1与先进集成电路制造工艺的相互兼容，可直接集成。
57.第一通孔11和第二通孔12的内壁包括介质层；介质层用于通孔内的金属材料与衬底的电隔离。
58.在一个可选的实施例中，空腔结构14内设有吸气剂223。
59.图4为本发明实施例提供的一种mems集成器件的制备方法流程图。参照图4，该制备方法包括：
60.在步骤s1中、在第一晶圆上制备mems层1；所述mems层1包括盖板层15、mems可动结构层16；mems层1的空腔结构14内包括mems可动结构141。
61.图5是本发明实施例提供的制备方法s1对应器件结构示意图；参照图5：
62.在一个可选的实施例中，在第一晶圆上制备mems层1包括：
63.参照图5中a，在硅晶圆表面制备氧化层151，获得盖板层15；示例性的，硅晶圆可以是双面抛光硅片。示例性的，制备氧化层151的方法可包括热氧化工艺、等离子体增强化学气相沉积法或低压化学气相沉积法。
64.采用光刻工艺在氧化层151表面定义刻蚀区域；
65.刻蚀盖板层15的氧化层151，形成第一凹槽152；示例性的，刻蚀方法包括干法或湿法刻蚀。参照图5中b为刻蚀后盖板层11结构示意图。
66.清洗第一晶圆和盖板层15，去除沾污；示例性的，第一晶圆可以是双面抛光硅片。
67.采用等离子激活工艺对键合表面进行活化。
68.对第一晶圆和盖板层15进行对位，使第一晶圆和盖板层15的边缘对准。
69.对第一晶圆和盖板层15制备第一凹槽152一侧进行晶圆级低温硅硅键合；示例性的，晶圆级低温硅硅键合的键合温度低于200摄氏度。参照图5中c为键合后结构示意图。
70.在第一晶圆表面制备mems可动结构141，形成mems可动结构层16；包括：采用双面光刻工艺在mems可动结构层16与盖板层15相背的一侧定义刻蚀区域，刻蚀区域与第一凹槽152的位置对应；刻蚀贯通mems可动结构层16形成mems可动结构141，mems可动结构141的位置与第一凹槽152的位置对应；示例性的，刻蚀工艺可以是深反应离子刻蚀工艺。参照图5中d为刻蚀mems可动结构141后的结构示意图。
71.图6是本发明实施例提供的制备方法s2、s3对应器件结构示意图；参照图6：
72.在步骤s2中、在第二晶圆上制备专用集成电路层2。
73.在一个可选的实施例中，在第二晶圆上制备专用集成电路层2包括：
74.在专用集成电路层2的上表面制备第二重布线层22，第二重布线层22包括连接内部电极21和内部电路的内部布线221。参照图6中a为制备第二重布线层22后结构示意图。
75.示例性的，第二重布线层22包括多层介质层224和内部布线221；内部布线221包括垂直布线和水平布线；内部布线221的两端在垂直方向上的位置不同。
76.第二重布线层22用于重新设置专用集成电路层2的内部电极21的位置；示例性的，第二重布线层22用于将专用集成电路的内部电极21设置在空腔区域13之外。当专用集成电路层2的内部电路引出端未完全分布在mems层1的空腔区域13之外时，通过设置第二重布线层22，实现重新分布内部电极21的位置，内部电极21设置在mems层1的空腔区域13之外；第二重布线层22使同一种专用集成电路可以兼容多种类型的mems层1的结构，提高了兼容性。
77.在一个可选的实施例中，在第二晶圆上制备专用集成电路层2包括：
78.在专用集成电路层2的上表面制备第二重布线层22；第二重布线层22包括多层介质层224和内部布线221；刻蚀多层介质层224，形成第二凹槽222；第二凹槽222的位置与上述第一凹槽152的位置对应。
79.在一个可选的实施例中，在刻蚀多层介质层224，形成第二凹槽222之后，还包括：
根据器件应用需求可以在第二凹槽222内制备吸气剂223。参照图6中c为制备吸气剂后结构示意图。
80.在步骤s3中、在专用集成电路层2的表面制备连接内部电路的内部电极21。
81.图7是本发明实施例提供的制备方法s4至s7对应器件结构示意图。参照图7：
82.在步骤s4中、对mems层1与专用集成电路层2制备内部电极21的一侧进行晶圆级低温硅硅键合。
83.专用集成电路层2制备内部电极21的一侧即制备第二重布线层22的一侧。
84.在一个可选的实施例中，包括：
85.清洗mems层1和专用集成电路层2，去除沾污。
86.采用等离子激活工艺对键合表面进行活化。mems层1与专用集成电路层2接触的一侧为键合面。
87.对mems层1和专用集成电路层2进行对位。
88.对mems层1与专用集成电路层2进行晶圆级低温硅硅键合。即通过晶圆低温硅硅键合工艺，将分别加工的mems层1和专用集成电路层2连接成一个整体。参照图7中e为键合后结构示意图。
89.示例性的，晶圆级低温硅硅键合的键合温度低于200摄氏度。低温键合可兼容电路工作温度、降低结构应力。
90.示例性的，在真空中进行晶圆级低温硅硅键合。
91.在一个可选的实施例中，键合后第一凹槽152和第二凹槽222构成密闭的空腔；空腔内设有上述mems可动结构141。
92.相应的，第二凹槽222内制备的吸气剂223可以吸取真空键合后空腔内残余的气体，实现器件对封装真空度的要求。
93.在一个可选的实施例中，在对mems层1与专用集成电路层2制备内部电极21的一侧进行晶圆级低温硅硅键合之后，还包括：减薄盖板层15。减薄盖板层15可以减小器件整体厚度、增强散热和减小后续加工通孔的厚度；降低通孔制备和填充难度。
94.在步骤s5中、在mems层1上刻蚀第一通孔11和第二通孔12，第一通孔11贯穿mems层1，第一通孔11与专用集成电路层2相向的一侧出口连接内部电极21；第二通孔12贯穿所述盖板层15连接mems可动结构层16。参照图7中f为制备通孔后结构示意图。
95.示例性的，刻蚀工艺可以是深反应离子刻蚀工艺。
96.在一个可选的实施例中，第二通孔12贯穿盖板层15及氧化层151，第二通孔12与mems可动结构层16连接。
97.在一个可选的实施例中，第一通孔11设置在mems层1的空腔区域13之外。
98.mems层1可包括空腔结构14，空腔结构14为密闭的空腔，空腔内部设置mems可动结构141；空腔结构14的垂直方向上的区域为空腔区域13；mems层1的空腔区域13之外的区域是非关键区域，仅起到结构支撑作用；在非关键区域增加通孔对mems层1的器件性能和尺寸影响较小。
99.示例性的，mems层1包括多个空腔，第一通孔11设置在mems层1的多个空腔区域13之外。
100.示例性的，mems层1包括多个第一通孔11，多个第一通孔11设置在空腔区域13之
外。
101.内部电极21的位置可以设置在空腔区域13之外；内部电极21对应位置设置第一通孔11；第一通孔11实现内部电路与mems集成器件外部的连通。第一通孔11位置对应内部电极21位置、第一通孔11设置在空腔区域13之外，可以实现mems层1与专用集成电路层2相互兼容，直接集成、提高封装效率。
102.在步骤s6中、在通孔内壁淀积介质层；在通孔内电镀填充铜。
103.通孔包括第一通孔11和第二通孔12。通孔内壁的介质层用于将通孔内填充的金属材料与衬底电隔离。
104.在一个可选的实施例中，内部电路的金属材料为铜。
105.90纳米以下的先进集成电路制造工艺一般采用铜互连工艺；而传统的mems器件互连一般都采用金布线或者铝布线，金属材料不同、兼容性差；通孔的金属材料采用铜，可以实现mems层1与先进集成电路制造工艺的相互兼容，可直接集成。
106.在步骤s7中、在mems层1与专用集成电路层2相背的一侧制备第一重布线层3；所述第一重布线层3包括连接第一通孔11、第二通孔12和外部电极31的内部布线。
107.示例性的，外部电极31可以设置在与第一通孔11对应的位置。
108.示例性的，可以通过重新布线，重新设置外部电极31的位置。
109.通过第一重新布线层3实现第一通孔11与第二通孔12的连接。即通过外部电极31、第一重新布线层3的内部布线、第一通孔11和第二通孔12，实现专用集成电路与mems结构之间电连接，同时实现专用集成电路、mems结构与集成器件外部的电连接。
110.示例性的，外部电极31可以是金属凸点。采用金属凸点实现信号引出，可以提高封装互连密度，降低互连电阻和工艺寄生参数。参照图7中g为制备外部电极后结构示意图。
111.本发明实施例提供制备方法通过制备第一通孔11、第二通孔12、铜填充技术和重布线技术实现mems结构和专用集成电路之间的互连，工艺流程简单、工艺难度较低；由于通孔采用了铜填充工艺，可以兼容先进的集成电路芯片；将通孔开孔设在仅有封装和支撑功能的盖板层15和mems可动结构层16上，提高了通孔开孔位置和专用集成电路芯片的兼容性；通过两次晶圆级低温硅硅键合技术完成mems器件与专用集成电路的集成以及器件的晶圆级级真空封装，可以兼容电路工作温度、降低结构应力、有效减小工艺寄生参数和芯片面积，提高封装效率；通过在不同腔体内部封入吸气剂可以实现不同器件对封装真空度的需求；通过减薄技术减小硅盖板层厚度，在同等互连尺寸密度下可以降低通孔的制备难度；采用金属凸点倒装技术实现信号引出，划片后即为完整的功能单元，可以提高互连密度，降低互连电阻和工艺寄生参数，降低封装成本。
112.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。