[發明專利]一種全硅MEMS器件結構及其制造方法

有效

• 申請號: 201410535339.1
• 申請日: 2014-10-13
• 公開（公告）號: CN104355286A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 何凱旋;郭群英;黃斌;王鵬;陳博;陳璞;王文婧;劉磊
• 申請（專利權）人: 華東光電集成器件研究所
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00;B81C3/00
• 代理公司: 安徽省蚌埠博源專利商標事務所 34113
• 代理人: 楊晉弘

技術領域

本發明屬于微電子機械技術領域，特別涉及一種通過蓋帽體硅引線的全硅MEMS器件結構及其制造方法。

背景技術

微機電系統（Micro?Electro-Mechanical?Systems,MEMS）是在半導體集成電路基礎上發展起來的一門新興學科，MEMS以其小型化、低功耗、批量化生產等諸多優點吸引了人們的廣泛關注，在汽車電子、消費電子、生物醫學、航空航天、信息技術等領域有廣泛應用。近年來MEMS市場發展迅猛，已成為一項新的經濟增長點。

MEMS加工工藝是在半導體集成電路基礎上發展起來的，發展至今已形成以體硅工藝與表面犧牲層工藝為代表的加工手段。與半導體集成電路相比，MEMS器件一般包含可動機械結構，對于體硅工藝而言，可動結構的加工一般將鍵合技術與深反應離子刻蝕技術相結合，鍵合技術實現機械結構支撐與電學互聯作用，深反應離子刻蝕技術實現可動結構刻蝕釋放。可動機械結構往往比較脆弱，并且可動結構體積微小，表面效應占主導作用，因此外界阻尼會對可動結構的運動形式產生重要影響。為了保護可動結構，避免外界損傷并提供合適的阻尼環境，MEMS器件一般會進行晶圓級真空封裝。對真空封裝而言，其難點在于即要保證可動結構的密閉環境，又要方便電互聯線引出。

在MEMS工藝中，電互聯線的引出方式多種多樣，通常會采用襯底引線或者蓋帽引線的方式，襯底引線形式一般為基于硅玻鍵合工藝的玻璃襯底濺射金屬引線方式或者基于硅硅鍵合工藝的襯底SOI硅片頂層硅引線方式，最后利用金硅共晶或玻璃漿料等鍵合方式實現真空封裝；蓋帽引線一般為基于硅硅鍵合工藝的蓋帽層濺射金屬引線，通過金硅共晶鍵合等方式實現真空封裝與電學互聯。基于硅玻鍵合的MEMS工藝方法簡單，但硅片與玻璃鍵合后的殘余應力影響器件性能；基于硅硅鍵合工藝的加工方法中，利用襯底SOI硅片頂層硅作為互聯線，襯底表面需被二氧化硅保護層覆蓋，懸浮結構刻通后，刻蝕離子轟擊襯底表面二氧化硅層會發生反濺現象，容易導致懸浮結構背面產生反濺損傷，而利用蓋帽金屬引線的方式在真空封裝時需添加吸氣劑，導致加工成本大大增加。

發明內容

本發明提出了一種全硅MEMS器件及其實現方法，優化了MEMS器件晶圓級真空封裝中電互聯引線方法，此種方法具有簡單可行，易于實現的特點。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種全硅MEMS器件，由襯底SOI硅片、結構層硅片及蓋帽SOI硅片經硅硅直接鍵合后組成，其中襯底SOI硅片包含襯底層、埋氧層及頂層硅，蓋帽SOI硅片包含襯底層、埋氧層及頂層硅，其特征在于：

結構層硅片及蓋帽SOI硅片的頂層硅采用N型或P型低阻硅，典型電阻率0.001Ω·cm~0.1Ω·cm；

蓋帽SOI硅片的頂層硅制成電互聯線，通過鍵合面與結構層硅進行硅硅直接鍵合，將該處結構層的電信號通過電互聯線引出到蓋帽SOI硅片中的硅電極，與設置在硅電極上的壓焊點電學連接，硅電極與結構層硅硅直接鍵合；

結構層刻通區域，與襯底SOI硅片裸露的襯底層中的淺槽相對應。

上述技術方案中，結構層硅片及蓋帽SOI硅片頂層硅采用N型或P型低阻硅，典型電阻率0.001Ω·cm~0.1Ω·cm，可作為電互聯導體，一般電容式器件均可采用這種低阻硅作為電極引線，對電極引線電阻率沒有嚴格要求的其他器件也可采用這種結構。

蓋帽SOI硅片頂層硅作為電互聯線，通過鍵合面與結構層硅進行硅硅直接鍵合，將該處結構層的電信號通過硅互聯線引出到硅電極，進而引出到壓焊點，硅電極與結構層硅硅直接鍵合，即保證壓焊點密封性又能使電信號引出，芯片整體通過外圍硅硅直接鍵合形成密封環，保證氣密性封裝；襯底采用SOI硅片，能夠保證器件結構錨點高度一致；錨點底部埋氧層起到引線間電隔離作用；結構層刻通區域底部SOI襯底硅裸露，結構刻通后，刻蝕離子轟擊襯底硅，形成淺槽，不會對結構層產生反濺損傷。

本發明還包括一種MEMS器件結構實現方法，其特征在于包含如下步驟：

（1）襯底結構制作：襯底采用SOI硅片，利用光刻技術、ICP深槽刻蝕技術在襯底SOI硅片上形成鍵合錨點，并腐蝕裸露的埋氧層；

（2）結構層制作：結構層SOI硅片頂層硅采用N型或P型低阻硅，典型電阻率0.001Ω·cm~0.1Ω·cm，利用硅硅直接鍵合技術實現襯底SOI硅片與結構層SOI硅片鍵合，鍵合后利用減薄機或化學機械拋光機將結構層SOI硅片襯底硅去除，隨后將結構層SOI硅片埋氧層腐蝕掉，最后利用光刻技術、ICP深槽刻蝕技術實現結構釋放；