CN102367165A - 一种基于soi的mems器件电极互连方法 - Google Patents

一种基于soi的mems器件电极互连方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于SOI的MEMS器件电极互连方法，采用在硅盖板（2）上制作金属互连导线（2-8）、以及各种电隔离槽（2-5、2-6），然后通过金-硅共晶键合把MEMS器件结构层（3）与硅盖板（2）粘接在一起，从而实现MEMS器件的电极通过盖板上的金属导线互连在一起，并引出到金属压焊点上。本发明提供的方法克服了现有技术采用的介质填充、平坦化等工艺带来的技术难题，简化了工艺，易操作，适于各种SOIMEMS器件的制作。

Description

一种基于SOI的MEMS器件电极互连方法
技术领域
本发明属于微电子机械技术领域。涉及一种基于SOI的MEMS器件电极互连方法。
背景技术
SOI技术是在上个世纪80年代迅速发展起来，被成为21世纪的硅集成技术。随着SOI工艺技术的逐渐成熟和SOI硅片成本的不断降低，SOI应用领域也逐渐扩大，近年来广泛应用到MEMS领域。目前，国外SOI技术已经比较成熟。很多研究机构和公司MEMS器件，诸如压力传感器，惯性器件，高温传感器等，都已采用了SOI技术。法国Tronic 公司开发成功了SOI工艺，对外进行MEMS加工多年。法国的MEMSCAP 公司开发了称为SOIMUMP的MEMS工艺技术，对外进行代工；瑞典的Silex公司，也早已采用SOI硅片进行器件加工。德国X-FAB公司采用SOI材料进行MEMS器件加工，如今美国、西欧、日本，SOI技术正逐渐取代体硅加工技术，成为主流的微机械加工技术
SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。用SOI材料作为MEMS的基片，通过ICP DRIE 硅刻蚀工艺实现敏感单元。SOI技术融合了体硅微加工技术和表面微加工技术，弥补了体微机械加工技术工艺可靠性和重复性较差的缺点，同时SOI中的二氧化硅夹层能用于微机械传感器中电路部分与待测环境的隔离，降低寄生电容噪声，提高了器件的性能。同时克服了表面微加工技术纵向尺寸太小，无法满足高深宽比的缺点，并将表面微机械加工技术的纵向加工能力推进到几十μm量级，从而扩大了表面微机械技术的应用范围。
目前SOI在MEMS应用中，基于SOI材料的MEMS器件电极中，采用介质填充，平坦化等工艺手段，从而实现从器件表面走金属引线。现有的SOI MEMS工艺方法技术难度大，工艺技术复杂，成品率低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中采用介质填充、平坦化等工艺手段，具有的技术难度大、工艺技术复杂、成品率低的缺陷，提供的一种基于SOI的MEMS器件电极互连方法。
本发明的基本思路是：采用在硅盖板上制作金属互连导线，然后通过金-硅共晶键合把MEMS器件结构层与硅盖板粘接在一起，从而实现MEMS器件的电极通过盖板上的金属导线互连在一起，并引出到金属压焊点上。该方法克服了介质填充，平坦化等工艺带来的技术难题，简化了工艺，易操作，适于各种SOI MEMS器件的制作。
本发明的技术方案是：
本发明包括制作硅盖板和MEMS器件结构层两部分，主要的过程为：
a、硅盖板的制作：
（1）在硅片表面生长一层SiO2热氧化层；
（2）制作深通孔：制作深孔：在硅片正面采用光刻工艺，光刻深孔，用KOH溶液湿法腐蚀硅，形成与金属压焊点对应的深孔；
（3）在硅片背面溅射一层Ti/Au金属层；
（4）制作浅槽：在硅片背面采用光刻工艺，光刻浅槽图形，然后腐蚀Ti/Au、干法刻蚀二氧化硅、DRIE深反应离子体刻蚀硅，形成金-硅共晶键合的区域、MEMS器件和金属压焊点容纳区、连接导线、电隔离槽；
b、MEMS器件敏感结构层的制作：
（1）金属压焊点制作：在SOI硅片顶层硅上溅射一层Ti/Au金属层，采用光刻工艺光刻金属压焊点图形，然后腐蚀金属，形成金属压焊点；
（2）浅槽刻蚀：在顶层硅上采用光刻工艺光刻浅槽图形，采用DRIE深反应等离子体刻蚀硅，形成浅槽；
（3）深槽刻蚀：采用光刻工艺光刻深槽图形，采用DRIE深反应离子体刻蚀硅至SOI硅片中的埋层二氧化硅，形成MEMS器件结构释放的深槽；
（4）结构释放：采用气态HF酸腐蚀SOI中的埋层二氧化硅，完成MEMS器件的结构释放，形成可动的MEMS敏感结构；
（5）去除光刻胶：对结构释放的MEMS芯片进行等离子去胶；
c、MEMS器件结构层和硅盖板键合：
（1）金-硅共晶键合：在双面光刻机中把硅盖板和MEMS器件结构层进行对准后，放在键合机中进行金-硅共晶键合，完成MEMS器件结构层和硅盖板的粘接；
（2）刻穿硅盖板上的深孔：对完成MEMS器件结构层和硅盖板键合后的圆片，利用DRIE深反应离子体刻蚀硅，使深孔刻穿，暴露出金属压焊点。
本发明的优点在于：有效的解决了SOI MEMS工艺中采用介质隔离填充和沟槽介质平坦化来实现金属布线和电极引出的技术难题，同时实现了MEMS器件的高真空封装。该方法简单易操作，适于各种SOI MEMS器件的制作，尤其表现在制作高性能的电容式MEMS器件上。
附图说明
图1a是基于SOI的MEMS器件电极互连的结构示意图，该MEMS器件是通过金-硅共晶键合把硅盖板和MEMS器件结构层粘接在一起的，从而实现MEMS器件的电极互连与高真空封装；
图1b是图1a中的深孔刻穿，最终形成的基于SOI的MEMS器件结构示意图；
图1c是图1b的A-A剖视图；
图2a～图2d是硅盖板制作的主要工艺过程示意图；
图3a～图3e是MEMS器件敏感结构的主要工艺过程示意图。
具体实施方式
下面以高精度、高性能的电容式MEMS器件为例，说明基于SOI的MEMS器件电极互连的方法。
（一）硅盖板的制作
图2中图2-1～图2-4为硅盖板制作的主要工艺过程，具体说明为：
（1）生长二氧化硅：在清洗好的双面抛光硅片2两面分别生长一层SiO2热氧化层2-1。在热氧化炉中，采用以下参数：30分钟O2（升温）+10分钟干O2（920℃）+660分钟湿O2（1100℃）+10分钟干O2（920℃）+N2（降温），生长SiO2厚度2μm以上。该氧化层的目的是起电隔离和作为深孔刻蚀的掩蔽层作用，如图2a所示。
（2）制作深孔：在硅盖板（即硅片2）正面采用光刻工艺，光刻深孔2-2图形，用KOH溶液湿法腐蚀硅，形成金属压焊露出的深孔2-2，如图2b所示。
（3）淀积Ti/Au金属层：在硅盖板背面溅射一层Ti/Au金属层2-3，Ti（0.03μm～0.06μm）/ Au（0.35μm～0.45μm），Ti起粘附层的作用，Au是用于金-硅共晶键合及作为电容极板间连接导线。如图2c所示。
（4）制作浅槽：在硅盖板背面采用光刻工艺，光刻各种浅槽图形，然后腐蚀Ti/Au（常温下，金腐蚀液：I2:KI:H2O=1:4:10；Ti腐蚀液：HF酸:H2O=1:10）、干法刻蚀二氧化硅（功率：700W；气体流量CHF3：50sccm,SF6:6sccm，He:130sccm；工作压力：2200mTorr）、DRIE深反应离子体刻蚀硅（RF功率：600W；刻蚀过程：SF6流量130sccm,压力28mTorr,时间6s；钝化过程： C4F8流量85sccm，压力17mTorr,时间3s，形成金-硅共晶键合的区域2-3、MEMS器件的金属压焊点容纳区2-2a、连接导线2-8，电隔离槽（2-4、2-5、2-6）、实现芯片与盖板金-硅键合的高真空封装和MEMS器件的可动空间2-7，以及实现各电容极板间的互连与电隔离等，如图2d所示。
（二）MEMS器件敏感结构的制作
图3-a～图3-e为MEMS器件敏感结构的主要工艺过程，具体说明为：
（1）金属压焊点制作：SOI硅片3的结构为上下两层硅，中间夹一层SiO2埋层。先在清洗好的SOI硅片3顶层硅上溅射一层Ti/Au金属层，厚度：Ti（0.03μm～0.06μm）/Au（0.5μm～0.6μm），光刻金属压焊点图形，然后腐蚀金属Ti/Au（常温下，金腐蚀液：I2:KI:H2O=1:4:10；Ti腐蚀液：HF:HNO3:H2O=1:1:50），最后形成金属压焊点3b。金属压焊点3b是为MEMS器件应用中各信号与外电路连接用。如图3a所示。
（2）浅槽刻蚀：在顶层硅上光刻各种浅槽图形，然后采用DRIE深反应等离子体刻蚀硅，形成浅槽（3c、3d、3e）。浅槽的作用是让盖板上的金导线从槽中安全通过，不与该区域有电气连接，实现电隔离。另外还可以起到结构释放时的深槽、释放孔、电隔离槽的预刻作作。如图3b所示。
（3）深槽刻蚀：在顶层硅上涂光刻胶3f,光刻深槽(3c、3d)图形，采用DRIE深反应离子体刻蚀硅至SOI硅片中的埋层二氧化硅3a（RF功率：600W；刻蚀过程：SF6流量130sccm,压力28mTorr,时间6s；钝化过程： C4F8流量85sccm，压力17mTorr,时间3s）。形成MEMS器件结构释放的深槽，如图3c所示。
（4）结构释放：在上述工艺过完成后，不需去光刻胶，直接采用气态HF酸腐蚀SOI中的埋层二氧化硅3a（工作压力100Torr，温度：50℃），完成MEMS器件的结构释放3h，形成可动的MEMS敏感结构,如图3d所示。
（5）去除光刻胶3f：对结构释放的MEMS芯片进行等离子去胶。如图3e所示。
（三）MEMS器件结构层和硅盖板键合
图1a、图1b为MEMS器件结构层和硅盖板键合的主要工艺过程，具体说明为：
（1）金-硅共晶键合：在双面光刻机中把硅盖板和MEMS器件结构层进行对准后，放在键合机中进行金-硅共晶键合（温度440℃；键合压力3000Torr；真空度10mTorr；时间30分钟），完成MEMS器件结构层和硅盖板的粘接，从而实现敏感结构中各电容的电极，通过盖板2上的金导线2-8实现互连，以及引出到金属压焊点3b上。通过金-硅共晶键合也实现了MEMS器件的高真空封装，如图1a。
（2）刻穿金属压焊点上的深孔2-2：对完成MEMS器件结构层和硅盖板键合后的圆片，利用DRIE深反应离子体刻蚀硅（RF功率：600W；刻蚀过程：SF6流量130sccm,压力28mTorr,时间6s；钝化过程： C4F8流量85sccm，压力17mTorr,时间3s，使深孔刻穿，暴露出金属压焊点3b，如图1b所示。
（3）如图1c,硅盖板2d的最外圈为器件密封环2-10，金属压焊点3b周围是压焊点密封环2-9，中间部分是金导线2-8以及器件敏感结构。

Claims (1)

1.一种基于SOI的MEMS器件电极互连方法，其特征在于包括以下步骤：
a、硅盖板的制作：
（1）在硅片表面生长一层SiO2热氧化层；
（2）制作深孔：在硅片正面采用光刻工艺，光刻深孔，用KOH溶液湿法腐蚀硅，形成与金属压焊点对应的深孔；
（3）在硅片背面溅射一层Ti/Au金属层；
（4）制作浅槽：在硅片背面采用光刻工艺，光刻浅槽图形，然后腐蚀Ti/Au、干法刻蚀二氧化硅、DRIE深反应离子体刻蚀硅，形成金-硅共晶键合的区域、MEMS器件和金属压焊点容纳区、连接导线、电隔离槽；
b、MEMS器件敏感结构层的制作：
（1）金属压焊点制作：在SOI硅片顶层硅上溅射一层Ti/Au金属层，采用光刻工艺光刻金属压焊点图形，然后腐蚀金属层，形成金属压焊点；
（2）浅槽刻蚀：在顶层硅上采用光刻工艺光刻浅槽图形，采用DRIE深反应等离子体刻蚀硅，形成浅槽；
（3）深槽刻蚀：采用光刻工艺光刻深槽图形，采用DRIE深反应离子体刻蚀硅至SOI硅片中的埋层二氧化硅，形成MEMS器件结构释放的深槽；
（4）结构释放：采用气态HF酸腐蚀SOI中的埋层二氧化硅，完成MEMS器件的结构释放，形成可动的MEMS敏感结构；
（5）去除光刻胶：对结构释放的MEMS器件芯片进行等离子去胶；
c、MEMS器件结构层和硅盖板键合：
（1）金-硅共晶键合：在双面光刻机中把硅盖板和MEMS器件结构层进行对准后，放在键合机中进行金-硅共晶键合，完成MEMS器件结构层和硅盖板的粘接；
（2）刻穿硅盖板上的深孔：对完成MEMS器件结构层和硅盖板键合后的圆片，利用DRIE深反应离子体刻蚀硅，使深孔刻穿，暴露出金属压焊点。
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