CN104355284B - 一种mems器件双面对通介质隔离结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS器件双面对通介质隔离结构及制备方法，包括硅基体（1）、可动结构（5）以及盖帽（8），可动结构（5）以及盖帽（8）之间用金属粘接剂（7）连接，可动结构（5）与硅基体（1）进行硅硅键合，其特征在于：硅基体（1）中设有对通的绝缘深槽，绝缘深槽中设有填充材料二氧化硅或氮化硅或多晶硅 （3），绝缘深槽之间的硅基体（1）形成隔离电极（4），隔离电极（4）上面与可动结构（5）对应配合。

Description

一种MEMS器件双面对通介质隔离结构及制备方法

技术领域

本发明属于微机械电子技术领域。具体是一种双面对通介质隔离结构及制备方法。

背景技术

微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem,MEMS）是将微机械元件、微型传感器、微型执行器、信号处理与控制电路等集成于一体的微系统。很多MEMS器件，如陀螺仪、加速度传感器对于真空度、热应力匹配以及芯片面积有较高的要求，长久保持腔体封装的真空度可以保证机械运动部件运动时气体的阻尼始终保持在一个可控范围之内，从而提高MEMS器件寿命；圆片键合后较好的热应力匹配可以较大幅度降低热应力对器件性能的影响；器件微型化也是微机电系统的发展趋势。

为了实现MEMS器件真空度的长久性，热应力匹配以及减小芯片面积，晶圆介质隔离结构制备技术应用而生，该隔离结构可以与硅硅直接键合的高温工艺相兼容，从而实现MEMS器件的全硅结构，硅硅直接键合封装可以长时间保持器件真空度，且由于材料都是硅材料，其热膨胀系数相同，使得器件热应力较小，另外该隔离结构利用低阻硅片制备，隔离结构用作电极可实现垂直引线，从而减小芯片面积。

通常，晶圆隔离结构的制作方式主要为：（1）隔离槽制作。采用DRIE在晶圆上制备高深宽比的垂直闭合Si深槽；（2）隔离深槽填充。在深槽侧壁上淀积SiO2绝缘层后，通过化学气相沉积法生长填充材料充满整个Si深槽；（3）化学机械抛光（CMP）。由于第一步DRIE刻蚀Si深槽时并没有将圆片刻穿，因此深槽填充后采用CMP将剩余的Si研磨掉形成隔离结构。

以上所述带有隔离结构的晶圆实现需要经过一系列的MEMS制作工艺，例如光刻、DRIE、CVD、CMP等，经上述一系列工艺后，几百微米厚度带有隔离结构的晶圆变得只有一两百微米厚度，该晶圆由于厚度仅有一两百微米，因此在加工过程中容易碎片，导致产率低，且由于带有隔离结构的晶圆厚度较薄，划片后装配时容易形变从而器件性能。

发明内容

本发明是为了解决目前制备出的带有隔离结构晶圆较薄，工艺加工可靠性低，以及由于带有隔离结构晶圆较薄装配时容易给器件引入应力的问题，提供一种加工可靠性高、给器件引入应力低的晶圆隔离结构，采用MEMS体硅工艺，加工工艺简单，一致性好，可以实现低成本批量制造。

为实现上述目的，本发明提供了一种MEMS器件双面对通介质隔离结构，包括硅基体、可动结构以及盖帽，可动结构以及盖帽之间用金属粘接剂连接，可动结构与硅基体进行硅硅键合，其特征在于：硅基体中设有对通的绝缘深槽，绝缘深槽中设有填充材料二氧化硅或氮化硅或多晶硅，绝缘深槽之间的硅基体形成隔离电极，隔离电极上面与可动结构对应配合。

通过绝缘层将各个隔离结构进行电隔离，隔离深槽中的填充材料二氧化硅或氮化硅或多晶硅主要起密封和支撑作用，防止双面刻蚀通之后隔离结构掉落。

本发明还提供了一种一种MEMS器件双面对通介质隔离结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）、将低阻单晶硅片作为硅基体并氧化形成刻蚀阻挡层，正面光刻隔离深槽图形，经刻蚀形成隔离深槽；

（2）、将氧化层腐蚀干净，然后进行第二次热氧化生长氧化层作为正面隔离深槽的绝缘层；

（3）、利用化学气相沉积法将填充物填充至隔离深槽中直至填满；

（4）、硅基体背面刻蚀形成背面隔离深槽，然后第三次热氧化生长氧化层作为背面隔离深槽的绝缘层，并利用化学气相沉积法将填充物填充至背面隔离深槽中直至填满；

（5）、可动结构制作完成后与硅基体进行硅硅键合，并在隔离电极上制作铝pad点，随后利用金属金作为粘接介质将盖帽与可动结构连接进行了圆片级键合封装。

该晶圆隔离结构的制造工艺为：

（1）选用低阻双抛硅片作为初始圆片，经高温氧化形成第一次二氧化硅作为干法刻蚀阻挡层，光刻后，利用光刻胶以及第一次二氧化硅作为刻蚀阻挡层干法刻蚀正面隔离深槽，该正面隔离深槽结构图形由MEMS器件结构决定，但必须闭合，这样各隔离结构之间才能实现电隔离。干法刻蚀深槽至一定深度，该深度由晶圆厚度决定，但不能一次性刻蚀通，没有刻蚀通时所刻蚀掉的部分为正面深槽深度；

（2）正面隔离深槽刻蚀完毕后接着去胶，去除第一次氧化层，接着氧化形成第二次氧化层作为绝缘层，之后利用化学气相沉积法生长填充物填充正面隔离深槽或利用TEOS生长填充物填充正面隔离深槽；

（3）正面隔离深槽填满后，在初始圆片制备正面隔离深槽的另外一面即背面进行光刻，利用光刻胶及第一次氧化生成的二氧化硅作为刻蚀阻挡层，刻蚀背面隔离深槽直至第一次氧化的绝缘层，随后进行第三次氧化，生成背面隔离深槽绝缘层，利用化学气相沉积生长填充物或TEOS生长填充物填满深槽，最终形成晶圆隔离结构。

本发明与现有的晶圆隔离结构相比具有如下优点：

（1）本发明能够在保证隔离结构之间电隔离的情况下增加了带有隔离结构的晶圆厚度，提高了器件加工的可靠性；由于带有隔离结构的晶圆厚度增加，使得因为外界形变对器件引入的应力减小，实现了器件的高可靠性。

（2）本发明结构简单，提高了晶圆隔离结构的一致性和可靠性；加工工艺比较简单，全部利用公知的MEMS工艺技术加工，适合大批量生产。

附图说明

图1为本发明硅基体1及其隔离结构的俯视图；

图2为本发明硅基体1及其隔离结构垂直剖面图；

图3为本发明基于晶圆隔离结构的MEMS器件剖面结构示意图；

图4中a-h为本发明晶圆隔离结构制造工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和制造工艺做进一步的说明。

（一）晶圆隔离结构

参照图1、图2、图3本发明包括：硅基体1、绝缘层2、深槽填充物3、隔离电极4、可动结构5、pad点6、金属粘接剂金（Au）7、以及盖帽8。

所述的硅基体1被绝缘层2与深槽填充物分割开，形成隔离电极4，可动结构5位于隔离电极4之上，pad点6粘接在隔离电极4下方，金属粘接剂金（Au）7作为粘接介质将盖帽8进行了圆片级键合封装。

（二）基于晶圆隔离结构的MEMS器件制造工艺

图４（a）—（f）为晶圆隔离结构层制作：

（a）工艺流程：将低阻单晶硅片1，经高温氧化形成第一次二氧化硅作为干法刻蚀阻挡层1a，正面光刻隔离深槽图形，利用氢氟酸和氟化铵按6:1比例配比而成的腐蚀液去除打开窗口中的二氧化硅，利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀形成隔离深槽2a；该正面隔离深槽结构图形由MEMS器件结构决定，但必须闭合，这样各隔离结构之间才能实现电隔离。刻蚀深槽至一定深度，该深度由晶圆厚度决定，但不能一次性刻蚀通，没有刻蚀通时所刻蚀掉的部分为正面深槽深度。

（b）—图（c）工艺流程：将图（a）中作为刻蚀阻挡层的氧化层1a利用氢氟酸和氟化铵按6:1比例配比而成的腐蚀液腐蚀干净，然后进行第二次热氧化生长氧化层作为正面隔离深槽绝缘层2a，并利用化学气相沉积法填充填充物3至隔离深槽直至填满；

（d）-图（f）工艺流程：背面光刻隔离深槽图形，利用第二次热氧化形成的氧化层作为背面刻蚀阻挡层，利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀形成背面隔离深槽2b，然后第三次热氧化生长氧化层作为背面隔离深槽绝缘层2a，并利用化学气相沉积法填充填充物3至隔离深槽2b直至填满；

（g）-（h）工艺流程：可动结构层制作完成后与晶圆隔离结构进行硅硅键合，并在隔离电极上制作铝（Al）pad点6，随后利用金（Au）7作为粘接介质将盖帽8进行了圆片级键合封装。

Claims (1)

1.一种MEMS器件双面对通介质隔离结构的制备方法，包括硅基体（1）、可动结构（5）以及盖帽（8），可动结构（5）以及盖帽（8）之间用金属粘接剂（7）连接，可动结构（5）与硅基体（1）进行硅硅键合，硅基体（1）中设有对通的绝缘深槽，绝缘深槽中设有由二氧化硅或氮化硅或多晶硅构成的填充物（3），绝缘深槽之间的硅基体（1）形成隔离电极（4），隔离电极（4）上面与可动结构（5）对应配合，其特征在于包括以下步骤：

（1）、将低阻单晶硅片作为硅基体（1）并氧化形成刻蚀阻挡层（1a），正面光刻隔离深槽图形，经刻蚀形成第一隔离深槽（2a）；

（2）、将氧化形成刻蚀阻挡层（1a）腐蚀干净，然后进行第二次热氧化生长氧化层作为正面第一隔离深槽的绝缘层（2）；

（3）、利用化学气相沉积法将填充物（3）填充至第一隔离深槽（2a）中直至填满；

（4）、硅基体（1）背面刻蚀形成背面第二隔离深槽（2b），然后第三次热氧化生长氧化层作为背面第二隔离深槽（2b）的绝缘层，并利用化学气相沉积法将填充物（3）填充至背面第二隔离深槽（2b）中直至填满；

（5）、可动结构（5）制作完成后与硅基体（1）进行硅硅键合，并在隔离电极（4）上制作铝pad点（6），随后利用金属金作为粘接介质将盖帽（8）与可动结构（5）连接进行了圆片级键合封装。