CN105293419B - 一种防止悬浮层刻蚀损伤的mems器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件，其特征在于：衬底硅（3）表面设有浅腔（4）、电极（9）及电极隔离槽（5），在浅腔（4）表面设有厚度1500Å‑5000Å的第一氧化层（6）和厚度范围500Å‑1500Å的第二氧化层（7），可动结构层（8）键合到衬底的SOI硅片顶层硅（3）上；盖帽硅片（10）通过玻璃浆料（11）与衬底的SOI硅片顶层硅（3）键合，实现晶圆级真空封装。本发明与传统MEMS器件相比优点在于：采用台阶式二氧化硅层对下电极结构进行保护，即能很好地保护下电极结构不被刻蚀，又能避免结构层发生刻蚀反溅损伤，保证可动结构的完整性，器件结构实现方法简单、可行，便于形成标准工艺。

Description

一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，特别涉及一种防止悬浮结构刻蚀损伤的MEMS结构。

背景技术

微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的一门跨学科技术，利用光刻、刻蚀、成膜、键合等微细加工手段形成电子机械结构，融合了电子、材料、机械、物理、化学、生物等多种领域。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、智能终端、物联网、生物医学等领域有广泛引用。

与半导体集成电路相比，MEMS器件一般包含可动机械结构，目前，MEMS制造工艺以体硅工艺为主，一般利用键合技术与深反应离子刻蚀技术相结合形成可动机械结构。键合技术可以实现机械结构悬空层的制备，深反应离子刻蚀技术实现可动机械结构悬空层的刻蚀释放，从而实现可动结构制作。由于深反应离子刻蚀技术存在lag效应（一般开口大的区域刻蚀速度快，开口小的区域刻蚀速度慢），在可动结构刻蚀释放过程中，开口大的区域与开口小的区域不会同时刻通，导致开口大的区域过刻蚀时间较长。过刻蚀会导致可动结构底部硅电互联引线损伤，一般采用氧化法在底部硅引线表面形成二氧化硅，起到刻蚀保护作用。然而二氧化硅的存在会导致刻蚀离子在二氧化硅表面积累，产生反向电场，导致刻蚀离子方向发生改变，对可动结构层底部产生很大损伤。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有的MEMS器件在刻蚀过程中，刻蚀离子在二氧化硅表面积累，产生反向电场，导致刻蚀离子方向发生改变，对可动结构层底部产生很大损伤的缺陷，提出了一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件，本发明的另一目的就是提供一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件制作方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件，由SOI硅片衬底、可动结构层8和盖帽硅片1组成，其特征在于：

衬底的SOI硅片顶层硅采用N型或P型低阻硅，电阻率0.001Ω·cm- 0.5Ω·cm；

在衬底的SOI硅片顶层硅表面设有浅腔、电极及电极隔离槽，在浅腔表面设有第一氧化层和第二氧化层，第一氧化层的厚度大于第二氧化层的厚度，第一氧化层的厚度选择范围为1500Å-5000Å，第二氧化层的厚度选择范围500Å-1500Å；

可动结构层通过晶圆键合方式键合到衬底的SOI硅片顶层硅上，可动结构层上可动结构的较大开口对应于第一氧化层、较小开口对应于第二氧化层；

盖帽硅片通过玻璃浆料与衬底的SOI硅片顶层硅键合，实现晶圆级真空封装。

本发明提供的MEMS结构，采用台阶式二氧化硅层（第一氧化层和第二氧化层）对下电极引线结构进行刻蚀保护。若下电极硅（衬底的SOI硅片顶层硅上的电极）没有氧化层，可动结构层释放刻蚀过程中，结构层硅刻通后，刻蚀离子会继续刻蚀下电极硅，导致下电极硅被刻蚀损坏。这里利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀硅对二氧化硅的选择比较高，可以利用二氧化硅层对下电极硅进行保护。但由于深反应离子刻蚀工艺存在lag效应，在可动结构层刻蚀释放过程中，开口大的区域与开口小的区域不会同时刻通，导致开口大的区域过刻蚀时间较长，因此需要较厚的氧化层进行保护。而氧化层厚度超过一定范围后，会产生电荷积累效应，导致可动结构层开口区域小的位置出现反溅刻蚀损伤。本发明中，利用台阶式氧化层解决上述问题：在开口区域小的位置制作薄层二氧化硅，当二氧化硅层小于1500 Å时不会对可动结构层产生反溅刻蚀损伤，并且开口小的区域过刻蚀时间短，薄层二氧化硅能够保证抗刻蚀效果。

本发明还提供了一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件制作方法，其特征在于包括以下步骤：

（a）.衬底采用SOI硅片，利用光刻、刻蚀技术在SOI硅片顶层硅表面形成浅腔及电极，保证可动结构运动空间；利用光刻、刻蚀技术形成电极隔离槽，从而形成下电极互联引线；

（b）.在SOI硅片顶层硅表面热氧化生长厚二氧化硅层，典型（即可选择范围）氧化层厚度为1500Å-5000Å，并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第一氧化层的图形；

（c）.在SOI硅片顶层硅表面热氧化生长薄氧化层，典型薄氧化层厚度为500Å-1500Å，并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第二氧化层的图形；

（d）.衬底SOI硅片顶层硅与可动结构层SOI硅片硅硅直接键合，并利用减薄技术去除结构层SOI硅片衬底硅及埋氧层；结构层SOI硅片也可以为双抛硅片， 通过减薄抛光处理形成硅片可动结构层；

（e）.利用光刻、ICP刻蚀技术进行可动结构层释放刻蚀，刻蚀后形成可动结构；

（f）.利用shadow mask金属溅射或者蒸发在结构层上形成金属PAD点；

（f）.利用玻璃浆料实现盖帽硅片与衬底SOI硅片顶层硅结构晶圆键合；

（g）.盖帽硅片经过划片露出PAD点。

本发明与传统MEMS器件结构相比优点在于：采用台阶式二氧化硅层对下电极结构进行保护，即能很好地保护下电极结构不被刻蚀，又能避免结构层发生刻蚀反溅损伤，保证可动结构的完整性，器件结构实现方法简单、可行，便于形成标准工艺。

附图说明

图1-图13为本发明MEMS器件结构制作工艺流程图；

图13为本发明MEMS器件结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图13所示，本发明提供的一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件，由SOI硅片衬底、可动结构层8和盖帽硅片10组成，

衬底采用SOI硅片（由衬底硅1、埋氧层2和顶层硅3组成）制作， SOI硅片顶层硅3采用N型或P型低阻硅，电阻率0.001Ω·cm- 0.5Ω·cm；

在衬底的SOI硅片顶层硅3表面设有浅腔4、电极9（也称下电极）及电极隔离槽5，在浅腔4表面设有第一氧化层6和第二氧化层7，第一氧化层6的厚度大于和第二氧化层7的厚度，第一氧化层6的厚度选择范围为1500Å-5000Å，第二氧化层7的厚度选择范围500Å-1500Å；

可动结构层8通过晶圆键合方式键合到衬底的SOI硅片顶层硅3上，可动结构层8上可动结构8a的较大开口对应于第一氧化层6、较小开口对应于第二氧化层7；

盖帽硅片10通过玻璃浆料11与衬底的SOI硅片顶层硅3上的第一氧化层6键合，实现晶圆级真空封装。

本发明的MEMS器件结构制作的主要工艺流程如图1-13所示，具体步骤如下：

（1）如图1所示，为衬底采用的SOI硅片，包含衬底硅1、埋氧层2、顶层硅3。

（2）如图2所示，衬底采用SOI硅片，利用光刻、刻蚀技术在SOI硅片顶层硅3表面形成浅腔4及下电极9，保证可动结构运动空间。

（3）如图3所示，利用光刻、刻蚀技术形成电极隔离槽5，从而形成下电极9互联引线。

如图4-图5所示，在SOI硅片顶层硅3表面热氧化生长厚二氧化硅层6a，典型厚氧化层厚度为1500Å-5000Å，并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第一氧化层6的图形；

如图6-图7所示，在SOI硅片顶层硅3表面上去除第一氧化层6的区域，热氧化生长薄二氧化硅层7a，典型薄氧化层厚度为500Å-1500Å，并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第二氧化层7的图形；

如图8-图9所示，衬底SOI硅片顶层硅3与可动结构层SOI硅片硅硅直接键合，并利用减薄技术去除结构层SOI硅片衬底硅及埋氧层，通过减薄抛光处理形成硅片可动结构层8；

如图10所示，利用光刻、ICP刻蚀技术进行可动结构层8释放刻蚀，刻蚀后形成可动结构8a；

如图11所示，利用shadow mask金属溅射或者蒸发在结构层8上形成金属PAD点12；

如图12所示，利用玻璃浆料11实现盖帽硅片10与衬底SOI硅片顶层硅3结构晶圆键合；

如图13所示，盖帽硅片10经过划片露出PAD点12。

经上述工艺流程，实现了MEMS器件结构的制作。

Claims (2)

1.一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS 器件，由SOI 硅片衬底、可动结构层（8）和盖帽硅片（10）组成，其特征在于：

衬底的SOI 硅片顶层硅（3）采用N 型或P 型低阻硅，电阻率0.001Ω·cm- 0.5Ω·cm；

在衬底的SOI 硅片顶层硅（3）表面设有浅腔（4）、电极（9）及电极隔离槽（5），在浅腔（4）表面设有第一氧化层（6）和第二氧化层（7），第一氧化层（6）的厚度大于第二氧化层（7）的厚度，第一氧化层（6）的厚度选择范围为1500Å-5000Å，第二氧化层（7）的厚度选择范围500Å-1500Å ；

可动结构层（8）通过晶圆键合方式键合到衬底的SOI 硅片顶层硅（3）上，可动结构层（8）上可动结构（8a）的较大开口对应于第一氧化层（6）、较小开口对应于第二氧化层（7）；

盖帽硅片（10）通过玻璃浆料（11）与衬底的SOI 硅片顶层硅（3）键合，实现晶圆级真空封装。

2.一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS 器件制作方法，其特征在于包括以下步骤：

（a）. 衬底采用SOI 硅片，利用光刻、刻蚀技术在SOI 硅片顶层硅（3）表面形成浅腔（4）及电极（9），保证可动结构运动空间；利用光刻、刻蚀技术形成电极隔离槽（5），从而形成下电极互联引线；

（b）. 在SOI 硅片顶层硅（3）表面热氧化生长厚二氧化硅层（6a），厚二氧化硅层厚度为1500Å-5000Å，并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第一氧化层（6）的图形；

（c）. 在SOI 硅片顶层硅（3）热氧化生长薄二氧化硅层（7a），薄氧化层厚度为500Å-1500Å，并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第二氧化层（7）的图形；

（d）. 衬底SOI 硅片顶层硅（3）与可动结构层SOI 硅片硅硅直接键合，并利用减薄技术去除结构层SOI 硅片衬底硅及埋氧层， 通过减薄抛光处理形成硅片可动结构层（8）；

（e）. 利用光刻、ICP 刻蚀技术进行可动结构层（8）释放刻蚀，刻蚀后形成可动结构（8a）；

（f）. 利用shadow mask 金属溅射或者蒸发在结构层（8）上形成金属PAD 点 （12）；

（g）. 利用玻璃浆料（11）实现盖帽硅片（10）与衬底SOI 硅片顶层硅（3）结构晶圆键合；

（h）. 盖帽硅片（10）经过划片露出PAD 点（12）。