CN105621348A - 一种mems惯性传感器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS惯性传感器件，其结构包括依次通过硅硅键合的硅盖帽层、器件结构层以及硅柱垂直导通层，所述硅盖帽层上具有供所述器件结构层动作的空腔；所述器件结构层上蚀刻有梳齿结构以及与部分所述梳齿结构连接的锚区结构；所述硅柱垂直导通层上蚀刻有分别与各所述锚区结构键合的导通硅柱，以及分别位于各所述导通硅柱周围的绝缘空槽，所述硅柱垂直导通层的密封绝缘层上设有分别与各所述导通硅柱接触的金属联线焊盘。本发明的MEMS惯性传感器件使用SOI衬底制作硅柱，实现硅柱间空腔隔离以及密封绝缘，通过硅硅直接键合实现晶圆级真空封装。

Description

一种MEMS惯性传感器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种MEMS惯性传感器件的加工制造方法，尤其涉及一种体硅垂直导通的MEMS惯性传感器件的加工制造方法。
背景技术
MEMS惯性传感器件包括加速度计，陀螺仪等MEMS器件，是一种基于微机电系统的可用于检测加速度、角速度信号变化的传感器芯片，广泛应用于汽车、手机、导航、医疗等产业，是重要的人机互动界面的连接纽带。
传统的六轴惯性传感器制造工艺，需要将六个不同的独立的传感器芯片分别利用不同工艺装配在一起，实现六轴传感的功能，工艺较复杂，成本较高，且芯片尺寸大。
专利CN103575260A，公开了一种体硅作为感应电极板和通道的微陀螺仪及其加工制造方法，如图1所示，包括硅衬底上基板12、硅衬底下基板1、可动结构层8以及引线，所述的微陀螺仪由体硅电容感应极板和体硅导电通道结构构成，所述的硅衬底上基板12和硅衬底下基板1之间采用键合连接结构，所述的引线为分布在硅衬底上基板12中间部位的第一金属互联窗口18和第二金属互联窗口19，制造顺序分为，硅衬底下基板制造，下基板和可动层制造，硅衬底上基板制造，上下基板键和连接以及引线四部分，虽然该专利工艺步骤少，便于控制，且能减少生产线金属沾污的次数，但是其垂直导电硅柱使用普通硅衬底制作，工艺复杂，需要多次深刻蚀，需要额外沉积密封绝缘层，衬底厚度不容易控制。
专利CN103575260A，缺点在于垂直导电硅柱使用普通硅衬底制作，工艺复杂，需要多次深刻蚀，需要额外沉积密封绝缘层，衬底厚度不容易控制。
AMichiganNanofabricationFacilityprocessattheUniversityofMichigan公开的多用户工艺模块资料“Silicon-On-GlassMEMSDesignHandbook”，多用于惯性器件加速度计和陀螺仪的制作。方案使用硅玻璃键合工艺，如图2所示，包括两个部分，硅衬底部分和玻璃衬底部分。首先，玻璃衬底部分通过蚀刻工艺做出空腔以及其它辅助结构；然后，玻璃衬底和硅衬底通过阳极键合技术键合在一起；最后，在硅衬底部分通过金属沉积蚀刻工艺做出金属联线和金属焊盘，通过深刻蚀工艺做出器件活动结构。此方案使用玻璃衬底，和硅衬底间存在热失配，影响器件的热稳定性；另外，金属连线同平面引出，器件尺寸较大并且不易实现晶圆级真空封装。
“Silicon-On-GlassMEMSDesignHandbook”公开的方案使用玻璃衬底，和硅衬底间存在热失配，影响器件的热稳定性；另外，金属连线同平面引出，器件尺寸较大并且不易实现晶圆级真空封装。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可通过同一加工工艺流程将六轴传感功能制造在一个芯片上、集成六轴传感器芯片的MEMS惯性器件的制造方法，以减小芯片尺寸，降低成本。
本发明的MEMS惯性传感器件的制造方法，包括步骤：
(1)制作硅柱垂直导通层：取SOI(绝缘层上硅)晶圆，将顶层硅高浓度离子掺杂后，使用光刻、蚀刻工艺，蚀刻顶层硅至密封绝缘层，蚀刻出导通硅柱以及绝缘空槽；
(2)制作器件结构层：取硅晶圆并在其上使用光刻、蚀刻工艺，蚀刻出锚区结构；
(3)制作硅盖帽层：取硅晶圆并对其进行氧化，在硅晶圆表面形成氧化硅膜作为氧化绝缘层，然后使用光刻、蚀刻工艺在硅晶圆上蚀刻出空腔；
(4)器件结构层与硅柱垂直导通层的键合：
(41)使用硅硅直接键合工艺，将器件结构层的锚区结构与硅柱垂直导通层的导通硅柱键合在一起，以及将器件结构层的主键合面与硅柱垂直导通层的主键合面键合在一起；
(42)使用光刻、蚀刻工艺在器件结构层上蚀刻出梳齿结构；
(5)键合硅盖帽层：使用硅硅键合工艺，将硅盖帽层的主键合面与器件结构层的主键合面键合在一起；
(6)使用减薄工艺，将硅柱垂直导通层减薄至密封绝缘层，在密封绝缘层上，使用光刻、蚀刻工艺，蚀刻出用于金属联线焊盘与导通硅柱接触的金硅接触区域；
(7)在金硅接触区域上沉积金属，光刻、蚀刻出金属连接焊盘，并将金属合金化。
进一步的，所述步骤(3)在蚀刻出空腔后，还包括将硅晶圆背面减薄至预定厚度的操作。
进一步的，在所述步骤(42)之前，还包括使用减薄抛光工艺，将器件结构层减薄抛光至预定厚度的步骤。
利用上述方法制造的MEMS惯性传感器件，包括依次通过硅硅键合的硅盖帽层、器件结构层以及硅柱垂直导通层，所述硅盖帽层上具有供所述器件结构层动作的空腔；所述器件结构层上蚀刻有梳齿结构以及与部分所述梳齿结构连接的锚区结构；所述硅柱垂直导通层上蚀刻有分别与各所述锚区结构键合的导通硅柱，以及分别位于各所述导通硅柱周围的绝缘空槽，所述硅柱垂直导通层的密封绝缘层上设有分别与各所述导通硅柱接触的金属联线焊盘。
进一步的，所述硅盖帽层与所述器件结构层为硅晶圆，所述硅柱垂直导通层为SOI晶圆。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、相比专利CN103575260A，本发明优点在于使用SOI晶圆制作垂直导电硅柱，工艺简单，易于精确控制硅柱高度，硅柱高度一致性较好，不需要额外沉积密封绝缘层，也不需要解决高深宽比结构的密封绝缘层沉积的问题，仅使用一次深硅刻蚀就能刻蚀出垂直导电硅柱和绝缘空槽；
2、相比“Silicon-On-GlassMEMSDesignHandbook”方案，本发明优点在于使用全硅工艺，器件本身不存在由于材料不同导致的热失配的问题，器件性能较好，电信号采用垂直导通技术，器件尺寸相对较小易于实现晶圆级真空封装，另外金属工艺较少，避免了工艺过程中的金属污染；
3、相比同平面电信号连线引出技术，本发明使用垂直导通连线引出技术可以有效降低芯片尺寸，可以实现晶圆级真空封装；
4、使用衬底硅柱作为垂直导通材料可以降低工艺难度，避免使用金属或多晶硅高填充膜沉积技术，避免金属工艺的出现对后续工艺产生的影响；
5、使用SOI衬底能精确控制硅柱高度，获得更好的硅柱高度一致性，制作工艺更简单，中间绝缘层做密封绝缘层，避免再次沉积一层密封绝缘层；
6、使用硅硅直接键合工艺制作的器件热稳定性更好，并且避免了金属污染。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是背景技术中专利CN103575260A对应的结构示意图；
图2是背景技术中“Silicon-On-GlassMEMSDesignHandbook”方案对应的示意图；
图3(a)至图3(n)是本发明的工艺流程图；
图4是利用本发明的方法制造出的MEMS惯性传感器件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明一较佳实施例所述的一种MEMS惯性传感器件的制造方法如下述：
一、制作硅柱垂直导通层3
1.如图3(a)所示，使用SOI晶圆，顶层硅311高浓度离子掺杂，降低电阻率，为导通硅柱31提供良好的电导率，顶层硅311厚度可定制，决定导通硅柱31的高度；
2.在顶层硅311上，使用光刻、深硅蚀刻工艺，蚀刻顶层硅311至氧化层停止层即密封绝缘层33，蚀刻出导通硅柱31以及绝缘空槽34，如图3(b)所示。
二、制作器件结构层2
1.根据器件要求，选择合适规格的硅晶圆，如图3(c)所示；
2.在硅晶圆上，使用光刻、深刻蚀工艺，蚀刻出锚区结构22，蚀刻深度决定锚区结构22的高度，如图3(d)所示；
三、制作硅盖帽层1
1.根据器件要求，选择合适规格的硅晶圆，对硅晶圆进行氧化工艺，在晶圆表面形成氧化硅膜，用作氧化绝缘层13，如图3(e)所示；
2.在硅晶圆上，使用光刻、蚀刻工艺，蚀刻出空腔11，如图3(f)所示，深度由器件要求决定；
3.将硅晶圆背面减薄，减薄至器件要求厚度，如图3(g)所示。
四、硅盖帽层1、器件结构层2和硅柱垂直导通层3键合
1.使用硅硅直接键合工艺，使器件结构层2和硅柱垂直导通层3键合到一起，主要是使器件结构层2的锚区结构22和硅柱垂直导通层3的导通硅柱31键合在一起，保证较低的连接电阻和足够的键合强度，使器件结构层2的主键合面23和硅柱垂直导通层3的主键合面35键合在一起，保证足够的键合强度，如图3(h)所示；
2.使用减薄抛光工艺，把器件结构层2减薄抛光至器件要求厚度，定义梳齿结构21的高度，如图3(i)所示；
3.在器件结构层2上，使用光刻、深硅蚀刻工艺，蚀刻出梳齿结构21，如图3(j)所示；
4.使用硅硅键合工艺，将硅盖帽层1和其它两层键合在一起，保证键合面有足够的强度，如图3(k)所示；
5.使用减薄工艺，将硅柱垂直导通层3减薄至氧化停止层即密封绝缘层33，保证此层不受到破坏，如图3(l)所示；
6.在密封绝缘层33上，使用光刻、蚀刻工艺，蚀刻出金属联线焊盘32与导通硅柱31的金硅接触区域313，如图3(m)所示；
7.在密封绝缘层33上，沉积金属，并光刻、蚀刻，做出金属联线焊盘32，如图3(n)所示，然后金属合金化，确保金属和硅之间有较低的接触电阻。
利用本发明的上述方法制造的MEMS惯性传感器件，如图4所示，其结构主要包括三个部分：硅盖帽层1，器件结构层2以及硅柱垂直导通层3。硅盖帽层1在器件中起到保护及真空封装的作用，其上做有空腔11，作为器件结构层2的动作空间，主键合面12，作为硅盖帽层1和器件结构层2主要键合区域，氧化绝缘层13，作为硅盖帽层1和器件结构层2之间的绝缘层。器件结构层2作为器件的主要结构层完成器件的执行传感功能，主要包括梳齿结构21，锚区结构22以及主键合面23。梳齿结构21为电容感知检测结构，为器件的主要结构区；锚区结构22主要用作电信号的传导引入引出以及相关结构与硅柱垂直导通层3的键合固定；主键合面23主要是器件结构层2和硅盖帽层1以及硅柱垂直导通层3的键合面。硅柱垂直导通层3作为器件电信号与外界信号的导出导入通道，包括导通硅柱31，金属联线焊盘32，密封绝缘层33，绝缘空槽34以及主要键合面35。导通硅柱31连接器件结构层锚区结构22和金属联线焊盘32，用作电信号的导通；密封绝缘层33用来密封整个器件，并且作为金属联线焊盘32和器件之间的绝缘层；绝缘空槽34用作导通硅柱31之间或和同层其它结构之间的绝缘；主要键合面35为硅柱垂直导通层3和器件结构层2的主要键合区。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种MEMS惯性传感器件的制造方法，其特征在于包括步骤：
(1)制作硅柱垂直导通层：取SOI晶圆，将顶层硅高浓度离子掺杂后，使用光刻、蚀刻工艺，蚀刻顶层硅至密封绝缘层，蚀刻出导通硅柱以及绝缘空槽；
(2)制作器件结构层：取硅晶圆并在其上使用光刻、蚀刻工艺，蚀刻出锚区结构；
(3)制作硅盖帽层：取硅晶圆并对其进行氧化，在硅晶圆表面形成氧化硅膜作为氧化绝缘层，然后使用光刻、蚀刻工艺在硅晶圆上蚀刻出空腔；
(4)器件结构层与硅柱垂直导通层的键合：
(41)使用硅硅直接键合工艺，将器件结构层的锚区结构与硅柱垂直导通层的导通硅柱键合在一起，以及将器件结构层的主键合面与硅柱垂直导通层的主键合面键合在一起；
(42)使用光刻、蚀刻工艺在器件结构层上蚀刻出梳齿结构；
(5)键合硅盖帽层：使用硅硅键合工艺，将硅盖帽层的主键合面与器件结构层的主键合面键合在一起；
(6)使用减薄工艺，将硅柱垂直导通层减薄至密封绝缘层，在密封绝缘层上，使用光刻、蚀刻工艺，蚀刻出用于金属联线焊盘与导通硅柱接触的金硅接触区域；
(7)在金硅接触区域上沉积金属，光刻、蚀刻出金属连接焊盘，并将金属合金化。
2.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器件的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)在蚀刻出空腔后，还包括将硅晶圆背面减薄至预定厚度的操作。
3.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器件的制造方法，其特征在于：在所述步骤(42)之前，还包括使用减薄抛光工艺，将器件结构层减薄抛光至预定厚度的步骤。
4.一种MEMS惯性传感器件，其特征在于：包括依次通过硅硅键合的硅盖帽层、器件结构层以及硅柱垂直导通层，所述硅盖帽层上具有供所述器件结构层动作的空腔；所述器件结构层上蚀刻有梳齿结构以及与部分所述梳齿结构连接的锚区结构；所述硅柱垂直导通层上蚀刻有分别与各所述锚区结构键合的导通硅柱，以及分别位于各所述导通硅柱周围的绝缘空槽，所述硅柱垂直导通层的密封绝缘层上设有分别与各所述导通硅柱接触的金属联线焊盘。
5.根据权利要求4所述的MEMS惯性传感器件，其特征在于：所述硅盖帽层与所述器件结构层为硅晶圆，所述硅柱垂直导通层为SOI晶圆。
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