CN112591705A - 一种soi型mems结构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种SOI型MEMS结构及其加工方法，包括上层器件层底层衬底层和中间的锚区层，通过衬底层和器件层晶圆键合与刻蚀技术，形成由锚区支撑的可动质量块结构。首先在器件层晶圆上加工形成锚区，在衬底层晶圆上加工形成电极焊盘和电极引线，通过硅‑硅直接键合的方式形成键合片，减薄键合片至所需厚度，刻蚀形成带电极引出的可动质量块结构。与传统SOG结构的带电极引出的可动质量块结构相比，本发明采用薄顶层硅的SOI晶圆作为衬底层，电极引线采用低阻硅材料，通过硅‑硅直接键合形成键合片，具有更高的键合强度和更好的机械可靠性；结构主要材料为硅材料，具有相同的热膨胀系数，避免了材料间的热失配，从而使所加工的产品具有更好的温度稳定性。

Description

一种SOI型MEMS结构及其加工方法

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)制造技术领域，特别涉及一种SOI(Silicon-On-Insulator)型MEMS结构及其加工方法。

背景技术

在微机电系统(MEMS)传感器中常采用可动质量块结构及电容结构实现压力、振动、加速度、角速度等物理量的测量或转换。一种常用的工艺制备方法是通过晶圆键合的方式实现两层晶圆的键合，通过减薄及刻蚀加工一侧的晶圆，形成可动质量块及电容结构。

SOG(Silicon-on-Glass)结构是一种常用的可动质量块与电容结构实现方式，其采用阳极键合工艺实现带有电极的玻璃衬底与器件层晶圆结合，并通过光刻和干法刻蚀加工形成MEMS敏感结构。由于硅与玻璃及金属电极间热膨胀系数存在较大差异，不同温度条件下器件存在弯曲形变，影响器件工作性能。在敏感结构的加工过程中，存在的一个难题是待刻蚀的可动质量块及电容结构图形往往较为复杂，存在不同尺寸的孔隙。这些孔隙在刻蚀过程中具有不同的刻蚀速率，为保证各处孔隙均刻蚀完成，往往会造成衬底片表面损伤，造成器件失效。并且刻蚀过程中在结构底部会沉积刻蚀工艺聚合物，影响产品工作性能。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种SOI型MEMS结构及其加工方法，采用SOI型MEMS结构，解决结构材料热膨胀系数失配问题，提高器件温度稳定性，并克服可动质量块及电容结构在刻蚀工艺过程中，由于不同尺寸孔隙的刻蚀速率差异，造成衬底片表面损伤和结构底部沉积聚合物的问题，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种SOI型MEMS结构，包括上层器件层、底层衬底层和中间的锚区层，所述锚区层分布着多个锚区，器件层和衬底层通过锚区连接；

衬底层由下至上依次包括衬底、绝缘层、电极引线和电极焊盘，所述衬底为硅材料，绝缘层为氧化硅，电极引线为低阻硅材料，电阻率0.001～0.1Ω·cm，电极焊盘为铬/金或钛/金复合层，铬层或钛层位于下层，金层位于上层；电极引线一端与电极焊盘连接，另一端与锚区连接；

所述器件层、锚区层均为低阻硅材料，电阻率为0.001～0.1Ω·cm；器件层上通过光刻与干法刻蚀形成多个孔隙，在器件层上形成MEMS敏感结构元件；在MEMS结构加工过程中器件层底部设置有过刻蚀阻挡层，结构加工完成后，过刻蚀阻挡层被去除。

第二方面，一种SOI型MEMS结构的加工方法，包括以下步骤，

步骤1，在器件层的晶圆上，通过光刻与干法刻蚀工艺加工出锚区；

步骤2，采用硬掩模遮挡，在器件层的晶圆背面非锚区区域通过磁控溅射或电子束蒸发的方式生长过刻蚀阻挡层；

步骤3，在衬底层的SOI晶圆背面，通过光刻与干法刻蚀加工形成对准标记11；

步骤4，在衬底层的SOI晶圆正面磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金或钛/金复合金属层，铬层或钛层位于下层，金层位于上层，光刻并腐蚀金属层，形成电极焊盘；

步骤5：在衬底层的SOI晶圆正面光刻并干法刻蚀顶层硅，形成电极引线；

步骤6：衬底层的晶圆与器件层的晶圆通过锚区进行硅-硅直接键合；

步骤7：采用化学机械研磨对器件层的晶圆减薄至所需厚度；

步骤8：采用化学机械抛光对器件层的晶圆抛光；

步骤9：对器件层进行光刻与干法刻蚀，形成MEMS敏感结构元件；

步骤10：采用湿法腐蚀方式去除过刻蚀阻挡层。

根据本发明提供的一种SOI型MEMS结构及其加工方法，具有以下有益效果：

与传统SOG结构的带电极引出的可动质量块结构相比，本发明采用SOI型结构，结构各部分热膨胀系数相一致，具有更好的热稳定性，且硅-硅直接键合具有更高的键合强度，具有更好的机械可靠性。在结构层背面生长过刻蚀阻挡金属层，当刻蚀深度达到结构层厚度时，过刻蚀阻挡层能阻挡进一步刻蚀，避免损伤衬底层，且刻蚀离子电荷通过金属导走，不会产生反溅。与在衬底电极层表面生长刻蚀阻挡层相比，该过刻蚀阻挡层具有更好的阻挡效果，且能避免刻蚀聚合物沉积在结构底部。

附图说明

图1是SOI型MEMS结构横截面示意图；

图2a～图2i是SOI型MEMS结构加工流程图；

图3a是实施例1中器件层敏感结构光学显微镜照片；图3b是实施例1中器件层敏感结构中弧形弹性梁去除后红外透射式显微镜观察的结构照片。

附图标号说明

1-器件层，2-衬底，3-锚区，4-孔隙，5-质量块，6-梳齿电极，7-过刻蚀阻挡层，8-电极引线，9-绝缘层，10-电极焊盘，11-对准标记。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

根据本发明的第一方面，提供了一种SOI型MEMS结构，如图1所示，包括上层器件层1、底层衬底层和中间的锚区层，所述锚区层分布着多个锚区3，器件层1和衬底层通过锚区3连接；

衬底层由下至上依次包括衬底2、绝缘层9、电极引线8和电极焊盘10，所述衬底2为硅材料，绝缘层9为氧化硅，电极引线8为低阻硅材料，电阻率0.001～0.1Ω·cm，电极焊盘10为铬/金或钛/金复合层，铬层或钛层位于下层，金层位于上层；电极引线8一端与电极焊盘10连接，另一端与锚区3连接；

所述器件层1、锚区层均为低阻硅材料，电阻率为0.001～0.1Ω·cm；器件层1上通过光刻与干法刻蚀形成多个孔隙4，在器件层1上形成MEMS敏感结构元件，如质量块5、弹簧梁及梳齿电极6等结构；在MEMS结构加工过程中器件层1底部设置有过刻蚀阻挡层7，结构加工完成后，过刻蚀阻挡层7被去除。

在本发明中，所述器件层1经刻蚀形成的孔隙4的宽度具有不同尺寸。

在本发明中，所述过刻蚀阻挡层7将孔隙4全部覆盖。优选地，所述过刻蚀阻挡层7为金属铝、钛、铬或钨的一种。

在本发明中，所述器件层1的厚度范围为30～200μm，衬底层的厚度范围为200～600μm，锚区层的厚度范围为2～100μm。

进一步地，所述衬底层采用薄顶硅层的SOI晶圆，其中，顶层硅用于加工电极引线8，厚度为5～10μm，氧化硅作为绝缘层9，厚度为0.5～2μm。

在本发明中，所述衬底层的晶圆背面，通过光刻与干法刻蚀加工形成对准标记11，作为后续形成MEMS敏感结构元件时的对准标记。

根据本发明的第二方面，提供了一种SOI型MEMS结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1，在器件层1的晶圆上，通过光刻与干法刻蚀工艺加工出锚区3；

步骤2，采用硬掩模遮挡，在器件层1的晶圆背面非锚区区域通过磁控溅射或电子束蒸发的方式生长过刻蚀阻挡层7；

步骤3，在衬底层的SOI晶圆背面，通过光刻与刻蚀加工形成对准标记11；

步骤4，在衬底层的SOI晶圆正面磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金或钛/金复合金属层，铬层或钛层位于下层，金层位于上层，光刻并腐蚀金属层，形成电极焊盘10；

步骤5：在衬底层的SOI晶圆正面光刻并干法刻蚀顶层硅，形成电极引线8；

步骤6：衬底层的晶圆与器件层1的晶圆通过锚区3进行硅-硅直接键合；

步骤7：采用化学机械研磨对器件层1的晶圆减薄至所需厚度；

步骤8：采用化学机械抛光对器件层1的晶圆抛光，使其表面光滑平坦；

步骤9：对器件层1进行光刻与干法刻蚀，形成质量块5、弹簧梁及梳齿电极6等MEMS敏感结构元件；

步骤10：采用湿法腐蚀方式去除过刻蚀阻挡层7。

实施例

实施例1

一种SOI型MEMS结构及其加工方法，包括以下步骤：

步骤1，在器件层1的晶圆上，通过光刻与干法刻蚀工艺加工出锚区3，如图2a；

步骤2，采用硬掩模遮挡，在器件层1的晶圆背面非锚区区域通过磁控溅射的方式生长过刻蚀阻挡层7，如图2b；

步骤3，在衬底层的SOI晶圆背面，通过光刻与刻蚀加工形成对准标记11，如图2c；

步骤4，在衬底层的SOI晶圆正面磁控溅射形成铬/金复合金属层，铬层位于下层，金层位于上层，光刻并腐蚀金属层，形成电极焊盘10，如图2d；

步骤5：在衬底层的SOI晶圆正面光刻并干法刻蚀顶层硅，形成电极引线8，如图2e；

步骤6：衬底层的晶圆与器件层1的晶圆通过锚区3进行硅-硅直接键合，如图2f；

步骤7：采用化学机械研磨对器件层1的晶圆减薄至所需厚度，如图2g；

步骤8：采用化学机械抛光对器件层1的晶圆抛光，使其表面光滑平坦；

步骤9：对器件层1进行光刻与干法刻蚀，形成质量块5、弹簧梁及梳齿电极6等MEMS敏感结构元件，如图2h；

步骤10：采用湿法腐蚀方式去除过刻蚀阻挡层7，如图2i。

在工艺加工过程中，在器件层底部设置过刻蚀阻挡层，当宽间隙处器件层刻蚀透后，过刻蚀阻挡层阻止刻蚀过程反应气体损伤器件层底部的衬底层，且避免刻蚀过程钝化气体淀积在衬底层表面和器件层底部。如图3a为实施例1器件层敏感结构光学显微镜照片，敏感结构由弧形弹性梁、锚区等结构构成。如图3b为将实施例1器件层敏感结构中弧形弹性梁去除后，采用红外透射式显微镜观察的结构照片，弧形弹性梁底部衬底层上硅电极引线图形完整，未受到刻蚀影响，无损伤，无聚合物残留。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种SOI型MEMS结构，其特征在于，包括上层器件层(1)、底层衬底层和中间的锚区层，所述锚区层分布着多个锚区(3)，器件层(1)和衬底层通过锚区(3)连接；

衬底层由下至上依次包括衬底(2)、绝缘层(9)、电极引线(8)和电极焊盘(10)，所述衬底(2)为硅材料，绝缘层(9)为氧化硅，电极引线(8)为低阻硅材料，电阻率0.001～0.1Ω·cm，电极焊盘(10)为铬/金或钛/金复合层，铬层或钛层位于下层，金层位于上层；电极引线(8)一端与电极焊盘(10)连接，另一端与锚区(3)连接；

所述器件层(1)、锚区层均为低阻硅材料，电阻率为0.001～0.1Ω·cm；器件层(1)上通过光刻与干法刻蚀形成多个孔隙(4)，在器件层(1)上形成MEMS敏感结构元件；在MEMS结构加工过程中器件层(1)底部设置有过刻蚀阻挡层(7)，结构加工完成后，过刻蚀阻挡层(7)被去除。

2.根据权利要求1所述的SOI型MEMS结构，其特征在于，所述器件层(1)的厚度范围为30～200μm，衬底层的厚度范围为200～600μm，锚区层的厚度范围为2～100μm。

3.根据权利要求1所述的SOI型MEMS结构，其特征在于，所述衬底层采用薄顶硅层的SOI晶圆，其中，顶层硅用于加工电极引线(8)，厚度为5～10μm，氧化硅作为绝缘层(9)，厚度为0.5～2μm。

4.根据权利要求1所述的SOI型MEMS结构，其特征在于，所述过刻蚀阻挡层(7)将孔隙(4)全部覆盖。

5.根据权利要求1所述的SOI型MEMS结构，其特征在于，所述过刻蚀阻挡层(7)为金属铝、钛、铬或钨的一种。

6.根据权利要求1所述的SOI型MEMS结构，其特征在于，所述衬底层的晶圆背面，通过光刻与干法刻蚀加工形成对准标记(11)，作为后续形成MEMS敏感结构元件时的对准标记。

7.一种SOI型MEMS结构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，在器件层(1)的晶圆上，通过光刻与干法刻蚀工艺加工出锚区(3)；

步骤2，采用硬掩模遮挡，在器件层(1)的晶圆背面非锚区区域通过磁控溅射或电子束蒸发的方式生长过刻蚀阻挡层(7)；

步骤3，在衬底层的SOI晶圆背面，通过光刻与干法刻蚀加工形成对准标记(11)；

步骤4，在衬底层的SOI晶圆正面磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金或钛/金复合金属层，铬层或钛层位于下层，金层位于上层，光刻并腐蚀金属层，形成电极焊盘(10)；

步骤5：在衬底层的SOI晶圆正面光刻并干法刻蚀顶层硅，形成电极引线(8)；

步骤6：衬底层的晶圆与器件层(1)的晶圆通过锚区(3)进行硅-硅直接键合；

步骤7：采用化学机械研磨对器件层(1)的晶圆减薄至所需厚度；

步骤8：采用化学机械抛光对器件层(1)的晶圆抛光；

步骤9：对器件层(1)进行光刻与干法刻蚀，形成MEMS敏感结构元件；

步骤10：采用湿法腐蚀方式去除过刻蚀阻挡层(7)。

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