CN112624031A - 一种带有过刻蚀阻挡层的mems结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构及其制备方法，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。与传统SOG结构的带电极引出的可动质量块结构相比，本发明在器件层底部生长过刻蚀阻挡金属层，当刻蚀深度达到器件层厚度时，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；完成结构加工后通过湿法腐蚀等方式选择性去除过刻蚀阻挡层，即可得到最终需要的MEMS产品结构。

Description

一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构及其制备方法

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)制造技术领域，特别涉及一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构及其制备方法。

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。

该工艺加工过程中，存在的一个难题是待刻蚀的可动质量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

本发明解决的技术问题是：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。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种带有过刻蚀阻挡层的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；

所述衬底层上加工有电极引线与焊盘，两者为同一层的金属材料，采用同一工艺加工过程形成，引线一端与焊盘连接，另一端与锚区连接；

所述器件层、锚区层均为低阻硅材料；器件层上通过光刻、干法刻蚀形成多个孔隙以在器件层上形成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，一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构的制备方法，当衬底层为硅材料时，包括以下步骤：

步骤1：在器件层的晶圆背面，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：在衬底层的硅晶圆背面，通过光刻、干法刻蚀加工形成对准标记；

步骤4：对衬底层的硅晶圆进行热氧化，在表面形成绝缘层，绝缘层的厚度0.5-2μm；

步骤5：在氧化后衬底层的硅晶圆正面通过磁控溅射或电子束蒸发形成铬/ 金或钛/金复合金属层，光刻并腐蚀复合金属层，形成金属电极引线和电极焊盘，引线一端与焊盘连接，另一端与锚区连接；

步骤6：衬底层的晶圆与器件层的晶圆进行金-硅共晶键合；

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。

第三方面，一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构的制备方法，当衬底层为玻璃材料时，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浅槽；

步骤2：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3：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4：在衬底层的玻璃晶圆上通过磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金或钛/ 金复合金属层，光刻并腐蚀金属层，形成金属电极引线和电极焊盘；

步骤5：衬底层的晶圆与器件层的晶圆进行硅-玻璃阳极键合；

步骤6：采用化学机械研磨或碱溶液湿法腐蚀对器件层的晶圆减薄至所需厚度；

步骤7：采用化学机械抛光对器件层的晶圆抛光；

步骤8：对器件层进行光刻与干法刻蚀，形成MEMS敏感结构元件；

步骤9：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带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明提出的一种带过刻蚀阻挡层的MEMS结构及制备方法，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。与传统硅- 玻璃键合结构(SOG结构)的带电极引出的可动质量块结构相比，本发明在器件层底部生长过刻蚀阻挡金属层，当刻蚀深度达到器件层厚度时，过刻蚀阻挡层能阻挡进一步刻蚀，避免损伤衬底层，且不会产生反溅。与在衬底电极层表面生长过刻蚀阻挡层相比，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；完成结构加工后通过湿法腐蚀的方式选择性去除过刻蚀阻挡层，得到最终需要的MEMS产品结构。

附图说明

图1是衬底为硅材料时带过刻阻挡层的MEMS结构横截面示意图；

图2是衬底为玻璃材料时带过刻阻挡层的MEMS结构横截面示意图；

图3a～图3i是衬底层为硅材料时，带过刻阻挡层的MEMS结构工艺加工流程图；

图4a～图4h是衬底层为玻璃材料时，带过刻阻挡层的MEMS结构工艺加工流程图；

图5a是实施例1中MEMS结构解剖后衬底层表面图片；图5b是实施例1 中MEMS结构解剖后器件层底部图片；

图6a是器件层底部无过刻蚀阻挡层时，MEMS结构解剖后衬底层表面图片；图6b是器件层底部无过刻蚀阻挡层时，MEMS结构解剖后器件层底部图片；

图7a是实施例2中MEMS结构解剖后衬底层表面图片；图7b是实施例2 中MEMS结构解剖后器件层底部图片。

附图标号说明

1-器件层；2-衬底层；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-焊盘；11-对准标记；12-浅槽。

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，提供了一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构，如图1和图2所示，包括上层器件层1、底层衬底层2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2通过锚区3连接；

所述衬底层2上加工有电极引线8与焊盘10，两者为同一层的金属材料，采用同一工艺加工过程形成，引线8一端与焊盘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；器件层1上通过光刻、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、锚区层所选用的低阻硅材料的电阻率为 0.001～0.1Ω·cm。

在本发明中，如图1所示，所述衬底层2为硅材料或玻璃材料；衬底层2 为硅材料时，衬底层2与电极引线8及电极焊盘10间加工有绝缘层9，绝缘层 9材料为氧化硅，电极引线8和电极焊盘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。优选地，绝缘层9的厚度为0.5～2μm。

所述衬底层2为硅材料时，衬底层2与器件层1底部的锚区层通过金-硅共晶键合结合起来，键合锚区上下两侧分别为硅材料加工形成的锚区3与电极引线8的金层。

所述衬底层2为硅材料时，在衬底层2的硅晶圆背面，通过光刻、刻蚀硅加工形成对准标记11，作为后续形成Mems敏感结构元件时的光刻对准标记，该对准标记11可以在绝缘层9形成之前加工得到，也可以在绝缘层9形成之后加工得到。

在本发明中，如图2所示，所述衬底层2为玻璃材料时，衬底层2与器件层1底部的锚区层通过硅-玻璃阳极键合结合起来，键合锚区上下两侧分别为硅材料加工的锚区3与玻璃材料衬底层2。优选地，所述锚区3内存在与电极引线8厚度相同的浅槽12，浅槽12内有电极引线8接触点，实现硅器件层1与电极引线8电学连通。

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，用于形成不同的MEMS敏感结构元件。

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、钨的一种。

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

根据本发明的第二方面，提供了一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构的制备方法，当衬底层2为硅材料时，包括以下步骤：

步骤1：在器件层1的晶圆背面，通过光刻与干法刻蚀工艺加工出锚区3，如图3a；

步骤2：采用硬掩模遮挡，在器件层1的晶圆底部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，如图3b；

步骤3：在衬底层2的硅晶圆背面，通过光刻、干法刻蚀加工形成对准标记11，如图3c；

步骤4：对衬底层2的硅晶圆进行热氧化，在表面形成绝缘层9，绝缘层9 的厚度0.5-2μm，如图3d；

步骤5：在氧化后衬底层2的硅晶圆正面通过磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金或钛/金复合金属层，光刻并腐蚀复合金属层，形成金属电极引线8和电极焊盘10，引线8一端与焊盘10连接，另一端与锚区3连接，如图3e；

步骤6：衬底层2的晶圆与器件层1的晶圆进行金-硅共晶键合，如图3f；

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3g；

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3h；

步骤10：采用湿法腐蚀方式去除过刻蚀阻挡层7，如图3i。

本发明中，在上述制备方法中，上述步骤3和步骤4还可以为：

步骤3：对衬底层2的硅晶圆进行热氧化，在表面形成绝缘层9，绝缘层9 的厚度为0.5～2m；

步骤4：在衬底层2的硅晶圆背面，通过光刻、刻蚀或腐蚀氧化硅加工形成对准标记11。

第一种制备方式对准标记为硅晶圆上的浅槽图形，第二种制备方式对准标记为氧化硅绝缘层内的浅槽图形，相较于第一种方式，第二种方式在进行光刻、刻蚀或腐蚀工艺环节，衬底层表面有坚硬的氧化硅保护，不容易受到损伤。

在本发明中，当衬底层2为玻璃材料时，该制备方法包括以下步骤：

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浅槽12，如图4a；

步骤2：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4b；

步骤3：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，如图4c；

步骤4：在衬底层2的玻璃晶圆上通过磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金或钛/金复合金属层，光刻并腐蚀金属层，形成金属电极引线8和电极焊盘10，如图4d；

步骤5：衬底层2的晶圆与器件层1的晶圆进行硅-玻璃阳极键合，如图4e；

步骤6：采用化学机械研磨或碱溶液如KOH溶液湿法腐蚀对器件层1晶圆减薄至所需厚度，如图4f；

步骤7：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8：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4g；

步骤9：采用湿法腐蚀方式去除过刻蚀阻挡层7，如图4h。

实施例

实施例1

一种带过刻蚀阻挡层的MEMS结构及制备方法，制备方法包括如下步骤：

步骤1：在器件层1的硅晶圆背面，通过光刻与干法刻蚀工艺加工出锚区 3，如图3a；器件层1和锚区层的电阻率0.001Ω·cm；

步骤2：采用硬掩模遮挡，在器件层1的晶圆底部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，材料为铝，如图3b；

步骤3：在衬底层2的硅晶圆背面，通过光刻、干法刻蚀加工形成对准标记11，如图3c；

步骤4：对衬底层2的硅晶圆进行热氧化，在表面形成绝缘层9，绝缘层9 的厚度0.5～2μm，如图3d；

步骤5：在氧化后衬底层2的硅晶圆正面通过磁控溅射或电子束蒸发形成钛/金复合金属层，光刻并腐蚀复合金属层，形成金属电极引线8和电极焊盘 10，引线8一端与焊盘10连接，另一端与锚区3连接，如图3e；

步骤6：衬底层2的晶圆与器件层1的晶圆进行金-硅共晶键合，如图3f；

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3g；

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；最终，器件层1的厚度范围为50μm，衬底层2的厚度范围为500μm。锚区层 3的厚度范围为20μm；

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等结构，如图3h；

步骤10：采用热磷酸湿法腐蚀方式去除铝过刻蚀阻挡层7，如图3i。

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5a实施例1解剖后衬层底表面无聚合物残留，金电极无损伤。如图5b实施例1解剖后器件层底部无聚合物、无反溅、敏感结构无损伤。

器件层底部无刻蚀阻挡层时，如图6a解剖后硅衬底层表面大量聚合物残留，刻蚀过程反应气体轰击电极，如图6b器件层敏感结构底部大量聚合物残留。

实施例2

一种带过刻蚀阻挡层的MEMS结构及制备方法，制备方法包括如下步骤：

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浅槽12，如图4a；

步骤2：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4b；器件层1和锚区层的电阻率0.001Ω·cm；

步骤3：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，材料为铝，如图4c；

步骤4：在衬底层2的玻璃晶圆上通过磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金复合金属层，光刻并腐蚀金属层，形成金属电极引线8和电极焊盘10，如图4d；

步骤5：衬底层2的晶圆与器件层1的晶圆进行硅-玻璃阳极键合，如图4e；

步骤6：采用化学机械研磨或KOH溶液湿法腐蚀对器件层1晶圆减薄至所需厚度，如图4f；

步骤7：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；最终，器件层1的厚度范围为50μm，衬底层2的厚度范围为500μm。锚区层 3的厚度范围为20μm；

步骤8：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等结构，如图4g；

步骤9：采用热磷酸湿法腐蚀方式去除铝过刻蚀阻挡层7，如图4h。

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7a实施例2解剖后衬层底表面无聚合物残留，金电极无损伤。如图7b实施例2解剖后器件层底部无聚合物、无反溅、敏感结构无损伤。

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 (10)

1.一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构，其特征在于，包括上层器件层(1)、底层衬底层(2)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(2)通过锚区(3)连接；

所述衬底层(2)上加工有电极引线(8)与焊盘(10)，两者为同一层的金属材料，采用同一工艺加工过程形成，引线(8)一端与焊盘(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；器件层(1)上通过光刻、干法刻蚀形成多个孔隙(4)以在器件层(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所述的带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构，其特征在于，所述衬底层(2)为硅材料或玻璃材料；衬底层(2)为硅材料时，衬底层(2)与电极引线(8)及电极焊盘(10)间加工有绝缘层(9)，绝缘层(9)材料为氧化硅，电极引线(8)和电极焊盘(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。

3.根据权利要求2所述的带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构，其特征在于，所述衬底层(2)为硅材料时，衬底层(2)与器件层(1)底部的锚区层通过金-硅共晶键合结合起来，键合锚区上下两侧分别为硅材料加工形成的锚区(3)与电极引线(8)的金层。

4.根据权利要求2所述的带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构，其特征在于，所述衬底层(2)为硅材料时，在衬底层(2)的硅晶圆背面，通过光刻、刻蚀硅加工形成对准标记(11)，作为后续形成Mems敏感结构元件时的光刻对准标记；任选地，该对准标记(11)可以在绝缘层(9)形成之前加工得到，也可以在绝缘层(9)形成之后加工得到。

5.根据权利要求1所述的带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构，其特征在于，所述衬底层(2)为玻璃材料时，衬底层(2)与器件层(1)底部的锚区层通过硅-玻璃阳极键合结合起来，键合锚区上下两侧分别为硅材料加工的锚区(3)与玻璃材料衬底层(2)；优选地，所述锚区(3)内存在与电极引线(8)厚度相同的浅槽(12)，浅槽(12)内有电极引线(8)接触点，实现硅器件层(1)与电极引线(8)电学连通。

6.根据权利要求1所述的带有过刻蚀阻挡层的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；优选地，所述过刻蚀阻挡层(7)为金属铝、钛、铬、钨的一种。

7.根据权利要求1所述的带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构，其特征在于，所述器件层(1)的厚度为30～200μm，衬底层(2)的厚度为200～600μm，锚区层的厚度为2～100μm。

8.一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构的制备方法，其特征在于，当衬底层(2)为硅材料时，包括以下步骤：

步骤1：在器件层(1)的晶圆背面，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(2)的硅晶圆背面，通过光刻、干法刻蚀加工形成对准标记(11)；

步骤4：对衬底层(2)的硅晶圆进行热氧化，在表面形成绝缘层(9)，绝缘层(9)的厚度0.5-2μm；

步骤5：在氧化后衬底层(2)的硅晶圆正面通过磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金或钛/金复合金属层，光刻并腐蚀复合金属层，形成金属电极引线(8)和电极焊盘(10)，引线(8)一端与焊盘(10)连接，另一端与锚区(3)连接；

步骤6：衬底层(2)的晶圆与器件层(1)的晶圆进行金-硅共晶键合；

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)。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤3和步骤4还可以为：步骤3：对衬底层(2)的硅晶圆进行热氧化，在表面形成绝缘层(9)，绝缘层(9)的厚度为0.5～2m；

步骤4：在衬底层(2)的硅晶圆背面，通过光刻、刻蚀或腐蚀氧化硅加工形成对准标记(11)。

10.一种带有过刻蚀阻挡层的MEMS结构的制备方法，其特征在于，当衬底层(2)为玻璃材料时，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浅槽(12)；

步骤2：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3：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4：在衬底层(2)的玻璃晶圆上通过磁控溅射或电子束蒸发形成铬/金或钛/金复合金属层，光刻并腐蚀金属层，形成金属电极引线(8)和电极焊盘(10)；

步骤5：衬底层(2)的晶圆与器件层(1)的晶圆进行硅-玻璃阳极键合；

步骤6：采用化学机械研磨或碱溶液湿法腐蚀对器件层(1)的晶圆减薄至所需厚度；

步骤7：采用化学机械抛光对器件层(1)的晶圆抛光；

步骤8：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9：采用湿法腐蚀方式去除过刻蚀阻挡层(7)。

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