一種mems器件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種MEMS器件及其制作方法，具體地說，涉及一種采用熱隔離結(jié)構(gòu)和硅柱引線的MEMS器件和工藝制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面對(duì)芯片尺寸越來越小、集成難度越來越高、圓片尺寸越來越大的發(fā)展趨勢，高精度的MEMS器件優(yōu)勢愈發(fā)明顯。熱應(yīng)力對(duì)MEMS器件的力學(xué)性能、可靠性和壽命都有較大影響。熱應(yīng)力廣泛存在與封裝和多層器件中。封裝熱應(yīng)力是導(dǎo)致MEMS器件失效的主要原因之一，熱應(yīng)力主要來自貼片工藝和鍵合工藝中，前者中基板的熱膨脹系數(shù)和貼片膠的彈性模量、熱膨脹系數(shù)及厚度是封裝熱應(yīng)力的主要因素，后者中基板和鍵合溫度主要影響到熱應(yīng)力的大小。在封裝中，與直接貼片到管殼底部相比，MEMS器件底面鍵合熱隔離結(jié)構(gòu)再貼到管殼底部封裝熱應(yīng)力可大大減小。熱應(yīng)力也是MEMS器件多層結(jié)構(gòu)界面裂紋疲勞擴(kuò)展的主要原因之一，在熱應(yīng)力的作用下裂紋易沿界面方向擴(kuò)展；溫度幅值升高，裂紋疲勞擴(kuò)展速率呈指數(shù)關(guān)系增大，最終導(dǎo)致分層失效；通過對(duì)熱應(yīng)力的影響進(jìn)行仿真分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明熱應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)可以大大降低溫度對(duì)器件性能的影響。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，由于熱傳導(dǎo)帶來的應(yīng)力對(duì)器件性能造成了很大的影響，器件性能普遍低下。已有的相關(guān)專利都是在器件層結(jié)合敏感部位制作熱隔離結(jié)構(gòu)的方法，且制作工藝較為復(fù)雜。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中，已有的采用硅柱進(jìn)行垂直引線的相關(guān)專利或者側(cè)重填充方式或者利用整個(gè)SOI硅片進(jìn)行通孔制作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在缺點(diǎn)，提供的一種MEMS器件及其制作方法。即本發(fā)明是為了解決熱應(yīng)力對(duì)器件性能影響、且實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)垂直互連的問題。本發(fā)明是結(jié)合硅硅鍵合技術(shù)，采用基于SOI硅柱作為傳感器結(jié)構(gòu)的電極材料與上電極進(jìn)行硅硅鍵合實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)，將熱應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)與MEMS器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行硅硅鍵合，形成三層全硅結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提尚MEMS器件性能、提尚成品率的目的。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種MEMS器件，包括MEMS器件上電極，MEMS器件上電極的底面鍵合隔熱結(jié)構(gòu)層、MEMS器件上電極的上面鍵合MEMS器件下電極，其特征在于:MEMS器件下電極中設(shè)有一組帶有絕緣結(jié)構(gòu)的硅柱，硅柱下端與MEMS器件上電極中的錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)鍵合連接，MEMS器件下電極頂層的埋氧層中制作與硅柱連接的金屬引線，所述每個(gè)硅柱上端與器件結(jié)構(gòu)下電極中的金屬引線對(duì)應(yīng)連接。
[0007]本發(fā)明還提供了一種MEMS器件的制作方法，其特征在于包括以下步驟:
a.隔熱結(jié)構(gòu)層的制作:在雙拋片中部光刻制作淺腔，雙拋片硅襯底的四個(gè)拐角形成鍵合面，淺腔的位置對(duì)應(yīng)MEMS器件上電極中的可動(dòng)部件； b.MEMS器件下電極的制作:在SOI硅片上制作淺腔、鍵合面以及硅柱，制作刻蝕掩膜層，沿著硅柱圓柱面進(jìn)行深環(huán)槽刻蝕直至SOI硅片的埋氧層，形成硅柱結(jié)構(gòu)，在深環(huán)槽及硅柱的表面制作電隔離絕緣層，最后在深環(huán)槽中填充填充物；
c.MEMS器件上電極的制作:將熱隔離結(jié)構(gòu)層的硅襯底的四個(gè)拐角的鍵合面與采用SOI硅片鍵合，刻蝕該SOI硅片襯底層和埋氧層，釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)、錨點(diǎn)，形成MEMS器件上電極；
d.將MEMS器件上電極與MEMS器件下電極中對(duì)應(yīng)的鍵合面硅硅鍵合，同時(shí)MEMS器件下電極中的硅柱與MEMS器件上電極中的錨點(diǎn)也硅硅鍵合，然后去除MEMS器件下電極中頂層硅，光刻打開埋氧層，制作引線孔，濺射金屬，光刻制作金屬引線，合金。
[0008]本發(fā)明在不需要改變器件結(jié)構(gòu)的情況下，通過添加一獨(dú)立的隔離結(jié)構(gòu)來達(dá)到有效降低熱應(yīng)力、提高器件性能的效果；該熱隔離結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，制作完成后直接與器件層鍵合即可，大大提高了封裝產(chǎn)品的可靠性和器件性能。本發(fā)明針對(duì)雙拋片制作硅柱引線用于MEMS器件結(jié)構(gòu)的工藝進(jìn)行了改進(jìn)，改用SOI硅片進(jìn)行制作硅柱用于MEMS器件引線，實(shí)現(xiàn)器件垂直引線，其優(yōu)點(diǎn):縮小芯片體積，減小寄生電容，更高的傳輸速率及低功耗。
[0009]【附圖說明】:
圖1是熱隔離結(jié)構(gòu)層的剖視圖；
圖2是圖1的俯視圖；
圖3是MEMS器件下電極所采用的SOI硅片剖視圖；
圖4是MEMS器件下電極制作淺腔、硅柱及鍵合點(diǎn)的剖視圖；
圖5是MEMS器件下電極中制作深環(huán)槽的剖視圖；
圖6是MEMS器件下電極中制作深環(huán)槽電隔離絕緣層的剖視圖；
圖7是MEMS器件下電極中制作深環(huán)槽填充物的剖視圖；
圖8是熱隔離結(jié)構(gòu)層與制作MEMS器件上電極的SOI硅片鍵合的剖視圖；
圖9是MEMS器件上電極通過光刻等工藝手段，形成的可動(dòng)結(jié)構(gòu)、錨點(diǎn)的剖視圖；
圖10是MEMS器件下電極與MEMS器件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層鍵合的剖視圖；
圖11是MEMS器件下電極去掉頂層硅的剖視圖；
圖12是在MEMS器件下電極埋氧層光刻制作引線孔的剖視圖；
圖13是在濺射金屬層后經(jīng)過光刻等手段形成的金屬引線剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)和制造方法做進(jìn)一步的說明。
[0011]1.熱隔離結(jié)構(gòu)層I的制作:雙拋片中制作淺腔如圖1、圖2所示，淺腔Ia的位置對(duì)應(yīng)器件層的可動(dòng)部件；同時(shí)，為了減小熱傳將遞只在雙拋片襯底硅的四個(gè)拐角設(shè)置鍵合面lb，盡量減小鍵合面積，在確保器件可靠性的同時(shí)又減少了熱傳遞。
[0012]2.MEMS器件下電極3的制作:選用SOI硅片如圖3所示，MEMS器件下電極制作淺腔如圖4所示，制作刻蝕掩膜層，進(jìn)行深槽刻蝕，形成硅柱3b結(jié)構(gòu)，硅柱與MEMS器件上電極的錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)鍵合；如圖5、圖6所示，沿著硅柱3b圓柱面進(jìn)行深環(huán)槽3d刻蝕直至SOI硅片的埋氧層3e，形成硅柱3b結(jié)構(gòu)，在深環(huán)槽3d及硅柱3b的表面制作電隔離絕緣層3f，最后在深環(huán)槽中填充填充物3h ;最后填充深環(huán)槽如圖7所示； 掩膜層一般濕法生長二氧化硅，填充深環(huán)槽可采用teos、lpcvd、電鍍等，可填充多晶硅、氧化硅、電鍍金屬等，這些都是現(xiàn)有工藝。
[0013]3.MEMS器件上電極2的制作:熱隔離結(jié)構(gòu)層I與SOI硅片鍵合，如圖8所示；去除SOI硅片襯底層和埋氧層，通過光刻工藝等手段結(jié)構(gòu)釋放，形成MEMS器件上電極2，形成與埋氧層2d連接的鍵合面2a、錨點(diǎn)2b及可動(dòng)結(jié)構(gòu)2c，如圖9所示；
去除SOI硅片襯底層和埋氧層可采用機(jī)械減薄和干法刻蝕相結(jié)合，也可以采用干法刻蝕和濕法腐蝕二氧化硅相結(jié)合等。
[0014]4.三層結(jié)構(gòu)制作:如圖10所示，將MEMS器件上電極2與MEMS器件下電極3硅硅鍵合；如圖11、圖12所示，去除MEMS器件下電極3的頂層硅，光刻打開埋氧層3e，制作引線孔4a ；
如圖13所示，在埋氧層3e表面及引線孔內(nèi)4a濺射金屬，通過光刻工藝形成金屬引線4，最后將金屬引線4與娃柱3b進(jìn)行合金處理。
[0015]最后形成完整的MEMS器件，包括MEMS器件上電極2、MEMS器件下電極3、隔熱結(jié)構(gòu)層I。MEMS器件上電極與MEMS器件下電極鍵合，MEMS器件下電極3中帶有絕緣結(jié)構(gòu)的硅柱3b，硅柱下端與MEMS器件上電極中的錨點(diǎn)2b對(duì)應(yīng)鍵合連接，MEMS器件下電極3頂層的埋氧層3e中打開處有金屬引線4。
[0016]本發(fā)明的有益效果:在加工過程中不需要改變器件部分的結(jié)構(gòu)，熱隔離結(jié)構(gòu)簡單，不需要改變器件結(jié)構(gòu)，制作完成后直接與器件層鍵合即可，可以降低熱效應(yīng)對(duì)器件性能影響，大大提高了封裝產(chǎn)品的器件性能；采用基于SOI硅柱作為傳感器結(jié)構(gòu)的電極材料，不需要改變器件結(jié)構(gòu)，相比采用雙拋片進(jìn)行單面制作硅柱引線結(jié)構(gòu)的工藝相比，避免了 CMP工藝和電隔離層氧化工藝，簡化了工藝流程，降低了工藝難度，大大提高了器件制作成品率，實(shí)現(xiàn)器件垂直引線，其優(yōu)點(diǎn):縮小芯片體積，減小寄生電容，更高的傳輸速率及低功耗；硅硅直接鍵合將熱應(yīng)力降至最小。
[0017]而本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)就在于:通過本發(fā)明所述硅柱引線降低工藝難度、縮小芯片體積，減小寄生電容，更高的傳輸速率及低功耗，大大提高M(jìn)EMS器件成品率；全硅結(jié)構(gòu)和熱隔離結(jié)構(gòu)的結(jié)合將熱效應(yīng)程度最小化，大大提高器件性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種MEMS器件，包括MEMS器件上電極(2)，MEMS器件上電極的底面鍵合隔熱結(jié)構(gòu)層(I)、MEMS器件上電極的上面鍵合MEMS器件下電極(3)，其特征在于:MEMS器件下電極(3)中設(shè)有一組帶有絕緣結(jié)構(gòu)的硅柱(3b)，硅柱下端與MEMS器件上電極中的錨點(diǎn)(2b)對(duì)應(yīng)鍵合連接，MEMS器件下電極(3)頂層的埋氧層(3e)中制作與硅柱連接的金屬引線(4)，所述每個(gè)硅柱(3b)上端與器件結(jié)構(gòu)下電極(3)中的金屬引線(4)對(duì)應(yīng)連接。2.一種MEMS器件的制作方法，其特征在于包括以下步驟: a.隔熱結(jié)構(gòu)層(I)的制作:在雙拋片中部光刻制作淺腔(Ia)，雙拋片硅襯底的四個(gè)拐角形成鍵合面(lb)，淺腔(Ia)的位置對(duì)應(yīng)MEMS器件上電極中的可動(dòng)部件； b.MEMS器件下電極(3)的制作:在SOI硅片上制作淺腔(3c)、鍵合面(3a)以及硅柱(3b)，制作刻蝕掩膜層，沿著硅柱(3b)圓柱面進(jìn)行深環(huán)槽(3d)刻蝕直至SOI硅片的埋氧層(3e)，形成硅柱(3b)結(jié)構(gòu)，在深環(huán)槽(3d)及硅柱(3b)的表面制作電隔離絕緣層(3f)，最后在深環(huán)槽中填充填充物(3h); c.MEMS器件上電極⑵的制作:將熱隔離結(jié)構(gòu)層⑴的硅襯底的四個(gè)拐角的鍵合面(Ib)與采用SOI硅片鍵合，刻蝕該SOI硅片襯底層和埋氧層，釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)(2c)、錨點(diǎn)(2a)，形成MEMS器件上電極(2); d.將MEMS器件上電極⑵與MEMS器件下電極(3)中對(duì)應(yīng)的鍵合面硅硅鍵合，同時(shí)MEMS器件下電極(3)中的硅柱與MEMS器件上電極中的錨點(diǎn)也硅硅鍵合，然后去除MEMS器件下電極(3)中頂層硅，光刻打開埋氧層，制作引線孔(4a)，濺射金屬，光刻制作金屬引線(4)，合金。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種MEMS器件，包括MEMS器件上電極(2)、隔熱結(jié)構(gòu)層(1)及MEMS器件下電極(3)，MEMS器件下電極(3)中設(shè)有硅柱(3b)，硅柱的下端與MEMS器件上電極(2)中的錨點(diǎn)(2b)對(duì)應(yīng)鍵合連接、上端與MEMS器件下電極(3)中的金屬引線(4)連接，實(shí)現(xiàn)垂直引線。本發(fā)明的一種MEMS器件，可以通過現(xiàn)有的技術(shù)手段按照本發(fā)明的步驟即可生產(chǎn)出來，在不需要改變器件結(jié)構(gòu)的情況下，通過添加一獨(dú)立的隔離結(jié)構(gòu)來達(dá)到有效降低熱應(yīng)力、提高器件性能的效果，該熱隔離結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，制作完成后直接與器件層鍵合即可，大大提高了封裝產(chǎn)品的可靠性和器件性能；實(shí)現(xiàn)器件垂直引線，縮小芯片體積，減小寄生電容，更高的傳輸速率及低功耗。
【IPC分類】B81B7/02, B81C1/00
【公開號(hào)】CN105036060
【申請?zhí)枴緾N201510365845
【發(fā)明人】王文婧, 郭群英, 黃斌
【申請人】華東光電集成器件研究所
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月29日