CN103350983A

CN103350983A - 一种集成晶圆级真空封装的mems器件及其制造方法

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Publication number: CN103350983A
Application number: CN2013102721931A
Authority: CN
Inventors: 周志健; 董靓; 陈永康; 刘政谚; 许国辉; 邝国华; 冯良; 杨恒; 李昕欣
Original assignee: GUANGDONG HEWEI INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG HEWEI INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: CN103350983B

Abstract

本发明公开了一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件及其制造方法，所述制造方法包括：在单晶硅晶圆衬底上形成MEMS结构；在MEMS结构上形成第一牺牲层；在第一牺牲层上形成图形化的电极层；在电极层上形成第二牺牲层；在位于MEMS结构下方的单晶硅晶圆衬底上形成密封空腔，由第三牺牲层密封；图形化第二、第三牺牲层；在第三牺牲层上形成覆盖层；图形化覆盖层，去除所述第一、第二、第三牺牲层，使MEMS结构得到释放；在覆盖层上形成密封结构；在密封结构上形成金属引线；低温退火。本发明使得MEMS结构为单晶硅材料并锚定于封装结构的上部，减少了衬底应力对器件的影响，且电极和MEMS结构之间的间隙极小，降低了器件的能量损耗，实现了低成本、高品质的MEMS器件。

Description

一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，具体涉及一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件及其制造方法。

背景技术

微机电***（Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS），是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路等于一体的微型器件或***。MEMS器件制造技术融合了多种微细加工技术，开辟了一个全新的技术领域和产业。采用MEMS技术制作的微传感器在航空、航天、汽车、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

目前最常见的MEMS制造方法就是使用绝缘体上的硅（SOI）晶圆来制造MEMS器件。此时MEMS结构与衬底之间的牺牲层为SOI晶圆中间的氧化硅材料，封顶材料为外延生长的多晶硅或低压化学气相淀积（LPCVD）的多晶硅、氧化硅、锗硅等，MEMS结构与封顶材料之间的牺牲层为LPCVD氧化硅。另一种制造方法就是使用单晶硅晶圆制造MEMS器件,通常单晶硅晶圆的晶向为<100>。此时MEMS结构由外延生长的硅材料制造，这一外延硅层一部分是单晶硅，而另一部分为多晶硅，真空封装的封顶材料为外延生长的多晶硅或者LPCVD氧化硅，MEMS结构与衬底或者真空封装封顶层之间的牺牲层是低掺杂的硅。

然而，现在使用SOI晶圆制造MEMS器件的方法主要基于晶圆键合工艺，其制造工艺复杂、加工成本高，增加了MEMS器件的制造成本。另一方面，如果使用外延生长的硅材料来加工MEMS结构，由于外延硅层包括部分多晶硅，而多晶硅材料中存在晶胞边界效应，极大地增加了MEMS器件的能量损耗。并且目前常用的MEMS器件的结构部件都锚定于底部的衬底层之上，这样在后续的封装过程中，衬底中任何不匹配的残余应力都会导致MEMS结构部件锚定点的变形，极大地影响了MEMS器件的性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件及其制造方法，以解决MEMS器件中存在衬底应力的问题，降低MEMS器件的制造成本。

本发明公开了一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件的制造方法，包括以下步骤：

在单晶硅晶圆衬底上形成MEMS结构；

在所述MEMS结构上形成第一牺牲层；

在所述第一牺牲层上形成图形化的电极层；

在所述图形化的电极层上形成第二牺牲层；

在所述单晶硅晶圆衬底上形成密封空腔，其中所述密封空腔位于MEMS结构下方，所述密封空腔由形成在所述第二牺牲层上的第三牺牲层密封；

图形化所述第二牺牲层和第三牺牲层，在所述第二牺牲层和第三牺牲层上形成开口结构；

在所述图形化的第三牺牲层上形成覆盖层，所述覆盖层与所述电极层通过所述第二牺牲层和第三牺牲层上的开口相连接；

图形化所述覆盖层，在所述覆盖层上形成开口结构，并通过所述覆盖层的开口结构去除所述第一牺牲层的部分结构、所述第二牺牲层的部分结构和所述第三牺牲层的部分结构，使MEMS结构得到释放；

在所述覆盖层上形成密封结构，在所述密封结构上有用于金属接触的开口结构；

在所述密封结构上形成金属引线；

低温退火。

进一步地，所述单晶硅晶圆衬底的晶向为<111>。

进一步地，在所述MEMS结构上形成第一牺牲层还包括图形化所述第一牺牲层，在所述第一牺牲层上得到开口结构，其中所述第一牺牲层的开口结构用于确定所述MEMS结构的锚定位置。

进一步地，在所述单晶硅晶圆衬底上形成密封空腔包括：

在所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底上形成至少一个连通所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底的开口，用于暴露部分所述单晶硅晶圆衬底；

通过所述开口，在所述单晶硅晶圆衬底上形成一个空腔，其中所述空腔位于MEMS结构下方，在所述单晶硅晶圆衬底上形成空腔的方法是硅的各向异性刻蚀方法；

在所述第二牺牲层上形成第三牺牲层，密封所述开口，使得所述空腔形成一个密封空腔。

进一步地，在所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底上形成至少一个连通所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底的开口包括：

在所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底上形成至少一个连通所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底的第一开口，其中在所述单晶硅晶圆衬底上的第一开口的深度小于所述MEMS结构的高度；

在所述第一开口的内表面形成保护层，并去除位于所述第一开口下表面的所述保护层；

在所述第一开口上继续形成第二开口，其中在所述单晶硅晶圆衬底上的第一开口深度与第二开口深度之和大于所述MEMS结构的高度。

进一步地，所述保护层的厚度小于第一牺牲层与第二牺牲层的厚度之和。

进一步地，去除位于所述第一开口下表面的所述保护层的方法是自对准各向异性刻蚀方法。

进一步地，在所述覆盖层上形成密封结构包括：

在所述覆盖层上形成绝缘层，图形化所述绝缘层形成开口结构，其中所述绝缘层的开口结构用于金属接触。

进一步地，所述电极层和覆盖层都是外延生长的多晶硅层，且掺杂类型相同。

进一步地，在所述覆盖层上形成密封结构包括：

在所述覆盖层上形成密封层，图形化所述覆盖层和密封层形成开口结构，其中所述开口结构与未去除的所述第二牺牲层和第三牺牲层相对准；

在所述密封层上形成绝缘层，图形化所述绝缘层形成开口结构，其中所述绝缘层的开口结构用于金属接触。

进一步地，所述电极层、覆盖层和密封层都是外延生长的多晶硅层，且掺杂类型相同。

本发明另一方面公开了一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件，包括：

单晶硅晶圆衬底；

蚀刻所述单晶硅晶圆衬底形成的MEMS结构；

设置在所述MEMS结构上的电极层，用于控制MEMS结构；

设置在所述电极层上方的覆盖层，形成在所述覆盖层和所述MEMS结构之间的第一空腔以及形成在所述MEMS结构与所述单晶硅晶圆衬底之间的第二空腔，其中所述覆盖层与所述电极层电相连，所述覆盖层与所述电极层上形成有开口结构，所述开口结构用于电隔离；

设置在所述单晶硅晶圆衬底和覆盖层之间的隔离层，用于密封所述第一空腔的侧边；

设置在所述覆盖层上的密封结构，用于密封所述覆盖层的开口结构，其中所述第一空腔和第二空腔形成密封空腔，所述MEMS结构能够在所述密封空腔内活动；

设置在所述密封结构上的金属引线。

本发明在单晶硅晶圆衬底上直接形成MEMS结构，并且在MEMS结构下方的单晶硅晶圆衬底上形成密封空腔，在MEMS结构上方形成电极层和密封结构，使得MEMS结构锚定于封装结构的上部，降低了衬底所带来的残余应力效应。本发明使用多个牺牲层结构用于MEMS结构的释放，使得电极与MEMS可动结构之间的间隙很小，通常在几十个纳米，可以降低MEMS器件的驱动电压进而降低总功耗。同时MEMS结构为单晶硅材料，不存在晶胞边界效应，降低了器件的能量损耗，并且MEMS器件拥有晶圆级的真空封装，实现了低成本、高品质的MEMS器件制造工艺。

附图说明

图1是本发明第一实施例的制造方法的流程图。

图2A-2P是本发明第一实施例的制造方法的工艺流程图。

图3A-3C是本发明第二实施例的制造方法的工艺流程图。

图4是本发明第三实施例的MEMS器件的结构示意图。

图5是本发明第四实施例的MEMS器件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

第一实施例

图1是本发明第一实施例的集成晶圆级真空封装的MEMS器件的制造方法的流程图，图2A-2P是本发明第一实施例的制造方法的工艺流程图。如图1所示，所述制造方法包括：

步骤101、在单晶硅晶圆衬底上形成MEMS结构。所述步骤101包括三个子步骤：

步骤101A、在单晶硅晶圆衬底上形成掩模层。

如图2A所示，在晶向为<111>单晶硅晶圆衬底201上淀积一个掩模层202，所述掩模层202可以是热生长的氧化硅、低压化学气相沉积（LPCVD）氧化硅或者等离子体化学气相沉积（PECVD）氧化硅。

晶向是指通过晶体中原子中心的不同方向的原子列。由于单晶体是由原子周期性规则排列所组成，因此在单晶体中可以划分出一系列彼此平行的晶面，习惯上用晶面指数来标记一个晶面，晶向就可以用垂直于该晶面的法线方向来表示。由于硅属于立方晶体结构，在不同晶面上原子的排列密度不同，导致硅晶体的各向异性，因此杂质的扩散速度、腐蚀速度也不相同。硅单晶在晶面上的原子密度在晶向<111>、晶向<110>和晶向<100>上依次递减，因此杂质扩散速度在晶向<111>、晶向<110>和晶向<100>上依次递增，则腐蚀速度在晶向<111>、晶向<110>和晶向<100>上依次递增。

化学气相淀积，简称CVD(Chemical Vapor Deposition)是把含有构成薄膜元素的一种或者几种化合物或单质气体供给基片，借助气相作用或在基片上的化学反应生成所需薄膜，具体指在高温下的气相反应，例如，金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等的热分解、氢还原或使其混合气体在高温下发生化学反应以析出金属、氧化物、碳化物等无机材料的方法。而低压化学气相沉积，简称LPCVD（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）是指在低于一个大气压的条件下进行的化学气相沉积。等离子体化学气相沉积，简称PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是指在低压CVD中利用辉光放电等离子体的影响生长薄膜。

化学气相沉积具有可沉积各类薄膜、成膜速度快、薄膜的致密性好、残余应力小、薄膜纯度高等诸多优点，所以广泛应用于高纯度金属的精制、粉末合成、半导体薄膜等技术领域。在本发明的实施例中化学气相沉积的作用就是淀积各种功能性的薄膜层，以实现本发明实施例所要达到的工艺效果。

步骤101B、图案化所述掩模层形成开口结构。

如图2B所示，图形化所述掩模层202，具体地说，就是在所述掩模层202上采用光刻、干法刻蚀或者湿法腐蚀等工艺去除所述掩模层202的部分结构，以在所述掩模层202上形成需要的开口图案。

步骤101C、通过所述掩模层上的开口结构在所述单晶硅晶圆衬底上进行刻蚀以形成MEMS结构。如图2C所示，在单晶硅晶圆衬底201上采用深反应离子硅刻蚀（DRIE）工艺刻蚀得到MEMS结构203，并剥离掩模层。刻蚀后可以得到若干深孔，所述深孔的大小和形状根据MEMS器件的设计需要决定。

深反应离子硅刻蚀（DRIE）是基于“Bosch工艺”的原理（也被称作“切换式刻蚀工艺”），可以提供一种极好的各向异性的高速刻蚀硅的方法，同时保持非常高的刻蚀光阻选择比。这个方法是在等离子刻蚀***中，循序重复刻蚀和聚合物沉积步骤。聚合物沉积步骤会在硅导孔侧壁上形成防护膜，防止侧向刻蚀。刻蚀步骤是被优化的，先从刻蚀结构底部去除沉积聚合物，接着以高刻蚀速率刻蚀其下的硅。在本发明实施例中，DRIE工艺用于形成高精度的MEMS结构。

本发明实施例的一个优选实施方式中，优选所述掩模层202为光阻材料，如图2A-2C的工艺流程，可以仅通过一个光刻过程实现，简化了加工步骤。

步骤102、在所述MEMS结构上形成第一牺牲层。

如图2D所示，在所述MEMS结构203上形成第一牺牲层204，在所述MEMS结构上形成第一牺牲层还包括图形化所述第一牺牲层204，在所述第一牺牲层上得到开口结构，其中所述第一牺牲层204的开口结构用于确定所述MEMS结构的锚定位置。

具体地，所述第一牺牲层204使用化学气相淀积工艺形成，其材料为氧化硅。图形化所述第一牺牲层204就是指采用光刻、干法刻蚀或者湿法腐蚀等工艺去除所述第一牺牲层204的部分结构，以在所述第一牺牲层204上形成需要的图案，所述图案的位置就是MEMS结构203设置锚点的位置。

需要特别说明的是，本发明实施例中所述图形化方法都是指采用光刻、干法刻蚀或者湿法腐蚀等工艺去除部分结构，从而形成所需图案的方法，后面将不再赘述。

步骤103、在所述第一牺牲层上形成图形化的电极层，作为MEMS器件的电极。

如图2E所示，在所述第一牺牲层204上形成图形化的电极层205。具体地说，所述电极层205由外延生长的多晶硅形成，且被原位掺杂成P型或者N型。外延生长就是指在某种起始晶体（衬底）上生长具有相同或接近的结晶学取向的薄层晶体的过程。用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中，可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分、导电类型、载流子浓度、厚度等特性。外延发生在加热的衬底的表面上，通过监控衬底的温度可以控制反应过程。

步骤104、在所述图形化的电极层上形成第二牺牲层。

如图2F所示，在所述图形化的电极层205上淀积形成第二牺牲层206，所述第二牺牲层206的材料为氧化硅。

在本发明实施例的一个优选实施方式中，使用LPCVD正硅酸乙酯（TEOS）工艺淀积第二牺牲层206。在使用TEOS作为化学气相淀积的反应剂源时，由于TEOS分子不具有完全的对称结构，能在衬底表面形成氢键且表面迁移率高，具有更好的台阶覆盖特性。

步骤105、在所述单晶硅晶圆衬底上形成密封空腔，其中所述密封空腔位于MEMS结构下方，所述密封空腔由形成在所述第二牺牲层上的第三牺牲层密封。所述步骤105包括三个子步骤：

步骤105A、在所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底上形成至少一个连通所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底的开口，用于暴露部分所述单晶硅晶圆衬底。所述步骤105A还包括三个子步骤：

步骤105AI、在所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底上形成至少一个连通所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底的第一开口，其中在所述单晶硅晶圆衬底上的第一开口的深度小于所述MEMS结构的高度。

如图2G所示，在所述第一牺牲层204、第二牺牲层206和单晶硅晶圆衬底201上形成一个连通所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底的第一开口。具体地说，首先在所述第一牺牲层204和第二层牺牲层206上刻蚀出一个贯穿所述第一牺牲层204和第二层牺牲层206的开口，然后通过所述贯穿第一牺牲层204和第二层牺牲层206的开口，采用DRIE工艺继续刻蚀所述单晶硅晶圆衬底201从而得到第一开口，所述第一开口在所述单晶硅晶圆衬底201上的深度为H1，其中H1小于所述MEMS结构203的高度D。

步骤105AII、在所述第一开口的内表面形成保护层，并去除位于所述第一开口下表面的所述保护层。

如图2H所示，在所述第一开口的内表面形成保护层207，具体地，通过热氧化生长方法得到的所述保护层207为氧化硅材料，其厚度为T3。那么，所述第一牺牲层204、第二牺牲层206和保护层207都是氧化硅，并且所述保护层207的厚度T3要远小于所述第一牺牲层204的厚度T1与第二牺牲层206的厚度T2之和。因此，就可以采用自对准各向异性氧化硅干法刻蚀工艺来去除位于所述第一开口下表面的所述保护层207。这样，所述保护层207位于第一开口侧面的部分被保留下来，用于所述第一开口的横向保护。

所谓自对准技术是指在微电子技术中利用元件、器件结构特点实现光复印自动对准的技术。在使用自对准各向异性氧化硅干法刻蚀去除位于所述第一开口下表面的所述保护层207时，刻蚀深度为所述保护层207的厚度T3，由于所述第一牺牲层204的厚度T1与第二牺牲层206的厚度T2之和远大于T3，所以所述自对准刻蚀基本不影响所述第一牺牲层204和第二牺牲层206，从而简化了刻蚀步骤。

步骤105AIII、在所述第一开口上继续形成第二开口，其中在所述单晶硅晶圆衬底上的第一开口深度与第二开口深度之和大于所述MEMS结构的高度。

如图2I所示，在所述第一开口上继续形成第二开口，刻蚀方法仍然采用DRIE工艺，所述第二开口的深度为H2，其中在所述单晶硅晶圆衬底201上的第一开口深度H1与第二开口深度H2之和大于所述MEMS结构的高度D。

步骤105B、通过所述开口，在所述单晶硅晶圆衬底上形成一个空腔，其中所述空腔位于MEMS结构下方，在所述单晶硅晶圆衬底上形成空腔的方法是硅的各向异性刻蚀方法。

如图2J所示，通过所述单晶硅晶圆衬底201上的开口结构，在位于MEMS结构203下方的所述单晶硅晶圆衬底201上形成一个空腔，其中形成空腔的方法是硅的各向异性刻蚀方法，刻蚀溶液可以是氢氧化钾（KOH）或者四甲基氢氧化铵（TMAH），由于刻蚀溶液对硅晶体不同晶向的刻蚀具有选择性，而在本发明实施例中使用了<111>晶向的单晶硅晶圆衬底201，所以刻蚀以后可以形成非常平整的腔体表面。所述空腔的深度为所述第一开口深度H1与第二开口深度H2之和减去所述MEMS结构的高度D。

步骤105C、在所述第二牺牲层上形成第三牺牲层，密封所述开口，使得所述空腔形成一个密封空腔。

如图2K所示，在所述第二牺牲层206上淀积形成第三牺牲层208，密封所述开口，使得所述空腔形成一个密封空腔，其中所述第三牺牲层208的材料为氧化硅。

步骤106、图形化所述第二牺牲层和第三牺牲层，在所述第二牺牲层和第三牺牲层上形成开口结构。

如图2L所示，图形化所述第二牺牲层206和第三牺牲层208，在所述第二牺牲层206和第三牺牲层208上刻蚀形成开口结构。

步骤107、在所述图形化的第三牺牲层上形成覆盖层，所述覆盖层与所述电极层通过所述第二牺牲层和第三牺牲层的开口相连接。

如图2M所示，在所述图形化的第二牺牲层206上形成覆盖层209，所述覆盖层209与所述电极层205通过所述第二牺牲层206和第三牺牲层208的开口相连接。具体地说，所述覆盖层209由外延生长的多晶硅形成，且被原位掺杂成P型或者N型，其掺杂类型与所述电极层205的掺杂类型一样，这样所述覆盖层209与所述电极层205实现了电相连。

步骤108、图形化所述覆盖层，在所述覆盖层上形成开口结构，并通过所述覆盖层的开口结构去除所述第一牺牲层的部分结构、所述第二牺牲层的部分结构和所述第三牺牲层的部分结构，使MEMS结构得到释放。

如图2N所示，图形化所述覆盖层209，即在所述覆盖层209上刻蚀形成开口结构，并通过所述覆盖层209的开口结构，使用气态氢氟酸刻蚀所述第一牺牲层204、第二牺牲层206和第三牺牲层208，使MEMS结构得到释放。

需要特别说明的是，所述第一牺牲层204、第二牺牲层206和第三牺牲层208并没有被完全刻蚀去除，而是保留了一部分作为后续真空封装结构的部分组成。由于所述第一牺牲层204、第二牺牲层206和第三牺牲层208都是氧化硅材料，在结构上可以看做一个整体，所以在本实施例后续的工艺中，统一使用第三牺牲层208作为代表进行描述。

步骤109、在所述覆盖层上形成密封结构，在所述密封结构上有用于金属接触的开口结构。

如图2O所示，在所述覆盖层209上淀积形成绝缘层210，图形化所述绝缘层形成开口结构，其中所述绝缘层210的开口结构用于金属接触。

步骤110、在所述密封结构上形成金属引线，所述金属引线与外部控制电路相连。

如图2P所示，在所述密封结构上形成金属引线211。

步骤111、低温退火。

最后，对采用上述工艺流程制作的MEMS器件进行低温退火

本发明实施例通过直接在单晶硅晶圆衬底上刻蚀形成MEMS结构，并且在MEMS结构下方的单晶硅晶圆衬底上形成密封空腔，使得MEMS结构为单晶硅材料，不存在晶胞边界效应，减少了MEMS器件的能量损耗，并且MEMS结构锚定于封装结构的上部，降低了衬底所带来的应力效应。本实施例使用了多个牺牲层结构用于MEMS结构的释放，使得电极与MEMS可动结构之间的间隙很小，可以降低MEMS器件的驱动电压进而降低总功耗。同时单晶硅晶圆制造工艺简单、价格低廉，从而降低了MEMS器件的生产成本。

第二实施例

图3A-3C是本发明第二实施例的制造方法的工艺流程图。所述本发明第二实施例的工艺流程与所述第一实施例中的步骤101至步骤108的工艺完全相同，这里不再赘述，在所述步骤108的基础上，继续所述本发明第三实施例的工艺流程，包括：

步骤109＇、在所述覆盖层上形成密封结构，在所述密封结构上有用于金属接触的开口结构。所述步骤109＇包括两个子步骤：

步骤109＇A、在所述覆盖层上形成密封层，图形化所述覆盖层和密封层形成开口结构，其中所述开口结构与未去除的所述第二牺牲层和第三牺牲层相对准。

如图3A所示，在所述覆盖层209上形成密封层212，图形化所述覆盖层209和密封层212形成开口结构，其中所述开口结构与未去除的所述第二牺牲层206和第三牺牲层208相对准。具体地说，所述密封层212由外延生长的多晶硅形成，且被原位掺杂成P型或者N型，其掺杂类型与所述电极层205和所述覆盖层209的掺杂类型一样。通过刻蚀工艺在所述覆盖层209和密封层212形成开口结构，并且所述开口结构与未去除的所述第二牺牲层206和第三牺牲层208相对准，这样在保证不破坏密封空腔的密闭性同时实现了所述电极层205不同部分的电隔离。

需要特别说明的是，所述第二牺牲层206和第三牺牲层208都是氧化硅材料，在结构上可以看做一个整体，所以在本实施例后续的工艺中，统一使用第三牺牲层208作为代表进行描述。

步骤109＇B、在所述密封层上形成绝缘层，图形化所述绝缘层形成开口结构，其中所述绝缘层的开口结构用于金属接触。

如图3B所示，在所述密封层212上淀积形成绝缘层213，图形化所述绝缘层形成开口结构，其中所述绝缘层213的开口结构用于金属接触。

步骤110＇、在所述绝缘层上形成金属引线，所述金属引线与外部控制电路相连。

如图3C所示，在所述绝缘层213上形成金属引线214。

步骤111＇、低温退火。

最后，对采用上述工艺流程制作的MEMS器件进行低温退火。

本发明实施例通过外延生长多晶硅的方式密封MEMS器件的空腔结构，这样在所述密封空腔内剩余的气体以氢气为主，由于氢气分子极小，所以在后续的低温退火过程中，不但降低了金属和多晶硅的接触电阻，而且使得密封空腔中的残余氢气全部扩散出去，实现了压毫托级的真空封装。

第三实施例

图4是本发明第三实施例的集成晶圆级真空封装的MEMS器件的结构示意图，其中所述MEMS器件是采用本发明第一实施例的工艺流程制造得到的。如图4所示，所述器件包括：

单晶硅晶圆衬底41。

刻蚀所述单晶硅晶圆衬底41形成的MEMS结构42。

设置在所述MEMS结构42上的电极层43，用于控制MEMS结构42。

设置在所述电极层43上方的覆盖层44，形成在所述覆盖层44和所述MEMS结构42之间的第一空腔以及形成在所述MEMS结构42与所述单晶硅晶圆衬底41之间的第二空腔，其中所述覆盖层44与所述电极层43电相连，所述覆盖层44与所述电极层43上形成有开口结构，所述开口结构用于电隔离，所述电极层43和覆盖层44都是外延生长的多晶硅层，且掺杂类型相同。

设置在所述单晶硅晶圆衬底41和覆盖层44之间的隔离层45，用于密封所述第一空腔的侧边。

设置在所述覆盖层44上的密封结构46，用于密封所述覆盖层44的开口结构，其中所述第一空腔和第二空腔形成密封空腔，所述MEMS结构42能够在所述密封空腔内活动。

设置在所述密封结构46上的金属引线47，用于连接外部控制电路。

本发明实施例在单晶硅晶圆衬底上设置MEMS结构，并且在MEMS结构下方的单晶硅晶圆衬底上设置密封空腔，使得MEMS结构为单晶硅材料，不存在晶胞边界效应，减少了MEMS器件的能量损耗，并且MEMS结构锚定于封装结构的上部，降低了衬底所带来的应力效应。同时由于单晶硅晶圆的制造工艺简单、价格低廉，从而降低了MEMS器件的生产成本。

第四实施例

图5是本发明第四实施例的集成晶圆级真空封装的MEMS器件的结构示意图，其中所述MEMS器件是采用本发明第二实施例的工艺流程制造得到的。如图5所示，所述器件包括：

单晶硅晶圆衬底51。

刻蚀所述单晶硅晶圆衬底51形成的MEMS结构52。

设置在所述MEMS结构52上的电极层53，用于控制MEMS结构52。

设置在所述电极层53上方的覆盖层54，形成在所述覆盖层54和所述MEMS结构52之间的第一空腔以及形成在所述MEMS结构52与所述单晶硅晶圆衬底51之间的第二空腔，其中所述覆盖层54与所述电极层53电相连。

设置在所述单晶硅晶圆衬底51和覆盖层54之间的隔离层55，用于密封所述第一空腔的侧边。

设置在所述覆盖层54上的密封层56，用于密封所述覆盖层54的开口结构，其中所述第一空腔和第二空腔形成密封空腔，所述MEMS结构52能够在所述密封空腔内活动，所述覆盖层54与所述密封层56上形成有开口结构，所述开口结构用于电隔离。

需要特别说明的是，所述电极层53、覆盖层54和密封层56都是外延生长的多晶硅层，且掺杂类型相同。所述覆盖层54与所述密封层56上的开口结构的位置与隔离层55相对准，其中隔离层55是指位于电极层53和覆盖层54之间的部分，这样在保证不破坏所述密封空腔的密闭性同时实现了所述电极层205不同部分的电隔离。

设置在所述密封层56上的绝缘层57，所述密封层56和绝缘层57构成了器件的密封结构。

设置在所述绝缘层57上的金属引线58，其用于连接外部控制电路。

本发明实施例使用外延生长的多晶硅来密封MEMS器件的空腔结构，这使得MEMS器件的密封空腔中残余的气体以氢气为主，由于氢气分子极小，所以仅剩的残余氢气在低温退火过程中几乎全部扩散出去，实现了压毫托级的真空封装。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在单晶硅晶圆衬底上形成MEMS结构；

在所述MEMS结构上形成第一牺牲层；

在所述第一牺牲层上形成图形化的电极层；

在所述图形化的电极层上形成第二牺牲层；

在所述密封结构上形成金属引线；

低温退火。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶硅晶圆衬底的晶向为<111>。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述MEMS结构上形成第一牺牲层还包括图形化所述第一牺牲层，在所述第一牺牲层上得到开口结构，其中所述第一牺牲层的开口结构用于确定所述MEMS结构的锚定位置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述单晶硅晶圆衬底上形成密封空腔包括：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底上形成至少一个连通所述第一牺牲层、第二牺牲层和单晶硅晶圆衬底的开口包括：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述保护层的厚度小于第一牺牲层与第二牺牲层的厚度之和。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，去除位于所述第一开口下表面的所述保护层的方法是自对准各向异性刻蚀方法。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述覆盖层上形成密封结构包括：

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电极层和覆盖层都是外延生长的多晶硅层，且掺杂类型相同。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述覆盖层上形成密封结构包括：

11.如权利要求1或10所述的方法，其特征在于，所述电极层、覆盖层和密封层都是外延生长的多晶硅层，且掺杂类型相同。

12.一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件，其特征在于，包括：

单晶硅晶圆衬底；

蚀刻所述单晶硅晶圆衬底形成的MEMS结构；

设置在所述MEMS结构上的电极层，用于控制MEMS结构；

设置在所述密封结构上的金属引线。

13.如权利要求12所述的器件，其特征在于，所述电极层和覆盖层都是外延生长的多晶硅层，且掺杂类型相同。