CN105036060A - 一种mems器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS器件，包括MEMS器件上电极(2)、隔热结构层(1)及MEMS器件下电极(3)，MEMS器件下电极(3)中设有硅柱(3b)，硅柱的下端与MEMS器件上电极(2)中的锚点(2b)对应键合连接、上端与MEMS器件下电极(3)中的金属引线(4)连接，实现垂直引线。本发明的一种MEMS器件，可以通过现有的技术手段按照本发明的步骤即可生产出来，在不需要改变器件结构的情况下，通过添加一独立的隔离结构来达到有效降低热应力、提高器件性能的效果，该热隔离结构简单、易于加工，制作完成后直接与器件层键合即可，大大提高了封装产品的可靠性和器件性能；实现器件垂直引线，缩小芯片体积，减小寄生电容，更高的传输速率及低功耗。

Description

一种MEMS器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS器件及其制作方法，具体地说，涉及一种采用热隔离结构和硅柱引线的MEMS器件和工艺制作方法。

背景技术

面对芯片尺寸越来越小、集成难度越来越高、圆片尺寸越来越大的发展趋势，高精度的MEMS器件优势愈发明显。热应力对MEMS器件的力学性能、可靠性和寿命都有较大影响。热应力广泛存在与封装和多层器件中。封装热应力是导致MEMS器件失效的主要原因之一，热应力主要来自贴片工艺和键合工艺中，前者中基板的热膨胀系数和贴片胶的弹性模量、热膨胀系数及厚度是封装热应力的主要因素，后者中基板和键合温度主要影响到热应力的大小。在封装中，与直接贴片到管壳底部相比，MEMS器件底面键合热隔离结构再贴到管壳底部封装热应力可大大减小。热应力也是MEMS器件多层结构界面裂纹疲劳扩展的主要原因之一，在热应力的作用下裂纹易沿界面方向扩展；温度幅值升高，裂纹疲劳扩展速率呈指数关系增大，最终导致分层失效；通过对热应力的影响进行仿真分析、实验验证，结果表明热应力隔离结构可以大大降低温度对器件性能的影响。

在现有技术中，由于热传导带来的应力对器件性能造成了很大的影响，器件性能普遍低下。已有的相关专利都是在器件层结合敏感部位制作热隔离结构的方法，且制作工艺较为复杂。

在现有技术中，已有的采用硅柱进行垂直引线的相关专利或者侧重填充方式或者利用整个SOI硅片进行通孔制作。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术中存在缺点，提供的一种MEMS器件及其制作方法。即本发明是为了解决热应力对器件性能影响、且实现器件结构垂直互连的问题。本发明是结合硅硅键合技术，采用基于SOI硅柱作为传感器结构的电极材料与上电极进行硅硅键合实现器件结构，将热应力隔离结构与MEMS器件结构进行硅硅键合，形成三层全硅结构，从而达到提高MEMS器件性能、提高成品率的目的。

本发明采用的技术方案如下：

一种MEMS器件，包括MEMS器件上电极，MEMS器件上电极的底面键合隔热结构层、MEMS器件上电极的上面键合MEMS器件下电极，其特征在于：MEMS器件下电极中设有一组带有绝缘结构的硅柱，硅柱下端与MEMS器件上电极中的锚点对应键合连接，MEMS器件下电极顶层的埋氧层中制作与硅柱连接的金属引线，所述每个硅柱上端与器件结构下电极中的金属引线对应连接。

本发明还提供了一种MEMS器件的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

a.隔热结构层的制作：在双抛片中部光刻制作浅腔，双抛片硅衬底的四个拐角形成键合面，浅腔的位置对应MEMS器件上电极中的可动部件；

b.MEMS器件下电极的制作：在SOI硅片上制作浅腔、键合面以及硅柱，制作刻蚀掩膜层，沿着硅柱圆柱面进行深环槽刻蚀直至SOI硅片的埋氧层，形成硅柱结构，在深环槽及硅柱的表面制作电隔离绝缘层，最后在深环槽中填充填充物；

c.MEMS器件上电极的制作：将热隔离结构层的硅衬底的四个拐角的键合面与采用SOI硅片键合，刻蚀该SOI硅片衬底层和埋氧层，释放可动结构形成可动结构、锚点，形成MEMS器件上电极；

d.将MEMS器件上电极与MEMS器件下电极中对应的键合面硅硅键合，同时MEMS器件下电极中的硅柱与MEMS器件上电极中的锚点也硅硅键合，然后去除MEMS器件下电极中顶层硅，光刻打开埋氧层，制作引线孔，溅射金属，光刻制作金属引线，合金。

本发明在不需要改变器件结构的情况下，通过添加一独立的隔离结构来达到有效降低热应力、提高器件性能的效果；该热隔离结构简单、易于加工，制作完成后直接与器件层键合即可，大大提高了封装产品的可靠性和器件性能。本发明针对双抛片制作硅柱引线用于MEMS器件结构的工艺进行了改进，改用SOI硅片进行制作硅柱用于MEMS器件引线，实现器件垂直引线，其优点：缩小芯片体积，减小寄生电容，更高的传输速率及低功耗。

附图说明：

图1是热隔离结构层的剖视图；

图2是图1的俯视图；

图3是MEMS器件下电极所采用的SOI硅片剖视图；

图4是MEMS器件下电极制作浅腔、硅柱及键合点的剖视图；

图5是MEMS器件下电极中制作深环槽的剖视图；

图6是MEMS器件下电极中制作深环槽电隔离绝缘层的剖视图；

图7是MEMS器件下电极中制作深环槽填充物的剖视图；

图8是热隔离结构层与制作MEMS器件上电极的SOI硅片键合的剖视图；

图9是MEMS器件上电极通过光刻等工艺手段，形成的可动结构、锚点的剖视图；

图10是MEMS器件下电极与MEMS器件结构结构层键合的剖视图；

图11是MEMS器件下电极去掉顶层硅的剖视图；

图12是在MEMS器件下电极埋氧层光刻制作引线孔的剖视图；

图13是在溅射金属层后经过光刻等手段形成的金属引线剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的器件结构和制造方法做进一步的说明。

1.热隔离结构层1的制作：双抛片中制作浅腔如图1、图2所示，浅腔1a的位置对应器件层的可动部件；同时，为了减小热传将递只在双抛片衬底硅的四个拐角设置键合面1b，尽量减小键合面积，在确保器件可靠性的同时又减少了热传递。

2.MEMS器件下电极3的制作：选用SOI硅片如图3所示，MEMS器件下电极制作浅腔如图4所示，制作刻蚀掩膜层，进行深槽刻蚀，形成硅柱3b结构，硅柱与MEMS器件上电极的锚点对应键合；如图5、图6所示，沿着硅柱3b圆柱面进行深环槽3d刻蚀直至SOI硅片的埋氧层3e，形成硅柱3b结构，在深环槽3d及硅柱3b的表面制作电隔离绝缘层3f，最后在深环槽中填充填充物3h；最后填充深环槽如图7所示；

掩膜层一般湿法生长二氧化硅，填充深环槽可采用teos、lpcvd、电镀等，可填充多晶硅、氧化硅、电镀金属等，这些都是现有工艺。

3.MEMS器件上电极2的制作：热隔离结构层1与SOI硅片键合，如图8所示；去除SOI硅片衬底层和埋氧层，通过光刻工艺等手段结构释放，形成MEMS器件上电极2，形成与埋氧层2d连接的键合面2a、锚点2b及可动结构2c,如图9所示；

去除SOI硅片衬底层和埋氧层可采用机械减薄和干法刻蚀相结合，也可以采用干法刻蚀和湿法腐蚀二氧化硅相结合等。

4.三层结构制作：如图10所示，将MEMS器件上电极2与MEMS器件下电极3硅硅键合；如图11、图12所示，去除MEMS器件下电极3的顶层硅，光刻打开埋氧层3e，制作引线孔4a；

如图13所示，在埋氧层3e表面及引线孔内4a溅射金属，通过光刻工艺形成金属引线4，最后将金属引线4与硅柱3b进行合金处理。

最后形成完整的MEMS器件，包括MEMS器件上电极2、MEMS器件下电极3、隔热结构层1。MEMS器件上电极与MEMS器件下电极键合，MEMS器件下电极3中带有绝缘结构的硅柱3b，硅柱下端与MEMS器件上电极中的锚点2b对应键合连接，MEMS器件下电极3顶层的埋氧层3e中打开处有金属引线4。

本发明的有益效果：在加工过程中不需要改变器件部分的结构，热隔离结构简单，不需要改变器件结构，制作完成后直接与器件层键合即可，可以降低热效应对器件性能影响，大大提高了封装产品的器件性能；采用基于SOI硅柱作为传感器结构的电极材料，不需要改变器件结构，相比采用双抛片进行单面制作硅柱引线结构的工艺相比，避免了CMP工艺和电隔离层氧化工艺，简化了工艺流程，降低了工艺难度，大大提高了器件制作成品率，实现器件垂直引线，其优点：缩小芯片体积，减小寄生电容，更高的传输速率及低功耗；硅硅直接键合将热应力降至最小。

而本发明的创新点就在于：通过本发明所述硅柱引线降低工艺难度、缩小芯片体积，减小寄生电容，更高的传输速率及低功耗，大大提高MEMS器件成品率；全硅结构和热隔离结构的结合将热效应程度最小化，大大提高器件性能。

Claims (2)

1.一种MEMS器件，包括MEMS器件上电极(2)，MEMS器件上电极的底面键合隔热结构层(1)、MEMS器件上电极的上面键合MEMS器件下电极(3)，其特征在于：MEMS器件下电极(3)中设有一组带有绝缘结构的硅柱(3b)，硅柱下端与MEMS器件上电极中的锚点(2b)对应键合连接，MEMS器件下电极(3)顶层的埋氧层(3e)中制作与硅柱连接的金属引线(4)，所述每个硅柱(3b)上端与器件结构下电极(3)中的金属引线(4)对应连接。

2.一种MEMS器件的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

a.隔热结构层(1)的制作：在双抛片中部光刻制作浅腔(1a)，双抛片硅衬底的四个拐角形成键合面(1b)，浅腔(1a)的位置对应MEMS器件上电极中的可动部件；

b.MEMS器件下电极(3)的制作：在SOI硅片上制作浅腔(3c)、键合面(3a)以及硅柱(3b)，制作刻蚀掩膜层，沿着硅柱(3b)圆柱面进行深环槽(3d)刻蚀直至SOI硅片的埋氧层(3e)，形成硅柱(3b)结构，在深环槽(3d)及硅柱(3b)的表面制作电隔离绝缘层(3f)，最后在深环槽中填充填充物(3h)；

c.MEMS器件上电极(2)的制作：将热隔离结构层(1)的硅衬底的四个拐角的键合面(1b)与采用SOI硅片键合，刻蚀该SOI硅片衬底层和埋氧层，释放可动结构形成可动结构(2c)、锚点(2a)，形成MEMS器件上电极(2)；

d.将MEMS器件上电极(2)与MEMS器件下电极(3)中对应的键合面硅硅键合，同时MEMS器件下电极(3)中的硅柱与MEMS器件上电极中的锚点也硅硅键合，然后去除MEMS器件下电极(3)中顶层硅，光刻打开埋氧层，制作引线孔(4a)，溅射金属，光刻制作金属引线(4)，合金。