CN105293419A - 一种防止悬浮层刻蚀损伤的mems器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件,其特征在于:衬底硅(3)表面设有浅腔(4)、电极(9)及电极隔离槽(5),在浅腔(4)表面设有厚度1500?-5000?的第一氧化层(6)和厚度范围500?-1500?的第二氧化层(7),可动结构层(8)键合到衬底的SOI硅片顶层硅(3)上;盖帽硅片(10)通过玻璃浆料(11)与衬底的SOI硅片顶层硅(3)键合,实现晶圆级真空封装。本发明与传统MEMS器件相比优点在于:采用台阶式二氧化硅层对下电极结构进行保护,即能很好地保护下电极结构不被刻蚀,又能避免结构层发生刻蚀反溅损伤,保证可动结构的完整性,器件结构实现方法简单、可行,便于形成标准工艺。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械技术领域,特别涉及一种防止悬浮结构刻蚀损伤的MEMS结构。
背景技术
微机电***(MicroElectro-MechanicalSystems,MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的一门跨学科技术,利用光刻、刻蚀、成膜、键合等微细加工手段形成电子机械结构,融合了电子、材料、机械、物理、化学、生物等多种领域。MEMS以其小型化、低功耗、批量化生产等诸多优点吸引了人们的广泛关注,在汽车电子、智能终端、物联网、生物医学等领域有广泛引用。
与半导体集成电路相比,MEMS器件一般包含可动机械结构,目前,MEMS制造工艺以体硅工艺为主,一般利用键合技术与深反应离子刻蚀技术相结合形成可动机械结构。键合技术可以实现机械结构悬空层的制备,深反应离子刻蚀技术实现可动机械结构悬空层的刻蚀释放,从而实现可动结构制作。由于深反应离子刻蚀技术存在lag效应(一般开口大的区域刻蚀速度快,开口小的区域刻蚀速度慢),在可动结构刻蚀释放过程中,开口大的区域与开口小的区域不会同时刻通,导致开口大的区域过刻蚀时间较长。过刻蚀会导致可动结构底部硅电互联引线损伤,一般采用氧化法在底部硅引线表面形成二氧化硅,起到刻蚀保护作用。然而二氧化硅的存在会导致刻蚀离子在二氧化硅表面积累,产生反向电场,导致刻蚀离子方向发生改变,对可动结构层底部产生很大损伤。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有的MEMS器件在刻蚀过程中,刻蚀离子在二氧化硅表面积累,产生反向电场,导致刻蚀离子方向发生改变,对可动结构层底部产生很大损伤的缺陷,提出了一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件,本发明的另一目的就是提供一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件制作方法。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件,由SOI硅片衬底、可动结构层8和盖帽硅片1组成,其特征在于:
衬底的SOI硅片顶层硅采用N型或P型低阻硅,电阻率0.001Ω·cm-0.5Ω·cm;
在衬底的SOI硅片顶层硅表面设有浅腔、电极及电极隔离槽,在浅腔表面设有第一氧化层和第二氧化层,第一氧化层的厚度大于第二氧化层的厚度,第一氧化层的厚度选择范围为1500?-5000?,第二氧化层的厚度选择范围500?-1500?;
可动结构层通过晶圆键合方式键合到衬底的SOI硅片顶层硅上,可动结构层上可动结构的较大开口对应于第一氧化层、较小开口对应于第二氧化层;
盖帽硅片通过玻璃浆料与衬底的SOI硅片顶层硅键合,实现晶圆级真空封装。
本发明提供的MEMS结构,采用台阶式二氧化硅层(第一氧化层和第二氧化层)对下电极引线结构进行刻蚀保护。若下电极硅(衬底的SOI硅片顶层硅上的电极)没有氧化层,可动结构层释放刻蚀过程中,结构层硅刻通后,刻蚀离子会继续刻蚀下电极硅,导致下电极硅被刻蚀损坏。这里利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀硅对二氧化硅的选择比较高,可以利用二氧化硅层对下电极硅进行保护。但由于深反应离子刻蚀工艺存在lag效应,在可动结构层刻蚀释放过程中,开口大的区域与开口小的区域不会同时刻通,导致开口大的区域过刻蚀时间较长,因此需要较厚的氧化层进行保护。而氧化层厚度超过一定范围后,会产生电荷积累效应,导致可动结构层开口区域小的位置出现反溅刻蚀损伤。本发明中,利用台阶式氧化层解决上述问题:在开口区域小的位置制作薄层二氧化硅,当二氧化硅层小于1500?时不会对可动结构层产生反溅刻蚀损伤,并且开口小的区域过刻蚀时间短,薄层二氧化硅能够保证抗刻蚀效果。
本发明还提供了一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件制作方法,其特征在于包括以下步骤:
(a).衬底采用SOI硅片,利用光刻、刻蚀技术在SOI硅片顶层硅表面形成浅腔及电极,保证可动结构运动空间;利用光刻、刻蚀技术形成电极隔离槽,从而形成下电极互联引线;
(b).在SOI硅片顶层硅表面热氧化生长厚二氧化硅层,典型(即可选择范围)氧化层厚度为1500?-5000?,并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第一氧化层的图形;
(c).在SOI硅片顶层硅表面热氧化生长薄氧化层,典型薄氧化层厚度为500?-1500?,并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第二氧化层的图形;
(d).衬底SOI硅片顶层硅与可动结构层SOI硅片硅硅直接键合,并利用减薄技术去除结构层SOI硅片衬底硅及埋氧层;结构层SOI硅片也可以为双抛硅片,通过减薄抛光处理形成硅片可动结构层;
(e).利用光刻、ICP刻蚀技术进行可动结构层释放刻蚀,刻蚀后形成可动结构;
(f).利用shadowmask金属溅射或者蒸发在结构层上形成金属PAD点;
(f).利用玻璃浆料实现盖帽硅片与衬底SOI硅片顶层硅结构晶圆键合;
(g).盖帽硅片经过划片露出PAD点。
本发明与传统MEMS器件结构相比优点在于:采用台阶式二氧化硅层对下电极结构进行保护,即能很好地保护下电极结构不被刻蚀,又能避免结构层发生刻蚀反溅损伤,保证可动结构的完整性,器件结构实现方法简单、可行,便于形成标准工艺。
附图说明
图1-图13为本发明MEMS器件结构制作工艺流程图;
图13为本发明MEMS器件结构剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图13所示,本发明提供的一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件,由SOI硅片衬底、可动结构层8和盖帽硅片10组成,
衬底采用SOI硅片(由衬底硅1、埋氧层2和顶层硅3组成)制作,SOI硅片顶层硅3采用N型或P型低阻硅,电阻率0.001Ω·cm-0.5Ω·cm;
在衬底的SOI硅片顶层硅3表面设有浅腔4、电极9(也称下电极)及电极隔离槽5,在浅腔4表面设有第一氧化层6和第二氧化层7,第一氧化层6的厚度大于和第二氧化层7的厚度,第一氧化层6的厚度选择范围为1500?-5000?,第二氧化层7的厚度选择范围500?-1500?;
可动结构层8通过晶圆键合方式键合到衬底的SOI硅片顶层硅3上,可动结构层8上可动结构8a的较大开口对应于第一氧化层6、较小开口对应于第二氧化层7;
盖帽硅片10通过玻璃浆料11与衬底的SOI硅片顶层硅3上的第一氧化层6键合,实现晶圆级真空封装。
本发明的MEMS器件结构制作的主要工艺流程如图1-13所示,具体步骤如下:
(1)如图1所示,为衬底采用的SOI硅片,包含衬底硅1、埋氧层2、顶层硅3。
(2)如图2所示,衬底采用SOI硅片,利用光刻、刻蚀技术在SOI硅片顶层硅3表面形成浅腔4及下电极9,保证可动结构运动空间。
(3)如图3所示,利用光刻、刻蚀技术形成电极隔离槽5,从而形成下电极9互联引线。
如图4-图5所示,在SOI硅片顶层硅3表面热氧化生长厚二氧化硅层6a,典型厚氧化层厚度为1500?-5000?,并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第一氧化层6的图形;
如图6-图7所示,在SOI硅片顶层硅3表面上去除第一氧化层6的区域,热氧化生长薄二氧化硅层7a,典型薄氧化层厚度为500?-1500?,并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第二氧化层7的图形;
如图8-图9所示,衬底SOI硅片顶层硅3与可动结构层SOI硅片硅硅直接键合,并利用减薄技术去除结构层SOI硅片衬底硅及埋氧层,通过减薄抛光处理形成硅片可动结构层8;
如图10所示,利用光刻、ICP刻蚀技术进行可动结构层8释放刻蚀,刻蚀后形成可动结构8a;
如图11所示,利用shadowmask金属溅射或者蒸发在结构层8上形成金属PAD点12;
如图12所示,利用玻璃浆料11实现盖帽硅片10与衬底SOI硅片顶层硅3结构晶圆键合;
如图13所示,盖帽硅片10经过划片露出PAD点12。
经上述工艺流程,实现了MEMS器件结构的制作。
Claims (2)
1.一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件,由SOI硅片衬底、可动结构层(8)和盖帽硅片(10)组成,其特征在于:
衬底的SOI硅片顶层硅(3)采用N型或P型低阻硅,电阻率0.001Ω·cm-0.5Ω·cm;
在衬底的SOI硅片顶层硅(3)表面设有浅腔(4)、电极(9)及电极隔离槽(5),在浅腔(4)表面设有第一氧化层(6)和第二氧化层(7),第一氧化层(6)的厚度大于第二氧化层(7)的厚度,第一氧化层(6)的厚度选择范围为1500?-5000?,第二氧化层(7)的厚度选择范围500?-1500?;
可动结构层(8)通过晶圆键合方式键合到衬底的SOI硅片顶层硅(3)上,可动结构层(8)上可动结构(8a)的较大开口对应于第一氧化层(6)、较小开口对应于第二氧化层(7);
盖帽硅片(10)通过玻璃浆料(11)与衬底的SOI硅片顶层硅(3)键合,实现晶圆级真空封装。
2.一种防止悬浮层刻蚀损伤的MEMS器件制作方法,其特征在于包括以下步骤:
(a).衬底采用SOI硅片,利用光刻、刻蚀技术在SOI硅片顶层硅(3)表面形成浅腔(4)及电极(9),保证可动结构运动空间;利用光刻、刻蚀技术形成电极隔离槽(5),从而形成下电极互联引线;
(b).在SOI硅片顶层硅(3)表面热氧化生长厚二氧化硅层(6a),典型厚二氧化硅层厚度为1500?-5000?,并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第一氧化层(6)的图形;
(c).在SOI硅片顶层硅(3)热氧化生长薄二氧化硅层(7a),典型薄氧化层厚度为500?-1500?,并利用光刻、氧化层腐蚀技术形成第二氧化层(7)的图形;
(d).衬底SOI硅片顶层硅(3)与可动结构层SOI硅片硅硅直接键合,并利用减薄技术去除结构层SOI硅片衬底硅及埋氧层,通过减薄抛光处理形成硅片可动结构层(8);
(e).为利用光刻、ICP刻蚀技术进行可动结构层(8)释放刻蚀,刻蚀后形成可动结构(8a);
(f).利用shadowmask金属溅射或者蒸发在结构层(8)上形成金属PAD点(12);
(f).利用玻璃浆料(11)实现盖帽硅片(10)与衬底SOI硅片顶层硅(3)结构晶圆键合;
(g).盖帽硅片(10)经过划片露出PAD点(12)。
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