一种MEMS器件制造方法及MEMS器件与流程

一种mems器件制造方法及mems器件
技术领域
1.本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种mems器件制造方法及mems器件。

背景技术：

2.mems是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。采用mems技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空航天、汽车、生物医学、环境监控、军事等领域中都有着十分广阔的应用前景。目前市场上常见的mems器件包括压力传感器、磁传感器、麦克风、加速度计、陀螺仪、红外传感器等。
3.mems器件具有较大的表面/体积比，这种结构在使用过程中易产生结构层间的磨损/粘附现象，例如电容式加速度计和陀螺仪的可动梳齿之间就易产生磨损/粘附现象。氧化层是制造mems器件常用的材料，氧化层具有亲水性，在潮湿环境下使用mems器件时，氧化层表面会覆盖一层水分子从而产生较强的毛细力，将导致粘附现象的发生。粘附问题已成为影响mems器件性能和可靠性的主要因素，通过材料表面改性是解决粘附问题的有效解决手段。
4.现有技术中解决粘附问题的常见方式是：在硅结构表面利用自组装膜（sam）的方式使用硅烷基长碳链高分子对表面进行疏水改质，如利用全氟癸基三氯硅烷（fdts）涂层使表面呈疏水性，从而降低粘附现象发生。疏水性的自组装单分子膜一般通过分子气相沉积方式淀积形成，在mems器件制造过程中该单分子膜会涂覆在晶圆的整个表面，而对于涂覆在mems器件键合层和电极层上的单分子膜，则会影响晶圆级键合可靠性和电极层打线的可靠性，因此，需要将键合层和电极层上的单分子膜进行去除，保留结构层上的单分子膜。一般情况下，由于该单分子膜具有耐酸、耐碱、耐高温的特性，因此，很难通过常规半导体工艺方法图形化。
5.公布号为cn112897454a的发明专利公开了一种mems器件及其制造方法，该专利中对键合层和电极层上的疏水有机膜的去除方式，是利用了不同金属材质的刻蚀速率差异，通过先将键合层上沉积的金属保护层去除，去除该金属保护层的同时一并将其上的有机膜同步去除，然后再将电极层上的有机膜进行刻蚀，并且刻蚀前需通过高温加热方式来破坏键合层及电极层表面沉积的有机膜，从而令疏水性变为亲水性。这种对有机膜图形化的处理工艺需要分两步完成，工艺环节相对复杂且工序繁多，电极层表面的有机膜需通过湿法腐蚀工艺去除，需要光刻开设窗口，刻蚀效果难以保证，且保留下来的其他区域的有机膜也难以保证不被破坏。

技术实现要素：

6.本发明首先公开一种mems器件制造方法，能够将键合层和电极层上沉积的疏水有机膜同步去除，且不会对其他区域保留的疏水有机膜造成破坏，整个工艺环节得以简化、疏水有机膜刻蚀效果好。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种mems器件制造方法，内容包括：选择soi晶圆作为衬底，并在soi晶圆的顶层硅上刻蚀形成凹腔和绝缘槽，绝缘槽从凹腔底部刻蚀至埋氧层；将硅晶圆的其中一面与soi晶圆的顶层硅表面采用硅
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硅键合连接，并在硅晶圆的另一相对面上形成金属键合区和电极区，金属键合区和电极区表面均形成有牺牲层；在硅晶圆上刻蚀形成可动质量块；形成疏水有机膜，疏水有机膜覆盖金属键合区及电极区表面的牺牲层，还覆盖可动质量块表面及侧面，以及覆盖凹腔内表面；采用vhf气相刻蚀工艺去除金属键合区及电极区表面的牺牲层，然后将盖晶圆与硅晶圆表面的金属键合区键合连接。
8.本发明选用soi绝缘体硅片作为衬底，通过soi顶层硅与作为结构层的硅晶圆进行硅
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硅键合，使整个制造工艺可以兼容vhf工艺；在形成疏水有机膜之前，先在需要去除疏水有机膜的区域淀积一层牺牲层二氧化硅，在形成疏水有机膜后，可以借助气相氟化氢vhf工艺将键合区和电极区上的二氧化硅牺牲层刻蚀掉，去除二氧化硅的同时也一并将键合区和电极区上的疏水有机膜去除干净，而其他区域需要保留的疏水有机膜则不会受到影响。相比于背景技术中提及的专利所采用的方法，键合区和电极区上的疏水有机膜可同步去除，整个工艺环节得以简化，且去除效果干净，可操作性强，有助于制造成本的降低。
9.并且，相对于背景技术中提及的专利，本发明中键合区和电极区沉积的金属材质可相同，可在一道工序中形成，而背景技术中提及的专利两个区域金属材质需不同，工艺环节增多且比较繁复，操作性不强。本发明是先在硅晶圆表面沉积金属层，在金属层表面形成牺牲层，通过刻蚀去除部分牺牲层及其所覆盖下的金属层，保留下来的位于边缘的金属层作为电极区，剩余保留下来的金属层作为金属键合区。
10.本发明利用硅晶圆作为结构层以便形成可动质量块，在被牺牲层覆盖的金属键合区和电极区形成后，先在硅晶圆表面涂覆光刻胶，光刻胶覆盖硅晶圆裸露的表面以及牺牲层，通过光刻形成多个间隔布设的刻蚀窗口，将刻蚀窗口处的硅刻蚀干净形成贯通孔，令贯通孔与凹腔连通，然后去除光刻胶。接着，对暴露的硅表面进行改性处理，即通过分子气相沉积方式在硅晶圆表面形成一层疏水性有机单分子膜，利用该单分子膜解决使用中发生粘附的问题。疏水有机膜的材料可以采用全氟辛基三氯硅烷、四氢辛基甲基二氯硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、全氟十二烷基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、乙基二氯硅烷中的任一种或多种组合而成。
附图说明
11.图1至图11为采用本发明实施例中制造方法制造mems器件不同阶段的剖面结构图；图12为本发明实施例中制造方法的流程图；图13为现有技术中常见mems器件的结构图。
具体实施方式
12.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
13.本实施例公开一种mems器件以及mems器件制造方法，通过对现有mems器件的结构以及工艺方法上的调整，主要解决用于消除粘附现象的疏水有机膜在键合区和电极区表面去除困难的技术问题，对现有疏水有机膜的图形化方式进行优化设计，旨在简化工艺环节，技术上更容易实施，令制造成本得以降低，以及确保该方法能够将键合区以及电极区表面的疏水有机膜去除干净，提升键合可靠性以及电极引线打线的可靠性。
14.现有技术中的mems器件结构常采用如图13所示结构，即：选用单抛硅片1作为衬底，在衬底表面沉积形成底电极7，底电极7上淀积形成绝缘氧化层2，并在氧化层2上刻蚀出凹腔，将另一硅晶圆片3与氧化层2的上表面硅
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氧键合，并在硅晶圆片3对应于凹腔处刻蚀形成可动质量块4，硅晶圆片3的上表面上沉积形成键合层5和顶电极6，顶电极6和底电极7的连接是通过tsv（硅穿孔工艺）通孔钨引线8连接的，最后将另一盖晶圆（图13未展示）与键合层5键合连接。这种结构的mems器件在解决使用中的粘附问题时，也是在与盖晶圆键合前，先在硅晶圆片表面形成一层疏水有机单分子膜，然后通过刻蚀工艺将沉积在键合层5和顶电极6表面的疏水有机单分子膜去除。但由于疏水有机单分子膜通常具有耐酸、耐碱以及耐高温特性，采用传统的湿法或干法刻蚀技术很难做到去除干净却又不对其他区域的疏水有机单分子膜造成破坏。vhf气相刻蚀技术是mems器件制造过程中常用的一种刻蚀工艺，相比于传统湿法刻蚀更为可控。但要借助于vhf刻蚀技术将沉积在键合层5和顶电极6表面的疏水有机单分子膜去除的话，上述现有技术中的mems器件结构是不能够兼容vhf工艺的，因此，有必要对现有mems器件结构以及工艺全面进行调整。
15.本实施例所公开的mems器件结构如图11所示，形成该器件结构的制造方法如图12所示，下面将结合图1至图12对整个制造方法以及各个阶段形成的器件剖面结构加以说明。首先，本发明选用如图1所示的soi晶圆100作为衬底，soi晶圆100通常被称为绝缘体硅片，是由底层较厚的硅衬底101、中间比较薄的二氧化硅埋氧层102、单晶顶层硅103组合而成的。如图2所示，在顶层硅103上通过刻蚀工艺开设凹腔104，凹腔104的深度小于顶层硅103的厚度。再通过刻蚀工艺在凹腔104的底部两侧各开设一绝缘槽105（如图3所示），绝缘槽105的刻蚀深度需保证埋氧层102的表面外露。然后，将一硅晶圆200的底面与顶层硅103的上表面通过硅
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硅键合方式键合连接（如图4所示），硅晶圆200作为形成mems器件的结构层使用。接下来，如图5所示，先在硅晶圆200的上表面上沉积一层金属层201，然后在金属层201表面形成一层牺牲层202，牺牲层202的作用是将后续沉积的疏水有机膜与金属层201隔离开，这样在将牺牲层202去除时可一并带走覆盖其上的疏水有机膜。本发明选择去除牺牲层202的方式为vhf气相刻蚀技术，采用气相氟化氢对二氧化硅具有刻蚀作用，而不会影响硅表面的特性，因此，本实施例中的牺牲层202选用二氧化硅材质。
16.完成上述步骤后，通过光刻及刻蚀工艺去除部分牺牲层202以及该牺牲层202所覆盖下的金属层201，被保留下来的部分分别作为金属键合区203和电极区204（如图6所示），其中位于边缘的为电极区204。此时金属键合区203和电极区204表面都还覆盖有牺牲层二氧化硅。接着，需在硅晶圆200上对应于凹腔104处形成多个可动质量块206，即：先在硅晶圆200表面涂覆一层光刻胶205，光刻胶205覆盖硅晶圆200裸露的表面以及被保留下来的牺牲
层202，然后通过掩膜版进行光刻形成多个间隔布设的刻蚀窗口，将刻蚀窗口处的硅刻蚀干净形成贯通凹腔104的贯通孔（如图7所示），然后再将剩余光刻胶205去除干净即可形成多个可动质量块206（如图8所示）。接下来，采用分子气相沉积方式在硅晶圆200表面形成一层疏水性的自组装单分子膜207（以下简称“疏水有机膜”），此处的疏水有机膜的作用是将外露的硅表面从亲水性改性为疏水性，进而避免使用过程中发生粘附现象。图9和图10中波浪形曲线所标示处表示该疏水有机膜，疏水有机膜沉积后，不仅覆盖在金属键合区203及电极区204表面的牺牲层202上，还覆盖可动质量块206的表面及侧面，以及覆盖凹腔104的内表面，但图9和图10中为了简化未标示出所有覆盖区域。疏水有机膜的材料可以选用现有技术中能改性为疏水表面的材料，例如：可以采用全氟辛基三氯硅烷、四氢辛基甲基二氯硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、全氟十二烷基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、乙基二氯硅烷中的一种或多种组合形成。
17.疏水有机膜沉积后，需将金属键合区203和电极区204上的疏水有机膜刻蚀干净，否则会影响与盖晶圆300的键合质量可靠性，以及电极区204上打线的可靠性。本发明采用vhf气相刻蚀工艺去除金属键合区203及电极区204表面的牺牲层202，随着气相氟化氢对二氧化硅牺牲层202的刻蚀，覆盖其上的疏水有机膜也一并去除干净，而覆盖在其他区域的疏水有机膜则不会造成破坏，去除后的结构如图10所示。最后，将盖晶圆300与硅晶圆200表面的金属键合区203通过温度和压力的控制令两者键合连接在一起（如图11所示，形成mems器件结构）。
18.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种mems器件制造方法，其特征在于：内容包括：选择soi晶圆作为衬底，并在soi晶圆的顶层硅上刻蚀形成凹腔和绝缘槽，绝缘槽从凹腔底部刻蚀至埋氧层；将硅晶圆的其中一面与soi晶圆的顶层硅表面采用硅
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硅键合连接，并在硅晶圆的另一相对面上形成金属键合区和电极区，金属键合区和电极区表面均形成有牺牲层；在硅晶圆上刻蚀形成可动质量块；形成疏水有机膜，疏水有机膜覆盖金属键合区及电极区表面的牺牲层，还覆盖可动质量块表面及侧面，以及覆盖凹腔内表面；采用vhf气相刻蚀工艺去除金属键合区及电极区表面的牺牲层，然后将盖晶圆与硅晶圆表面的金属键合区键合连接。2.根据权利要求1所述的一种mems器件制造方法，其特征在于：所述金属键合区和电极区的形成方式为：先在硅晶圆表面沉积金属层，在金属层表面形成牺牲层，通过刻蚀去除部分牺牲层及其所覆盖下的金属层，保留下来的位于边缘的金属层作为电极区，剩余保留下来的金属层作为金属键合区。3.根据权利要求1所述的一种mems器件制造方法，其特征在于：所述牺牲层为氧化硅层。4.根据权利要求1所述的一种mems器件制造方法，其特征在于：所述疏水有机膜为单分子膜，通过分子气相沉积方式形成。5.根据权利要求4所述的一种mems器件制造方法，其特征在于：所述疏水有机膜的材料采用全氟辛基三氯硅烷、四氢辛基甲基二氯硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、全氟十二烷基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、乙基二氯硅烷中的一种或多种组合。6.根据权利要求1所述的一种mems器件制造方法，其特征在于：所述可动质量块的形成方式为：被牺牲层覆盖的金属键合区和电极区形成后，在硅晶圆表面涂覆光刻胶，光刻胶覆盖硅晶圆裸露的表面以及牺牲层，通过光刻形成多个间隔布设的刻蚀窗口，将刻蚀窗口处的硅刻蚀干净形成贯通孔，令贯通孔与凹腔连通，然后去除光刻胶。7.根据权利要求3所述的一种mems器件制造方法，其特征在于：采用气相氟化氢工艺将金属键合区及电极区表面的氧化硅层刻蚀干净。8.一种mems器件，其特征在于：通过如权利要求1至7任一制造方法制造而成。9.一种mems器件，其特征在于：包括soi晶圆衬底、硅晶圆以及盖晶圆，所述soi晶圆衬底的顶层硅上形成凹腔，凹腔底部形成绝缘槽，绝缘槽底部露出soi晶圆衬底的埋氧层；硅晶圆的下表面与soi晶圆衬底顶层硅的上表面硅
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硅键合，在凹腔上部的硅晶圆上形成可动质量块，并在硅晶圆的上表面形成金属键合区和电极区；在可动质量块的表面和侧面、以及凹腔的内表面形成一层疏水有机膜，盖晶圆的其中一面与硅晶圆上的键合区键合连接。10.根据权利要求9所述的一种mems器件，其特征在于：所述金属键合区和电极区的金属材质相同。

技术总结

本发明涉及一种MEMS器件制造方法及MEMS器件，选用SOI绝缘体硅片作为衬底，通过SOI顶层硅与作为结构层的硅晶圆进行硅

技术研发人员：

王新龙

受保护的技术使用者：

绍兴中芯集成电路制造股份有限公司

技术研发日：

2021.07.21

技术公布日：

2021/12/2