[发明专利]一种集成晶圆级真空封装的MEMS器件及其制造方法

说明书

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

微机电系统（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系统。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；