一种微机电系统结构及其制作方法与流程

一种微机电系统结构及其制作方法
【技术领域】
1.本发明涉及集成式传感器技术领域，尤其涉及一种对cmos(complementary metal oxide semiconductor，即互补金属氧化物半导体)电路具有保护作用的微机电系统结构及其制作方法。


背景技术：

2.微机电系统在国民经济和军事系统方面有着广泛的应用前景,主要民用领域是电子、医学、工业、汽车和航空航天系统，实际应用过程中，cmos和mems往往同时存在。其中，mems(micro-electro-mechanical system，即微机电系统)结构包含固定结构和可移动结构,在对mems结构进行刻蚀形成固定结构及可移动结构的过程中，位于mems下层的cmos电路会暴露于电浆刻蚀的氛围中,若未对cmos层进行防护，感应电浆会对cmos电路造成永久性的电浆感应损害pid(plasma induced damage)，该损伤会对电路及器件的功能造成不可逆的损伤。
3.因此，有必要提出一种新的技术方案来解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一在于提供一种微机电系统结构及其制作方法，其能够有效防止或减少pid的产生，以对cmos电路进行保护。
5.根据本发明的一个方面，本发明提供一种微机电系统结构，其包括：
6.第一半导体圆片，其设置有第一空腔、cmos电路和防护层，所述第一空腔设置于所述第一半导体圆片的正面，所述cmos电路设置于所述第一半导体圆片内且位于所述第一空腔的下方，所述防护层位于所述第一空腔的底部且位于所述cmos电路的上方；第二半导体圆片，其为传感器的微机电系统单元，其包括位于芯片边缘的固定结构、位于芯片中间的可移动结构，以及位于所述可移动结构区域内且贯穿所述芯片的沟槽，所述第二半导体圆片与所述第一半导体圆片的正面相键合，所述第二半导体圆片的正面与第一半导体圆片的正面相对，且所述第一半导体圆片的正面与所述第二半导体圆片的可移动结构的相对位置处设置有所述第一空腔；第三半导体圆片，其与所述第二半导体圆片的背面相键合，所述第三半导体圆片的正面与所述第二半导体圆片的背面相对，且所述第三半导体圆片的正面与所述第二半导体圆片的可移动结构的相对位置处设置有第二空腔，其中，所述第一空腔和第二空腔相对以形成腔体a，所述第二半导体圆片的可移动结构悬置于所述腔体a内。
7.根据本发明的另一个方面，本发明提供一种微机电系统结构的制作方法，其包括：提供第一半导体圆片，其设置有第一空腔和cmos电路，所述第一空腔设置于所述第一半导体圆片的正面，所述cmos电路设置于所述第一半导体圆片内且位于所述第一空腔的下方；提供第二半导体圆片，所述第二半导体圆片为传感器的微机电系统单元；提供第三半导体圆片，所述第三半导体圆片的正面设置有第二空腔；在所述第一半导体圆片的所述第一空腔的底部形成防护层，所述防护层与所述cmos电路相对，且位于所述cmos电路的上方；将设
置有所述防护层的所述第一半导体圆片与所述第二半导体圆片的正面相键合，键合后，所述第二半导体圆片的正面与第一半导体圆片的正面相对；对与所述第一半导体圆片键合后的所述第二半导体圆片进行刻蚀，以形成所述传感器的微机电系统单元的固定结构、可移动结构和沟槽；将第三半导体圆片与刻蚀后的所述第二半导体圆片的背面相键合，键合后，所述第三半导体圆片的正面与所述第二半导体圆片的背面相对，且所述第三半导体圆片的正面的第二空腔与所述第二半导体圆片的可移动结构相对。
8.与现有技术相比，本发明通过在cmos电路表面增加导电防护层材料，并进行接地；一方面能够有效防止或减少pid的产生，对下层的cmos电路进行保护，同时也可以避免刻蚀过程产生的杂质残留在mems结构层的底部及侧面，引起mems结构的损伤或器件的失效。
【附图说明】
9.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
10.图1为本发明在一个实施例中的微机电系统结构的纵向剖面示意图；
11.图2为本发明在一个实施例中的微机电系统结构的制作方法的流程示意图；
12.图3-图10为本发明在一个实施例中图2所示的各步骤对应的纵剖面图。
【具体实施方式】
13.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
14.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
15.请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的微机电系统结构的纵向剖面示意图。图1所示的微机电系统结构包括第一半导体圆片1、第二半导体圆片3和第三半导体圆片4。通过半导体圆片级键合后，会进行半导体圆片切割的步骤以形成多个相互独立的芯片结构，即独立芯片。所述独立芯片再继续进行后面的封装。以半导体圆片切割前的角度来看，即半导体圆片级的角度来看，第一半导体圆片、第二半导体圆片和第三半导体圆片是三个独立的半导体圆片，以半导体圆片切割后的角度来看，即芯片级的角度来看，第一半导体圆片、第二半导体圆片和第三半导体圆片可以被理解为各个半导体圆片的晶片。
16.所述第一半导体圆片1上设置有第一空腔102、cmos(complementary metal oxide semiconductor，即互补金属氧化物半导体)电路101和防护层2。其中，所述第一空腔102设置于所述第一半导体圆片1的正面；所述cmos电路101设置于所述第一半导体圆片1内且位于所述第一空腔102的下方；所述防护层2位于所述第一空腔102的底部且与所述cmos电路101相对(或且位于所述cmos电路101的上方)，且所述防护层2接地。所述防护层2的材料为导体，材料不做限定，可以为金属及多晶硅等材料。在图1所示的具体实施例中，在所述第一
半导体圆片1的第一空腔102的底部设置有凹槽103，所述防护层2填充于所述凹槽103内。
17.第二半导体圆片3为传感器的微机电系统单元，其包括位于芯片(或晶片)边缘的固定结构301、位于芯片中间的可移动结构302，以及位于可移动结构302区域内且贯穿所述芯片(或晶片)的沟槽303。所述第二半导体圆片3与所述第一半导体圆片1的正面相键合，所述第二半导体圆片3的正面与第一半导体圆片1的正面相对(或相邻)，且所述第一半导体圆片1的正面与所述第二半导体圆片3的可移动结构302的相对位置处设置有预先加工的第一空腔102(或所述第一半导体圆片1的正面的第一空腔102与所述第二半导体圆片3的可移动结构302相对)。
18.第三半导体圆片4为传感器的封装盖子(cap)，其与所述第二半导体圆片3的背面相键合，所述第三半导体圆片4的正面与所述第二半导体圆片3的背面相对(或相邻)，且所述第三半导体圆片4的正面与所述第二半导体圆片3的可移动结构302的相对位置处设置有预先加工的第二空腔401。
19.也就是说，第一半导体圆片1和第三半导体圆片4分别与第二半导体圆片3的正反两面相接触，键合后第一半导体圆片1的第一空腔102和第三半导体圆片4的第二空腔401相对以形成腔体a，所述第二半导体圆片3的可移动结构302悬置于该腔体a内。在一个实施例中，空腔a内为真空或为包含预定压强的正压气体。
20.综上可知，本发明中的微机电系统结构为cmos-mems结构，其中mems数量和类型不做限定，所述mems可以为加速度计、麦克风、压力传感器、陀螺仪、湿度传感器等以及它们的集成产品。
21.请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中的微机电系统结构的制作方法的流程示意图；请参考图3-图10所示，其为本发明在一个实施例中图2所示的各步骤对应的纵剖面图。图2所示的微机电系统结构的制作方法包括如下步骤。
22.步骤210、如图3所示，提供第一半导体圆片1，所述第一半导体圆片1上设置有第一空腔102和cmos(complementary metal oxide semiconductor，即互补金属氧化物半导体)电路101。其中，所述第一空腔102设置于所述第一半导体圆片1的正面；所述cmos电路101设置于所述第一半导体圆片1内且位于所述第一空腔102的下方。
23.步骤220、如图4所示，提供第二半导体圆片3，所述第二半导体圆片3为传感器的微机电系统单元。
24.步骤230、如图5所示，提供第三半导体圆片4，所述第三半导体圆片4的正面设置有第二空腔401。
25.步骤240、如图6所示，对所述第一半导体圆片1的所述第一空腔102的底部进行刻蚀，以形成沟槽103。
26.步骤250、如图7所示，在所述沟槽103位置沉积导电材料，以形成防护层2，即所述防护层2填充于所述凹槽103内。其中，步骤240和步骤250的作用是在所述第一空腔102的底部形成所述防护层2，所述防护层2与所述cmos电路101相对(或且位于所述cmos电路101的上方)，且所述防护层2接地。所述防护层2的材料为导体，材料不做限定，可以为金属及多晶硅等材料。
27.步骤260、如图8所示，将设置有防护层2的所述第一半导体圆片1与所述第二半导体圆片3的正面相键合，键合后，所述第二半导体圆片3的正面与第一半导体圆片1的正面相
对(或相邻)。
28.步骤270、如图9所示，对与所述第一半导体圆片1键合后的所述第二半导体圆片3进行刻蚀，以形成传感器的微机电系统单元的固定结构301、可移动结构302和沟槽303，其中，固定结构301位于芯片(或晶片)的边缘，可移动结构302位于芯片的中间，沟槽303位于可移动结构302区域内且贯穿所述芯片(或晶片)。其中，所述第一半导体圆片1的正面的第一空腔102与所述第二半导体圆片3的可移动结构302相对。
29.步骤280、如图10所示，将第三半导体圆片4与刻蚀后的所述第二半导体圆片3的背面相键合，键合后，所述第三半导体圆片4的正面与所述第二半导体圆片3的背面相对(或相邻)，且所述第三半导体圆片4的正面的第二空腔401与所述第二半导体圆片3的可移动结构302相对。
30.也就是说，第一半导体圆片1和第三半导体圆片4分别与第二半导体圆片3的正反两面相接触，键合后第一半导体圆片1的第一空腔102和第三半导体圆片4的第二空腔401相对以形成腔体a，所述第二半导体圆片3的可移动结构302悬置于该腔体a内。在一个实施例中，空腔a内为真空或为包含预定压强的正压气体。
31.综上可知，通过本发明的制作方法制造的微机电系统结构为cmos-mems结构，其中mems数量和类型不做限定，所述mems可以为加速度计、麦克风、压力传感器、陀螺仪、湿度传感器等以及它们的集成产品。
32.综上所述，本发明通过在cmos电路表面增加导电防护层材料，并进行接地；一方面能够有效防止或减少pid的产生，对下层的cmos电路进行保护，同时也可以避免刻蚀过程产生的杂质残留在mems结构层的底部及侧面，引起mems结构的损伤或器件的失效。
33.在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
34.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

技术特征：
1.一种微机电系统结构，其特征在于，其包括：第一半导体圆片(1)，其设置有第一空腔(102)、cmos电路(101)和防护层(2)，所述第一空腔(102)设置于所述第一半导体圆片(1)的正面，所述cmos电路(101)设置于所述第一半导体圆片(1)内且位于所述第一空腔(102)的下方，所述防护层(2)位于所述第一空腔(102)的底部且位于所述cmos电路(101)的上方；第二半导体圆片(3)，其为传感器的微机电系统单元，其包括位于芯片边缘的固定结构(301)、位于芯片中间的可移动结构(302)，以及位于所述可移动结构(302)区域内且贯穿所述芯片的沟槽(303)，所述第二半导体圆片(3)与所述第一半导体圆片(1)的正面相键合，所述第二半导体圆片(3)的正面与第一半导体圆片(1)的正面相对，且所述第一半导体圆片(1)的正面与所述第二半导体圆片(3)的可移动结构(202)的相对位置处设置有所述第一空腔(102)；第三半导体圆片(4)，其与所述第二半导体圆片(3)的背面相键合，所述第三半导体圆片(4)的正面与所述第二半导体圆片(3)的背面相对，且所述第三半导体圆片(4)的正面与所述第二半导体圆片(3)的可移动结构(302)的相对位置处设置有第二空腔(401)，其中，所述第一空腔(102)和第二空腔(401)相对以形成腔体a，所述第二半导体圆片(3)的可移动结构(302)悬置于所述腔体a内。2.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述防护层(2)的材料为导体；所述防护层(2)接地。3.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，在所述第一半导体圆片(1)的第一空腔(102)的底部设置有凹槽(103)，所述防护层(2)填充于所述凹槽(103)内。4.根据权利要求1所述的微机电系统结构，其特征在于，所述微机电系统结构为加速度计、麦克风、压力传感器、陀螺仪或湿度传感器；所述空腔a内为真空或为包含预定压强的正压气体。5.一种微机电系统结构及其制作方法，其特征在于，其包括：提供第一半导体圆片(1)，其设置有第一空腔(102)和cmos电路(101)，所述第一空腔(102)设置于所述第一半导体圆片(1)的正面，所述cmos电路(101)设置于所述第一半导体圆片(1)内且位于所述第一空腔(102)的下方；提供第二半导体圆片(3)，所述第二半导体圆片(3)为传感器的微机电系统单元；提供第三半导体圆片(4)，所述第三半导体圆片(4)的正面设置有第二空腔(401)；在所述第一半导体圆片(1)的所述第一空腔(102)的底部形成防护层(2)，所述防护层(2)与所述cmos电路(101)相对，且位于所述cmos电路(101)的上方；将设置有所述防护层(2)的所述第一半导体圆片(1)与所述第二半导体圆片(3)的正面相键合，键合后，所述第二半导体圆片(3)的正面与第一半导体圆片(1)的正面相对；对与所述第一半导体圆片(1)键合后的所述第二半导体圆片(3)进行刻蚀，以形成所述传感器的微机电系统单元的固定结构(301)、可移动结构(302)和沟槽(303)；将第三半导体圆片(4)与刻蚀后的所述第二半导体圆片(3)的背面相键合，键合后，所述第三半导体圆片(4)的正面与所述第二半导体圆片(3)的背面相对，且所述第三半导体圆
片(4)的正面的第二空腔(401)与所述第二半导体圆片(3)的可移动结构(302)相对。6.根据权利要求5所述的微机电系统结构及其制作方法，其特征在于，在所述第一半导体圆片(1)的所述第一空腔(102)的底部形成防护层(2)包括：对所述第一半导体圆片(1)的所述第一空腔(102)的底部进行刻蚀，以形成凹槽(103)；在所述凹槽(103)位置沉积导电材料，以形成所述防护层(2)。7.根据权利要求5所述的微机电系统结构及其制作方法，其特征在于，所述固定结构(301)位于芯片的边缘，所述可移动结构(302)位于芯片的中间，所述沟槽(303)位于所述可移动结构(302)区域内且贯穿所述芯片；所述第一半导体圆片(1)的正面的第一空腔(102)与所述第二半导体圆片(3)的所述可移动结构(302)相对；所述第一空腔(102)和第二空腔(401)相对以形成腔体a，所述第二半导体圆片(3)的可移动结构(302)悬置于所述腔体a内。8.根据权利要求5所述的微机电系统结构，其特征在于，所述防护层(2)的材料为导体；所述防护层(2)接地。9.根据权利要求5所述的微机电系统结构，其特征在于，所述微机电系统结构为加速度计、麦克风、压力传感器、陀螺仪或湿度传感器；所述空腔a内为真空或为包含预定压强的正压气体。

技术总结
本发明提供一种微机电系统结构及其制作方法，所述微机电系统结构包括：第一半导体圆片，其设置有第一空腔、CMOS电路和防护层，第一空腔设置于第一半导体圆片的正面，CMOS电路设置于第一半导体圆片内且位于第一空腔的下方，防护层位于第一空腔的底部且位于所述CMOS电路的上方；第二半导体圆片，其为传感器的微机电系统单元，其包括固定结构、可移动结构和沟槽，第二半导体圆片与第一半导体圆片的正面相键合，第一空腔与可移动结构相对；第三半导体圆片，其与第二半导体圆片的背面相键合，第三半导体圆片的正面与第二半导体圆片的可移动结构的相对位置处设置有第二空腔。与现有技术相比，本发明能够有效防止或减少PID的产生，以对CMOS电路进行保护。对CMOS电路进行保护。对CMOS电路进行保护。


技术研发人员：郭亚 刘尧青 储莉玲 金羊华
受保护的技术使用者：美新半导体（天津）有限公司
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8