单板双侧布线式微机械结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及微机械结构及其制备方法，具体涉及单板双侧布线式微机械结构及其制备方法。


背景技术：

2.在集成电路领域中，多层金属布线已成为电路小型化、高密度集成化的基本形式。近年来微机电系统(micro electro mechanical system，mems)器件也面临着多层金属布线的需求，这主要包括基于电磁感应定律的各类mems传感器、mems致动或执行器、mems能量采集器等。现有mems磁场传感器多是基于洛伦兹力和基于法拉第电磁感应定律两种类型：前者是在mems可动结构顶部金属线圈施加交流电流使得在外界磁场作用下产生洛伦兹力驱动可动结构谐振，由此通过检测谐振结构位移量来评估磁场的大小；后者则是在首先通过一定的微结构驱动方式如静电驱动来使得可动结构处于谐振状态，在外界磁场作用下位于可动结构顶部的金属线圈切割磁力线，由此通过检测金属线圈两端的感应电动势来评估磁场的大小。基于电磁感应定律的mems致动或执行器也正是利用了类似于洛伦兹力式mems磁传感器原理来实现mems可动结构的驱动与执行，而基于电磁感应定律的mems能量采集器则是利用了法拉第电磁感应定律，也即在振动环境下可动结构上金属线圈切割磁场的磁力线而产生电势实现磁场能量到电场能量的转换与存储。
3.上述这些基于电磁感应定律的各类mems传感器、mems致动或执行器、mems能量采集器等都需要在mems可动结构上沉积金属线圈作为实现传感、执行、能量采集转换等广泛功能的基本构件。并且，根据电磁感应定律，金属线圈所产生的洛伦兹力或感应电动势都是随着线圈匝数的增加而线性增加。因此，增加金属线圈层数就为电磁感应式mems器件的性能提升提供了直接的优化思路。
4.然而，现有技术只能在可动结构顶侧实现多层金属布线，这一方面浪费了可动结构处于运动时底部的区域以致电磁感应式mems器件性能受限，另一方面单纯通过增加单侧金属布线层数也会导致薄膜应力的累积而对可动结构产生影响。因此，如何提供一种单板双侧多层布线式的微机械结构将是电磁感应式mems器件性能优化一个重要的议题，其中如何对可动结构底部的多层金属布线进行可靠的信号接口与互连则显得尤为关键和迫切。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种单板双侧布线式微机械结构，该微机械结构不仅在硅片的两侧设置多层布线结构，可减少所沉积多层薄膜的应力累积对可动结构的影响，还提供了两种器件结构底侧多层布线的信号接口。
6.本发明的另一个目的在于提供一种单板双侧布线式微机械结构的制备方法。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：
8.一种单板双侧布线式微机械结构，包括衬底单元和器件结构单元；所述衬底单元包括衬底片，该衬底片上依次设置有衬底绝缘层和衬底键合金属层；
9.所述器件结构单元包括器件硅片以及分别设置在器件硅片顶侧和底侧的布线结构，其中，位于底侧的布线结构包括底侧电极金属层、底侧金属间绝缘层以及底侧键合金属层；所述底侧键合金属层和衬底键合金属层之间相互连接形成键合结构；所述底侧金属间绝缘层上开设有底侧金属层电极引出窗口，所述底侧键合金属层通过所述底侧金属层电极引出窗口与底侧电极金属层电学连接；
10.位于顶侧的布线结构包括顶侧绝缘层和顶侧金属层，所述顶侧绝缘层上开设有顶侧体硅电极引出窗口，所述顶侧金属层通过所述顶侧体硅电极引出窗口与器件硅片电连接；所述器件硅片和顶侧绝缘层设有环绕在所述顶侧体硅电极引出窗口周围的绝缘沟槽，位于绝缘沟槽内侧的器件硅片的两侧分别与顶侧金属层和底侧键合金属层电连通形成独立的器件顶侧电信号引出结构；位于底侧的布线结构的电信号依次从底侧电极金属层、底侧键合金属层、器件顶侧电信号引出结构引出至器件的顶侧。
11.本发明的一个优选方案，其中，位于底侧的布线结构还包括底侧基体绝缘层，所述底侧基体绝缘层上开设有底侧体硅电极引出窗口，所述底侧键合金属层通过所述底侧体硅电极引出窗口与器件硅片电学连接。
12.本发明的一个优选方案，其中，位于器件硅片顶侧和底侧的布线结构均设置有若干层金属层，可以为单层，双层或者三层，甚至更多层。
13.本发明的一个优选方案，其中，所述衬底片上开设有用于可动结构进行运动的衬底空腔。
14.一种单板双侧布线式微机械结构，包括衬底单元和器件结构单元；所述衬底单元包括衬底片，该衬底片上依次设置有衬底绝缘层和衬底键合金属层；
15.所述器件结构单元包括器件硅片以及分别设置在器件硅片顶侧和底侧的布线结构，其中，位于底侧的布线结构包括底侧电极金属层、底侧金属间绝缘层以及底侧键合金属层；所述底侧键合金属层和衬底键合金属层之间相互连接形成键合结构；所述底侧金属间绝缘层上开设有底侧金属层电极引出窗口，所述底侧键合金属层通过所述底侧金属层电极引出窗口与底侧电极金属层电学连接；
16.所述衬底键合金属层的上方设有通过刻蚀器件硅片形成的引出缺口，所述引出缺口在释放可动结构的同时刻蚀形成；其中，暴露在所述引出缺口下的衬底键合金属层的区域构成器件底侧电信号引出结构；位于底侧的布线结构的电信号依次从底侧电极金属层、底侧键合金属层引出至器件底侧电信号引出结构。
17.一种单板双侧布线式微机械结构的制备方法，包括以下步骤：
18.(1)准备衬底片，并在衬底片的上侧依次沉积衬底绝缘层和衬底键合金属层；对衬底片进行蚀刻，形成供可动结构进行运动的衬底空腔；
19.(2)准备器件硅片，在器件硅片的底侧沉积底侧基体绝缘层；在底侧基体绝缘层上刻蚀出底侧体硅电极引出窗口；
20.(3)依次在器件硅片的底侧沉积底侧电极金属层、底侧金属间绝缘层以及底侧键合金属层；其中，在沉积底侧金属间绝缘层后，在底侧金属间绝缘层上蚀刻出底侧金属层电极引出窗口，所述底侧键合金属层通过所述底侧金属层电极引出窗口与底侧电极金属层电学连接；
21.所述底侧键合金属层通过所述底侧体硅电极引出窗口与器件硅片电学连接；
22.(4)将制备好的器件硅片与衬底片的键合金属层面对面放置进行键合工艺，实现两晶圆之间的机械和电学连接，其中器件结构通过键合金属层间形成的键合结构由衬底所支撑；
23.(5)在器件硅片的顶侧沉积顶侧第一绝缘层；在顶侧第一绝缘层上刻蚀出顶侧体硅电极引出窗口、顶侧体硅刻蚀窗口以及顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口；
24.(6)依次在器件硅片的顶侧沉积顶侧第一金属层和顶侧第二绝缘层；在顶侧第二绝缘层上刻蚀出顶侧金属层电极引出窗口，再沉积顶侧第二金属层；所述顶侧第二金属层通过所述顶侧金属层电极引出窗口与顶侧第一金属层电学连接；
25.所述顶侧第一金属层通过所述顶侧体硅电极引出窗口与器件硅片电学连接；
26.(7)在顶侧体硅刻蚀窗口的位置处对器件硅片进行刻蚀，在顶侧体硅电极引出窗口周围形成环形的绝缘沟槽；位于绝缘沟槽内侧的器件硅片分别与顶侧金属层和底侧键合金属层电连通形成独立的顶侧电信号引出结构，释放含有双侧金属多层布线的器件可动结构；位于底侧的布线结构的电信号依次从底侧电极金属层、底侧键合金属层、器件顶侧电信号引出结构引出至器件的顶侧。
27.本发明的一个优选方案，在步骤(3)中，在器件硅片的底侧沉积底侧电极金属层和底侧金属间绝缘层的操作为：
28.在底侧第一绝缘层上沉积底侧第一金属层；在底侧第一金属层上沉积底侧第二绝缘层，在底侧第二绝缘层上刻蚀出用于底侧第一金属层的电极引出的第一底侧金属层电极引出窗口；在底侧第二绝缘层上沉积底侧第二金属层；在底侧第二金属层上沉积底侧第三绝缘层，在底侧第三绝缘层上刻蚀出用于底侧第二金属层的电极引出的第二底侧金属层电极引出窗口。
29.一种单板双侧布线式微机械结构的制备方法，包括以下步骤：
30.(1)准备衬底片，并在衬底片的上侧依次沉积衬底绝缘层和衬底键合金属层；对衬底片进行蚀刻，形成供可动结构进行运动的衬底空腔；
31.(2)准备器件硅片，在器件硅片的底侧沉积底侧基体绝缘层；在底侧基体绝缘层上刻蚀出底侧体硅刻蚀穿透释放窗口；
32.(3)依次在器件硅片的底侧沉积底侧电极金属层、底侧金属绝缘层以及底侧键合金属层；其中，在沉积底侧金属绝缘层后，在底侧金属绝缘层上蚀刻出底侧金属层电极引出窗口，所述底侧键合金属层通过所述底侧金属层电极引出窗口与底侧电极金属层电学连接；
33.(4)将制备好的器件硅片与衬底片的键合金属层面对面放置进行键合工艺，实现两晶圆之间的机械和电学连接，其中器件结构通过键合金属层间形成的键合结构由衬底所支撑；
34.(5)在器件硅片的顶侧沉积顶侧第一绝缘层；在顶侧第一绝缘层上刻蚀出顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口；所述顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口与底侧体硅刻蚀穿透释放窗口在器件硅片两侧对称排布设置；
35.(6)依次在器件硅片的顶侧沉积顶侧金属层和顶侧绝缘层；
36.(7)在顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口的位置处对器件硅片进行刻蚀，使顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口与底侧体硅刻蚀穿透释放窗口连通，释放含有双侧金属多层布线的器件可
动结构，同时将衬底键合金属层的信号接口区域显露出来，该衬底键合金属层的信号接口区域构成器件底侧电信号引出结构；位于底侧的布线结构的电信号依次从底侧电极金属层、底侧键合金属层引出至器件底侧电信号引出结构。
37.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
38.1、本发明在器件硅片的底侧设置多层布线结构，充分利用了可动结构处于运动时底部的区域，有利于加强电磁感应式mems器件的性能，同时可减少所沉积多层薄膜的应力累积对可动结构的影响。
39.2、通过器件底侧键合金属层与衬底键合金属层之间形成的电学连接，并在顶侧体硅电极引出窗口的周围设置绝缘沟槽，构建一个独立的器件顶侧电信号引出结构，从而将底侧器件的电学信号引出至器件顶侧。
附图说明
40.图1为本发明中的单板双侧布线式微机械结构同时设置器件顶侧电信号引出结构和器件底侧电信号引出结构的剖面图。
41.图2
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14为本发明中的单板双侧布线式微机械结构的制备过程的剖面图，其中，图2为在衬底片一侧沉积衬底绝缘层和衬底键合金属层的剖面图，图3为在衬底片上进行光刻腐蚀的剖面图，图4为在器件硅片底侧沉积底侧基体绝缘层并进行蚀刻的剖面图，图5为在器件硅片的底侧沉积底侧第一金属层并进行光刻腐蚀的剖面图，图6为在器件硅片的底侧沉积底侧第二绝缘层并进行刻蚀的剖面图，图7为在器件硅片的底侧沉积底侧第二金属层并进行光刻腐蚀的剖面图，图8为在器件硅片的底侧沉积底侧第三绝缘层并进行刻蚀的剖面图，图9为在器件硅片的底侧沉积底侧键合金属层并进行刻蚀的剖面图，图10为器件硅片与衬底片对准键合工艺的剖面图，图11为在器件硅片顶侧沉积顶侧第一绝缘层并进行光刻腐蚀的剖面图，图12为在器件硅片的顶侧沉积顶侧第一金属层并进行光刻腐蚀的剖面图，图13为在器件硅片的顶侧沉积顶侧第二绝缘层并进行光刻腐蚀的剖面图，图14为在器件硅片23的顶侧沉积顶侧第二金属层并进行光刻腐蚀的剖面图。
42.图15为本发明中的单板双侧布线式微机械结构仅设置顶侧电信号引出结构的剖面图，在形成顶侧电信号引出结构的同时刻蚀释放了可动结构。
43.图16为本发明中的单板双侧布线式微机械结构仅设置底侧电信号引出结构的剖面图，在形成底侧电信号引出结构的同时刻蚀释放了可动结构。图中附图标记分别为：
44.45.46.具体实施方式
47.为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
48.实施例1
49.参见图1，本实施例中的单板双侧布线式微机械结构，包括衬底单元和器件结构单元；所述衬底单元包括衬底片11，该衬底片11上依次设置有衬底绝缘层12和衬底键合金属层13，所述衬底片11上开设有用于可动结构231进行运动的衬底空腔。
50.参见图1，所述器件结构单元包括器件硅片23以及分别设置在器件硅片23顶侧和底侧的布线结构，其中，位于底侧的布线结构包括底侧基体绝缘层22、底侧电极金属层、底侧金属间绝缘层以及底侧键合金属层21；具体地，所述底侧电极金属层和底侧金属间绝缘层均设有两层，所述底侧电极金属层和底侧金属间绝缘层相互交错设置；所述底侧金属间绝缘层覆盖在底侧电极金属层上。所述底侧键合金属层21和衬底键合金属层13之间相互连接形成键合结构；在键合位置处，所述底侧基体绝缘层22上开设有底侧体硅电极引出窗口221，所述底侧键合金属层21通过所述底侧体硅电极引出窗口221与器件硅片23电学连接；所述底侧金属间绝缘层上开设有电极引出窗口，所述底侧键合金属层21通过电极引出窗口与底侧电极金属层电学连接。具体地，本实施例中的布线结构可以为单层，双层或者三层，甚至更多层。
51.参见图1，位于顶侧的布线结构包括顶侧绝缘层和顶侧金属层，所述顶侧绝缘层上开设有顶侧体硅电极引出窗口241，所述顶侧金属层通过所述顶侧体硅电极引出窗口241与器件硅片23电连接；所述器件硅片23和顶侧绝缘层设有环绕在所述顶侧体硅电极引出窗口241周围的绝缘沟槽，位于绝缘沟槽内侧的器件硅片23的两侧分别与顶侧金属层和底侧键合金属层21电连通形成独立的顶侧电信号引出结构。
52.进一步，所述衬底键合金属层13的上方设有通过刻蚀器件硅片23形成的引出缺口，所述引出缺口在释放可动结构231的同时刻蚀形成；其中，暴露在所述引出缺口下的衬底键合金属层13的区域构成底侧电信号引出结构。这样，电机信号除了从顶侧上引出，还可以从衬底一侧引出，亦即本发明提供了两种器件结构底侧多层布线的信号接口方式，以解决现有技术难以对器件结构底侧多层布线的信号接口难题。
53.参见图1
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14，本实施例中的单板双侧布线式微机械结构的制备方法(同时制备两种电极信号引出结构)，包括以下步骤：
54.(1)准备一衬底片11，并在衬底片11一侧沉积衬底绝缘层12和衬底键合金属层13，随后进行光刻腐蚀实现衬底键合金属层13的图形化，如图2。
55.(2)在衬底片11进一步光刻腐蚀，通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法实现衬底绝缘层12的图形化，进而利用干法刻蚀或湿法腐蚀对衬底片11进行蚀刻，形成衬底空腔111，提供给器件可动结构231以运动空间，如图3。
56.(3)准备一器件硅片23，并在器件硅片23底侧沉积底侧基体绝缘层22，光刻腐蚀，对绝缘层22进行蚀刻形成绝缘层窗口，用于器件硅片23的底侧体硅电极引出窗口221以及底侧体硅刻蚀穿透释放窗口222，如图4。
57.(4)在器件硅片23的底侧沉积底侧第一金属层251’，光刻腐蚀，并通过金属蚀刻方法实现所述金属层的图形化，如图5。
58.(5)在器件硅片23的底侧沉积底侧第二绝缘层27，光刻腐蚀，对绝缘层27进行蚀刻形成绝缘层窗口，用于底侧第一金属层251’的电极引出窗口271，如图6。
59.(6)在器件硅片23的底侧沉积底侧第二金属层252’，光刻腐蚀，并通过金属蚀刻方法实现所述金属层的图形化，如图7。
60.(7)在器件硅片23的底侧沉积底侧第三绝缘层28，光刻腐蚀，对绝缘层28进行蚀刻形成绝缘层窗口，分别为器件底侧第二金属层第一电极引出窗口281和器件底侧第二金属层第一电极引出窗口282，其中，器件底侧第二金属层第一电极引出窗口281用于底侧第二金属层252’的电极引出，器件底侧第二金属层第二电极引出窗口282用于底侧第一金属层251’和底侧第二金属层252’的电极引出，如图8。
61.(8)在器件硅片23的底侧沉积底侧键合金属层21(或作为底侧互连金属)，光刻腐蚀，并通过金属蚀刻方法实现所述键合金属层的图形化，将底侧第一金属层251’和底侧第二金属层252’的电极分别引导至器件硅片23的底侧体硅电极引出窗口221特定区域，如图9。
62.(9)将所述制备好的器件硅片23与衬底片11的键合键合金属层面对面进行对准键合工艺，在一定的温度和压力作用下实现两晶圆之间的机械和电学连接，其中器件结构通过键合金属层间形成的键合结构由衬底所支撑，同时器件硅片底侧金属层电极通过键合金属层的电学连接实现电学信号可引导至衬底片一侧的键合金属层电极引出区域131，如图10。
63.(10)利用晶圆减薄技术对所述键合后的器件硅片23减薄至所需厚度，并在器件硅片23被减薄一侧沉积顶侧第一绝缘层24，光刻腐蚀，并对绝缘层24进行蚀刻以图形化，形成绝缘层窗口，用于器件硅片23的顶侧体硅电极引出窗口241、顶侧体硅刻蚀窗口242以及顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口243，其中顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口243与底侧体硅刻蚀穿透释放窗口222在器件硅片23两侧对称排布设置，如图11。
64.(11)在器件硅片23的顶侧沉积顶侧第一金属层251，光刻腐蚀，并通过金属蚀刻方法实现所述金属层的图形化，如图12。
65.(12)在器件硅片23的顶侧沉积顶侧第二绝缘层26，光刻腐蚀，对绝缘层26进行蚀刻形成绝缘层窗口，用于顶侧第一金属层251的电极引出窗口261，如图13。
66.(13)在器件硅片23的顶侧沉积顶侧第二金属层252，光刻腐蚀，并通过金属蚀刻方法实现所述金属层的图形化，如图14。
67.(14)在所述器件硅片23顶侧光刻腐蚀，并对器件硅片23顶侧所由顶侧体硅刻蚀窗口242以及顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口243暴露的体硅区域进行蚀刻，其中顶侧体硅刻蚀穿透释放窗口243与底侧体硅刻蚀穿透释放窗口222区域所对应的体硅蚀刻共同实现了含有双侧金属多层布线的器件可动结构231的释放以及衬底键合金属层13的部分暴露(即形成衬底键合金属层信号接口131区域)，而具有环形特征的顶侧体硅刻蚀窗口242区域的体硅蚀刻在器件硅片23的底侧基体绝缘层22处自停止并进而形成由体硅刻蚀窗口242隔离出来的器件硅片23两部分的电学绝缘，如图1。
68.最终完成单板双侧布线式微机械结构的制备(尚未封装，可采用现有的封装结构进行封装)，所述微机械结构提供了两种器件硅片23的底侧多层金属布线的信号引出或信号接口方式：其一器件硅片23的底侧多层金属布线可以通过底侧键合金属层21与衬底侧键合金属层13之间形成的电学连接并由前述器件硅片23的体硅刻蚀穿透释放所暴露出的衬底键合金属层信号接口131区域实现在衬底片11一侧的电学信号引出；其二器件硅片23的底侧多层金属布线还可以通过底侧键合金属层21与衬底侧键合金属层13之间形成的电学连接并依次通过底侧体硅电极引出窗口221、由顶侧体硅刻蚀窗口242隔离出来的器件硅片23局部硅本体、顶侧体硅电极引出窗口241、顶侧多层金属层25(含金属层251和252)实现在器件硅片23顶部一侧的电学信号引出。
69.综上所述，本实施例提供一种单板双侧布线式微机械结构及其制备方法。此结构能够实现现有技术难以实现的单板双侧布线式微机械结构制备，并提供了两种器件结构底侧多层布线的信号接口方案(分别在衬底一侧和在器件片一侧)，以解决现有技术难以对器件结构底侧多层布线的信号接口难题。
70.实施例2
71.参见图15，本实施例的微机械结构中仅设置一种顶侧引出的方式：位于底侧的布线结构的电信号依次从底侧电极金属层、底侧键合金属层、器件顶侧电信号引出结构引出至器件的顶侧。
72.实施例3
73.参见图16，本实施例的微机械结构中仅设置一种底侧引出的方式：位于底侧的布线结构的电信号依次从底侧电极金属层、底侧键合金属层引出至器件底侧电信号引出结构。
74.上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。