MEMS传感器的导线制造和布线方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统内的结构改良，尤其涉及一种有利于MEMS传感器提高性能且减少芯片体积的导线制造和布线方法。

背景技术

微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS），指的是采用微纳技术在晶圆上加工制作的微纳结构和信号处理电路一体的微型器件系统。其制造过程需要薄膜沉积、光刻、外延、刻蚀、释放、封装等关键步骤来制造微小的复杂三维结构。该微纳加工过程，结构精度通常在微米或纳米级。在制造过程中，为了实现微纳结构与外部信号处理电路相连接，通常会在微纳结构的下方或上方制作导线层，通过导线层导体实现微纳结构的信号输入和输出，最终使MEMS能够实现预定的功能。

现有技术中上述导线层的形成过程，如图1、图2所示通常是在MEMS结构层的上方或下方沉积一层导电物质，通过锚点连通微纳结构，以实现信号的输入和输出。然而，通过该方法形成的导线层，往往受限于工艺瓶颈制约和成本控制，导致导线层所沉积的导线宽度及整体面积较大，带来有悖于微型器件设计初衷的影响。一方面为了减少导线间信号串扰，需留出工艺误差距离、导线之间也需要保持一定间距，增加了芯片所占面积，从而导致芯片制作成本提高；另一方面增加了导线和结构层的相对面积，从而导致寄生电容增大，对MEMS的正常工作和性能指标产生一定的影响。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种MEMS传感器的导线制造和布线方法，突破传统导线层制作工艺瓶颈，以求大幅缩小芯片的面积占用，并减少寄生电容。

本发明实现上述目的的技术解决方案是，MEMS传感器的导线制造和布线方法，其特征在于：将MEMS传感器内的导线分为必要电极和连通信号的传输线两部分，并且其中所述必要电极在导线层刻蚀成型，且所述传输线通过锚点连接到结构层中刻蚀成型。

上述MEMS传感器的导线制造和布线方法，进一步包括：在基底上沉积绝缘层，对电压进行隔离；在绝缘层上沉积导线层，并刻蚀成型必要电极；在绝缘层或导线层上生长牺牲层，并刻蚀出锚点区域，然后外延生长锚点，其中锚点定义必要电极与结构层的连通位置；在锚点所在层上外延生长结构层，并刻蚀成型对应器件功能的第一种微纳结构和对应传输线的第二种微纳结构，且所述第二种微纳结构与锚点和必要电极相连导通。

上述MEMS传感器的导线制造和布线方法，进一步地，所述必要电极通过锚点连接在结构层下方、上方或上下兼具。

上述MEMS传感器的导线制造和布线方法，进一步地，所述结构层的成型材料至少为单晶硅、多晶硅或氮化硅，且成型于结构层中的传输线厚度介于0.5μm~50μm。

上述MEMS传感器的导线制造和布线方法，进一步地，所述导线层的成型材料至少为多晶硅、铝或铜，且必要电极的成型厚度介于0.1μm~10μm。

上述MEMS传感器的导线制造和布线方法，进一步地，所述锚点的成型材料至少为多晶硅，且锚点的成型厚度介于0.1μm~5μm。

上述MEMS传感器的导线制造和布线方法，对应必要电极连接于结构层下方的芯片结构，包括步骤：S11、在基底上沉积绝缘层，对电压进行隔离。

S12、在绝缘层上沉积导线层，并根据布图定义的图案和位置刻蚀成型必要电极及其外围导线。

S13、在S12的成型基础上先生长牺牲层，并刻蚀出锚点区域后，再外延生长锚点。

S14、在S13的成型基础上外延生长结构层，并刻蚀成型对应器件功能的第一种微纳结构和对应传输线的第二种微纳结构，且所述第二种微纳结构与锚点和必要电极相连导通。

S15、在S14的成型基础上，在结构层顶面通过溅射或沉积制作引脚或键合环。

上述MEMS传感器的导线制造和布线方法，对应必要电极连接于结构层上方的芯片结构，包括步骤：S21、在第一基底上沉积第一绝缘层，对电压进行隔离。

S22、在第一绝缘层上先生长牺牲层，并刻蚀出锚点区域后，再外延生长下锚点。

S23、在S22的成型基础上外延生长结构层，并刻蚀成型对应器件功能的第一种微纳结构、对应传输线的第二种微纳结构和与必要电极、引脚相连的上锚点，所述第二种微纳结构由下锚点支撑。

S24、在第二基底上刻蚀引脚和绝缘区域，再在绝缘区域灌注绝缘材料并固化成型为第二绝缘层，表面研磨平整并外露对应引脚位置的第二基底。

S25、在S24的成型基础上沉积导线层，并根据布图定义的图案和位置刻蚀成型必要电极及其外围导线。

S26、在导线层对应必要电极和外围导线预设连接处沉积接触点，所述接触点定义必要电极与结构层的连通位置。

S27、将S26的第二基底相关成型体翻转并键合到S23的第一基底相关成型体上，使接触点与上锚点对位连通。

S28、研磨第二基底的顶部至预设厚度，再在第二基地表面对应引脚位置通过溅射或沉积制作引脚。

在MEMS传感器加工制造过程中应用本发明该导线制造和布线方法，具备的进步性优点如下：1）、能将绝大部分连通信号的传输线宽度大幅缩减，从而降低了芯片所占面积，使得单位晶圆上能制作更多数量的MEMS传感器，优化制作成本。

2）、通过加工更细的传输线，有利于降低导线间的寄生电容，从而能够降低信号串扰和噪声，提高信号质量；

3）、通过在结构层同一水平位置加工微纳结构的传输线，且两者距离间隔增大，也有利于降低结构层与导线之间的寄生电容，从而降低信号延迟。

附图说明

图1是传统导线层制作方法所得一种MEMS传感器的结构剖视图。

图2是传统导线层制作方法所得另一种MEMS传感器的结构剖视图。

图3是对应图1所示MEMS传感器用本发明导线层制作方法所得的结构剖视图。

图4是对应图2所示MEMS传感器用本发明导线层制作方法所得的结构剖视图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

本发明设计者针对现有MEMS传感器制作过程中导线层所成型的导线宽度过大及其引发的芯片面积大、寄生电容影响信号的诸多不足，创新提出了一种MEMS传感器的导线制造和布线方法，广泛适用于微机电系统的设计与制造中，以求使芯片变得更小并提升信号质量。

本发明该种MEMS传感器的导线制造和布线方法，突破传统导线层制作工艺瓶颈，以求大幅缩小芯片的面积占用，并减少寄生电容。从技术概述来看，该布线方法的核心构思是将MEMS传感器内的导线分为必要电极和连通信号的传输线两部分，并且其中必要电极在导线层刻蚀成型，且传输线通过锚点连接到结构层中刻蚀成型。从概述的布线步骤来看：先在基底上沉积绝缘层，对电压进行隔离；再在绝缘层上沉积导线层，并刻蚀成型必要电极；继而在绝缘层或导线层上生长牺牲层，并刻蚀出锚点区域，然后外延生长锚点，其中锚点定义必要电极与结构层的连通位置；最后在锚点所在层上外延生长结构层，并刻蚀成型对应器件功能的第一种微纳结构和对应传输线的第二种微纳结构，且第二种微纳结构与锚点和必要电极相连导通。

由以上描述可见，该布线方法绕过了仅限于在导线层刻蚀导线而线宽较大的工艺问题，又充分利用了结构层刻蚀线宽较小的优势，从而有利于减少导线所占的芯片面积，降低芯片制作成本和寄生电容，进而有利于提高信号质量。

从更进一步细化特征来看，上述必要电极通过锚点连接可选接设于结构层的下方、上方或上下兼具。这取决于MEMS芯片设计，本发明布线方法仅与之对应适配、优化制法而进行技改微调。

再从该MEMS传感器各分层的材质和厚度来看，其中结构层的成型材料包括但不限于单晶硅、多晶硅、氮化硅等晶圆材料，且成型于结构层中的传输线厚度介于0.5μm~50μm。其中导线层的成型材料包括但不限于多晶硅、铝、铜等金属导电材料，且必要电极的成型厚度介于0.1μm~10μm。其中锚点的成型材料包括但不限于多晶硅等晶圆材料，且锚点的成型厚度介于0.1μm~5μm。

为更直观地理解本发明布线方法对导线成型的技术改进，参照图1和图3所示的实施例，对应必要电极连接于结构层下方的芯片结构。其以布线为重点的工艺步骤如下。

S11、在基底上沉积绝缘层，对电压进行隔离。

S12、在绝缘层上沉积导线层，并根据布图定义的图案和位置刻蚀成型必要电极及其外围导线。

S13、在S12的成型基础上先生长牺牲层，并刻蚀出锚点区域后，再外延生长锚点。至此为止的前三步骤与传统导线层工艺基本相同，故各步骤中的具体工艺细节及参数设定省略详述。

S14、在S13的成型基础上外延生长结构层，并刻蚀成型对应器件功能的第一种微纳结构和对应传输线的第二种微纳结构，且所述第二种微纳结构与锚点和必要电极相连导通。如图示左侧结构层，即为该MEMS传感器对应功能设计的成型结构，如各类传感器的微纳结构等；而图示中部和右侧的结构层，则分别对应预设的导线布局并利用结构层刻蚀线宽较小的优势，成型传输线。由于传输线的线宽被大幅度减小，则其线间距将得以自然增大并具有相对宽泛的收紧空间，从而减少导线的占空和芯片的占用面积。

S15、在S14的成型基础上，在传输线所在的结构层顶面通过溅射或沉积制作引脚或键合环，通过引脚实现MEMS传感器的信号输入与输出。

再请参照图2和图4所示的实施例，对应必要电极连接于结构层上方的芯片结构。其以布线为重点的工艺步骤如下。

S21、在第一基底上沉积第一绝缘层，对电压进行隔离。

S22、在第一绝缘层上先生长牺牲层，并刻蚀出锚点区域后，再外延生长下锚点。这里跳过了前述实施例中S12关于导线层的加工内容，并对加工所得的锚点进行了相对结构层位置的区分。

S23、在S22的成型基础上外延生长结构层，并刻蚀成型对应器件功能的第一种微纳结构、对应传输线的第二种微纳结构和与必要电极、引脚相连的上锚点，其中第二种微纳结构（即传输线）由下锚点支撑。

S24、另取一片第二基底并在其上刻蚀引脚和绝缘区域，再在绝缘区域内灌注绝缘材料并固化成型为第二绝缘层，表面研磨平整并外露对应引脚位置的第二基底。

S25、在S24的成型基础上沉积导线层，并根据布图定义的图案和位置刻蚀成型必要电极及其外围导线（与S12加工内容相似）。

S26、再在导线层对应必要电极和外围导线预设的连接处沉积接触点，其中至少一个接触点定义必要电极与结构层的连通位置。

S27、将S26的第二基底相关成型体翻转并键合到S23的第一基底相关成型体上，使接触点与上锚点对位连通，键合方式为共晶焊接。

S28、最后研磨第二基底的顶部至预设厚度，再在第二基底表面对应引脚位置通过溅射或沉积制作引脚，通过引脚实现MEMS传感器的信号输入与输出。

由以上两个实施例可见，在结构层（第一种微纳结构）不变的基础上，绕开传统仅利用导线层刻蚀布线的工艺，将导线中较大占比且复杂的传输线在结构层中通过高精度刻蚀工艺成型并大幅度减小线宽，再通过锚点桥接传输线和导线层中的必要电极和结构层，能够实现与传统布线完全相同的传输回路结构。而当需要在结构层上下两侧均接设必要电极的实施情况下，只需将上述S11~S13与S23~S28相结合，即可满足本发明布线方法的技术要求。

综上关于本发明MEMS传感器的导线制造和布线方法的技术介绍及实施例详述可见，本方案具备实质性特点和进步性，其技术效果表现如下。

1）、能将绝大部分连通信号的传输线宽度大幅缩减，从而降低了芯片所占面积，使得单位晶圆上能制作更多数量的MEMS传感器，优化制作成本。

2）、通过加工更细的传输线，有利于降低导线间的寄生电容，从而能够降低信号串扰和噪声，提高信号质量；

3）、通过在结构层同一水平位置加工微纳结构的传输线，且两者距离间隔增大，也有利于降低结构层与导线之间的寄生电容，从而降低信号延迟。

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。