CN104045052B - Mems集成压力传感器和麦克风器件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了微机电（MEMS）集成压力传感器和麦克风器件及其形成方法，该方法包括提供MEMS晶圆，其中，图案化该MEMS晶圆的一部分来提供麦克风器件的第一膜以及压力传感器件的第二膜。载体晶圆接合至MEMS晶圆，并且蚀刻该载体晶圆以将麦克风器件的第一膜暴露于周围环境。图案化MEMS衬底并且去除MEMS晶圆的第一牺牲层的部分以形成MEMS结构。盖晶圆接合至MEMS晶圆中的与载体晶圆相对的一侧上从而形成包括MEMS结构的第一密封腔体。在压力传感器件的第二膜的相对侧形成第二密封腔体和暴露于周围环境的腔体。

Description

MEMS集成压力传感器和麦克风器件及其形成方法

本发明要求于2013年3月14日提交的标题为“MEMS Pressure Sensor,Motion Sensor,and Microphone Devices and Methods of Forming Same”的第61/783,401号美国临时申请的优先权，其内容结合于此作为参考。

相关申请的交叉引用

本发明涉及以下同天提交的共同待决和共同转让的专利申请：“MEMSIntegrated Pressure Sensor Devices and Methods of Forming Same”(代理人案号：TSM13-0152)；“MEMS Integrated Pressure Sensor Devices havingIsotropic Cavities and Methods of Forming Same”(代理人案号：TSM13-0154)；“MEMS Integrated Pressure Sensor and Microphone Deviceshaving Through Vias and Methods of Forming Same”(代理人案号：TSM13-0155)以及“MEMS Device and Methods of Forming Same”(代理人案号:TSM13-0175)。

技术领域

本发明总的来说涉及微机电系统(“MEMS”)，更具体地，涉及MEMS集成压力传感器和麦克风器件及其形成方法。

背景技术

微机电系统越来越受欢迎，特别是当这种器件被最小化并且集成到集成电路制造工艺中时。然而，MEMS器件将它们自身独特的要求引入到了集成工艺中。电互连MEMS器件是个独特的挑战领域。具体而言，将MEMS压力传感器件、MEMS麦克风器件以及其他器件(例如，运动传感器器件)集成到同一集成电路制造工艺中已经提出了多种挑战。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种形成微机电(MEMS)器件的方法，包括：提供MEMS晶圆，其中，部分MEMS晶圆被图案化以提供用于麦克风器件的第一膜和用于压力传感器件的第二膜；将载体晶圆接合至MEMS晶圆；蚀刻载体晶圆，以将用于麦克风器件的第一膜暴露于周围环境；图案化MEMS衬底并且去除MEMS晶圆的部分第一牺牲层，以形成MEMS结构；将盖晶圆接合至MEMS晶圆的与载体晶圆相对的一侧，以形成包括MEMS结构的第一密封腔体；以及在用于压力传感器件的第二膜的相对侧形成第二密封腔体和暴露于周围环境的腔体。

优选地，第一密封腔体的压力级由盖晶圆和MEMS器件之间的接合工艺限定。

优选地，在用于压力传感器件的第二膜的相对侧形成第二密封腔体和暴露于周围环境的腔体包括：将载体晶圆接合至MEMS晶圆以及蚀刻盖晶圆。

优选地，在用于压力传感器件的第二膜的相对侧形成第二密封腔体和暴露于周围环境的腔体还包括：从盖晶圆中去除临时操作晶圆。

优选地，在用于压力传感器件的第二膜的相对侧形成第二密封腔体和暴露于周围环境的腔体包括：将盖晶圆接合至MEMS晶圆以及蚀刻载体晶圆。

优选地，该方法还包括；提供盖晶圆，提供盖晶圆包括：提供具有金属线的半导体晶圆；在金属线上方形成共形氧化物层；在共形氧化物层上方形成薄膜层；以及在薄膜层上方形成多个第一接合件。

优选地，该方法还包括：形成将多个第一接合件的至少一部分电连接至金属线的接触塞。

优选地，该方法还包括：浅蚀刻部分薄膜层，以形成一个或多个凸块，并且将盖晶圆接合至MEMS晶圆包括：将一个或多个凸块与MEMS结构相对准。

优选地，将盖晶圆接合至MEMS晶圆的与载体晶圆相对的一侧上包括：多个第一接合件和设置在MEMS晶圆的与载体晶圆相对的一侧的多个第二接合件之间的共晶接合工艺。

优选地，该方法还包括：在第一牺牲层中形成空位。

优选地，去除部分第一牺牲层包括：蒸汽氟化氢(蒸汽HF)蚀刻工艺。

优选地，盖晶圆是包括有源电路的CMOS晶圆。

优选地，将载体晶圆接合至MEMS晶圆包括：将MEMS晶圆的接合层用作界面，并且提供MEMS晶圆还包括：在MEMS衬底上方形成第一牺牲层；在第一牺牲层上方形成介电层；图案化介电层，以形成第一膜和第二膜；在介电层上方形成蚀刻停止层；在蚀刻停止层上方形成第二牺牲层；以及在第二牺牲层上方形成接合层。

优选地，将载体晶圆接合至MEMS器件包括：熔融接合工艺。

根据本发明的另一方面，提供了一种形成微机电(MEMS)器件的方法，包括：提供MEMS晶圆，图案化部分MEMS晶圆来提供用于压力传感器件的第一膜；将载体晶圆接合至MEMS晶圆；在用于压力传感器件的第一膜的第一表面上形成第一密封腔体；通过图案化MEMS晶圆的MEMS衬底形成第一MEMS结构和第二MEMS结构，第一MEMS结构设置在第一膜上方；在MEMS晶圆的与载体晶圆相对的表面上方形成第二介电层，部分第二介电层被设置在第一MEMS结构上方并且对被图案化以提供用于麦克风器件的第二膜；将盖晶圆接合至第二介电层，以形成包括第二MEMS结构的第二密封腔体；以及将用于麦克风器件的第二膜和用于压力传感器件的第一膜的第二表面暴露于周围环境。

优选地，该方法还包括：通过图案化MEMS衬底形成第三MEMS结构，并且将盖晶圆接合至第二介电层限定出包括第三MEMS结构的第三密封腔体。

优选地，将载体晶圆接合至MEMS晶圆形成第一密封腔体。

优选地，将用于麦克风器件的第二膜和用于压力传感器件的第一膜的第二表面暴露于周围环境包括：蚀刻盖晶圆以及从盖晶圆中去除临时操作晶圆。

优选地，接合载体晶圆包括熔融接合工艺，并且接合盖晶圆包括共晶接合工艺。

根据本发明的又一方面，提供了一种微机电(MEMS)器件，包括：MEMS晶圆，包括具有用于麦克风器件的第一膜和用于压力传感器件的第二膜的介电层以及MEMS结构；载体晶圆，接合至MEMS，载体晶圆包括暴露于周围环境的第一腔体和第二腔体，第一腔体包括第一膜，第二腔体包括第二膜的第一表面；以及盖晶圆，接合至MEMS晶圆的与载体晶圆相对的表面，盖晶圆和MEMS晶圆限定出第三密封腔体和第四密封腔体，并且MEMS结构设置在第三密封腔体中，并且述第二膜的第二表面暴露于第四腔体的密封压力级。

附图说明

为了更全面地理解实施例及其优势，现将结合附图所进行的描述作为参考，其中：

图1A至图1AB是根据多个实施例的MEMS器件的制造中间阶段的截面图；

图2A至图2E是根据可选的多个的实施例的MEMS器件的制造中间阶段的截面图；以及

图3A至图3I是根据可选的多个实施例的MEMS器件的制造中间阶段的截面图。

具体实施方式

下面详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。

图1A至图1AB示出了具有压力传感器402、麦克风404和另一器件406(见图1AB)的MEMS器件400的一部分的制造中间阶段的截面图。器件406可以是MEMS运动传感器、陀螺仪、加速计等。使用相同的集成电路(IC)工艺来制造压力传感器402、麦克风404以及器件406。因此，图1A至图1AB所示的多个实施例能够使用公知的IC制造技术将MEMS压力传感器和麦克风器件的制造顺利地整合。

图1A至图1L示出了根据多个实施例的MEMS晶圆100的制造中间阶段的多个截面图。如图1A所示，MEMS晶圆100包括衬底102和介电层104。衬底102可以由硅或其他材料(诸如，硅锗、碳化硅等)形成。衬底102可以由低电阻的硅形成。可选地，衬底102可以是绝缘体上硅(SOI)衬底。SOI衬底可以包括形成在绝缘体层(例如，隐埋氧化物)上方的半导体材料(例如，硅、锗等)层，该半导体材料层形成在硅衬底中。另外，可以使用其他衬底，这些衬底包括多层衬底、梯度衬底、混合取向衬底等。

介电层104可以由诸如二氧化硅(SiO2)的低k介电材料形成。可以使用例如旋涂、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强的化学汽相沉积(PECVD)、低压CVD或其他适合的沉积技术在衬底102上方沉积介电层104。另外，介电层104可以由不同的适合的材料(诸如，低k电介质(例如，掺杂碳的氧化物)、极低k电介质(例如，掺杂多孔碳的二氧化硅)、聚合物(例如，聚酰亚胺)以及它们的组合等)形成。可以在随后的工艺步骤中释放(即，去除)介电层104从而形成MEMS结构；因此，介电层104也可以被称为氧化物释放层104、牺牲层104或牺牲氧化物层104。

另外，在氧化物释放层104中可以嵌入或不嵌入空位(void)(未示出)从而在后续的选择性氧化物蚀刻工艺(例如，蒸汽HF)过程中增大氧化物释放时间。可以通过使用例如光刻和蚀刻技术的组合来沉积和图案化氧化物释放层104的第一部分以形成多个小的开口从而将空位嵌入。然后，可以将小开口的上部接合在一起以密封该小开口，从而产生空位。例如可以使用施加于氧化物释放层104的第一部分的上表面的氧化物沉积工艺来将小开口接合在一起。例如，可以通过在氧化物释放层104的第一部分上方沉积额外的氧化物材料(即，氧化物释放层104的剩余部分)来密封开口的上部。可以使用诸如CVD等的沉积工艺来形成氧化物沉积。更具体地，通过控制沉积工艺，可以以非共形的方式沉积氧化物释放层104的材料。也就是说，与沿着小开口的侧壁和底部相比，在小开口的上部累积氧化物释放层104材料的速度更快。这种工艺导致在小开口的上部边缘处形成突出部分，并且随着沉积工艺的继续，突出部分将聚合，从而将具有多个缝隙的小开口封死并且形成嵌入在氧化物释放层104中的空位。

在图1B和图1C中，图案化氧化物释放层104，从而产生凸块开口108和通孔开口110。可以使用例如，光刻和蚀刻技术的组合来完成氧化物释放层104的图案化。可以执行两个独立的光刻步骤来产生凸块开口108和通孔开口110。例如，可以执行浅蚀刻来形成凸块开口108，同时可以执行更深的蚀刻来形成通孔开口110。如图1B和图1C所示的那样，凸块开口108不延伸至衬底102，而通孔开口110则延伸至且暴露出衬底102的部分。另外，可以减薄(未示出)氧化物释放层104直至达到需要的厚度。可以通过使用适合的技术，诸如，研磨、抛光和/或化学适合来执行该减薄工艺。例如，可以使用化学机械抛光(CMP)工艺来减薄氧化物释放层104。根据多个实施例，氧化物释放层104的厚度在大约0.5μm至大约5μm的范围内。

在图1D中，例如使用CVD将介电层112沉积在氧化物释放层104上方。介电层112可以由多晶硅制成并且在下文中可以被称为多晶硅层112。多晶硅层112填充了通孔开口110和凸块开口108，从而分别形成多晶硅通孔112A和多晶硅凸块112B。多晶硅通孔112A可以被形成用于进行电气布线并且还可以充当机械结构。例如，在后续工艺步骤中，可以将多晶硅通孔112A用作蒸汽氟化氢(蒸汽HF)蚀刻停止层。另外，在一些实施例中，多晶硅凸块112B可以用作为限制MEMS器件400中的运动元件运动的电气凸块、机械凸块或作为反静摩擦凸块。在可选的实施例中，层112可以由代替多晶硅的不同的材料，诸如，SiGe、单晶硅(例如，通过将绝缘体上硅晶圆作为起始材料)等形成。应该注意的是，虽然示出的是单个的多晶硅层，但本领域的技术人员将意识到可以使用多个多晶硅层。

可以在部分多晶硅层112上方方形成氧化物掩模层114(标记为114A和114B)并且将其图案化。可以由与氧化物释放层104类似的材料以及使用类似的方法来形成氧化物掩模层114，并且可以使用例如光刻和蚀刻的组合来图案化氧化物掩模层114。氧化物掩模层114在后续的工艺步骤中用于保护多晶硅层112的关键部分。例如，在图1D中，氧化物掩模层保护部分多晶硅层112以确保适合的厚度控制和表面构造。氧化物掩模层114可以形成在多晶硅层112中任何需要这种控制的部分上方。如果表面结构和厚度并不重要，那么可以忽略氧化物掩模层114。

在图1E中，使用例如光刻和蚀刻的组合来图案化多晶硅层112。为了产生MEMS器件400中的多个器件部分可以对多晶硅层112进行图案化。例如，图1E中的多晶硅层112的图案化产生了多晶硅层112的多个独立的部分，分别包括运动传感器的底部电极(或其他可应用的器件)、压力传感器的薄膜以及麦克风器件的薄膜。

在图1F中，在氧化物释放层104和多晶硅层112上方形成和图案化蚀刻停止层116。可以使用例如低压化学气相沉积(LPCVD)来沉积蚀刻停止层116。可以图案化蚀刻停止层(例如，使用光刻和蚀刻)以暴露出部分氧化物掩模层114。蚀刻停止层116可以用作为蒸汽HF的蚀刻停止层并且可以由低应力氮化物(LSN)形成。然而，也可以使用其他的材料，诸如，氮化铝、碳化硅或其他在化学性质上耐受蒸汽HF的电介质。

在图1G中，图案化蚀刻停止层116、多晶硅层112和氧化物释放层104以包括释放孔117并且暴露出部分氧化物释放层104。可以使用例如光刻和蚀刻的组合来实现图案化工艺。释放孔117提供了在后续工艺步骤中去除氧化物释放层104的路径。设置在释放孔117附近的部分多晶硅层112可以用作为MEMS器件400中的麦克风器件的薄膜(参见图1AB中的元件404)。

图1H示出了另一个氧化物释放层118的形成和图案化。氧化物释放层118可以由与氧化物释放层104基本相同的材料以及使用基本相同的方法形成。氧化物释放层104和118的厚度可以被设计成通过电容和/或随后的MEMS晶圆100的运动元件和蚀刻停止层116之间的间隙来控制寄生反馈。可毯式沉积氧化物释放层118，随后经历研磨工艺(例如，CMP或回蚀)以达到所需的平整度和/或厚度。使用例如光刻和蚀刻的组合来图案化氧化物释放层118(以及蚀刻停止层116的相应部分)来实现通孔开口120，从而暴露出多晶硅层112的部分。

图1I示出了在氧化物释放层118上方形成薄多晶硅层122。可以使用诸如CVD等适合的技术在氧化物释放层118上形成薄多晶硅层122。将薄多晶硅层118沉积到通孔开口120中，从而产生通孔部分122A。薄多晶硅层122可以充当电器布线和互连结构(例如，使用通孔部分122A和直线部分122B电连接多晶硅层122的分离的部分)。

图1J和图1K示出了又一个氧化物释放层124和薄多晶硅层128的形成。氧化物释放层124和薄多晶硅层128可以分别与氧化物释放层104和118以及薄多晶硅层122基本类似并以基本相同的方式形成。薄多晶硅层124的形成可以包括第一图案化氧化物释放层124以形成开口126。然后，以多晶硅材料填充开口126以形成与部分薄多晶硅层122互连的通孔部分。

薄多晶硅层128在后续的工艺步骤中还充当MEMS晶圆100的多个部件(例如，衬底102和多晶硅层112)的防护件。薄多晶硅层128也充当接合界面层；因此，其他适合的接合材料(诸如，硅、非晶态的硅、掺有杂质的硅以及它们的组合等)均可以用来代替多晶硅。

在图1L中，蚀刻薄多晶硅层112的部分和多个氧化物层(即，氧化物释放层118和124以及氧化物掩模层114)的部分，从而产生开口130。可以使用例如湿蚀刻和干蚀刻技术的组合来实现上述目的。尤其是开口130暴露出了多晶硅层112的区域132。多晶硅层112的区域132可以充当完成的MEMS器件400中的压力传感器件(例如，见图1AB中的元件402)的薄膜。在完成的MEMS器件400中，开口130将多晶硅层112的这个部分暴露于一种类型的压力(例如，根据MEMS器件400的设计的环境压力或密封压力)。对薄多晶硅层122和氧化物释放层118的蚀刻完成了包括在MEMS器件400中的MEMS晶圆100。MEMS晶圆100具有顶面和底面，分别是100A和100B。

在图1M中，MEMS晶圆100接合至载体晶圆200。载体晶圆200可以是与MEMS晶圆100中的衬底102基本类似的衬底。载体晶圆200包括例如使用运用蚀刻负载效应的蚀刻技术而形成的腔体202。载体晶圆200还具有顶面和底面，分别是200A和200B。

MEMS晶圆100的顶面100A接合至载体晶圆200的顶面200A。MEMS晶圆100的开口130与载体晶圆200的腔体202相对准。可以使用任意适合的技术(诸如，熔融接合、阳极接合、共晶接合等)将MEMS晶圆100接合至载体晶圆200。在多个实施例中，可以使用薄聚合物层128作为接合界面来接合MEMS晶圆100和载体晶圆200。熔融接合工艺可限定腔体202的压力级。

另外，可以将MEMS晶圆100减薄至所需的厚度T3。减薄工艺可以包括研磨和化学机械抛光(CMP)工艺、回蚀工艺或其他可对MEMS晶圆100的表面100B(即，衬底102)执行的可接受的工艺。该减薄工艺导致MEMS晶圆100可能具有约5μm至约60μm之间的厚度。

在图1N中，在衬底102(即，MEMS晶圆100的底部表面100B)上方形成并且图案化导电接合件204。导电接合件204可以由铜铝(AlCu)形成并且在后续工艺步骤中用来进行共晶接合。可选地，可以使用适合于共晶接合的不同导电材料(诸如，Ge、Au以及它们的组合)来代替铜铝。

在图1O中，使用例如光刻和蚀刻的组合来图案化部分衬底102。衬底102的剩余部分可以形成多个MEMS结构(例如，MEMS结构212、214和216)。MEMS结构212可以充当完成的MEMS器件400中的压力传感器件的底部电极。MEMS结构214可以充当完成的MEMS器件400中的麦克风器件的底部电极。MEMS结构216可以被图案化以充当完成的MEMS器件400中的运动传感器器件的质量块。可选地，可以将MEMS结构216图案化成其他MEMS器件(诸如，弹簧(例如，用于陀螺仪)、一系列梳齿(例如，用于加速计)等)的一部分。

在图1P中，氧化物释放层206形成在接合件204上方并且将其覆盖住。氧化物释放层206可以与氧化物释放层104基本类似并且以相同的方式形成。应该注意的是，氧化物释放层206可以通过多个氧化物沉积工艺以及它们相应的回蚀工艺形成。氧化物释放层206可以包括设置在衬底102的剩余部分(例如，MEMS结构212、214和216)之间的空位208。氧化物释放层206在后续的工艺步骤(例如，对图1Q中所示的载体晶圆200的蚀刻)过程中可以用作为MEMS晶圆100的保护层。

在图1Q中，在载体晶圆200中形成有腔体210。可以通过蚀刻载体晶圆200和薄多晶硅层128来形成腔体210从而对应于MEMS结构214暴露出MEMS晶圆100中的部分氧化物释放层124。

图1R示出了通过蒸汽HF蚀刻各个氧化物释放层104、118、124和206的各部分来形成MEMS结构212、214和216。这种类型的蚀刻工艺在多个氧化物释放层(104、118、124和206)与蚀刻停止层116、多晶硅层112、薄多晶硅层122和128以及载体晶圆200之间具有高选择性，使得多晶硅层112、122和128、载体晶圆200以及蚀刻停止层116在去除多个氧化物释放层104、118、124和206的部分的过程中不受到明显的影响。另外，部分多晶硅层112(例如，通孔112A)和部分蚀刻层116在蚀刻工艺过程中保护着各个氧化物释放层的各部分，并且这些受保护的区域(即，各个氧化物释放层的剩余的各部分)可以被称为锚区。该蚀刻工艺允许MEMS结构216的可运动元件在至少一个轴线上自由运动。另外，MEMS结构212和214可以被设计成不易活动的并且甚至在蒸汽HF工艺之后仍具有相对受限的运动范围。应该注意，要根据布局设计去除部分氧化物释放层。

图1S至图1Z示出了包括在完成的MEMS器件400中的盖晶圆300(capwafer)的制造的多个中间步骤。盖晶圆300可以是或可以不是CMOS晶圆，它可以具有或可以不具有电路(未示出)。尤其是盖晶圆300可以包括多个有源器件，诸如，晶体管、电容器、电阻器、二极管、光电二极管以及熔丝等。可以互连电路来执行适用于特定应用的一个或多个功能，这些功能可以与MEMS结构212、214和216相关联或不相关联。图1S示出了具有衬底302、氧化物层304以及图案化的金属线306的盖晶圆300。可以将金属线306用于进行电气布线。金属线306可以由例如AlCu形成，然而也可以使用其他金属材料来形成金属线306。

在图1T中，例如，使用诸如CMP的公知的研磨技术来减薄衬底302。盖晶圆300与临时操作晶圆303相附接。临时操作晶圆303可以由例如玻璃或硅形成。可以使用临时粘合剂(诸如，UV膜、蜡、胶等)将衬底302与临时操作晶圆303相附接。另外，在金属线306上方形成有共形氧化物层308。可以使用诸如CVD的任意适合的技术沉积共形氧化物层308并且该共形氧化物层可以由低k介电材料形成。

在图1U中，共形氧化物层308经历了研磨工艺(例如，CMP)以实现所需的形貌和厚度。使用诸如CVD的适合的技术在共形氧化物层308上方沉积薄膜层310。在一些实施例中，薄膜层310由氮化硅形成并且用作为钝化层。可选地，薄膜层310可以由介电材料(诸如，氧化物、金属以及它们的组合等)形成。在后续的工艺步骤中，可以图案化部分薄膜层310以在盖晶圆300中产生机械凸块。

图1V示出了将接触塞311插入到盖晶圆300中。接触塞311可以由钨形成，然而也可以使用诸如铝或铜的其他金属材料。例如可以通过图案化薄膜层310和共形氧化物层308，暴露出金属线306来形成接触塞311。可以在图案化的开口中沉积金属材料(例如，钨)并且可以使用CMP技术使得接触塞311的顶面与薄膜层310的顶面齐平。接触塞311电连接至金属线306。

在图1W中，接合材料层312(可选地被称为接合件312)形成在薄膜层310的顶面上方。可以使用例如物理汽相沉积(PVD)和光刻/蚀刻毯式沉积接合材料层312并且使其图案化。接合材料层312可以由位于锗层下方的铜铝层形成，然而也可以使用诸如金的其他金属材料。接合材料层312可以充当后续的接合工艺用的共晶接合材料。接合材料层312可以通过接触塞311与金属线306电连接或不与其电连接。

在图1X中，对部分薄膜层310执行浅蚀刻。可以浅蚀刻部分薄膜层310以形成凸块314。凸块314可以用于多种目的。例如，在一个实施例中，凸块314是用于限制MEMS晶圆100中的运动元件的运动的机械凸块。凸块314也可以用作为反静摩擦凸块。

在图1Y中，在盖晶圆300中形成了腔体316(包括腔体316A和316B)。腔体316不穿透衬底302的整个厚度(即，腔体316没有使得临时操作晶圆303暴露出来)。腔体316的形成可以包括公知的运用蚀刻负载效应的蚀刻技术。

在图1Z中，对腔体316(即，腔体316A、316B和边缘部分)选择性地执行额外的蚀刻以暴露出临时操作晶圆303。然而，可以不进一步蚀刻其他的腔体316并且不暴露出操作晶圆303。

图1AA示出了堆叠的MEMS器件400，其中，盖晶圆300堆叠在MEMS晶圆100和载体晶圆200上方。可以通过接合件204和接合件312之间的共晶接合将盖晶圆300与MEMS晶圆100相接合。某些接合件204(即，接合件204A和204B)可以不接合至接合件312。这些接合件204A和204B可以用作为输入/输出焊盘以将MEMS器件400电连接至外部的电子电路(未示出)。

如图1AA所示，经过共晶接合工艺，运动的元件(例如，MEMS结构216)可以位于多晶硅层112和盖晶圆300之间。另外，可以将盖晶圆300与MEMS晶圆100相对准从而使得腔体316B、腔体316A以及凸块314分别与MEMS结构212、214和216相对准。MEMS结构216设置在由共晶接合所限定的密封的腔体中。也就是说，在MEMS器件400的部分的俯视图中(未示出)，形成在接合件204和213之间的共晶接合件的至少一个部分形成闭合的环路，从而将MEMS结构216密封在封闭的腔体中。

然而，其他某些接合件204和312可以不形成闭合的回路并且被用于电连接。例如，包含MEMS结构216的封闭的腔体可以包括腔体316C，从而使得可应用的接合件204和312(即，与MEMS结构216相邻的接合件204和213)周围具有自由空气流。另外，可以使用公知的物理关系(即，理想的气体定律表示为PV＝nRT，随着体积的增大，压力减小)，通过为腔体316C选择合适的体积来调整密封的腔体的适合的压力级。

在图1AB中，去除了临时操作晶圆303，从而将腔体316A和316B以及相应的MEMS结构212和214暴露于周围环境。临时操作晶圆303的去除还暴露和提供了通向输入/输出接合件204A和204B的通道。

图1AB示出了根据多个实施例的完成的MEMS器件400。MEMS器件400包括压力传感器402、麦克风404以及其他器件406。压力传感器402包括膜(即，多晶硅层112的区域132)。该膜在一个表面处(即，通过腔体316B)暴露于周围环境压力下而在另一个表面处(即，通过密封的腔体202)暴露于密封压力下。密封的腔体202的压力可以由MEMS晶圆100和载体晶圆200之间的接合工艺(例如，熔融接合)的条件来限定。例如，可以在具有适合的压力级的腔室中执行熔融接合工艺以在密封的腔体202中将压力限定在约10^-4mbar至约1bar之间。因此，压力传感器402可以通过比较腔体316B(大气压力)和密封腔体202之间的压力差来检测大气压力。麦克风404包括运动的元件214和薄膜。该膜在两侧上通过腔体316A和210均暴露于大气压力。MEMS结构212和214可以分别充当压力传感器402和麦克风404的底部电极。

器件406可以是运动传感器，该运动传感器能够通过在具有由共晶接合限定的压力的密封腔体410中的电极(即。部分多硅层112)上方的质量块的位置来检测运动。可选地，器件406是加速计、陀螺仪等。可以根据器件406所需的功能性来选择密封的腔体410的压力。例如，对于加速计而言，密封的腔体410可以具有在约100mbar至约700mbar之间的压力，对于陀螺仪而言，具有在约10^-4mbar至约10mbar之间的压力，等等。因此，使用图1A至图1AB所示出的多个形成步骤，从而压力传感器、麦克风以及另一个MEMS器件可使用同一MEMS制造工艺来形成，

图2A至图2E示出了根据可选的实施例的MEMS器件800的各个制造阶段的截面图。

在图2A中，示出了接合至载体晶圆500的MEMS晶圆600的截面图。MEMS晶圆600和载体晶圆500可基本类似于MEMS器件400的MEMS晶圆100和载体晶圆200。具体而言，MEMS晶圆600包括衬底602和图案化的多晶硅层604。因此，为了简洁省略了对MEMS晶圆600和载体晶圆500的详细描述。然而，MEMS晶圆100和载体晶圆500可以分别不包括开口130和腔体202。实际上，图2A中示出的MEMS晶圆600和载体晶圆500基本可以没有任何腔体或开口。可以使用诸如与接合层603熔融接合的公知的接合技术，将MEMS晶圆600接合至载体晶圆500，其中，接合层603是薄多晶硅层。

在图2B中，已经对MEMS晶圆600中的部分衬底602进行了图案化。另外，已经在衬底602上方形成接合件606，并且已经在金属接合件606上方形成覆盖着该金属接合件的氧化物释放层608。可以使用与图案化MEMS晶圆100中的衬底102的方法基本上相同的方法来图案化衬底602。另外，接合件606和氧化物释放层608可以分别基本类似于MEMS器件400中的接合件204和氧化物释放层206。因此，为了简洁省略了对这些部件的详细描述。在后续工艺步骤中可以将氧化物释放层608用作为MEMS晶圆100的部件的保护层。

在图2C中，例如通过蚀刻去除部分载体晶圆500从而产生开口610和612。开口610和612相应于MEMS晶圆600的部分和多晶硅层604中将变成完成的MEMS器件中的压力传感器和麦克风的部分(例如，分别为多晶硅层的部分604A和604B)。另外，接合层603中相应于开口610和612的部分也被去除。

图2D示出了用蒸汽HF蚀刻MEMS晶圆600中的氧化物释放层608的一部分和各个氧化物释放层的各部分来形成MEMS结构614、616和618。这种蚀刻工艺类型在MEMS晶圆600中的氧化物释放层和的其他部件之间具有高选择性，从而其他部件在去除各个氧化物释放层的各部分的过程中不会受到明显影响。另外，多晶硅层604在蚀刻工艺过程中保护部分氧化物释放层，并且这些受保护的部分可以被称作为锚区域。该蚀刻工艺允许MEMS结构618的可运动元件在至少一个轴线上运动。另外，可以将MEMS结构614和616设计成不易活动的并且即使是在蒸汽HF工艺之后其仍具有相对受限的运动范围。应该注意的是，要根据布局设计来去除氧化物释放层。

图2E示出了将MEMS晶圆600(与载体晶圆500相接合)共晶接合至盖晶圆700。盖晶圆700包括薄膜层710(具有凸块710A)、腔体704、开口706以及金属接合件700。盖晶圆700基本类似于MEMS器件400中的盖晶圆300，并且可以使用与盖晶圆300基本相同的工艺步骤来形成盖晶圆700。因此，为了简洁省略了对盖晶圆700的详细描述。接合件702共晶接合至MEMS晶圆600的接合件604。然而，在接合工艺之后，某些接合件606(即，接合件606A和606B)可以保持为未被附接并且充当将MEMS器件800连接至外部电路(未示出)的输入/输出焊盘。腔体704、开口706以及凸块710A分别与MEMS结构614(即，部分压力传感器)、MEMS结构616(即，部分麦克风)以及MEMS结构618(即，另一个器件的部分)相对准。

MEMS结构618被设置在由共晶接合限定的密封腔体中。也就是说，在部分MEMS器件800的俯视图(未示出)中，形成在接合件606和702之间的至少一部分共晶接合形成闭合的回路，从而将MEMS结构618密封在封闭的腔体中。然而，其他某些接合件606和702可以不形成闭合的回路并且被用于电连接。

图2E示出了完成的MEMS器件800，其具有压力传感器802、麦克风804以及另一个器件806。压力传感器802包括多晶硅膜(多晶硅层604中的部分604A)，该多晶硅膜在一个表面处(即，通过开口610)暴露于大气压力下，而在另一表面处(即，通过腔体704)暴露于密封压力下。腔体704充当了例如由将MEMS晶圆600共晶接合至盖晶圆700的工艺所限定的密封的压力室。麦克风804包括运动元件616和膜604B，它们通过开口706和612暴露于周围环境。MEMS结构614和616可以分别充当压力传感器802和麦克风804的底部电极。

器件806可以是运动传感器，该运动传感器能够通过在具有由共晶接合限定的压力的密封腔体708中的电极(即，多硅层604的部分)上方的质量块(即，MEMS结构614)的位置来检测运动。可选地，器件806可以是加速计、陀螺仪等。可以根据器件806所需的功能性来选择密封的腔体708的压力。例如，对于加速计而言，密封的腔体708可以具有在约100mbar至约700mbar之间的压力，对于陀螺仪而言，具有在约10^-4mbar至约10mbar之间的压力，等等。因此，图2A至图2E示出了将压力传感器、麦克风和另一个MEMS器件的制造集成到同一工艺中的一个可选的实施例。

图3A至图3I示出了根据其他可选的实施例的MEMS器件1200的多个制造中间阶段的截面图。

在图3A中示出了接合至载体晶圆900的MEMS晶圆1000的截面图。MEMS晶圆1000和载体晶圆900可以基本上类似于MEMS器件400的MEMS晶圆100和载体晶圆200。具体而言，MEMS晶圆1000包括衬底1002、图案化的多晶硅层1004、接合层1006以及腔体1007。腔体1007与多晶硅层1004的部分1004A相对准。载体晶圆900包括腔体902。因此，为了简洁省略了对MEMS晶圆1000和载体晶圆900的详细描述。然而，可以不同于MEMS晶圆100的多晶硅层112来图案化多晶硅层1004。尤其是根据压力传感器膜来图案化多晶硅层1004的部分1004A，而根据其他器件(例如，运动传感器、陀螺仪以及加速计等)来图案化部分1004B。不同于MEMS晶圆100的多晶硅层112，多晶硅层1004可以不包括用于麦克风膜的图案化的部分。

可使用诸如与接合层1006熔融接合的已知的接合工艺将MEMS晶圆接合至载体晶圆900，其中，接合层1006可以是薄多晶硅层。作为接合工艺的结果，腔体1007和902对准。

在图3B中，已经对MEMS晶圆1000中的部分衬底1002进行了图案化。图案化后的衬底1002的剩余部分可以形成MEMS结构，诸如，结构1016、1018和1020。

在图3C中，可以在衬底1002上方形成和图案化介电层1008。介电层1008也可以被称作为氧化物释放层1008或牺牲氧化物层1008。氧化物释放层1008可以由诸如二氧化硅(SiO2)的低k介电材料形成。可以使用例如CVD在衬底1002上方沉积氧化物释放层1008。另外，氧化物释放层1008可以由不同的适合的材料(诸如，低k介电质(诸如，碳掺杂的氧化物)、极低k电介质(诸如，多孔的碳掺杂的二氧化硅)、聚合物(诸如，聚酰亚胺)以及它们的组合等)形成。应该理解，可以通过多次氧化物沉积工艺以及它们相应的回蚀工艺形成氧化物释放层1008。空位可以嵌入在氧化物释放层1008中从而在后续的选择性氧化物蚀刻工艺(例如，蒸汽HF)过程中增大氧化物释放时间。

图案化氧化物释放层1008，从而产生凸块开口1010A和通孔开口1010B。可以使用例如光刻和蚀刻技术的组合来完成氧化物释放层1008的图案化。可以执行两个独立的光刻步骤来产生凸块开口1010A和通孔开口1010B。例如，可以执行浅蚀刻来形成凸块开口1010A，同时可以执行更深的蚀刻来形成通孔开口1010B。如图3C所示的那样，凸块开口1010A不延伸至衬底1002，而通孔开口1010B则延伸至并且暴露出衬底1002的部分。另外，可以将凸块开口1010A与MEMS结构1018相对准。

在图3D中，使用例如CVD将介电层1012沉积在氧化物释放层1008上方。多晶硅层1012填充了通孔开口1010B和凸块开口1010A，从而分别形成多晶硅通孔1012A和多晶硅凸块1012B。多晶硅层1012可以基本类似于多晶硅层1004。多晶硅通孔1012A可以被形成用于进行电气布线并且还可以充当机械结构。例如，多晶硅通孔1012A在后续工艺步骤中可用作蒸汽HF的蚀刻停止层。另外，在一些实施例中，多晶硅凸块1012B可以用作为电气凸块、限制运动元件运动的机械凸块或反静摩擦凸块。

在图3E中，可以在多晶硅层1012上方形成金属接合件1014。金属接合件1014可以基本类似于MEMS器件400中的接合件204。因此，为了简洁省略了对这些部件的详细描述。在图3F中，图案化多晶硅层1012以暴露出部分氧化物释放层1008。另外，可以根据麦克风器件的膜来图案化多晶硅层1012中与MEMS结构1018相应的部分(即，部分1012C)。

图3G示出了用蒸汽HF蚀刻MEMS晶圆1000中的部分氧化物释放层1008和各氧化物释放层的各部分来形成MEMS结构1016、1018和1020。这种类型的蚀刻工艺在MEMS晶圆1000中的氧化物释放层和其他部件之间具有高选择性，从而使得其他部件在去除多个氧化物释放层的一部分的过程中不受到明显的影响。另外，多晶硅层1004和1012在蚀刻工艺过程中保护部分氧化物释放层，并且这些受保护的区域可以被称为锚区。该蚀刻工艺允许MEMS结构1016和1020的可运动元件在至少一个轴线上自由运动。另外，MEMS结构1018可以被设计成不易活动的并且甚至在蒸汽HF工艺之后其仍具有相对受限的运动范围。应该注意，要根据布局设计去除氧化物释放层。

在图3H中，MEMS晶圆1000接合至盖晶圆1100。盖晶圆1100可以基本类似于MEMS器件400中的盖晶圆300。也就是说，盖晶圆1100包括临时操作晶圆1102、衬底1104、腔体1106和1108、薄膜层1112中的凸块1112A以及接合件1114。因此，为了简洁省略了对盖晶圆1100的详细描述。然而，应该注意到，腔体1108完全穿过衬底1104延伸，而腔体1106仅仅部分地穿过衬底1104延伸。

MEMS晶圆1000可以使用适合的接合工艺(例如，接合件1114和1014的共晶接合)接合至盖晶圆1100。另外，在接合工艺之后，某些接合件1014(例如，1014A和1014B)可以保持不与接合件1114相附接。这些未附接的接合件1014A和1014B可以用作为将MEMS器件1200连接至外部电路的输入/输出焊盘。MEMS结构1016、1018和1020可以分别与腔体1106，腔体1108以及凸块1112相对准。MEMS结构1016和1020可以被设置在由共晶接合工艺限定的密封的腔体1106和1110中。也就是说，在部分MEMS器件1200的俯视图(未示出)中，在接合件1014和1114之间形成的至少一部分共晶接合形成了闭合的回路，从而将MEMS结构1016和1200密封在封闭的腔体中。

图3I示出了去除临时操作晶圆1102，暴露出腔体1108(现为腔体1108)和接合件1014A和1014B。因此，完成了MEMS器件1200。MEMS器件1200包括器件1202和1208，压力传感器1206以及麦克风1204。尤其是压力传感器1206和麦克风1204被设置在同一MEMS器件1018的相对两侧上。

器件1202和1208可以是运动传感器、陀螺仪、加速计等。可以根据器件1202和/或1208所需的功能来选择密封的腔体1106和1110的压力级。另外，腔体1106和1110的压力级可以是不同的并且可以例如通过基于物理定律(例如，理想气体定律)选择相应腔体的适合的体积来进行调节。器件1202和1208可以执行或不执行相同的功能。

压力传感器1206包括多晶硅层1004的一部分1004A的膜，该膜在一侧上暴露于大气压力(通过腔体1108)而在另一侧上暴露于密封压力(通过腔体902)。腔体902的压力可以通过将MEMS晶圆1100熔融接合至载体晶圆900的工艺来限定。麦克风1204包括部分多晶硅层1012的膜，该膜通过腔体1108暴露于周围环境。因此，图3A至图3I公开了将MEMS器件、MEMS压力传感器件以及MEMS麦克风器件的制造结合在同一工艺中的多个中间制造阶段。

尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。例如，可以在软件、硬件或固件，或它们的组合中实施上述多个部件和功能。

而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims (19)

1.一种形成微机电MEMS器件的方法，包括：

提供MEMS晶圆，其中，部分所述MEMS晶圆被图案化以提供用于麦克风器件的第一膜和用于压力传感器件的第二膜；

将载体晶圆接合至所述MEMS晶圆；

蚀刻所述载体晶圆，以将用于所述麦克风器件的所述第一膜暴露于周围环境；

图案化MEMS衬底并且去除所述MEMS晶圆的部分第一牺牲层，以形成MEMS结构；

将盖晶圆接合至所述MEMS晶圆的与所述载体晶圆相对的一侧，以形成包括所述MEMS结构的第一密封腔体；以及

在用于所述压力传感器件的所述第二膜的相对侧形成第二密封腔体和暴露于周围环境的腔体；

还包括提供所述盖晶圆，提供所述盖晶圆包括：

提供具有金属线的半导体晶圆；

在所述金属线上方形成共形氧化物层；

在所述共形氧化物层上方形成薄膜层；以及

在所述薄膜层上方形成多个第一接合件。

2.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，所述第一密封腔体的压力级由所述盖晶圆和所述MEMS器件之间的接合工艺限定。

3.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，在用于所述压力传感器件的所述第二膜的相对侧形成所述第二密封腔体和所述暴露于周围环境的腔体包括：将所述载体晶圆接合至所述MEMS晶圆以及蚀刻所述盖晶圆。

4.根据权利要求3所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，在用于所述压力传感器件的所述第二膜的相对侧形成所述第二密封腔体和所述暴露于周围环境的腔体还包括：从所述盖晶圆中去除临时操作晶圆。

5.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，在用于所述压力传感器件的所述第二膜的相对侧形成所述第二密封腔体和所述暴露于周围环境的腔体包括：将所述盖晶圆接合至所述MEMS晶圆以及蚀刻所述载体晶圆。

6.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，还包括：形成将所述多个第一接合件的至少一部分电连接至所述金属线的接触塞。

7.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，还包括：浅蚀刻部分所述薄膜层，以形成一个或多个凸块，并且将所述盖晶圆接合至所述MEMS晶圆包括：将所述一个或多个凸块与所述MEMS结构相对准。

8.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，将所述盖晶圆接合至所述MEMS晶圆的与所述载体晶圆相对的一侧上包括：所述多个第一接合件和设置在所述MEMS晶圆的与所述载体晶圆相对的一侧的多个第二接合件之间的共晶接合工艺。

9.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，还包括：在所述第一牺牲层中形成空位。

10.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，去除部分所述第一牺牲层包括：蒸汽氟化氢(蒸汽HF)蚀刻工艺。

11.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，所述盖晶圆是包括有源电路的CMOS晶圆。

12.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，将所述载体晶圆接合至所述MEMS晶圆包括：将所述MEMS晶圆的接合层用作界面，并且提供所述MEMS晶圆还包括：

在所述MEMS衬底上方形成所述第一牺牲层；

在所述第一牺牲层上方形成介电层；

图案化所述介电层，以形成所述第一膜和所述第二膜；

在所述介电层上方形成蚀刻停止层；

在所述蚀刻停止层上方形成第二牺牲层；以及

在所述第二牺牲层上方形成接合层。

13.根据权利要求1所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，将所述载体晶圆接合至所述MEMS器件包括：熔融接合工艺。

14.一种形成微机电MEMS器件的方法，包括：

提供MEMS晶圆，图案化部分所述MEMS晶圆来提供用于压力传感器件的第一膜；

将载体晶圆接合至所述MEMS晶圆；

在用于所述压力传感器件的所述第一膜的第一表面上形成第一密封腔体；

通过图案化所述MEMS晶圆的MEMS衬底形成第一MEMS结构和第二MEMS结构，所述第一MEMS结构设置在所述第一膜上方；

在所述MEMS晶圆的与所述载体晶圆相对的表面上方形成第二介电层，部分所述第二介电层被设置在所述第一MEMS结构上方并且部分所述第二介电层被图案化以提供用于麦克风器件的第二膜；

将盖晶圆接合至所述第二介电层，以形成包括所述第二MEMS结构的第二密封腔体；以及

将用于所述麦克风器件的所述第二膜和用于所述压力传感器件的所述第一膜的第二表面暴露于周围环境；

还包括；提供所述盖晶圆，提供所述盖晶圆包括：

提供具有金属线的半导体晶圆；

在所述金属线上方形成共形氧化物层；

在所述共形氧化物层上方形成薄膜层；以及

在所述薄膜层上方形成多个第一接合件。

15.根据权利要求14所述的形成微机电MEMS器件的方法，还包括：通过图案化所述MEMS衬底形成第三MEMS结构，并且将所述盖晶圆接合至所述第二介电层限定出包括所述第三MEMS结构的第三密封腔体。

16.根据权利要求14所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，将所述载体晶圆接合至所述MEMS晶圆形成所述第一密封腔体。

17.根据权利要求14所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，将用于所述麦克风器件的所述第二膜和用于所述压力传感器件的所述第一膜的第二表面暴露于周围环境包括：蚀刻所述盖晶圆以及从所述盖晶圆中去除临时操作晶圆。

18.根据权利要求14所述的形成微机电MEMS器件的方法，其中，接合所述载体晶圆包括熔融接合工艺，并且接合所述盖晶圆包括共晶接合工艺。

19.一种微机电MEMS器件，包括：

MEMS晶圆，包括：

介电层，包括用于麦克风器件的第一膜和用于压力传感器件的第二膜；和

MEMS结构；

载体晶圆，接合至所述MEMS，所述载体晶圆包括暴露于周围环境的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体包括所述第一膜，所述第二腔体包括所述第二膜的第一表面；以及

盖晶圆，接合至所述MEMS晶圆的与所述载体晶圆相对的表面，所述盖晶圆和所述MEMS晶圆限定出第三密封腔体和第四密封腔体，并且：

所述MEMS结构设置在所述第三密封腔体中；并且

所述第二膜的第二表面暴露于第四腔体的密封的压力级；

其中，所述盖晶圆包括：

具有金属线的半导体晶圆；

位于所述金属线上方的共形氧化物层；

位于所述共形氧化物层上方的薄膜层；以及

位于所述薄膜层上方的多个第一接合件。