CN105480936A - 一种半导体器件及其制作方法和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体器件及其制作方法和电子装置，所述制作方法包括：提供器件晶圆，在所述器件晶圆上形成焊盘；在所述焊盘的两侧壁上形成侧墙；提供封帽晶圆，所述封帽晶圆上形成有键合层，和位于所述键合层之间的凹槽；进行键合工艺，将所述封帽晶圆上的键合层和所述器件晶圆上的焊盘键合在一起。根据本发明的制作方法，键合过程中，铝锗键合层熔化受压后铝会发生横向延展，而由于铝焊盘两侧侧墙的存在，可以阻碍铝的延展，防止其影响到密闭空腔中的器件，尤其是在密闭空腔中的微机械结构区的可动结构，进而提高器件的可靠性和整体性能。

Description

一种半导体器件及其制作方法和电子装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体器件及其制作方法和电子装置。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称MEMS)技术被誉为21世纪带有革命性的高薪技术，是微电子和微机械的巧妙结合。微电子机械系统(MEMS)技术将对未来人类生活产生革命性的影响。MEMS的基础技术主要包括硅各向异性刻蚀技术、硅/键合技术、表面微机械技术、LIGA技术等，已成为研制生产MEMS产品必不可少的核心技术。

在以硅为基础的MEMS加工技术中，部分产品例如加速度计、陀螺仪等需要对微机械的器件结构部分实施保护，这种保护的方法就是在器件上方采用密闭空腔封帽片保护结构，通过硅硅直接键合、阳极键合、铝锗、金硅合金键合、玻璃粉键合等各种键合工艺，使器件硅片和封帽晶圆密闭结合在一起，这样使微机械的器件结构和外部环境得到隔离。

而这些键合工艺中，和其他键合工艺相比，铝锗合金键合(Eutecticbonding)基于其键合温度低、密封效果好、键合强度高，并可以和CMOS工艺兼容的优点，而被广泛应用于MEMS产品晶圆级封装。

但是目前的铝锗合金键合工艺中，如图1A-1B所示，都是在钝化层103中打开开口暴露铝焊盘(pad)101，所以Al焊盘101设计为凹坑的形状，Ge层102设计为凸起的形状，通过这种方式来控制Al在键合过程中的延展现象。为了降低成本，可以考虑不使用钝化层，直接形成铝焊盘，然而这种方法面临的问题是Al-Ge合金键合过程中，Al在键合时很容易产生延展现象(如图2所示)，其延展部分铝有可能影响MEMS微机械可动结构部分的工作，从而使器件损坏或整体性能下降。

另外一种设计方案是希望通过Al/Ge-Al键合，在形成密闭空腔的同时，通过将Ge在合金键合过程中全部消耗完，形成低电阻的电性连接，但是由于Al的延展存在，可能会导致Ge消耗不完全，影响电连接性能。

因此，为了解决上述技术问题，有必要提出一种新的半导体器件的制作方法。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了克服目前存在的问题，本发明实施例一提供一种半导体器件的制作方法，包括：

提供器件晶圆，在所述器件晶圆上形成焊盘；

在所述焊盘的两侧壁上形成侧墙；

提供封帽晶圆，所述封帽晶圆上形成有键合层，和位于所述键合层之间的凹槽；

进行键合工艺，将所述封帽晶圆上的键合层和所述器件晶圆上的焊盘键合在一起。

进一步，所述焊盘的材料为金属铝。

进一步，所述侧墙的材料为锗。

进一步，形成所述焊盘的方法包括以下步骤：

在所述器件晶圆表面上形成焊盘材料层；

在所述焊盘材料层的上方形成图案化的掩膜层；

以所述图案化的掩膜层为掩膜刻蚀所述焊盘材料层，形成所述焊盘。

进一步，形成所述侧墙的方法包括以下步骤：

在所述器件晶圆和所述焊盘的表面上形成侧墙材料层；

回蚀刻所述侧墙材料层，在所述焊盘的侧壁上形成所述侧墙。

进一步，所述封帽晶圆上的键合层为锗。

进一步，所述键合工艺为铝锗合金键合。

进一步，如果Al-Ge合金键合有电性连接，则所述侧墙厚度≤0.590*所述焊盘厚度。

进一步，所述半导体器件为MEMS器件。

本发明实施例二提供一种半导体器件，包括：

器件晶圆，所述器件晶圆上形成有焊盘，所述焊盘的侧壁上形成有侧墙；

封帽晶圆，所述封帽晶圆上形成有键合层，和位于所述键合层之间的凹槽；

所述封帽晶圆上的键合层和所述器件晶圆上的焊盘相键合。

进一步，所述焊盘的材料为金属铝，所述封帽晶圆上的键合层为锗。

进一步，所述侧墙的材料为锗。

进一步，当所述键合层和所述焊盘键合有电性连接时，所述侧墙在键合过程中消耗完。

本发明实施例三提供一种电子装置，包括前述的半导体器件。

综上所述，根据本发明的制作方法，键合过程中，铝锗键合层熔化受压后铝会发生横向延展，而由于铝焊盘两侧侧墙的存在，可以阻碍铝的延展，防止其影响到密闭空腔中的器件，尤其是在密闭空腔中的微机械结构区的可动结构，进而提高器件的可靠性和整体性能。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1A示出了现有MEMS器件铝锗合金键合的剖面示意图；

图1B示出了现有MEMS器件在铝焊盘两侧有钝化层的剖面示意图；

图2示出了一种不含钝化层的MEMS器件铝锗合金键合界面的SEM图；

图3A-3D示出了本发明实施例一中方法依次实施所获得器件的剖面示意图；

图4示出了本发明实施例一中方法依次实施步骤的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

下面，参照图3A-3D和图4对本发明实施例的方法进行详细描述。其中，图3A-3D示出了根据本发明实施例一的方法依次实施所获得器件的剖面示意图；图4示出了本发明实施例一中方法依次实施步骤的流程图。

首先，如图3A所示，提供器件晶圆300，在所述器件晶圆300的表面上形成焊盘301。

所述器件晶圆300包括半导体衬底和元器件，所述半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。所述元器件是由若干个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)以及电容、电阻等其他器件通过合金互联形成的集成电路，也可以是其他集成电路领域内常见的半导体器件，例如双极器件或者功率器件或者微机械结构(例如可动结构)等。作为一个示例，所述器件晶圆中形成有CMOS器件。

形成所述焊盘301的方法包括以下步骤：首先在所述器件晶圆表面上形成焊盘材料层，再在焊盘材料层的上方形成图案化的掩膜层，例如光刻胶层，以图案化的掩膜层为掩膜刻蚀焊盘材料层，形成焊盘301。

示例性地，所述焊盘的材料为金属铝，但并不局限于上述材料，还可以为本领域技术人员熟知的其他材料。形成所述焊盘材料层的方法可以选用任何已知的沉积技术，例如各种类型的CVD(如金属有机CVD、脉冲CVD等)、物理气相沉积(PVD)、溅射或电镀等。可选地，该焊盘的厚度为500nm～2000nm，宽度为100μm～300μm。

刻蚀焊盘材料层方法可以采用湿法刻蚀或者干法刻蚀。在本发明的一具体实施例中，以图案化的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀工艺，在通入氯化硼和氯气的刻蚀条件下，焊盘材料层进行刻蚀，反应室内压力可为5～20毫托(mTorr)；功率：300-800W；所述氯化硼和氯气的流量范围可为0～150立方厘米/分钟(sccm)和50～200立方厘米/分钟(sccm)。需要说明的是上述刻蚀方法仅仅是示例性的，并不局限于该方法，本领域技术人员还可以选用其他常用的方法。

接着，如图3B所示，在所述器件晶圆300和焊盘301上形成侧墙材料层302a。

具体地，所述侧墙材料层302a为Ge层或其他合适的材料。可以采用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、快速热化学气相沉积(RTCVD)、分子束外延(MBE)、蒸镀、或溅射工艺中的一种来形成所述侧墙材料层302a。

在本发明的一具体实施方式中，采用低压化学气相沉积法，通过热分解的方式形成锗层作为侧墙材料层302a，其中，工艺的温度控制在450～800℃，压力控制在1～100托(Torr)，反应气体包括GeH₄。

接着，如图3C所示，回蚀刻所述侧墙材料层302a，在所述焊盘301的侧壁上形成侧墙302。

在对所述侧墙材料层302a进行回蚀刻以形成侧墙的过程中采用的蚀刻工艺为干法蚀刻，所述干法蚀刻采用的蚀刻气体包括CH₄、CH₃F、CH₂F₂、CHF₃和CF₄中的至少一种。

形成的侧墙302的厚度，可根据后期键合工艺中对Al-Ge合金键合是否为电性连接而设定。如果Al-Ge合金键合没有电性连接，则对其厚度的具体范围不作具体要求；如果Al-Ge合金键合有电性连接，则侧墙的厚度应小于公式(1)中Al-Ge的厚度关系，即侧墙厚度≤0.590*焊盘厚度。在键合形成密闭空腔的时候，锗侧墙会被全部消耗完，形成低电阻的电性连接。

$\frac{t_{\mathrm{Ge}}}{t_{\mathrm{Al}}}=\frac{\mathrm{at}{\%}_{\mathrm{Ge}}}{\mathrm{at}{\%}_{\mathrm{Al}}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Al}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Ge}}}\frac{A_{\mathrm{Ge}}}{A_{\mathrm{Al}}}=0.59$ 公式(1)

完成上述焊盘和侧墙的制程后，可进行之后的键合工艺，以形成密闭空腔。

如图3D所示，提供封帽晶圆400，其中封帽晶圆400上形成有键合层401和位于所述键合层之间的凹槽。

所述封帽晶圆并不仅限于硅，还可以为其他合适的材料。所述键合层401的材料为锗。可以采用微电子集成电路常规的锗蒸发或者锗溅射工艺形成所述锗键合层401，可选地锗键合层的厚度可以为500nm～1500nm，锗键合层的宽度可以为100μm～300μm。所述凹槽用作微机械结构保护腔，其位置与微机械结构的位置对应。

对封帽晶圆400和器件晶圆300进行键合，形成密闭空腔303，具体而言，将封帽晶圆400上的锗键合层401和器件晶圆上的焊盘301键合在一起。进一步而言，可以采用MEMS业界常规的键合工艺进行铝锗合金键合，键合温度控制在415℃～445℃之间，铝和锗在该温度范围内相互熔合使得封帽晶圆400和器件晶圆300键合在一起，使微机械的器件结构与外部环境得到隔离保护。

本发明实施例的技术方案可以适用于加速度计、惯性传感器等多种MEMS器件，另外也可以适用于非MEMS器件的合金键合工艺产品上。

综上所述，根据本发明的制作方法，键合过程中，铝锗键合层熔化受压后铝会发生横向延展，而由于铝焊盘两侧侧墙的存在，可以阻碍铝的延展，防止其影响到密闭空腔中的器件，尤其是在密闭空腔中的微机械结构区的可动结构，进而提高器件的可靠性和整体性能。

参照图4，其中示出了根据本发明实施例一的方法依次实施的步骤的流程图，用于简要示出整个制造工艺的流程。

在步骤S401中，提供器件晶圆，在所述器件晶圆上形成焊盘；

在步骤S402中，在所述焊盘的两侧壁上形成侧墙；

在步骤S403中，提供封帽晶圆，所述封帽晶圆上形成有键合层，和位于所述键合层之间的凹槽；

在步骤S404中，进行键合工艺，将所述封帽晶圆上的键合层和所述器件晶圆上的焊盘键合在一起。

实施例二

本发明实施例提供一种采用实施例一中方法制作的半导体器件，一种半导体器件，包括：

器件晶圆，所述器件晶圆上形成有焊盘，所述焊盘的侧壁上形成有侧墙；

具体地，所述器件晶圆包括半导体衬底和元器件，所述半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。所述元器件是由若干个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)以及电容、电阻等其他器件通过合金互联形成的集成电路，也可以是其他集成电路领域内常见的半导体器件，例如双极器件或者功率器件或者微机械结构(例如可动结构)等。作为一个示例，所述器件晶圆中形成有CMOS器件。

进一步地，所述焊盘的材料为金属铝。所述侧墙的材料为锗。

还包括封帽晶圆，所述封帽晶圆上形成有键合层，和位于所述键合层之间的凹槽；

所述封帽晶圆上的键合层和所述器件晶圆上的焊盘相键合。

具体地，所述封帽晶圆并不仅限于硅，还可以为其他合适的材料。所述键合层的材料为锗。可选地，锗键合层的厚度可以为500nm～1500nm，锗键合层的宽度可以为100μm～300μm。所述凹槽用作微机械结构保护腔，其位置与微机械结构的位置对应。

在一个示例中，当所述键合层和所述焊盘键合有电性连接时，所述侧墙在键合过程中消耗完。

上述半导体器件为MEMS器件，另外也可以为非MEMS器件的合金键合工艺产品。

综上所述，本发明的半导体器件在焊盘两侧设置有锗侧墙，可以阻碍键合过程中铝的延展，防止其影响到密闭空腔中的器件，尤其是在密闭空腔中的微机械结构区的可动结构，进而提高了器件的可靠性和整体性能。

实施例三

本发明还提供一种电子装置，其包括实施例二中所述的半导体器件。

由于包括的半导体器件具有优异的性能，该电子装置同样具有上述优点。

该电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可以是具有上述半导体器件的中间产品，例如：具有该集成电路的手机主板等。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (14)

1.一种半导体器件的制作方法，包括：

提供器件晶圆，在所述器件晶圆上形成焊盘；

在所述焊盘的两侧壁上形成侧墙；

提供封帽晶圆，所述封帽晶圆上形成有键合层，和位于所述键合层之间的凹槽；

进行键合工艺，将所述封帽晶圆上的键合层和所述器件晶圆上的焊盘键合在一起。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述焊盘的材料为金属铝。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述侧墙的材料为锗。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成所述焊盘的方法包括以下步骤：

在所述器件晶圆表面上形成焊盘材料层；

在所述焊盘材料层的上方形成图案化的掩膜层；

以所述图案化的掩膜层为掩膜刻蚀所述焊盘材料层，形成所述焊盘。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成所述侧墙的方法包括以下步骤：

在所述器件晶圆和所述焊盘的表面上形成侧墙材料层；

回蚀刻所述侧墙材料层，在所述焊盘的侧壁上形成所述侧墙。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述封帽晶圆上的键合层为锗。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述键合工艺为铝锗合金键合。

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，如果Al-Ge合金键合有电性连接，则所述侧墙厚度≤0.590*所述焊盘厚度。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述半导体器件为MEMS器件。

10.一种半导体器件，其特征在于，包括：

器件晶圆，所述器件晶圆上形成有焊盘，所述焊盘的侧壁上形成有侧墙；

封帽晶圆，所述封帽晶圆上形成有键合层，和位于所述键合层之间的凹槽；

所述封帽晶圆上的键合层和所述器件晶圆上的焊盘相键合。

11.根据权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述焊盘的材料为金属铝，所述封帽晶圆上的键合层为锗。

12.根据权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述侧墙的材料为锗。

13.根据权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，当所述键合层和所述焊盘键合有电性连接时，所述侧墙在键合过程中消耗完。

14.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求10-13任一项所述的半导体器件。