CN106032264A

CN106032264A - 一种cmems器件及其制备方法、电子装置

Info

Publication number: CN106032264A
Application number: CN201510107387.5A
Authority: CN
Inventors: 何昭文; 李杨珍
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: CN106032264B

Abstract

本发明涉及一种CMEMS器件及其制备方法、电子装置，所述方法包括步骤S1：提供半导体衬底并执行CMOS工艺，以形成CMOS器件，其中，在所述CMOS器件的顶部形成有顶部金属层和第一钝化层，所述第一钝化层包括焊盘区域和密封环区域；步骤S2：图案化所述第一钝化层，以在所述焊盘区域中形成若干第一开口，露出所述顶部金属层；步骤S3：沉积焊盘材料层，以填充所述第一开口并覆盖所述第一钝化层，其中位于所述第一开口区域的焊盘材料层的表面高于所述第一钝化层的表面；步骤S4：执行平坦化步骤，以焊盘材料层的表面齐平；步骤S5：图案化所述焊盘材料层以形成若干焊盘，同时形成密封环；步骤S6：执行MEMS工艺，以在所述CMOS器件上方形成MEMS器件。

Description

一种CMEMS器件及其制备方法、电子装置

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种CMEMS器件及其制备方法、电子装置。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，在传感器(sensor)类产品的市场上，智能手机、集成CMOS和微机电系统(MEMS)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，并朝尺寸小、性能高和功耗低的方向发展。

为了提高半导体器件的性能，可以将CMOS工艺和MEMS工艺集成，得到CMOS MEMS(CMEMS)器件，CMOS MEMS器件突破在单晶片中整合互补式金属氧化物半导体(CMOS)及微机电系统(MEMS)电路的技术挑战，正在逐步打破石英晶体在频率控制和定时产品领域的完全垄断局面，与任何其他集成MEMS的方法相比，CMOS MEMS技术可以在CMOS电路上直接进行MEMS器件的模块化后处理，具有任何其他工艺所不具备的优点。

由于CMOS MEMS器件需要在真空环境下工作，以提高器件的性能以及高频率稳定性，因此需要形成覆盖晶圆，如何将覆盖晶圆接合至所述CMOSMEMS器件成为制备工艺中一个很大的挑战，其中典型的问题是密封环和金属焊盘的制备，现有技术中所述CMOS MEMS器件的制备方法如图1a-1d所示，首先如图1a-1b所示，执行CMOS工艺形成CMOS器件10，然后在所述CMOS器件的顶部形成顶部金属层和钝化层101，接着图案化所述钝化层101，以形成第一开口并填充焊盘材料，以在所述顶部金属层上形成金属焊盘103，同时形成密封环102，其中，所述金属焊盘103位于所述密封环102的外侧，如图1a所示，所述密封环和所述金属焊盘分别用于键合和与外部电源相连接；接着执行MEMS工艺，如图1c所示，在所述MEMS工艺中形成若干MEMS器件，例如在所述密封环102和所述金属焊盘103上形成若干个包括粘结层的接触塞104；在完成所述MEMS工艺之后，形成硬掩膜层105并图案化以将所述金属焊盘以及密封环打开，实现覆盖晶圆的接合和外部电源的连接，在该过程中，由于所述密封环和所述金属焊盘不在同一水平面上，将会导致以下两种问题：(1)在所述打开过程中如果蚀刻至所述密封环表面，所述接触塞104表面的粘结层很难蚀刻，同时所述金属焊盘的表面更低，如图1b所示，具有高度差H，这将导致在所述金属焊盘的表面形成氧化物残留，如图1d所示，所述氧化物残留会导致器件可靠性的降低。(2)如果蚀刻残留的所述氧化物，则所述密封环的表面则会产生很多的腐蚀缺陷，同时降低所述密封环的厚度，从而使所述密封环的厚度偏小，导致在覆盖晶圆接合中出现问题。

现有技术中通常通过两个步骤来进行蚀刻，首先确保在在第一次蚀刻之后在所述密封环区域中的接触塞上仍保留接触塞材料SiGe，然后进行第二次蚀刻，以确保正常的焊盘区域中没有氧化物残留，但是所述方法的工艺窗口非常难以控制。

因此，需要对目前所述CMOS MEMS器件的制备方法作进一步的改进，以便消除上述问题，进一步提高器件的可靠性。

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。

本发明为了克服目前存在问题，提供了一种CMEMS器件的制备方法，包括：

步骤S1：提供半导体衬底并执行CMOS工艺，以形成CMOS器件，其中，在所述CMOS器件的顶部形成有顶部金属层和第一钝化层，所述第一钝化层包括焊盘区域和密封环区域；

步骤S2：图案化所述第一钝化层，以在所述焊盘区域中形成若干第一开口，露出所述顶部金属层；

步骤S3：沉积焊盘材料层，以填充所述第一开口并覆盖所述第一钝化层，其中位于所述第一开口区域的焊盘材料层的表面高于所述第一钝化层的表面；

步骤S4：执行平坦化步骤，以使位于所述第一开口区域的焊盘材料层的表面与位于所述密封环区域上的焊盘材料层的表面齐平；

步骤S5：图案化所述焊盘材料层以在所述焊盘区域形成若干焊盘，同时在所述密封环区域形成密封环；

步骤S6：执行MEMS工艺，以在所述CMOS器件上方形成MEMS器件。

可选地，在所述步骤S3中，所述焊盘位于所述密封环的外侧。

可选地，形成所述MEMS器件之后所述步骤S6还包括：

步骤S61：沉积第二钝化层，以覆盖所述密封环和所述焊盘；

步骤S62：图案化所述第二钝化层，以形成若干第二开口；

步骤S63：在所述第二开口中填充SiGe材料层。

可选地，所述步骤S63中在沉积所述导电材料之前还包括在所述第二开口的表面形成粘结层的步骤。

可选地，所述方法还进一步包括：

步骤S7：打开所述密封环区域和所述焊盘区域，以露出部分所述焊盘和部分所述密封环；

步骤S8：通过露出的所述密封环将所述CMEMS器件与覆盖晶圆接合，并将露出的所述焊盘与外部电源连接。

可选地，所述步骤S7包括：

步骤S71：在第二钝化层上形成硬掩膜层和图案化的光刻胶层；

步骤S72：以所述光刻胶层为掩膜蚀刻所述硬掩膜层，以在所述硬掩膜层中形成第三开口；

步骤S73：以所述硬掩膜层为掩膜进行蚀刻，以去除露出的部分接触孔和所述第二钝化层并形成第四开口，以露出部分所述密封环和部分所述焊盘。

可选地，在所述步骤S3中，所述焊盘材料层选用金属Al。

可选地，在所述步骤S1中，所述钝化层包括依次沉积的SiN层、TEOS层和SiON层。

本发明还提供了一种上述的方法制备得到的CMEMS器件。

本发明还提供了一种电子装置，包括上述的CMEMS器件。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种CMEMS器件的制备方法，在所述方法中在沉积焊盘材料层之后之后执行平坦化的步骤，以使图案化之后得到的所述密封环和所述金属焊盘具有相同的高度，在同一水平面上，可以极大的扩大工艺窗口，更加容易控制，提高了CMEMS器件的可靠性。

本发明的优点在于：

(1)在所述金属焊盘区域中没有氧化物残留。

(2)所述密封环区域可以避免腐蚀缺陷。

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，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1a-1d为现有技术中所述CMEMS器件的制备过程示意图；

图2a-2d为本发明一具体实施方式中所述CMEMS器件的制备过程示意图；

图3为本发明一具体实施方式中所述CMEMS器件的制备工艺流程图。

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步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。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1

本发明提供了一种CMEMS器件的制备方法，下面结合图2a-2d对所述方法做进一步的说明，图2a-2d为该实施方式中CMEMS器件的制备过程示意图。

首先，执行步骤201，提供半导体衬底，并在所述半导体衬底上执行CMOS工艺，以形成CMOS器件。

具体地，如图2a所示，在该步骤中，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。

然后在所述衬底上执行CMOS工艺，以形成各种CMOS器件，例如各种存储器、晶体管、集成电路等等，并不局限于某一种。

可选地，在形成各种CMOS器件之后还可以进一步形成互连结构，以便在后续的步骤中和所述MEMS器件或者外部电源进行连接，其中所述互连结构包括若干金属层和金属通孔，其中，所述金属层和金属通孔交替设置，形成链状的互联结构。

进一步，在所述互连结构的上方还形成有顶部金属层，在所述顶部金属层的上方还形成有钝化层201，其中所述钝化层可以为本领用常用的介电材料中的一种或者多种。

可选地，在本发明中所述钝化层包括依次沉积的SiN层、TEOS层和SiON层，其中，所述TEOS层的厚度为4K，SiON层的厚度为4K，所述SiN层的厚度可以适当的降低。

在所述CMOS器件中，所述钝化层可以分为密封环区域和焊盘区域，以在后续的步骤中分别形成密封环和焊盘，其中，所述密封环用于将所述CMEMS器件和覆盖晶圆接合，所述焊盘用于与外部电源连接，因此在接着需要打开所述钝化层，露出所述顶部金属层，以形成和所述顶部金属层相连接的焊盘。

执行步骤202，图案化所述第一钝化层201，以在所述焊盘区域中形成若干第一开口，露出所述顶部金属层。

具体地，如图2a所示，在该步骤中在所述第一钝化层201上形成掩膜层，并对所述掩膜层进行图案化，以在所述焊盘区域中所述顶部金属层的上方形成若干第一开口。

以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述第一钝化层，以在所述焊盘区域中形成所述第一开口，露出所述顶部金属层。

执行步骤203，沉积焊盘材料层，以填充所述第一开口并覆盖所述第一钝化层，其中位于所述第一开口区域的焊盘材料层的表面高于所述第一钝化层的表面。

具体地，如图2a所示，在所述焊盘区域中沉积焊盘材料层，以填充所述第一开口并覆盖所述第一钝化层，以在所述焊盘区域中形成焊盘203，并和所述顶部金属层形成连接。

在形成所述焊盘的同时，在所述密封环区域中也沉积所述焊盘材料层，以在所述密封环区域中形成密封环。

其中，所述密封环环绕所述CMOS器件设置，所述密封环呈密闭的环状或者方形结构，所述焊盘位于所述密封环的外侧，例如位于所述密封环中相对的两侧，如图1a所示。

执行步骤204，执行平坦化步骤，以使位于所述第一开口区域的焊盘材料层的表面与位于所述密封环区域上的焊盘材料层的表面齐平；图案化所述焊盘材料层以在所述焊盘区域形成若干焊盘203，同时在所述密封环区域形成密封环202。

具体地，如图2b所示，在所述步骤203中，由于所述第一开口的设置，第一开口区域的焊盘材料层的表面与位于所述密封环区域上的焊盘材料层的表面并不在同一水平面上，所述第一开口区域的焊盘材料层的表面的高度低于所述密封环区域上的焊盘材料层的高度，因此在该步骤中执行平坦化步骤，以使两者在同一水平面上，如图2b所示。

所述平坦化步骤可以选用本领域常用的方法，并不局限于某一种，在此不再赘述。

在本发明中通过执行平坦化步骤，以使所述第一开口区域的焊盘材料层的表面与位于所述密封环区域上的焊盘材料层的表面齐平，具有相同的高度，在同一水平面上，可以极大的扩大工艺窗口，更加容易控制，提高了CMEMS器件的可靠性，从而避免了在所述金属焊盘区域中氧化物的残留，也很好的解决了所述密封环区域腐蚀缺陷的问题。

图案化所述焊盘材料层以在所述焊盘区域形成若干焊盘203，同时在所述密封环区域形成密封环202。

执行步骤205，沉积第二钝化层201ˊ，以覆盖所述密封环202和所述焊盘203。

具体地，如图2c所示，其中所述第二钝化层201ˊ和所述第一钝化层选用相同的材料。

所述第二钝化层201ˊ的厚度也并不局限于某一数值范围，以保证完全覆盖所述密封环202和所述焊盘203，同时为后续形成MEMS器件提供工艺余裕。

执行步骤206，图案化所述第二钝化层201ˊ，以形成若干第二开口，露出所述密封环和所述焊盘。

具体地，在该步骤中可以选用本领域常用的方法形成所述第二开口，在此不再赘述。

执行步骤207，在所述第二开口中填充导电材料，以形成接触孔204。

具体地，其中，所述导电材料可以选用各种金属材料，例如W等，也可以选用半导体材料，例如掺杂的SiGe等。

可选地，在沉积所述导电材料之前还进一步包括在所述第二开口的表面形成粘结层的步骤，其中，所述粘结层(glue layer)可以选用Ti/TiN，其厚度可以根据需要选择。

执行步骤208，打开所述密封环区域和所述焊盘区域，以露出部分所述焊盘和部分所述密封环。

具体地，在该步骤中在所述第二钝化层上形成硬掩膜层205和图案化的光刻胶层；以所述光刻胶层为掩膜蚀刻所述硬掩膜层，以在所述硬掩膜层中形成第三开口；以所述硬掩膜层为掩膜蚀刻所述第二钝化层，以去除部分接触孔并形成第四开口，露出部分所述密封环和部分所述焊盘，如图2d所示。

执行步骤209，通过露出的所述密封环将所述MEMS器件与覆盖晶圆接合，并将露出的所述焊盘与外部电源连接。

至此，完成了本发明实施例的CMEMS器件制备的相关步骤的介绍。在上述步骤之后，还可以包括其他相关步骤，此处不再赘述。并且，除了上述步骤之外，本实施例的制备方法还可以在上述各个步骤之中或不同的步骤之间包括其他步骤，这些步骤均可以通过现有技术中的各种工艺来实现，此处不再赘述。

本发明的优点在于：

(1)在所述金属焊盘区域中没有氧化物残留。

(2)所述密封环区域可以避免腐蚀缺陷。

图3为本发明一具体实施方式中所述CMEMS器件的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：

步骤S6：执行MEMS工艺，以在所述CMOS器件上方形成MEMS器件。

实施例2

本发明还提供了一种CMEMS器件，所述CMEMS器件可以通过实施例1中的所述方法制备，所述CMEMS器件中所述焊盘和所述密封环在同一水平面上，从而避免了氧化物的残留或者腐蚀缺陷，进一步提高了CMEMS器件的可靠性。

实施例3

本发明还提供了一种电子装置，包括实施例2所述的CMEMS器件，或根据实施例1所述的制备方法得到的CMEMS器件。

本实施例的电子装置，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，也可为任何包括所述CMEMS器件的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的CMEMS器件，因而具有更好的性能。

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

1.一种CMEMS器件的制备方法，包括：

步骤S6：执行MEMS工艺，以在所述CMOS器件上方形成MEMS器件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述焊盘位于所述密封环的外侧。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述MEMS器件之后所述步骤S6还包括：

步骤S61：沉积第二钝化层，以覆盖所述密封环和所述焊盘；

步骤S62：图案化所述第二钝化层，以形成若干第二开口；

步骤S63：在所述第二开口中填充SiGe材料层。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S63中在沉积所述导电材料之前还包括在所述第二开口的表面形成粘结层的步骤。

5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述方法还进一步包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S7包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述焊盘材料层选用金属Al。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述钝化层包括依次沉积的SiN层、TEOS层和SiON层。

9.一种权利要求1至8之一所述的方法制备得到的CMEMS器件。

10.一种电子装置，包括权利要求9所述的CMEMS器件。