CN107539941A - 由至少两个接合的结构层形成的mems器件及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及一种微机电器件，其具有半导体材料的第一衬底和半导体材料的第二衬底，第二衬底具有由与其一体的凸出部分界定的接合凹部。接合凹部与第一衬底形成封闭腔室。接合结构布置在封闭腔室内并且接合到第一和第二衬底。在第一和第二衬底之间选择的衬底中形成微机电结构。该器件通过以下步骤形成：在第一晶片中形成接合凹部；在所述接合凹部中沉积接合质量体，所述接合质量体具有比所述接合凹部更大的深度；以及接合两个晶片。

Description

由至少两个接合的结构层形成的MEMS器件及其制造工艺

技术领域

本公开涉及由至少两个接合的结构层形成的MEMS器件及其制造工艺。

背景技术

众所周知，基于微电子学的典型的制造技术的微加工技术使得能够获得微系统，例如微传感器、微致动器和特殊的微型机构，其利用单晶硅的优异的机械性能，并且可以使用微电子工艺的典型的知识和优点。

具体地，体微加工技术通常包括将要提供MEMS器件的晶片(以下也称为器件晶片或衬底)接合到一个或多个晶片或者衬底(例如，处理晶片或衬底，帽晶片或衬底等，以下也称为辅助晶片)。

通常，制造工艺包括：例如经由干法硅蚀刻工艺处理器件晶片以用于限定期望的微机电结构；以及例如经由粘合剂(例如玻璃料或聚合物)或通过金属接合(例如经由诸如Al-Ge、Au-Ge、Au-Sn、Cu-Sn等的共晶接合)将器件晶片接合到辅助晶片；以及然后切割复合晶片以获得多个器件。

器件晶片甚至可以是复合的，并且可以通过接合两个晶片来获得，例如当MEMS器件具有偏移的梳指状驱动/感测电极时。在这种情况下，两个晶片被接合在一起，以形成复合晶片，其被接合到辅助晶片。

例如，图1A-1D示出了用于制造MEMS微镜的典型工艺步骤。

详细地，图1A示出了包括器件晶片1和辅助晶片2的两个起始晶片。这里，例如氧化硅的蚀刻停止层3在辅助晶片上延伸，并且接合区域4(例如玻璃料，聚合物或金属)在蚀刻停止层3之上延伸。

在图1B中，通过施加轻微的压力和预设温度，器件晶片1和辅助晶片2通过接合区域4接触和接合，以获得接合晶片5。

在图1C中，器件晶片1被处理以用于限定期望的微机械结构的悬置质量体。例如，为了形成微镜，限定了微镜结构、支撑臂、致动电极(例如，梳指型)和弹性弹簧。具体地，该限定包括贯穿器件晶片的整个厚度去除半导体材料，以及形成贯通沟槽7。在该步骤中，辅助晶片2不被蚀刻，被蚀刻停止层3以及可能的外围保护层保护。

在图1D中，通过沉积和图案化金属层形成反射表面8。

图2A-2D示出了不同的制造工艺，例如用于制造惯性传感器，其中器件晶片11具有蚀刻停止层13，并且辅助晶片12具有接合区域14(图2A)。类似于图1A-1D，该工艺包括使晶片11-12接触(图2B)，通过蚀刻器件晶片11的半导体材料来限定微机械结构15(特别是感测质量体，致动/感测电极(例如，梳指型))和弹性弹簧(图2C)；以及例如通过HF蚀刻选择性地去除蚀刻停止层13。

以未示出的方式，辅助晶片12可以包括能够使悬置质量体充分移动的腔室。

通过参考图1和图2描述的制造工艺，可以形成MEMS扫描微镜、惯性传感器和其他传感器，例如陀螺仪、谐振器和电磁致动的扫描微镜。

此外，利用这些制造工艺，存在的问题是，当限定结构和/或去除蚀刻停止层时，接合区域可能被损坏或甚至部分地被去除。事实上，为了进行湿法蚀刻，例如用于去除光致抗蚀剂层和用于从操作区域的壁清洁聚合物，以及用于进行例如用于HF清洁或释放结构的气相蚀刻，使用了可能损坏接合区域的化学物质。

因此，接合区域的材料的选择限于能够经受上述工艺的材料。

然而，这强加了设计限制，并且不总是能够使用最佳材料。

发明内容

根据一个或多个实施例，本公开涉及微加工的半导体器件和对应的制造工艺。

实际上，两个晶片之间的接合层被容纳在形成在两个晶片中的一个的表面上的腔室内。接合层被沉积为具有略大于腔室的深度的厚度，并且在接合期间被压缩。以这种方式，在接合两个晶片之后，接合层完全容纳在腔室中，并且接合层被晶片的邻接部分完全围绕，这形成对于腔室的一种密封。因此，接合层在腔室内被保护，并且在随后的步骤中不暴露于化学物质。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图描述其优选实施例，其中：

图1A-1D是已知制造工艺的连续步骤中的半导体材料晶片的截面；

图2A-2D是另一种已知制造工艺的连续步骤中的半导体材料晶片的截面；

图3A-3G是本制造工艺的实施例的连续步骤中的半导体材料晶片的截面；

图3H是图3B的结构的一部分的俯视图；

图4是通过图3A-3H的工艺获得的MEMS器件的截面；

图5是利用图3A-3H的工艺获得的另一个MEMS器件的截面；

图6A-6B是本制造工艺的不同实施例的连续步骤中的半导体材料晶片的截面；

图7和8是本工艺的不同实施例的截面；以及

图9A-9B是本制造工艺的又一个实施例的连续步骤中的半导体材料晶片的截面。

具体实施方式

在附图中，在各个附图中，从用于图3A-3G的实施例的编号开始，每次增加100，指定类似的元件，使得在每个附图中，第一个数字(百位)指示该图的编号并且其他两个数字(十位和个位)表示在所有附图中相似的元件。

图3A示出了具有接合面330A的半导体材料(例如单晶硅)的辅助晶片330。

在图3B中，通过干法或湿法硅蚀刻(例如，通过TMAH-四甲基氢氧化铵或KOH-氢氧化钾)从其接合面330A开始蚀刻辅助晶片330以形成接合凹部331，并且在所示的实施例中，形成功能凹部332，如图3G的俯视图所示。接合凹部331在此围绕功能凹部332并且具有闭合形状，例如矩形。例如，接合凹部331具有在1微米和20微米之间的深度以及在10微米和1毫米之间的宽度；将被MEMS结构(如下文解释)覆盖并且具有使其能够移动的功能的功能凹部332具有与上覆的MEMS结构相关联的尺寸。特别地，功能凹部332可以具有与接合凹部相同的深度或者更大的深度(通过适当设计的进一步蚀刻获得)或与接合凹部31相同的深度。在该步骤中，凸出部分334形成在接合凹部331的侧部处。

参考图3C，例如氧化硅的蚀刻停止层333沉积在辅助晶片330上并且涂覆辅助晶片330的整个顶表面。

参考图3D、3E，在接合凹部331内，在蚀刻停止层333上沉积形成接合质量体335的材料。为此(图3D)，例如玻璃料、聚合物材料(例如，BCB-苯并环丁烯的干膜)或共晶材料(例如，通过交替层，例如Al-Ge，Au-Ge，Au-Sn，Cu-Sn形成)或热压金属(诸如Au-Au或Cu-Cu)的接合层338被沉积。接合层338的总高度大于接合凹部331的总高度，例如从对于共晶材料的1-2微米到对于玻璃料的约20微米，对于干膜的多达50微米以及对于热压金属为1-20微米。接合层338被限定(图3D)，以在接合凹部331的外部被去除并且具有小于接合凹部331的宽度的宽度，出于下文解释的原因(也参见图3H中的虚线)。以这种方式，接合质量体335具有比凸出部分334更大的高度并且从接合凹部331凸出。

辅助晶片330固定到具有接合面340A(图3E)的半导体材料(例如单晶硅)的器件晶片340。具体地，器件晶片340的接合面340A与辅助晶片330的凸出部分334邻接。

然后，晶片330、340通过以本领域技术人员已知的方式通常根据材料施加适当的压力和热而接合在一起。例如，在具有Au-Sn基的共晶材料的情况下以约280℃的温度进行接合，在具有Au-Ge基的共晶材料的情况下以约420℃的温度进行接合，在聚合物材料的情况下以低于200℃的温度进行接合，在玻璃料的情况下以大约450℃的温度进行接合，在热压金属的情况下以大约400℃的温度进行接合。在后一种情况下，接合在高压下进行，例如高于20MPa。因此，接合质量体335被压缩并且可能横向扩展以形成接合结构336，接合结构336与辅助晶片330和器件晶片340具有化学-物理接合。

因此形成复合晶片341，其在辅助晶片330的接合凹部331处具有腔室342(图3F)。因此，腔室342具有闭合形状，例如矩形，并且容纳与相邻的凸出部分334密封的接合结构336，接合结构336与器件晶片340的接合表面340A邻接。此外，接合结构336不会污染器件晶片340的其他区域，例如将要形成MEMS结构的功能区域，因为其包含在腔室342中。

在该步骤中，还可以在蚀刻停止层333和器件晶片340之间获得化学-物理接合，这有助于晶片330和340的接合并进一步密封腔室342。

参考图3G，处理复合晶片341以提供期望的MEMS结构，从而去除例如器件晶片340的部分并且形成例如布置在功能凹部332上方的悬置平台345。在该步骤，接合结构336不暴露于用于限定MEMS结构和/或用于清洁的化学物质，因为其被密封在腔室342内部。因此，也可以使用湿法蚀刻工艺。即使化学物质渗入腔室中，这些物质的量也会非常低，并且不会危及接合结构336的整体完整性。

以这种方式，例如可以形成如图4所示的微镜器件450。在该图中，MEMS结构包括平台445。这里，具有比腔室442更大的深度的功能凹部432在平台445下方延伸以实现平台的足够的移动性，特别是足够的旋转角度。反射层460在平台445上延伸。此外，接触焊盘461形成在辅助晶片430上，延伸穿过蚀刻停止层433(也用作绝缘)并且通过器件晶片440中的开口463访问。

图5示出了不同的微镜器件450，其中器件晶片340由双晶片540代替，双晶片540由两个硅层571-572(例如，单晶硅衬底和在顶部生长的多晶硅层)形成，用于在两个不同的水平上形成偏移的移动/固定电极。绝缘层573选择性地在两个硅层之间延伸。

在这两种情况下，接合结构436、536被容纳在封闭在辅助衬底430、530和具有单层或双层的器件衬底440、540之间的腔室442、542中，这是由于在辅助衬底430、530中存在凹部并且存在通过蚀刻停止层433、533与器件衬底440、540接触的辅助衬底430、530的凸出区域434、534。

接合结构436、536接合器件衬底440、540和辅助衬底430、530，并且沿着围绕微机电结构445、545的线(优选地沿着闭合线，例如矩形的周界)延伸。

图6A和6B示出了其中接合凹部形成在硬停止层中的实施例。

参考图6A，制造工艺包括沉积和图案化硬停止层以在第一晶片630(例如辅助晶片)上方形成凸出区域634。硬停止层以及因此凸出区域634由机械地耐受压力的材料(或者在任何情况下比接合质量体635柔顺性更低)制成，诸如例如经由硅蚀刻外延沉积和图案化的多晶硅。备选地，可以使用电介质材料，诸如通过干法蚀刻或湿法蚀刻图案化的PECVD(等离子体增强化学气相沉积)或LPCVD(低压化学气相沉积)沉积氧化物或热生长氧化物；通过PVD(物理气相沉积)沉积并通过干法或湿法蚀刻图案化的金属，诸如Au，Al；或通过电化学沉积选择性沉积的金属，诸如金；或光敏聚酰亚胺层。

凸出区域634界定至少一个接合凹部631，其具有与图3G的接合凹部331类似的形状。在接合凹部631中，类似于上文针对图3C-3G的接合质量体335所描述的，沉积接合质量体635。同样在这里，接合质量体635具有大于凸出区域634的高度。

参考图6B，第二晶片640(例如器件晶片)固定到第一晶片630，使其粘附到第一晶片630的凸出部分634，并且从而压缩接合质量体635，接合质量体635也耦合到第二晶片640，将其接合到第一晶片630。第二晶片640因此在顶部封闭接合凹部631，从而形成对外界密封的腔室642。

在图7的另一个实施例中，接合凹部731和接合质量体735形成在器件晶片740中。辅助晶片730具有功能凹部732。

在图8中，辅助晶片830形成功能凹部832，而接合凹部831形成在器件晶片840中。此外，这里，接合区域836在如下位置形成在辅助晶片830上，以便在晶片830、840的耦合期间布置在接合凹部831内部。

图9A和9B示出了当接合材料有污染器件的其它部分的风险时有用的两个工艺步骤。为了防止这种情况，两个晶片中的一个(这里为辅助晶片930)具有从接合凹部931朝向辅助晶片930的内部延伸的容纳沟槽990A、990B。例如，这里分别在接合凹部931的外部和内部周界附近形成两个容纳沟槽990A、990B，以便在接合晶片930、940(图9A)之前在接合质量体935的侧面上延伸。

在晶片930、940的耦合期间，当两个晶片930、940彼此接近并彼此邻接时，通过高温熔化并被压缩的接合质量体935可以在容纳沟槽990A、990B内流动，如在图9B中所表示的。以这种方式，容纳沟槽990A、990B可以防止材料从腔室942溢出。这尤其在接合区域936由玻璃料或共晶材料制成时是有用的。

使用所描述的解决方案，如上所阐释的那样，接合区域布置在器件内的封闭腔室内。以这种方式，接合区域被保护免受在接合晶片之后的工艺步骤中使用的化学材料的影响，从而防止它们被损坏，并且在部分蚀刻的情况下防止对器件的“有用”区域的污染。

此外，接合区域在器件的操作期间也被保护免受外部环境，器件因此可以具有更长的使用寿命。

所描述的方案可以应用于包括两个晶片的接合的不同类型的微加工器件，如在微机电器件(例如压力传感器)的体微加工的情况下。

最后，清楚的是，可以对在此描述和示出的器件和制造工艺进行修改和变化，而不脱离本公开的范围。

例如，可以组合各种所描述的实施例以提供进一步的解决方案。

具体地，所呈现的所有实施例可以具有类似于图3C-3F的层333的蚀刻停止层。备选地，如果蚀刻工艺允许的话，图3A-3G的实施例也可以没有蚀刻停止层。当存在时，蚀刻停止层也可以在传感器晶片上和/或在硅蚀刻区域中延伸。此外，类似于图9A和9B的沟槽990A、990B的容纳沟槽也可以设置在图4-8的实施例中。

接合结构可以具有非连续的形状，并且可以包括沿着接合凹部并且在接合凹部内部布置的两个或更多个部分，只要它们整体上限定足够的接合区域。

而且，接合凹部和对应的腔室可以具有非连续的形状，并且包括沿着闭合线或螺旋相继布置的两个或更多个部分。在这种情况下，接合结构也可以包括多个接合部分，其中一个或多个接合部分布置在凹陷部分中，只要在这种情况下作为整体也获得了足够的接合面积。

作为容纳沟槽的备选或除了容纳沟槽之外，接合结构可以通过在接合腔室中沉积非连续的接合材料来获得，其在压缩期间由于接合而也在腔室的纵向方向上(在方向上垂直于图的平面)扩展，并且形成大致连续的接合结构。

根据本描述的一个方面，一种微机电器件包括：

第一衬底；

第二衬底；

形成在第一衬底中的微机电结构；

形成在第一衬底和第二衬底之间的凸出部分；

在凸出部分、第一衬底和第二衬底之间界定的封闭腔室；以及

在封闭腔室内的接合结构，接合结构将第一衬底和第二衬底彼此接合。

根据本公开的另一方面，第一和第二衬底是半导体材料的，凸出部分包括第一材料的对比区域，并且接合结构是第二材料的，例如不是半导体，并且比第一材料更加顺从。

根据本公开的另一方面，一种用于制造微机电器件的方法包括：

在第一衬底或第二衬底中形成微机电结构；

在第一衬底中，形成界定接合凹部的凸出部分；

在接合凹部处在第一衬底或第二衬底上沉积接合材料；以及

使第二衬底与凸出部分接触，接合凹部形成在凸出部分与第一衬底和第二衬底之间界定的封闭腔室；以及

接合第一和第二衬底，使接合材料接合到第一和第二晶片，并在封闭腔室内形成接合结构。

如上所述，上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。根据上述详细描述，可以对这些实施例进行这些和其他改变。总体而言，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求所给予的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开限制。

Claims (24)

1.一种微机电器件，包括：

半导体材料的第一衬底，具有第一面；

半导体材料的第二衬底，具有面向所述第一衬底的所述第一面的第二面，所述第二衬底具有由所述第二衬底的凸出部分界定的接合凹部，所述凸出部分与所述第二衬底是一体的，所述接合凹部与所述第一衬底的所述第一面形成封闭腔室；

在所述封闭腔室中的接合结构，所述接合结构接合到所述第一衬底和所述第二衬底；以及

微机电结构，形成在所述第一衬底和所述第二衬底中的一个衬底中。

2.根据权利要求1所述的微机电器件，其中所述封闭腔室围绕所述微机电结构。

3.根据权利要求1所述的微机电器件，还包括在所述微机电结构前面分别从所述第一面或所述第二面开始在所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个衬底中延伸的功能凹部。

4.根据权利要求1所述的微机电器件，其中所述接合结构具有选自玻璃料、聚合物、共晶金属和热压金属的材料。

5.根据权利要求1所述的微机电器件，包括在所述第一面和所述第二面中的至少一个面上的蚀刻停止层。

6.根据权利要求1所述的微机电器件，还包括在所述腔室处在所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个衬底中的至少一个容纳沟槽。

7.根据权利要求1所述的微机电器件，其中所述微机电结构包括微镜、惯性传感器和压力传感器中的一个。

8.一种方法，包括：

在半导体材料的第一衬底和半导体材料的第二衬底中的一个衬底中形成微机电结构，所述第一衬底具有第一面，并且所述第二衬底具有第二面；

在所述第二衬底中，从所述第二面开始形成由与所述第二衬底一体的凸出部分界定的接合凹部；

在所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个衬底上，在对应于所述接合凹部的区域中沉积接合质量体；以及

使用所述接合材料接合所述第一衬底和所述第二衬底，其中所述第二衬底的所述凸出部分与所述第一衬底的所述第一表面接触并形成封闭腔室，其中所述封闭腔室被界定在所述凸出部分与所述第一衬底和所述第二衬底之间，并且围绕所述接合质量体。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述接合质量体在所述接合之前具有大于所述接合凹部的深度的高度，其中所述接合的步骤包括压缩所述接合质量体以形成接合结构。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述接合质量体具有选自玻璃料、聚合物、共晶金属和热压金属的材料。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述接合的步骤以在150℃和450℃之间的温度进行。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述腔室围绕所述微机电结构。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述第一面或所述第二面上形成蚀刻停止层。

14.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述第一衬底或所述第二衬底中形成功能凹部，所述功能凹部分别在所述微机电结构前面从所述第一面或从所述第二面延伸。

15.根据权利要求8所述的方法，还包括在对应于所述腔室的区域中在所述第一衬底或所述第二衬底中形成至少一个容纳沟槽，其中所述接合的步骤包括压缩所述接合质量体并使所述接合质量体流入所述容纳沟槽。

16.一种微机电器件，包括：

第一衬底；

第二衬底，所述第二表面具有围绕中心部分的第一凹部；

在所述第一凹部中的接合结构，所述接合结构将所述第一衬底和所述第二衬底耦合在一起；以及

在所述第一衬底和所述第二衬底中的一个衬底中形成的微机电结构。

17.根据权利要求16所述的微机电器件，其中所述第一衬底由半导体材料制成，并且所述第二衬底由半导体材料制成，其中所述接合结构具有响应于所述第一衬底和所述第二衬底被耦合在一起而压缩的材料。

18.根据权利要求16所述的微机电器件，包括在所述第二衬底的所述中心部分中的第二凹部。

19.根据权利要求16所述的微机电器件，包括在所述第一衬底中的第二凹部，所述第二凹部面向所述第二衬底的所述中心部分。

20.根据权利要求16所述的微机电器件，还包括在所述第二衬底的所述第一凹部中的沟槽，所述接合结构位于所述沟槽中。

21.根据权利要求16所述的微机电器件，其中所述接合结构未完全填充所述第一凹部。

22.一种用于制造微机电器件的方法，包括：

在第一衬底或第二衬底中形成微机电结构；

在所述第一衬底中，形成界定接合凹部的凸出部分；

在所述第二衬底和所述接合凹部中的所述第一衬底中的至少一个上沉积接合材料；

使所述第二衬底与所述第一衬底的所述凸出部分接触，所述接合凹部形成在所述凸出部分与所述第一衬底和所述第二衬底之间界定的封闭腔室；以及

使所述接合材料将所述第一衬底和所述第二衬底接合在一起，并在所述封闭腔室内形成接合结构。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述接合材料被沉积为具有大于所述接合凹部的深度的高度，其中使所述接合材料与所述第一衬底和所述第二衬底接合在一起包括压缩所述接合质量体以形成所述接合结构。

24.根据权利要求22所述的方法，其中所述接合材料具有选自玻璃料、聚合物、共晶金属和热压金属的材料。