CN111439721A - Mems传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS传感器及其形成方法。所述形成方法中，在金属键合之前，在第一晶圆上形成了图案化的牺牲材料层以及连续覆盖在牺牲材料层和第一晶圆表面的功能层，此外还在功能层上表面的第一键合区域形成了挡墙主体部分，并在形成第一键合金属的过程中，在挡墙主体部分表面形成了金属层，可以在去除牺牲材料层的工艺中保护挡墙主体部分避免被腐蚀，从而在金属键合时没有产生明显的形貌变化，可以起到阻挡熔融流体流到中间区域的作用，还可以用来控制键合反应程度，有利于提高键合良率。所述MEMS传感器可以采用上述方法形成，所述挡墙在金属层的保护下键合之前不容易被损伤，有助于提升键合结构的质量以及传感器的性能。

Description

MEMS传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种MEMS传感器及其形成方法。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)传感器是利用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。常用的MEMS传感器有压力传感器、惯性传感器、麦克风、光传感器、催化传感器等等。随着工艺技术的不断完善和发展，MEMS传感器在诸如智能手机、健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR设备等领域得到了广泛的应用。

晶圆键合是MEMS传感器制作中较常用到的工序，根据工艺需要，可以选择异质半导体直接键合、中间层熔融键合、表面激活键合以及阳极键合等键合技术实现晶圆键合。其中，由于金属键合(属于中间层熔融键合)可以实现在1μm～3μm宽区域的密闭封装，相当于增加了芯片的密度而减少了生产成本，目前金属键合被许多MEMS生产厂家采用。

以一种MEMS惯性传感器的制作为例，通常将用于设置MEMS空腔以及电容结构的器件晶圆(MEMS wafer)与盖帽晶圆(cap wafer)通过金属键合固定在一起。其制作过程包括以下的步骤：首先，在器件晶圆上形成图案化的牺牲材料层；然后，形成电容功能层将牺牲材料层覆盖；接着，在电容功能层表面用来进行键合的区域形成一圈第一键合金属，并且，为了控制金属键合的反应程度，在第一键合金属的两侧会形成有用来限制熔融流体流动范围的挡墙；然后，对电容功能层进行图形化处理，图形化后，电容功能层的开口将牺牲材料层露出，进而执行蚀刻工艺，通过电容功能层的开口去除牺牲材料层从而形成空腔；最后，将器件晶圆与盖帽晶圆利用金属键合工艺键合在一起，其中，第一键合金属和盖帽晶圆上的第二键合金属先发生反应，当挡墙接触到盖帽晶圆上的第二键合金属时，键合工艺停止。

为了节约工艺及成本，上述挡墙通常利用在器件晶圆上形成的氧化层进行图形化而得到，但是，研究发现，上述方法形成的挡墙在进行金属键合前，形貌会产生较大的变化，甚至发生缺损，使得在进行键合过程中，挡墙无法充分对键合反应中产生的熔融流体进行阻挡而发生键合不良，这会导致所形成的MEMS传感器的性能较差。

发明内容

本申请发明人研究发现，挡墙在进行金属键合前，形貌产生变化主要发生在空腔释放步骤，在空腔释放步骤采用的蚀刻液(或蚀刻气体)容易对氧化物材质的挡墙产生腐蚀，使得挡墙形貌发生较大变化，甚至缺损。故而，为了改进MEMS传感器的键合质量，提高MEMS传感器的性能，本发明提供了一种MEMS传感器的制作方法以及利用该制作方法得到的一种MEMS传感器。

一个方面，本发明提供一种MEMS传感器的形成方法，包括以下步骤：

提供第一晶圆，所述第一晶圆上形成有图案化的牺牲材料层以及功能层，所述功能层连续覆盖所述牺牲材料层和所述第一晶圆的表面，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；

在所述功能层的第一键合区域形成挡墙主体部分，并在所述挡墙主体部分的表面和所述功能层的表面形成金属层；

刻蚀所述金属层，在所述第一键合区域形成第一键合金属和位于所述第一键合金属里侧和外侧的挡墙，所述挡墙包括所述挡墙主体部分以及保留覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层；

刻蚀所述功能层，在所述功能层的中间区域形成露出所述牺牲材料层的释放孔，并通过所述释放孔去除所述牺牲材料层，以在所述第一晶圆上形成空腔；以及

利用金属键合工艺将所述第一晶圆和一第二晶圆键合，所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的表面设置有第二键合区域，所述第二键合区域形成有第二键合金属，所述第一键合金属和所述第二键合金属在所述挡墙之间接触并反应生成一金属块。

可选的，所述金属键合工艺利用所述挡墙控制反应程度，当所述挡墙接触到所述第二晶圆的所述第二键合金属周围的表面时，停止所述金属键合工艺。

可选的，去除所述牺牲材料层的蚀刻工艺采用气态氢氟酸。

可选的，所述金属层的材料包括铝，所述第二键合金属的材料包括锗。

一方面，本发明提供一种MEMS传感器，包括：

第一晶圆，所述第一晶圆上设置有功能层，在所述第一晶圆和所述功能层之间形成有空腔，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；

第二晶圆，位于所述功能层上方，所述第二晶圆的下表面具有第二键合区域，所述第二键合区域与所述功能层上表面的第一键合区域相对设置；以及

键合结构，包括位于所述第一键合区域和所述第二键合区域之间的金属块和挡墙，所述金属块密封所述第一晶圆和所述第二晶圆之间的间隙，所述挡墙设置于所述金属块的里侧和外侧，所述挡墙包括设置在所述功能层表面的挡墙主体部分以及覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层。

可选的，所述功能层的中间区域设置有图案化的电极层，所述金属层的材料与所述电极层的材料相同。

可选的，所述键合结构中，所述挡墙上表面的金属层与所述金属块周围的第二晶圆表面接触。

可选的，所述挡墙主体部分的材料为氧化硅。

可选的，所述挡墙和所述金属块均为沿所述功能层的中间区域的围向设置的环状结构。

可选的，所述MEMS传感器为MEMS惯性传感器。

本发明的MEMS传感器的形成方法，在金属键合之前，在第一晶圆上形成了图案化的牺牲材料层以及功能层，并在功能层的第一键合区域形成挡墙主体部分，在形成第一键合金属的过程中，同时在所述挡墙主体部分表面形成了金属层，所述金属层可以在之后去除牺牲材料层从而释放空腔的工艺中保护挡墙主体部分避免被腐蚀，使得在金属键合时挡墙没有产生明显的形貌变化，可以起到阻挡熔融流体流到中间区域的作用，还可以用来控制键合反应程度，有利于提高键合良率，提升传感器性能。

本发明提供的MEMS传感器，包括第一晶圆、第二晶圆以及键合结构，所述键合结构中，金属块密封第一晶圆和所述第二晶圆之间的间隙，所述挡墙设置于所述金属块的里侧和外侧，所述挡墙包括设置在所述功能层表面的挡墙主体部分以及覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层。所述挡墙在金属键合时可以起到阻挡熔融流体流到中间区域的作用，还可以用来控制反应程度，避免反应不足或者反应过量。由于具有金属层保护，所述挡墙在键合之前不容易被空腔释放工艺损伤，质量较好，有利于形成稳定的键合结构，提升键合结构的质量以及传感器的性能。金属保护层可以和键合材料一起形成，不需要多余的工艺，工艺简单。

附图说明

图1是一种MEMS传感器的剖面示意图。

图2是本发明一实施例中MEMS传感器的形成方法的流程示意图。

图3A至图3G是利用本发明一实施例的MEMS传感器的形成方法在形成过程中的剖面示意图。

附图标记说明：

100-第一晶圆；200-第二晶圆；110-空腔；11、140-第一键合金属；12、210-第二键合金属；102-界面材料层；103-底部导电材料层；101-牺牲材料层；120-功能层；120a-释放孔；131-挡墙主体部分；141-金属层；10、130-挡墙。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的MEMS传感器及其形成方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。应当理解，说明书的附图均采用了非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

为了便于描述，本申请一些实施例可以使用诸如“在…上方”、“在…之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为“在”其它元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为“在”其它元件或部件“上方”或“之上”。附图中，除非特别说明，原则上相同的元件(或结构)采用相同的标号。

背景技术介绍了一种MEMS传感器的形成方法。图1是一种MEMS传感器的剖面示意图，其可视为通过背景技术介绍的形成方法所形成的。参见图1，该MEMS传感器包括器件晶圆(第一晶圆100)、盖帽晶圆(第二晶圆200)以及二者之间的键合结构。但利用上述MEMS传感器的制作方法，常发生键合不良，并且导致所形成的MEMS传感器的性能较差。进一步研究发现，该MEMS传感器及制作方法存在缺点，具体体现在，由于在器件晶圆上形成挡墙10(例如为氧化硅)后、进行金属键合工艺之前，还需要去除牺牲材料层以释放空腔110，但是由于释放空腔110用到的蚀刻工艺(例如气态氢氟酸(VHF)蚀刻)也会对挡墙10产生蚀刻，导致挡墙10被损坏，在金属键合时不能有效起到限制熔融流体流动范围的作用，金属键合反应产生的熔融流体容易流到功能层的中间区域，也会由于挡墙10形貌变化或缺损而导致对键合反应的控制不准确，从而产生键合不良，影响器件性能。此外，该MEMS传感器中，挡墙10在器件晶圆上制作时设置的较第一键合金属11低，在金属键合过程中，可以利用挡墙控制键合反应的程度，即当挡墙10接触到盖帽晶圆上的第二键合金属12时，使键合工艺停止，但是，第二键合金属12在键合过程中与器件晶圆上的第一键合金属11发生反应，随着反应的进行，挡墙10要接触的第二键合金属12表面容易发生流动，从而不同于原来的平面形态，这样使得挡墙10接触第二键合金属12的终止条件容易受形态不稳定的第二键合金属12影响，可能导致键合终止时晶圆的位置离开预设位置，进而造成键合不良，影响器件性能。

为了解决上述问题，提出了本申请的MEMS传感器及其形成方法。以下通过实施例对本申请的MEMS传感器及其形成方法作详细的描述。

图2是本发明一实施例中MEMS传感器的形成方法的流程示意图。参见图1，本发明一实施例中，MEMS传感器的形成方法包括以下步骤：

S11：提供第一晶圆，所述第一晶圆中形成有图案化的牺牲材料层以及功能层，所述功能层连续覆盖所述牺牲材料层和所述第一晶圆的表面，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；

S12：在所述功能层的第一键合区域形成挡墙主体部分；

S13：在所述挡墙主体部分的表面和所述功能层的表面形成金属层；

S14：刻蚀所述金属层，在所述第一键合区域形成第一键合金属和位于所述第一键合金属里侧和外侧的挡墙，所述挡墙包括所述挡墙主体部分以及保留覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层；

S15：刻蚀所述功能层，在所述功能层的中间区域形成露出所述牺牲材料层的释放孔；

S16：通过所述释放孔去除所述牺牲材料层，以在所述第一晶圆上形成空腔；

S17：利用金属键合工艺将所述第一晶圆和一第二晶圆键合，所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的表面设置有第二键合区域，所述第二键合区域形成有第二键合金属，所述第一键合金属和所述第二键合金属在所述挡墙之间接触并反应生成一金属块。

图3A至图3G是利用本发明一实施例的MEMS传感器的形成方法在形成过程中的剖面示意图。以下结合图2和图3A至图3G对一实施例的MEMS传感器的形成方法作进一步说明。

参见图2和图3A，首先执行步骤S11，提供第一晶圆100，所述第一晶圆100上形成有图案化的牺牲材料层101，所述牺牲材料层101的位置后续用来形成空腔，功能层120覆盖所述牺牲材料层101并延伸覆盖在所述牺牲材料层101周围的第一晶圆100上(即连续覆盖牺牲材料层101和第一晶圆100的表面)，所述功能层120的上表面具有中间区域Ⅰ和位于所述中间区域Ⅰ外围的第一键合区域Ⅱ。

具体的，第一晶圆100的材料可以是硅、锗、硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟或锑化铟等，也可以是绝缘体上覆硅(SOI)或者绝缘体上覆锗(GOI)，或者还可以为其它的材料，例如GaAs、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP或GaInAsP等，或者还可以是上述材料的组合。第一晶圆100可以包括掺杂的外延层、梯度半导体层和位于不同类型的其它半导体层上面的半导体层(例如锗硅层上的硅层)。第一晶圆100中可以设置有源区以及用于隔离有源区的隔离区(未示出)，以及，第一晶圆100中还可以根据设计需求注入一定的掺杂离子。本实施例的第一晶圆100可以作为在制作MEMS传感器的过程中用于后续与另一晶圆进行键合的器件晶圆，第一晶圆100内可以包括各类晶体管以及其它合适的组件等。

本实施例以MEMS惯性传感器的制作为例进行说明，所述第一晶圆100可以是用于设置MEMS的空腔以及电容结构的器件晶圆。在另一实施例中，利用本发明的MEMS传感器的形成方法也可以用来制作其它MEMS器件，如压力传感器、MEMS麦克风等，第一晶圆的结构可以与本实施例有所不同。

作为示例，在第一晶圆100上形成上述牺牲材料层101和功能层120可包括如下过程：

首先，在第一晶圆100表面依次形成界面材料层102以及底部导电材料层103，所述界面材料层102可包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种，本实施例例如为氧化硅，底部导电材料层103形成于界面材料层102表面，可以根据设计需要对底部导电材料层103进行图形化处理，本实施例中，图形化后的底部导电材料层103可以包括用作MEMS惯性传感器的的走线的部分和用作位于第一晶圆100表面的垂向(即Z方向)上的电容极板的部分；

接着，在第一晶圆100上沉积牺牲材料，并根据设计需要对牺牲材料进行图形化处理从而得到图形化的牺牲材料层101，该图形化的牺牲材料层101后续在形成上方的结构之后被去除，在牺牲材料层101的位置即可以获得空腔，所述牺牲材料层101的材质例如为氧化硅；

然后，在第一晶圆100上形成功能层120，本实施例中，所述功能层120例如为用来形成MEMS惯性传感器的电容结构的多晶硅材料层，所述多晶硅材料层包含具有掺杂剂的多晶硅，具体的，所述多晶硅材料层可包括在第一晶圆100上依次叠加形成的种子多晶硅(seedpoly)层(未示出)和多晶硅导电层；此外，在形成多晶硅导电层后，可以利用诸如化学机械研磨等方式对多晶硅导电层的上表面进行平坦化处理，以便于后续在功能层120上形成的键合面平坦。一实施例中，功能层120的厚度约20μm～30μm。

上述在第一晶圆100上形成的功能层120覆盖牺牲材料层101的表面，并且还延伸覆盖在牺牲材料层101周围的第一晶圆100上(此处例如为底部导电材料层103表面)，从而在第一晶圆100上表面和功能层120之间限定出了后续要形成的空腔的范围。根据用途不同，所述功能层120的上表面包括中间区域Ⅰ和位于所述中间区域Ⅰ外围的第一键合区域Ⅱ，第一键合区域Ⅱ是后续用来与另一晶圆进行键合的区域，第一键合区域Ⅱ可以为环状。中间区域Ⅰ位于第一键合区域Ⅱ内侧，可以用来设置MEMS传感器的功能部件，本实施例中，功能层120上表面的中间区域Ⅰ后续可设置惯性传感器的电容结构。

接着，参见2和图3B，接着执行步骤S12，在所述功能层120的第一键合区域Ⅱ形成挡墙主体部分131。挡墙主体部分131在功能层120表面的第一键合区域Ⅱ设置，具体可设置为与第一键合区域Ⅱ走向一致的环状结构，例如为圆环、方环等，环状的挡墙主体部分131后续不仅可以限定金属键合反应过程中产生的熔融流体的流动范围，阻挡熔融流体向第一晶圆的中间区域流动。可选实施例中，挡墙主体部分131还可以作为控制金属键合反应的支撑结构。挡墙主体部分131的上表面优选均位于同一水平面，以便于在金属键合时控制使各个键合区域的反应程度基本一致。挡墙主体部分131的高度可以根据要求达到的键合程度进行设置。一实施例中，挡墙主体部分131的高度(如图3B中挡墙主体部分131的上表面与功能层120的上表面之间的距离)大于1μm，而挡墙主体部分131的宽度(如图3B中挡墙主体部分131的两个侧表面之间的距离)约4μm～8μm。

为了节约工艺及成本，挡墙主体部分131可以与在功能层120表面形成的隔离层在同一沉积及图形化工艺中形成，该隔离层用来设置在功能层120上，以将功能层与后续在隔离层上形成的电极层隔离。

在第一键合区域Ⅱ形成的挡墙主体部分131优选包括两层，用来进行键合的金属可以设置于这两层挡墙主体部分之间，从而可以限定熔融流体向两侧流动的范围。但不限于此，一实施例中，可以在第一键合区域形成三层以上的挡墙主体部分，键合金属可以设置在相邻的两层挡墙主体部分之间。

参见图2及图3C，接着执行步骤S13，在所述挡墙主体部分131的表面和所述功能层120的上表面沉积一层金属层141。所述金属层141用来制作第一晶圆100一侧的键合金属，所述金属层141可以包括Al、Ge、Ti、Pt、Au、In、Sn、Cu等金属，所述金属层141也可以采用各种可作为金属键合材料的其它材料。本实施例中，所述金属层141可以用来作为功能层120上的电极材料，例如，一实施例中，在第一晶圆100上形成功能层120后，还在功能层120中形成与第一晶圆100中的内部电路连接的导电插塞(未示出)，所述导电插塞进而通过功能层120表面形成的图案化后的金属层引出与所述内部电路连接的电极。利用同一金属层制作电极和键合金属，可以节约工艺。本实施例中，所述金属层141的材料例如为铝(Al)。

本实施例中，可以利用上述金属层141形成挡墙主体部分131的保护层，以避免挡墙主体部分131在后续去除牺牲材料层101的过程中被损坏而无法按照设计位置限定熔融流体流动以及控制金属键合反应程度。在此，金属层141可以保形地覆盖在所述挡墙主体部分131的表面和所述功能层120的上表面，使两层挡墙主体部分131之间的金属层141表面低于挡墙主体部分131上表面的金属层141表面，便于后续在两层挡墙主体部分131之间形成上表面较第一键合金属上表面高的挡墙，继而在与另一晶圆上的键合金属在两层挡墙主体部分131之间发生反应时，覆盖有金属层141的挡墙主体部分131在发生反应的键合金属两侧控制键合反应程度，具体可以当挡墙主体部分131表面的金属层141接触到另一晶圆表面时，表示键合工艺完成。

参见图2和图3D，接着执行步骤S14，刻蚀所述金属层141，在所述第一键合区域Ⅱ形成第一键合金属140和位于所述第一键合金属140里侧和外侧的挡墙130，所述挡墙130包括所述挡墙主体部分131以及保留覆盖在所述挡墙主体部分131上表面和侧表面的金属层141。

具体的，刻蚀所述金属层141可包括如下过程：首先，在第一晶圆100上涂覆光刻胶，并进行曝光及显影，使得剩余的光刻胶覆盖在挡墙主体部分131的上表面以及两层挡墙主体部分131之间的功能层120的部分上表面；接着，利用上述光刻胶作为掩模，刻蚀上述金属层141，使得剩余的金属层覆盖挡墙主体部分131的表面(包括挡墙主体部分131的上表面以及与其连接的侧表面)并覆盖在两层挡墙主体部分131之间的功能层120的部分表面。刻蚀所述金属层141可以采用干法蚀刻或湿法蚀刻，优选采用各向异性的干法蚀刻刻蚀所述金属层141，以便于保留覆盖在挡墙主体部分131的侧表面上的金属层材料。

利用上述方法，可以在第一晶圆100上的第一键合区域Ⅱ形成挡墙130以及与所述挡墙130隔开设置的第一键合金属140，所述挡墙130包括上述挡墙主体部分131以及覆盖在所述挡墙主体部分131的上表面和侧表面的保护层。本实施例中，在同一工序形成了第一键合金属140和挡墙130的保护层，此处保护层为金属材质，相较于利用两次刻蚀工艺分别形成第一键合金属140和挡墙130的保护层的方式，本实施例的方法可以节约工艺，有助于提高生产效率，降低成本。

本实施例中，挡墙130和第一键合金属140隔开设置，二者之间可以根据设计需要保持一定距离。例如，第一键合金属140和两侧(里侧和外侧)的挡墙130之间的间隔约5μm～15μm。第一键合金属140可以形成为沿第一键合区域Ⅱ设置的环状结构，所述功能层120的中间区域Ⅰ位于第一键合金属140的环状结构的内部。一实施例中，在第一键合区域Ⅱ设置的第一键合金属140可以不止一个环，即可以设置两圈以上的第一键合金属140，以在金属键合时增强密封效果。此外，对于每个第一键合金属140，均可以在其两侧设置上述挡墙130。

参见图2和图3E，执行步骤S15，刻蚀所述功能层120，在所述功能层120的中间区域Ⅰ形成露出所述牺牲材料层101的释放孔120a。

通过形成露出牺牲材料层101的释放孔120a，便于去除牺牲材料层101以释放出空腔。所述释放孔120a可以是一个或者两个以上，可以根据设计需要确定。本实施例中，所述功能层120例如用来制作MEMS惯性传感器的电容结构，而释放孔120a可以在形成电容结构后获得。具体的，步骤S15可以对功能层120进行图形化处理，在功能层120的中间区域Ⅰ形成电容结构的极板，并且，部分极板间的间隙位于牺牲材料层101上方，即可以作为释放孔120a将牺牲材料层101露出。在功能层120的中间区域Ⅰ形成的电容结构可以根据设计需要制作。

参见图2和图3F，接着执行步骤S16，执行牺牲材料层101的刻蚀工艺，通过所述释放孔120a去除所述牺牲材料层101，以在所述第一晶圆100上形成空腔110。

牺牲材料层101例如为氧化硅，从而可以利用公开的氧化硅蚀刻方法去除。作为示例，可以采用气态氢氟酸(Vapor HF，VHF)蚀刻工艺去除牺牲材料层。由于该蚀刻过程对第一键合金属140、挡墙130(表层为金属层)以及功能层120的刻蚀选择比较高，因而对它们的损伤很小，有利于确保器件的性能，并且，由于挡墙130的形貌基本不受该蚀刻过程影响，在后续的键合时形貌不发生明显变化，可以起到阻挡熔融流体的作用，还可以用来控制键合反应程度，有利于提高键合良率，提升传感器性能。

参见图2和图3G，接着执行步骤S17，利用金属键合工艺将所述第一晶圆100和一第二晶圆200键合，所述第二晶圆200朝向所述第一晶圆100的表面设置有第二键合区域Ⅲ，并在所述第二键合区域Ⅲ形成有第二键合金属210。具体在金属键合工艺中，所述第一键合金属140和所述第二键合金属210在所述挡墙130之间接触并生成一金属块。

本实施例中，第二晶圆200为要制作的MEMS传感器的顶盖晶圆。在进行键合之前，第二晶圆200的要朝向所述第一晶圆100的表面设置有第二键合区域Ⅲ，第二键合区域Ⅲ和第一晶圆100上的第一键合区域Ⅱ的范围基本一致。可以提前在第二晶圆200的第二键合区域Ⅲ与第一键合金属140对应的位置形成第二键合金属210，所述第二键合金属210也可以包括Al、Ge、Ti、Pt、Au、In、Sn、Cu等金属，此处第一键合金属140和第二键合金属210可以分别为铝和锗(Ge)，在金属键合时，铝和锗发生反应生成二者的合金。但不限于此，第二键合金属210和第一键合金属140的材料可以根据金属键合反应的设计而设置，二者可以采用公开的各种金属键合材料。

上述第一键合金属140和第二键合金属210可以利用物理气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发或电镀等工艺形成，第二键合金属210可以为与第一键合金属140尺寸相同或接近的环形结构。本实施例中，第二晶圆200在第二键合区域Ⅲ围成的区域，还可形成凹槽，所述凹槽在键合时朝向第一晶圆100上功能层120的中间区域Ⅰ，以在功能层120的电容结构上方保留一定的空间。此外，在所述凹槽的底面，还可以设置若干突起，目的是防止电容结构的活动极板粘附到凹槽底面。

具体的，在进行金属键合时，将第一晶圆100设置有第一键合金属140的表面和第二晶圆200设置有第二键合金属210的表面相对，并施加一定压力，第一键合金属140和第二键合金属210接触，第一键合金属140和第二键合金属210在设定条件下发生键合反应生成合金，同时，第一晶圆100和第二晶圆200的距离更加接近。而在键合反应时产生的熔融流体由于挡墙130的限制，不会流到功能层120的中间区域。一实施例中，还利用挡墙130作为支撑，控制金属键合反应的程度，具体在键合初期，挡墙130的上表面与第二键合金属210周围的第二晶圆表面仍保留一定的间隙，随着键合反应的进行，该间隙不断减小，当挡墙130的上表面接触到第二晶圆200表面时，表明键合反应已经达到满足键合要求的程度，则金属键合过程停止。

经过上述步骤S11～S17，可以获得包括第一晶圆100和第二晶圆200的键合晶圆，所述键合晶圆可用作MEMS传感器。其中，在第一晶圆100和第二晶圆200之间形成了键合结构，所述键合结构包括第一键合金属140和第二键合金属210反应而成的金属块，还包括位于金属块里侧和外侧的挡墙130。所述挡墙130的高度小于金属块的高度，或者与金属块的高度相同。

本实施例中，挡墙130表面设置有保护层，可以保护挡墙在金属键合前的刻蚀过程(例如去除牺牲材料层的过程)中避免被损坏，在金属键合时，挡墙可以起到阻挡熔融流体流到中间区域的作用以及控制键合反应程度的作用，有利于提高键合良率以及所形成的MEMS传感器的良率。进一步的，本实施例采用用来形成第一键合金属140的金属层来形成挡墙的保护层，该金属层还可以同时用来在功能层120上形成图形化的电极层，有利于节约工艺。所述挡墙130在金属键合过程中位于第一键合金属和第二键合金属的两侧，不与键合金属直接接触，可以避免金属材质的保护层与键合金属反应生成的熔融合金流入中间区域，进而影响器件性能，另外在利用挡墙控制反应程度时，挡墙与第二晶圆的接触不受与第一键合金属发生反应的第二键合金属的形态变化影响，对键合反应的控制更准确。

本发明实施例还包括一种MEMS传感器。参见图3G，所述MEMS传感器包括第一晶圆100、第二晶圆200以及键合结构，所述第一晶圆100上设置有功能层120，在所述第一晶圆100表面和所述功能层120之间形成有空腔110，所述功能层120的上表面具有中间区域Ⅰ和位于所述中间区域Ⅰ外围的第一键合区域Ⅱ，所述第二晶圆200位于所述功能层120上方，所述第二晶圆200的表面具有第二键合区域Ⅲ，所述第二键合区域Ⅲ与所述功能层120表面的第一键合区域Ⅱ相对设置，所述键合结构包括位于所述第一键合区域Ⅱ和所述第二键合区域Ⅲ之间的金属块(由第一键合金属140和第二键合金属210反应形成)和挡墙130，所述金属块密封第一晶圆100和所述第二晶圆200之间的间隙(此处具体为功能层120的上表面与第二晶圆200的下表面之间的间隙)，所述挡墙130设置于所述金属块的里侧和外侧，所述挡墙130包括设置在所述功能层120表面的挡墙主体部分131(参见图3C)以及覆盖在所述挡墙主体部分131上表面和侧表面的金属层141。

本实施例的MEMS传感器可以利用上述MEMS传感器的制作方法制作而成。其中，挡墙130在金属键合工艺中可以起到限制熔融流体流动范围的作用，还可以控制键合反应的反应程度，避免反应不足或者反应过量。所述挡墙由于具有金属层保护，在键合之前不容易被损伤，质量较好，有利于在完成金属键合后形成稳定的键合结构，提升键合结构的质量以及传感器的性能。

一实施例中，所述挡墙可以包括挡墙主体部分131(参见图3C)以及覆盖在所述挡墙主体部分131表面的金属层，所述金属层可以保护挡墙避免被蚀刻工艺破坏，例如可以抵抗空腔释放工艺的蚀刻，通过设置能够抵抗空腔释放工艺蚀刻的金属层，在金属键合之前挡墙130受到的损伤很小，有助于提高键合效果。可选的，所述金属层可以选用与在第一晶圆上形成的第一键合金属相同的金属材料，和/或选用与在功能层上形成的MEMS传感器的其它元件相同的材料，以节约工艺。一实施例中，金属层可以与第一晶圆100上的第一键合金属140在同一刻蚀工序中形成，从而可以具有与上述金属块相同的金属元素。一实施例中，所述功能层的中间区域形成了图案化的电极层，所述金属层可以与所述图案化的电极层同一沉积及图形化工艺形成，因而所述金属层可以与所述图案化的电极层的材料相同。例如，所述金属层可以选用铝。

上述挡墙130优选不与键合金属直接接触，可以避免挡墙130表面的金属层与键合金属反应产生熔融流体影响键合效果。另外在利用挡墙130控制金属键合反应程度时，挡墙130上表面的金属层优选与所述金属块周围的第二晶圆表面接触，而非与第二键合金属接触，使得挡墙130对反应程度的控制不受处于高温状态的金属块的形态影响，对键合反应的控制更准确。

上述键合结构中的挡墙130和金属块的高度可以根据键合需要设置。一实施例中，所述键合结构可以包括两个以上的金属块，且各个所述金属块两侧均设置有所述挡墙130，以增强密封效果，提高稳定性。此外，所述挡墙130和所述金属块可以均设置为包围所述功能层120的中间区域的环状结构。

本实施例的MEMS传感器例如为MEMS惯性传感器，具体可以是陀螺仪、加速度计等。所述MEMS传感器还可以是其它需要利用到金属键合工艺的传感器。所述MEMS传感器中，挡墙130的高度可控，在金属键合时可以起到限定熔融流体流动范围的作用，还可以用来控制金属键合反应程度，避免反应不足或者反应过量，所述挡墙由于具有金属层保护，在键合之前不容易被空腔释放工艺损伤，质量较好，有利于获得稳定的键合结构，提升键合结构的质量以及传感器的性能。

需要说明的是，本说明书实施例采用递进的方式描述，后面的实施例主要描述的是与前面的实施例不同的特征，相关之处可以参照理解。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种MEMS传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供第一晶圆，所述第一晶圆上形成有图案化的牺牲材料层以及功能层，所述功能层连续覆盖所述牺牲材料层和所述第一晶圆的表面，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；

在所述功能层的第一键合区域形成挡墙主体部分，并在所述挡墙主体部分的表面和所述功能层的表面形成金属层；

刻蚀所述金属层，在所述第一键合区域形成第一键合金属和位于所述第一键合金属里侧和外侧的挡墙，所述挡墙包括所述挡墙主体部分以及保留覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层；

刻蚀所述功能层，在所述功能层的中间区域形成露出所述牺牲材料层的释放孔，并通过所述释放孔去除所述牺牲材料层，以在所述第一晶圆上形成空腔；以及

利用金属键合工艺将所述第一晶圆和一第二晶圆键合，所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的表面设置有第二键合区域，所述第二键合区域形成有第二键合金属，所述第一键合金属和所述第二键合金属在所述挡墙之间接触并反应生成一金属块。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述金属键合工艺利用所述挡墙控制反应程度，当所述挡墙接触到所述第二晶圆的所述第二键合金属周围的表面时，停止所述金属键合工艺。

3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，去除所述牺牲材料层的蚀刻工艺采用气态氢氟酸。

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述金属层的材料包括铝，所述第二键合金属的材料包括锗。

5.一种MEMS传感器，其特征在于，包括：

第一晶圆，所述第一晶圆上设置有功能层，在所述第一晶圆表面和所述功能层之间形成有空腔，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；

第二晶圆，位于所述功能层上方，所述第二晶圆的下表面具有第二键合区域，所述第二键合区域与所述功能层上表面的第一键合区域相对设置；以及

键合结构，包括位于所述第一键合区域和所述第二键合区域之间的金属块和挡墙，所述金属块密封所述第一晶圆和所述第二晶圆之间的间隙，所述挡墙设置于所述金属块的里侧和外侧，所述挡墙包括设置在所述功能层表面的挡墙主体部分以及覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层。

6.如权利要求5所述的MEMS传感器，其特征在于，所述功能层的中间区域设置有图案化的电极层，所述金属层的材料与所述电极层的材料相同。

7.如权利要求5所述的MEMS传感器，其特征在于，所述键合结构中，所述挡墙上表面的金属层与所述金属块周围的第二晶圆表面接触。

8.如权利要求5所述的MEMS传感器，其特征在于，所述挡墙主体部分的材料为氧化硅。

9.如权利要求5至8任一项所述的MEMS传感器，其特征在于，所述挡墙和所述金属块均为沿所述功能层的中间区域的围向设置的环状结构。

10.如权利要求5至8任一项所述的MEMS传感器，其特征在于，所述MEMS传感器为MEMS惯性传感器。

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