CN115872352A - 一种mems器件及其制备方法和电子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS器件及其制备方法和电子装置。制备方法包括提供MEMS晶圆；在MEMS晶圆上形成牺牲层；在牺牲层上形成疏齿结构以及围绕疏齿结构的支撑区域，支撑区域上形成有锗键合环；生长防粘涂层；通过湿法腐蚀锗键合环表面的一层锗来去掉锗键合环上的防粘涂层。解决了MEMS器件疏齿粘连问题的同时解决了防粘涂层影响键合的难题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种MEMS器件及其制备方法和电子装置。
背景技术
在电子消费领域，多功能设备越来越受到消费者的喜爱，相比于功能简单的设备，多功能设备制作过程将更加复杂，比如需要在电路版上集成多个不同功能的芯片，因而出现了3D集成电路(integrated circuit，IC)技术。其中，微电子机械系统(Micro-electromechanical System，MEMS)在体积、功耗、重量以及价格方面具有十分明显的优势，至今已经开发出多种不同的传感器，例如压力传感器、加速度传感器、惯性传感器以及其他的传感器。
目前MEMS通常存在疏齿结构，容易产生粘连问题，严重影响器件性能。为了减少MEMS微结构在使用过程中的粘连现象，需要使用防粘涂层，例如全氟癸基三氯硅烷(FDTS)材料覆盖在疏齿侧壁，但是这样会在键合面上覆盖一层FDTS膜，键合面上的FDTS会影响键合效果，必须在键合前去除，基于Al-O键能小于Si-O键能，FDTS可以通过烘烤的方式从Al表面去除而留在Si上，但这种方式效果有限。如何彻底清除键合面上的防粘涂层，亟待解决。
因此需设计一种MEMS器件及其制备方法和电子装置。
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。
本发明提供了一种MEMS器件的制备方法，包括以下步骤：提供MEMS晶圆；在MEMS晶圆上形成牺牲层；在牺牲层上形成疏齿结构以及围绕疏齿结构的支撑区域，支撑区域上形成有锗键合环；生长防粘涂层；通过湿法腐蚀锗键合环表面的一层锗来去掉锗键合环上的防粘涂层。
可选地，该方法还包括在生长防粘涂层之前，先清除聚合物的步骤。
可选地，防粘涂层包括全氟十二烷基三氯硅烷FDTS。
可选地，湿法腐蚀采用的是仅腐蚀锗而不腐蚀防粘涂层及晶圆的有机溶液。
进一步地，有机溶液包括二甘醇胺溶液。
可选地，该方法还包括在湿法腐蚀步骤之后，释放所述牺牲层以形成空腔的步骤。
可选地，该方法还包括提供具有铝键合环的另一MEMS晶圆，以及通过将铝键合环与锗键合环键合，将另一MEMS晶圆与MEMS晶圆键合的步骤。
可选地，该方法还包括在键合步骤之前，在具有铝键合环的另一MEMS晶圆中形成空腔的步骤。
一种MEMS器件，采用如上述的MEMS器件的制备方法制造。
一种电子装置，包括上述的MEMS器件。
本发明提供了一种MEMS器件及其制备方法和电子装置，与传统器件相比，通过将疏齿结构做在具有锗键合环的MEMS晶圆上，再生长防粘涂层，通过湿法腐蚀一层锗的同时释放防粘涂层。解决了MEMS器件疏齿粘连问题的同时解决了防粘涂层影响键合的难题。
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1示出了梳齿结构做在铝键合环的MEMS晶圆上的MEMS结构剖面示意图；
图2A示出了根据本发明一个实施例的梳齿结构做在锗键合环的MEMS晶圆上的MEMS结构剖面示意图；
图2B示出了根据本发明一个实施例在图2A上生长防粘涂层的剖面示意图；
图2C示出了根据本发明一个实施例在图2B上湿法清洗去除一层锗并带走防粘涂层的剖面示意图；
图2D示出了根据本发明一个实施例在图2C上牺牲层释放的剖面示意图；
图2E示出了根据本发明一个实施例在图2D上键合具有铝键合环的MEMS晶圆形成最终MEMS结构的剖面示意图；
图3示出了FDTS生长在MEMS晶圆上的反应过程；
图4示出了根据本发明一个实施例的MEMS器件的制备方法的流程图。
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。
这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细结构以及步骤，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。
MEMS器件一般是电容式的，如图1所示，MEMS惯性微结构，在衬底100上形成牺牲层102，衬底100为重掺低阻片，例如可以为N型硅衬底，牺牲层102为氧化物，例如二氧化硅，疏齿结构103做在牺牲层102上，围绕疏齿结构103的支撑区域上方具有键合环(Bondingring)106和金属垫(Pad)106’，疏齿结构103与衬底100均为N型硅，键合环106为铝，金属垫106’也为铝，即疏齿结构103做在具有铝键合环106的那一面上，位于牺牲层102内的金属层104与金属垫106’通过金属105连通，金属层104为铝，金属105为钨。由于存在疏齿结构，容易产生粘连问题，严重影响器件性能。为了减少MEMS微结构在使用过程中的粘连现象，需要使用防粘涂层，例如使用全氟十二烷基三氯硅烷(FDTS)材料覆盖在疏齿侧壁，这样会在键合面上覆盖一层FDTS膜，然而键合面上的FDTS会影响键合效果，必须在键合前去除，基于Al-O键能小于Si-O键能，FDTS可以通过烘烤(bake)的方式从Al表面去除而留在Si上，但这种方式效果有限。
实施例一
一种MEMS器件的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1、提供MEMS晶圆，晶圆可以是半导体，比如多晶硅、SiGe或者掺杂的硅，其中，所述掺杂离子并不局限于某一种，例如可以为B、P、N、As等，不再一一列举。在一个示例中，如图2A所示，晶圆为重掺低阻片，例如可以包括衬底200及下电极201，其中衬底200为低掺杂的硅，下电极201为重掺杂的多晶硅。
S2、在MEMS晶圆上形成牺牲层202，牺牲层202包括氧化物层，例如SiO2等材料，并不局限于某一种。牺牲层202可以选用现有技术中常用的沉积方法，例如可以是通过化学气相沉积(CVD)或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等沉积方法形成。本发明中优选等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法。
S3、在牺牲层202上形成疏齿结构203以及围绕疏齿结构203的支撑区域，支撑区域上形成有锗键合环204，即疏齿结构203做在具有锗键合环204的晶圆上。可以采用干法刻蚀形成疏齿结构203，干法刻蚀工艺包括但不限于：反应离子刻蚀(RIE)、离子束刻蚀、等离子体刻蚀或者这些方法的任意组合。也可以使用单一的刻蚀方法，或者也可以使用多于一个的刻蚀方法。干法刻蚀的源气体可以包括SF6和/或CXFY气体。
S4、生长防粘涂层205，如图2B所示，防粘涂层205不限于FDTS，也可以为十八烷基三氯硅烷(OTS)、全氟辛基三氯硅烷(FOTS)、四氢辛基甲基二氯硅烷(FOMDS)等起相同作用的防粘涂层。
S5、通过湿法腐蚀锗键合环204表面的一层锗来去掉锗键合环上的防粘涂层，在一个示例中，腐蚀0.1um的锗，由于防粘涂层的厚度很薄，一般在
级别，相当于自然氧化层的厚度，因此湿法腐蚀液可以穿透防粘涂层。如图2C所示，锗键合环204四周的防粘涂层去掉了，但是疏齿结构203上的防粘涂层保留下来。
在一个实施例中，制备方法还包括在生长防粘涂层之前，先清除聚合物的步骤。如图2A所示，疏齿刻蚀并去除聚合物，可以采用深反应离子刻蚀(Deep Reactive IonEtching，简称DRIE)的方法来刻蚀。
在一个实施例中，防粘涂层包括FDTS。如图3所示，在硅晶圆的表面形成全氟十二烷基三氯硅烷FDTS。
在一个实施例中，湿法腐蚀采用的是仅腐蚀锗而不腐蚀防粘涂层及晶圆的有机溶液。有机溶液包括二甘醇胺溶液，即ST-44。
在一个实施例中，制备方法还包括在湿法腐蚀步骤之后，释放牺牲层202以形成空腔的步骤。在去掉锗面上的防粘涂层205后，释放牺牲层202以形成空腔，如图2D所示。示例性地，可以采用无水氟化氢蒸汽(VHF)释放牺牲层202的氧化物。
在一个实施例中，制备方法还包括提供具有铝键合环302的另一MEMS晶圆，以及通过将铝键合环302与锗键合环204键合，将另一MEMS晶圆与MEMS晶圆键合的步骤。
在一个实施例中，制备方法还包括在键合步骤之前，在具有铝键合环的另一MEMS晶圆中形成空腔的步骤。
实施例二
一种MEMS器件，下电极为在晶圆上形成牺牲层202，晶圆为重掺低阻片，例如可以包括衬底200及下电极201，其中衬底200为低掺杂的硅用于接地，下电极201为重掺杂的多晶硅。在一个实施例中，为N型硅衬底，牺牲层202为氧化物，例如二氧化硅，在牺牲层202上形成疏齿结构203，疏齿结构203做在具有锗键合环204的那一面上，疏齿结构203与衬底200均为N型硅，生长防粘涂层205，示例性地，防粘涂层为FDTS。通过湿法腐蚀一薄层锗来去掉锗面上的防粘涂层，在一个示例中，腐蚀0.1um的锗，锗四周的防粘涂层去掉了，但是疏齿结构203上的防粘涂层保留下来，释放牺牲层202以形成第一空腔。
如图2E所示，上电极为在衬底301上形成第二空腔，该第二空腔与下电极上的第一空腔宽度相当，或略窄于第一空腔宽度。衬底301为重掺低阻片，例如可以为N型硅衬底。键合环302为铝，金属302’也为铝。
在一个实施中，铝键合环302两侧具有支撑结构303，以便于上下电极之间的键合。
实施例三
一种电子装置，其包括MEMS器件，该MEMS器件为前述实施例二中的MEMS器件，或根据实施例一的MEMS器件的制备方法所得的MEMS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、数码相框、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括电路的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了MEMS器件，因而具有更好的性能。
本发明提供的一种MEMS器件及其制备方法和电子装置，与传统器件相比，通过将疏齿结构做在具有锗键合环的电极上，再生长防粘涂层，通过湿法腐蚀一层锗的同时释放防粘涂层。解决了MEMS器件疏齿粘连问题的同时解决了防粘涂层影响键合的难题。
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 (10)
1.一种MEMS器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供MEMS晶圆；
在所述MEMS晶圆上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成疏齿结构以及围绕所述疏齿结构的支撑区域，所述支撑区域上形成有锗键合环；
生长防粘涂层；
通过湿法腐蚀所述锗键合环表面的一层锗来去掉所述锗键合环上的防粘涂层。
2.如权利要求1所述的MEMS器件的制备方法，其特征在于，还包括在生长防粘涂层之前，先清除聚合物的步骤。
3.如权利要求1所述的MEMS器件的制备方法，其特征在于，所述防粘涂层包括全氟十二烷基三氯硅烷FDTS。
4.如权利要求1所述的MEMS器件的制备方法，其特征在于，所述湿法腐蚀采用的是仅腐蚀锗而不腐蚀防粘涂层及晶圆的有机溶液。
5.如权利要求4所述的MEMS器件的制备方法，其特征在于，所述有机溶液包括二甘醇胺溶液。
6.如权利要求1所述的MEMS器件的制备方法，其特征在于，还包括在湿法腐蚀步骤之后，释放所述牺牲层以形成空腔的步骤。
7.如权利要求6所述的MEMS器件的制备方法，其特征在于，还包括提供具有铝键合环的另一MEMS晶圆，以及通过将所述铝键合环与所述锗键合环键合，将所述另一MEMS晶圆与所述MEMS晶圆键合的步骤。
8.如权利要求7所述的MEMS器件的制备方法，其特征在于，还包括在键合步骤之前，在具有铝键合环的另一MEMS晶圆中形成空腔的步骤。
9.一种MEMS器件，其特征在于，采用如权利要求1-8之一所述的MEMS器件的制备方法制造。
10.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求9所述的MEMS器件。
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