CN211770288U

CN211770288U - 一种mems器件

Info

Publication number: CN211770288U
Application number: CN201921806997.4U
Authority: CN
Inventors: 闻永祥; 季锋; 刘琛; 陈有鑫; 张小丽
Original assignee: Hangzhou Silan Microelectronics Co Ltd; Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Microelectronics Co Ltd; Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2029-10-25

Abstract

本申请公开了一种MEMS器件，包括器件硅片、封帽硅片和防粘附层，器件硅片包括位于其第一表面的微机械结构区和第一键合层，封帽硅片包括位于其第二表面的第二键合层，第一键合层与第二键合层彼此接触且键合，防粘附层覆盖微机械结构区的暴露表面以及第一键合层的侧壁，第一键合层包括依次堆叠于器件硅片的第一表面的第一接触层、隔离层、第一金属层以及第二金属层，其中，第一金属层为铝金属层，第二金属层为锗金属层，当第一键合层和第二键合层接触时，直接将器件硅片上悬浮的防粘附层挤出，在器件硅片和封帽硅片的接触表面上实现无防粘附层的共晶键合，有利于提高MEMS器件的稳定性。

Description

一种MEMS器件

技术领域

本实用新型涉及微电子机械系统(MEMS)技术领域，更具体地涉及一种MEMS器件。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。采用MEMS技术制造的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪和硬盘驱动头等。

在以硅为基础的MEMS加工技术中，MEMS器件例如包括在硅衬底中形成的空腔、固定电极和可动电极等微型构件。由于MEMS器件的工作环境问题，因此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空腔封帽保护结构，通过硅-硅直接键合、阳极键合、铝锗、金硅共晶键合、玻璃粉键合等各种键合工艺，使器件硅片和封帽硅片紧密结合在一起，这样使微机械的器件结构和外部环境得到隔离。

此外，由于可动电极的至少一部分可以在空腔内或空气中自由移动，因此硅衬底的暴露表面在空气中易于形成一层亲水性的自然氧化层，在亲水性的自然氧化层表面会覆盖一层水分子。如果MEMS器件工作于潮湿的环境下，则多晶硅层间会产生较强的毛细力，导致粘附现象的发生。此外，多晶硅层的分子间范德华力、静摩擦力、残余应力也将导致发生粘附现象。此种结构在使用过程中易于产生结构层间的粘附现象，比如电容式加速度计、陀螺仪的可动梳齿之间就易于产生粘附现象。硅衬底的摩擦系数较高，弹性模量和机械硬度较低，存在着抗磨损能力不足的缺点。因此，摩擦、磨损和粘附问题已经成为影响MEMS性能和可靠性的主要因素。

在MEMS器件中，微构件表面改性被认为是改善摩擦、降低磨损、提高系统稳定性的有效手段。例如，可以在硅衬底和电极的暴露表面涂覆一层疏水性薄膜。

一种表面改性的方法包括在硅衬底和电极的暴露表面涂覆一层疏水性的自组装单分子层(Self-assembled monolayer,SAM)，使表面曾疏水性，从而降低粘附现象。但是经过防粘附处理的MEMS器件的键合金属条上也会有防粘附层，会导致键合失效或其他的问题，最终导致整个MEMS器件的失效。

因此有必要对现有的MEMS器件进行改进以提高MEMS器件的键合稳定性，继而提高整个MEMS器件的稳定性。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种MEMS器件，实现器件硅片和封帽硅片之间的无粘附层键合，提高MEMS器件的稳定性。

根据本实用新型，提供了一种MEMS器件，包括：器件硅片，包括位于其第一表面的微机械结构区和第一键合层；封帽硅片，包括位于其第二表面的第二键合层，所述第一键合层与所述第二键合层彼此接触且键合；以及防粘附层，所述防粘附层覆盖所述微机械结构区的暴露表面以及所述第一键合层的侧壁，所述第一键合层包括依次堆叠于所述器件硅片的第一表面的第一接触层、隔离层、第一金属层以及第二金属层，其中，所述第一金属层为铝金属层，所述第二金属层为锗金属层。

优选地，所述第二键合层包括依次堆叠于所述封帽硅片第二表面的第二接触层和第三金属层，其中，所述第三金属层为锗金属层。

优选地，所述隔离层选自氮化钛或者氮化钽。

优选地，所述第一接触层和第二接触层选自钛金属层或者钽金属层。

优选地，所述微机械机构区包括：位于所述器件硅片中的第一空腔；以及位于所述第一空腔上的可动部件，其中，所述防粘附层覆盖所述可动部件以及所述第一空腔所暴露的器件硅片的侧壁表面。

优选地，所述防粘附层为单层或者多层结构。

优选地，所述防粘附层包括：种子层，至少覆盖所述可动部件以及所述第一空腔所暴露的器件硅片的侧壁表面；以及位于所述种子层上的单分子膜层。

优选地，所述种子层选自有机氧化硅或者有机氧化钛。

优选地，所述封帽硅片上还包括内凹的第二空腔，所述第二空腔的位置与所述第一空腔的位置相对应。

优选地，所述第一接触层和所述第二接触层的厚度为

优选地，所述隔离层的厚度为

优选地，所述第一金属层的厚度为1～2微米，所述第二金属层的厚度为

所述第三金属层的厚度为0.6～1.2微米。

优选地，所述种子层和所述单分子膜层的厚度为

优选地，所述MEMS器件选自加速度计、陀螺仪、硅电容麦克风中的任意一种。

本实用新型实施例提供的MEMS器件具有以下有益效果。MEMS器件包括位于器件硅片表面的铝锗叠层结构，在器件硅片和封帽硅片键合时封帽硅片上的锗金属层直接和器件硅片上的铝金属层发生共晶接触，防粘附层只覆盖在微机械结构区的暴露表面以及第一键合层的侧壁，在器件硅片和封帽硅片的接触表面上实现无防粘附层的共晶键合。有利于提高器件硅片和封帽硅片之间的键合稳定性，继而提高了MEMS器件的稳定性。此外，这样可以省略了单独去除器件硅片的共晶键合条表面的防粘附层的步骤，改善了MEMS器件共晶键合的生产效率和工艺。

在优选地实施例中，MEMS器件还包括分别位于器件硅片上的第一接触层和位于封帽硅片上的第二接触层，第一接触层和第二接触层的存在可以使得器件硅片和封帽硅片之间的键合质量更好，提高键合可靠性。

在优选地实施例中，MEMS器件还包括位于第一接触层和铝锗叠层结构之间的隔离层，隔离层用于隔离器件硅片中的多晶硅进入到第一金属层中，避免引起键合孔洞。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本实用新型的MEMS器件的结构示意图；

图2示出根据本实用新型的MEMS器件的制造方法的流程示意图；

图3至图8分别示出根据本实用新型的MEMS器件的制造方法的各个阶段的截面示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

图1示出根据本实用新型的MEMS器件的结构示意图。所述MEMS器件选自加速度计、陀螺仪、硅电容麦克风中的任意一种。参照图1，本实施例的MEMS器件包括键合在一起的器件硅片100和封帽硅片200。需要说明的是，“硅片”仅是本领域的一种惯用说法，其材料不限于硅，也可以是半导体技术领域的常用的其他衬底材料。

其中，器件硅片100包括位于第一表面的微机械结构区107和第一键合层。封帽硅片200包括与第一表面相对的第二表面以及位于其第二表面的第二键合层。其中，器件硅片100上的第一键合层与封帽硅片200上的第二键合层彼此接触且键合在一起，使得器件硅片100上的微机械结构区107与外部环境得到隔离。第一键合层和第二键合层例如可以采用共晶键合工艺键合在一起，但不限于此。

其中，微机械结构区107包括位于器件硅片100中的第一空腔以及形成于第一空腔中的可动部件，例如加速度计、惯性传感器中的可动部件。封帽硅片100上还包括内凹的第二空腔，其位置与第一空腔的位置相对应，键合之后，可动部件位于第一空腔和第二空腔形成的密闭空腔之中。

进一步的，器件硅片100还包括防粘附层，防粘附层位于微机械结构区107的暴露表面上，使其表面疏水性，从而降低粘附现象的发生。

进一步的，所述第一键合层为铝锗叠层结构。如图1所示，第一键合层包括依次堆叠于所述器件硅片100的第一表面上的第一接触层101、隔离层102、第一金属层103以及第二金属层(图中未示出)。其中，第一金属层为铝金属层，第二金属层为锗金属层。第二键合层包括依次堆叠于所述封帽硅片200的第二表面的第二接触层201和第三金属层202，其中，所述第三金属层202为锗金属层。

本实施例的MEMS器件中，可在器件硅片100和封帽硅片200键合之前，将器件硅片100的温度升到铝鍺共晶温度424℃～435℃，使得器件硅片100上的第一键合层的表面部分的铝和锗薄层部分发生共晶融化，形成熔融的铝锗金属层，使得第一键合层表面的防粘附层悬浮在键合金属的表面。然后再将器件硅片100和封帽硅片200升温到435℃～445℃，使器件硅片100和封帽硅片200键合，封帽硅片200上的锗金属层直接和器件硅片100上的熔融的铝锗金属层挤压接触，将器件硅片上悬浮在熔融铝锗金属层表面的防粘附层挤出，使封帽硅片200上的锗金属层直接和器件硅片上的铝金属层发生共晶接触，在器件硅片100和封帽硅片200的接触表面上实现无防粘附层的共晶键合，提高器件硅片和封帽硅片之间的键合稳定性，继而提高了MEMS器件的稳定性。此外，这样可以省略了单独去除器件硅片共晶键合表面上的防粘附层的步骤，改善了MEMS器件共晶键合的生产效率和工艺。

进一步的，第一接触层101和第二接触层201例如选自钛金属层或者钽金属层。更进一步的，可在器件硅片100的第一表面和封帽硅片200的第二表面上通过溅射、蒸发等沉积工艺以分别形成第一接触层101和第二接触层201。

进一步的，隔离层102例如选自氮化钛或者氮化钽，用于隔离器件硅片100中的多晶硅进入到第一金属层中，避免引起键合孔洞。

图2示出根据本实用新型的MEMS器件的制造方法的流程示意图，参照图2，本实用新型的MEMS器件的制造方法包括步骤S110至S140。

在步骤S110中，在器件硅片的第一表面形成微机械结构区和第一键合层。

具体地，参照图3，首先提供一具有惯性传感器图形的器件硅片100，该器件硅片可以是硅衬底，但不限于此，还可以是CMOS工艺、MEMS工艺中常用的其他衬底。

然后在器件硅片100上通过溅射、蒸发等淀积工艺依次形成第一接触层101、隔离层102、第一金属层103以及第二金属层104。

第一接触层101例如由钛金属层或者钽金属层组成。例如，可以采用热氧化、低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在器件硅片100的第一表面上形成钛金属材质的第一接触层。第一接触层的厚度例如是

隔离层102例如选自氮化钛或者氮化钽，用于隔离器件硅片100中的多晶硅进入到第一金属层中，避免引起键合孔洞。例如，可以采用热氧化、低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在第一接触层101上形成氮化钛的隔离层102。隔离层的厚度为

第一金属层103例如为铝金属层，或者铝铜金属层(铜含量0.5％)。例如，可以采用热氧化、低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在隔离层102上形成铝金属材质的第一金属层103。第一金属层的厚度为1～2微米。

第二金属层104为锗金属层。例如可以采用热氧化、低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在第一金属层103上形成第二金属层104。第二金属层104的厚度为

可在后续的键合工艺中和下层的铝金属层进行共晶融化，形成一层很薄的液态融化层。

参照图4，然后采用光刻和蚀刻工艺进行图形化，从而形成键合金属条结构的第一键合层。

在图形化步骤中，例如在第二金属层104的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第二金属层104、第一金属层103、隔离层102以及第一接触层的暴露部分。由于蚀刻的选择性，该蚀刻可以在器件硅片100的表面停止。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

在图形化之后，第一接触层101、隔离层102、第一金属层103、第二金属层104的剩余部分形成第一键合层。该图形化步骤的蚀刻工艺例如是各向异性蚀刻。第一键合层的图案与掩膜中的开口图案的形状是互补的。

参照图5，可以采用MEMS工艺中常规的光刻、蚀刻以及氢氟酸气体熏蒸工艺对器件硅片的惯性传感器图形进行深槽蚀刻，从而在器件硅片中形成微机械结构区107，例如制作悬浮的可动部件。

在该步骤的蚀刻工艺中，在多晶硅的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除多晶硅的暴露部分，以在多晶硅中形成多个深槽。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层，最终在多晶硅中形成第一空腔以及位于第一空腔上的可动部件。

在步骤S120中，在器件硅片的第一表面形成防粘附层。

参照图6，在器件硅片的表面形成防粘附层，所述防粘附层至少覆盖微机械结构区的可动部件、第一空腔所暴露的器件硅片的侧壁表面以及第一键合层的暴露表面。进一步的，所述防粘附层包括单层或者多层结构。例如，可以通过原子层沉积或者分子气相沉积的方法，依次在器件硅片表面形成种子层105和单分子膜层106。所述种子层105选自有机氧化硅(通过SiCL₄-O_X等材料和水汽生成)或者有机氧化钛(如TiO_X)。种子层105的厚度为

单分子膜层106可以由含氟碳氯硅烷(如DDMS\FOTS\PF10TAS\PFDA等有机材料)和水蒸气反应生成。单分子膜层106的厚度也控制在

在步骤S130中，在封帽硅片的第二表面形成第二键合层。

参照图7，首先提供一封帽硅片200，该封帽硅片可以是硅衬底，但不限于此，还可以是CMOS工艺、MEMS工艺中常用的其他衬底。

然后在封帽硅片200上通过溅射、蒸发等淀积工艺依次形成第二接触层201和第三金属层202。

第二接触层201例如由钛金属层或者钽金属层组成。例如，可以采用热氧化、低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在封帽硅片200的第二表面上形成钛金属材质的第二接触层。第二接触层的厚度例如是

第三金属层202为锗金属层。例如可以采用热氧化、低压化学气相沉积(LPVCD)或者等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等方法，在第二接触层201上形成第三金属层202。第三金属层202的厚度为0.6～1.2微米，可在后续的键合工艺中和器件硅片的铝金属层相互接触，以实现共晶键合。

然后采用光刻和蚀刻工艺进行图形化，从而形成键合金属条结构的第二键合层。

在图形化步骤中，例如在第三金属层202的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第三金属层202、第二接触层201、以及封帽硅片的暴露部分。进一步的，通过控制蚀刻的时间来控制蚀刻的深度，以在封帽硅片中形成与器件硅片的第一空腔的位置相对应的第二空腔。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。

在图形化之后，第二接触层201和第三金属层202的剩余部分形成第二键合层。该图形化步骤的蚀刻工艺例如是各向异性蚀刻。第一键合层的图案与掩膜中的开口图案的形状是互补的。

在步骤S140中，将第一键合层和第二键合层彼此接触且键合。

参照图8，可在器件硅片100和封帽硅片200键合之前，将器件硅片100的温度升到铝锗共晶温度424℃～435℃，使得器件硅片100上的第一键合层的表面部分的铝和锗薄层部分发生共晶融化，使得第一键合层表面的防粘附层悬浮在键合金属的表面。然后再将器件硅片100和封帽硅片200升温到435℃～445℃，使器件硅片100和封帽硅片200键合，封帽硅片200上的锗金属层直接和器件硅片100上的熔融的铝锗金属层挤压接触，将器件硅片上悬浮在熔融铝锗金属层表面的防粘附层挤出，使封帽硅片200上的锗金属层直接和器件硅片上的铝金属层发生共晶接触，在器件硅片100和封帽硅片200的接触表面上实现无防粘附层的共晶键合。进一步的，上述键合过程可以在真空键合机中进行。

综上所述，本实用新型的MEMS器件及其制造方法，包括位于器件硅片表面的铝锗叠层结构。在器件硅片和封帽硅片键合之前，将器件硅片加热到铝锗共晶温度，器件硅片上的铝和锗薄层部分发生共晶融化，使得器件硅片表面的防粘附层悬浮在键合金属的表面。然后再将器件硅片和封帽硅片进一步加热到铝锗键合温度，将封帽硅片上的锗金属层直接和器件硅片上的熔融的铝锗金属层挤压接触，将器件硅片上悬浮的防粘附层挤出，因此在器件硅片和封帽硅片键合时封帽硅片上的锗金属层直接和器件硅片上的铝金属层发生共晶接触，防粘附层只覆盖在微机械结构区的暴露表面以及第一键合层的侧壁，有利于提高器件硅片和封帽硅片之间的键合稳定性，继而提高了MEMS器件的稳定性。此外，这样可以省略了单独去除器件硅片共晶键合表面上的防粘附层的步骤，改善了MEMS器件共晶键合的生产效率和工艺。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种MEMS器件，其特征在于，包括：

器件硅片，包括位于其第一表面的微机械结构区和第一键合层；

封帽硅片，包括位于其第二表面的第二键合层，所述第一键合层与所述第二键合层彼此接触且键合；以及

防粘附层，所述防粘附层覆盖所述微机械结构区的暴露表面以及所述第一键合层的侧壁，

所述第一键合层包括依次堆叠于所述器件硅片的第一表面的第一接触层、隔离层、第一金属层以及第二金属层，

其中，所述第一金属层为铝金属层，所述第二金属层为锗金属层。

2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述第二键合层包括依次堆叠于所述封帽硅片第二表面的第二接触层和第三金属层，其中，所述第三金属层为锗金属层。

3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述隔离层选自氮化钛或者氮化钽。

4.根据权利要求2所述的MEMS器件，其特征在于，所述第一接触层和第二接触层选自钛金属层或者钽金属层。

5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述微机械结构区包括：

位于所述器件硅片中的第一空腔；以及

位于所述第一空腔上的可动部件，

其中，所述防粘附层覆盖所述可动部件以及所述第一空腔所暴露的器件硅片的侧壁表面。

6.根据权利要求5所述的MEMS器件，其特征在于，所述防粘附层为单层或者多层结构。

7.根据权利要求6所述的MEMS器件，其特征在于，所述防粘附层包括：

种子层，至少覆盖所述可动部件以及所述第一空腔所暴露的器件硅片的侧壁表面；以及

位于所述种子层上的单分子膜层。

8.根据权利要求7所述的MEMS器件，其特征在于，所述种子层选自有机氧化硅或者有机氧化钛。

9.根据权利要求5所述的MEMS器件，其特征在于，所述封帽硅片上还包括内凹的第二空腔，所述第二空腔的位置与所述第一空腔的位置相对应。

10.根据权利要求2所述的MEMS器件，其特征在于，所述第一接触层和所述第二接触层的厚度为200~300埃。

11.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述隔离层的厚度为1000~1500埃。

12.根据权利要求2所述的MEMS器件，其特征在于，所述第一金属层的厚度为1~2微米，所述第二金属层的厚度为20~40埃，所述第三金属层的厚度为0.6~1.2微米。

13.根据权利要求7所述的MEMS器件，其特征在于，所述种子层和所述单分子膜层的厚度为10~30埃。

14.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件选自加速度计、陀螺仪、硅电容麦克风中的任意一种。