一种MEMS器件及其制造方法与流程

一种mems器件及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种mems器件及其制造方法。

背景技术：

2.mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)是指一种将机械构件、驱动部件、光学系统、电控系统集成为一个整体的微型系统。mems器件具有体积小、功耗低等优势，在智能手机、平板电脑、游戏机、汽车、无人机等多个领域具有广泛的应用场景。常用的mems芯片包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、麦克风等。类似于集成电路，mems器件也在朝着高性能、小型化和低成本并集成化的方向发展。
3.为了实现完整的运动检测，通常需要将多个mems器件集成到单个集成芯片上。不同的mems器件对真空度有着不同的需求，但目前的集成多个mems器件的制造工艺难以解决该问题。

技术实现要素：

4.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。
5.针对目前存在的问题，本发明实施例一方面提供一种mems器件的制造方法，包括：
6.提供顶盖层，所述顶盖层包括第一mems器件的区域和第二mems器件的区域，所述第一mems器件的区域形成有第一凹槽，所述第二mems器件的区域形成有第二凹槽；
7.在所述第一凹槽中形成气体释放层；
8.将所述顶盖层与第一基底的第一表面进行第一键合；
9.对所述第一基底执行第一图案化工艺，以在所述第一凹槽上方形成所述第一mems器件的第一叉指结构，并在所述第二凹槽上方形成所述第二mems器件的第二叉指结构；
10.将所述第一基底的第二表面与第二基底进行第二键合，使所述第一凹槽与所述第二基底共同形成容纳所述第一叉指结构的第一空腔；并使所述第二凹槽与所述第二基底共同形成容纳所述第二叉指结构的第二空腔；所述第二键合还用于使所述气体释放层受热产生气体，以使所述第一空腔的真空度低于所述第二空腔的真空度。
11.在一个实施例中，所述气体释放层包括高分子材料层。
12.在一个实施例中，所述高分子材料层的材料包括聚酰亚胺。
13.在一个实施例中，所述第一键合的温度低于使所述气体释放层受热产生气体的温度，所述第二键合的温度高于或等于使所述气体释放层受热产生气体的温度。
14.在一个实施例中，在对所述第一基底执行第一图案化工艺之前，所述方法还包括：
15.对所述基底执行第二图案化工艺，以在所述第一基底的所述第二表面形成凸台，所述凸台的投影位置位于所述第一凹槽和所述第二凹槽外部。
16.在一个实施例中，在对所述第一基底执行第一图案化工艺之前，所述方法还包括：
17.在所述凸台表面形成键合金属层。
18.在一个实施例中，所述在所述第一凹槽中形成气体释放层之前，所述方法还包括：在所述顶盖层上形成顶盖介质层。
19.在一个实施例中，在将所述第一基底的第二表面与第二基底进行第二键合之后，所述方法还包括：
20.对所述顶盖层进行减薄。
21.在一个实施例中，所述第一mems器件包括加速度计，所述第二mems器件包括陀螺仪。
22.本发明实施例另一方面提供一种mems器件，所述mems器件采用如上所述的方法制成。
23.根据本发明所提供的mems器件的制造方法，在第一mems器件的第一凹槽中形成气体释放层，气体释放层在对第一基底和第二基底进行键合时受热产生气体，使得第一mems器件的第一空腔的真空度低于第二mems器件的第二空腔的真空度，由此能够同步形成具有不同真空度的第一mems器件和第二mems器件。
附图说明
24.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。
25.附图中：
26.图1示出了本发明一个具体实施方式的mems器件的制造方法的示意性流程图；
27.图2a至图2i示出了根据本发明一实施例的mems器件的制造方法依次实施各步骤所获得半导体器件的剖面示意图。
具体实施方式
28.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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.运动传感器常常将mems加速度计(简称加速度计)与mems陀螺仪(简称陀螺仪)结合使用。加速度计检测加速度，陀螺仪检测角速度。为了满足对低成本、小体积的需求，加速度计及陀螺仪可集成在同一衬底上。
34.以单轴陀螺仪为例，其工作原理为：两个正在运动的质量块向相反方向做连续运动，只要施加一个平行于运动平面的角速率，就会产生一个与质量块运动方向垂直的柯里奥利力，使质量块发生位移，位移的大小与所施加的角速率大小成正比。这个位移将会在质量块的梳齿电极与固定电极之间引起电容变化，因此，陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参量。加速度计的工作原理与陀螺仪类似，同样是根据质量块的位移产生的电容变化检测加速度的大小。
35.对于不同类型的mems器件，其理想的真空度不同。例如，陀螺仪主要性能指标包括品质因数(quality factor)，用于衡量陀螺仪的灵敏度，其主要影响因素为腔体内部真空度。陀螺仪在非工作时质量块在腔体内部做谐振运动，为了提高灵敏度，需要腔体内部具有较高的真空度。而加速度计的主要性能指标包括阻尼因子。阻尼因子一般有两种模式，第一种是结构阻尼，是由结构层之间的摩擦产生的；第二种是空气粘滞阻尼，是由大气压力产生的，空气粘滞阻尼比结构阻尼的能力强得多。加速度计的质量块在变形后还需恢复原位，为了避免叉指之间产生吸附，需要比较大的空气粘滞阻尼。即为保证高灵敏度和低功耗，陀螺仪需要较高的真空度，而为了保持高的性能及可靠性，加速度计需要较低的真空度。在单独制造加速度计或陀螺仪时，可通过调整封装工艺的气体密封气压来控制加速度计或陀螺仪的真空度，但在将加速度计和陀螺仪集成制造时，难以使二者具有不同的真空度。一种解决方法是在陀螺仪的区域增加吸气剂以增加其真空度，但效果不佳，且吸气剂的成本较高。
36.为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，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。
37.图1示出根据本发明一实施例的mems器件的制造方法的步骤流程图；图2a～图2i示出了根据本发明一实施例的mems器件的制造方法依次实施各步骤所获得半导体器件的
剖面示意图。下面结合图1以及图2a～图2i对根据本发明一实施例的mems器件的制造方法进行详细说明。
38.首先参照图1描述本发明实施例的mems器件的制造方法，如图1所示，mems器件的制造方法100包括如下步骤：
39.在步骤s101，提供顶盖层，所述顶盖层包括第一mems器件的区域和第二mems器件的区域，所述第一mems器件的区域形成有第一凹槽，所述第二mems器件的区域形成有第二凹槽；
40.在步骤s102，在所述第一凹槽中形成气体释放层；
41.在步骤s103，将所述顶盖层与第一基底的第一表面进行第一键合；
42.在步骤s104，对所述第一基底执行第一图案化工艺，以在所述第一凹槽上方形成所述第一mems器件的第一叉指结构，并在所述第二凹槽上方形成所述第二mems器件的第二叉指结构；
43.在步骤s105，将所述第一基底的第二表面与第二基底进行第二键合，使所述第一凹槽与所述第二基底共同形成容纳所述第一叉指结构的第一空腔；并使所述第二凹槽与所述第二基底共同形成容纳所述第二叉指结构的第二空腔；所述第二键合还用于使所述气体释放层受热产生气体，以使所述第一空腔的真空度低于所述第二空腔的真空度。
44.根据本发明实施例所提供的mems器件的制造方法100，在第一mems器件的第一凹槽中形成气体释放层，气体释放层在对第一基底和第二基底进行键合时受热产生气体，使得第一mems器件的第一空腔的真空度低于第二mems器件的第二空腔的真空度，由此能够同步形成具有不同真空度的第一mems器件和第二mems器件。
45.下面结合图2a～图2i对根据本发明一实施例mems器件的制造方法的实施过程进行示例性描述。
46.首先，参照图2a，提供顶盖层201。其中，顶盖层201的材料包括多晶硅、单晶硅、绝缘体上硅或其他合适的半导体材料。顶盖层201包括第一mems器件的区域和第二mems器件的区域，第一mems器件的区域和第二mems器件的区域分别用于形成第一mems器件和第二mems器件。在一些实施例中，第一mems器件为加速度计，第二mems器件为陀螺仪，加速度计与陀螺仪所需的真空度不同。在其他实施例中，第一mems器件和第二mems器件也可以是其他具有不同真空度需求的mems器件。
47.在顶盖层201的第一表面上，对应于第一mems器件的区域形成有第一凹槽202，对应于第二mems器件的区域形成有第二凹槽203，第一凹槽202和第二凹槽203后续将分别构成第一mems器件和第二mems器件的空腔。在顶盖层201第一表面即形成有第一凹槽202和第二凹槽203的表面，与之相对的表面定义为第二表面。
48.参照图2a和图2b，在形成第一凹槽202和第二凹槽203时，可以先对顶盖层201进行图案化，以形成第一凹槽202，再对其进行图案化，以形成第二凹槽203；或者，也可以先对顶盖层201进行图案化，以形成第二凹槽203，再对其进行图案化，以形成第一凹槽202。在一些实施例中，第一凹槽202和第二凹槽203也可以在一次图案化工艺中同步形成。
49.在一些实施例中，参见图2c，在形成第一凹槽202和第二凹槽203后，还可以形成覆盖顶盖层201的顶盖介质层204。示例性地，顶盖介质层204的材料可以包括硅酸乙酯(teos)。顶盖介质层204的材料也可以采用其他氧化物。顶盖介质层204用于隔离和粘合顶
盖层204与第一基底206。
50.之后，参照图2d，在第一凹槽202中形成气体释放层205。示例性地，可以先形成覆盖顶盖层201的第一表面的预设厚度的气体释放材料层，再对气体释放材料层进行刻蚀，以在第一凹槽202中形成气体释放层205。
51.气体释放层205能够受热产生气体，从而使第一mems器件与第二mems器件的空腔具有不同的真空度。在一些实施例中，在将顶盖层201与第一基底206键合时的温度低于使气体释放层205受热产生气体的温度，而将第一基底与第二基底键合时的温度高于或等于使气体释放层205受热产生气体的温度，使气体释放层205在将顶盖层201与第一基底206键合时不会受热产生气体，而在将第一基底206与第二基底208键合时受热产生气体，确保受热产生的气体被密封在空腔内。
52.在一些实施例中，气体释放层205可以是高分子材料层，高分子材料层受热分解，从而产生气体。高分子材料层可以采用任何能够受热分解产生气体，并且受热分解的温度满足需求的材料。在一些实施例中，高分子材料层的材料包括聚酰亚胺(pi)，pi具有较低的成本和合适的分解温度。在其他实施例中，高分子材料层的材料还可以包括pbo、干膜(dry film)等。
53.接着，参见图2e，将顶盖层201的第一表面与第一基底206键合。示例性地，顶盖层201与第一基底206的键合工艺为熔融键合(fusion bonding)，其温度低于气体释放层205受热分解的温度。示例性地，第一基底206的材料可以包括多晶硅、单晶硅、绝缘体上硅或其他合适的半导体材料。在将顶盖层201的第一表面与第一基底206键合后，还可以对第一基底206进行减薄处理，使其具有适当的厚度。
54.在将顶盖层201与第一基底206键合后，第一基底206覆盖第一凹槽202与第二凹槽203，使其成为密封空腔。但由于后续还需对第一基底206进行图案化处理，使密封空腔再次打开，因此，顶盖层201与第一基底206的键合温度低于气体释放层205受热分解的温度，避免气体释放层205在此时受热分解而导致所产生的气体在密封空腔再次打开时逸出。
55.接着，参见图2f，对第一基底206执行第二图案化工艺，以形成凸台，凸台的投影位置位于第一凹槽202和第二凹槽203外部，以预留出在第一凹槽202和第二凹槽203上方形成叉指结构的位置。将此处的图案化工艺称为第二图案化工艺是为了与下文的第一图案化工艺进行区分，而不意图对具体的工艺进行限制。凸台能够起到叉指结构力学支撑及电学导通作用。
56.在一些实施例中，形成凸台之后，在凸台顶部形成金属键合层207，用于与第一基底206的金属互连结构进行金属键合。在一些实施例中，金属键合层207的材料包括锗、铝、铜、镍、金等金属材料。在一些实施例中，可以采用溅射或蒸发工艺在图案化后的第一基底206表面沉积金属层，之后，对金属层进行图形化，从而在凸台表面形成金属键合层207。
57.参见图2g，在形成凸台和金属键合层207之后，对第一基底206进行第一图案化工艺，以形成叉指结构。在形成叉指结构的同时，第一空腔和第二空腔打开，再次与外界连通。
58.叉指结构也可以称为质量块，当mems器件运动时，叉指结构之间以及叉指与第二基底间的电容发生变化，从而将运动参数转化为电参数。具体地，第一图案化工艺包括对第一mems器件的区域的第一基底206进行图案化，以形成多个第一叉指结构，以及对第二mems器件的区域的第一基底206进行图案化，以形成多个第二叉指结构。示例性地，第一叉指结
构为加速度计的叉指结构，第二叉指结构为陀螺仪的叉指结构，二者的数量、尺寸等可以根据加速度计和陀螺仪的工艺需求进行设置。
59.接着，参见图2h，将第一基底206与第二基底208进行第二键合。第二键合还用于使气体释放层205受热产生气体，以使第一空腔的真空度低于第二空腔的真空度。示例性地，第二键合的温度高于上述第一键合的温度。
60.其中，第二基底208包括半导体衬底、器件结构和互连结构等。半导体衬底的材料包括但不限于以下材料中的至少一种：硅(si)、锗(ge)、锗硅(sige)、碳硅(sic)、碳锗硅(sigec)、砷化铟(inas)、砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)或者其它iii/v化合物半导体，或者为介质体上硅(soi)、介质体上层叠硅(ssoi)、介质体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、介质体上锗化硅(sigeoi)以及介质体上锗(geoi)。器件结构包括晶体管，晶体管构成控制电路的一部分，控制电路用于向第一mems器件和第二mems器件提供控制信号。示例性地，晶体管包括cmos器件，具体可以包括nmos器件和pmos器件，以及其他的半导体器件。
61.示例性地，器件结构上方覆盖有介质层，金属互连结构形成在介质层中。金属互连结构的顶部通过金属键合层207以及第一基底206的凸块与mems器件电连接。
62.其中，第二键合可以包括将金属键合层207与第二基底208中的金属互连结构进行金属键合，金属键合的温度高于气体释放层205受热产生气体的温度，使得气体释放层205受热产生气体。在进行第二键合以后，顶盖层201、第一基底206和第二基底208共同形成密闭的第一空腔和第二空腔，气体释放层205受热产生的气体被密封在第一空腔之内，使得第一空腔的真空度低于第二空腔的真空度。
63.在一些实施例中，在将第一基底206与第二基底208之后，还可以对顶盖层201进行背面减薄，使其具有所需的厚度。
64.如图2i所示，在一些实施例中，在对第一基底206进行背面减薄之后，可以对顶盖层201和第一基底206进行切片(dicing)，以划分出不同的mems器件。
65.至此，完成了根据本发明一实施例的mems器件的制造方法实施的工艺步骤，可以理解的是，本发明实施例的mems器件的制造方法不仅包括上述步骤，在上述步骤之前、之中或之后还可包括其他需要的步骤，其都包括在本发明实施例的制造方法的范围内。
66.根据本发明所提供的mems器件的制造方法，在第一mems器件的第一凹槽中形成气体释放层，气体释放层在对第一基底和第二基底进行键合时受热产生气体，使得第一mems器件的第一空腔的真空度低于第二mems器件的第二空腔的真空度，由此能够同步形成具有不同真空度的第一mems器件和第二mems器件。
67.如图2i所示，本发明实施例还提供一种mems器件，所述mems器件通过如上所述的mems器件的制造方法100制造而成。具体地，mems器件包括集成在第二基底上的第一mems器件和第二mems器件，第一mems器件具有第一空腔，第二mems器件具有第二空腔，且第一空腔中形成有气体释放层，使得第一空腔的真空度小于第二空腔的真空度。在一个实施例中，第一mems器件为加速度计，第二mems器件为陀螺仪。由于本发明实施例的mems器件采用上述方法制造而成，因此使得集成在同一基底上的第一mems器件和第二mems器件具有不同的真空度。
68.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。

技术特征：

1.一种mems器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括：提供顶盖层，所述顶盖层包括第一mems器件的区域和第二mems器件的区域，所述第一mems器件的区域形成有第一凹槽，所述第二mems器件的区域形成有第二凹槽；在所述第一凹槽中形成气体释放层；将所述顶盖层与第一基底的第一表面进行第一键合；对所述第一基底执行第一图案化工艺，以在所述第一凹槽上方形成所述第一mems器件的第一叉指结构，并在所述第二凹槽上方形成所述第二mems器件的第二叉指结构；将所述第一基底的第二表面与第二基底进行第二键合，使所述第一凹槽与所述第二基底共同形成容纳所述第一叉指结构的第一空腔；并使所述第二凹槽与所述第二基底共同形成容纳所述第二叉指结构的第二空腔；所述第二键合还用于使所述气体释放层受热产生气体，以使所述第一空腔的真空度低于所述第二空腔的真空度。2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述气体释放层包括高分子材料层。3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述高分子材料层的材料包括聚酰亚胺。4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一键合的温度低于使所述气体释放层受热产生气体的温度，所述第二键合的温度高于或等于使所述气体释放层受热产生气体的温度。5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在对所述第一基底执行第一图案化工艺之前，所述方法还包括：对所述基底执行第二图案化工艺，以在所述第一基底的所述第二表面形成凸台，所述凸台的投影位置位于所述第一凹槽和所述第二凹槽外部。6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在对所述第一基底执行第一图案化工艺之前，所述方法还包括：在所述凸台表面形成键合金属层。7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在所述第一凹槽中形成气体释放层之前，所述方法还包括：在所述顶盖层上形成顶盖介质层。8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在将所述第一基底的第二表面与第二基底进行第二键合之后，所述方法还包括：对所述顶盖层进行减薄。9.如权利要求1-8中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述第一mems器件包括加速度计，所述第二mems器件包括陀螺仪。10.一种mems器件，其特征在于，所述mems器件采用权利要求1-9中任一项所述的方法制成。

技术总结

一种MEMS器件及其制造方法，所述方法包括：提供顶盖层，所述顶盖层包括第一MEMS器件的区域和第二MEMS器件的区域，分别形成有第一凹槽和第二凹槽；在第一凹槽中形成气体释放层；将顶盖层与第一基底的第一表面进行第一键合；对第一基底执行第一图案化工艺，以在第一凹槽上方形成第一MEMS器件的第一叉指结构，并在第二凹槽上方形成第二MEMS器件的第二叉指结构；将第一基底的第二表面与第二基底进行第二键合，以形成第一空腔和第二空腔；第二键合还用于使气体释放层受热产生气体，以使第一空腔的真空度低于第二空腔的真空度。本发明实施例的MEMS器件的制造方法，能够同步形成具有不同真空度的第一MEMS器件和第二MEMS器件。同真空度的第一MEMS器件和第二MEMS器件。同真空度的第一MEMS器件和第二MEMS器件。