MEMS器件的形成方法与流程

技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种MEMS器件的形成方法。


背景技术：

从二十世纪八十年代末开始，随着微机电系统(MicroElectroMechanical
System，MEMS)技术的发展，一些半导体器件，例如各种传感器实现了微小
型化，实现了批量生产，成为未来发展的主要方向。
现有技术中，一般在一晶圆上沉积多层材质，借此形成MEMS器件的固
定电极、悬浮在空腔中的可动电极。实际研究表明，上述在同一晶圆上淀积
多层材质可能会造成较大应力，上述应力若不能完全释放，则会造成形成
MEMS器件的晶圆翘曲(WaferBow)。上述翘曲的晶圆若要进行后续工艺，
需采用机械手臂抓取，现有技术中的机械手臂抓取晶圆的原理为：晶圆放置
在机械手臂的承载面上后，对两者的交界面吸真空，借此抓取被吸附的晶圆。
翘曲的晶圆可能会造成机械手臂出现无法吸真空现象，造成工序中断。
有鉴于此，本发明提供一种新的MEMS器件的形成方法，以避免上述问
题。


技术实现要素：

本发明解决的问题是如何避免形成MEMS器件的晶圆翘曲。
为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括：
提供第一晶圆，所述第一晶圆正面具有凹槽，所述凹槽底部形成有固定
电极；
提供第二晶圆，在所述第二晶圆正面自下而上至少依次形成研磨终止层、
牺牲层、器件层，去除所述器件层的部分区域以形成可动电极；
键合所述第一晶圆与第二晶圆，所述可动电极位于所述凹槽的顶部，从
所述第二晶圆的背面研磨所述第二晶圆停止在所述研磨终止层；
在所述研磨终止层上形成开口，从所述开口去除部分所述牺牲层，以释
放所述可动电极。
可选地，所述第一晶圆与第二晶圆键合是第二晶圆上的牺牲层与所述第
一晶圆键合。
可选地，所述牺牲层的材质为二氧化硅，所述键合的温度范围为25℃～100
℃，压力范围为1000N～2000N。
可选地，所述固定电极的材质为铝或铜，所述可动电极的材质为多晶硅。
可选地，所述研磨终止层的材质为氮化硅或氮氧化硅。
可选地，所述牺牲层的材质为二氧化硅，去除部分所述牺牲层通过HF酸
腐蚀。
可选地，所述牺牲层的去除量通过控制腐蚀时间实现。
可选地，所述牺牲层的材质为无定形碳，去除部分所述牺牲层通过灰化
法。
可选地，所述牺牲层的去除量通过控制灰化时间实现。
可选地，所述研磨终止层上还形成有腐蚀终止层，所述腐蚀终止层作为
牺牲层的去除终点。
可选地，所述第一晶圆与第二晶圆键合是第二晶圆上的腐蚀终止层与所
述第一晶圆键合。
可选地，所述固定电极暴露在所述凹槽底部。
可选地，所述凹槽底部的第一晶圆形成有穿硅通孔结构，所述穿硅通孔
结构用于将所述固定电极的电信号引出。
可选地，所述第一晶圆的凹槽内还形成有第一介电层，所述第一介电层
内形成有第一金属互连结构，所述第二晶圆上还形成有第二介电层，所述第
二介电层内形成有第二金属互连结构，所述第一金属互连结构与第二金属互
连结构电互连，用于将所述固定电极的电信号引出。
可选地，所述固定电极部分暴露在所述凹槽内，部分上形成有第一介电

层。
可选地，所述第二晶圆上还形成有第二介电层，所述第二介电层内形成
有第三金属互连结构，用于将可动电极的电信号引出。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：1)不同于现有技术
中在同一晶圆上沉积若干层材质，以形成MEMS器件的固定电极、悬浮在空
腔中的可动电极，本发明采用在一第一晶圆上形成凹槽，在凹槽底部形成
MEMS器件的固定电极，在一第二晶圆上形成牺牲层及可动电极，两晶圆键
合后，研磨去除第二晶圆，并至少去除部分牺牲层，从而释放可动电极，将
可动电极悬浮在由第一晶圆上的凹槽以及第二晶圆上去除牺牲层后形成的空
间所构成的空腔内。由于本方案中的固定电极、可动电极分别采用两晶圆制
作，因而，相对于上述部件采用在同一晶圆上沉积多层制作形成的方案，本
方案每个晶圆所需沉积的层数较少，应力较小，能避免形成MEMS器件的晶
圆出现翘曲。
2)可选方案中，为减少第二晶圆上所需沉积的材质的层数，减少应力，
采用第二晶圆上的牺牲层与第一晶圆键合以实现第一晶圆与第二晶圆键合。
3)可选方案中，第一晶圆与第二晶圆键合后，研磨去除第二晶圆时，采
用材质为氮化硅或氮氧化硅作为研磨终止层，上述研磨终止层一方面可以起
第一晶圆去除过程中的研磨终点作用，另一方面也可以控制后续去除牺牲层
时，剩余牺牲层的形貌。
4)可选方案中，牺牲层的材质可以a)为二氧化硅，去除部分牺牲层通
过HF酸腐蚀实现，去除量通过控制腐蚀时间实现；也可以b)为无定形碳，
去除部分牺牲层通过灰化实现，去除量通过控制灰化时间实现。本方案为牺
牲层提供了两种具体的方案。
附图说明
图1是本发明一实施例中的第一晶圆的俯视图；
图2是沿图1中的A-A直线的剖视图；
图3是沿图1中的B-B直线的剖视图；
图4是本发明一实施例中的第二晶圆的俯视图；
图5是沿图4中的C-C直线的剖视图；
图6是第一晶圆与第二晶圆键合后的结构示意图；
图7是研磨去除图6中的第二晶圆后形成的键合结构的截面结构示意图；
图8是研磨去除图6中的第二晶圆，并在牺牲层内形成第二金属互连结
构与第三金属互连结构的键合结构的俯视图；
图9是沿图8中的D-D直线的剖视图；
图10是在图8中的研磨终止层上形成开口，并去除部分牺牲层形成的
MEMS器件的结构示意图；
图11是本发明另一实施例中的第二晶圆的俯视图；
图12是沿图11中的D-D直线的剖视图；
图13是本发明另一实施例中的键合结构的截面结构示意图，其中第二介
电层内形成有第二金属互连结构与第三金属互连结构；
图14是本发明又一实施例中的第一晶圆的俯视图；
图15是沿图14中的B-B直线的剖视图；
图16是本发明另一实施例中的键合结构的截面结构示意图，其中牺牲层
内形成有第二金属互连结构，第一晶圆内形成有穿硅通孔结构。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有技术中，一般在一晶圆上沉积多层材质，借此
形成MEMS器件的固定电极、悬浮在空腔中的可动电极。上述多层材质可能
会造成较大应力，上述应力若不能完全释放，则会造成形成MEMS器件的晶
圆翘曲。为避免上述问题，本发明提出在一第一晶圆上形成凹槽，在凹槽底
部形成MEMS器件的固定电极，在一第二晶圆上形成牺牲层及可动电极，两
晶圆键合后，研磨去除第二晶圆，并至少去除部分牺牲层，从而释放可动电
极，将可动电极悬浮在由第一晶圆上的凹槽以及第二晶圆上去除牺牲层后形
成的空间所构成的空腔内。由于本方案中的固定电极、可动电极分别采用两

晶圆制作，因而，相对于上述部件采用在同一晶圆上沉积多层制作形成的方
案，本方案每个晶圆所需沉积的层数较少，应力较小，能避免形成MEMS器
件的晶圆出现翘曲。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图
对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1至图10是本发明一实施例中的MEMS器件在不同制作阶段的结构
示意图。以下结合图1至图10所示，详细介绍形成方法。
图1是第一晶圆的俯视图。图2是沿图1中的A-A直线的剖视图。图3
是沿图1中的B-B直线的剖视图。参照图1至图3所示，首先，提供第一晶
圆1，该第一晶圆1正面具有凹槽10，凹槽10底部形成有固定电极2。
第一晶圆1的材质为单晶硅，其上的凹槽10采用光刻、干法刻蚀形成，
深度例如为3.5μm～5μm。凹槽10底部的固定电极2材质例如为铝或铜，对
于铝，可以采用光刻、干法刻蚀形成，对于铜，可以采用大马士革工艺形成。
为了将固定电极2的电信号引出，该固定电极2的上方还形成有第一介
电层11，第一介电层11内形成有第一金属互连结构3，第一金属互连结构3
包括与固定电极2连接的导电插塞31以及与导电插塞31连接的金属线图案
32。为了便于后续形成的MEMS器件中，固定电极2的电信号通过牺牲层的
表面引出，金属线图案32与凹槽10的开口齐平。第一介电层11的材质例如
为二氧化硅，导电插塞31的材质例如为钨，金属线图案32的材质例如为铜。
本实施例中，固定电极2部分暴露在凹槽10内，部分上覆盖有第一介电
层11，其它实施例中，上述固定电极2上也可以整体包埋在第一介电层11中。
本实施例中，第一金属互连结构3包括形成在第一介电层11中的导电插
塞31以及金属线图案32，可以理解的是，其它实施例中，也可以直接在固定
电极2上形成金属线图案32，上述金属线图案32的材质也可以与固定电极2
的材质相同，即金属线图案32为位于固定电极2上的一凸起。具有上述结构
的金属线图案32以及固定电极2的材质可以为铝，采用两步铝淀积、干法刻
蚀工艺形成，或两者材质均为铜，采用双大马士革结构形成。
图4是第二晶圆的俯视图。图5是沿图4中的C-C直线的剖视图。参照

图4与图5所示，接着，提供第二晶圆4，在第二晶圆4正面自下而上依次形
成研磨终止层41、牺牲层42以及器件层，去除器件层的部分区域以形成可动
电极5。
第二晶圆4的材质为单晶硅，研磨终止层41的材质例如为氮化硅或氮氧
化硅。牺牲层42的材质例如为二氧化硅或无定型碳。器件层的材质例如为多
晶硅。形成研磨终止层41、牺牲层42以及器件层按照现有技术中的工艺形成，
去除器件层的部分区域例如采用光刻、干法刻蚀实现。
参照图6所示，之后，键合第一晶圆1与第二晶圆4，可动电极5位于所
述凹槽10的顶部，参照图7与图6所示，从第二晶圆4的背面研磨第二晶圆
4停止在研磨终止层41。
上述键合采用第二晶圆4上的牺牲层42与第一晶圆1键合。实际研究表
明，在温度范围为25℃～100℃，压力范围为1000N～2000N，键合的牢固度较
佳。
键合后，对第二晶圆4的研磨采用化学机械研磨，本步骤中，所述研磨
去除了第二晶圆4，研磨终止层41暴露出来。
图8是研磨去除第二晶圆4，并在牺牲层42(参照图7所示)内形成第
二金属互连结构6与第三金属互连结构7的键合结构的俯视图。其中，由于
第一金属互连结构3以及可动电极5都被研磨终止层41以及牺牲层42覆盖，
因而两区域采用虚线示出。图9是沿图8中的D-D直线的剖视图。参照图8
与图9所示，牺牲层42内还形成有第二金属互连结构6，为形成上述第二金
属互连结构6，先在牺牲层42以及研磨终止层41内形成暴露可动电极5表面
的第一沟槽42a，在该第一沟槽42a的侧壁及第一沟槽42a外的研磨终止层41
上形成导电层，图形化所述导电层，以形成第二金属互连结构6，第二金属互
连结构6用于将可动电极5的电信号引出。此外，上述形成第一沟槽42a步
骤中，还形成了暴露第一金属互连结构3的金属线图案32的第二沟槽42b，
形成导电层步骤中，该导电层也覆盖了第二沟槽42b的侧壁，图形化导电层
步骤中，形成了第三金属互连结构7，上述第三金属互连结构7与第一金属互
连结构3电互连，用于将固定电极2的电信号从MEMS器件的正面引出。
形成第一沟槽42a与第二沟槽42b例如通过光刻、干法刻蚀实现，沉积
的导电层材质例如为铝或金，对导电层的图形化也采用光刻、干法刻蚀(对
于铝)或湿法腐蚀(对于金)实现。
参照图10所示，再接着，在研磨终止层41上形成开口41a，从开口41a
去除部分牺牲层42，以释放可动电极5。
上述在研磨终止层41上形成开口41a的方法例如为光刻、干法刻蚀。本
实施例中，参照图10所示，形成了一个开口41a，其它实施例中，也可以形
成其它数目的开口41a。
当牺牲层42的材质为二氧化硅时，采用HF酸腐蚀去除，二氧化硅的去
除量通过控制腐蚀时间实现，时间越长，腐蚀的牺牲层42越多，去除牺牲层
42后形成的空间也越大。当牺牲层42的材质为无定形碳时，采用灰化法去除，
氧气从开口41a通入牺牲层42，灰化后的尾气通过抽气系统带走，无定形碳
牺牲层42的去除量通过控制灰化时间实现，时间越长，灰化的牺牲层42越
多，去除牺牲层42后形成的空间也越大。
其它实施例中，为控制牺牲层42的去除量大小，还可以在牺牲层42外
周形成一圈腐蚀终止层(未图示)，腐蚀终止层作为牺牲层42的去除终点。
例如在研磨终止层41上形成牺牲层42时，还形成了腐蚀终止层，该腐蚀终
止层与可动电极5物理上接触。在具体实施过程中，上述腐蚀终止层的材质
例如可以为氮化硅或氮氧化硅。可以理解的是，在牺牲层42外周形成一圈腐
蚀终止层时，第一晶圆1与第二晶圆4的键合，是通过第二晶圆4上的腐蚀
终止层与第一晶圆1键合实现。
可以理解的是，上述实施例中的固定电极2、可动电极5分别采用两晶圆
1、4制作，因而，相对于上述部件采用在同一晶圆上沉积多层制作形成的方
案，本方案每个晶圆所需沉积的层数较少，应力较小，能避免形成MEMS器
件的晶圆出现翘曲。实际研究结果表明，采用上述实施例中的MEMS器件的
形成方法，可以将晶圆翘曲控制在80μm以内。
图11为本发明另一实施例中的第二晶圆4的俯视图。图12是沿图11中
的D-D直线的剖视图。参照图11、图12与图4所示，本实施例中，在研磨

终止层41上不但形成了牺牲层42，还形成了第二介电层43，可动电极5部
分形成在牺牲层42上，部分形成在上述第二介电层43上。参照图13所示，
在第一晶圆1与第二晶圆4键合，并研磨去除第二晶圆4后，将可动电极5
电信号引出的第二金属互连结构6形成在上述第二介电层43中；与第一金属
互连结构3电互连，将固定电极2电信号引出的第三金属互连结构7也形成
在第二介电层43中。
图14为本发明又一实施例中的第一晶圆1的俯视图。图15是沿图14中
的B-B直线的剖视图。参照图14、图15与图3所示，本实施例中，第一晶
圆1的凹槽10底部的固定电极2上无第一金属互连结构3，凹槽10底部的第
一晶圆1内形成有穿硅通孔结构8，上述穿硅通孔结构8包括穿硅通孔以及填
充在穿硅通孔内的导电材质，上述导电材质例如为多晶硅。第一晶圆1的背
面形成有焊垫9，上述焊垫9位于穿硅通孔结构8上，上述焊垫9以及穿硅通
孔结构8用于将固定电极2的电信号引出。
可以理解的是，参照图16所示，第一晶圆1与第二晶圆4键合，研磨去
除第二晶圆4后，在牺牲层42或第二介电层43内不再形成第三金属互连结
构7。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，
在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保
护范围应当以权利要求所限定的范围为准。