MEMS器件及其制造方法与流程

mems器件及其制造方法
技术领域
1.本申请涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种mems器件及其制造方法。


背景技术：

2.mems(micro electromechanical 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。它是在融合多种微细加工技术并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿技术。
3.mems技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用mems技术制作的微传感器、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、军事等领域中都有着十分广阔的应用前景。
4.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。未来5年mems器件的销售额将呈迅速增长之势，给机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
5.因此，希望进一步优化mems器件的结构与制造方法，使得mems器件的性能更高。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种mems器件及其制造方法，金属保护层覆盖功能层上的键合区，在形成有机膜之后，可以通过去除金属保护层将其上的有机膜去除，从而暴露出键合区，其他区域的有机膜被保留，兼顾了键合与保护的功能。
7.根据本发明实施例的一方面，提供一种mems器件的制造方法，包括：在第一衬底上形成牺牲层；在所述牺牲层上形成功能层；在所述功能层的表面的键合区上形成金属保护层；去除部分所述功能层形成第一通道；经由所述第一通道去除部分所述牺牲层形成空腔，以释放部分所述功能层构成的可移动质量块；形成第一有机膜，所述第一有机膜覆盖所述金属保护层和所述功能层的表面，还覆盖所述第一通道与所述空腔的内表面；加热所述第一有机膜，以使所述金属保护层上的第一有机膜的有机分子被破坏；以及去除所述金属保护层，以暴露所述键合区。
8.可选地，在加热所述第一有机膜的步骤中，位于所述功能层的表面、位于所述第一通道与所述空腔的内表面的第一有机膜的有机分子被保留。
9.可选地，在形成所述第一有机膜的步骤之前，所述制造方法还包括在所述功能层的表面形成外部焊盘，所述第一有机膜还覆盖所述外部焊盘，在加热所述第一有机膜的步骤中，所述外部焊盘上的第一有机膜的有机分子被破坏。
10.可选地，还包括：在第二衬底的表面形成键合焊盘，所述第二衬底具有凹槽；以及将所述键合焊盘与所述键合区相对，并将所述第一衬底和所述第二衬底键合。
11.可选地，在将所述第一衬底和所述第二衬底键合的步骤之前，所述制造方法还包括：形成第二有机膜，所述第二有机膜覆盖所述键合焊盘的表面与所述凹槽的内表面；加热
所述第二有机膜，以使所述键合焊盘上的第二有机膜的有机分子被破坏；以及去除部分所述键合焊盘，以去除所述键合焊盘上的第二有机膜。
12.可选地，所述键合焊盘包括：位于所述第二衬底的表面的第一金属层；以及位于所述第一金属层表面的第二金属层，去除部分所述键合焊盘的步骤包括去除部分所述第二金属层。
13.可选地，所述功能层的材料包括多晶硅，将所述第一衬底和所述第二衬底键合的步骤包括将所述第一金属层、所述第二金属层以及所述键合区的功能层共晶键合。
14.可选地，所述第一金属层的材料包括al，所述第二金属层的材料包括ge，所述第一金属层与所述第二金属层在共晶键合后形成al/ge共晶层。
15.可选地，所述第二衬底包括延伸部，在将所述第一衬底和所述第二衬底键合的步骤之后，所述延伸部覆盖所述外部焊盘，所述制造方法还包括去除所述延伸部以暴露所述外部焊盘。
16.可选地，在去除所述延伸部的步骤之后，所述制造方法还包括：去除部分未被所述第二衬底覆盖的功能层形成开口，以将被所述第二衬底覆盖的功能层与承载所述外部焊盘的功能层分隔。
17.可选地，所述第一衬底、所述牺牲层以及所述功能层的材料包括硅元素。
18.根据本发明实施例的另一方面，提供一种mems器件，采用如上所述的制造方法形成。
19.根据本发明实施例提供的mems器件及其制造方法，金属保护层覆盖功能层上的键合区，在形成有机膜之后，可以通过去除金属保护层将其上的有机膜去除，从而暴露出键合区，避免了有机膜对于键合工艺的影响，而其他区域的有机膜被保留，兼顾了键合与保护(防磨损/粘附)的功能。
20.根据本发明实施例提供的mems器件及其制造方法，由于器件内部结构表面均覆盖有机膜，进一步降低了器件表面的表面能，降低了可移动质量块的粘附概率，提高器件的可靠性。
21.此外，该方法采用常规的半导体工艺方法，与cmos工艺兼容，方法简单，有利于大规模量产。
附图说明
22.为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。
23.图1至图12示出了本发明实施例制造mems器件的方法在一些阶段的结构图。
具体实施方式
24.以下将参照附图更详细地描述本发明。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，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
25.应当理解，在描述器件的结构时，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，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
26.如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在
……
上面”或“在
……
上面并与之邻接”等表述方式。
27.在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。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发明。
28.本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
29.在相关技术中，由于许多mems传感器具有较大的表面/体积比，此种结构在使用过程中易产生结构层间的磨损/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产生磨损/粘附现象。多晶硅是制造mems传感器常用的材料，而多晶硅层在空气中易于形成一层亲水性的自然氧化层。当暴露在潮湿的环境下时，亲水性的自然氧化层表面会覆盖一层水分子，多晶硅层间就会产生较强的毛细力，将导致粘附现象的发生。同时，多晶硅摩擦系数较高，弹性模量和机械硬度较低，抗磨损能力不足。摩擦、磨损和粘附问题已经成为影响mems传感器性能和可靠性的主要因素，寻求解决mems传感器的摩擦、磨损和粘附问题的方法具有重要意义。材料表面改性被认为是改善摩擦、降低磨损、提高器件稳定性的有效手段。
30.在mems传感器表面涂覆一层疏水性薄膜是一种有效解决磨损/粘附现象的有效手段。比如，在多晶硅表面涂覆一层疏水性的自组装单分子层(self
‑
assembled monolayer，sam)，使表面呈疏水性，从而降低粘附现象。疏水性的自组装单分子层一般通过分子气相沉积(mvd，molecular vapour deposition)方式淀积，在整个mems传感器表面涂覆一层单分子有机膜。而一般情况下，不能通过常规的半导体工艺方法图形化该单分子有机膜。mems传感器，特别是惯性传感器一般需通过晶圆级键合方式(wafer level package，wlp)密封mems传感器的功能部分。在mems传感器功能区域淀积涂覆的自组装单分子层会影响晶圆级键合工艺，导致键合后的硅片密封环区域出现空洞，导致器件密封失败。本发明希望提供一种兼容防粘附膜工艺、晶圆级键合工艺的器件结构与制造方法。
31.图1至图12示出了本发明实施例制造mems器件的方法在一些阶段的结构图。
32.在本实施例中，制造工艺开始于第一衬底101，在第一衬底101上形成堆叠的牺牲层110与功能层120，如图1所示。
33.在该步骤中，例如采用化学气相沉积工艺形成牺牲层110与功能层120，其中，第一衬底101、牺牲层110以及功能层120中均包含硅元素，例如第一衬底101的材料包括单晶硅，牺牲层110的材料包括氧化硅，功能层120的材料包括多晶硅。
34.在一些具体的实施例中，牺牲层110的厚度范围包括0.5
‑
5μm，优选厚度范围包括1
‑
2μm，例如为1.5μm；功能层120的厚度范围包括5
‑
50μm，优选范围包括10
‑
30μm，例如为20μm。
35.然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对第一衬底101、牺牲层110和功能层120的材料，以及牺牲层110和功能层120的厚度进行其他设置。需要说明的是，图中的牺牲层110与功能层120可以不止一层。
36.进一步的，在功能层120上形成外部焊盘130，如图1所示。
37.在该步骤中，例如先采用物理气相沉积工艺在功能层120表面沉积金属材料层，然后采用光刻、刻蚀工艺形成外部焊盘130，其中，用于形成外部焊盘130的金属材料包括al/si、al、al/si/cu、ge、in、sn、al/cu以及al/ge等合金材料。
38.在一些具体的实施例中，外部焊盘130的厚度范围包括0.5
‑
5μm，优选厚度范围包括1
‑
2μm，例如为1.5μm。
39.然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对外部焊盘130材料与厚度进行其他设置。
40.进一步的，在功能层120的表面的键合区上形成金属保护层140，如图1所示。
41.在该步骤中，例如先采用物理气相沉积工艺在功能层120表面沉积金属材料层，然后采用光刻、刻蚀工艺形金属保护层140，以保证金属保护层140能够保护功能层120的表面的键合区，其中，用于形成金属保护层140的金属材料包括al/si、al、al/si/cu、ge、in、sn、al/cu以及al/ge等合金材料，其中，金属保护层140的厚度范围包括0.05
‑
2μm。
42.在一些具体的实施例中，刻蚀工艺可以为湿法腐蚀，也可为干法刻蚀。湿法腐蚀可选用sc1(nh4oh/h2o2/h2o)作为刻蚀剂；干法刻蚀可选用cl2/hbr等气体作为刻蚀剂。
43.需要注意的是，金属保护层140与外部焊盘130的材料不一致，使得某种刻蚀剂对金属保护层140与外部焊盘130的刻蚀速率不同，以便于在后续的步骤中可以去除金属保护层140而保留外部焊盘130，例如外部焊盘130的材料为al，金属保护层140的材料为ge。
44.然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对外部金属保护层140材料与厚度进行其他设置。
45.进一步的，去除部分功能层120形成第一通道102，如图2所示。
46.在该步骤中，例如采用光刻、刻蚀工艺去除部分功能层120，被第一通道102围绕的功能层120在后续步骤中形成为可移动质量块121，其中，刻蚀工艺例如为干法刻蚀，可选用cl2/hbr等气体作为刻蚀剂。
47.进一步的，经由第一通道102去除部分牺牲层110形成空腔103，以释放部分功能层120形成可移动质量块121，如图3所示。
48.在该步骤中，例如采用气相熏蒸腐蚀工艺去除可移动质量块121下方的牺牲层110，从而将可移动质量块121释放。其中，气相熏蒸腐蚀工艺的温度范围包括30
‑
50℃，优选温度包括35℃；气相熏蒸腐蚀工艺的工艺气体包括hf气体与c2h5oh气体的混合气，优选的气体体积比一般为1:1；气相熏蒸腐蚀工艺的压力范围包括60
‑
150torr，优选的压力为100torr。
49.进一步的，形成第一有机膜150，如图4所示，第一有机膜150不仅覆盖了功能层120、外部焊盘130以及金属保护层140的表面，还覆盖了第一通道102与空腔103的内表面。
50.在该步骤中，例如先将半导体结构放置在h2o/o2等离子体氛围下处理30min，第一衬底101、牺牲层110、功能层120、外部焊盘130以及金属保护层140暴露在含有氢、氧元素的环境下的表面产生大量的
‑
oh键。在一些其他实施例中，通过含有h2o2/h2o、sc1(nh4oh/h2o2/h2o)、sc2(hcl/h2o2/h2o)、sc3(h2so4/h2o2/h2o)的化学处理液、o2等离子体以及h2o/o2等离子体中的一种或多种组合对半导体结构进行处理，从而在半导体结构暴露的表面产生大量的
‑
oh键。然后例如通过气相分子淀积工艺在具有
‑
oh键的表面涂覆包裹第一有机膜150。
51.在一些具体的实施例中，第一有机膜150为单分子膜，第一有机膜150的材料包括
1h,1h,2h,2h
‑
全氟辛基三氯硅烷fost(c8h4cl3f
13
si)、四氢辛基甲基二氯硅烷fomds(c9h7cl2f
13
si)、1h,1h,2h,2h
‑
全氟辛基二甲基氯硅烷fomms(c
10
h
10
clf
13
si)、十三氟辛基三乙氧基硅烷fotes(c
14
h
19
f
13
o3si)、全氟十二烷基三氯硅烷fdts(c
10
h4cl3f
19
si)、十八烷基三氯硅烷ots(c
18
h
37
cl3si)、乙基二氯硅烷ddms(c2h6cl2si)中的一种或多种组合。
52.进一步的，加热第一有机膜150，以使外部焊盘130与金属保护层140上的第一有机膜150的有机分子被破坏，如图5所示。
53.在该步骤中，需要对半导体结构进行高温烘烤，高温烘烤的处理条件一般是n2氛围，温度是350℃
‑
550℃，时间一般是15min
‑
120min，例如将半导体结构放置在n2氛围中、升温至400℃烘烤30min。附着在第一衬底101、牺牲层110以及功能层120上的第一有机膜150被保留，依旧保留疏水特性。而外部焊盘130与金属保护层140的材料为金属，附着在上面的第一有机膜150的有机分子被破坏，从而表现出亲水性。
54.进一步的，去除金属保护层140，以暴露键合区104，从而形成了mems器件的功能结构，如图6所示。
55.在该步骤中，例如将半导体结构置于腐蚀液中，选用的腐蚀液需满足两个条件：1、对有机膜无影响；2、能腐蚀金属层，例如sc1(nh4oh\h2o2\h2o混合液)、h2o2等化学液。在本实施例中，采用稀释的sc1(nh4oh/h2o2/h2o)溶液中，nh4oh：h2o2：h2o为1：2：7，湿法腐蚀10min，去除金属保护层140，附着在金属保护层140上的第一有机膜150也被同步去除，从而露出无第一有机膜150覆盖的功能层120的表面。无第一有机膜150覆盖的功能层120的表面作为键合区104。
56.如图7所示，在本实施例中，还会基于第二衬底201制造封帽结构，具体的，第二衬底201为硅衬底，具有凹槽202，凹槽202的深度包括10
‑
30μm，在凹槽202的底面具有凸起，该凸起例如可以起到止动作用。第二衬底201还包括延伸部201a，位于凹槽202的外侧。
57.在本实施例中，第二衬底201的表面形成有键合焊盘210，如图7所示。键合焊盘210包括位于第二衬底201的表面的第一金属层211；以及位于第一金属层211表面的第二金属层212。其中，第一金属层211的材料包括al，第二金属层212的材料包括ge。第一金属层211厚度例如是1.0μm，第二金属层212厚度例如是1.0μm。
58.进一步的，形成第二有机膜220，如图8所示，第二有机膜220覆盖键合焊盘210的表面和侧壁，以及第二衬底201的表面和侧壁(第二衬底延伸部201的表面以及凹槽202的内表面)。
59.在该步骤中，例如先将半导体结构放置在h2o/o2等离子体氛围下处理30min，第二衬底201以及键合焊盘210暴露在含有氢、氧元素的环境下的表面产生大量的
‑
oh键。在一些其他实施例中，通过含有h2o2/h2o、sc1(nh4oh/h2o2/h2o)、sc2(hcl/h2o2/h2o)、sc3(h2so4/h2o2/h2o)的化学处理液、o2等离子体以及h2o/o2等离子体中的一种或多种组合对半导体结构进行处理，从而在等离子体暴露的表面产生大量的
‑
oh键。然后例如通过气相分子淀积工艺在具有
‑
oh键的表面涂覆包裹第二有机膜220。
60.在一些具体的实施例中，第二有机膜220为单分子膜，第二有机膜220的材料包括1h,1h,2h,2h
‑
全氟辛基三氯硅烷fost(c8h4cl3f
13
si)、四氢辛基甲基二氯硅烷fomds(c9h7cl2f
13
si)、1h,1h,2h,2h
‑
全氟辛基二甲基氯硅烷fomms(c
10
h
10
clf
13
si)、十三氟辛基三乙氧基硅烷fotes(c
14
h
19
f
13
o3si)、全氟十二烷基三氯硅烷fdts(c
10
h4cl3f
19
si)、十八烷基三
氯硅烷ots(c
18
h
37
cl3si)、乙基二氯硅烷ddms(c2h6cl2si)中的一种或多种组合。
61.进一步的，加热第二有机膜220，以使键合焊盘212表面与侧壁上的第二有机膜220的有机分子被破坏，如图9所示。
62.在该步骤中，需要对半导体结构进行高温烘烤，高温烘烤的处理条件一般是n2氛围，温度是350℃
‑
550℃，时间一般是15min
‑
120min，例如将半导体结构放置在n2氛围中、升温至400℃烘烤30min。附着在第二衬底201上的第二有机膜220被保留，依旧保留疏水特性。而键合焊盘212的材料为金属，附着在上面的第二有机膜220的有机分子被破坏，从而表现出亲水性。
63.进一步的，去除部分键合焊盘210，以去除键合焊盘210表面与侧壁上的第二有机膜220，如图10所示。
64.在该步骤中，例如将半导体结构置于腐蚀液中，选用的腐蚀液需满足两个条件：1、对有机膜无影响；2、能腐蚀金属层，例如sc1(nh4oh\h2o2\h2o混合液)、h2o2等化学液。在本实施例中，采用稀释的sc1(nh4oh/h2o2/h2o)溶液中，nh4oh：h2o2：h2o为1：2：7，去除第二金属层212的部分，第二金属层212的剩余厚度例如是0.5μm，附着第二金属层212上的第二有机膜220、第一金属层211以及第二金属层212侧壁的第二有机膜220也被同步去除，从而露出无第二有机膜220覆盖的键合焊盘210(第二金属层212)。
65.进一步的，将键合焊盘210与键合区104相对，并将第一衬底101和第二衬底201键合，如图11所示。在键合第一衬底101和第二衬底201的步骤之后，延伸部201a覆盖外部焊盘130。
66.在该步骤中，空腔103与凹槽202的底部相对，并使键合焊盘210与键合区104接触，采用共晶键合使键合焊盘210的第一金属层211与第二金属层212恰好对准至无第一有机膜150覆盖的键合区104，第一金属层211与第二金属层212在共晶键合的高温、高压下熔化，形成al/ge共晶层230，并与功能层120结合，形成密封结构。在键合步骤之后，空腔103、第一通道102以及凹槽202连通，其中，封帽结构与功能结构实现晶圆级键合，形成mems器件。
67.进一步的，刻蚀延伸部201a以暴露外部焊盘130，如图12所示。
68.在该步骤中，例如采用光刻、刻蚀工艺去除第二衬底201的延伸部201a，在去除延伸部201a后，采用刻蚀工艺去除部分功能层120形成开口105，以将被第二衬底201覆盖的功能层120与承载外部焊盘130的功能层120分隔，以防止外部焊盘130结合的应力影响功能层120。其中，外部焊盘130上的第一有机膜150以及第二衬底201的外侧壁的第二有机膜220通过湿法腐蚀工艺被去除，进而完成了本申请实施例的mems器件。
69.根据本发明实施例提供的mems器件及其制造方法，金属保护层覆盖功能层上的键合区，在形成有机膜之后，可以通过去除金属保护层将其上的有机膜去除，从而暴露出键合区，避免了有机膜对于键合工艺的影响，而其他区域的有机膜被保留，兼顾了键合与保护(防磨损/粘附)的功能。
70.根据本发明实施例提供的mems器件及其制造方法，由于器件内部结构表面均覆盖有机膜，进一步降低了器件表面的表面能，降低了可移动质量块的粘附概率，提高器件的可靠性。
71.此外，该方法采用常规的半导体工艺方法，与cmos工艺兼容，方法简单，有利于大规模量产。
72.以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。