MEMS传感器及其形成方法技术

本发明专利技术涉及一种MEMS传感器及其形成方法。所述形成方法中，在金属键合之前，在第一晶圆上形成了图案化的牺牲材料层以及连续覆盖在牺牲材料层和第一晶圆表面的功能层，此外还在功能层上表面的第一键合区域形成了挡墙主体部分，并在形成第一键合金属的过程中，在挡墙主体部分表面形成了金属层，可以在去除牺牲材料层的工艺中保护挡墙主体部分避免被腐蚀，从而在金属键合时没有产生明显的形貌变化，可以起到阻挡熔融流体流到中间区域的作用，还可以用来控制键合反应程度，有利于提高键合良率。所述MEMS传感器可以采用上述方法形成，所述挡墙在金属层的保护下键合之前不容易被损伤，有助于提升键合结构的质量以及传感器的性能。

【技术实现步骤摘要】
MEMS传感器及其形成方法
本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种MEMS传感器及其形成方法。
技术介绍
MEMS(MicroElectroMechanicalSystem，微机电系统)传感器是利用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。常用的MEMS传感器有压力传感器、惯性传感器、麦克风、光传感器、催化传感器等等。随着工艺技术的不断完善和发展，MEMS传感器在诸如智能手机、健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR设备等领域得到了广泛的应用。晶圆键合是MEMS传感器制作中较常用到的工序，根据工艺需要，可以选择异质半导体直接键合、中间层熔融键合、表面激活键合以及阳极键合等键合技术实现晶圆键合。其中，由于金属键合(属于中间层熔融键合)可以实现在1μm～3μm宽区域的密闭封装，相当于增加了芯片的密度而减少了生产成本，目前金属键合被许多MEMS生产厂家采用。以一种MEMS惯性传感器的制作为例，通常将用于设置MEMS空腔以及电容结构的器件晶圆(MEMSwafer)与盖帽晶圆(capwafer)通过金属键合固定在一起。其制作过程包括以下的步骤：首先，在器件晶圆上形成图案化的牺牲材料层；然后，形成电容功能层将牺牲材料层覆盖；接着，在电容功能层表面用来进行键合的区域形成一圈第一键合金属，并且，为了控制金属键合的反应程度，在第一键合金属的两侧会形成有用来限制熔融流体流动范围的挡墙；然后，对电容功能层进行图形化处理，图形化后，电容功能层的开口将牺牲材料层露出，进而执行蚀刻工艺，通过电容功能层的开口去除牺牲材料层从而形成空腔；最后，将器件晶圆与盖帽晶圆利用金属键合工艺键合在一起，其中，第一键合金属和盖帽晶圆上的第二键合金属先发生反应，当挡墙接触到盖帽晶圆上的第二键合金属时，键合工艺停止。为了节约工艺及成本，上述挡墙通常利用在器件晶圆上形成的氧化层进行图形化而得到，但是，研究发现，上述方法形成的挡墙在进行金属键合前，形貌会产生较大的变化，甚至发生缺损，使得在进行键合过程中，挡墙无法充分对键合反应中产生的熔融流体进行阻挡而发生键合不良，这会导致所形成的MEMS传感器的性能较差。
技术实现思路
本申请专利技术人研究发现，挡墙在进行金属键合前，形貌产生变化主要发生在空腔释放步骤，在空腔释放步骤采用的蚀刻液(或蚀刻气体)容易对氧化物材质的挡墙产生腐蚀，使得挡墙形貌发生较大变化，甚至缺损。故而，为了改进MEMS传感器的键合质量，提高MEMS传感器的性能，本专利技术提供了一种MEMS传感器的制作方法以及利用该制作方法得到的一种MEMS传感器。一个方面，本专利技术提供一种MEMS传感器的形成方法，包括以下步骤：提供第一晶圆，所述第一晶圆上形成有图案化的牺牲材料层以及功能层，所述功能层连续覆盖所述牺牲材料层和所述第一晶圆的表面，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；在所述功能层的第一键合区域形成挡墙主体部分，并在所述挡墙主体部分的表面和所述功能层的表面形成金属层；刻蚀所述金属层，在所述第一键合区域形成第一键合金属和位于所述第一键合金属里侧和外侧的挡墙，所述挡墙包括所述挡墙主体部分以及保留覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层；刻蚀所述功能层，在所述功能层的中间区域形成露出所述牺牲材料层的释放孔，并通过所述释放孔去除所述牺牲材料层，以在所述第一晶圆上形成空腔；以及利用金属键合工艺将所述第一晶圆和一第二晶圆键合，所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的表面设置有第二键合区域，所述第二键合区域形成有第二键合金属，所述第一键合金属和所述第二键合金属在所述挡墙之间接触并反应生成一金属块。可选的，所述金属键合工艺利用所述挡墙控制反应程度，当所述挡墙接触到所述第二晶圆的所述第二键合金属周围的表面时，停止所述金属键合工艺。可选的，去除所述牺牲材料层的蚀刻工艺采用气态氢氟酸。可选的，所述金属层的材料包括铝，所述第二键合金属的材料包括锗。一方面，本专利技术提供一种MEMS传感器，包括：第一晶圆，所述第一晶圆上设置有功能层，在所述第一晶圆和所述功能层之间形成有空腔，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；第二晶圆，位于所述功能层上方，所述第二晶圆的下表面具有第二键合区域，所述第二键合区域与所述功能层上表面的第一键合区域相对设置；以及键合结构，包括位于所述第一键合区域和所述第二键合区域之间的金属块和挡墙，所述金属块密封所述第一晶圆和所述第二晶圆之间的间隙，所述挡墙设置于所述金属块的里侧和外侧，所述挡墙包括设置在所述功能层表面的挡墙主体部分以及覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层。可选的，所述功能层的中间区域设置有图案化的电极层，所述金属层的材料与所述电极层的材料相同。可选的，所述键合结构中，所述挡墙上表面的金属层与所述金属块周围的第二晶圆表面接触。可选的，所述挡墙主体部分的材料为氧化硅。可选的，所述挡墙和所述金属块均为沿所述功能层的中间区域的围向设置的环状结构。可选的，所述MEMS传感器为MEMS惯性传感器。本专利技术的MEMS传感器的形成方法，在金属键合之前，在第一晶圆上形成了图案化的牺牲材料层以及功能层，并在功能层的第一键合区域形成挡墙主体部分，在形成第一键合金属的过程中，同时在所述挡墙主体部分表面形成了金属层，所述金属层可以在之后去除牺牲材料层从而释放空腔的工艺中保护挡墙主体部分避免被腐蚀，使得在金属键合时挡墙没有产生明显的形貌变化，可以起到阻挡熔融流体流到中间区域的作用，还可以用来控制键合反应程度，有利于提高键合良率，提升传感器性能。本专利技术提供的MEMS传感器，包括第一晶圆、第二晶圆以及键合结构，所述键合结构中，金属块密封第一晶圆和所述第二晶圆之间的间隙，所述挡墙设置于所述金属块的里侧和外侧，所述挡墙包括设置在所述功能层表面的挡墙主体部分以及覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层。所述挡墙在金属键合时可以起到阻挡熔融流体流到中间区域的作用，还可以用来控制反应程度，避免反应不足或者反应过量。由于具有金属层保护，所述挡墙在键合之前不容易被空腔释放工艺损伤，质量较好，有利于形成稳定的键合结构，提升键合结构的质量以及传感器的性能。金属保护层可以和键合材料一起形成，不需要多余的工艺，工艺简单。附图说明图1是一种MEMS传感器的剖面示意图。图2是本专利技术一实施例中MEMS传感器的形成方法的流程示意图。图3A至图3G是利用本专利技术一实施例的MEMS传感器的形成方法在形成过程中的剖面示意图。附图标记说明：100-第一晶圆；200-第二晶圆；110-空腔；11、140-第一键合金属；12、210-第二键合金属；102-界面材料层；103-底部导电材料层；101-牺牲材料层；120-功能层；120a-释放孔；131-挡墙主体部分；141-金属层；10、130-挡墙。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术的MEMS传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS传感器的形成方法，其特征在于，包括：/n提供第一晶圆，所述第一晶圆上形成有图案化的牺牲材料层以及功能层，所述功能层连续覆盖所述牺牲材料层和所述第一晶圆的表面，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；/n在所述功能层的第一键合区域形成挡墙主体部分，并在所述挡墙主体部分的表面和所述功能层的表面形成金属层；/n刻蚀所述金属层，在所述第一键合区域形成第一键合金属和位于所述第一键合金属里侧和外侧的挡墙，所述挡墙包括所述挡墙主体部分以及保留覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层；/n刻蚀所述功能层，在所述功能层的中间区域形成露出所述牺牲材料层的释放孔，并通过所述释放孔去除所述牺牲材料层，以在所述第一晶圆上形成空腔；以及/n利用金属键合工艺将所述第一晶圆和一第二晶圆键合，所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的表面设置有第二键合区域，所述第二键合区域形成有第二键合金属，所述第一键合金属和所述第二键合金属在所述挡墙之间接触并反应生成一金属块。/n

【技术特征摘要】
1.一种MEMS传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供第一晶圆，所述第一晶圆上形成有图案化的牺牲材料层以及功能层，所述功能层连续覆盖所述牺牲材料层和所述第一晶圆的表面，所述功能层的上表面具有中间区域和位于所述中间区域外围的第一键合区域；
在所述功能层的第一键合区域形成挡墙主体部分，并在所述挡墙主体部分的表面和所述功能层的表面形成金属层；
刻蚀所述金属层，在所述第一键合区域形成第一键合金属和位于所述第一键合金属里侧和外侧的挡墙，所述挡墙包括所述挡墙主体部分以及保留覆盖在所述挡墙主体部分上表面和侧表面的金属层；
刻蚀所述功能层，在所述功能层的中间区域形成露出所述牺牲材料层的释放孔，并通过所述释放孔去除所述牺牲材料层，以在所述第一晶圆上形成空腔；以及
利用金属键合工艺将所述第一晶圆和一第二晶圆键合，所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的表面设置有第二键合区域，所述第二键合区域形成有第二键合金属，所述第一键合金属和所述第二键合金属在所述挡墙之间接触并反应生成一金属块。


2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述金属键合工艺利用所述挡墙控制反应程度，当所述挡墙接触到所述第二晶圆的所述第二键合金属周围的表面时，停止所述金属键合工艺。


3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，去除所述牺牲材料层的蚀刻工艺采用气态氢氟酸。


4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述金属层的材料包括铝，所述第二键合金属的材料包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红海，
申请(专利权)人：中芯集成电路制造绍兴有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33