具有各向同性腔的mems集成压力传感器件及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了具有各向同性腔的MEMS集成压力传感器及其制造方法，其中该方法实施例包括提供具有氧化物层、MEMS衬底、多晶硅层的MEMS晶圆。将包括使用各向同性蚀刻形成的第一腔的载体晶圆接合至MEMS，第一腔与多晶硅层暴露的第一部分对准。图案化MEMS衬底，并且去除部分牺牲氧化层以形成第一和第二MEMS结构。将包括第二腔的帽晶圆接合至MEMS晶圆，这种接合生成包括与第一MEMS结构对准的第二腔的第一密封腔，并且第二MEMS结构设置在多晶硅层的第二部分与帽晶圆之间。去除部分帽晶圆，以使第一腔用作第一MEMS结构的环境压力的通道。
【专利说明】具有各向同性腔的MEMS集成压力传感器件及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年3月14日提交的标题为“MEMS Pressure and MotionSensor Devices Having Isotropic Cavities and Mthods of Forming Same，，的美国临时申请第61/784,019号的优先权，其内容结合于此作为参考。
[0003]本申请涉及下述在同一天提交的共同未决及共同受让的专利申请:“MEMSIntegrated Pressure Sensor Devices and Methods of Forming Same，，(代理卷号TSM13-0152);“MEMS Integrated Pressure Sensor and Microphone Devices and Methodsof Forming Same”(代理卷号 TSM13-0153) ;“MEMS Integrated Pressure Sensor andMicrophone Devices having Through-Vias and Methods of Forming Same，，(代理卷号TSM13-0155)以及“MEMS Device and Methods of Forming Same”(代理卷号 TSM13-0175)。
【技术领域】
[0004]本发明涉及具有各向同性腔的MEMS集成压力传感器件及其制造方法。
【背景技术】
[0005]微机电系统(MEMS)变得日益流行，特别是这些器件被微型化并被集成到集成电路的制造工艺中。然而，在集成工艺中，MEMS器件将它们自身的独特要求引入到集成工艺中。电互连MEMS器件是存在独特挑战的领域。具体地，将MEMS压力传感器件与其它MEMS器件(例如，运动传感器件)集成到同一集成电路的制造工艺中已经面临挑战。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个方面，提供了一种用于形成微机电(MEMS)器件的方法,包括:提供MEMS晶圆，其中，形成MEMS晶圆包括:在MEMS衬底的第一表面上形成第一牺牲层、在第一牺牲层的上方形成介电层，介电层包括暴露的第一部分；提供载体晶圆，其中，提供载体晶圆包括各向同性地蚀刻载体衬底以形成第一腔；利用接合层将载体晶圆接合至MEMS晶圆，其中，接合包括将第一腔与介电层的第一部分对准；对MEMS衬底进行图案化；WMEMS衬底去除部分第一牺牲层以形成第一MEMS结构和第二MEMS结构，第一 MEMS结构与介电层的第一部分相对应；在MEMS衬底的第二表面上形成多个第一金属接合件，第二表面与第一表面相对；提供包括多个第二金属接合件的帽晶圆；通过将多个第二金属接合件接合至多个第一金属接合件，使帽晶圆接合至MEMS晶圆，这种接合生成包括介电层的第一部分和第一MEMS结构的第一密封腔，第二 MEMS结构在第二密封腔中设置在介电层的第二部分与帽晶圆之间；以及去除部分载体晶圆，使第一腔暴露于环境压力。
[0007]优选地，将帽晶圆接合至MEMS晶圆包括共晶接合工艺，通过共晶接合工艺限定第一密封腔的压力水平。
[0008]根据本发明的另一方面，提供了一种形成微机电(MEMS)器件的方法，包括:提供MEMS晶圆，MEMS晶圆包括MEMS衬底、位于MEMS衬底上方的第一氧化物释放层和位于第一氧化物释放层上方的介电层，介电层包括第一部分和第二部分；在载体晶圆中蚀刻第一开口，蚀刻包括各向同性蚀刻工艺；将载体晶圆接合至MEMS晶圆的第一表面，接合载体晶圆生成了包括第一开口的第一腔，介电层的第一部分的第一表面暴露于第一腔的压力水平；提供与介电层的第二部分对准的MEMS结构，提供MEMS结构包括图案化MEMS结构并去除部分第一氧化物释放层；将帽晶圆接合至MEMS晶圆的第二表面，MEMS晶圆的第二表面与MEMS晶圆的第一表面相对，接合帽晶圆生成第二腔，包括介电层的第二部分和MEMS结构，和第三腔，介电层的第一部分的第二表面暴露于第三腔的压力水平；以及将第一腔暴露于周围环境。
[0009]优选地，第二腔的压力水平通过帽晶圆与MEMS晶圆之间的接合工艺来限定。
[0010]优选地，该方法还包括:在将载体晶圆接合至MEMS晶圆之前，在载体晶圆中蚀刻第二开口，蚀刻第二开口包括各向同性蚀刻工艺，并且将载体晶圆接合至MEMS晶圆还包括将第二开口连接至第三腔。
[0011]优选地，该方法还包括:蚀刻第二开口以具有期望的体积，从而帮助限定第三腔的期望压力水平。
[0012]优选地，蚀刻第一开口包括:在载体衬底上方沉积第一保护层；通过蚀刻工艺在载体晶圆中形成多个沟槽；在多个沟槽的侧壁上形成第二保护层；以及通过各向同性蚀刻多个沟槽的底部来连接多个沟槽，从而生成第一开口。
[0013]优选地，蚀刻第一开口还包括去除第一保护层和第二保护层。
[0014]优选地，将帽晶圆接合至MEMS晶圆的第二表面包括:设置在MEMS晶圆的第二表面上的多个第一接合件与设置在帽晶圆的表面上的多个第二接合件之间的共晶接合工艺。
[0015]优选地，该方法还包括:提供帽晶圆，提供帽晶圆包括:提供具有金属线的半导体晶圆；在金属线上方形成均匀氧化物层；在均匀氧化物层上方形成薄膜层；以及在薄膜层上方形成多个第二接合件。
[0016]优选地，该方法还包括:形成将多个第二接合件的至少一部分电连接至金属线的接触插塞。
[0017]优选地，该方法还包括:对部分薄膜层进行浅蚀刻以形成一个或多个凸块，并且将帽晶圆接合至MEMS晶圆包括使一个或多个凸块与MEMS结构对准。
[0018]优选地，该方法还包括:去除部分薄膜层和均匀氧化层以暴露金属线的一部分，金属线的暴露部分用作输入/输出焊盘。
[0019]优选地，将帽晶圆接合至MEMS晶圆的第一表面包括熔融接合工艺。
[0020]优选地，帽晶圆是包括有源电路的半导体晶圆。
[0021]优选地，该方法还包括:在载体晶圆上执行开盘式研磨工艺以去除部分载体晶圆和MEMS晶圆的接合部分。
[0022]优选地，将载体晶圆接合至MEMS晶圆包括:将MEMS晶圆的接合层用作界面，提供MEMS晶圆还包括:在介电层上方形成蚀刻停止层；在蚀刻停止层上方形成第二氧化物释放层；在第二氧化物释放层上方形成接合层；以及通过去除蚀刻停止层、第二氧化物释放层以及接合层的相应部分而暴露介电层的第一部分。
[0023]优选地，去除部分第一氧化物释放层包括蒸汽氟化氢(蒸汽HF)蚀刻工艺。
[0024]优选地，提供MEMS结构包括:根据压力传感器的膜来形成介电层的第一部分。
[0025]根据本发明的又一方面，提供了一种微机电(MEMS)器件,包括:MEMS晶圆，包括具有第一部分和第二部分的介电层以及分别与介电层的第一部分和第二部分对准的第一MEMS结构和第二 MEMS结构；接合至MEMS晶圆的第一表面的载体晶圆，载体晶圆包括第一腔和第二腔，介电层的第一部分的第一表面通过第一腔暴露于环境压力；以及接合至MEMS晶圆的第二表面的帽晶圆，第二表面与MEMS晶圆的第一表面相对，并且接合的帽晶圆和MEMS晶圆限定第三腔和第四腔，其中:第一 MEMS结构设置在第三腔中；介电层的第一部分的第二表面暴露于第三腔的第一密封压力水平；第二 MEMS结构和介电层的第二部分设置在第四腔中；并且第二腔和第四腔相连接，并且第二腔的体积帮助限定第二腔和第四腔的第二密封压力水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]为了更加全面地理解本发明的实施例及其优点，现在将结合附图进行以下描述作为参考，其中:
[0027]图1A至图1AC是根据各个实施例的处于中间制造阶段的MEMS器件的截面图；以及
[0028]图2是根据各个实施例的部分MEMS器件的俯视图。
【具体实施方式】
[0029]以下详细讨论本发明的实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅示出了制造和使用本发明公开的主题的具体方式，而并不用于限制本发明的各个实施例的范围。
[0030]图1A至图1AC示出了处于中间制造阶段的部分MEMS器件100的截面图，其中MEMS器件100包括压力传感器404及另一器件406 (见图1AC)。器件406可以是MEMS运动传感器、陀螺仪、加速计等。压力传感器404及器件406的制造使用相同的集成电路(IC)工艺以在MEMS器件100中形成密封腔(即，腔408及410)以及周围环境开口(B卩，开口 208A)。因此，图1A至图1AC示出的各个实施例允许使用已知的IC制造技术，以平滑集成的方式制造MEMS压力传感器。
[0031]如图1A所示，MEMS器件100包括衬底102以及也被称为氧化物释放层的介电层104。可由硅、或诸如硅锗、碳化硅等的其他材料形成衬底102。可由低阻硅形成衬底102。可选地，衬底102可以是绝缘体上硅(SOI)衬底。SOI衬底可以包括形成在绝缘层(例如，隐埋氧化物)上方的半导体材料(例如，硅、锗等)层，该绝缘层形成在硅衬底中。除此之外，可以使用的其他衬底包括多层衬底、梯度衬底、混合取向衬底等。
[0032]氧化物释放层104可以由诸如二氧化硅(S12)的低k介电材料形成。可以利用诸如旋涂、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、低压CVD、热氧化或本领域已知的其他适合的沉积技术在衬底102上方沉积氧化物释放层104。此外，氧化物释放层104可以由不同的适合的材料形成，诸如掺碳氧化物的低k介电材料、诸如多孔掺碳二氧化硅的极低k介电材料、诸如聚酰亚胺的高分子聚合物或它们的组合等。可以在随后的工艺步骤中释放(即，去除)氧化物释放层104以形成MEMS结构。因此，氧化物释放层104亦可以被称为牺牲(SAC)氧化物层或牺牲层104。
[0033]图1B示出了图案化氧化物释放层104以包含开口 106。其可以利用诸如光刻及蚀刻技术的组合来完成。在图1C中，开口 106的上部接合在一起密封开口 106现在可被称为空隙106。例如，可以使用施加在氧化物释放层104的顶面的氧化沉积工艺将开口 106接合在一起。例如，氧化物释放层104上方沉积附加氧化物材料可以用于封闭开口 106的上部。可以利用诸如CVD等的沉积工艺形成氧化物沉积物。更具体而言，通过控制沉积工艺，可以以非共形的方式沉积氧化物释放层104的材料。即，氧化物释放层104的材料可以比沿开口 106的侧壁及底部更快地构建在开口 106的上部。此工艺使得在开口 106的上部的边缘处形成悬垂，并且由于沉积工艺的继续，悬垂将合并，用多个接缝封闭开口 106并形成空隙106。
[0034]空隙106可以被包含在氧化物释放层104中以在随后的工艺步骤中减少释放时间。S卩，包含空隙106在氧化物释放层104中生成减少MEMS结构的释放时间的薄弱点。可选地，如果释放时间速度不是关键点，或者用于MEMS期间的可选设计包括减少释放时间的不同方法，则可以忽略图1B和图1C中示出的步骤。
[0035]在图1D及图1E中，图案化氧化物释放层104以生成出凸块开口 108和通孔开口110。例如，可以利用光刻及蚀刻技术的组合来图案化氧化物释放层104。可以实施两个单独的光刻步骤以生成凸块开口 108和通孔开口 110。例如，可以实施浅蚀刻以生成凸块开口 108，同时可以实施深层蚀刻以生成通孔开口 110。如图1D及IE所示，凸块开口 108未延伸至衬底102而通孔开口 110延伸至衬底102并暴露部分衬底102。此外，可以减薄氧化物释放层104 (未示出)直至达到所期望的厚度。可以利用诸如打磨、抛光、和/或化学蚀刻的适合工艺来实施减薄工艺。例如，可以使用化学机械抛光(CMP)工艺来减薄氧化物释放层104。根据各个实施例，氧化物释放层104的厚度介于约0.5微米和约5微米之间。
[0036]在图1F中，利用诸如CVD工艺在氧化物释放层104上方沉积介电层112。介电层112可以由多晶硅形成，并在下述被称为多晶硅层112。多晶硅层112填充通孔开口 110和凸块开口 108，分别形成多晶硅通孔112A和多晶硅凸块112B。可以形成多晶硅通孔112A以用于电气布线，并且可以进一步用作机械结构。例如，在后续工艺步骤中，可以将多晶硅通孔112A用作蒸汽氟化氢(蒸汽HF)蚀刻停止层。此外，在一些实施例中，可以将多晶硅凸块112B用作机械凸块以限制MEMS器件100中移动元件的运动，或用作抗粘滞凸块。在可选实施例中，层112可以由其他材料代替多晶硅来形成，诸如SiGe、单晶硅(例如，通过将绝缘体上硅晶圆用作起始材料)等。应当注意，尽管示出的是单个多晶硅层，但本领域的技术人员应认识到亦可以采用多个多晶硅层。
[0037]可以在多晶硅层112的一部分上方形成并图案化氧化物掩模层114。形成氧化物掩模层114的材料及方法与氧化物释放层104类似，并且可以使用诸如光刻和蚀刻的组合来图案化氧化物掩模层114。在后续的工艺步骤中，氧化物掩模层114用来保护多晶硅层112的关键部分。例如，在图1F中，氧化物掩模层保护部分多晶硅层112以确保适当的厚度控制以及表面纹理。在需要这种控制的情况下，在多晶硅层112的任意部分上方形成氧化物掩模层114。如果表面纹理及厚度并不重要，则氧化物掩模层114可以被忽略。
[0038]在图1G中，使用诸如光刻和蚀刻的组合来图案化多晶硅层112。可对多晶硅层112进行图案化以在MEMS器件400中生成各个器件的部分。例如，图1G中对多晶硅层112的图案化生成了多晶硅层112的分离部分，分别包括作为运动传感器(或其他适用器件)的底部电极以及压力传感器的膜。
[0039]在图1H中，在氧化物释放层104及多晶硅层112的上方形成并图案化蚀刻停止层
116。可以使用例如低压化学汽相沉积(LPCVD)技术沉积蚀刻停止层116，并且可以使用例如光刻及蚀刻的组合来图案化蚀刻停止层116。图案化蚀刻停止层116以包含释放孔117并露出部分氧化物掩模层114。释放孔117在后续工艺步骤中提供了去除部分氧化物释放层114的路径。蚀刻停止层116可以被用作蒸汽HF蚀刻停止层并可以由低压氮化物(LSN)形成。然而，也可以由诸如氮化铝、氧化铝、碳化硅、或耐蒸汽HF的化学腐蚀的介电材料的其他材料形成。
[0040]图1I示出了形成并图案化氧化物释放层118。氧化物释放层118的形成基本使用与氧化物释放层104相同的材料与方法。可以设计氧化物释放层118和第一氧化物释放104的厚度，以通过电容和/或随后的MEMS结构100中的可移动元件与多晶硅层122 (见图1J及1AC)之间的间隙来控制寄生反馈。氧化物释放层118可以被毯式沉积并随后经历减薄工艺(例如，CMP或回蚀)以达到所期望的平整度及/或厚度。例如，使用光刻和蚀刻的组合以图案化氧化物释放层118从而生成通孔开口 120。
[0041]图1J示出了在氧化物释放层118的上方形成薄多晶硅层122。可以使用诸如CVD等的适合技术在氧化物释放层118上形成薄多晶硅层122。将薄层多晶硅122沉积至通孔120内，以生成连接至多晶硅层112的通孔部分122A。薄多晶硅层122可以用作电气布线(例如，使用通孔部分122A)。薄多晶硅层122亦可以在后续工艺步骤中用作MEMS器件100的各个部件(例如，衬底102和多晶硅层112)的屏蔽。薄多晶硅层122也可以用作接合界面层；因此，诸如硅、非晶硅、掺有杂质的硅、它们的组合等的其他适合的接合材料可以代替多晶硅来使用。
[0042]在图1K中，蚀刻部分薄多晶硅层122及氧化物释放层118以生成开口 124。这可以使用诸如干蚀刻和湿蚀刻技术的组合来完成。注意，一个开口 124 (124A)暴露多晶娃层112的区域128，并且另一个开口(124B)暴露蚀刻停止层116的一部分以及多晶硅层112的不同部分。多晶硅层112的区域128可以用作完成的MEMS器件100中的压力传感器的膜(例如，参见图1AC中的元件404)。在完成的MEMS器件100中，开口 124A将这部分多晶娃层112暴露于一种类型的压力(例如,取决于MEMS器件100的设计的环境压力或封闭压力)。对薄多晶硅层122和氧化物释放层118的蚀刻完成了 MEMS器件100的MEMS晶圆126。MEMS晶圆126具有顶面和底面，分别为126A和126B。
[0043]根据各个实施例，图1L至IP示出了制造载体晶圆200的中间步骤。在图1L中，提供载体晶圆200。载体晶圆200包含位于介电层204下方的衬底202。衬底202可以是硅衬底，并且介电层204可以是通过在载体晶圆200上进行热氧化而形成的热氧化层。
[0044]图1M示出了对载体晶圆200进行蚀刻以形成开口 206。可以实施深反应离子蚀刻(DRIE)工艺以在衬底202中形成开口 206。应当注意的是，由于蚀刻负载效应，在衬底202中，宽开口 206A相比于窄开口 206C更深。类似地，开口 206C宽于最窄的开口 206B，并因此比其更深。从而，通过控制各个开口 206的宽度，可以生成不同的深度。开口 206A相比开口 206C更深，并且开口 206C则相比开口 206B更深。也就是说，在载体晶圆200中，开口206A是最深的开口，并且开口 206B是最浅的开口。
[0045]图1N示出了通过诸如湿式或干式热氧化工艺、CVD等的任何适合的氧化工艺在开口 206中沉积氧化物层207。实施蚀刻工艺(诸如反应离子蚀刻或其他干蚀刻、各向异性湿蚀刻，或其他适合的各向异性蚀刻)或图案化工艺以去除氧化物层207的底部。因此，开口206的底部无氧化物，而开口 206的侧壁被氧化物层207保护。应当注意的是，可以用诸如光刻胶、高分子聚合物等的其他材料来代替形成在侧壁上的保护层。
[0046]图10示出了在实施蚀刻工艺后的载体晶圆200。可以通过蚀刻工艺去除部分衬底202以形成腔208。蚀刻工艺可以是诸如各向同性硅蚀刻工艺的任何适合的蚀刻工艺。在蚀刻工艺之后，载体晶圆200包含腔208A和208B。注意，208A包含与开口 206C相应的部分(见图1M)，该部分相比于腔208A及208B的其他部分，延伸到衬底202内的更深处。保护层(即，氧化物层207)防止蚀刻工艺破坏衬底202的剩余部分。
[0047]在图1P中，将氧化物去除工艺应用于载体晶圆。各个氧化物层(诸如保护层207)通过诸如湿蚀刻工艺的适当去除工艺去除。将去除工艺施加到载体晶圆的顶面(表面200A)直到暴露出衬底202。应当注意的是，氧化物去除是可选的步骤。随后的接合工艺(例如，熔融接合工艺)能够利用氧化物接合界面将载体晶圆与MEMS晶圆接合起来。通过各向同性蚀刻衬底202，可以形成大而连续的腔(例如，腔208A及208B)而仍然保持腔上方的衬底202的上部(例如，202A)，并且这些衬底202的上部可以提高粘附力并协助后续的接合工艺。
[0048]在图1Q中，MEMS晶圆126接合至载体晶圆200。具体而言，MEMS晶圆126的顶面126A接合至载体晶圆200的顶面200A。MEMS晶圆126的开口 124A和124B可以分别与载体晶圆200的腔208A及208B相对准。可以利用诸如熔融接合、阳极接合、共晶接合等的任何适合技术将MEMS晶圆126接合至载体晶圆200。在各个实施例中，将薄多晶硅层122用作接合界面，MEMS晶圆126可以熔融接合至载体晶圆200。
[0049]此外，可以将MEMS晶圆126减薄到期望的厚度Tl。减薄工艺可以包括研磨和化学机械抛光(CMP)工艺、回蚀工艺、或其他可在MEMS晶圆126 (B卩，衬底102)的表面126B上实施的其他工艺。此减薄工艺的结果是，MEMS晶圆126的厚度介于约5微米和约60微米之间。
[0050]在图1R中，在衬底102 (B卩，MEMS晶圆126的底面126B)上形成并图案化导电接合件210。导电接合件210可以由铝铜(AlCu)形成，并且在后续的工艺步骤中用于共晶接合。可选地，也可以代替性地使用诸如Ge、Au、它们的组合等的适用于共晶接合的不同导电材料。
[0051]在图1S中，例如，通过使用光刻和蚀刻的组合来图案化部分衬底102以形成开口212。衬底102的保留部分可以形成各个MEMS结构(例如，MEMS结构214和216)。在完成的MEMS器件100中，可以将MEMS结构214用作压力传感器的底部电极。MEMS结构216可以被图案化以在完成的MEMS器件100中用作运动传感器的检测质量(proof mass)。可选地，MEMS结构216也可以被图案化以成为其他MEMS器件(诸如弹簧(例如，用于陀螺仪)、梳状物中的一系列齿(例如，用于加速器)等)的一部分。
[0052]图1T示出了 HF蒸汽蚀刻部分氧化物释放层104和118，从而释放MEMS结构214和216。这种蚀刻工艺在氧化物释放层104和118、蚀刻停止层116、多晶硅层112、薄多晶硅层122以及载体晶圆200之间具有高选择性，使得多晶硅层112和122、载体晶圆200、以及蚀刻停止层116在去除部分氧化物释放层104和118的过程中未被显著地侵蚀。此外，多晶硅层112 (例如，通孔112A)和蚀刻停止层116在蚀刻工艺期间保护部分第一氧化物释放层104和氧化物释放层118，并且这些被保护的区域可以被称为锚区。此蚀刻工艺允许MEMS结构216中的可移动元件至少在一个轴上自由移动。此外，可以将MEMS结构314设计成刚性结构，并且即使在HF蒸汽工艺之后也仅有相对有限的运动范围。应当注意的是，氧化物释放层的去除取决于布局设计。
[0053]图1U至图1Y示出了制造包含在完成的MEMS器件100中的帽晶圆300的各个中间步骤。帽晶圆300可以是或不是CMOS晶圆，其可以具有或不具有电路(未示出)。特别地，帽晶圆300可以包括各种有源器件，诸如晶体管、电容器、电阻器、二极管、光电二极管、熔丝等。电路可以被互连以执行一个或多个适合于特定应用的功能，其可以与MEMS器件100相关或不相关。图1U示出了具有衬底302、氧化物层304以及图案化的金属线306的帽晶圆300。衬底302和氧化物层304可以基本上类似于MEMS晶圆126中的衬底102及氧化物层104。金属线306可以由铝铜(AlCu)形成，并且可以用作电气布线。可选地，金属线306可以由另一种适合的金属材料形成。
[0054]在图1V中，在金属线306的上方形成均匀(conform)氧化物层308。可以利用诸如CVD等的任何适合的技术沉积均匀氧化层308，并且其可以是低k介电材料。均匀氧化层308的形成可以包含研磨工艺(例如，CMP)以达到所希望的形貌和厚度。利用诸如CVD的适合技术在均匀氧化层308的上方沉积薄膜层310。在一些实施例中，薄膜层310由氮化硅形成并用作钝化层。可选地，可以由诸如氧化物、金属、它们的组合等的介电材料形成薄膜层310。在后续的工艺步骤中，可以图案化部分薄膜层310以在帽晶圆300中生成机械凸块。
[0055]图1W示出了插入帽晶圆300的接触插塞311。可以由钨形成接触插塞311，但是也可以使用诸如铝或铜的其他金属材料。例如，可以通过图案化薄膜层310和均匀氧化层308形成接触插塞311，暴露金属线306。可以将例如钨的导体材料沉积在图案化的开口内并且可以使用CMP技术，从而使接触插塞311的顶面可与薄膜层310的顶面平齐。接触插塞311电连接至金属线306。
[0056]在图1X中，在薄膜层310的顶面上方形成接合材料层312 (可选地被称为接合件312)。例如，利用物理汽相沉积(PVD)和光刻/蚀刻来毯式沉积并图案化接合材料层。可以由锗层下方的铝铜层制成接合材料层312，但是亦可以使用诸如金的其他金属材料。接合材料层312可以用作后续接合工艺的共晶接合材料。接合材料层312可以通过接触插塞311与金属线306电连接或不与金属线306电连接。
[0057]在图1Y中，对部分薄膜层310进行浅蚀刻。可以浅蚀刻部分薄膜层310以在后续工艺步骤中利于金属线306的暴露。此外，对薄膜层310的蚀刻可以形成凸块314。凸块314可以用作各种目的。例如，在一个实施例中，凸块314为限制MEMS器件100中移动元件的运动的机械凸块。凸块314也可以用作抗粘滞凸块。
[0058]图1Z示出了堆叠的MEMS器件100，其中帽晶圆300堆叠于MEMS晶圆126和载体晶圆200的上方。帽晶圆300可通过接合件210与接合件312之间的共晶接合而接合至MEMS晶圆126。如图1Z所示，通过共晶接合工艺，可移动元件(例如，MEMS结构214与216)可以位于多晶硅层112与帽晶圆300之间。此外，帽晶圆300与MEMS晶圆126对准，从而使凸块314与MEMS结构216对准。MEMS结构214与216设置在通过共晶接合限定的密封腔中。也就是，在部分MEMS器件100的俯视图中(参见图2)，形成在接合件210和接合件312之间的至少一部分共晶接合形成了闭合环路，将MEMS结构214及216分别密封在封闭腔408及410中。注意，腔410可以连接至载体晶圆200的腔208B (参见图1AC)。
[0059]在图1AA中，实施研磨工艺以去除部分MEMS晶圆126和载体晶圆200。研磨亦可以被称为暴露部分帽晶圆300的开盘式研磨(OPG, open pad grinding)并可以由已知的研磨技术完成。可以通过在载体晶圆200中包含腔208来促进OPG (参见图1Z)。也就是，可以通过去除小部分的载体晶圆200 (由腔208的位置限定)可以容易地去除部分MEMS晶圆126和载体晶圆200。在图1AB中，还可以去除(例如，使用干蚀刻)部分薄膜层310和均匀氧化层308以暴露部分金属线306。这些暴露出的金属线306的部分(B卩，部分306A与306B)可以用作输入/输出焊盘以将帽晶圆300中电路连接至外部电路(未示出)。
[0060]在图1AC中，可以去除部分载体晶圆200以使腔208A暴露于环境压力。也就是，将腔208A暴露于开放的空气环境。部分载体晶圆200的去除可以包括诸如CMP、回蚀等的已知蚀刻技术。值得注意的是，去除部分载体晶圆200可以使腔208B不暴露于环境压力。也就是，因为相比于腔208B，腔208A包括延伸至衬底202内的更深处的部分，所以腔208B可以保持密闭。
[0061]根据各个实施例，图1AC示出了完成的MEMS器件100。MEMS器件100包括压力传感器404以及器件406。压力传感器404包括膜(B卩，多晶硅层112的区域128)。膜的一个表面暴露于环境压力(例如，通过腔208A)，而另一个表面暴露于密闭压力(例如，通过封闭的腔408)。密闭腔408的压力可以通过MEMS晶圆126与帽晶圆300之间的共晶接合工艺的条件来限定。例如，可以在具有一定压力水平的腔室内进行共晶接合工艺以限定用于密闭腔408和410的合适压力水平(以下更详细地解释)。因此，压力传感器404可以通过比较腔208A与封闭腔408之间的差异来检测环境压力。
[0062]器件406可以是在具有由共晶接合限定的压力的密封腔410中，能够通过检测电极(即，部分多晶硅层112)上方的检测质量(即，MEMS结构206)的布置来检测运动的运动传感器。可选地，器件406可以是加速计、陀螺仪等。可以根据器件406所期望的功能来选择密封腔410的压力。例如,对于加速计来说,封闭腔410的压力可以介于约10mbar和700mbar之间，对于陀螺仪来讲，其压力介于约10_4和10毫巴之间，等等。此外，腔208B可以包含在MEMS器件100中以减少压力。即，可以通过利用已知的物理关系(即，理想气体定律规定PV=nRT，当体积增高时，压力下降)增大连接至腔410的腔208B的体积来控制腔410的压力。因此，利用在图1A至IAC中示出的各个形成步骤，可以利用同样的MEMS制造工艺形成压力传感器以及另一个MEMS器件。
[0063]尽管已经详细描述了本发明的实施例及优点，但是应该理解，在不背离本发明所附权利要求限定的精神和范围内，可以进行各种变化、替换和修改。例如，可以在软件、硬件、或固件、或它们的组合中被实施以上讨论的许多特征与功能。
[0064]而且，本申请的范围不旨在限于本说明书所述的工艺、机器装置、制造、物质组成、工具、方法和步骤的具体实施例。本领域的技术人员很容易理解，根据本发明可以利用与本文描述的对应实施例执行基本相同功能或实现基本相同结果的目前现有的或即将开发的工艺、机器装置、制造、物质组成、工具、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些工艺、机器装置、制造、物质组成、工具、方法或步骤包括在它们的保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于形成微机电(MEMS)器件的方法,包括: 提供MEMS晶圆，其中，形成所述MEMS晶圆包括: 在MEMS衬底的第一表面上形成第一牺牲层； 在所述第一牺牲层的上方形成介电层，所述介电层包括暴露的第一部分； 提供载体晶圆，其中，提供所述载体晶圆包括各向同性地蚀刻载体衬底以形成第一腔； 利用接合层将所述载体晶圆接合至所述MEMS晶圆，其中，接合包括将所述第一腔与所述介电层的所述第一部分对准； 对所述MEMS衬底进行图案化； 从所述MEMS衬底去除部分所述第一牺牲层以形成第一 MEMS结构和第二 MEMS结构，所述第一 MEMS结构与所述介电层的所述第一部分相对应； 在所述MEMS衬底的第二表面上形成多个第一金属接合件，所述第二表面与所述第一表面相对； 提供包括多个第二金属接合件的帽晶圆； 通过将所述多个第二金属接合件接合至所述多个第一金属接合件，使所述帽晶圆接合至所述MEMS晶圆，这种接合生成包括所述介电层的所述第一部分和所述第一 MEMS结构的第一密封腔，所述第二 MEMS结构在第二密封腔中设置在所述介电层的第二部分与所述帽晶圆之间；以及 去除部分所述载体晶圆，使所述第一腔暴露于环境压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述帽晶圆接合至所述MEMS晶圆包括共晶接合工艺，通过所述共晶接合工艺限定所述第一密封腔的压力水平。
3.一种形成微机电(MEMS)器件的方法,包括: 提供MEMS晶圆，所述MEMS晶圆包括: MEMS衬底； 位于所述MEMS衬底上方的第一氧化物释放层；和 位于所述第一氧化物释放层上方的介电层，所述介电层包括第一部分和第二部分； 在载体晶圆中蚀刻第一开口，所述蚀刻包括各向同性蚀刻工艺； 将所述载体晶圆接合至所述MEMS晶圆的第一表面，接合所述载体晶圆生成了包括所述第一开口的第一腔，所述介电层的所述第一部分的第一表面暴露于所述第一腔的压力水平; 提供与所述介电层的所述第二部分对准的MEMS结构，提供所述MEMS结构包括图案化所述MEMS结构并去除部分所述第一氧化物释放层； 将帽晶圆接合至所述MEMS晶圆的第二表面，所述MEMS晶圆的第二表面与所述MEMS晶圆的第一表面相对，接合所述帽晶圆生成: 第二腔，包括所述介电层的所述第二部分和所述MEMS结构，和 第三腔，所述介电层的所述第一部分的第二表面暴露于所述第三腔的压力水平；以及 将第一腔暴露于周围环境。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二腔的压力水平通过所述帽晶圆与所述MEMS晶圆之间的接合工艺来限定。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括:在将所述载体晶圆接合至所述MEMS晶圆之前，在所述载体晶圆中蚀刻第二开口，蚀刻所述第二开口包括各向同性蚀刻工艺，并且将所述载体晶圆接合至所述MEMS晶圆还包括将所述第二开口连接至所述第三腔。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括:蚀刻所述第二开口以具有期望的体积，从而帮助限定所述第三腔的期望压力水平。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，蚀刻所述第一开口包括: 在载体衬底上方沉积第一保护层； 通过蚀刻工艺在所述载体晶圆中形成多个沟槽； 在所述多个沟槽的侧壁上形成第二保护层；以及 通过各向同性蚀刻所述多个沟槽的底部来连接所述多个沟槽，从而生成所述第一开□。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，蚀刻所述第一开口还包括去除所述第一保护层和所述第二保护层。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述帽晶圆接合至所述MEMS晶圆的第二表面包括:设置在所述MEMS晶圆的第二表面上的多个第一接合件与设置在所述帽晶圆的表面上的多个第二接合件之间的共晶接合工艺。
10.一种微机电(MEMS)器件,包括: MEMS晶圆，包括具有第一部分和第二部分的介电层以及分别与所述介电层的第一部分和第二部分对准的第一 MEMS结构和第二 MEMS结构； 接合至所述MEMS晶圆的第一表面的载体晶圆，所述载体晶圆包括第一腔和第二腔，所述介电层的所述第一部分的第一表面通过第一腔暴露于环境压力；以及 接合至所述MEMS晶圆的第二表面的帽晶圆，所述第二表面与所述MEMS晶圆的第一表面相对，并且接合的所述帽晶圆和所述MEMS晶圆限定第三腔和第四腔，其中: 所述第一 MEMS结构设置在所述第三腔中； 所述介电层的所述第一部分的第二表面暴露于所述第三腔的第一密封压力水平； 所述第二 MEMS结构和所述介电层的第二部分设置在所述第四腔中；并且所述第二腔和所述第四腔相连接，并且所述第二腔的体积帮助限定所述第二腔和所述第四腔的第二密封压力水平。
【文档编号】B81C1/00GK104045050SQ201310359584
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】朱家骅, 郑钧文 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司