一种MEMS器件及其制备方法、电子装置与流程

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种mems器件及其制备方法、电子装置。

背景技术：

随着半导体技术的不断发展，在传感器(motionsensor)类产品的市场上，智能手机、集成cmos和微机电系统(mems)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，这类传动传感器产品的发展方向是规模更小的尺寸，高质量的电学性能和更低的损耗。

其中，微电子机械系统(mems)在体积、功耗、重量以及价格方面具有十分明显的优势，至今已经开发出多种不同的传感器，例如压力传感器、加速度传感器、惯性传感器以及其他的传感器。

在mems领域中，mems传感器中的空腔结构采用键合方式(bonding)形成，一种广泛采用的键合方法为al-ge合金键合(eutecticbonding)。

为了能够在al/ge-al键合形成空腔的同时，使键合部分形成低电阻的电性连接，要求一种金属在合金键合过程中全部消耗完，一种常用的金属搭配方式为alge-al结构。

但是由于al的延展存在，可能会导致ge消耗不完全；同时还会造成键合形成的合金金属溢出，严重时甚至会造成器件短路。

因此需要对目前mems器件的制备方法作进一步的改进，以便消除上述各种弊端。

技术实现要素：

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。

本发明为了克服目前存在问题，提供了一种mems器件的制备方法，包括：

步骤s1：提供顶部晶圆，在所述顶部晶圆上形成有第一接合材料层，所述第一接合材料层包括第一金属层；

步骤s2：提供底部晶圆，在所述底部晶圆上形成有第二接合材料层，所述第二接合材料层包括依次形成的第一金属层和第二金属层；

步骤s3：将所述顶部晶圆和所述底部晶圆对准，以使所述第二接合材料层中的所述第二金属层对准所述第一接合材料层中的所述第一金属层；

步骤s4：将所述顶部晶圆和所述底部晶圆加热至所述第一金属层和所述第二金属层形成的合金的熔点以下；

步骤s5：将所述第二接合材料层中的所述第二金属层与所述第一接合材料层中的所述第一金属层接触，并且仅继续加热所述顶部晶圆至所述合金的熔点以上，以使所述顶部晶圆和所述底部晶圆接合。

可选地，在所述步骤s5中，加热所述顶部晶圆的同时在所述顶部晶圆上施加键合力，以使所述顶部晶圆和所述底部晶圆键合。

可选地，所述键合力为8-12kn。

可选地，在所述步骤s1和所述步骤s2中还分别包括对所述顶部晶圆和所述底部晶圆进行清洗的步骤。

可选地，在所述步骤s3中还进一步包括将用于所述键合的键合腔室抽真空的步骤。

可选地，在所述步骤s5中，继续加热所述顶部晶圆至所述合金的熔点以上，所述底部晶圆温度维持不变。

可选地，所述第一金属层选用al；

所述第二金属层选用ge。

可选地，在所述步骤s4中将所述顶部晶圆和所述底部晶圆加热至420℃或以下；

在所述步骤s5中继续加热所述顶部晶圆至430℃或以上。

本发明还提供了一种如上述方法制备得到的mems器件。

本发明还提供了一种电子装置，包括上述的mems器件。

目前的alge-al键合工艺，容易造成合金金属溢出，导致器件短路。 为了解决该问题，本发明提出了一种新的键合工艺方法，本发明改变了传统键合工艺中对键合金属的热处理方式，通过分别设置键合晶圆的温度，利用热传导，使键合界面始终处于合金反应的动态平衡中，防止了键合过程中无效的al-ge互融过程，从而减少了金属合金溢出，扩大了工艺窗口，提高了产品良率。

本发明具有以下优点：

(1)能够防止mems中键合材料环的外溢。

(2)能够提高mems器件的性能。

附图说明

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，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为本发明一具体实施方式中所述mems器件的制备过程示意图；

图2为本发明一具体实施方式中所述mems器件的制备过程示意图；

图3为本发明一具体实施方式中所述mems器件的制备工艺流程图。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。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。

实施例一

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种mems器件的制备方法，下面结合附图1-3对所述方法做进一步的说明，其中，图1为本发明一具体实施方式中所述mems器件对准时的示意图；图2为本发明一具体实施方式中所述mems器件键合时示意图；图3为本发明一具体实施方式中所述mems器件的制备工艺流程图。

首先，执行步骤101，提供顶部晶圆201，在所述顶部晶圆201上形成有第一接合材料层，所述第一接合材料层包括第一金属层202。

具体地，如图1所示，在该步骤中所述顶部晶圆201中可以形成有cmos器件以及各种mems元件，其中所述mems元件是指所述mmes传感器中必要的各种元器件，以运动传感器为例，所述顶部晶圆中可以形成有覆盖层，以和底部晶圆接合之后形成空腔。

其次，在所述顶部晶圆201上形成有第一金属层202，以形成所述第一接合材料层。

其中，第一金属层202可以选用本领常用的金属材料，例如金属铜、铝或者钨等，并不局限于某一种。

可选地，在本申请中所述第一金属层202选用al。

然后清洗所述顶部晶圆201，以提高所述顶部晶圆201的接合性能。

具体地，在该步骤中以稀释的氢氟酸dhf(其中包含hf、h2o2以及h2o)对所述顶部晶圆201的表面进行预清洗，以使所述底部晶圆301具有良好的性能(leadgoodmechanism)。

其中，所述dhf的浓度并没严格限制，在本发明中优选hf:h2o2:h2o＝0.1-1.5:1:5。

另外，在执行完清洗步骤之后，所述方法还进一步包括将所述底部晶圆301进行干燥的处理。

作为优选，选用异丙醇(ipa)对所述顶部晶圆201进行干燥。

执行步骤102，提供底部晶圆204，在所述底部晶圆204上形成有第二接合材料层，所述第二接合材料层包括依次形成的第一金属层202和第二金属层203。

具体地，如图1所示，在该步骤中所述底部晶圆204中可以形成有cmos器件以及各种mems元件，其中所述mems元件是指所述mmes传感器中必要的各种元器件，以运动传感器为例，首先提供mems衬底，所述mems衬底下方还可以进一步形成cmos器件，所述cmos器件通过金属互联结构和所述mems衬底相连接，当然并不局限于该示例，在此不再赘述。

其中所述底部晶圆中还具有凹槽，以在和顶部晶圆接合之后形成mems空腔。

其次，在所述底部晶圆204上依次形成第一金属层202和第二金属层203，以在所述底部晶圆204上形成所述第二接合材料层。

其中，第一金属层202和第二金属层203选用不同的金属材料，第一金属层202和第二金属层203可以选用本领常用的金属材料，例如金属铜、铝或者钨等，并不局限于某一种。

可选地，在本申请中所述第一金属层202选用al；所述第二金属层203选用ge。

然后清洗所述底部晶圆204，以提高所述底部晶圆204的接合性能。

具体地，在该步骤中以稀释的氢氟酸dhf(其中包含hf、h2o2以及h2o)对所述底部晶圆204的表面进行预清洗，以使所述底部晶圆301具有良好的性能(leadgoodmechanism)。

其中，所述dhf的浓度并没严格限制，在本发明中优选hf:h2o2:h2o＝0.1-1.5:1:5。

另外，在执行完清洗步骤之后，所述方法还进一步包括将所述底部晶圆301进行干燥的处理。

作为优选，选用异丙醇(ipa)对所述底部晶圆204进行干燥。

执行步骤103，将所述顶部晶圆201和所述底部晶圆204对准，以使所述第二接合材料层中的所述第二金属层203对准所述第一接合材料层中的所述第一金属层202。

在该步骤中将所述第二接合材料层中的所述第二金属层203对准所述第一接合材料层中的所述第一金属层202，在该过程中所述第二接合材料层中的所述第二金属层203仅对准所述第一接合材料层中的所述第一金属层202并没有直接接触，也不会在所述顶部晶圆上施加键合力。

可选地，在该步骤中还进一步包括将键合腔室抽真空的步骤。

执行步骤104，将所述顶部晶圆201和所述底部晶圆204加热至所述第一金属层和所述第二金属层形成的合金的熔点以下。

在键合开始前，两枚晶圆(所述顶部晶圆201和所述底部晶圆204)只加热到低于合金温度，以保持alge合金不发生反应。

具体地，在该步骤中当所述第一金属层202选用al；所述第二金属层203 选用ge时，在该步骤中将所述顶部晶圆和所述底部晶圆加热至420℃或以下，以防止达到合金的熔点。

执行步骤105，将所述第二接合材料层中的所述第二金属层203与所述第一接合材料层中的所述第一金属层202接触，并仅继续加热所述顶部晶圆至所述合金的熔点以上，以使所述顶部晶圆201和所述底部晶圆204键合。

具体地，如图2所示，在该步骤中继续加热所述顶部晶圆至所述合金的熔点以上，所述底部晶圆温度维持不变。

在所述步骤中加热的同时在所述顶部晶圆上施加键合力，以使所述顶部晶圆和所述底部晶圆键合。

可选地，所述键合力为8-12kn。

其中，在该步骤中所述顶部晶圆(al晶圆)及底部晶圆(al-ge晶圆)的温度应根据al及alge的体积份数，接触面积等进行计算，以满足在热传导过程中，接触界面温度等于或高于合金熔融点温度。

具体地，在该步骤中当所述第一金属层202选用al；所述第二金属层203选用ge时，在该步骤中继续加热所述顶部晶圆至430℃或以上，而所述底部晶圆的温度不变。通过热传导，在键合(bonding)界面处形成一个动态的合金生成区域，实现顶部晶圆和底部晶圆的结合。

所述顶部晶圆和底部晶圆接触后，只将al加热，而alge晶圆保持在合金温度以下。这样，通过热传导，在接合界面处形成一个动态的合金生成区域。由于上下极板的温度可以精确控制，这样就能将合金生成范围局限在键合区域，从而到达减少或避免合金金属溢出的效果。

其中，424℃合金温度时，al-ge的消耗量，成下列关系式。

顶部晶圆(alwafer)及底部晶圆(al-gewafer)的温度应根据al及alge的体积份数，接触面积等进行计算，以满足在热传导过程中，接触界面温度等于或高于合金熔融点温度。

在该步骤中通过分别设置键合晶圆的温度，利用热传导，使键合界面始终处于合金反应的动态平衡中，防止了键合过程中无效的al-ge互融过 程，从而减少了金属合金溢出，扩大了工艺窗口，提高了产品良率。

至此，完成了本发明实施例的mems器件制备的相关步骤的介绍。在上述步骤之后，还可以包括其他相关步骤，此处不再赘述。并且，除了上述步骤之外，本实施例的制备方法还可以在上述各个步骤之中或不同的步骤之间包括其他步骤，这些步骤均可以通过现有技术中的各种工艺来实现，此处不再赘述。

目前的alge-al键合工艺，容易造成合金金属溢出，导致器件短路。为了解决该问题，本发明提出了一种新的键合工艺方法，本发明改变了传统键合工艺中对键合金属的热处理方式，通过分别设置键合晶圆的温度，利用热传导，使键合界面始终处于合金反应的动态平衡中，防止了键合过程中无效的al-ge互融过程，从而减少了金属合金溢出，扩大了工艺窗口，提高了产品良率。

本发明具有以下优点：

(1)能够防止mems中键合材料环的外溢。

(2)能够提高mems器件的性能。

图3为本发明一具体实施方式中所述mems器件的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：

步骤s1：提供顶部晶圆，在所述顶部晶圆上形成有第一接合材料层，所述第一接合材料层包括第一金属层；

步骤s2：提供底部晶圆，在所述底部晶圆上形成有第二接合材料层，所述第二接合材料层包括依次形成的第一金属层和第二金属层；

步骤s3：将所述顶部晶圆和所述底部晶圆对准，以使所述第二接合材料层中的所述第二金属层对准所述第一接合材料层中的所述第一金属层；

步骤s4：将所述顶部晶圆和所述底部晶圆加热至所述第一金属层和所述第二金属层形成的合金的熔点以下；

步骤s5：将所述第二接合材料层中的所述第二金属层与所述第一接合材料层中的所述第一金属层接触，并且仅继续加热所述顶部晶圆至所述合金的熔点以上，以使所述顶部晶圆和所述底部晶圆接合。

实施例二

本发明还提供了一种mems器件，所述mems器件通过实施例1中的所述方法制备得到，所述器件包括：

底部晶圆204；

顶部晶圆201；

第一接合材料层，位于所述顶部晶圆201上，包括一金属层202；

第二接合材料层，位于所述底部晶圆204上，包括依次形成的第一金属层202和第二金属层203；

在所述底部晶圆的正面形成有cmos器件，所述cmos器件包括各种有源器件和/或无源器件，所述cmos器件的种类并不局限于某一种。

可选地，所述cmos器件位于所述mems元件的下方，在执行完所述cmos工艺之后在所述cmos器件的上方执行mems工艺。

其中，所述mems元件包括凹槽，用于在后续的步骤中形成空腔。

其中，第一金属层202可以选用本领常用的金属材料，例如金属铜、铝或者钨等，并不局限于某一种。

可选地，在本申请中所述第一金属层202选用al，第二金属层203选用ge。

所述底部晶圆和所述顶部晶圆接合为一体，其中在接合过程中通过分别设置键合晶圆的温度，利用热传导，使键合界面始终处于合金反应的动态平衡中，防止了键合过程中无效的al-ge互融过程，从而减少了金属合金溢出，扩大了工艺窗口，提高了产品良率。

在对准后将所述顶部晶圆和所述底部晶圆加热至420℃或以下，以防止达到合金的熔点。

然后将所述第二接合材料层中的所述第二金属层203与所述第一接合材料层中的所述第一金属层202接触，并仅继续加热所述顶部晶圆至所述合金的熔点以上，以使所述顶部晶圆201和所述底部晶圆204键合。

在该步骤中继续加热所述顶部晶圆至所述合金的熔点以上，所述底部晶圆温度维持不变。

在该步骤中继续加热所述顶部晶圆至430℃或以上，而所述底部晶圆的温度不变。通过热传导，在键合界面处形成一个动态的合金生成区域，实现顶部晶圆和底部晶圆的结合。

本发明的器件具有以下优点：

(1)能够防止mems中键合材料环的外溢。

(2)能够提高mems器件的性能。

实施例三

本发明还提供了一种电子装置，包括实施例二所述的mems器件。其中，半导体器件为实施例二所述的mems器件，或根据实施例一所述的制备方法得到的mems器件。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、vcd、dvd、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、mp3、mp4、psp等任何电子产品或设备，也可为任何包括所述mems器件的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的mems器件，因而具有更好的性能。

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。