CN103979481B - Mems铝锗键合结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS铝锗键合结构及其制造方法，该结构包括：器件硅片，该器件硅片上具有微机械结构区和铝键合层；封帽硅片，该封帽硅片上具有锗键合层，该锗键合层与所述铝键合层键合；其中，所述封帽硅片上还具有自所述封帽硅片伸出的节距柱，该节距柱的端部与所述器件硅片接触。本发明能够控制键合过程中由于键合压力而发生的铝锗横向延展量，得到预设厚度的铝锗键合层。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，尤其涉及一种MEMS铝锗键合结构及其制造方法。
背景技术
MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，其发展始于20世纪60年代，MEMS是英文MicroElectroMechanicalSystem的缩写，即微电子机械***，是微电子和微机械的巧妙结合。微电子机械***(MEMS)技术将对未来人类生活产生革命性的影响。MEMS的基础技术主要包括硅各向异性刻蚀技术、/硅键合技术、表面微机械技术、LIGA技术等，已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术。
在以硅为基础的MEMS加工技术中，部分产品如加速度计、陀螺仪等需要对微机械的器件结构部分实施保护，这种保护的方法就是在器件上方采用空腔封帽片保护结构，通过硅硅直接键合、阳极键合、铝锗、金硅共晶键合、玻璃粉键合等各种键合工艺，使器件硅片和封帽片密闭结合在一起，这样使微机械的器件结构和外部环境得到隔离。
而在这些键合工艺中，和其他键合工艺相比，铝锗共晶键合的优势在于其键合温度低、具有密封效果好、键合强度高、生产效率高，成本低，并可以和CMOS工艺兼容，因此广泛应用于MEMS产品圆片级的封装；缺点是在键合烧结过程中，铝锗容易产生延展和流动，其延展部分铝锗有可能影响MEMS微机械可动结构部分的工作，从而使器件毁坏或整体性能下降，而且铝锗的延展和流动导致需要占用较大的键合区域面积。另外，在键合过程中，整个硅片内的键合层厚度和压力密切相关，受压大的区域键合层厚度薄，受压小的区域键合层厚度大，键合质量和密封性受键合压力的影响很大。
众所周知，对于惯性传感器等MEMS器件，如何合理设定和控制键合区所占用的尺寸，包括键合层的高度，对封装成品率及成品可靠性的影响是至关重要的。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种MEMS铝锗键合结构及其制造方法，能够控制键合过程中由于键合压力而发生的铝锗横向延展量，得到预设厚度的铝锗键合层。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS铝锗键合结构，包括：
器件硅片，该器件硅片上具有微机械结构区和铝键合层；
封帽硅片，该封帽硅片上具有锗键合层，该锗键合层与所述铝键合层键合；
其中，所述封帽硅片上还具有自所述封帽硅片伸出的节距柱，该节距柱的端部与所述器件硅片接触，所述封帽硅片上还具有内凹的溢料槽，所述溢料槽位于所述锗键合层与节距柱之间，所述节距柱位于所述溢料槽和微机械结构区之间
根据本发明的一个实施例，所述溢料槽与所述锗键合层和节距柱之间的距离为30μm～50μm。
根据本发明的一个实施例，所述溢料槽的深度为10μm～100μm，所述溢料槽的宽度为20μm～50μm。
根据本发明的一个实施例，所述节距柱的宽度为20μm～60μm。
根据本发明的一个实施例，所述节距柱为多层堆叠结构。
根据本发明的一个实施例，所述节距柱包括：
二氧化硅薄膜，位于该封帽硅片上；
氮化硅薄膜，堆叠在该二氧化硅薄膜上。
根据本发明的一个实施例，所述二氧化硅薄膜的高度为1000nm～2000nm，所述氮化硅薄膜的高度为100nm～200nm。
根据本发明的一个实施例，所述封帽硅上还具有内凹的微机械结构保护腔，该微机械结构保护腔的位置与所述微机械结构区的位置对应。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种MEMS铝锗键合结构的制造方法，包括：
提供器件衬底和封帽衬底；
在所述封帽衬底上形成锗键合层以及节距柱，以形成封帽硅片；
在所述器件衬底上形成铝键合层和微机械结构区，以形成器件硅片；
在所述封帽硅片上形成内凹的溢料槽，所述溢料槽位于所述锗键合层与节距柱之间，所述节距柱位于所述溢料槽和微机械结构区之间；
对所述锗键合层与所述铝键合层进行键合，以使所述封帽硅片和器件硅片键合在一起，键合后所述节距柱的端部与所述器件硅片接触。
根据本发明的一个实施例，所述溢料槽与所述锗键合层和节距柱之间的距离为30μm～50μm。
根据本发明的一个实施例，所述溢料槽的深度为10μm～100μm，所述溢料槽的宽度为20μm～50μm。
根据本发明的一个实施例，在形成所述溢料槽时，还一并在所述封帽衬底上形成微机械结构保护腔，该微机械结构保护腔的位置与所述微机械结构区的位置对应。
根据本发明的一个实施例，所述溢料槽和微机械结构保护腔的形成方法包括：
采用光刻工艺在所述封帽衬底上形成窗口，该窗口的位置对应于所述溢料槽和微机械器件的位置；
采用干法刻蚀工艺对所述窗口内的封帽衬底进行刻蚀，以形成所述溢料槽和微机械器件。
根据本发明的一个实施例，所述节距柱的宽度为20μm～60μm。
根据本发明的一个实施例，所述节距柱为多层堆叠结构。
根据本发明的一个实施例，所述节距柱的形成方法包括：
在所述封帽衬底上形成二氧化硅薄膜；
在所述二氧化硅薄膜上形成氮化硅薄膜；
对所述氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜进行刻蚀，以形成所述节距柱。
根据本发明的一个实施例，所述二氧化硅薄膜的高度为1000nm～2000nm，所述氮化硅薄膜的高度为100nm～200nm。
根据本发明的一个实施例，进行键合时的温度为425℃～445℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例的MEMS铝锗键合结构的制造方法中，封帽硅片上设置有节距柱，该节距柱可以在键合过程中控制封帽硅片与器件硅片之间的距离，使得片内压力基本均匀，有利于优化键合质量，并可以控制键合过程中由于键合压力而导致的铝锗横向延展量，从而能得到预设厚度的铝锗键合层，可以保证产品键合层的密封性。
进一步地，本发明实施例的MEMS铝锗键合结构的制造方法中，封帽硅片上还可以具有溢料槽，该溢料槽位于锗键合层与微机械结构区之间，可以将键合过程中受压发生的铝锗横向延展量限制在溢料槽内，防止铝锗横向延展至微机械结构区造成对微机械的可动器件结构的影响。因此，本发明实施例的技术方案可以微机械结构区中的器件结构，有利于节省器件键合区域的面积，从而达到减小整个产品的版图面积、增加有效管芯数量、降低制造成本的目的。
另外，本发明实施例的MEMS铝锗键合结构的制造方法可以应用微电子集成电路常规的方法进行实施，和CMOS生产线工艺兼容，而且不会造成颗粒沾污、金属沾污等风险。
本发明实施例的MEMS铝锗键合结构的制造方法适合MEMS产品大批量工业化生产，有利于提高产品的可靠性；该制造方法也适用于其他非MEMS器件的共晶键合工艺产品，具有广泛的应用性。
附图说明
图1是本发明实施例的MEMS铝锗键合结构的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例的MEMS铝锗键合结构的制造方法的流程示意图；
图3至图7是本发明实施例的MEMS铝锗键合结构的制造方法中各步骤对应的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参考图1，本实施例的MEMS铝锗键合结构包括键合在一起的器件硅片201和封帽硅片101。需要说明的是，“硅片”仅是本领域的一种惯用说法，其材料并不限于硅，还可以是半导体技术领域常用的其他衬底材料。
其中，封帽硅片101上形成有锗键合层104、节距柱10、溢料槽106以及微机械结构保护腔105；器件硅片201上形成有铝键合层202以及微机械结构区203。其中，器件硅片201上的铝键合层202与封帽硅片101上的锗键合层104键合在一起，使得器件硅片201上的微机械结构结构区203与外部环境得到隔离。铝键合层202和锗键合层104例如可以采用共晶键合工艺键合在一起，但并不限于此。
其中，微机械结构区203中可以形成有可动结构，例如加速度计、惯性传感器中的可动结构。微机械结构保护腔105是一个内凹的空腔，其位置与微机械结构区203的位置相对应，键合之后，微机械结构保护腔105位于微机械结构区203上方。
该节距柱10自封帽硅片101的表面伸出，在键合之后，节距柱10的端部与器件硅片201接触。节距柱10的数量可以是一个或多个，多个节距柱10可以分布在封帽硅片101的不同区域。节距柱10具有预设的高度，从而在键合过程中使得各个不同区域内受到的压力较为均匀，可以控制键合过程中由压力导致的铝锗横向延展量，而且能够将铝键合层和锗键合层键合形成的铝锗键合层的厚度控制为与节距柱10的高度相同，也就是铝锗键合层也具有预设的高度，有利于保证密封性。
该节距柱10可以是多层堆叠结构，例如可以是二氧化硅薄膜102和氮化硅薄膜103的堆叠结构，但并不限于此。
作为一个优选的实施例，该封帽硅片101上还具有内凹的溢料槽106，该溢料槽106位于锗键合层104与微机械结构区203之间，或者说位于锗键合层104和微机械结构保护腔105之间。更进一步而言，在图1所示的实例中，溢料槽106位于锗键合层104与节距柱10之间，节距柱10位于溢料槽106和微机械结构保护腔105之间。优选地，溢料槽106和微机械结构保护腔105可以通过同一步刻蚀工艺形成，二者可以具有相同的深度。
键合过程中，铝、锗键合层熔化受压后会发生横向延展，横向延展溢出的部分将被限制在溢料槽106内，不会影响到微机械结构区203，尤其是在微机械结构区203内具有可动结构时，溢料槽106可以保护可动结构不受影响。
在一个优选的实例中，溢料槽106与锗键合层104和节距柱10之间的距离为30μm～50μm；溢料槽106的深度为10μm～100μm；溢料槽的宽度为20μm～50μm；节距柱10的宽度为20μm～60μm；二氧化硅薄膜102的高度(或者称为厚度)为1000nm～2000nm，氮化硅薄膜103的高度(或者称为厚度)为100nm～200nm。当然，上述参数仅是优选实例中的参数，本领域技术人员可以根据实际需要对这些参数做适当的调整。
参考图2，本实施例的MEMS铝锗键合结构的制造方法包括如下步骤：
步骤S11，提供器件衬底和封帽衬底；
步骤S12，在所述封帽衬底上形成锗键合层以及节距柱，以形成封帽硅片；
步骤S13，在所述器件衬底上形成铝键合层和微机械结构区，以形成器件硅片；
步骤S14，在所述封帽硅片上形成内凹的溢料槽，所述溢料槽位于所述锗键合层与节距柱之间，所述节距柱位于所述溢料槽和微机械结构区之间；
步骤S15，对所述锗键合层与所述铝键合层进行键合，以使所述封帽硅片和器件硅片键合在一起，键合后所述节距柱的端部与所述器件硅片接触。
下面结合图3至图7进行详细说明。
参考图3，提供封帽衬底100，在该封帽衬底100上形成节距柱10，该封帽衬底100可以是硅衬底，但并不限于此，还可以是CMOS工艺、MEMS工艺中常用的其他衬底。
该节距柱10的形成过程可以包括：在封帽衬底100上形成二氧化硅薄膜102，例如可以采用微电子集成电路常规的热氧化工艺，温度约为1100℃，时间约为12小时左右，用湿氧氧化工艺生长二氧化硅薄膜102，该二氧化硅薄膜102的厚度例如可以是1000nm～2000nm；之后在二氧化硅薄膜102上形成氮化硅薄膜103，例如可以采用低压气相沉积的方法，在二氧化硅薄膜102上生长一层氮化硅薄膜103，该氮化硅薄膜103的厚度例如可以是100nm～200nm；之后，采用常规的光刻和刻蚀工艺对二氧化硅薄膜102和氮化硅薄膜103进行图形化，例如可以采用干法刻蚀，刻蚀气体可以是CF4、CH3F、Ar的混合气体。
氮化硅薄膜103可以保护二氧化硅薄膜102的高度在后续的氢氟酸清晰过程中不发生变化，使得整个节距柱10保持预设的高度。节距柱10在后续键合过程中可以固定铝、锗键合层键合成型后的金属互熔层的厚度，使得键合后的键合层的整体厚度不受键合压力的影响。
参考图4，在封帽衬底100上形成锗键合层104。例如，可以采用微电子集成电路常规的锗蒸发或者锗溅射工艺来形成锗层，然后再利用常规的光刻和干法刻蚀工艺对锗层进行图形化，以形成锗键合层104。为了控制封帽衬底100表面的洁净度，锗蒸发或者锗溅射工艺之前，可以对封帽衬底100表面进行氢氟酸的清洗工艺，由于节距柱10的顶端具有氮化硅薄膜103，节距柱10的高度在氢氟酸的清洗过程中不会变化。锗键合层104与节距柱10之间的距离可以为80μm～150μm。
优选地，本实施例采用锗蒸发工艺来形成锗层，蒸发形成的锗层的厚度例如可以为500nm～1500nm，优选为1000nm；然后再采用常规的光刻和干法刻蚀工艺，对锗层进行图形化，形成锗键合层104，锗键合层104的宽度可以为100μm～300μm。
参考图5，对封帽衬底进行刻蚀，以形成内凹的溢料槽106和微机械结构保护腔105，从而形成封帽硅片101。溢料槽106位于锗键合层104和微机械结构保护腔105之间，更进一步而言，溢料槽106例如可以位于锗键合层104和节距柱10之间。
更进一步而言，可以采用微电子集成电路常规的光刻工艺，在封帽衬底上形成溢料槽106和微机械结构保护腔105的窗口；之后采用干法刻蚀工艺对窗口内的封帽衬底进行刻蚀，刻蚀气体例如可以是SF6和C4F8，以形成溢料槽106和微机械结构保护腔105。例如，可以采用MEMS业界熟知的刻蚀、沉积、刻蚀重复的Bosch深槽刻蚀工艺，在封帽衬底上形成溢料槽106和微机械结构保护腔105，其深度为10μm～100μm，优选为80μm，而溢料槽106的宽度优选为20μm～50μm。微机械结构保护腔105的尺寸可以根据产品的需要来设定，微机械结构保护腔105与节距柱10之间的距离为50μm～100μm。
参考图6，提供器件衬底200，在该器件衬底200上形成铝键合层202，该器件衬底200可以是硅衬底，但并不限于此，还可以是CMOS工艺、MEMS工艺中常用的其他衬底。铝键合层202的位置与图5所示的封帽硅片101上的锗键合层104的位置对应，以便于后续键合。
该铝键合层202的形成过程可以包括：采用微电子集成电路常规的铝蒸发或者铝溅射工艺形成铝层，该铝层的厚度例如可以为500nm～2000nm，优选为1500nm；然后再用常规的光刻和金属干法刻蚀工艺对铝层进行图形化，以形成铝键合层202，铝键合层202的宽度例如为100μm～300μm。另外，该铝层也可以作为微机械器件的金属引出层，在形成铝键合层202的刻蚀工艺中，还可以一并在铝层上刻蚀形成器件的引线。
参考图7，在器件衬底上形成微机械结构区203，该微机械结构区203例如可以包括可动结构。该微机械结构区203的位置与图5所示的封帽硅片101中的微机械结构保护腔105的位置对应。
进一步而言，可以采用MEMS工艺中常规的光刻、刻蚀以及氢氟酸气体熏蒸工艺来制作微机械结构区203，例如制作悬浮的可动结构。该微机械结构区203与铝键合层202之间的间距可以为150μm～310μm。
参考图5和图7，对封帽硅片101和器件硅片201进行键合，具体而言，将封帽硅片101上的锗键合层104和器件硅片201上的铝键合层202键合在一起。
进一步而言，可以采用MEMS业界常规的键合工艺进行铝锗共晶键合，键合温度控制在425℃～445℃之间，铝和锗在该温度范围内相互熔合使得封帽硅片101和器件硅片201键合在一起，使得微机械的器件结构与外部环境得到隔离保护。键合后形成的MEMS铝锗键合结构如图1所示。
本发明实施例的技术方案可以使用于加速度计、惯性传感器等多种器件，另外也可以适用于非MEMS器件的共晶键合工艺产品上。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (16)
1.一种MEMS铝锗键合结构，包括：
器件硅片，该器件硅片上具有微机械结构区和铝键合层；
封帽硅片，该封帽硅片上具有锗键合层，该锗键合层与所述铝键合层键合；
其特征在于，所述封帽硅片上还具有自所述封帽硅片伸出的节距柱，该节距柱的端部与所述器件硅片接触，所述封帽硅片上还具有内凹的溢料槽，所述溢料槽位于所述锗键合层与节距柱之间，所述节距柱位于所述溢料槽和微机械结构区之间，其中，所述节距柱为多层堆叠结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS铝锗键合结构，其特征在于，所述溢料槽与所述锗键合层和节距柱之间的距离为30μm～50μm。
3.根据权利要求1所述的MEMS铝锗键合结构，其特征在于，所述溢料槽的深度为10μm～100μm，所述溢料槽的宽度为20μm～50μm。
4.根据权利要求1所述的MEMS铝锗键合结构，其特征在于，所述节距柱的宽度为20μm～60μm。
5.根据权利要求1所述的MEMS铝锗键合结构，其特征在于，所述节距柱包括：
二氧化硅薄膜，位于该封帽硅片上；
氮化硅薄膜，堆叠在该二氧化硅薄膜上。
6.根据权利要求5所述的MEMS铝锗键合结构，其特征在于，所述二氧化硅薄膜的高度为1000nm～2000nm，所述氮化硅薄膜的高度为100nm～200nm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的MEMS铝锗键合结构，其特征在于，所述封帽硅上还具有内凹的微机械结构保护腔，该微机械结构保护腔的位置与所述微机械结构区的位置对应。
8.一种MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供器件衬底和封帽衬底；
在所述封帽衬底上形成锗键合层以及节距柱，以形成封帽硅片；
在所述器件衬底上形成铝键合层和微机械结构区，以形成器件硅片；
在所述封帽硅片上形成内凹的溢料槽，所述溢料槽位于所述锗键合层与节距柱之间，所述节距柱位于所述溢料槽和微机械结构区之间，所述节距柱为多层堆叠结构；
对所述锗键合层与所述铝键合层进行键合，以使所述封帽硅片和器件硅片键合在一起，键合后所述节距柱的端部与所述器件硅片接触。
9.根据权利要求8所述的MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，所述溢料槽与所述锗键合层和节距柱之间的距离为30μm～50μm。
10.根据权利要求8所述的MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，所述溢料槽的深度为10μm～100μm，所述溢料槽的宽度为20μm～50μm。
11.根据权利要求8所述的MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，在形成所述溢料槽时，还一并在所述封帽衬底上形成微机械结构保护腔，该微机械结构保护腔的位置与所述微机械结构区的位置对应。
12.根据权利要求11所述的MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，所述溢料槽和微机械结构保护腔的形成方法包括：
采用光刻工艺在所述封帽衬底上形成窗口，该窗口的位置对应于所述溢料槽和微机械器件的位置；
采用干法刻蚀工艺对所述窗口内的封帽衬底进行刻蚀，以形成所述溢料槽和微机械器件。
13.根据权利要求8所述的MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，所述节距柱的宽度为20μm～60μm。
14.根据权利要求8所述的MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，所述节距柱的形成方法包括：
在所述封帽衬底上形成二氧化硅薄膜；
在所述二氧化硅薄膜上形成氮化硅薄膜；
对所述氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜进行刻蚀，以形成所述节距柱。
15.根据权利要求14所述的MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，所述二氧化硅薄膜的高度为1000nm～2000nm，所述氮化硅薄膜的高度为100nm～200nm。
16.根据权利要求8至15中任一项所述的MEMS铝锗键合结构的制造方法，其特征在于，进行键合时的温度为425℃～445℃。
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