MEMS器件及其制造方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种mems器件及其制造方法，更进一步地，该mems器件是压阻式压力传感器和惯性传感器的集成器件。

背景技术：

mems(microelectromechanicalsystem，微机电系统)器件由于其体积小、成本低、集成性好等特点，已被越来越广泛地应用在如消费电子、医疗、汽车等产品中。

伴随着智能手机、穿戴式电子以及消费电子的不断发展，需求低功耗、集成封装更小尺寸、集成度更高、低成本的电子元件。在现有的压力传感器和惯性传感器集成器件中，压力传感器和惯性传感器采用表面微加工工艺融合体硅微加工工艺水平集成，其中以bosch为代表，从而增加了芯片的面积；或者采用以invensense为代表的cmos—mems集成工艺进行电容式压力传感器和惯性传感器集成，但会使压力传感器的精度降低；或者压力传感器和惯性传感器采用分立制造，之后在封装厂再将两者封装在一起，这样会增加集成器件的成本。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的问题，本发明提供了一种mems器件，其包括惯性器件层和盖体，所述结构层惯性器件层设置有惯性传感器结构；所述盖体与所述惯性器件层相连接；所述盖体设置有压阻式压力传感器结构。

进一步地，所述盖体包括依次层叠设置的第一衬底层、结构层和连接层；所述结构层设置有压力感应薄膜；所述连接层与所述惯性器件层相连接；所述第一衬底层设置有将所述压力感应薄膜与外界连通的开口。

进一步地，所述压力感应薄膜上设置有压敏电阻区。

进一步地，所述盖体还包括导电层，所述导电层分别与所述连接层和所述压力感应薄膜相连接，并且所述导电层与所述压敏电阻区的引出端电性连接。

进一步地，所述连接层上设置有金属布线层，所述连接层还设置有连通至所述导电层的引线孔，所述金属布线层覆盖所述引线孔，从而与所述导电层电性连接。

进一步地，所述金属布线层还限定了键合位置，所述惯性器件层设置有与所述键合位置相配合的键合金属，所述惯性器件层与所述盖体通过共晶键合相连接。

进一步地，所述mems器件还包括第二衬底层，所述第二衬底层与所述惯性器件层相连接，所述第二衬底层、所述惯性器件层和所述盖体依次层叠设置。

进一步地，所述第二衬底层、所述压力感应薄膜、所述导电层和所述连接层限定了所述惯性传感器结构所处的空腔。

进一步地，所述开口设置于正对所述压力感应薄膜的位置，或设置于偏离所述压力传感薄膜的位置。

本发明还提供了一种mems器件的制造方法，其包括：

提供衬底片；

在所述衬底片上形成多孔硅层；

沉积结构层，并使所述多孔硅层形成空腔；

在所述结构层形成压敏电阻区和压力感应薄膜；

沉积导电层，图案化所述导电层，形成引出层，以作为所述压力感应薄膜的支撑层和电性引出结构；

沉积连接层，在所述连接层形成连通至所述引出层的引线孔；

沉积金属并图案化，形成器件的金属布线及键合金属；

刻蚀所述连接层，使所述压力感应薄膜露出，以及形成凹槽；

通过所述连接层上的键合金属，与制备有惯性传感器结构的器件片共晶键合，所述凹槽和所述压力感应薄膜均用于限定所述惯性传感器结构所处的空腔；

刻蚀所述衬底片，形成将所述压力感应薄膜与外界连通的开口。

本发明的mems器件及其制造方法，通过表面微加工工艺融合cmos-mems工艺制造压阻式压力传感器和惯性传感器的集成器件，使芯片面积得到了有效控制，并且压阻式压力传感器的制作不受惯性传感器制作的影响，有效改善了现有压阻式压力传感器和惯性传感器集成器件中所存在的芯片面积较大和压阻式压力传感器精度降低的问题，降低了产品成本。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1至图3是本发明的一个实施例中制备具有惯性传感器结构的器件片的各工艺步骤的结构示意图；

图4至图9是本发明的一个实施例中制备具有压阻式压力传感器的盖体的各工艺步骤的结构示意图；

图10是本发明的一个实施例中将器件片和盖体键合后的结构示意图；

图11是本发明的一个实施例的结构示意图；

图12是本发明的另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。

参考附图1，提供衬底1，衬底1可为块状(bulk)硅基底。或者，衬底1可包括元素半导体，例如晶体结构中的硅或锗；化合物半导体，例如硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟及/或锑化铟；或前述的组合。可能的衬底1也包含绝缘层上覆硅(silicon-on-insulator，soi)基底，通过使用植氧分离(separationbyimplantationofoxygen，simox)、晶片接合及/或其他合适的方法制造绝缘层上覆硅基底。衬底1也可包含各种掺杂，可以掺杂p型掺杂物例如硼或bf2、n型掺杂物例如磷或砷及/或前述的组合。

采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，采用深硅刻蚀工艺刻蚀形成凹槽3和凹槽4，凹槽3和凹槽4的深度为5～8um。光刻工艺可采用uv光刻或电子束光刻，光刻流程包括光致抗蚀剂涂布(例如旋转涂布)、软烤、光掩膜对准、曝光、曝光后烘烤、光致抗蚀剂显影、清洗、干燥(例如旋转干燥及/或硬烤)、其他合适的光刻技术及/或前述的组合。刻蚀工艺可包含干法刻蚀(例如反应性离子刻蚀)、湿法腐蚀及/或其他刻蚀方法。

去除光刻胶后沉积氧化层2，具体为沉积氧化硅。示例性的层沉积工艺包括化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)，化学气相沉积具体地还包括常压化学气相沉积(atmosphericpressurechemicalvapordeposition，apcvd)、低压化学气相沉积(lowpressurechemicalvapordeposition，lpcvd)、等离子体增强化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd)；示例性的层沉积工艺还包括物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)、原子层沉积(atomiclayerdeposition，ald)、热氧化、电子束蒸镀及/或其他合适的沉积技术或前述的组合。

参考附图2，提供单晶硅片，本实施例中采用带掺杂的<100>晶向的单晶硅片。

采用soi键合工艺将衬底1与上述单晶硅片键合在一起形成器件片，将器件片中单晶硅片向外的一面采用化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing，cmp)减薄至14～25um，形成惯性器件结构层5。

溅射金属层，通过光刻/刻蚀工艺将金属层图案化，形成键合金属层6。本实施例中采用al-ge键合，键合金属层6采用锗金属材料。本申请中所指的通过光刻/刻蚀工艺将特定材料层图案化或形成特定结构，意指通过光刻工艺及相应的刻蚀工艺使特定材料层形成预期的掩模版图案或特定结构，并且上述工艺中已包括去除光刻胶的流程。

参考附图3，采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，采用深反应离子刻蚀(deepreactiveionetching，drie)工艺刻蚀形成惯性传感器的结构图案，包括惯性传感器的悬空结构7和悬空结构8，以及锚点25，从而完成了惯性传感器结构的制造。对于惯性传感器来说，其需要被密封在封闭的环境中工作，通常的做法是在惯性传感器结构相对于衬底1的另一侧键合连接盖体，从而使相应的惯性传感器结构被设置在由衬底1和盖体所限定的密封空腔中。

以下详述在盖体上制造压阻式压力传感器的工艺流程。

参考附图4，提供盖体衬底11，如采用硅衬底，本实施例中采用低掺杂的p型单晶硅片，但不限于此。

通过热氧化或者化学气相沉积工艺生长氧化层，本实施里中为厚度约的氧化硅，采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，刻蚀掉暴露出的氧化硅，形成后续将进行的n型重掺杂的窗口。对表面进行离子注入，注入磷元素，完成后去除光刻胶并进行注入后退火，形成作为后续腐蚀多孔硅的阻挡层20。在另一些实施例中，采用扩散方式进行掺杂，此时需要在上述工艺流程中当完成氧化硅刻蚀后，先执行去除光刻胶的操作，再执行扩散工艺进行磷掺杂。如使用扩散工艺进行掺杂，根据掺杂的浓度，可调整上述氧化层的厚度，以使非掺杂区域可以被有效阻挡。

去除表面的氧化层，依次沉积氧化硅和氮化硅形成复合层21，本实施例的复合层21采用化学气相沉积工艺沉积左右的氧化硅，以及采用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积左右的氮化硅。

采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，刻蚀掉暴露出的氮化硅和及其下层的氧化硅，形成后续将进行的p型重掺杂的窗口24，窗口24限定了后续的多孔硅区域后续，以及制作压阻式压力传感器的压力感应薄膜区域。

对表面进行离子注入，注入硼元素，完成后去除光刻胶并进行注入后退火。在另一些实施例中，采用扩散方式进行掺杂，此时需要在上述工艺流程中当完成氮化硅和氧化硅刻蚀后，先执行去除光刻胶的操作，再执行扩散工艺进行硼掺杂。

参考附图5，采用电化学腐蚀工艺，在窗口24限定的掺杂区域中形成多孔硅层21a，电化学腐蚀的腐蚀溶液采用hf和c2h5oh混合溶液，完成后再去除复合层21，可采用hf和c2h5oh混合溶液或热磷酸溶液去除构成复合层21的氧化硅和氮化硅。

参考附图6，在氢气气氛中进行退火，以基本消除多孔硅层21a表面的开放孔。采用外延工艺在盖体衬底11表面沉积多晶硅，在经过外延工艺的高温过程后，多孔硅层21a转化为空腔21。

采用化学机械抛光将外延沉积的多晶硅减薄至预定厚度形成多晶外延层10，后续会在多晶外延层10上形成压阻式压力传感器的压力感应薄膜。

参考附图7，在多晶外延层10上沉积氧化硅，采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，刻蚀掉暴露出的氧化硅，形成压阻式压力传感器的压阻窗口，对表面进行离子注入，注入硼元素，即对压阻窗口区域进行p型掺杂，完成后去除光刻胶并进行注入后退火，从而形成压敏电阻区16，具体地，是形成了惠斯通电桥。然后沉积氧化硅以保护压敏电阻区16。

采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，刻蚀掉暴露出的位于多晶外延层10上的氧化硅，形成窗口27。去除光刻胶后，采用多晶外延层10上保留的氧化硅作掩膜执行多晶刻蚀，形成通气孔26，该步刻蚀被设置为具有各向同性，采用clf3或sf6作为工艺气体，在干法刻蚀过程中也形成横向刻蚀，从而刻蚀出尺寸比窗口27更大的通气孔26，通气孔26限定了压力感应薄膜10a。然后再进行热氧化使得空腔21的侧壁形成氧化硅阻挡层22。

参考附图8，鉴于窗口27的尺寸小于通气孔26，可通过沉积一定厚度的氧化层来密封窗口27，从而使空腔21成为封闭腔体，此腔体内的侧壁被氧化硅阻挡层22所覆盖。

采用光刻/刻蚀工艺将多晶外延层10上的氧化硅图案化，使压力感应薄膜10a上的压敏电阻区16的引出端暴露出来。

采用低压化学气相沉积工艺沉积和掺杂多晶硅，掺杂杂质的类型与压敏电阻区16的杂质类型相同，本实施例中采用硼。采用光刻/刻蚀工艺将沉积的多晶层图案化，形成导电层17，导电层17与压敏电阻区16的引出端具有电性连接。

采用化学气相沉积工艺沉积氧化硅，采用光刻/刻蚀工艺对表面留存的氧化硅图案化，形成导电层17的保护层14。

参考附图9，第二次外延沉积多晶硅，并采用化学机械抛光减薄至预定厚度，形成外延层9。沉积氧化层23，氧化层23是采用化学气相沉积的氧化硅。采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，执行刻蚀操作，刻蚀停在导电层17，形成引线孔18，之后去除光刻胶。

溅射金属层，并采用光刻/刻蚀工艺将金属层图案化，形成布线层12，布线层12既作为器件片和盖体的键合层，也同时作为压阻式压力传感器和惯性传感器的布线。布线层12的金属也覆盖填充引线孔18，从而与导电层17形成电性连接，本实施例中布线层12采用al金属材料。

采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，刻蚀掉暴露出的氧化硅，之后采用深硅刻蚀工艺刻蚀形成凹槽13和凹槽15。外延层9一方面形成台阶，降低压感应薄膜10a的应力，另一方面用于形成凹槽13和凹槽15，凹槽13和凹槽15作为密封器件片上惯性传感器结构的腔体的一部分，凹槽13和凹槽15的深度使其为为惯性传感器结构在z方向的运动提供了空间。

参考附图10，将制备有惯性传感器结构的器件片和制备有有压阻式压力传感器结构的盖体键合在一起，具体使通过在两者上分别形成的键合金属ge和al进行共晶键合。

采用化学机械抛光将盖体外露的一面减薄至预定厚度。

参考附图11，采用光刻胶作为掩膜，将光刻胶图形化后，采用深硅刻蚀工艺刻蚀掉空腔21上方的硅和和氧化硅阻挡层22，形成将压力感应薄膜10a与外界环境相连通气孔19，完成后去除光刻胶，最终形成本实施例的压阻式压力传感器和惯性传感器集成器件。

参考附图12，本实施例与前述实施例的区别在于通气孔19的位置。图11的结构中，通气孔19处于正对压力感应薄膜10a的位置上，将压力感应薄膜10a完全暴露出来，本实施例中的通气孔19的位置偏向压力感应薄膜10a的一侧，同样地可以使压力感应薄膜10与外界环境相连通。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。