一种微机电系统传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种微机电系统传感器及其制备方法。背景技术：2.基于微机电系统（micro electro mechanical systems，mems）制造的传感器被称为mems传感器，mems传感器由于极小的体积、良好的性能而备受重视。3.mems传感器通常需要接地以保持屏蔽状态，以防止电磁辐射以及静电积累给器件带来致命的伤害。mems传感器常规的接地方法是通过电极金属的沉积、以及打线等方式在封装阶段连接到pcb以达到mems传感器的接地。但是这种方式工艺繁琐，可靠性较低，对批量生产效率的提高以及成本的下降有着不利影响。技术实现要素：4.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种微机电系统传感器及其制备方法，实现所述微机电系统传感器的批量接地。5.本发明提供一种微机电系统传感器，所述传感器包括器件片和盖帽片，其中，所述器件片包括：接地电极；以及功能层，所述功能层与所述接地电极电连接；所述盖帽片包括：第二衬底；第二介质层，位于所述第二衬底的第一表面上；以及第三导电层，位于所述第二介质层远离所述第二衬底的表面上，所述第三导电层的至少一部分贯穿所述第二介质层与所述第二衬底电连接；所述第三导电层远离所述第二介质层的表面与所述功能层键合，所述第二衬底经由所述第三导电层以及所述功能层与所述接地电极电连接。6.优选地，所述第二介质层中具有通孔，所述通孔暴露出所述第二衬底的第一表面；所述第三导电层填充所述通孔，经由所述通孔与所述第二衬底电连接。7.优选地，所述通孔的截面形状为圆形、椭圆形、多边形、环形以及不规则图形中的任意一种。8.优选地，所述器件片包括第二导电层，所述第二导电层位于所述接地电极以及所述功能层之间，且分别与所述接地电极和所述功能层电连接。9.优选地，所述器件片包括：第一衬底；位于所述第一衬底上的第一介质层；第一引线，埋设于所述第一介质层内，且贯穿所述第一介质层的厚度方向；所述接地电极位于所述第一介质层远离所述第一衬底的表面，且经由所述第一引线与所述第一衬底电连接。10.优选地，所述功能层为单晶硅层，所述第三导电层为多晶硅层。11.一种微机电系统传感器的制备方法，所述方法包括：形成器件片，所述器件片包括接地电极以及与所述接地电极电连接的功能层；在第二衬底的第一表面形成第二介质层；在所述第二介质层远离所述第二衬底的表面形成第三导电层，所述第三导电层的至少一部分贯穿所述第二介质层与所述第二衬底电连接；以及将所述第三导电层与所述功能层键合在一起，所述第二衬底经由所述第三导电层以及所述功能层与所述接地电极电连接。12.优选地，形成所述第三导电层之前包括在所述第二介质层上形成通孔，所述通孔暴露出所述第二衬底的第一表面，所述第三导电层填充所述通孔，经由所述通孔与所述第二衬底电连接。13.优选地，所述通孔的截面形状为圆形、椭圆形、多边形、环形以及不规则图形中的任意一种。14.优选地，形成所述器件片的方法包括在所述接地电极和所述功能层之间形成第二导电层，所述第二导电层分别与所述接地电极和所述功能层电连接。15.优选地，形成所述器件片的方法包括：在第一衬底上形成第一介质层；形成第一引线，所述第一引线埋设于所述第一介质层内，且贯穿所述第一介质层的厚度方向；在所述第一介质层远离所述第一衬底的表面形成所述接地电极，所述接地电极经由所述第一引线与所述第一衬底电连接。16.优选地，所述功能层为单晶硅层，所述第三导电层为多晶硅层。17.优选地，将所述第三导电层与所述功能层键合在一起的方法包括：对所述功能层以及所述第三导电层的表面进行湿法活化；将所述功能层和所述第三导电层进行预键合；对贴合在一起的盖帽片和器件片进行退火。18.优选地，对所述功能层以及所述第三导电层的表面进行湿法活化的步骤中，在所述功能层以及所述第三导电层的表面分别形成一层氧化层。19.优选地，所述氧化层的厚度小于5埃米。20.优选地，对贴合在一起的盖帽片和器件片进行退火的过程中，退火温度为900℃~1200℃，退火时间20min~50min。21.本发明提供的微机电系统传感器及其制备方法，在所述盖帽片上形成与所述第二衬底电连接的第三导电层，经由所述第三导电层与所述器件片键合，并且经由所述第三导电层将所述第二衬底电连接至所述器件片的接地电极，实现所述第一衬底和第二衬底的同时接地。22.进一步地，本发明省略了在所述第二衬底上淀积形成导电层，对导电层进行光刻、刻蚀形成接地电极以及在接地电极上打线的步骤，使得制造工艺更加简易，可操作性强。23.在优选的实施例中，在所述功能层以及所述第三导电层的表面分别形成一层氧化层，且所述氧化层的厚度小于5埃米。所述氧化层在该厚度下不会影响功能层以及第三导电层之间的导电，以防止所述氧化层过厚使得所述器件片和所述盖帽片之间形成绝缘性隔离。附图说明24.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1示出了传统的微机电系统传感器的结构示意图；图2a至图2d示出了传统的微机电系统传感器在制造过程中各个阶段的截面图；图3示出了本发明实施例的微机电系统传感器的结构示意图；图4示出了本发明实施例的微机电系统传感器的制造方法的流程图；图5a至图5d示出了本发明实施例的微机电系统传感器在制造过程中各个阶段的截面图。具体实施方式25.以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。26.本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。27.晶圆键合技术（wafer direct bonding，wdb）在越来越多的 mems 器件制备中广泛应用，逐渐形成前沿学科领域中微型元件的基础技术，例如：mems 封装、soi 器件制备、薄膜转移，以及安全气囊加速计、微流体元件、发光二极管和非线性光学器件的制造领域。它不仅适用于晶圆键合，也能被用于包括硅及其他许多材料的异质键合，结合精密减薄技术还能用于晶圆间的薄层传递。晶圆键合技术在 mems 加工中具有着重要的地位。28.晶圆键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在mems的加工工艺中。常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等。29.键合是指通过物理和化学的作用，将硅晶圆与硅晶圆、硅晶圆与玻璃晶圆或其它不同材料晶圆紧密地结合起来的工艺流程。在此过程中，常常通过加能量使接合界面的原子反应，形成共价键而结合成一体，并使界面达到特定的键合强度。30.传统的微机电系统传感器通常采用硅氧键合（即为氧化硅层与单晶硅层的键合）实现器件片以及盖帽片之间的键合，硅氧键合导致器件片以及盖帽片之间形成了绝缘连接，使得所述器件片和所述盖帽片之间需要各自接地连接，进一步使得传统的微机电系统传感器具有一定的局限性，以下将结合微机电系统传感器的结构以及制造方法进行详细地说明。31.图1示出了传统的微机电系统传感器的结构示意图，如图1所示，所述传感器10包括器件片（device）110和盖帽片（cap）120，其中，所述器件片110和所述盖帽片120键合在一起。32.所述器件片110包括第一衬底111、第一介质层112、引线层113、第一导电层114、第二导电层115以及功能层116。所述盖帽片120包括第二衬底121、位于所述第二衬底121第一表面的第二介质层122以及位于所述第二衬底121第二表面的接地电极1231，所述第一表面和第二表面相对。33.所述盖帽片120通过所述第二介质层122与所述器件片110的功能层116键合在一起，所述第二介质层122例如为二氧化硅（sio2）层，所述功能层116例如为单晶硅层，所述盖帽片120和所述器件片110之间通过硅（单晶硅）氧（二氧化硅）键合在一起。34.所述接地电极1231用于实现所述传感器10的接地，以屏蔽所述传感器10，防止电磁辐射以及静电积累给所述传感器10带来的损伤。35.图2a至图2d示出了传统的微机电系统传感器在制造过程中各个阶段的截面图，以下将结合图2a至图2d对本发明实施例的微机电系统传感器的制造方法进行说明。36.如图2a所示，形成所述器件片110。其中，所述器件片110包括第一衬底111、第一介质层112、引线层113、第一导电层114、第二导电层115以及功能层116。37.如图2b所示，提供第二衬底121，并且在所述第二衬底121的第一表面上形成凹槽1211。38.该步骤中，例如在所述第二衬底121的第一表面上形成抗蚀剂层，采用光刻工艺图形化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模，以及经由抗蚀剂掩模刻蚀所述第二衬底121，以形成凹槽1211。39.如图2c所示，例如通过淀积在所述第二衬底121的第一表面上形成第二介质层122。其中，所述第二介质层122覆盖所述第二衬底121的第一表面以及所述凹槽1211的槽底面和槽侧壁。所述第二介质层122例如为二氧化硅（sio2）。40.如图2d所示，将所述器件片和所述盖帽键合在一起。其中，所述第二介质层122（sio2）和所述功能层116（单晶硅）为键合主体，实现硅氧键合。41.进一步地，在所述第二衬底121的第二表面上形成第三导电层，并且对所述第三导电层进行刻蚀以形成接地电极1231，所述接地电极1231连接导线，以实现所述微机电系统传感器的接地连接，具体如图1所示。42.该步骤中，例如通过淀积在所述第二衬底121的第二表面上形成第三导电层，在所述第三导电层远离所述第二衬底121的表面上形成抗蚀剂层，采用光刻工艺图形化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模，以及经由抗蚀剂掩模刻蚀所述第三导电层，以形成接地电极1231。43.本实施例中，所述器件片110和盖帽片120键合之后，在所述第二衬底121的第二表面沉积第三导电层，对所述第三导电层刻蚀以形成所述接地电极1231，并且在所述接地电极1231上打线。上述形成所述接地电极1231的工艺繁琐，不利于批量生产效率的提高以及成本的下降；可靠性较低。44.图3示出了本发明实施例的微机电系统传感器的结构示意图，如图3所示，所述传感器20包括键合在一起的器件片（device）210和盖帽片（cap）220。45.其中，所述器件片210包括第一衬底211、第一介质层212、引线层、第一导电层、第二导电层215以及功能层216。46.所述第一介质层212位于所述第一衬底211上，所述引线层埋设于所述第一介质层212内部。所述引线层包括第一引线2131和第二引线2132。其中，所述第一引线2131贯穿所述第一介质层212的厚度，所述第一引线2131在靠近所述第一衬底211的一侧与所述第一衬底211接触，以与所述第一衬底211形成导电连接，所述第一引线2131在远离所述第一衬底211的一侧与所述第一导电层（具体为接地电极2141）接触，以与所述第一导电层（具体为接地电极2141）形成导电连接；所述第二引线2132在靠近所述第一衬底211的一侧与所述第一衬底211分离，且通过所述第一介质层212与所述第一衬底211电性隔离；所述第二引线2132在远离所述第一衬底211的一侧与所述第一导电层（具体为外接电极2142和/或连接电极2143）接触，以与所述第一导电层（具体为外接电极2142和/或连接电极2143）形成电连接。47.本实施例中，所述第一介质层212为绝缘层，用于实现对所述引线层和所述第一导电层的支撑，并且实现所述引线层（具体为第二引线2132）和所述第一导电层与所述第一衬底211之间的电性隔离。所述第一衬底211例如为硅衬底；所述第一介质层212例如为sio2，sin或al2o3等无机绝缘层，例如为二氧化硅（sio2）层。48.所述第一引线2131将所述第一衬底211连接至所述接地电极2141，实现所述第一衬底211的接地连接；所述地第二引线2132将所述连接电极2143之间互连或者将所述连接电极2143与所述外接电极2142之间电连接。所述引线层例如为铝、锗、锌、金、铟等导电材料层中的一种或者几种。49.所述第一导电层位于所述第一介质层212远离所述第一衬底211的表面；所述第一导电层被刻蚀形成相互分离的接地电极2141、外接电极2142、连接电极2143以及支撑电极2144。其中，所述接地电极2141经由所述第一引线2131与所述第一衬底211导电连接，所述支撑电极2144位于所述第一介质层212的表面，经由所述第一介质层212与所述第一衬底211以及所述第一介质层212内部的引线层电性隔离；所述连接电极2143与所述第一介质层212内的第二引线2132电连接；所述外接电极2142经由所述第一介质层212内的第二引线2132与所述连接电极2143中的一个或者多个电连接。50.所述第二导电层215位于所述第一导电层的表面，所述第二导电层215用于实现所述功能层216与第一导电层之间的密封以及电连接。51.本实施例中，所述第一导电层以及所述第二导电层例如为铝、锗、锌、金、铟等导电材料层中的一种或者几种。52.所述功能层216位于所述第二导电层215上，所述功能层216被刻蚀形成质量块。所述质量块下方的部分第一导电层以及第二导电层215被去除，形成空腔2161，同时将所述质量块释放，使得质量块可活动以形成可动质量块216a。所述可动质量块216a产生位移时，改变与侧壁电极之间的间距，从而可以检测到的x/y轴方向的电容信号，以实现对惯性的检测。本实施例中，所述功能层216例如为单晶硅层。53.所述盖帽片220包括第二衬底221、位于所述第二衬底221第一表面的第二介质层222以及位于所述第二介质层222表面的第三导电层223。54.其中，所述第二介质层222上具有贯穿所述第二介质层222厚度方向的通孔，即经由所述通孔暴露出所述第二衬底221的第一表面。所述第三导电层223覆盖所述第二介质层222的表面，并且填充所述第二介质层222上的通孔，经由所述通孔与所述第二衬底221的第一表面接触，以实现所述第三导电层223与所述第二衬底221的电连接。55.其中，所述通孔的截面形状为圆形、椭圆形、多边形、环形以及不规则图形中的任意一种。56.本实施例中，所述第二衬底221例如为硅衬底，所述第二介质层222例如为sio2，sin或al2o3等无机绝缘层，所述第三导电层223例如为多晶硅层。57.所述盖帽片120通过第三导电层223与所述器件片110的功能层216键合在一起。所述第三导电层223与所述功能层216之间实现多晶硅与单晶硅之间的键合，进而所述第二衬底221经由第三导电层223、功能层216、第二导电层215与接地电极2141电连接，同时，所述第一衬底211经由所述引线层（具体为第一引线2131）与接地电极2141电连接，由此实现第一衬底211以及第二衬底221的接地连接，以屏蔽所述传感器20，防止电磁辐射以及静电积累给所述传感器20带来的损伤。58.图4示出了本发明实施例的微机电系统传感器的制造方法的流程图，图5a至图5d示出了本发明实施例的微机电系统传感器在制造过程中各个阶段的截面图，以下将结合图4以及图5a至图5d对本发明实施例的微机电系统传感器的制造方法进行说明。59.步骤s10：形成器件片210。60.如图5a所示，所述器件片210包括第一衬底211、第一介质层212、引线层、第一导电层、第二导电层215以及功能层216。61.所述第一介质层212位于所述第一衬底211上，所述引线层埋设于所述第一介质层212内部。所述引线层包括第一引线2131和第二引线2132。其中，所述第一引线2131贯穿所述第一介质层212的厚度，所述第一引线2131在靠近所述第一衬底211的一侧与所述第一衬底211接触，以与所述第一衬底211形成导电连接，所述第一引线2131在远离所述第一衬底211的一侧与所述第一导电层（具体为接地电极2141）接触，以与所述第一导电层（具体为接地电极2141）形成导电连接；所述第二引线2132在靠近所述第一衬底211的一侧与所述第一衬底211分离，且通过所述第一介质层212与所述第一衬底211电性隔离；所述第二引线2132在远离所述第一衬底211的一侧与所述第一导电层（具体为外接电极2142和/或连接电极2143）接触，以与所述第一导电层（具体为外接电极2142和/或连接电极2143）形成电连接。62.本实施例中，所述第一介质层212为绝缘层，用于实现对所述引线层和所述第一导电层的支撑，并且实现所述引线层（具体为第二引线2132）和所述第一导电层与所述第一衬底211之间的电性隔离。所述第一衬底211例如为硅衬底；所述第一介质层212例如为sio2，sin或al2o3等无机绝缘层，例如为二氧化硅（sio2）层。63.所述第一引线2131将所述第一衬底211连接至所述接地电极2141，实现所述第一衬底211的接地连接；所述地第二引线2132将所述连接电极2143之间互连或者将所述连接电极2143与所述外接电极2142之间电连接。所述引线层例如为铝、锗、锌、金、铟等导电材料层中的一种或者几种。64.所述第一导电层位于所述第一介质层212远离所述第一衬底211的表面；所述第一导电层被刻蚀形成相互分离的接地电极2141、外接电极2142、连接电极2143以及支撑电极2144。其中，所述接地电极2141经由所述第一引线2131与所述第一衬底211导电连接，所述支撑电极2144位于所述第一介质层212的表面，经由所述第一介质层212与所述第一衬底211以及所述第一介质层212内部的引线层电性隔离；所述连接电极2143与所述第一介质层212内的第二引线2132电连接；所述外接电极2142经由所述第一介质层212内的第二引线2132与所述连接电极2143中的一个或者多个电连接。65.所述第二导电层215位于所述第一导电层的表面，所述第二导电层215用于实现所述功能层216与第一导电层之间的密封以及电连接。66.本实施例中，所述第一导电层以及所述第二导电层例如为铝、锗、锌、金、铟等导电材料层中的一种或者几种。67.所述功能层216位于所述第二导电层215上，所述功能层216被刻蚀形成质量块。所述质量块下方的部分第一导电层以及第二导电层215被去除，形成空腔2161，同时将所述质量块释放，使得质量块可活动以形成可动质量块216a。所述可动质量块216a产生位移时，改变与侧壁电极之间的间距，从而可以检测到的x/y轴方向的电容信号，以实现对惯性的检测。本实施例中，所述功能层216例如为单晶硅层。68.步骤s20：提供第二衬底221，并且在所述第二衬底221的第一表面形成具有通孔的第二介质层222。69.如图5b所示，例如通过淀积在所述第二衬底221的第一表面形成第二介质层222；在所述第二介质层222的第一表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺图形化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模，以及经由抗蚀剂掩模刻蚀所述第二介质层222，以形成通孔2221，经由所述通孔2221暴露出所述第二衬底221的第一表面。70.其中，所述通孔的截面形状为圆形、椭圆形、多边形、环形以及不规则图形中的任意一种。71.所述第二衬底221为半导体衬底，例如为硅衬底等，所述第二介质层222为绝缘层，例如sio2，sin或al2o3等。在一个具体的实施例中，所述第二衬底221为硅衬底，所述第二介质层为sio2层。72.步骤s30：在所述第二介质层222远离所述第二衬底221的表面形成第三导电层223。73.如图5c所示，例如通过淀积在所述第二介质层222远离所述第二衬底221的表面形成第三导电层223。其中，所述第三导电层223覆盖所述第二介质层222远离所述第二衬底221的表面，并且填充所述通孔2221，经由所述通孔2221与所述第二衬底221的第一表面接触。74.在淀积形成所述第三导电层223之后，对所述第三导电层223远离所述第二介质层222的表面进行平坦化（chemical mechanical planarization，cmp）处理，以在所述第三导电层223远离所述第二介质层222的一侧获取光滑、平坦的表面。75.本实施例中，所述第三导电层223为多晶硅层，所述多晶硅一方面经由所述通孔2221实现与所述第二衬底221之间的导电连接，另一方面作为键合层与器件片210实现键合。76.步骤s40：对所述第三导电层223、第二介质层222以及第二衬底221进行刻蚀，形成凹槽2211。77.如图5d所示，在所述第三导电层223的远离所述第二介质层222的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺图形化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模，以及经由抗蚀剂掩模刻蚀所述第三导电层223、第二介质层222以及第二衬底221，以形成凹槽2211。在后续所述器件片210与所述盖帽片220键合之后，所述凹槽2211形成供质量块活动的腔体。78.步骤s50：将所述盖帽片220的第三导电层223与所述器件片210的功能层216键合在一起，形成如图3所示的传感器20。79.该步骤中，首先对所述功能层216的表面以及所述第三导电层223的表面进行湿法活化。具体地，在所述功能层216的表面以及所述盖帽片220的第三导电层223表面分别形成氧化层，所述氧化层作为后续键合的媒介层。80.本实施例中，例如通过湿法清洗工艺在所述功能层216表面以及所述第三导电层223表面形成氧化层，其中，在清洗的过程中，清洗液对所述功能层216（单晶硅）以及所述第三导电层223（多晶硅）表面进行氧化，进而在功能层216的表面以及所述第三导电层223表面形成氧化层，所述氧化层作为后续键合的媒介层。81.在一个具体地实施例中，所述氧化层的厚度小于5埃米，所述氧化层在该厚度下不会影响所述功能层216以及所述第三导电层223之间的导电，防止过厚的氧化层在功能层216与所述第三导电层223之间形成绝缘性隔离。82.进一步地，将所述盖帽片220的第三导电层223与所述器件片210的功能层216进行预键合。83.在预键合过程中，将所述功能层216和所述第三导电层223的表面贴合在一起，所述功能层216和第三导电层表面的氧化层表面悬挂大量的羟基基团或者h2o分子。在所述功能层216和所述第三导电层223的表面贴合在一起时，羟基基团通过水分子的桥接，形成稳定的h-o...h氢键结构，即所述功能层216和所述第三导电层223的表面通过范德华力吸附在一起。84.进一步地，对贴合在一起的盖帽片220和器件片210进行退火，至此完成所述盖帽片220和器件片210的键合。具体地，退火温度例如为900℃~1200℃，退火时间例如20min~50min。85.本实施例中，键合主体为所述功能层216（单晶硅）和所述第三导电层223（多晶硅），进而实现了硅-硅键合。本发明实施例通过第三导电层223与所述功能层216之间的键合，同时实现所述第一衬底211和所述第二衬底221的接地连接，能够实现所述传感器20的批量接地；同时所述第二衬底以及所述第一衬底的接地连接牢固稳定，提高了器件的可靠性。86.进一步地，本发明实施例省略了在所述第二衬底上淀积形成导电层，并且对导电层进行光刻、刻蚀形成接地电极以及在接地电极上打线的步骤，使得制造工艺更加简易，可操作性强。87.进一步地，在所述功能层以及所述第三导电层的表面分别形成一层氧化层，且所述氧化层的厚度小于5埃米。所述氧化层在该厚度下不会影响功能层以及第三导电层之间的导电，以防止所述氧化层过厚使得所述器件片和所述盖帽片之间形成绝缘性隔离。88.依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。