运动传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种运动传感器及其制造方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)运动传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的运动传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

MEMS运动传感器需要和集成电路芯片连接在一起，MEMS运动传感器与集成电路芯片之间的通讯主要以引线连接为主，引线之间和引线与外部的噪声信号容易混入集成电路芯片中，且引线过多会给封装带来一定的局限。因此目前，采用将CMOS晶圆与MEMS晶圆键合在一起以实现二者的直接通讯，以形成运动传感器。

现有技术中，采用共晶键合工艺将带有微动结构图形的CMOS晶圆与MEMS晶圆键合在一起，形成一个密闭的空腔，避免外界因素对结构的影响，造成器件性能出现问题。而现有技术中通过光刻和刻蚀以在MEMS晶圆上形成锗键合层时，会导致最终形成的锗键合层薄膜会逐渐变薄，导致最终键合效果不佳，器件失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动传感器及其制造方法，以解决现有的运动传感器制备过程中键合效果不佳，器件失效的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种运动传感器，包括：

MEMS晶圆，所述MEMS晶圆包括相互键合的第一晶圆和第二晶圆，其中，所述第一晶圆具有空腔结构，所述第二晶圆远离所述空腔结构的表面上形成第一键合层和第二键合层；

CMOS晶圆，所述CMOS晶圆包括第一衬底，依次形成在所述第一衬底上的电极层和与所述第二键合层键合的第三键合层，其中，形成所述第二键合层和形成所述第三键合层的材料相同。

可选的，形成所述第一键合层的材料为锗，形成所述第二键合层和所述第三键合层的材料为铝。

为解决上述问题，本发明还提供一种运动传感器的制造方法，包括：

形成MEMS晶圆，所述MEMS晶圆包括：相互键合的第一晶圆和第二晶圆，其中，所述第一晶圆具有空腔结构；所述第二晶圆远离所述空腔结构的表面上形成第一键合层和第二键合层；

形成CMOS晶圆，所述CMOS晶圆包括多个第一衬底，依次形成在所述第一衬底上的电极层和第三键合层，其中，形成所述第二键合层和形成所述第三键合层的材料相同；

键合所述第二键合层和所述第三键合层，以键合所述MEMS晶圆和所述CMOS晶圆。

可选的，形成所述金属层的材料为锗，形成所述第二键合层和所述第三键合层的材料为铝。

可选的，所述第一键合层的厚度为

可选的，所述第二键合层的厚度为

可选的，所述第三键合层的厚度为

可选的，键合所述MEMS晶圆和所述CMOS晶圆的方法包括：

对准所述MEMS晶圆和所述CMOS晶圆；

对所述MEMS晶圆和所述CMOS晶圆施加键合力，以键合所述第二键合层和所述第三键合层；

对所述MEMS晶圆和所述CMOS晶圆加热，以融合所述第一键合层、所述第二键合层以及所述第三键合层。

可选的，所述键合力的范围为：20000N-60000N。

可选的，对所述MEMS晶圆和所述CMOS晶圆加热的温度范围为：410℃-450℃。

本发明的一种运动传感器及其制造方法，由于在MEMS晶圆上的第一键合层上又形成第二键合层，并使形成第二键合层的材料与形成在CMOS上的第三键合层的材料相同，如此以使通过执行光刻和刻蚀工艺形成第一键合层和第二键合层时，第二键合层能够保护第一键合层以避免第一键合层在光刻或刻蚀工艺中出现厚度损失的问题，从而保证了相互键合的第二键合层和第三键合层的总厚度与第一键合层的厚度的比值保持稳定，进而提升键合效果，避免器件失效。

附图说明

图1是本发明一实施例中的运动传感器的结构示意图；

图2是本发明一实施例中的运动传感器的制造方法的流程示意图；

图3～图5是本发明一实施例中的运动传感器的制造方法在其制备过程中的结构示意图。

其中，附图标记如下：

1-MEMS晶圆；

11-第一晶圆；

111-第二衬底；                 112-第一介质层；

12-第二晶圆；                  13-第一键合层；

14-第二键合层；

2-CMOS晶圆；

21-第一衬底；                  22-集成电路模块层；

23-电极层；                    24-第二介质层；

25-第三键合层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种运动传感器及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。本发明的宗旨在于：在MEMS晶圆上的第一键合层上又形成第二键合层，并使形成第二键合层的材料与形成在CMOS上的第三键合层的材料相同，如此以使通过执行光刻和刻蚀工艺形成第一键合层和第二键合层时，第二键合层能够保护第一键合层以避免第一键合层在光刻或刻蚀工艺中出现厚度损失的问题，从而保证了相互键合的第二键合层和第三键合层的总厚度与第一键合层的厚度的比值保持稳定，进而提升键合效果，避免器件失效。。

图1是本发明一实施例中的运动传感器的结构示意图。如图1所示，本发明的运动传感器，包括：MEMS晶圆和CMOS晶圆，其中，MEMS晶圆包括相互键合的第一晶圆11和第二晶圆12，其中，所述第一晶圆11具有空腔结构A，所述第二晶圆12远离所述空腔结构A的表面上形成第一键合层13和第二键合层14。

所述CMOS晶圆2包括多个第一衬底21，依次形成在所述第一衬底21上的电极层23和与所述第二键合层14键合的第三键合层25，其中，形成所述第二键合层14和形成所述第三键合层25的材料相同。

在本实施例中，由于形成在所述MEMS晶圆1上的第一键合层13上又形成第二键合层14，并使形成所述第二键合层14的材料与形成在所述CMOS上的第三键合层25的材料相同，如此以使通过执行光刻和刻蚀工艺形成第一键合层13和第二键合层14时，第二键合层14能够保护第一键合层13以避免第一键合层13在光刻或刻蚀工艺中出现厚度损失的问题，从而保证了相互键合的第二键合层14和第三键合层25的总厚度与第一键合层13的厚度的比值保持稳定，进而提升键合效果，避免器件失效。

此外，在本实施例中，形成所述第一键合层14的材料为锗，形成所述第二键合层15和所述第三键合层25的材料为铝。

进一步的，继续参图1所示，在本实施例中，所述第一晶圆12包括第二衬底111，和形成在所述第二衬底111上的第一介质层112，其中，形成第一介质层112的材料为氧化硅。所述第二晶圆12中还具有传感器结构模块(未标示)，所述传感器结构模块包括固定电极和可动电极，基于固定电极和可动电极构成的电容器的电容发生改变，检测出运动传感器上的信息改变。所述空腔结构201的位置对应MEMS晶圆1中的可动电极的位置，为所述可动电极的运动提供空间。

所述CMOS晶圆2还包括形成在所述第一衬底21上的集成电路模块层22，所述电极层23形成在所述集成电路模块层22上，且所述电极层23和所述第三键合层25之间还形成有第二介质层24。其中，第二介质层24暴漏出部分电极层23的顶表面，所述电极层23暴漏出的表面用于后续连接所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2。在本实施例中，形成所述第二介质层24的材料为氧化硅。继续参图1所示，在本实施例中，所述第三键合层24与所述第二键合层23对准键合。

此外，在本实施例中，所述第一衬底21和所述第二衬底111可以包括半导体材料、绝缘材料、导体材料或者它们的任意组合，可以为单层结构，也可以包括多层结构。因此，衬底可以是诸如Si、SiGe、SiGeC、SiC、GaAs、InAs、InP和其它的III/V或II/VI化合物半导体的半导体材料。也可以包括诸如，例如Si/SiGe、Si/SiC、绝缘体上硅(SOI)或绝缘体上硅锗的层状衬底。

图2是本发明一实施例中的运动传感器的制造方法的流程示意图。图2～图5是本发明一实施例中的运动传感器的制造方法在其制备过程中的结构示意图；下面结合附图图2～图5对本实施例提供的运动传感器的制造方法其各个步骤进行详细说明，下述详细说明不脱离上述发明主旨。

在步骤S10中，如图3所示，形成MEMS晶圆1，所述MEMS晶圆1包括：相互键合的第一晶圆11和第二晶圆12，其中，所述第一晶圆11具有空腔结构A；所述第二晶圆12远离所述空腔结构A的表面上形成有第一键合层13和第一键合层14。

在本实施例中，形成所述MEMS晶圆的方法包括如下步骤一和步骤二。

在步骤一中：如图3所示形成第一晶圆11。在本实施例中，形成所述第一晶圆11的方法包括：首先提供第二衬底111，之后刻蚀所述第二衬底111以形空腔结构A，最后在形成所述空腔结构A的衬底111的侧壁以及顶表面沉积第一介质材料以形成第一介质层112。在本实施例中，沉积的所述第一介质材料层的材料为氧化硅。

在步骤二中，继续参图3所示，形成第二晶圆12，其中，所述第二晶圆12内形成有传感器结构模块(未标示)，所述传感器结构模块包括固定电极和可动电极，基于固定电极和可动电极构成的电容器的电容发生改变，检测出运动传感器上的信息改变。

在第三步骤中，在所述第二晶圆12远离所述空腔结构A的表面上形成第一键合层13和第一键合层14。在本实施例中，形成所述第一键合层13的材料为锗，形成所述第二键合层14的材料为铝。其中，在本实施例中，所述第一键合层13的厚度为

以及，形成所述第一键合层13和所述第二键合层14的方法包括：在所述第二晶圆12远离所述空腔结构A的表面上依次形成第一键合材料层和第二键合材料层和光阻层，以所述光阻层为掩膜依次刻蚀所述第一键合材料层和所述第二键合材料层以形成所述第一键合层13和所述第二键合层14。

在步骤S20中，如图4所示，形成CMOS晶圆2，所述CMOS晶圆2包括多个第一衬底21，依次形成在所述第一衬底21上的电极层23和第三键合层25，其中，形成所述第二键合层14和形成所述第三键合层25的材料相同。

其中，继续参图4所示，形成所述CMOS晶圆2的方法包括如下第一步骤到第三步骤。

在第一步骤中，提供第一衬底21，并在所述第一衬底21上依次形成所述集成电路模块层22和所述电极层23。其中形成所述电极层23的方法包括：在所述集成电路模块层22上形成电极材料层，之后刻蚀所述电极材料层以形成所述电极层23。

在第二步骤中，在所述电极层23上形成第二介质层24，第二介质层24暴漏出部分电极层23的顶表面，所述电极层23暴漏出的表面用于后续连接所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2。

在第三步骤中，在所述第二介质层24上形成第三键合层25。在本实施例中，形成所述第二介质层24的材料为氧化硅，形成所述第三键合层25的材料为铝。

所述第二键合层的厚度为

参图5所示，在步骤S30中，键合所述第二键合层14和所述第三键合层25，以键合所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2。

在本实施例中，由于形成在所述MEMS晶圆1上的第一键合层13上又形成第二键合层14，并使形成所述第二键合层14的材料与形成在所述CMOS上的第三键合层25的材料相同，如此以使通过执行光刻和刻蚀工艺形成第一键合层13和第二键合层14时，第二键合层14能够保护第一键合层13以避免第一键合层13在光刻或刻蚀工艺中出现厚度损失的问题，从而保证了相互键合的第二键合层14和第三键合层25的总厚度与第一键合层13的厚度的比值保持稳定，进而提升键合效果，避免器件失效。

其中，在本实施例中，键合所述MEMS晶圆和所述CMOS晶圆的方法包括如下步骤。

首先，对准所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2。此外，在对准所示MEMS晶圆1和所示CMOS晶圆2之前，所述方法还包括：将所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆预热至380℃-410℃。较佳的，将所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2预热至400℃。

之后，对所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2施加键合力，以键合所述第二键合层14和所述第三键合层25。在本实施力中，所述键合力的范围为：20000N-60000N，较佳的，施加40000N的键合力。此外，在本实施例中，施加所述键合力的时间为1分钟至3分钟，较佳的，施加所述键合力的时间为2分钟。

最后，对所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2升温加热，以融合所述第一键合层13、所述第二键合层14以及所述第一键合层25。其中，对所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2加热的温度范围为：410℃-450℃，较佳的，施加所述键合力的温度为430℃。此外，在本实施例中，对所述MEMS晶圆1和CMOS晶圆2加热的时间为3分钟至10分钟，较佳的，对所述MEMS晶圆1和CMOS晶圆2加热的时间为5分钟。此外，在本实施例中，在对所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2升温加热的同时，所述方法还包括：继续对所述MEMS晶圆1和所述CMOS晶圆2施加所述键合力。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。