Mems器件及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电领域，特别涉及一种MEMS器件及其形成方法。
【背景技术】
[0002]MEMS (Micro Electro Mechanical System,微机电装置)技术是今年来高速发展的一项高新技术，是对微米/纳米(micro/nanotechnology)材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。目前，在市场上应用比较普遍的MEMS器件包括加速度传感器和压力传感器。
[0003]MEMS加速度传感器是一种利用惯性进行测量的装置。根据传感原理不同，主要有压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式、热电耦合式和电磁式等。MEMS加速度传感器在消费电子类领域主要应用在手机、游戏机等便携式设备中；在汽车领域，主要应用于汽车电子稳定系统(ESP或者ESC)比如汽车安全气囊、车辆姿态测量等、或GPS辅助导航系统；在军用或者宇航领域，主要应用于通讯卫星无线、导弹导引头等。
[0004]另外所述MEMS压力传感器是一种用于检测压力的装置，目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子比如TPMS(轮胎压力监测系统)，消费电子比如胎压计、血压计，工业电子比如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等领域。现有的MEMS压力传感器结构包括:半导体基底；位于半导体基底上的下电极；位于下电极上的敏感膜(上电极)，敏感膜与下电极之间具有空腔；位于半导体基底上的支撑所述敏感膜的支撑结构。
[0005]如前所述，各种传感器在消费类电子、汽车电子以及工业电子中均有广泛的应用，但由于各种传感器的制作与封装方法之间的明显差异，迄今为止仍未有集成化传感器产品进入市场。目前MEMS加速度传感器和MEMS压力传感器已经在汽车轮胎的TPMS(轮胎压力监控系统)中有所应用，然而现在的加速度传感器、压力传感器芯片是分开设计制作，然后封装再一起的。由于各种传感器分别设计制作并封装在一起，这使得现有的集成多种传感器的MEMS器件的工艺复杂、体积较大、成本较高。
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题是怎样使得提高MEMS器件的体积以及使得加速度传感器的制作工艺与压力传感器的制作工艺兼容。
[0007]为解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件的形成方法，包括:提供衬底，所述衬底中形成有集成电路；在所述衬底上形成第一介质层，在所述第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端，第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连；在第一介质层上形成第二介质层，所述第二介质层中形成有加速度传感器，所述加速度传感器与第一金属连接端电连接；提供半导体基底，将半导体基底与第二介质层键合；在半导体基底和第二介质层中形成若干第一金属插塞，第一金属插塞与第二金属连接端电连接；在半导体基底上形成压力传感器，所述压力传感器与第一金属插塞电连接。
[0008]可选的，所述加速度传感器和压力传感器形成的具体过程为:在第一金属连接端上形成第一电极材料层，相邻第一电极材料层之间具有第一开口 ；在第一开口内和部分第一介质层上形成第一子介质层，第一子介质层的表面低于第一电极材料层的表面；在第一开口内的第一子介质层表面形成第一牺牲层，第一牺牲层的表面与第一电极材料层的表面齐平；形成覆盖所述第一子介质层的第二子介质层，所述第二子介质层中具有第二开口，所述第二开口底部暴露出第一牺牲层和第一电极材料层的表面；在所述第二开口中填充满第二电极材料层；刻蚀所述第一牺牲层上的部分第二电极材料层，形成悬臂，所述悬臂作为加速度传感器的可动电极，第一电极材料层上剩余的第二电极材料层构成加速度传感器的固定电极，悬臂与固定电极之间形成空腔；形成填充满空腔的第二牺牲层；在所述悬臂、第二牺牲层和第二子介质层上形成第三子介质层，第一子介质层、第二子介质层和第三子介质层构成第二介质层；在第三子介质层中形成暴露悬臂表面的刻蚀孔；在所述第二牺牲层上方的第三子介质层表面上形成第一金属层,所述第一金属层填充刻蚀孔与悬臂电连接；刻蚀所述第一金属层和第三子介质层，在第一金属层中第三子介质层中形成若干第三开口，所述第三开口暴露出第二牺牲层，所述第三开口的位置与空腔的位置相对应；沿第三开口去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，形成第一空腔，释放出悬臂；提供半导体基底，将半导体基底与第二介质层上的第一金属层键合，所述半导体基底封闭第三开口 ；在所述半导体基底上形成第二金属层；在部分第二金属层上形成第三牺牲层；在所述第三牺牲层侧壁和顶部表面上形成第三电极材料层，所述第三电极材料层作为压力传感器的敏感膜；刻蚀所述第三电极材料层，在所述第三电极材料层中形成若干第四开口，所述第四开口暴露出第三牺牲层；沿第四开口去除所述第三牺牲层，形成第二空腔。
[0009]可选的，所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的材料为无定形碳。
[0010]可选的，去除所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的工艺为低温炉管氧化工艺。
[0011]可选的，所述低温炉管氧化工艺米用的气体为氧气，温度为180?250摄氏度。
[0012]可选的，所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的材料为掺杂的硅锗。
[0013]可选的，所述硅锗中掺杂的离子为P型杂质离子和N型杂质离子。
[0014]可选的，所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的应力为 _20Mpa ?20Mpa。
[0015]可选的，形成所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的工艺为低温低压炉管沉积工艺。
[0016]可选的，所述低温低压炉管沉积工艺采用的硅源气体为GeH4或Si2H6，锗源气体为GeH2，腔室温度为420?450摄氏度，腔室压力为200?600毫托。
[0017]可选的,所述第一电极材料层的厚度为4500?5500埃,所述第二电极材料层的厚度为19000?21000埃，所述第三电极材料层的厚度为3500?4500埃。
[0018]可选的，在形成悬臂的同时，形成支撑所述悬臂的支持结构。
[0019]可选的，所述悬臂包括第一悬臂和第二悬臂，第一悬臂沿第一方向排布，第二悬臂沿第二方向排布，第一方向与第二方向垂直。
[0020]可选的，所述半导体基底的材料为锗。
[0021]可选的，所述第一介质层中还形成有若干第三金属连接端，所述第二介质层和半导体基底中还形成有若干第二金属插塞，第二金属插塞与第三金属连接端电连接，所述第二金属插塞上形成有第一外接焊盘。
[0022]本发明还提供了一种MEMS器件，包括:衬底，所述衬底中形成有集成电路；位于衬底上的第一介质层，所述第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端，第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连；位于第一介质层上的第二介质层，所述第二介质层中形成有加速度传感器，所述加速度传感器与第一金属连接端电连接；位于第二介质层上与第二介质层键合的半导体基底；位于半导体基底和第二介质层中若干第一金属插塞，第一金属插塞与第二金属连接端电连接；位于半导体基底上的压力传感器，所述压力传感器与第一金属插塞电连接。
[0023]可选的，所述加速度传感器包括若干固定电极，相邻固定电极之间具有第一空腔，第一空腔内具有悬臂，所述固定电极与第一金属连接端相连。
[0024]可选的，位于固定电极和悬臂上的隔离层，位于隔离层上的第一金属层，第一金属层和隔离层中具有若干开口，所述开口的位置与第一空腔的位置相对应，所述第一金属层通过隔离层的刻蚀孔与悬臂电连接。
[0025]可选的，所述压力传感器包括第二金属层，位于第二金属层上的敏感膜，所述敏感膜和第二金属层之间具有第二空腔。
[0026]可选的，所述第一金属层通过位于半导体基底中的第三金属插塞与第二金属层电连接，所述第一金属层还与第一金属插塞电连接。
[0027]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0028]所述MEMS器件的形成方法，提供形成有集成电路的衬底；在所述衬底上形成第一介质层，在所述第一介质层中形成有若干第一金属连接端和第二金属连接端，第一金属连接端和第二金属连接端与集成电路电相连；提供半导体基底，将半导体基底与第二介质层键合；在半导体基底和第二介质层中形成若干第一金属插塞，第一金属插塞与第二金属连接端电连接；在半导体基底上形成压力传感器，所述压力传感器与第一金属插塞电连接。通过垂直整合的方式将加速度传感器和压力传感器形成在衬底上，加速度传感器和压力传感器分别与衬底中的集成电路电连接，实现两者的集成制作，压力传感器位于加速度传感器上方，加速度传感器和压力传感器的在工作时不会受到相互影响，并且减小了 MEMS器件的体积。另外，通过键合的方式使得半导体基底和第二介质层牢固的连接。
[0029]进一步，所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的材料为无定形碳，第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层的材料为无定形碳时，可以通过低温炉管氧化工艺去除所述第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层，防止高温工艺对集成电路的影响。另外，由于MEMS器件的形成过程中会形成很多空腔，采用低温炉管氧化工艺去除第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层，也可以防止采用湿法刻蚀去除第一牺牲层时，刻蚀溶液不易排布而残留在空腔内对MEMS器件造成腐蚀。
[0030]进一步，所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的材料为硅锗，可以采用低温低压的炉管工艺形成所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层，在形成的过程中防止高温工艺对底部的集成电路造成损害，并且形成的第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的应力较小，防止第二电极材料层形成的可动电极和固定电极以及第三电极材料层形成的敏感膜在由于应力过大而产生变形，另外硅锗材料制成的悬臂检测过程中受作用力产生偏移后，在作用力消除时具有良好的原位复位性能，硅锗材料制成的敏感膜在检测过程中受作用力产生偏移后，在作用力消除时具有良好的原位复位性能。
[0031]进一步，形成所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的工艺为低温低压炉管沉积工艺，所述低温低压炉管沉积工艺采用的硅源气体为GeH4或Si2H6，锗源气体为GeH2，腔室温度为420?450摄氏度，腔室压力为200?600毫托，使形成的所述第一电极材料层、第二电极材料层和第三电极材料层的应力为_20Mpa?20Mpa。
[0032]本发明的MEMS器件，加速度传感器位于衬底上，压力传感器位于加速度传感器上，加速度传感器和压力传感器垂直整合在衬底上，减小了 MEMS器件的体积，提高了集成度。
【附图说明】
[0033]图1?图20为本发明实施例MEMS器件形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]如【背景技术】所言，现有的加速度传感器和压力传感器的制作工艺在不同的平台进行，制作成本较高，并且将加速度传感器和压力传感器封装在一起以满