TWI387555B - 微機電系統晶片及其製作方法 - Google Patents
微機電系統晶片及其製作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI387555B TWI387555B TW98139395A TW98139395A TWI387555B TW I387555 B TWI387555 B TW I387555B TW 98139395 A TW98139395 A TW 98139395A TW 98139395 A TW98139395 A TW 98139395A TW I387555 B TWI387555 B TW I387555B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- substrate
- mems
- microelectromechanical
- region
- forming
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 63
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 46
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 claims description 38
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 14
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 11
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 10
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 7
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 6
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 6
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 claims description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- IGELFKKMDLGCJO-UHFFFAOYSA-N xenon difluoride Chemical compound F[Xe]F IGELFKKMDLGCJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Description
本發明有關於一種微機電系統晶片，也有關於此種系統晶片的製作方法。
微機電系統有各種應用，例如微聲壓傳感器、陀螺儀、加速度計等。大部份的微機電系統中包含微機電元件與其他微電子電路，必須互相整合，構成整合晶片。在其中一種先前技術中，微機電元件與微電子電路被置於晶圓同一表面，舉例而言可參閱圖1之平面圖，如圖所示，整合晶片中包含微機電元件區100和微電子電路元件(例如為CMOS元件)區200，且微機電元件區100由防護環120圍繞，以防止製作微機電元件的過程中因蝕刻損及微電子電路元件區200。
請參考圖2，圖2是沿圖1之A-A方向的剖面圖。在製作微電子電路元件和微機電元件的過程中，於基板11上，將沉積多層的介電層19(圖中未區分各層間的界線)，而在此種先前技術中，必須藉由蝕刻該介電層19，以在微機電元件區100形成可活動之微機電元件(未示出)，因此在微機電元件區100中將留下空間10。如前述，蝕刻介電層19時不宜損及微電子電路元件區200，因此乃設有防護環120，由多晶矽層12、金屬層15、16、17及18、及介電層19所構成。金屬層的數目可視微電子電路之內連線需求和微機電元件設計來決定。
為了在同一表面上製作微機電元件與微電子電路元件，必須在其間提供電氣連結。上述先前技術中是使用一層或多
層金屬層來達成此連結，例如圖2中之第二金屬層16。然而，既然使用到一層或多層金屬層，該等金屬層便必須穿越防護環120，而在其穿越防護環120的位置處將不能與防護環120的其他部分(圖示中的第一接觸層14、第一金屬層15)構成緊密封閉的結構，否則即造成短路。因此，此種先前技術中，在蝕刻製作微機電元件時將不能完全避免損及微電子電路元件區200。
此外，此種先前技術中，由於微機電元件與微電子電路設置於晶圓同一表面，因此較為耗用面積。
有鑑於以上所述，有必要提供一種結構，可在功能上連結微機電元件與微電子電路元件，而仍能保護微電子電路元件區的完整性，此外並可減少微機電系統晶片所佔的面積。
本發明之一目的在提供一種微機電系統晶片，其能保護微電子電路元件區的完整性，並佔據較少的面積。
本發明之另一目的在提供一種微機電系統晶片的製作方法。
為達上述之目的，就本發明的其中一個觀點而言，提供了一種微機電系統晶片，包含：第一基板，其具有相對之第一表面與第二表面；位於第一表面之微電子電路元件區；位於第二表面之第一微機電元件區；以及將該微電子電路元件區與該第一微機電元件區電性連接之導線結構。
就本發明的另一個觀點而言，提供了一種微機電系統晶片之製作方法，包含下列步驟：提供一第一基板，其具有相
對之第一表面與第二表面；於該第一表面上，形成微電子電路元件區；形成穿越第一基板的導線結構；於該第二表面上，形成第一微機電元件區；以及使微電子電路元件區與第一微機電元件區藉由該導線結構而電連接，其中該形成微電子電路元件區、形成穿越第一基板的導線結構、與形成第一微機電元件區之步驟可為任意順序。
上述微機電系統晶片與製作方法中，該第一基板可為矽晶絕緣體(silicon on insulator,SOI)材料。
上述微機電系統晶片與製作方法中，該導線結構可為直通矽晶穿孔(through silicon via,TSV)方法所形成。
上述微機電系統晶片與製作方法中，該第一微機電元件區中可包含一動件，該動件由該矽晶絕緣體材料中之矽晶部份所形成。
上述微機電系統晶片與製作方法中，可更提供一第二基板，並於第二基板上形成第二微機電元件區，且接合該第二基板與前述第一基板，使該第二微機電元件區與前述第一微機電元件區功能連接。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示製程步驟以及各層之間之上下次序關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。
本發明的主要概念為：在基板的兩面分別設置微電子電
路與微機電元件，並以導線結構來提供兩者間的功能連結，導線結構的較佳實施例為直通矽晶穿孔(through silicon via,TSV)。其步驟可以為：(一)先設置微電子電路、再製作導線結構、再製作微機電元件；(二)先設置微電子電路、再製作微機電元件、再製作導線結構；(三)先設置微機電元件、再製作導線結構、再製作微電子電路元件；(四)先設置微機電元件、再製作微電子電路元件、再製作導線結構；(五)先設置導線結構、再製作微機電元件、再製作微電子電路元件；(六)先設置導線結構、再製作微電子電路元件、再製作微機電元件。
在以上步驟完畢後，或在微機電元件製作完畢後，尚可提供一層包覆層，以覆蓋並密封該微機電元件，且此包覆層上尚可設置對應的微機電元件，與基板上的微機電元件交互作用，例如構成出平面感測器，等等。
以下就上述概念中之第(一)種製作方式，以實施例加以說明。參閱實施例之後，本技術領域之士當可類推應用至上述第(二)~(六)種製作方式中。
請參照圖3至圖9，在本實施例中，係提供一第一基板110作為微機電元件與微電子電路元件(例如為CMOS元件)之基板，如圖3所示，該基板可為矽晶絕緣體(silicon on insulator,
SOI)材料，其具有第一表面111與第二表面112，其間以絕緣體31隔離。如圖4所示，於第一基板110的第二表面112上，沉積一保護層51。此保護層51例如為未摻雜之多晶矽層，或其他可提供電氣隔絕功能的材料層。如圖5所示，於第一基板110的第一表面111上，形成微電子電路元件區200a，包含形成如摻雜區13a、閘極層12a、金屬層15a、16a、17a、18a、及鈍化層(passivation)19a等微電子電路元件區所需之組成層別，其方式例如可使用標準的CMOS製程。
圖6說明本實施例之導線結構300，在本實施例中，係於第一基板110第二表面112上使用直通矽晶穿孔方法形成導線結構300，構成微機電元件與微電子電路元件之功能連結導線，並於過程中去除保護層51。直通矽晶穿孔之典型製作方法係以蝕刻方式製作穿孔後，在穿孔內填入阻障層310(barrier)、再填入導體層320(conductor)，阻障層310材料例如可為鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭或以上材料之複合結構，阻障層310亦可視為黏著層(adhesion layer)，因其除達成阻障功能外亦可提高導體層320與基板110的黏著。導體層320材料可為常用之穿孔導體材料例如鎢、銅等。需注意者，雖然本發明之較佳實施例係使用直通矽晶穿孔方法形成導線結構300，但將微機電元件與微電子電路元件功能連結之方式不限於使用直通矽晶穿孔，亦可為其他方式如：透過晶片外部之連接線(wire bond)來連接，此亦屬本發明的範圍。
接著參閱圖7，於第一基板110之第二表面112上，藉由蝕刻形成第一微機電元件區400；蝕刻方式視基板材質與所欲形成的微機電元件形狀而定，當基板為矽時，例如可使用非
等向性的ICP(Inductively Coupled Plasma，感應電漿)蝕刻，或使用等向性的XeF2蝕刻。形成第一微機電元件區400後，如圖8所示，再蝕刻去除部分絕緣層31，使第一微機電元件成為可動件，其蝕刻方式例如可為HF蒸氣蝕刻或緩衝氧化物蝕刻(buffered oxide etch)。在本實施例中，第一微機電元件即已構成完整的微機電元件，此微機電元件之動件由該矽晶絕緣體材料中之矽晶部份所形成。接著參閱圖9，以一包覆層410包覆保護第一微機電元件區400，便完成了微機電矽統晶片的整體結構。包覆層例如可以為另一矽基板，使用玻璃燒結(glass frit)、焊接(solder)或以感光性聚合物(photo-sensitive polymer)作為結合材料，與第一基板110接合。結合方式的細節非本案重點，可參閱本案申請人於98年8月3日申請的第098126099號申請案，在此不予贅述。
以下說明本發明的第二實施例。在本實施例中，於圖3-8之步驟後，接著見圖10與圖11，再提供第二基板500，此基板例如可為矽基板，並在該第二基板500上形成電氣連接端510及第二微機電元件區520。電氣連接端510的目的是使第二基板500與第一基板110達成電氣連接，使電訊號得以傳遞，其例如(但不限於)可與第一基板110之導線結構300連接。第二微機電元件區520可使用基板本身來製作，亦可在基板上透過沉積、微影、蝕刻的方式，以矽、金屬及/或絕緣層來製作。第二基板500與第一基板110的接合方式可使用上述任何方式，以玻璃燒結、焊接或以感光性聚合物作為結合材料來接合。如圖11所示，當第一基板110與第二基板500接合後，第二微機電元件區520與第一微機電元件區400
可達成組合性的功能，構成完整的微機電元件400a，此微機電元件400a可以感測垂直方向上的移動變化，例如可作為出平面感測器。在較佳實施型態中，於圖中未示出之外圍處，宜以氣密材料密封微機電元件400a和電氣連接處(510,300)，此密封步驟可在第二基板500與第一基板110接合時一併完成，不另繪示說明。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。對於熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化。舉例而言，以上所述各實施例中之材料、金屬層數等皆為舉例，還其他有各種等效變化的可能。又，與微機電元件整合之微電子電路不限於以CMOS元件製作，亦可包含雙極電晶體等。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧空間
11‧‧‧基板
12,12a‧‧‧多晶矽層
13,13a‧‧‧摻雜區
14‧‧‧第一接觸層
15,15a‧‧‧第一金屬層
16,16a‧‧‧第二金屬層
17,17a‧‧‧第三金屬層
18,18a‧‧‧第四金屬層
19‧‧‧介電層
19a‧‧‧鈍化層
31‧‧‧絕緣層
51‧‧‧保護層
100‧‧‧微機電元件區
110‧‧‧第一基板
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
120‧‧‧防護環
200,200a‧‧‧微電子電路元件區
300‧‧‧導線結構
310‧‧‧阻障層
320‧‧‧導體層
400‧‧‧第一微機電元件區
400a‧‧‧微機電元件
410‧‧‧包覆層
500‧‧‧第二基板
510‧‧‧電氣連接端
520‧‧‧第二微機電元件區
圖1-2顯示先前技術。
圖3-9示出本發明的第一實施例。
圖10-11示出本發明的第二實施例。
31‧‧‧絕緣層
110‧‧‧第一基板
200a‧‧‧微電子電路元件區
300‧‧‧導線結構
400‧‧‧第一微機電元件區
410‧‧‧包覆層
Claims (13)
- 一種微機電系統晶片，包含：第一基板，其具有相對之第一表面與第二表面；位於第一表面之微電子電路元件區；位於第二表面之第一微機電元件區；以及將該微電子電路元件區與該第一微機電元件區電性連接之導線結構，其中該導線結構為自該第二表面向該第一表面，貫穿該第一基板，並達於該第一表面，形成穿越該第一基板的導線結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統晶片，其中該第一基板為矽晶絕緣體材料(SOI)。
- 如申請專利範圍第2項所述之微機電系統晶片，其中該第一微機電元件區中包含一動件，該動件由該矽晶絕緣體材料中之矽晶部份所形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統晶片，更包含一包覆層，包覆該第一微機電元件區。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統晶片，更包含一第二基板，與該第一基板接合，此第二基板包含第二微機電元件區，與前述第一微機電元件區構成微機電元件而提供組合性的功能。
- 如申請專利範圍第5項所述之微機電系統晶片，其中該第二基板與該導線結構電性連接。
- 一種微機電系統晶片之製作方法，包含下列步驟：提供一第一基板，其具有相對之第一表面與第二表面；於該第一表面上，形成微電子電路元件區； 自第二表面向該第一表面，以蝕刻方式製作穿孔以貫穿該第一基板，並達於該第一表面，形成穿越第一基板的導線結構；於該第二表面上，形成第一微機電元件區；以及使微電子電路元件區與第一微機電元件區藉由該導線結構而電連接，其中該形成微電子電路元件區、形成穿越第一基板的導線結構、與形成第一微機電元件區之步驟可為任意順序。
- 如申請專利範圍第7項所述之微機電系統晶片之製作方法，其中該第一基板為矽晶絕緣體材料。
- 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統晶片之製作方法，其中該形成第一微機電元件區之步驟包括：蝕刻該矽晶絕緣體材料之矽晶部份與絕緣體部分，以形成可動件。
- 如申請專利範圍第7項所述之微機電系統晶片之製作方法，更包括：在形成微電子電路元件區前，先於該第二表面上形成保護層。
- 如申請專利範圍第10項所述之微機電系統晶片之製作方法，更包含：在以蝕刻方式製作穿孔以貫穿該第一基板之步驟前，移除該第二表面上的保護層，且其中形成穿越第一基板的導線結構之步驟包括：填入阻障材料；以及填入導體材料。
- 如申請專利範圍第7項所述之微機電系統晶片之製作方法，更包括：於形成第一微機電元件區後，形成包覆層，包覆該第一 微機電元件區。
- 如申請專利範圍第7項所述之微機電系統晶片之製作方法，更包括：提供一第二基板；於第二基板上形成第二微機電元件區；接合該第二基板與前述第一基板，使該第二微機電元件區與前述第一微機電元件區功能連接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW98139395A TWI387555B (zh) | 2009-11-19 | 2009-11-19 | 微機電系統晶片及其製作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW98139395A TWI387555B (zh) | 2009-11-19 | 2009-11-19 | 微機電系統晶片及其製作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201118034A TW201118034A (en) | 2011-06-01 |
| TWI387555B true TWI387555B (zh) | 2013-03-01 |
Family
ID=44935482
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW98139395A TWI387555B (zh) | 2009-11-19 | 2009-11-19 | 微機電系統晶片及其製作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI387555B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI508914B (zh) * | 2013-10-11 | 2015-11-21 | Pixart Imaging Inc | 具有增強結構強度之微機電元件 |
-
2009
- 2009-11-19 TW TW98139395A patent/TWI387555B/zh not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201118034A (en) | 2011-06-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8513041B2 (en) | MEMS integrated chip and method for making same | |
| TWI443723B (zh) | 複合晶圓半導體元件及其形成方法 | |
| US9187317B2 (en) | MEMS integrated pressure sensor and microphone devices and methods of forming same | |
| US9862593B2 (en) | MEMS-CMOS device that minimizes outgassing and methods of manufacture | |
| CN102718179B (zh) | 微机电系统装置及其制造方法 | |
| TWI533438B (zh) | 半導體設備、半導體結構、以及半導體結構之形成方法 | |
| TWI549232B (zh) | 半導體裝置及其製造方法 | |
| TWI611531B (zh) | 封閉的ｍｅｍｓ裝置之內部電接觸 | |
| TWI396242B (zh) | 微電子裝置、微電子裝置的製造方法、微機電封裝結構及其封裝方法 | |
| TWI548585B (zh) | 微機電裝置、被封裝之微機電裝置及其製造方法 | |
| TWI543280B (zh) | 微機電系統元件的形成方法 | |
| TWI541999B (zh) | 半導體裝置與其製法 | |
| TWI503953B (zh) | 半導體裝置及其製造方法 | |
| US9000544B2 (en) | MEMS package structure | |
| TWI770030B (zh) | 用於具有雙鑲嵌所形成的電極之微機電裝置的方法和系統 | |
| TW201322366A (zh) | 感測器製程 | |
| CN104144838B (zh) | 使用牺牲硅板形成宽沟槽的方法 | |
| CN104045051B (zh) | 堆叠半导体器件及其形成方法 | |
| TWI691455B (zh) | 包含接觸層的互補式金屬氧化半導體-微電子機械系統（ｃｍｏｓ-ｍｅｍｓ）積體裝置和製造方法 | |
| CN105776123A (zh) | 微机电系统元件及其制造方法 | |
| US8129805B2 (en) | Microelectromechanical system (MEMS) device and methods for fabricating the same | |
| TWI387555B (zh) | 微機電系統晶片及其製作方法 | |
| JP6095308B2 (ja) | 半導体装置とその製造方法 | |
| CN102079500B (zh) | 微机电系统芯片及其制作方法 | |
| US7531424B1 (en) | Vacuum wafer-level packaging for SOI-MEMS devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |