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TWI611531B - 封閉的ｍｅｍｓ裝置之內部電接觸 - Google Patents

封閉的ｍｅｍｓ裝置之內部電接觸 Download PDF

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TWI611531B
TWI611531B TW103103179A TW103103179A TWI611531B TW I611531 B TWI611531 B TW I611531B TW 103103179 A TW103103179 A TW 103103179A TW 103103179 A TW103103179 A TW 103103179A TW I611531 B TWI611531 B TW I611531B
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conductive
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克剛 黃
宗祐 辛
馬汀 林
麥可 茱莉安 戴恩曼
喬瑟夫 席格
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伊凡聖斯股份有限公司
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Abstract

在此揭露了一種MEMS裝置。這種MEMS裝置包括一MEMS基板。該MEMS基板包括一第一半導體層，該第一半導體層由處於中間的一介電層連接到一第二半導體層上。由該第二半導體層形成了多種MEMS結構，並且該等結構包括複數個第一導電墊片。這種MEMS裝置進一步包括一基底基板，該基底基板包括在其上之複數個第二導電墊片。該等第二導電墊片被連接到第一導電墊片上。最後，這種MEMS裝置包括一導電連接件，這個導電連接件係穿過該MEMS基板之介電層而形成以提供在該第一半導體層與該第二半導體層之間之電耦合。該基底基板被電連接到該第二半導體層以及第一半導體層上。

Description

封閉的MEMS裝置之內部電接觸
本發明通常係關於MEMS裝置，並且更確切地關於提供MEMS裝置封閉構造(enlosure)之電接觸。
MEMS裝置被用於多種環境中。在此類裝置中，通常要求將一操作層(handle layer)電接地，以便提供一種電遮罩來獲得低的雜訊性能。與該操作層的電連接係由一種導線接合來提供的。然而，這種導線接合要求縱向空間，並且在封裝後會增大該MEMS裝置之總厚度。因此，令人希望的是不需要導線接合的一種MEMS裝置及方法。
這種用於提供到操作層上的電連接之MEMS裝置和方法應該簡單、容易實施、而且能夠適應現有的環境。本發明著手解決了此類需要。
在此揭露了一種MEMS裝置。這種MEMS裝置包括一MEMS基板。這種MEMS基板包括一第一半導體層(操作層)，該第一半導體層藉由一介電層連接到一第二半導體層(裝置層)上，而該介電層位於這兩個層之間。由該第二半導體層形成了多個MEMS結構並且該等MEMS結構包括個複數第一導電墊片。這種MEMS裝置進一步包括一基底基板，該基底基板包括在其上的複數個第二導電墊片。該等第二導電墊片被連接到第一導電墊片上。最後，這種MEMS裝置包括一導電連接件，這個導電連接件係穿過該MEMS基板的介電層而形成的，以便提供在該第一半導體層與該第二半導體層之間的電耦合。該 基底基板被電連接到該第二半導體層以及第一半導體層上。在其他實施例中，該基底基板可包括CMOS電路。
因此，根據一實施例的MEMS裝置提供了一種內部電連接並且消除了對於在常規MEMS裝置中所需的外部導線接合之需要，並且能夠減小該裝置之厚度。本發明的其他方面和優點將藉由以下結合附圖並舉例說明本發明原理的詳細描述而變得清楚。
100‧‧‧MEMS裝置
101‧‧‧操作層
102‧‧‧基底基板
103‧‧‧薄介電膜
104‧‧‧裝置層
105‧‧‧導電材料
106‧‧‧通孔
107‧‧‧鋁
109‧‧‧鍺層
112‧‧‧空穴
114‧‧‧導電材料
120‧‧‧ESOI基板
121‧‧‧托腳
200‧‧‧MEMS裝置
201‧‧‧操作層
202‧‧‧基底基板
203‧‧‧介電層
204‧‧‧裝置層
205‧‧‧托腳
206‧‧‧通孔
207‧‧‧鋁墊片
209‧‧‧鍺墊片
220‧‧‧ESOI基板
212‧‧‧空穴
300‧‧‧MEMS裝置
301‧‧‧操作層
302‧‧‧基底基板
303‧‧‧薄介電層
304‧‧‧裝置層
305‧‧‧托腳
306‧‧‧裝置層
307‧‧‧鋁墊片
309‧‧‧鍺層
311‧‧‧矽晶片
312‧‧‧通孔
第1圖係一圖式，它示出了根據第一實施例的具有一種內部直接電耦合的接合的MEMS基底基板裝置之截面。
第2A至2E圖係多個圖式，它們示出了一系列截面，來展示從操作層到MEMS裝置層準備就緒用於接合到第1圖的裝置的基底基板上的建立這種電耦合的多個加工步驟。
第3圖係一圖式，它示出了根據第二實施例的具有一內部直接電耦合的接合的MEMS基底基板裝置之截面。
第4圖係一圖式，它示出了根據第三實施例的具有一內部直接電耦合的接合的MEMS基底基板裝置之截面。
第5A至5G圖係多個圖式，它們示出了一系列截面，來展示從操作層到MEMS裝置層準備就緒用於接合到第4圖的裝置的基底基板上的建立這種電耦合的多個加工步驟。
本發明通常係關於MEMS裝置，並且更確切地關於用於封閉的CMOS-MEMS裝置之電耦合。在此提出的以下說明係要使得熟習該項技術者能夠製作和使用本發明，並且是在專利申請及其要求的背景中提供。對所描述的 較佳實施例和通用原理以及在此描述的特徵的各種修改對熟習該項技術者而言是非常清楚的。因此，本發明並非旨在侷限於所示實施例，而是應對其賦予同在此描述的該等原理和特徵相一致的最廣闊範圍。
在所說明的實施例中，微機電系統(micro-electro-mechaniclal systems,MEMS)係指利用類似於半導體製程製造的並且展現出諸如移動和變形能力的機械特性的一類結構或者裝置。MEMS經常(但並非總是)與電訊號相互作用。MEMS裝置包括但是不限於回轉儀、加速表、磁強計、壓力感測器、以及射頻部件。包含MEMS結構的矽晶片被稱為MEMS晶片。
在所描述的該等實施例中，MEMS裝置可以是指被實施為微機 電系統的半導體裝置。MEMS結構可以是指能夠成為大型MEMS裝置一部分的任何特徵。工程化絕緣體上的矽(silicion-on-iusulator,ESOI)晶片可以是指在矽裝置層或者是基板之下具有多個空穴的SOI晶片。操作晶片典型地是指一種較厚的基板，該基板被用作絕緣體上的矽晶片中較薄的矽裝置基板的載體。操作基板和操作晶片可以互換。
在所描述的實施例中，空穴可以是指基板晶片上的開口或者凹 陷，而封閉構造可以是指一種全封閉的空間。
為了更詳細地描述本發明的該等特徵：在此揭露了無需金屬線 接合而實現MEMS裝置的操作層、裝置層和基底基板的直接電耦合之裝置及製造方法。
第1圖係一圖式，它示出了根據第一實施例的具有內部直接電 耦合的接合之MEMS基底基板的截面。工程化絕緣體上的矽(ESOI)基板120包括具有多個空穴112的一操作層101，以及一裝置層104，該裝置層與在裝置層104與操作層101之間的一層薄介電膜103(如氧化矽)熔接在一起。在操作層101與裝置層104之間的電連接可以藉由以下方式來實現，即：蝕刻出穿過 裝置層104和薄介電層103進入操作層101的一或多個通孔106，並且用一種導電材料114(如多晶矽、鎢、鈦、氮化鈦、鋁、或鍺)來填充該等通孔106。在形成了鍺(Ge)層109和包括導電材料114的多個托腳121、並且MEMS的致動結構在裝置層104中形成圖案並且進行蝕刻後即認為該MEMS基板已經完成。或者，該托腳可在形成托腳的過程中藉由部分地蝕刻進入裝置層而由導電材料114和裝置層104的一部分這二者來形成。在其他實施例中，該基底基板可包括CMOS電路。
可藉由MEMS基板的鍺層109與基底基板102的鋁107的共晶 接合來提供MEMS到基底基板上的集成，其中AlGe接合在MEMS基板(操作層101和裝置層104)與基底基板102之間提供了直接的電耦合。另外，AlGe接合提供了MEMS裝置的密閉性真空密封。
第2A至2E圖係多個圖式，它們示出了一系列截面，來展示從 操作層101到MEMS裝置層104準備就緒用於接合到第1圖所示的基底基板102上的建立這種電耦合的多個加工步驟。
第2A圖係一圖式，它示出了使裝置層104熔接到具有多個空穴 112的操作層101上的ESOI(工程化SOI)基板之截面。在一實施例中，如第2B圖所示，通孔106在ESOI基板的裝置層104上形成圖案，並且被蝕刻穿過裝置層104、穿過薄介電層103、並且進入操作層101中。在另一實施例中，通孔106在ESOI基板的裝置層104上形成圖案，並且蝕刻穿過裝置層104並穿過薄介電層103從而暴露操作層101的表面的一部分。然後提供導電材料105的共形沈積，如第2C圖所示，以便填充通孔106從而在裝置層104與操作層101之間建立電耦合。然後將一鍺層109沈積到導電材料105上。在第2D圖中所示的下一步驟係對導電材料105以及鍺層109形成圖案並進行蝕刻以便由電材料105形成多個托腳121，隨後是對MEMS裝置層104形成圖案並進行蝕刻，如 第2E圖所示，從而完成MEMS基板加工，準備就緒以接合到基底基板上。或者，托腳121可在形成托腳的過程中藉由部分地蝕刻進入裝置層而由導電材料105和裝置層104的一部分這二者來形成。
第3圖係一圖式，它示出了根據第二實施例的具有一內部直接 電耦合的接合的MEMS基底基板裝置之截面。在這個實施例中，電耦合路徑係從操作層201到MEMS裝置層204而形成的，穿過了介電層203並且在MEMS到基底基板的AlGe共晶接合後最終到達了基底基板的鋁墊片207。
ESOI基板220包括帶有多個空穴212的一操作層201、以及一 裝置層204，該裝置層與在裝置層204與操作層201之間的一層薄介電膜203(如氧化矽)熔接在一起。ESOI基板在裝置層減薄後即完成。在操作層201與該裝置層204之間的電連接可以藉由以下方式來實現，即：在任何位置上穿過裝置層204和薄介電層203進入或暴露出操作層201的表面來蝕刻出至少一個通孔206、並且用多種導電材料(如多晶矽、鎢、鈦、氮化鈦、鋁、或鍺)填充該通孔206。在這個實施例中，在裝置層204上殘留的導電材料可藉由減薄、拋光或反蝕刻來去除，以便將裝置層暴露用於托腳205的形成。將進行鍺沈積、托腳形成圖案、鍺蝕刻、裝置層204形成圖案以及蝕刻諸步驟來完成MEMS基板。
MEMS基底基板的集成係藉由將具有多個鍺墊片209的MEMS 基板與具有多個鋁墊片207的基底基板共晶接合而實現的，其中AlGe接合在MEMS基板(操作層201和裝置層204)與基底基板202之間提供了直接的電耦合。在一實施例中，托腳205在MEMS結構周圍形成一環，AlGe接合為該MEMS結構提供了密閉的密封。通孔206可被定於由托腳205形成的密封環之內或之外。
第4圖係一圖式，它示出了在操作層301、MEMS裝置層304、以及基底基板302之間的電耦合的一第三實施例，為裝置層304使用了多晶矽 並使用了AlGe共晶接合。第5A-5F圖中示出了使用表面微機加工的製程技術的MEMS基板之製造流程和製作方法。第5A-5F圖係多個圖式，它們示出了一系列截面，來展示從操作層301到裝置層306準備就緒用於接合到第4圖的裝置的基底基板302上的建立這種電耦合的多個加工步驟。從第5A圖開始，一薄介電層303(典型地是氧化矽)被沈積到一操作層301上。然後，對該薄介電層303形成圖案並進行蝕刻以便形成多個通孔312。一裝置層306(第5B圖)被沈積到操作層301上，隨後進行減薄並且平坦化(例如研磨或化學機械拋光)至所希望的裝置層的厚度。第5C圖示出了具有第二個較厚的矽裝置層的一實施例。在這個實施例中，一附加的矽晶片311可被接合到通孔312上並且減薄到所希望的裝置的厚度。附加矽晶片311的接合克服了常規的沈積技術的厚度限制。
然後沈積了鍺層309，如第5D圖所示。第5E圖係一圖式，它 示出了藉由形成圖案並蝕刻進入裝置層306中而形成托腳305。第5F圖係一圖式，它示出了對裝置層306形成圖案並進行蝕刻以形成裝置層304。跟隨這個形成圖案並進行蝕刻之步驟是蝕刻氧化矽以便釋放裝置層304，如第5G圖所示。 至此，MEMS基板準備就緒有待與基底基板進行集成。
如第4圖所示，MEMS基底基板的集成係藉由將具有多個鍺墊片309的MEMS基板與具有鋁墊片307的基底基板共晶接合而實現的，其中AlGe接合在MEMS基板(操作層301和裝置層304)與基底基板302之間提供了直接的電耦合。另外，AlGe接合提供了MEMS裝置的密閉的真空密封。
雖然已經根據所示出的該等實施例對本發明進行說明，熟習該項技術者將容易認識到該等實施例會有多種變化，並且該等變化將會在本發明精神和範圍之內。因此，熟習該項技術者無需背離所附申請專利範圍之精神和範圍即可做出多種修改。
100‧‧‧MEMS裝置
101‧‧‧操作層
102‧‧‧基底基板
103‧‧‧薄介電膜
104‧‧‧裝置層
105‧‧‧導電材料
106‧‧‧通孔
107‧‧‧鋁
109‧‧‧鍺層
112‧‧‧空穴
114‧‧‧導電材料
120‧‧‧ESOI基板

Claims (29)

  1. 一種MEMS裝置，包括：一MEMS基板，該MEMS基板包括一第一半導體層、一第二半導體層以及在二者之間的一介電層，該第一半導體層具有一第一及一第二表面，其中該第一表面係與該介電層相接觸；其中由該第二半導體層形成多個MEMS結構並且該等MEMS結構包括複數個第一導電墊片；一基底基板，該基底基板包括在其上的複數個第二導電墊片，其中該等第二導電墊片被連接到該等第一導電墊片上，在該第一導電墊片與該第二導電墊片之間的連接係一種共晶接合；以及一導電連接件，該導電連接件係僅穿過該介電層、該第二半導體層及該第一半導體層的第一表面而形成，以便提供在該第一半導體層與該第二半導體層之間之電耦合，由此使該基底基板電連接到該第二半導體層以及該第一半導體層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS裝置，其中，該多個第一導電墊片包含鍺。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS裝置，其中，該多個第二導電墊片包含鋁。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS裝置，其中，該MEMS基板包含一或多個蝕刻的通孔，該等蝕刻的通孔填充有導電材料以形成該導電連接件。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之MEMS裝置，其中，該一或多個蝕刻的通孔係穿過該第二半導體層以及該介電層二者而形成的。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS裝置，進一步包括一密封環，該密封環包括一連續環以形成環繞該等MEMS結構的一封閉構造，並且該密封環係由該等第一導電墊片之一與該等第二導電墊片之一的一連接來形成。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之MEMS裝置，其中，該第一導電墊片被電連接到該第一半導體層上。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之MEMS裝置，其中，該第一導電墊片未被電連接到該第一半導體層上。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之MEMS裝置，其中，該導電連接件係定位在該密封環的封閉構造之內。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之MEMS裝置，其中，該導電連接件係定位在該密封環的封閉構造之外。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之MEMS裝置，其中，該導電連接件係定位在該密封環之內。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS裝置，其中，該等MEMS結構與該第一半導體層係為電隔離。
  13. 如申請專利範圍第4項所述之MEMS裝置，其中，填充該一或多個通孔的導電材料包含多晶矽、鍺、和鎢中任意一者。
  14. 如申請專利範圍第4項所述之MEMS裝置，其中，填充該一或多個通孔的導電材料包含鋁、鈦、和氮化鈦中任意一者。
  15. 如申請專利範圍第6項所述之MEMS裝置，其中，該密封環提供一種密閉式密封。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS裝置，其中，該第一半導體層面向該第二半導體層之表面包括在其中的多個空穴。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS裝置，其中，該第一半導體層以及該第二半導體層包含單晶矽材料類或者多晶矽材料類中任意一者。
  18. 一種在積體MEMS裝置中製作電連接之方法，該方法包括：形成一MEMS基板，而形成該MEMS基板包括：在一第一半導體層上形成一或多個空穴，該第一半導體層具有一第一及一第二表面；藉由一介電層將該第一半導體層接合在一第二半導體層上，而該介電層被置於該第一半導體層與該第二半導體層之間，其中該第一半導體層的第一表面係與該介電層相接觸；蝕刻出僅穿透該第二半導體層、該介電層及該第一半導體層的第一表面的至少一個通孔；在該第二半導體層的表面上沈積一種導電材料並且填充該至少一個通孔；在該導電材料頂面沈積一鍺層；對該鍺層以及該導電材料形成圖案並且進行蝕刻，以形成至少一個托腳；對該第二半導體層形成圖案並且進行蝕刻以限定一或多個MEMS結構；以及使用在該MEMS基板的鍺層的多個第一導電墊片與一基底基板的多個第二導電墊片之間的一共晶接合將該MEMS基板接合到該基底基板上，其中該一或多個MEMS結構包括該等第一導電墊片，該等第二導電墊片為鋁墊片。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中，該接合係一種熔融接合。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中，蝕刻出該至少一個通孔進一步包括部分地蝕刻進入該第一半導體層之中。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中，形成該托腳包括部分地蝕刻進入該第二半導體層之中。
  22. 一種在積體MEMS裝置中製作電連接之方法，該方法包括：形成一MEMS基板，而形成該MEMS基板包括：在一第一半導體層中形成一或多個空穴，該第一半導體層具有一第一及一第二表面；藉由一介電層將該第一半導體層接合到一第二半導體層上，該介電層被置於該第一半導體層與該第二半導體層之間，其中該第一半導體層的第一表面係與該介電層相接觸；蝕刻出僅穿透該第二半導體層、該介電層及該第一半導體層的第一表面的至少一個通孔；將一種導電材料在該第二半導體層的表面上進行沈積並形成圖案，並且填充該至少一個通孔；在該第二半導體層上沈積一鍺層；對該鍺層以及該第二半導體層形成圖案並且進行蝕刻以形成至少一個托腳；對該第二半導體層形成圖案並且進行蝕刻以限定一或多個MEMS結構；以及使用在該MEMS基板上的鍺層的多個第一導電墊片與一基底基板上的多個第二導電墊片之間的一共晶接合將該MEMS基板接合到該基底基板上，其中該一或多個MEMS結構包括該等第一導電墊片，該等第二導電墊片為鋁墊片。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中，該托腳係在對該鍺層形成圖案之前形成。
  24. 一種在積體MEMS裝置中製作電連接之方法，該方法包括：形成一MEMS基板，而形成該MEMS基板包括：在一第一半導體層上沈積一介電層，該第一半導體層具有一第一及一第二表面，其中該第一半導體層的第一表面係與該介電層相接觸；在該介電層上形成圖案並且蝕刻出穿透該介電層的至少一個通孔，以暴露該第一半導體層的第一表面之一部分；沈積一第二半導體層；沈積一鍺層；成形並且蝕刻該鍺層和該第二半導體層，來形成一或多個托腳；對該第二半導體層形成圖案並且進行蝕刻以形成多個MEMS結構；對該介電層進行蝕刻以釋放出該等MEMS裝置之結構；以及使用在該MEMS基板的鍺層的多個第一導電墊片與一基底基板的多個第二導電墊片之間的一共晶接合將該MEMS基板接合到該基底基板上，其中該一或多個MEMS結構包括該等第一導電墊片，該等第二導電墊片為鋁墊片。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中，該第二半導體層包含矽。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之方法，進一步包括平整化該矽材料。
  27. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中，該托腳係在該鍺層上形成圖案之前形成的。
  28. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中，介電性矽釋放蝕刻包括一蒸汽蝕刻。
  29. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中，介電矽釋放蝕刻包括一濕式蝕刻。
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