具有各向同性腔的mems集成壓力傳感器件及其製造方法
2023-08-06 11:53:31 1
具有各向同性腔的mems集成壓力傳感器件及其製造方法
【專利摘要】本發明公開了具有各向同性腔的MEMS集成壓力傳感器及其製造方法，其中該方法實施例包括提供具有氧化物層、MEMS襯底、多晶矽層的MEMS晶圓。將包括使用各向同性蝕刻形成的第一腔的載體晶圓接合至MEMS，第一腔與多晶矽層暴露的第一部分對準。圖案化MEMS襯底，並且去除部分犧牲氧化層以形成第一和第二MEMS結構。將包括第二腔的帽晶圓接合至MEMS晶圓，這種接合生成包括與第一MEMS結構對準的第二腔的第一密封腔，並且第二MEMS結構設置在多晶矽層的第二部分與帽晶圓之間。去除部分帽晶圓，以使第一腔用作第一MEMS結構的環境壓力的通道。
【專利說明】具有各向同性腔的MEMS集成壓力傳感器件及其製造方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求於2013年3月14日提交的標題為「MEMS Pressure and MotionSensor Devices Having Isotropic Cavities and Mthods of Forming Same，，的美國臨時申請第61/784,019號的優先權，其內容結合於此作為參考。
[0003]本申請涉及下述在同一天提交的共同未決及共同受讓的專利申請:「MEMSIntegrated Pressure Sensor Devices and Methods of Forming Same，，(代理卷號TSM13-0152);「MEMS Integrated Pressure Sensor and Microphone Devices and Methodsof Forming Same」(代理卷號 TSM13-0153) ;「MEMS Integrated Pressure Sensor andMicrophone Devices having Through-Vias and Methods of Forming Same，，(代理卷號TSM13-0155)以及「MEMS Device and Methods of Forming Same」(代理卷號 TSM13-0175)。
【技術領域】
[0004]本發明涉及具有各向同性腔的MEMS集成壓力傳感器件及其製造方法。
【背景技術】
[0005]微機電系統(MEMS)變得日益流行，特別是這些器件被微型化並被集成到集成電路的製造工藝中。然而，在集成工藝中，MEMS器件將它們自身的獨特要求引入到集成工藝中。電互連MEMS器件是存在獨特挑戰的領域。具體地，將MEMS壓力傳感器件與其它MEMS器件(例如，運動傳感器件)集成到同一集成電路的製造工藝中已經面臨挑戰。
【發明內容】
[0006]根據本發明的一個方面，提供了一種用於形成微機電(MEMS)器件的方法,包括:提供MEMS晶圓，其中，形成MEMS晶圓包括:在MEMS襯底的第一表面上形成第一犧牲層、在第一犧牲層的上方形成介電層，介電層包括暴露的第一部分；提供載體晶圓，其中，提供載體晶圓包括各向同性地蝕刻載體襯底以形成第一腔；利用接合層將載體晶圓接合至MEMS晶圓，其中，接合包括將第一腔與介電層的第一部分對準；對MEMS襯底進行圖案化；WMEMS襯底去除部分第一犧牲層以形成第一MEMS結構和第二MEMS結構，第一 MEMS結構與介電層的第一部分相對應；在MEMS襯底的第二表面上形成多個第一金屬接合件，第二表面與第一表面相對；提供包括多個第二金屬接合件的帽晶圓；通過將多個第二金屬接合件接合至多個第一金屬接合件，使帽晶圓接合至MEMS晶圓，這種接合生成包括介電層的第一部分和第一MEMS結構的第一密封腔，第二 MEMS結構在第二密封腔中設置在介電層的第二部分與帽晶圓之間；以及去除部分載體晶圓，使第一腔暴露於環境壓力。
[0007]優選地，將帽晶圓接合至MEMS晶圓包括共晶接合工藝，通過共晶接合工藝限定第一密封腔的壓力水平。
[0008]根據本發明的另一方面，提供了一種形成微機電(MEMS)器件的方法，包括:提供MEMS晶圓，MEMS晶圓包括MEMS襯底、位於MEMS襯底上方的第一氧化物釋放層和位於第一氧化物釋放層上方的介電層，介電層包括第一部分和第二部分；在載體晶圓中蝕刻第一開口，蝕刻包括各向同性蝕刻工藝；將載體晶圓接合至MEMS晶圓的第一表面，接合載體晶圓生成了包括第一開口的第一腔，介電層的第一部分的第一表面暴露於第一腔的壓力水平；提供與介電層的第二部分對準的MEMS結構，提供MEMS結構包括圖案化MEMS結構並去除部分第一氧化物釋放層；將帽晶圓接合至MEMS晶圓的第二表面，MEMS晶圓的第二表面與MEMS晶圓的第一表面相對，接合帽晶圓生成第二腔，包括介電層的第二部分和MEMS結構，和第三腔，介電層的第一部分的第二表面暴露於第三腔的壓力水平；以及將第一腔暴露於周圍環境。
[0009]優選地，第二腔的壓力水平通過帽晶圓與MEMS晶圓之間的接合工藝來限定。
[0010]優選地，該方法還包括:在將載體晶圓接合至MEMS晶圓之前，在載體晶圓中蝕刻第二開口，蝕刻第二開口包括各向同性蝕刻工藝，並且將載體晶圓接合至MEMS晶圓還包括將第二開口連接至第三腔。
[0011]優選地，該方法還包括:蝕刻第二開口以具有期望的體積，從而幫助限定第三腔的期望壓力水平。
[0012]優選地，蝕刻第一開口包括:在載體襯底上方沉積第一保護層；通過蝕刻工藝在載體晶圓中形成多個溝槽；在多個溝槽的側壁上形成第二保護層；以及通過各向同性蝕刻多個溝槽的底部來連接多個溝槽，從而生成第一開口。
[0013]優選地，蝕刻第一開口還包括去除第一保護層和第二保護層。
[0014]優選地，將帽晶圓接合至MEMS晶圓的第二表面包括:設置在MEMS晶圓的第二表面上的多個第一接合件與設置在帽晶圓的表面上的多個第二接合件之間的共晶接合工藝。
[0015]優選地，該方法還包括:提供帽晶圓，提供帽晶圓包括:提供具有金屬線的半導體晶圓；在金屬線上方形成均勻氧化物層；在均勻氧化物層上方形成薄膜層；以及在薄膜層上方形成多個第二接合件。
[0016]優選地，該方法還包括:形成將多個第二接合件的至少一部分電連接至金屬線的接觸插塞。
[0017]優選地，該方法還包括:對部分薄膜層進行淺蝕刻以形成一個或多個凸塊，並且將帽晶圓接合至MEMS晶圓包括使一個或多個凸塊與MEMS結構對準。
[0018]優選地，該方法還包括:去除部分薄膜層和均勻氧化層以暴露金屬線的一部分，金屬線的暴露部分用作輸入/輸出焊盤。
[0019]優選地，將帽晶圓接合至MEMS晶圓的第一表面包括熔融接合工藝。
[0020]優選地，帽晶圓是包括有源電路的半導體晶圓。
[0021]優選地，該方法還包括:在載體晶圓上執行開盤式研磨工藝以去除部分載體晶圓和MEMS晶圓的接合部分。
[0022]優選地，將載體晶圓接合至MEMS晶圓包括:將MEMS晶圓的接合層用作界面，提供MEMS晶圓還包括:在介電層上方形成蝕刻停止層；在蝕刻停止層上方形成第二氧化物釋放層；在第二氧化物釋放層上方形成接合層；以及通過去除蝕刻停止層、第二氧化物釋放層以及接合層的相應部分而暴露介電層的第一部分。
[0023]優選地，去除部分第一氧化物釋放層包括蒸汽氟化氫(蒸汽HF)蝕刻工藝。
[0024]優選地，提供MEMS結構包括:根據壓力傳感器的膜來形成介電層的第一部分。
[0025]根據本發明的又一方面，提供了一種微機電(MEMS)器件,包括:MEMS晶圓，包括具有第一部分和第二部分的介電層以及分別與介電層的第一部分和第二部分對準的第一MEMS結構和第二 MEMS結構；接合至MEMS晶圓的第一表面的載體晶圓，載體晶圓包括第一腔和第二腔，介電層的第一部分的第一表面通過第一腔暴露於環境壓力；以及接合至MEMS晶圓的第二表面的帽晶圓，第二表面與MEMS晶圓的第一表面相對，並且接合的帽晶圓和MEMS晶圓限定第三腔和第四腔，其中:第一 MEMS結構設置在第三腔中；介電層的第一部分的第二表面暴露於第三腔的第一密封壓力水平；第二 MEMS結構和介電層的第二部分設置在第四腔中；並且第二腔和第四腔相連接，並且第二腔的體積幫助限定第二腔和第四腔的第二密封壓力水平。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]為了更加全面地理解本發明的實施例及其優點，現在將結合附圖進行以下描述作為參考，其中:
[0027]圖1A至圖1AC是根據各個實施例的處於中間製造階段的MEMS器件的截面圖；以及
[0028]圖2是根據各個實施例的部分MEMS器件的俯視圖。
【具體實施方式】
[0029]以下詳細討論本發明的實施例的製造和使用。然而，應該理解，本發明提供了許多可以在各種具體環境中實現的可應用的創造性概念。所討論的具體實施例僅示出了製造和使用本發明公開的主題的具體方式，而並不用於限制本發明的各個實施例的範圍。
[0030]圖1A至圖1AC示出了處於中間製造階段的部分MEMS器件100的截面圖，其中MEMS器件100包括壓力傳感器404及另一器件406 (見圖1AC)。器件406可以是MEMS運動傳感器、陀螺儀、加速計等。壓力傳感器404及器件406的製造使用相同的集成電路(IC)工藝以在MEMS器件100中形成密封腔(即，腔408及410)以及周圍環境開口(B卩，開口 208A)。因此，圖1A至圖1AC示出的各個實施例允許使用已知的IC製造技術，以平滑集成的方式製造MEMS壓力傳感器。
[0031]如圖1A所示，MEMS器件100包括襯底102以及也被稱為氧化物釋放層的介電層104。可由矽、或諸如矽鍺、碳化矽等的其他材料形成襯底102。可由低阻矽形成襯底102。可選地，襯底102可以是絕緣體上矽(SOI)襯底。SOI襯底可以包括形成在絕緣層(例如，隱埋氧化物)上方的半導體材料(例如，矽、鍺等)層，該絕緣層形成在矽襯底中。除此之外，可以使用的其他襯底包括多層襯底、梯度襯底、混合取向襯底等。
[0032]氧化物釋放層104可以由諸如二氧化矽(S12)的低k介電材料形成。可以利用諸如旋塗、化學汽相沉積(CVD)、等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)、低壓CVD、熱氧化或本領域已知的其他適合的沉積技術在襯底102上方沉積氧化物釋放層104。此外，氧化物釋放層104可以由不同的適合的材料形成，諸如摻碳氧化物的低k介電材料、諸如多孔摻碳二氧化矽的極低k介電材料、諸如聚醯亞胺的高分子聚合物或它們的組合等。可以在隨後的工藝步驟中釋放(即，去除)氧化物釋放層104以形成MEMS結構。因此，氧化物釋放層104亦可以被稱為犧牲(SAC)氧化物層或犧牲層104。
[0033]圖1B示出了圖案化氧化物釋放層104以包含開口 106。其可以利用諸如光刻及蝕刻技術的組合來完成。在圖1C中，開口 106的上部接合在一起密封開口 106現在可被稱為空隙106。例如，可以使用施加在氧化物釋放層104的頂面的氧化沉積工藝將開口 106接合在一起。例如，氧化物釋放層104上方沉積附加氧化物材料可以用於封閉開口 106的上部。可以利用諸如CVD等的沉積工藝形成氧化物沉積物。更具體而言，通過控制沉積工藝，可以以非共形的方式沉積氧化物釋放層104的材料。即，氧化物釋放層104的材料可以比沿開口 106的側壁及底部更快地構建在開口 106的上部。此工藝使得在開口 106的上部的邊緣處形成懸垂，並且由於沉積工藝的繼續，懸垂將合併，用多個接縫封閉開口 106並形成空隙106。
[0034]空隙106可以被包含在氧化物釋放層104中以在隨後的工藝步驟中減少釋放時間。S卩，包含空隙106在氧化物釋放層104中生成減少MEMS結構的釋放時間的薄弱點。可選地，如果釋放時間速度不是關鍵點，或者用於MEMS期間的可選設計包括減少釋放時間的不同方法，則可以忽略圖1B和圖1C中示出的步驟。
[0035]在圖1D及圖1E中，圖案化氧化物釋放層104以生成出凸塊開口 108和通孔開口110。例如，可以利用光刻及蝕刻技術的組合來圖案化氧化物釋放層104。可以實施兩個單獨的光刻步驟以生成凸塊開口 108和通孔開口 110。例如，可以實施淺蝕刻以生成凸塊開口 108，同時可以實施深層蝕刻以生成通孔開口 110。如圖1D及IE所示，凸塊開口 108未延伸至襯底102而通孔開口 110延伸至襯底102並暴露部分襯底102。此外，可以減薄氧化物釋放層104 (未示出)直至達到所期望的厚度。可以利用諸如打磨、拋光、和/或化學蝕刻的適合工藝來實施減薄工藝。例如，可以使用化學機械拋光(CMP)工藝來減薄氧化物釋放層104。根據各個實施例，氧化物釋放層104的厚度介於約0.5微米和約5微米之間。
[0036]在圖1F中，利用諸如CVD工藝在氧化物釋放層104上方沉積介電層112。介電層112可以由多晶矽形成，並在下述被稱為多晶矽層112。多晶矽層112填充通孔開口 110和凸塊開口 108，分別形成多晶矽通孔112A和多晶矽凸塊112B。可以形成多晶矽通孔112A以用於電氣布線，並且可以進一步用作機械結構。例如，在後續工藝步驟中，可以將多晶矽通孔112A用作蒸汽氟化氫(蒸汽HF)蝕刻停止層。此外，在一些實施例中，可以將多晶矽凸塊112B用作機械凸塊以限制MEMS器件100中移動元件的運動，或用作抗粘滯凸塊。在可選實施例中，層112可以由其他材料代替多晶矽來形成，諸如SiGe、單晶矽(例如，通過將絕緣體上矽晶圓用作起始材料)等。應當注意，儘管示出的是單個多晶矽層，但本領域的技術人員應認識到亦可以採用多個多晶矽層。
[0037]可以在多晶矽層112的一部分上方形成並圖案化氧化物掩模層114。形成氧化物掩模層114的材料及方法與氧化物釋放層104類似，並且可以使用諸如光刻和蝕刻的組合來圖案化氧化物掩模層114。在後續的工藝步驟中，氧化物掩模層114用來保護多晶矽層112的關鍵部分。例如，在圖1F中，氧化物掩模層保護部分多晶矽層112以確保適當的厚度控制以及表面紋理。在需要這種控制的情況下，在多晶矽層112的任意部分上方形成氧化物掩模層114。如果表面紋理及厚度並不重要，則氧化物掩模層114可以被忽略。
[0038]在圖1G中，使用諸如光刻和蝕刻的組合來圖案化多晶矽層112。可對多晶矽層112進行圖案化以在MEMS器件400中生成各個器件的部分。例如，圖1G中對多晶矽層112的圖案化生成了多晶矽層112的分離部分，分別包括作為運動傳感器(或其他適用器件)的底部電極以及壓力傳感器的膜。
[0039]在圖1H中，在氧化物釋放層104及多晶矽層112的上方形成並圖案化蝕刻停止層
116。可以使用例如低壓化學汽相沉積(LPCVD)技術沉積蝕刻停止層116，並且可以使用例如光刻及蝕刻的組合來圖案化蝕刻停止層116。圖案化蝕刻停止層116以包含釋放孔117並露出部分氧化物掩模層114。釋放孔117在後續工藝步驟中提供了去除部分氧化物釋放層114的路徑。蝕刻停止層116可以被用作蒸汽HF蝕刻停止層並可以由低壓氮化物(LSN)形成。然而，也可以由諸如氮化鋁、氧化鋁、碳化矽、或耐蒸汽HF的化學腐蝕的介電材料的其他材料形成。
[0040]圖1I示出了形成並圖案化氧化物釋放層118。氧化物釋放層118的形成基本使用與氧化物釋放層104相同的材料與方法。可以設計氧化物釋放層118和第一氧化物釋放104的厚度，以通過電容和/或隨後的MEMS結構100中的可移動元件與多晶矽層122 (見圖1J及1AC)之間的間隙來控制寄生反饋。氧化物釋放層118可以被毯式沉積並隨後經歷減薄工藝(例如，CMP或回蝕)以達到所期望的平整度及/或厚度。例如，使用光刻和蝕刻的組合以圖案化氧化物釋放層118從而生成通孔開口 120。
[0041]圖1J示出了在氧化物釋放層118的上方形成薄多晶矽層122。可以使用諸如CVD等的適合技術在氧化物釋放層118上形成薄多晶矽層122。將薄層多晶矽122沉積至通孔120內，以生成連接至多晶矽層112的通孔部分122A。薄多晶矽層122可以用作電氣布線(例如，使用通孔部分122A)。薄多晶矽層122亦可以在後續工藝步驟中用作MEMS器件100的各個部件(例如，襯底102和多晶矽層112)的屏蔽。薄多晶矽層122也可以用作接合界面層；因此，諸如矽、非晶矽、摻有雜質的矽、它們的組合等的其他適合的接合材料可以代替多晶矽來使用。
[0042]在圖1K中，蝕刻部分薄多晶矽層122及氧化物釋放層118以生成開口 124。這可以使用諸如幹蝕刻和溼蝕刻技術的組合來完成。注意，一個開口 124 (124A)暴露多晶娃層112的區域128，並且另一個開口(124B)暴露蝕刻停止層116的一部分以及多晶矽層112的不同部分。多晶矽層112的區域128可以用作完成的MEMS器件100中的壓力傳感器的膜(例如，參見圖1AC中的元件404)。在完成的MEMS器件100中，開口 124A將這部分多晶娃層112暴露於一種類型的壓力(例如,取決於MEMS器件100的設計的環境壓力或封閉壓力)。對薄多晶矽層122和氧化物釋放層118的蝕刻完成了 MEMS器件100的MEMS晶圓126。MEMS晶圓126具有頂面和底面，分別為126A和126B。
[0043]根據各個實施例，圖1L至IP示出了製造載體晶圓200的中間步驟。在圖1L中，提供載體晶圓200。載體晶圓200包含位於介電層204下方的襯底202。襯底202可以是矽襯底，並且介電層204可以是通過在載體晶圓200上進行熱氧化而形成的熱氧化層。
[0044]圖1M示出了對載體晶圓200進行蝕刻以形成開口 206。可以實施深反應離子蝕刻(DRIE)工藝以在襯底202中形成開口 206。應當注意的是，由於蝕刻負載效應，在襯底202中，寬開口 206A相比於窄開口 206C更深。類似地，開口 206C寬於最窄的開口 206B，並因此比其更深。從而，通過控制各個開口 206的寬度，可以生成不同的深度。開口 206A相比開口 206C更深，並且開口 206C則相比開口 206B更深。也就是說，在載體晶圓200中，開口206A是最深的開口，並且開口 206B是最淺的開口。
[0045]圖1N示出了通過諸如溼式或乾式熱氧化工藝、CVD等的任何適合的氧化工藝在開口 206中沉積氧化物層207。實施蝕刻工藝(諸如反應離子蝕刻或其他幹蝕刻、各向異性溼蝕刻，或其他適合的各向異性蝕刻)或圖案化工藝以去除氧化物層207的底部。因此，開口206的底部無氧化物，而開口 206的側壁被氧化物層207保護。應當注意的是，可以用諸如光刻膠、高分子聚合物等的其他材料來代替形成在側壁上的保護層。
[0046]圖10示出了在實施蝕刻工藝後的載體晶圓200。可以通過蝕刻工藝去除部分襯底202以形成腔208。蝕刻工藝可以是諸如各向同性矽蝕刻工藝的任何適合的蝕刻工藝。在蝕刻工藝之後，載體晶圓200包含腔208A和208B。注意，208A包含與開口 206C相應的部分(見圖1M)，該部分相比於腔208A及208B的其他部分，延伸到襯底202內的更深處。保護層(即，氧化物層207)防止蝕刻工藝破壞襯底202的剩餘部分。
[0047]在圖1P中，將氧化物去除工藝應用於載體晶圓。各個氧化物層(諸如保護層207)通過諸如溼蝕刻工藝的適當去除工藝去除。將去除工藝施加到載體晶圓的頂面(表面200A)直到暴露出襯底202。應當注意的是，氧化物去除是可選的步驟。隨後的接合工藝(例如，熔融接合工藝)能夠利用氧化物接合界面將載體晶圓與MEMS晶圓接合起來。通過各向同性蝕刻襯底202，可以形成大而連續的腔(例如，腔208A及208B)而仍然保持腔上方的襯底202的上部(例如，202A)，並且這些襯底202的上部可以提高粘附力並協助後續的接合工藝。
[0048]在圖1Q中，MEMS晶圓126接合至載體晶圓200。具體而言，MEMS晶圓126的頂面126A接合至載體晶圓200的頂面200A。MEMS晶圓126的開口 124A和124B可以分別與載體晶圓200的腔208A及208B相對準。可以利用諸如熔融接合、陽極接合、共晶接合等的任何適合技術將MEMS晶圓126接合至載體晶圓200。在各個實施例中，將薄多晶矽層122用作接合界面，MEMS晶圓126可以熔融接合至載體晶圓200。
[0049]此外，可以將MEMS晶圓126減薄到期望的厚度Tl。減薄工藝可以包括研磨和化學機械拋光(CMP)工藝、回蝕工藝、或其他可在MEMS晶圓126 (B卩，襯底102)的表面126B上實施的其他工藝。此減薄工藝的結果是，MEMS晶圓126的厚度介於約5微米和約60微米之間。
[0050]在圖1R中，在襯底102 (B卩，MEMS晶圓126的底面126B)上形成並圖案化導電接合件210。導電接合件210可以由鋁銅(AlCu)形成，並且在後續的工藝步驟中用於共晶接合。可選地，也可以代替性地使用諸如Ge、Au、它們的組合等的適用於共晶接合的不同導電材料。
[0051]在圖1S中，例如，通過使用光刻和蝕刻的組合來圖案化部分襯底102以形成開口212。襯底102的保留部分可以形成各個MEMS結構(例如，MEMS結構214和216)。在完成的MEMS器件100中，可以將MEMS結構214用作壓力傳感器的底部電極。MEMS結構216可以被圖案化以在完成的MEMS器件100中用作運動傳感器的檢測質量(proof mass)。可選地，MEMS結構216也可以被圖案化以成為其他MEMS器件(諸如彈簧(例如，用於陀螺儀)、梳狀物中的一系列齒(例如，用於加速器)等)的一部分。
[0052]圖1T示出了 HF蒸汽蝕刻部分氧化物釋放層104和118，從而釋放MEMS結構214和216。這種蝕刻工藝在氧化物釋放層104和118、蝕刻停止層116、多晶矽層112、薄多晶矽層122以及載體晶圓200之間具有高選擇性，使得多晶矽層112和122、載體晶圓200、以及蝕刻停止層116在去除部分氧化物釋放層104和118的過程中未被顯著地侵蝕。此外，多晶矽層112 (例如，通孔112A)和蝕刻停止層116在蝕刻工藝期間保護部分第一氧化物釋放層104和氧化物釋放層118，並且這些被保護的區域可以被稱為錨區。此蝕刻工藝允許MEMS結構216中的可移動元件至少在一個軸上自由移動。此外，可以將MEMS結構314設計成剛性結構，並且即使在HF蒸汽工藝之後也僅有相對有限的運動範圍。應當注意的是，氧化物釋放層的去除取決於布局設計。
[0053]圖1U至圖1Y示出了製造包含在完成的MEMS器件100中的帽晶圓300的各個中間步驟。帽晶圓300可以是或不是CMOS晶圓，其可以具有或不具有電路(未示出)。特別地，帽晶圓300可以包括各種有源器件，諸如電晶體、電容器、電阻器、二極體、光電二極體、熔絲等。電路可以被互連以執行一個或多個適合於特定應用的功能，其可以與MEMS器件100相關或不相關。圖1U示出了具有襯底302、氧化物層304以及圖案化的金屬線306的帽晶圓300。襯底302和氧化物層304可以基本上類似於MEMS晶圓126中的襯底102及氧化物層104。金屬線306可以由鋁銅(AlCu)形成，並且可以用作電氣布線。可選地，金屬線306可以由另一種適合的金屬材料形成。
[0054]在圖1V中，在金屬線306的上方形成均勻(conform)氧化物層308。可以利用諸如CVD等的任何適合的技術沉積均勻氧化層308，並且其可以是低k介電材料。均勻氧化層308的形成可以包含研磨工藝(例如，CMP)以達到所希望的形貌和厚度。利用諸如CVD的適合技術在均勻氧化層308的上方沉積薄膜層310。在一些實施例中，薄膜層310由氮化矽形成並用作鈍化層。可選地，可以由諸如氧化物、金屬、它們的組合等的介電材料形成薄膜層310。在後續的工藝步驟中，可以圖案化部分薄膜層310以在帽晶圓300中生成機械凸塊。
[0055]圖1W示出了插入帽晶圓300的接觸插塞311。可以由鎢形成接觸插塞311，但是也可以使用諸如鋁或銅的其他金屬材料。例如，可以通過圖案化薄膜層310和均勻氧化層308形成接觸插塞311，暴露金屬線306。可以將例如鎢的導體材料沉積在圖案化的開口內並且可以使用CMP技術，從而使接觸插塞311的頂面可與薄膜層310的頂面平齊。接觸插塞311電連接至金屬線306。
[0056]在圖1X中，在薄膜層310的頂面上方形成接合材料層312 (可選地被稱為接合件312)。例如，利用物理汽相沉積(PVD)和光刻/蝕刻來毯式沉積並圖案化接合材料層。可以由鍺層下方的鋁銅層製成接合材料層312，但是亦可以使用諸如金的其他金屬材料。接合材料層312可以用作後續接合工藝的共晶接合材料。接合材料層312可以通過接觸插塞311與金屬線306電連接或不與金屬線306電連接。
[0057]在圖1Y中，對部分薄膜層310進行淺蝕刻。可以淺蝕刻部分薄膜層310以在後續工藝步驟中利於金屬線306的暴露。此外，對薄膜層310的蝕刻可以形成凸塊314。凸塊314可以用作各種目的。例如，在一個實施例中，凸塊314為限制MEMS器件100中移動元件的運動的機械凸塊。凸塊314也可以用作抗粘滯凸塊。
[0058]圖1Z示出了堆疊的MEMS器件100，其中帽晶圓300堆疊於MEMS晶圓126和載體晶圓200的上方。帽晶圓300可通過接合件210與接合件312之間的共晶接合而接合至MEMS晶圓126。如圖1Z所示，通過共晶接合工藝，可移動元件(例如，MEMS結構214與216)可以位於多晶矽層112與帽晶圓300之間。此外，帽晶圓300與MEMS晶圓126對準，從而使凸塊314與MEMS結構216對準。MEMS結構214與216設置在通過共晶接合限定的密封腔中。也就是，在部分MEMS器件100的俯視圖中(參見圖2)，形成在接合件210和接合件312之間的至少一部分共晶接合形成了閉合環路，將MEMS結構214及216分別密封在封閉腔408及410中。注意，腔410可以連接至載體晶圓200的腔208B (參見圖1AC)。
[0059]在圖1AA中，實施研磨工藝以去除部分MEMS晶圓126和載體晶圓200。研磨亦可以被稱為暴露部分帽晶圓300的開盤式研磨(OPG, open pad grinding)並可以由已知的研磨技術完成。可以通過在載體晶圓200中包含腔208來促進OPG (參見圖1Z)。也就是，可以通過去除小部分的載體晶圓200 (由腔208的位置限定)可以容易地去除部分MEMS晶圓126和載體晶圓200。在圖1AB中，還可以去除(例如，使用幹蝕刻)部分薄膜層310和均勻氧化層308以暴露部分金屬線306。這些暴露出的金屬線306的部分(B卩，部分306A與306B)可以用作輸入/輸出焊盤以將帽晶圓300中電路連接至外部電路(未示出)。
[0060]在圖1AC中，可以去除部分載體晶圓200以使腔208A暴露於環境壓力。也就是，將腔208A暴露於開放的空氣環境。部分載體晶圓200的去除可以包括諸如CMP、回蝕等的已知蝕刻技術。值得注意的是，去除部分載體晶圓200可以使腔208B不暴露於環境壓力。也就是，因為相比於腔208B，腔208A包括延伸至襯底202內的更深處的部分，所以腔208B可以保持密閉。
[0061]根據各個實施例，圖1AC示出了完成的MEMS器件100。MEMS器件100包括壓力傳感器404以及器件406。壓力傳感器404包括膜(B卩，多晶矽層112的區域128)。膜的一個表面暴露於環境壓力(例如，通過腔208A)，而另一個表面暴露於密閉壓力(例如，通過封閉的腔408)。密閉腔408的壓力可以通過MEMS晶圓126與帽晶圓300之間的共晶接合工藝的條件來限定。例如，可以在具有一定壓力水平的腔室內進行共晶接合工藝以限定用於密閉腔408和410的合適壓力水平(以下更詳細地解釋)。因此，壓力傳感器404可以通過比較腔208A與封閉腔408之間的差異來檢測環境壓力。
[0062]器件406可以是在具有由共晶接合限定的壓力的密封腔410中，能夠通過檢測電極(即，部分多晶矽層112)上方的檢測質量(即，MEMS結構206)的布置來檢測運動的運動傳感器。可選地，器件406可以是加速計、陀螺儀等。可以根據器件406所期望的功能來選擇密封腔410的壓力。例如,對於加速計來說,封閉腔410的壓力可以介於約10mbar和700mbar之間，對於陀螺儀來講，其壓力介於約10_4和10毫巴之間，等等。此外，腔208B可以包含在MEMS器件100中以減少壓力。即，可以通過利用已知的物理關係(即，理想氣體定律規定PV=nRT，當體積增高時，壓力下降)增大連接至腔410的腔208B的體積來控制腔410的壓力。因此，利用在圖1A至IAC中示出的各個形成步驟，可以利用同樣的MEMS製造工藝形成壓力傳感器以及另一個MEMS器件。
[0063]儘管已經詳細描述了本發明的實施例及優點，但是應該理解，在不背離本發明所附權利要求限定的精神和範圍內，可以進行各種變化、替換和修改。例如，可以在軟體、硬體、或固件、或它們的組合中被實施以上討論的許多特徵與功能。
[0064]而且，本申請的範圍不旨在限於本說明書所述的工藝、機器裝置、製造、物質組成、工具、方法和步驟的具體實施例。本領域的技術人員很容易理解，根據本發明可以利用與本文描述的對應實施例執行基本相同功能或實現基本相同結果的目前現有的或即將開發的工藝、機器裝置、製造、物質組成、工具、方法或步驟。因此，所附權利要求旨在將這些工藝、機器裝置、製造、物質組成、工具、方法或步驟包括在它們的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種用於形成微機電(MEMS)器件的方法,包括: 提供MEMS晶圓，其中，形成所述MEMS晶圓包括: 在MEMS襯底的第一表面上形成第一犧牲層； 在所述第一犧牲層的上方形成介電層，所述介電層包括暴露的第一部分； 提供載體晶圓，其中，提供所述載體晶圓包括各向同性地蝕刻載體襯底以形成第一腔； 利用接合層將所述載體晶圓接合至所述MEMS晶圓，其中，接合包括將所述第一腔與所述介電層的所述第一部分對準； 對所述MEMS襯底進行圖案化； 從所述MEMS襯底去除部分所述第一犧牲層以形成第一 MEMS結構和第二 MEMS結構，所述第一 MEMS結構與所述介電層的所述第一部分相對應； 在所述MEMS襯底的第二表面上形成多個第一金屬接合件，所述第二表面與所述第一表面相對； 提供包括多個第二金屬接合件的帽晶圓； 通過將所述多個第二金屬接合件接合至所述多個第一金屬接合件，使所述帽晶圓接合至所述MEMS晶圓，這種接合生成包括所述介電層的所述第一部分和所述第一 MEMS結構的第一密封腔，所述第二 MEMS結構在第二密封腔中設置在所述介電層的第二部分與所述帽晶圓之間；以及 去除部分所述載體晶圓，使所述第一腔暴露於環境壓力。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，將所述帽晶圓接合至所述MEMS晶圓包括共晶接合工藝，通過所述共晶接合工藝限定所述第一密封腔的壓力水平。
3.一種形成微機電(MEMS)器件的方法,包括: 提供MEMS晶圓，所述MEMS晶圓包括: MEMS襯底； 位於所述MEMS襯底上方的第一氧化物釋放層；和 位於所述第一氧化物釋放層上方的介電層，所述介電層包括第一部分和第二部分； 在載體晶圓中蝕刻第一開口，所述蝕刻包括各向同性蝕刻工藝； 將所述載體晶圓接合至所述MEMS晶圓的第一表面，接合所述載體晶圓生成了包括所述第一開口的第一腔，所述介電層的所述第一部分的第一表面暴露於所述第一腔的壓力水平; 提供與所述介電層的所述第二部分對準的MEMS結構，提供所述MEMS結構包括圖案化所述MEMS結構並去除部分所述第一氧化物釋放層； 將帽晶圓接合至所述MEMS晶圓的第二表面，所述MEMS晶圓的第二表面與所述MEMS晶圓的第一表面相對，接合所述帽晶圓生成: 第二腔，包括所述介電層的所述第二部分和所述MEMS結構，和 第三腔，所述介電層的所述第一部分的第二表面暴露於所述第三腔的壓力水平；以及 將第一腔暴露於周圍環境。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述第二腔的壓力水平通過所述帽晶圓與所述MEMS晶圓之間的接合工藝來限定。
5.根據權利要求3所述的方法，還包括:在將所述載體晶圓接合至所述MEMS晶圓之前，在所述載體晶圓中蝕刻第二開口，蝕刻所述第二開口包括各向同性蝕刻工藝，並且將所述載體晶圓接合至所述MEMS晶圓還包括將所述第二開口連接至所述第三腔。
6.根據權利要求5所述的方法，還包括:蝕刻所述第二開口以具有期望的體積，從而幫助限定所述第三腔的期望壓力水平。
7.根據權利要求3所述的方法，其中，蝕刻所述第一開口包括: 在載體襯底上方沉積第一保護層； 通過蝕刻工藝在所述載體晶圓中形成多個溝槽； 在所述多個溝槽的側壁上形成第二保護層；以及 通過各向同性蝕刻所述多個溝槽的底部來連接所述多個溝槽，從而生成所述第一開□。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，蝕刻所述第一開口還包括去除所述第一保護層和所述第二保護層。
9.根據權利要求3所述的方法，其中，將所述帽晶圓接合至所述MEMS晶圓的第二表面包括:設置在所述MEMS晶圓的第二表面上的多個第一接合件與設置在所述帽晶圓的表面上的多個第二接合件之間的共晶接合工藝。
10.一種微機電(MEMS)器件,包括: MEMS晶圓，包括具有第一部分和第二部分的介電層以及分別與所述介電層的第一部分和第二部分對準的第一 MEMS結構和第二 MEMS結構； 接合至所述MEMS晶圓的第一表面的載體晶圓，所述載體晶圓包括第一腔和第二腔，所述介電層的所述第一部分的第一表面通過第一腔暴露於環境壓力；以及 接合至所述MEMS晶圓的第二表面的帽晶圓，所述第二表面與所述MEMS晶圓的第一表面相對，並且接合的所述帽晶圓和所述MEMS晶圓限定第三腔和第四腔，其中: 所述第一 MEMS結構設置在所述第三腔中； 所述介電層的所述第一部分的第二表面暴露於所述第三腔的第一密封壓力水平； 所述第二 MEMS結構和所述介電層的第二部分設置在所述第四腔中；並且所述第二腔和所述第四腔相連接，並且所述第二腔的體積幫助限定所述第二腔和所述第四腔的第二密封壓力水平。
【文檔編號】B81C1/00GK104045050SQ201310359584
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年8月16日 優先權日:2013年3月14日
【發明者】朱家驊, 鄭鈞文 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司