CN102079500B - 微机电系统芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电系统芯片及其制作方法。该微机电系统芯片包含：第一基板，其具有相对的第一表面与第二表面；制作于第一表面的微电子电路元件区；制作于第二表面的第一微机电元件区；以及将该微电子电路元件区与该第一微机电元件区电性连接的导线结构。

Description

微机电系统芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统芯片，也有关于此种系统芯片的制作方法。

背景技术

微机电系统有各种应用，例如微声压传感器、陀螺仪、加速度计等。大部份的微机电系统中包含微机电元件与其它微电子电路，必须互相整合，构成整合芯片。在其中一种现有技术中，微机电元件与微电子电路被置于晶圆同一表面，举例而言可参阅图1的平面图，如图所示，整合芯片中包含微机电元件区100和微电子电路元件(例如为CMOS元件)区200，且微机电元件区100由防护环120围绕，以防止制作微机电元件的过程中因蚀刻损及微电子电路元件区200。

请参考图2，图2是沿图1的A-A方向的剖面图。在制作微电子电路元件和微机电元件的过程中，于基板11上，将沉积多层的介电层19(图中未区分各层间的界线)，而在此种现有技术中，必须借助蚀刻该介电层19，以在微机电元件区100形成可活动的微机电元件(未示出)，因此在微机电元件区100中将留下空间10。如前述，蚀刻介电层19时不宜损及微电子电路元件区200，因此设有防护环120，由多晶硅层12、金属层15、16、17及18、及介电层19所构成。金属层的数目可视微电子电路的内连线需求和微机电元件设计来决定。

为了在同一表面上制作微机电元件与微电子电路元件，必须在其间提供电气连结。上述现有技术中是使用一层或多层金属层来达成此连结，例如图2中的第二金属层16。然而，既然使用到一层或多层金属层，所述金属层便必须穿越防护环120，而在其穿越防护环120的位置处将不能与防护环120的其它部分(图标中的第一接触层14、第一金属层15)构成紧密封闭的结构，否则即造成短路。因此，此种现有技术中，在蚀刻制作微机电元件时将不能完全避免损及微电子电路元件区200。

此外，此种现有技术中，由于微机电元件与微电子电路设置于晶圆同一表面，因此较为耗用面积。

有鉴于以上所述，有必要提供一种结构，可在功能上连结微机电元件与微电子电路元件，而仍能保护微电子电路元件区的完整性，此外并可减少微机电系统芯片所占的面积。

发明内容

本发明的一目的在于提出一种微机电系统芯片，其能保护微电子电路元件区的完整性，并占据较少的面积。

本发明的另一目的在于提出一种微机电系统芯片的制作方法。

为达上述目的，就本发明的其中一个观点而言，提供了一种微机电系统芯片，包含：第一基板，其具有相对的第一表面与第二表面；制作于第一表面的微电子电路元件区；制作于第二表面的第一微机电元件区；以及将该微电子电路元件区与该第一微机电元件区电性连接的导线结构。

为达上述目的，就本发明的另一个观点而言，提供了一种微机电系统芯片的制作方法，包含下列步骤：提供一第一基板，其具有相对的第一表面与第二表面；于该第一表面上，制作微电子电路元件区；制作穿越第一基板的导线结构；于该第二表面上，制作第一微机电元件区；以及使微电子电路元件区与第一微机电元件区通过该导线结构而电连接，其中该制作微电子电路元件区、制作穿越第一基板的导线结构、与制作第一微机电元件区的步骤可为任意顺序。

上述微机电系统芯片与制作方法中，该第一基板可为硅晶绝缘体(silicon on insulator，SOI)材料。

上述微机电系统芯片与制作方法中，该导线结构可为直通硅晶穿孔(through silicon via，TSV)方法所形成。

上述微机电系统芯片与制作方法中，该第一微机电元件区中可包含一动件，该动件由该硅晶绝缘体材料中的硅晶部份所形成。

上述微机电系统芯片与制作方法中，可更提供一第二基板，并于第二基板上形成第二微机电元件区，且接合该第二基板与前述第一基板，使该第二微机电元件区与前述第一微机电元件区功能连接。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1-2显示现有技术；

图3-9示出本发明的第一实施例；

图10-11示出本发明的第二实施例。

图中符号说明

10        空间

11        基板

12，12a   多晶硅层

13，13a   掺杂区

14        第一接触层

15，15a   第一金属层

16，16a    第二金属层

17，17a    第三金属层

18，18a    第四金属层

19         介电层

19a        钝化层

31         绝缘层

51         保护层

100        微机电元件区

110        第一基板

111        第一表面

112        第二表面

120        防护环

200，200a  微电子元件区

300        导线结构

310        阻障层

320        导体层

400        第一微机电元件区

400a       微机电元件

410        包覆层

500        第二基板

510        电气连接端

520        第二微机电元件区

具体实施方式

本发明中的图式均属示意，主要意在表示工艺步骤以及各层之间的上下次序关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

本发明的主要概念为：在基板的两面分别设置微电子电路与微机电元件，并以导线结构来提供两者间的功能连结，导线结构的较佳实施例为直通硅晶穿孔(through silicon via，TSV)。其步骤可以为：

(一)先设置微电子电路、再制作导线结构、再制作微机电元件；

(二)先设置微电子电路、再制作微机电元件、再制作导线结构；

(三)先设置微机电元件、再制作导线结构、再制作微电子电路元件；

(四)先设置微机电元件、再制作微电子电路元件、再制作导线结构；

(五)先设置导线结构、再制作微机电元件、再制作微电子电路元件；

(六)先设置导线结构、再制作微电子电路元件、再制作微机电元件。

在以上步骤完毕后，或在微机电元件制作完毕后，尚可提供一层包覆层，以覆盖并密封该微机电元件，且此包覆层上尚可设置对应的微机电元件，与基板上的微机电元件交互作用，例如构成出平面传感器，等等。

以下就上述概念中的第(一)种制作方式，以实施例加以说明。参阅实施例之后，本领域技术人员当可类推应用至上述第(二)～(六)种制作方式中。

请参照图3至图9，在本实施例中，提供一第一基板110作为微机电元件与微电子电路元件(例如为CMOS元件)的基板，如图3所示，该基板可为硅晶绝缘体(silicon on insulator，SOI)材料，其具有第一表面111与第二表面112，其间以绝缘体31隔离。如图4所示，于第一基板110的第二表面112上，沉积一保护层51。此保护层51例如为未掺杂的多晶硅层，或其它可提供电气隔绝功能的材料层。如图5所示，于第一基板110的第一表面111上，形成微电子电路元件区200a，包含形成如掺杂区13a、栅极层12a、金属层15a、16a、17a、18a、及钝化层(passivation)19a等微电子电路元件区所需的组成层别，其方式例如可使用标准的CMOS工艺。

图6说明本实施例的导线结构300，在本实施例中，于第一基板110第二表面112上使用直通硅晶穿孔方法形成导线结构300，构成微机电元件与微电子电路元件的功能连结导线，并于过程中去除保护层51。直通硅晶穿孔的典型制作方法是以蚀刻方式制作穿孔后，在穿孔内填入阻障层310(barrier)、再填入导体层320(conductor)，阻障层310材料例如可为钛、氮化钛、钽、氮化钽或以上材料的复合结构，阻障层310亦可视为黏着层(adhesion layer)，因其除达成阻障功能外亦可提高导体层320与基板110的黏着。导体层320材料可为常用的穿孔导体材料例如钨、铜等。需注意的是，虽然本发明的较佳实施例使用直通硅晶穿孔方法形成导线结构300，但将微机电元件与微电子电路元件功能连结的方式不限于使用直通硅晶穿孔，亦可为其它方式如：通过芯片外部的连接线(wire bond)来连接，此亦属本发明的范围。

接着参阅图7，于第一基板110的第二表面112上，通过蚀刻形成第一微机电元件400；蚀刻方式视基板材质与所欲形成的微机电元件形状而定，当基板为硅时，例如可使用非等向性的ICP(Inductively CoupledPlasma，感应电浆)蚀刻，或使用等向性的XeF2蚀刻。形成第一微机电元件400后，如图8所示，再蚀刻去除部分绝缘层31，使第一微机电元件成为可动件，其蚀刻方式例如可为HF蒸气蚀刻或缓冲氧化物蚀刻(buffered oxide etch)。在本实施例中，第一微机电元件即已构成完整的微机电元件，此微机电元件的动件由该硅晶绝缘体材料中的硅晶部份所形成。接着参阅图9，以一包覆层410包覆保护第一微机电元件400，便完成了微机电硅统芯片的整体结构。包覆层例如可以为另一硅基板，使用玻璃烧结(glass frit)、焊接(solder)或以感旋光性聚合物(photo-sensitive polymer)作为结合材料，与第一基板110接合。结合方式的细节非本发明的重点，可参阅本发明申请人于98年8月3日申请的TW第098126099号申请案，在此不予赘述。

以下说明本发明的第二实施例。在本实施例中，于图3-8的步骤后，接着见图10与图11，再提供第二基板500，此基板例如可为硅基板，并在该第二基板500上形成电气连接端510及第二微机电元件区520。电气连接端510的目的是使第二基板500与第一基板110达成电气连接，使电讯号得以传递，其例如(但不限于)可与第一基板110的导线结构300连接。第二微机电元件区520可使用基板本身来制作，亦可在基板上通过沉积、微影、蚀刻的方式，以硅、金属及/或绝缘层来制作。第二基板500与第一基板110的接合方式可使用上述任何方式，以玻璃烧结、焊接或以感旋光性聚合物作为结合材料来接合。如图11所示，当第一基板110与第二基板500接合后，第二微机电元件区520与第一微机电元件区400可达成组合性的功能，构成完整的微机电元件400a，此微机电元件400a可以感测垂直方向上的移动变化，例如可作为出平面传感器。在较佳实施型态中，于图中未示出的外围处，宜以气密材料密封微机电元件400a和电气连接处510，300，此密封步骤可在第二基板500与第一基板110接合时一并完成，不另绘示说明。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。举例而言，以上所述各实施例中的材料、金属层数等皆为举例，还其它有各种等效变化的可能。又，与微机电元件整合的微电子电路不限于以CMOS元件制作，亦可包含双极晶体管等。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种微机电系统芯片的制作方法，其特征在于，包含下列步骤：

提供一第一基板，其具有相对的第一表面与第二表面；

于该第一表面上，制作微电子电路元件区，其中该微电子电路元件区包含微电子元件与金属层；

在制作微电子电路元件区之后，制作穿越第一基板的导线结构；

于该第二表面上，制作第一微机电元件区；以及

使微电子电路元件区与第一微机电元件区通过该导线结构而电连接。

2.如权利要求1所述的微机电系统芯片的制作方法，其中，该第一基板为硅晶绝缘体材料，且其中，该制作第一微机电元件区的步骤包括：蚀刻该硅晶绝缘体材料的硅晶部份与绝缘体部分，以制作可动件。

3.如权利要求1所述的微机电系统芯片的制作方法，其中，还包括：在制作微电子电路元件区前，先于该第二表面上制作保护层，且其中，制作穿越第一基板的导线结构的步骤包括：

于该第二表面上，移除该保护层；

制作穿越该第一基板的穿孔；

填入阻障材料；以及

填入导体材料。

4.如权利要求1所述的微机电系统芯片的制作方法，其中，还包括：

于制作第一微机电元件区后，制作包覆层，包覆该第一微机电元件区。

5.如权利要求1所述的微机电系统芯片的制作方法，其中，还包括：

提供一第二基板；

于第二基板上制作第二微机电元件区；

接合该第二基板与前述第一基板，使该第二微机电元件区与前述第一微机电元件区功能连接。