CN106477516A - 微机电系统装置以及用于形成微机电系统装置的方法 - Google Patents

微机电系统装置以及用于形成微机电系统装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了微机电系统装置以及用于形成微机电系统装置的方法。本发明公开一种用于形成MEMS装置的方法和系统。在第一方面中，所述方法包括在基底衬底的顶部金属层的至少一部分上方提供导电材料，图案化所述导电材料和所述顶部金属层的所述至少一部分，以及通过金属硅化物形成，接合所述导电材料与MEMS衬底的装置层。在第二方面中，所述MEMS装置包括MEMS衬底，其中所述MEMS衬底包含处理层、装置层，以及位于两者之间的绝缘层。所述MEMS装置进一步包括基底衬底，其中所述基底衬底包含顶部金属层和位于所述顶部金属层的至少一部分上方的导电材料，其中通过金属硅化物形成，所述导电材料与所述装置层接合。

Description

微机电系统装置以及用于形成微机电系统装置的方法
技术领域
本发明涉及微机电系统(microelectromechanical systems；MEMS)装置，且更明确地说，涉及使用金属硅化物形成的互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)-MEMS集成。
背景技术
使用各种接合技术生产微机电系统(microelectromechanical systems；MEMS)装置。常规的接合发生在高温和高下压力下，所述高温和高下压力引起对MEMS装置的热-机械应力，由此使MEMS装置呈现参数偏移，或在最差的情况中呈现非功能性。因此，强烈需要克服前述问题的解决方案。本发明解决所述需要。
发明内容
公开一种用于形成MEMS装置的方法和系统。在第一方面中，MEMS装置包含MEMS衬底和基底衬底，其中基底衬底包含顶部金属层，且MEMS衬底包含处理层、装置层，以及位于两者之间的绝缘层，方法包括在顶部金属层的至少一部分上方提供导电材料，图案化导电材料和顶部金属层的至少一部分，以及通过金属硅化物形成，接合导电材料与装置层。
较佳的，所述金属硅化物形成是非晶的。
较佳的，进一步包括：
在所述接合步骤之前，在所述装置层中提供致动器。
较佳的，所述提供步骤包括仅在形成于所述顶部金属层上的一个或多个接合垫上提供所述导电材料。
较佳的，所述接合步骤包括通过所述金属硅化物形成，将所述顶部金属层的所述一个或多个接合垫接合到所述装置层。
较佳的，所述接合步骤利用低温接合。
较佳的，所述低温接合包括在400℃或低于400℃下的接合。
较佳的，所述接合步骤提供电连接和气密密封两者。
较佳的，所述导电材料包括钛、钴和镍中的任一个。
较佳的，所述顶部金属层包括铝/铜、钨、钛、氮化钛和铝中的任一个。
较佳的，所述基底衬底包括CMOS衬底。
在第二方面中，MEMS装置包括MEMS衬底，其中MEMS衬底包含处理层、装置层，以及位于两者之间的绝缘层；以及基底衬底，其中所述基底衬底包含顶部金属层和位于所述顶部金属层的至少一部分上方的导电材料，其中所述导电材料与所述装置层接合。
较佳的，所述导电材料和所述装置层之间的所述接合包含金属硅化物形成。
较佳的，所述导电材料和所述顶部金属层的所述至少一部分进行图案化。
较佳的，所述金属硅化物形成是非晶的。
较佳的，进一步包括：
在所述装置层内的致动器。
较佳的，所述导电材料包括钛、钴和镍中的任一个。
较佳的，所述顶部金属层包括铝/铜、钨、钛、氮化钛和铝中的任一个。
较佳的，所述导电材料仅在形成于所述顶部金属层上的一个或多个接合垫上提供。
较佳的，所述接合提供所述装置层和所述顶部金属层之间的电连接。
较佳的，所述接合提供气密密封。
较佳的，所述基底衬底包括CMOS衬底。
附图说明
附图说明本发明的若干实施例，并且与描述一起解释本发明的原理。所属领域的一般技术人员容易认识到，图式中所说明的实施例仅仅是示例性的，且并不意图限制本发明的范围。
图1A示出了根据实施例的在Al-Ge共晶接合之前的CMOS-MEMS集成装置。
图1B示出了根据实施例的在Al-Ge共晶接合之后的CMOS-MEMS集成装置。
图2示出了根据第一实施例的使用较低温度接合工艺的CMOS-MEMS集成装置。
图3示出了根据第二实施例的使用较低温度接合工艺的CMOS-MEMS集成装置。
图4示出了根据第三实施例的使用较低温度接合工艺的CMOS-MEMS集成装置。
具体实施方式
本发明涉及微机电系统(microelectromechanical systems；MEMS)装置，且更明确地说，涉及使用金属硅化物形成的互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)-MEMS集成。呈现以下描述以使所属领域的一般技术人员能够制造并使用本发明，并且在专利申请案和其要求的情况中提供。对于所属领域的技术人员来说，对优选实施例的各种修改以及本文所述的一般原理和特征将是显而易见的。因此，本发明并非意图限于所示的实施例，而应符合与本文所述的原理和特征相一致的最广泛范围。
微机电系统(micro-electro-mechanical systems；MEMS)指代使用半导体类工艺制造并展现例如移动或变形能力的机械特性的一类装置。MEMS常常但并不总是与电信号交互。MEMS装置可指代实施为微机电系统的半导体装置。MEMS装置包含机械元件，并任选地包含用于感测的电子装置。MEMS装置包含但不限于陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器。
在MEMS装置中，端口是穿过衬底的开口，以暴露MEMS结构到周围环境中。芯片包含通常由半导体材料形成的至少一个衬底。单芯片可由多个衬底形成，其中所述衬底经机械接合以维持功能性。多芯片包含至少两个衬底，其中所述至少两个衬底电连接，但不需要机械接合。
通常，多芯片通过切割晶片形成。MEMS晶片是含有MEMS结构的硅晶片。MEMS结构可指代可以是更大的MEMS装置的一部分的任何特征。包括可移动的元件的一个或多个MEMS特征是MEMS结构。MEMS特征可指代通过MEMS制造工艺形成的元件，例如缓冲块、阻尼孔、通孔、端口、板、质量块、支座、弹簧，以及密封环。
MEMS处理层提供用于MEMS装置层的机械支撑。在一些实施例中，处理层充当MEMS结构的罩盖。接合可指代附着方法，且MEMS衬底和集成电路(integrated circuit；IC)衬底可使用共晶接合(例如，AlGe、CuSn、AuSi)、融合接合、压缩、热压、粘附剂接合(例如，胶、焊接、阳极接合、玻璃粉)来接合。IC衬底可指代具有电路(通常为CMOS电路)的硅衬底。封装在芯片上的接合垫之间提供电连接到金属引线，所述金属引线可焊接到印刷电路板(printedboard circuit；PCB)上。封装通常包括衬底和盖罩。
互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)-MEMS集成装置包含CMOS-MEMS后端工艺，其可需要在组成CMOS-MEMS集成装置的CMOS或MEMS晶片/衬底的接地表面上光刻和图案化。CMOS-MEMS后端工艺涵盖将CMOS和MEMS晶片接合到彼此之后的全部其余步骤。
按照惯例在CMOS衬底和MEMS衬底之间将锗(Ge)接合到铝(Al)上(以制定MEMS装置)产生稳固的电气和机械接触。然而，共晶反应发生在420摄氏度以上，所述共晶反应需要高下压力(超过30kN)以打破原生氧化物，并促进Al和Ge之间的互混。因此，铝-锗(Al-Ge)共晶接合工艺需要高温和高下压力。
通常，Al-Ge共晶接合工艺需要高于420摄氏度的高温和大于或等于30千牛顿(kN)的高下压力，所述高温和高下压力引起对MEMS装置的热和物理应力。确切地说，在Al-Ge共晶接合期间施加在晶片上的高温和高下压力产生对MEMS装置的热-机械应力，其引起高晶片弓曲传播(>100微米μm)。此外，在导致空腔压力提升的Al-Ge共晶反应之后，高接合温度促进空腔内的除气。
相对地，在相对较低温度(低于400摄氏度)下的低温CMOS-MEMS接合工艺可减小对MEMS装置的热-机械应力，并减少空腔内的除气，以更好地控制空腔压力。根据本发明的方法和系统提供使用金属硅化物形成的MEMS装置的较低温度接合工艺，以减少由高温接合导致的前述问题和对MEMS装置的损害。
在一个实施例中，通过依赖于金属硅化物形成，接合发生在较低温度(例如，处于或低于400摄氏度)和较低的下压力(例如，处于或低于20kN)中，由此减小晶片弓曲和降低应力。此外，使用金属硅化物形成降低在MEMS装置的空腔内滞留的除气量，其产生较低的空腔压力，当与Al-Ge接合工艺压力相比时(因此，在处理期间，由于密封完成后就在高温下进行除气，所以共晶接合之后的空腔压力高于Al-Ge接合压力)，所述较低的空腔压力更接近原先由较低温度接合工艺引起的压力(因此，空腔压力相对更接近于在处理期间的实际接合压力)。
尽管在Al-Ge共晶接合之后，利用需要较大的间隙距离以避免对MEMS装置的影响的Al挤压工艺是常见的，但依赖于金属硅化物形成是基于刚性导电(金属)表面的无挤压工艺。因此，感测电极距离的MEMS硅酮(Si)的感测区域在整个这个集成工艺中保持一致。
为更详细地描述本发明的特征，现结合附图参考以下描述。
图1A示出了根据实施例的在Al-Ge共晶接合之前的CMOS-MEMS集成装置100。CMOS-MEMS集成装置100包含MEMS衬底130和CMOS衬底140。CMOS衬底140包含在CMOS衬底140的顶表面上暴露的顶部金属层110的多个开放的接合垫。在一个实施例中，顶部金属层110包括铝(Al)。在另一实施例中，顶部金属层110包括铝/铜合金、钨、钛、氮化钛以及铝中的任一个。
MEMS衬底130在MEMS处理晶片104的顶面和底面上包含融合接合氧化物层102，所述MEMS衬底130包含上部空腔(upper cavity；UCAV)116、耦合到MEMS处理晶片104的MEMS装置106(由硅Si制成)，以及耦合到MEMS装置106的Ge垫层108。MEMS衬底130还包含在MEMS装置106内图案化的至少一个致动器沟槽112和至少一个MEMS接合锚(支座)114。在一个实施例中，使用深反应离子蚀刻(deep reactive-ion etching；DRIE)图案化至少一个致动器沟槽112。
图1B示出了根据实施例的在Al-Ge共晶接合之后的CMOS-MEMS集成装置150。CMOS-MEMS集成装置150包含与CMOS-MEMS集成装置100相同的组件102至116、130和140。接合发生在整个接合区域160，所述接合区域160通过Ge垫层108，将MEMS衬底130的至少一个MEMS接合锚(支座)114耦合/接合到CMOS衬底140的顶部金属层110的接合垫。
图2示出了根据第一实施例的使用较低温度接合工艺的CMOS-MEMS集成装置200。CMOS-MEMS集成装置200包含MEMS衬底230和CMOS衬底240。CMOS衬底240包含多个开放的接合垫，所述接合垫包括在CMOS衬底240的顶表面上暴露的顶部金属层210。在一个实施例中，顶部金属层210包括铝(Al)。在另一实施例中，顶部金属层210包括铝/铜合金、钨、钛、氮化钛以及铝中的任一个。
此外，不同于CMOS-MEMS集成装置100和150，CMOS-MEMS集成装置200包含沉积在顶部金属层210的顶部上的导电金属层218。顶部金属层210和导电金属层218的组合经图案化以形成新的顶部金属层。在一个实施例中，所沉积的导电金属层218的厚度在10和500纳米(nm)之间。在一个实施例中，导电金属层218由钛(Ti)、镍(Ni)、钴(CO)和其任何组合中的任一个制成。新的顶部金属层充当耦合到MEMS衬底230的接合垫。在此实施例中，新的顶部金属层也充当电极层。
如在图1A中，图2的MEMS衬底230在MEMS处理晶片204的顶面和底面上包含融合接合氧化物层202，所述MEMS衬底230包含上部空腔(upper cavity；UCAV)216、耦合到MEMS处理晶片204的MEMS装置206(由硅Si制成)。然而，MEMS衬底230不包含耦合到MEMS装置206的Ge垫层。MEMS衬底230还包含在MEMS装置206内图案化的至少一个致动器沟槽212和至少一个MEMS接合锚(支座)214。
在一个实施例中，使用深反应离子蚀刻(deep reactive-ion etching；DRIE)图案化至少一个致动器沟槽212。至少一个MEMS接合锚(支座)214通过导电金属层218耦合到新的顶部金属层。至少一个MEMS接合锚(支座)214接合到导电金属层218的接合垫上使用金属硅化物形成，其依赖于低下压力(≤20kN)和较低温度(≤400C)。
图3示出了根据第二实施例的使用较低温度接合工艺的CMOS-MEMS集成装置300。CMOS-MEMS集成装置300包含与图2的CMOS-MEMS集成装置200相同的组件202到216、230和240。然而，在图3中，导电金属层318存在于区域上方，在所述区域中，与至少一个MEMS接合锚(支座)314的接合使用遮蔽工艺发生。因此，在区域370上方不存在导电金属层318。确切地说，导电金属层318仅在形成于顶部金属层310上的共晶接合垫上选择性地图案化，由此使电极、屏蔽以及线接合垫(组成区域370)打开，这会暴露顶部金属层310。
图4示出了根据第三实施例的使用较低温度接合工艺的CMOS-MEMS集成装置400。CMOS-MEMS集成装置400包含相同的图2的MEMS衬底230的组件202、204、206、212、214和216。然而，在图4中，CMOS衬底包含层480，而不是图2的新的顶部金属层，所述层480形成为顶部金属层210和导电金属层218之间的组合。层480耦合到至少一个通孔482，所述至少一个通孔482互连到内埋式CMOS金属层484。在一个实施例中，使用铜(Cu)和钨(W)金属中的任一个，层480充当至少一个电极和至少一个接合垫。
如在图2中，利用金属硅化物形成的图4的较低温度接合工艺实现了将常规的接合工艺利用的Al挤压工艺去除。没有Al挤压，MEMS Si到M顶部感测电极的空隙仅仅是支座的高度。因此，由于去除了Al挤压，所以接合锚和其它可移动的块之间需要更小的间隙距离。
在一个实施例中，公开一种用于形成MEMS装置的方法。MEMS装置包含MEMS衬底和基底衬底，其中所述基底衬底包括CMOS衬底，所述CMOS衬底包含顶部金属层，且所述MEMS衬底包含处理层、装置层，以及位于两者之间的绝缘层。在一个实施例中，绝缘层较薄(厚度为数纳米)，而在另一实施例中，绝缘层较厚(厚度超过500nm或以微米计)。
方法包括在顶部金属层的至少一部分上方提供导电材料，图案化导电材料和顶部金属层的至少一部分，以及通过金属硅化物形成，接合导电材料与装置层。在一个实施例中，方法进一步包括在接合步骤之前在装置层中提供致动器，并同样使用DRIE提供致动器。
在一个实施例中，提供步骤包括仅在形成于顶部金属层上的一个或多个接合垫上提供导电材料，接合步骤包括通过金属硅化物形成，将顶部金属层的一个或多个接合垫接合到装置层。在此实施例中，接合步骤利用低温接合，其包括在400摄氏度或低于400摄氏度下的接合。在另一实施例中，低温接合发生在420℃或低于420℃的温度下。接合步骤提供电连接和气密密封两者。
在一个实施例中，导电材料包括钛、钴和镍中的任一个，并使用沉积极薄层(～5到500nm)的沉积工艺提供。在一个实施例中，顶部金属层包括铝/铜、钨、钛、氮化钛和铝中的任一个。
在一个实施例中，公开一种MEMS装置，其包括MEMS衬底，其中MEMS衬底包含处理层、装置层，以及位于两者之间的绝缘层，和基底衬底，其中基底衬底包含顶部金属层和位于顶部金属层的至少一部分上方的导电材料，其中导电材料与装置层接合。导电材料和装置层之间的接合包含金属硅化物形成。在一个实施例中，导电材料和顶部金属层的至少一部分两个都进行图案化。
在一个实施例中，导电层仅在形成于顶部金属层上的一个或多个接合垫上提供。通过金属硅化物形成，将顶部金属层的一个或多个接合垫接合到装置层以提供电连接和气密密封。确切地说，接合提供装置层和顶部金属层之间的电连接。接合也提供气密密封。
如上描述，根据本发明的方法和系统提供通过较低温度接合工艺，将CMOS衬底和MEMS衬底接合在一起，所述工艺利用金属硅化物形成以产生包含MEMS装置的CMOS-MEMS集成装置。较低温度接合工艺缓解发生在MEMS装置上的潜在的损害，而没有使用需要高温且可能损害MEMS装置的Al-Ge共晶接合工艺。
尽管已经根据所展示的实施例描述了本发明，但所属领域的一般技术人员将容易认识到，可以存在对这些实施例的变化，并且那些变化将在本发明的精神和范围内。因此，在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下，所属领域的一般技术人员可以作出许多修改。

Claims (22)

1.一种用于形成MEMS装置的方法，其特征在于，所述MEMS装置包含MEMS衬底和基底衬底，其中所述基底衬底包含顶部金属层，且所述MEMS衬底包含处理层、装置层，以及位于两者之间的绝缘层，所述方法包括：
在所述顶部金属层的至少一部分上方提供导电材料；
图案化所述导电材料和所述顶部金属层的所述至少一部分；以及
通过金属硅化物形成，接合所述导电材料与所述装置层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属硅化物形成是非晶的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述接合步骤之前，在所述装置层中提供致动器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供步骤包括仅在形成于所述顶部金属层上的一个或多个接合垫上提供所述导电材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接合步骤包括通过所述金属硅化物形成，将所述顶部金属层的所述一个或多个接合垫接合到所述装置层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合步骤利用低温接合。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述低温接合包括在400℃或低于400℃下的接合。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合步骤提供电连接和气密密封两者。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电材料包括钛、钴和镍中的任一个。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶部金属层包括铝/铜、钨、钛、氮化钛和铝中的任一个。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底衬底包括CMOS衬底。
12.一种MEMS装置，其特征在于，包括：
MEMS衬底，其中所述MEMS衬底包含处理层、装置层，以及位于两者之间的绝缘层；以及
基底衬底，其中所述基底衬底包含顶部金属层和位于所述顶部金属层的至少一部分上方的导电材料，其中所述导电材料与所述装置层接合。
13.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述导电材料和所述装置层之间的所述接合包含金属硅化物形成。
14.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述导电材料和所述顶部金属层的所述至少一部分进行图案化。
15.根据权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于，所述金属硅化物形成是非晶的。
16.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，进一步包括：
在所述装置层内的致动器。
17.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述导电材料包括钛、钴和镍中的任一个。
18.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述顶部金属层包括铝/铜、钨、钛、氮化钛和铝中的任一个。
19.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述导电材料仅在形成于所述顶部金属层上的一个或多个接合垫上提供。
20.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述接合提供所述装置层和所述顶部金属层之间的电连接。
21.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述接合提供气密密封。
22.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述基底衬底包括CMOS衬底。
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