TW201302598A - 量測環境力的裝置與製造該裝置的方法 - Google Patents

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Naresh Venkata Mantravadi
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Abstract

本發明揭示一種用於量測環境力之裝置及一種製造該裝置之方法，該裝置包括一裝置晶圓(50)，該裝置晶圓(50)包括一第一裝置層(100)及一第二裝置層(200)，該兩裝置層係藉由一第一絕緣層(150)分離。該第一裝置晶圓(50)係結合至一蝕刻基板晶圓(600)，以產生一懸置之隔膜(500)及凸部(550)，其撓曲係由一嵌入之感測元件(850)所確定。

Description

量測環境力的裝置與製造該裝置的方法
本文所揭示之標的物係關於基於半導體微機電系統(MEMS)之感測器，該等感測器可用於偵測由諸如機械應力、化學-機械應力、熱應力、電磁場等等之環境因素所產生之小力或撓曲。更明確而言，本文所揭示之標的物係關於一種用於感測壓力之裝置及製造該裝置之方法。
基於半導體微電子件之感測器之發展已使此等感測器之尺寸及成本減小。矽微感測器之電性質及機械性質及矽微加工及半導體微電子技術已經改良。例如，微加工矽壓力感測器、加速度感測器、流量感測器、濕度感測器、麥克風、機械振盪器、光學轉換器及RF轉換器及衰減器、微閥、噴墨印表機頭、原子力顯微尖頭及此類物已廣泛應用於多種應用中，諸如，醫學、航空、工業及汽車市場。矽在室溫下之高屈服強度、彈性及硬度性質使得矽是可用於感測器結構之共振結構之理想基底材料。甚至諸如手錶、輕便潛水設備及掌上型輪胎壓力計量器之消費物件可併入矽微加工感測器。
不斷擴大的應用領域對矽感測器之需求持續推動針對特定環境及應用最佳化之新的及不同之矽微感測器幾何形狀及組態之需求。用於量測環境力(明確而言，壓力)之微機電裝置及感測器之應用領域之不斷擴大使得需要更小型之裝置。令人遺憾的是，一直以來，對壓力之微小變化高度 靈敏之較小型裝置之製造亦存在困難。由於該等裝置之尺寸較小及所使用之幾何形狀之纖細本質，習知之技術難以維持所需要之苛刻之容差，尤其在大量生產中。此外，由於在製作期間結構可擴散或植入此等MEMS裝置內之深度受到限制，此會限制此等裝置之設計及操作特性。
有利的是，提供一種用於製造不僅尺寸小，且亦可高效大量生產之高靈敏度壓力感測器之方法。
上文之論述僅在於提供一般性背景資訊且並不意在用作輔助確定所申請之標的物之範疇。
本發明揭示一種用於量測環境力之裝置及一種製造該裝置之方法，該裝置包括一裝置晶圓，該裝置晶圓包括一第一裝置層及一第二裝置層，其係藉由一第一絕緣層分離。該第一裝置晶圓係結合至一蝕刻之基板晶圓，以產生一懸置之隔膜及凸部，其撓曲係由一嵌入之感測元件確定。實踐所述之裝置及製造方法之一些實施例可實現之一優點在於，可使用大量平面製作技術精確控制基於MEMS之壓力感測器之該隔膜及該凸部結構二者之厚度。此等精確厚度轉而確定該感測器之操作特性，因此導致性能改良且位置靈敏度較低，尤其在低壓(例如，小於一個大氣壓)環境中。
在一示例性實施例中，揭示一種裝置，該裝置包括一凸部，該凸部包括一裝置晶圓之一第一裝置層之一部分，該裝置晶圓包括該第一裝置層及一第二裝置層，該第一裝置 層與該第二裝置層係藉由一第一絕緣層分離；一隔膜孔穴，其位於一基板晶圓之一頂表面上，該基板晶圓之該頂表面係結合至該第一裝置層之一頂表面，以在該隔膜孔穴上形成一隔膜，該隔膜包括該第二裝置層之一部分，且該凸部自該隔膜延伸；及一感測元件，其位於該第二裝置層中，以感測該隔膜之撓曲。
在另一示例性實施例中，揭示一種製造一裝置之方法，其包括下列步驟：在一裝置晶圓之一第一裝置層之一頂表面上形成一凸部孔穴，以形成一凸部，該裝置晶圓包括該第一裝置層、藉由一第一絕緣層與該第一裝置層分離之一第二裝置層，及一藉由一第二絕緣層與該第二裝置層分離之一處理層；在一基板晶圓之一頂表面上形成一隔膜孔穴；將該第一裝置層之該頂表面結合至該基板晶圓之該頂表面，以在該隔膜孔穴上形成一隔膜，該隔膜包括該第二裝置層之一部分，及自該隔膜延伸之該凸部；將該處理層及該第二絕緣層自該裝置晶圓移除；及將一感測元件放置於該第二裝置層中，以感測該隔膜之撓曲。
對本發明之此簡要描述僅意在提供本文根據一或多個闡釋性實施例所揭示之標的物之簡要概略，且並不作為技術方案之解讀指南或界定或限制本發發明之範疇，本發明之範圍僅由附加技術方案界定。提供簡要描述目的在於以簡化之形式引入一系列闡釋性概念，下文將在詳盡描述中予以進一步描述。此簡要描述並不意在識別所申請之標的物之關鍵特徵或基本特徵，亦不意在用以輔助確定所申請之 標題物之範疇。所申請之標的物並不限於解決先前技術段落所提及之任何或所有缺點之實施案。
由於可以此方式理解本發明之特徵，可參考特定實施例對本發明進行詳細之描述，在附圖中圖解一些特定實施例。然而，應注意，圖式僅圖解本發明之特定實施例且因此並不應在限制本發明之範疇，因為本發明之範疇涵蓋其他等效之實施例。該等圖不一定按比例繪製，一般而言將強調於圖解本發明之特定實施例之特徵。在圖式中，所有之視圖中用類似之數字指示類似之部件。因此，為了理解本發明，可結合圖式參考下文之詳細描述。
本發明揭示一種用於量測環境力之裝置及一種製造該裝置之方法，該裝置包括一裝置晶圓，該裝置晶圓包括一第一裝置層及一第二裝置層，其藉由一第一絕緣層分離。該第一裝置晶圓係結合至一蝕刻之基板晶圓，以製作一懸置之隔膜及凸部，其撓曲係由一嵌入之感測元件確定。實踐所述之裝置及製造方法之某些實施例可實現之一優點在於，可使用大體積平面製作技術精確控制基於MEMS之壓力感測器之該隔膜及該凸部結構二者之厚度。此等精確厚度轉而確定該感測器之操作特性，因此導致性能改良且位置靈敏度較低，尤其在低壓(例如，小於一個大氣壓)環境中。
可藉由在一矽結構內形成一孔穴且在該孔穴附近形成一隔膜而製作一示例性壓力感測器。在相對於一選定參考壓 力進行量測之絕對壓力感測器實施例中，將該孔穴保持於一真空中或一選定之內部壓力中。該壓力感測器藉由感測該隔膜之撓曲(例如，作用於該隔膜上之壓力如何使得該隔膜撓曲朝向或遠離該隔膜孔穴)而量測壓力。一般地，形成於該隔膜之邊緣附近之一或多個感測元件感測該隔膜之撓曲或撓曲。在相對於該感測器所處之環境壓力而作用於該隔膜上之壓力進行壓力量測之壓力差感測器實施例中，該孔穴可通向周圍環境。
圖1展示在本發明之一示例性實施例中之一感測器10之一橫截面圖。感測器10包括一基板晶圓600，可在該基板晶圓600中蝕刻一隔膜孔穴650。在一實施例中，基板晶圓600可為一個雙面拋光矽晶圓，其可具有n型摻雜或p型摻雜或可具有滿足該感測器之設計及製造要求之一合適厚度。在其他實施例中，基板晶圓600可為一絕緣體上矽晶圓之一裝置層，其具有位於一裝置層與一處理層之間之一絕緣層。一隔膜500可懸置於該隔膜孔穴650上方，其可包括一第二裝置層200之一部分及一裝置晶圓之一第一絕緣層150之一部分，該裝置晶圓具有藉由絕緣層(例如，一個雙面絕緣體上矽晶圓(DSOI)分離之兩個裝置層。一突出550自隔膜500懸置，該凸部550可為一裝置晶圓之一第一裝置層100之一部分，其藉由一或多個凸部孔穴400與該第一裝置層100之剩餘部分分離。
圖3係在本發明之一示例性實施例中具有蝕刻之凸部孔穴400之一裝置晶圓50之一橫截面圖。如圖3中所示，一裝 置晶圓50可包括一第一裝置層100、第一絕緣層150、第二裝置層200、第二絕緣層250及處理層300。第一裝置層100可為一單晶矽基板，在一實施例中，其可具有n型摻雜或p型摻雜且可具有滿足該感測器10之操作性質及物理設計之一合適厚度。第二裝置層200可為一單晶矽基板，在一實施例中，其可具有經選擇以滿足特定之設計規範之一厚度且可具有n型或p型摻雜。可使用習知之晶圓製造技術精確地設定該裝置晶圓50之多個層之厚度且可選擇該厚度使得該等層之精確厚度確定該感測器10之後續操作及物理特性，下文將詳盡描述。
在一示例性實施例中，第一絕緣層150及第二絕緣層250可分別為二氧化矽且具有滿足該感測器10之製造及設計要求之一合適厚度。在製程期間，處理層300可用於抓握該裝置晶圓50。第一絕緣層150可位於第一裝置層100與第二裝置層200之間，而第二絕緣層250可位於第二裝置層200與處理層300之間。例如，處理層300可由n型矽或p型矽組成且可具有滿足該感測器10之設計及製造要求之一合適厚度。總而言之，可選擇包括該感測器10之多個層之厚度，使得該裝置之該總厚度滿足該感測器10之操作及物理設計特性。明確而言，可選擇基板晶圓600之厚度，以使得轉移至隔膜500之封裝應力最小。
再次參考圖1，可策略性地將一或多個感測元件850(例如，一壓阻感測元件)植入或擴散於該第二裝置層200內，以感測該等矽結構由於環境力(例如，作用於感測器10上 之壓力)造成之撓曲，明確而言，該感測器10內之懸置於該開口隔膜孔穴650上方之該隔膜500之撓曲。感測器10亦可包含鈍化層700，例如，該鈍化層700可包括一個二氧化矽層、一個氮化矽層或二者之一組合。在製造及操作期間，鈍化層700可向感測器10提供電絕緣及保護。基板晶圓600之面向外之非結合側上亦可沈積有一鈍化層(圖中未展示)。形成於第二裝置層200中之一或多個互連部825可將一或多個感測元件850耦合至該感測器10之一外表面，同時一或多個金屬化層800可提供該等互連部825與該感測器10上之一外接觸件之間之電連接，使得該感測器10可透過一引線附接而電耦合至其他裝置或連接部。
參考圖1，在本發明之一實施例中描述一示例性感測器10及其操作。可藉由量測形成於第二裝置層200中且位於形成於一基板晶圓600之頂表面中之一隔膜孔穴650上方之一薄型結構(即，隔膜500)之撓曲而操作感測器10，該基板晶圓600可結合至一裝置晶圓之該第一裝置層100。該隔膜500可用作感測器10中之一撓曲結構。由於隔膜孔穴650與上方之隔膜500之間存在壓力差，隔膜500將撓曲朝向或遠離該隔膜孔穴650。可藉由一或多個感測元件850偵測隔膜500之撓曲，該(該等)感測元件850可放置於第二裝置層200中，位於隔膜500之邊緣上或附近。在使用壓阻感測元件之一實施例中，可使用一電路(諸如，惠斯通橋電路或此類電路)確定感測元件850之電阻，可使用附接至一或多個金屬化層800之一或多個互連件825使該等壓阻感測元件互 連。可將一電介面或其他此類裝置附接至該金屬化層800之端，以使該感測器10與另一裝置達成電連通。該壓阻感測元件850之電阻隨著隔膜500之撓曲變化。因此，感測元件850之壓阻電阻之測量值可用於確定隔膜500之撓曲量，且因此確定施加於感測器10上之壓力。
參考圖1至圖4解釋製造諸如圖1中圖解之一矽感測器之示例性製程。圖2係在本發明之一實施例中用於製造一感測器10之一示例性流程圖900。參考圖2及圖3，在圖2之製程步驟910中，可在一裝置晶圓50之第一裝置層100中蝕刻一或多個凸部孔穴400，以形成一凸部550。凸部550可用作一質量，其附接至隔膜500且自該隔膜500延伸，其使物理應力集中在該隔膜500上，以改良該感測器之壓力回應及靈敏度。可選擇凸部550之形狀(由該一或多個凸部孔穴400確定)以滿足設計規範。明確而言，凸部550可用於改良感測器10之壓力回應之線性，明確而言，在使用一薄型隔膜500來測量低壓力之實施例中。可基於第一裝置層100之厚度精確地控制凸部550之尺寸、厚度及質量，因此使感測器10之位置靈敏度最小。可使用乾式或濕式蝕刻技術(例如，DRIE(deep reactive ion etching深度反應性離子蝕刻)、用KOH或TMAH或其他矽蝕刻劑或此類物進行濕式蝕刻)在該第一裝置層100蝕刻凸部孔穴400直至該第一絕緣層150。亦可使該第一絕緣層150留在原位或使用濕式或乾式移除技術蝕刻移除。例如，凸部孔穴400之表面可為裸矽、氧化矽、經摻雜矽或可用能夠承受後續之晶圓結合及 處理溫度之任何其他薄膜塗敷。
圖4係在本發明之一示例性實施例中結合至具有一隔膜孔穴650之一基板晶圓600之具有凸部孔穴400之裝置晶圓50之一橫截面圖。參考圖4，在圖2之製程步驟920中，可使用乾式或濕式蝕刻技術(例如，DRIE、用KOH或TMAH或其他蝕刻劑或此類物進行濕式蝕刻)在基板晶圓600中蝕刻隔膜孔穴650。隔膜孔穴650可具有多種幾何形狀，例如，正方形、矩形或圓形，且可具有適於滿足感測器10之物理及操作設計要求所需之深度，該深度轉而取決於該感測器之設計及操作特性及/或所選擇之該基板晶圓600之厚度。例如，隔膜孔穴650之表面可為裸矽、氧化矽、摻雜矽或可用能夠承受後續晶圓結合及處理溫度之任何其他薄膜塗敷。在基板晶圓600包括一絕緣體上矽晶圓之該裝置層之實施例中，可選擇形成該隔膜孔穴650之蝕刻，使得蝕刻在該絕緣層中停止。此外，在製作期間可精確地控制該絕緣體上矽晶圓之該裝置層之厚度，因此允許精確地控制所達成之基板晶圓600之厚度。
繼續參考圖4，在圖2之製程步驟930中，使用習知之矽熔接技術將該裝置晶圓50之頂表面(即，該第一裝置層100之具有蝕刻之凸部孔穴400之該頂表面)結合至基板晶圓600之該頂表面，即其中蝕刻有隔膜孔穴650之表面。在一示例性熔接技術中，可使相對之表面具有親水性，也就是說，可用可造成該等表面與水黏結之強力氧化劑處理該等表面。接著，可將該兩個晶圓放置於一高溫環境中，以形 成一結合，該結合之品質可由該等晶圓曝露至該高溫環境之時段確定。上述之矽熔接技術將該第一裝置層100與該基板晶圓600結合在一起，而無需使用其熱膨脹係數可能不同於單晶矽晶圓之熱膨脹係數之一中間黏合劑材料。結合該裝置晶圓50與該基板晶圓600可使得隔膜500形成於該隔膜孔穴650上方，且凸部550自隔膜500延伸。
在圖2之製程步驟940中，可使用濕式蝕刻劑(諸如，KOH或TMAH)將該裝置晶圓50之該處理層300移除，濕式蝕刻劑於該第二絕緣層250上停止。此外，可使用濕式或乾式蝕刻技術移除第二絕緣層250，使得曝露該第二裝置層200。在其他實施例中，可移除及/或使用物理薄化技術(諸如，研磨)薄化該處理層300及該第二絕緣層250二者。
在圖2之製程步驟950中，且再次參考圖1，例如，可使用二氧化矽、氮化矽層或二者之組合在第二裝置層200之該曝露之頂表面上沈積鈍化層700。作為製程步驟950之一部分，基板晶圓600之面向外之該非結合側上亦可沈積有一鈍化層(圖中未展示)。在圖2之製程步驟960中，可藉由擴散將一或多個感測元件850放置於該第二裝置層200中或者在使用壓阻感測元件之一實施例中使低摻雜p型材料以離子植入之方式進入一經摻雜n型第二裝置層200中，且相對於該隔膜500位於一預定位置，該隔膜500可形成為該第二裝置層200之一部分。例如，在高溫下進行硼植入及擴散可在第二裝置層200內形成壓阻感測元件850。可定位該等感測元件850來感測隔膜500之撓曲。應注意，可採用任 何數目之感測元件850且該等感測元件850相對於該隔膜500之精確定位可取決於特定之應用、預期壓力、靈敏度要求及此類因素而不同。此外，可藉由擴散或離子植入使高度摻雜p型材料進入一經摻雜n型第二裝置層200中而添加一或多個互連部825。互連部825可提供導電性至該感測元件850，且可放置與感測元件850成堆疊組態。可使用一單一程序在製程步驟960中擴散或植入組件或者使用多個程序來分別進行植入或擴散。
接著，在製程步驟970中，可添加金屬化層800，因此通過互連部825提供自感測器10之該外表面至感測元件850之導電性。為了提供至互連部825之通路，可使用乾式或濕式蝕刻技術在鈍化層700中製作開口。例如，接著可添加金屬化層800且該金屬化層800可由金或鋁製成，且可產生具有適於滿足裝置設計及製作要求之厚度。
如圖1中所示，感測器10可組態以提供相對於隔膜孔穴659內建立之參考壓力提供絕對壓力量測。然而，若需要一壓力差感測器，可藉由使用DRIE、用KOH或TMAH或其他矽蝕刻劑或此類物之濕式蝕刻進行濕式移除或薄化基板晶圓600之底表面之一部分而使得隔膜孔穴650完全穿過基板晶圓600。在一些實施例中，可移除及/或使用諸如研磨之物理薄化技術薄化基板晶圓600之該底部。在基板晶圓600包括一絕緣體上矽晶圓之實施例中，可視需要對該裝置層進行額外薄化而移除該絕緣體上矽晶圓之該處理層及該絕緣層。在進一步之實施例中，在該薄化程序之後向該 基板晶圓600之該底部添加一鈍化層。
參考本文所述之實施例，在感測器10之製作期間之各個蝕刻可根據特定之應用具有任何選定之幾何形狀且可具有任何所需要之深度。可選擇各個蝕刻之所選定深度及幾何形狀，以改變所製作之感測器10之設計特性。此外，可選定由隔膜孔穴650確定之該第二裝置層200之厚度及該隔膜500之尺寸及形狀，以確定所製成之感測器10之靈敏度。所選擇之第二裝置層200之厚度(在該等裝置晶圓之製造期間，可任意選擇且精確地控制)導致對隔膜500之可撓性之控制改良，且因此使對所製成之感測器10之性能特性之控制改良。類似地，相較使用習知蝕刻及/或植入技術，第一裝置層100之厚度可更精確地確定該凸部550之厚度、質量及操作特性。此外，平面製程可理想地達成製造目的且不僅可提高製造生產率，亦可增加所製成之裝置之總體可靠性及長期性能。因此，可達成對該感測器10之性能特性之均勻控制。
提供上文之詳細描述目的在於圖解示例性實施例且並不意在限制。儘管已經相對於量測壓力之實施例來展示且描述一感測器之製造方法，熟悉此項技術者可理解，可使用類似之技術製造能夠量測其他參數之感測器。例如，應認識到，本文所述之裝置及其製造方法可用於本文並未明確描述之多種其他應用中。熟悉此項技術者亦可理解，可在本發明之範疇內進行多種修改及變動。此外，熟悉此項技術者應理解，多種其他材料及製程可用於本文所述之示例 性方法及結構之範疇內。例如，應理解，可以一替代性方式使用本文所述之p型材料及n型材料，例如，藉由用p型材料更換n型材料且反之亦然。此外，熟悉此項技術者應理解，在多個示例性實施例中所標示及描述之步驟序列無需以所述之序列執行，且在其他實施例中可組合多個步驟，可以不同之順序執行多個步驟，無論連續地、非連續地或並行地，且仍可達成相同之結果。
此書面描述使用實例來揭示本發明，包含最佳模式，且亦可促成任何熟悉此項技術者實踐本發明，包含製作及使用任何裝置或系統且執行任何所併入之方法。可藉由申請專利範圍界定本發明之可申請範圍，且可包含熟悉此項技術者可理解之其他實例。若此等其他實例具有並不悖離申請專利範疇之字面語言之結構性元件，或者此等其他實例包含與申請專利範圍之字面語言不存在實質悖離之等效結構性元件，則此等其他實例係屬於申請專利範疇內。
10‧‧‧感測器
50‧‧‧裝置晶圓
100‧‧‧第一裝置層
150‧‧‧第一絕緣層
200‧‧‧第二裝置層
250‧‧‧第二絕緣層
300‧‧‧處理層
400‧‧‧凸部孔穴
500‧‧‧隔膜
550‧‧‧凸部
600‧‧‧基板晶圓
650‧‧‧隔膜孔穴
700‧‧‧鈍化層
800‧‧‧金屬化層
825‧‧‧互連部
850‧‧‧感測元件
900‧‧‧流程圖
910‧‧‧製程步驟
920‧‧‧製程步驟
930‧‧‧製程步驟
940‧‧‧製程步驟
950‧‧‧製程步驟
960‧‧‧製程步驟
970‧‧‧製程步驟
圖1係本發明之一示例性實施例中之一感測器之一橫截面圖；圖2係展示本發明之一示例性實施例中製造一感測器之步驟之一流程圖；圖3係本發明之一示例性實施例中之具有蝕刻之凸部孔穴之一裝置晶圓之一橫截面圖；及圖4係在本發明之一示例性實施例中結合至具有一隔膜孔穴之一基板晶圓之具有凸部孔穴之一裝置晶圓之一橫截 面圖。
10‧‧‧感測器
100‧‧‧第一裝置層
150‧‧‧第一絕緣層
200‧‧‧第二裝置層
400‧‧‧凸部孔穴
500‧‧‧隔膜
550‧‧‧凸部
600‧‧‧基板晶圓
650‧‧‧隔膜孔穴
700‧‧‧鈍化層
800‧‧‧金屬化層
825‧‧‧互連部
850‧‧‧感測元件

Claims (10)

  1. 一種用於量測環境力之裝置，其包括：一凸部(550)，其包括一裝置晶圓(50)之一第一裝置層(100)之一部分，該裝置晶圓(50)包括該第一裝置層(100)及一第二裝置層(200)，該第一裝置層(100)藉由一第一絕緣層(150)與該第二裝置層(200)分離；一隔膜孔穴(650)，其位於一基板晶圓(600)之一頂表面上，該基板晶圓(600)之該頂表面係結合至該第一裝置層(100)之一頂表面，以在該隔膜孔穴(650)上形成一隔膜(500)，該隔膜(500)包括該第二裝置層(200)之一部分，且該凸部(550)自該隔膜(500)延伸；及一感測元件(850)，其位於該第二裝置層(200)中，以感測該隔膜(500)之撓曲。
  2. 如請求項1之裝置，其進一步包括：一互連部(825)，其位於該第二裝置層(200)中，該互連部(825)與該感測元件(850)電連通；及一金屬化層(800)，該金屬化層(800)提供該裝置之一外表面與該互連部(825)之間之電連通。
  3. 如請求項1之裝置，其中該感測元件(850)包括一壓阻感測元件(850)。
  4. 如請求項1之裝置，其中該基板晶圓(600)包括一個雙面拋光晶圓。
  5. 如請求項1之裝置，其中該基板晶圓(600)包括一絕緣體上矽晶圓之一裝置層。
  6. 如請求項1之裝置，其中該裝置量測絕對壓力。
  7. 如請求項1之裝置，其中該隔膜孔穴(650)完全延伸穿過該基板晶圓(600)。
  8. 如請求項7之裝置，其中該裝置量測壓力差。
  9. 如請求項1之裝置，其中該裝置量測低壓力。
  10. 如請求項1之裝置，其中選擇該基板晶圓(600)之厚度以使得轉移至該隔膜(500)之封裝應力最小。
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