TW201434735A - 微電機裝置及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一方法實施例包括：提供微電機系統晶圓，部份微電機系統晶圓經圖案化以提供用於擴音器裝置之第一膜片及用於壓力感測裝置之第二膜片；接合載體晶圓至微電機系統晶圓；蝕刻載體晶圓以露出第一膜片，並露出第二膜片之第一表面於周圍環境中；形成微電機系統結構於微電機系統晶圓中；接合覆蓋晶圓至微電機系統晶圓相反於載體晶圓之一側，以形成含有微電機系統結構的第一封閉孔穴，和含有用於壓力感測裝置之第二膜片之第二表面的第二封閉孔穴；覆蓋晶圓包括內連線結構；於覆蓋晶圓中形成與內連線結構電性連接之直通導孔。

Description

微電機裝置及其形成方法
本揭露是有關一種微電機裝置及其製造方法。
微電機系統(Micro-electromechanical systems,MEMS)越來越受歡迎，特別因為此裝置可微型化並整合至積體電路製造程序中。然而，微電機裝置亦將其獨特需求引進整合製程之中。電性連接微電機裝置是特別具挑戰性的地方。尤其是將微電機系統壓力感測裝置、微電機系統擴音器裝置及其他微電機裝置(例如：動作感測裝置)整合至一相同的製造程序中已構成挑戰。
本揭露提供一種形成微電機裝置之方法，包括：提供微電機系統晶圓，其中微電機系統晶圓之一部份經圖案化以提供用於擴音器裝置之第一膜片及用於壓力感測裝置之第二膜片；接合載體晶圓至微電機系統晶圓；蝕刻載體晶圓，以露出用於擴音器裝置之第一膜片，並露出用於壓力感測裝置之第二膜片之第一表面於周圍環境中；圖案化微電機系統基底並移除部份微電機系統晶圓之第一犧牲層以形成微電機系統結構；接合具有內連線結構的覆蓋晶圓至微電機系統晶圓相反於 載體晶圓之一側，以形成含有微電機系統結構之第一封閉孔穴和含有用於壓力感測裝置之第二膜片之第二表面的第二封閉孔穴；以及形成直通導孔於覆蓋晶圓中，直通導孔與覆蓋晶圓之內連線結構電性連接。
本揭露另提供一種形成微電機裝置之方法，包括：提供微電機系統晶圓，其中微電機系統晶圓之一部分經圖案化以提供用於擴音器裝置之第一膜片；接合載體晶圓至微電機系統晶圓；蝕刻載體晶圓，以露出第一膜片於周圍環境；經由圖案化微電機系統晶圓之微電機系統基底，以形成第一微電機系統結構及第二微電機系統結構，其中第一微電機系統結構係設置於第一膜片上；於微電機系統晶圓相反於載體晶圓之表面形成第二導電層，其中第二導電層之一部分係設置於第一微電機系統結構上，並經圖案化以提供用於壓力感測裝置之第二膜片；接合具有內連線結構的覆蓋晶圓至第二導電層以形成第一封閉孔穴與第二封閉孔穴，其中第一封閉孔穴包括第二微電機系統結構且第二封閉孔穴包括用於壓力感測裝置之第二膜片的一表面；以及形成直通導孔於覆蓋晶圓中，直通導孔電性連接至覆蓋晶圓之內連線結構。
本揭露另提供一種微電機裝置，包括：微電機系統晶片包括：第一導電層，包括用於擴音器裝置之第一膜片；第一微電機系統結構及第二微電機系統結構位於第一導電層上，其中第一微電機系統結構係設置於第一膜片上；以及第二導電層，包括用於壓力感測裝置之第二膜片；其中第二膜片係設置於第一微電機系統結構上；載體晶片接合至微電機系統晶 片，載體晶片包括孔穴露出於周圍環境中，其中孔穴包括第一膜片及第二膜片的第一表面；以及覆蓋晶片，接合至微電機系統晶片相反於載體晶片之一表面，其中覆蓋晶片包括了由覆蓋晶片及微電機系統晶片定義的第二封閉孔穴及第三封閉孔穴，且其中第二微電機系統結構係設置於第二封閉孔穴中；以及第二膜片之第二表面係暴露於第三孔穴之封閉壓力等級。
100‧‧‧微電機系統晶圓
100A‧‧‧頂表面
100B‧‧‧底表面
102‧‧‧基底
104‧‧‧介電層(氧化物釋放層、犧牲層、犧牲氧化物層)
108‧‧‧凸塊開口
110‧‧‧導孔開口
112‧‧‧導電層(多晶矽層)
112A‧‧‧多晶矽導孔
112B‧‧‧多晶矽凸塊
114‧‧‧氧化物罩幕層
116‧‧‧蝕刻停止層
118‧‧‧氧化物釋放層
120‧‧‧導孔開口
122‧‧‧薄多晶矽層
122A‧‧‧導孔部位
122B‧‧‧導線部位
200‧‧‧載體晶圓
200A‧‧‧頂表面
200B‧‧‧底表面
202‧‧‧導電接點
204、206、208‧‧‧微電機系統結構
300‧‧‧覆蓋晶圓
302‧‧‧基底
304‧‧‧氧化物層
306‧‧‧內連線結構
306A‧‧‧金屬線
306B‧‧‧金屬導孔
306C‧‧‧金屬線
308‧‧‧氧化物層
311‧‧‧接觸插塞
312‧‧‧接合金屬層
314‧‧‧凸塊
316、316A、316B‧‧‧孔穴
320A‧‧‧封閉孔穴
400‧‧‧微電機裝置
402‧‧‧介電層
404‧‧‧開口
406‧‧‧氧化物層
408‧‧‧基底通孔
410‧‧‧氧化物釋放層
414‧‧‧開口
416‧‧‧壓力感測器
418‧‧‧擴音器
420‧‧‧裝置
600‧‧‧微電機系統晶圓
602‧‧‧基底
604‧‧‧圖案化多晶矽層
604A、604B‧‧‧部份
606‧‧‧接合層
608、610、612‧‧‧結構
614‧‧‧介電層(氧化物釋放層或犧牲氧化物層)
616A‧‧‧凸塊開口
616B‧‧‧導孔開口
618‧‧‧多晶矽層
618A‧‧‧多晶矽導孔
618B‧‧‧多晶矽凸塊
618C‧‧‧部份
620‧‧‧接點
700‧‧‧覆蓋晶圓
702‧‧‧基底
704、706‧‧‧孔穴
708‧‧‧凸塊
710‧‧‧接點
712‧‧‧內連線結構
800‧‧‧微電機裝置
802‧‧‧介電層
804‧‧‧基底通孔
806‧‧‧氧化物釋放層
808‧‧‧空隙
810‧‧‧開口
812、814‧‧‧裝置
816‧‧‧壓力感測器
818‧‧‧擴音器裝置
為了完整地理解本案實施例及其優點，現在配合所附圖式做詳細解釋如下，其中：
第1A-1Z、1AA-1AB圖為根據不同實施例中微電機裝置於製造中間階段之剖面圖。
第2A-2E圖為根據其他不同實施例中微電機裝置於製造中間階段之剖面圖。
第2F-2M圖為根據其他不同實施例中微電機裝置於製造中間階段之剖面圖。
以下將詳細地討論本案實施例之製造及使用。然而，應了解的是，本揭露提供許多具應用性之發明概念可實施於各式各樣之特定面向。本案所討論之特定實施例僅用於說明製造及使用本揭露之特定方式，而非用以限定不同實施例之範圍。
第1A-1AB圖繪示具有擴音器(microphone)418、壓力感測器(pressure sensor)416，以及另一其他裝置420之微電 機裝置400之一部分於製造中間階段的剖面圖(第1AB圖)。裝置420可能為微電機系統動作感測器(motion sensor)、陀螺儀(gyroscope)、加速計(accelerometer)或其相似者。擴音器418、裝置420及壓力感測器416是使用相同之積體電路程序製造而成。因此，第1A-1AB圖所繪示之不同實施例，可利用已知之積體電路製造技術，順利整合微電機系統壓力感測裝置及擴音器裝置之製造。
第1A-1J圖是根據不同實施例，繪示微電機系統晶圓100(也可稱為微電機晶片100)之各種製造中間階段。如第1A圖所示，微電機系統晶圓100包括基底102及介電層104。可由矽或其他材料，如：矽鍺(silicon germanium)、碳化矽(silicon carbide)及其相似者形成基底102。可由低電阻矽(low resistive silicon)形成基底102。或者，基底102可為絕緣體覆矽(silicon-on-insulator,SOI)基底。SOI基底可包括一層半導體材料(例如：矽、鍺及其相似者)形成於矽基底中絕緣層(例如：氧化物埋層)之上。此外，其他可使用之基底包括多層式基底(multi-layered substrates)、梯度基底(gradient substrates)、混合定向基底(hybrid orientation substrates)及其相似者。
可由低介電常數(low k)介電材料，例如：二氧化矽(SiO2)形成介電層104。介電層104可沉積於基底102上，經由例如：旋轉塗佈、化學氣相沉積(CVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、低壓化學氣相沉積或其他合適之沉積技術。再者，可由不同之合適材料形成介電層104，例如：低介電常數介電質，如：摻碳氧化物、超低介電常數之介電質，如：多孔 性碳摻雜之矽氧化物、高分子，如：聚醯胺(polyimide)、及上述之組合或其相似者。可能於後續製程步驟釋出(即移除)介電層104以形成微電機系統結構。因此，介電層104亦可稱為氧化物釋放層(oxide release layer)104、犧牲層104、或犧牲氧化物層104。
再者，氧化物釋放層104中可能或可能不包埋(embedded)空隙(voids，未顯示)，以於後續選擇性氧化物蝕刻程序(如：氣相氟化氫)中降低氧化物釋放時間。空隙包埋可經沉積及圖案化第一部分氧化物釋放層104以形成複數個小開口，使用如：結合光微影及蝕刻技術來完成。接著將小開口之上部接縫(seamed)在一起以密封小開口並創造空隙。可使用，如：施加氧化物沉積製程於第一部分氧化物釋放層104之上，將小開口接縫在一起。例如：沉積額外的氧化物材料(即氧化物釋放層104剩下部分)於第一部分氧化物釋放層104之上以封閉開口之上部。氧化物沉積使用沉積製程，如：化學氣相沉積、或其相似者。更精確地說，經由控制沉積製程，可使氧化物釋放層104之材料以非順應性方式沉積。亦即，氧化物釋放層104之材料可能累積於小開口上部快過沿著側壁及小開口底部。此過程導致小開口上部邊緣形成垂懸(overhang)，當沉積製程持續進行，此垂懸將併合(merge)，以複數個接縫縫合小開口並形成空隙包埋於氧化物釋放層104中。
在第1B、1C圖中，圖案化氧化物釋放層104形成凸塊開口108與導孔開口110。氧化物釋放層104之圖案化可經由，例如：結合光微影與蝕刻技術來完成。可能執行兩道分離 之光微影步驟來形成凸塊開口108與導孔開口110。舉例而言，執行一道淺蝕刻形成凸塊開口108；而由一道深蝕刻來形成導孔開口110。如第1B、1C圖所示，凸塊開口108並未延伸至基底102，而導孔開口110延伸至基底102並露出基底102之一部分。再者，氧化物釋放層104可能經過薄化(未顯示)直到達到所需之厚度。此薄化製程可經由合適之技術施行，如：研磨(grinding)、拋光(polishing)及/或化學蝕刻。舉例而言，化學機械研磨可用以薄化氧化物釋放層104。根據不同實施例，氧化物釋放層104之厚度介於0.5μm至5μm。
在第1D圖中，於氧化物釋放層104上沉積導電層112，使用如：化學氣相沉積。導電層112可由多晶矽構成，而在下文中亦可能稱為多晶矽層112。多晶矽層112填滿導孔開口110與凸塊開口108，並分別形成多晶矽導孔112A與多晶矽凸塊112B。多晶矽導孔112A之形成可作為導電佈線(electrical routing)，並進一步作為機械結構。例如：多晶矽導孔112A可於後續製程步驟中作為氣相氟化氫蝕刻停止層。再者，於一些實施例中，多晶矽凸塊112B可作為機械凸塊以限制微電機裝置400中移動元件之動作，或作為抗黏滯(anti-stiction)凸塊。於其他實施例中，導電層112可能由不同於多晶矽之替代材料所形成，例如：矽鍺、單晶矽(例：使用絕緣體覆矽晶圓作為起始材料)、及其相似者。應注意的是，當描述單一多晶矽層時，亦認為此領域所屬技藝人士可使用多層多晶矽層。
形成並圖案化氧化物罩幕層114(標示為114A及114B)於部分多晶矽層112上。氧化物罩幕層114可由與氧化物 釋放層104相似之材料及方法來形成，且圖案化氧化物罩幕層114可經由，如：結合光微影及蝕刻來完成。氧化物罩幕層114於後續製程中作為多晶矽層112重要部分之保護。舉例而言，在第1D圖中，氧化物罩幕層114保護部分多晶矽層112以確保合適之厚度控制及表面褶皺。氧化物罩幕層114可形成於任一部分需要此控制之多晶矽層112之上。若表面紋理與厚度控制並不重要，氧化物罩幕層114可被省略。
於第1E圖中，圖案化多晶矽層112，經由例如：結合光微影及蝕刻來完成。多晶矽層112之圖案化可能用以形成微電機裝置400不同裝置之一部分。舉例而言，第1E圖中多晶矽層112之圖案化形成多晶矽層112分離之部分以分別容納如：動作感應器(或其他應用裝置)之底電極、用於壓力感測器之膜片及用於擴音器裝置之膜片。
於第1F圖中，於氧化物釋放層104及多晶矽層112上，形成並圖案化蝕刻停止層116。蝕刻停止層116之沉積，可經由例如：低壓化學氣相沉積(LPCVD)來完成。蝕刻停止層116可經圖案化(例如：利用光微影及蝕刻)以露出部分氧化物釋放層104。蝕刻停止層116可用以作為氣相氟化氫蝕刻停止層，並可由低應力氮化物(low-stress nitride,LSN)形成。然而，亦可使用其他材料如：氮化鋁(aluminum nitride)、氧化鋁(aluminum oxide)、碳化矽(silicon carbide)、或亦可使用其他對氣相氟化氫具化學抵抗力之介電質材料。
在第1G圖中，圖案化氧化物罩幕層114及多晶矽層112以包含釋出孔(release hole)117並露出部分氧化物釋放層 104。此圖案化製程可經由如：結合光微影及蝕刻來完成。釋出孔117於後續製程步驟中提供移除氧化物釋放層104之途徑。多晶矽層112設置於靠近釋出孔117的部分，可用以作為微電機裝置400中擴音器裝置之膜片(參見第1AB圖元件418)。
第1H圖中繪示另一氧化物釋放層118之形成及圖案化。可使用與氧化物釋放層104實質上相同之材料及步驟形成氧化物釋放層118。氧化物釋放層104及118之厚度經設計以控制電容寄生回饋(parasitic feedback through capacitance)及/或後續微電機晶圓100中可移動元件與薄多晶矽層122(參見第1I圖)之間隙。氧化物釋放層118可為毯覆沉積再經過薄化製程(例如：化學機械研磨或回蝕)以達到所需之平坦度及/或厚度。可經圖案化氧化物釋放層118(及相對應之部分蝕刻停止層116)以形成露出部分多晶矽層112之導孔開口120，利用如：結合光微影及蝕刻來完成。
第1I圖繪示形成薄多晶矽層122於氧化物釋放層118上。薄多晶矽層122可使用合適技術如：化學氣相沉積及其相似者，形成於氧化物釋放層118上。薄多晶矽層122沉積於導孔開口120內，形成導孔部位122A。薄多晶矽層122可作為導電佈線及內連線結構(例如：利用導孔部位122A及導線部位122B電性連接部分多晶矽層112)。
再者，薄多晶矽層122亦可於後續製程步驟中作為微電機系統晶圓100不同組成(例如：基底102及多晶矽層112)之屏蔽。薄多晶矽層122也可作為接合界面層(bonding interface layer)，因此其他合適之接合材料，例如：矽、多晶矽、摻雜 雜質矽、上述之組合、及其相似者亦可用於替代多晶矽。
在第1J圖中，接合微電機系統晶圓100至載體晶圓200。載體晶圓200(也可稱為載體晶片200)可能為實質上與微電機系統晶圓100中基底102相同之基底。載板晶圓200也有頂表面及底表面，分別為200A及200B。
微電機系統晶圓100之頂表面100A接合至載板晶圓200之頂表面200A。可使用任何合適技術如：熔融接合(fusion bonding)、陽極接合(anodic bonding)、共晶接合(eutectic bonding)及其相似者，接合微電機系統晶圓100與載板晶圓200。於不同實施例中，微電機系統晶圓100可使用薄多晶矽層122作為接合界面層，經由熔融接合至載板晶圓200。
再者，微電機系統晶圓100可經薄化至所需之厚度T3。此施行於微電機系統晶圓100底表面100B(例如：基底102)之薄化製程可能包括：研磨、化學機械研磨(CMP)製程、回蝕製程、或其他可接受製程。薄化製程之結果，微電機系統晶圓100可能具有介於5μm至60μm之厚度。
在第1K圖中，形成並圖案化導電接點202於基底102上(例如：微電機系統晶圓100之底表面100B)。導電接點202可由鋁銅(AlCu)形成，並於後續製程步驟中用以進行共晶接合。或者，適合共晶接合之不同導電材料，如：Ge、Au、上述之組合、或其相似者亦可作為取代物。
在第1L圖中，圖案化部分基底102，利用如：結合光微影及蝕刻來完成。基底102之剩餘部分可能形成不同之微電機系統結構(例如：微電機系統結構204、206及208)。微電機 系統結構204，可作為完成之微電機裝置400中壓力感測裝置之底電極。微電機系統結構206，可作為完成之微電機裝置400中擴音器裝置之底電極。微電機系統結構208可經圖案化以作為完成之微電機裝置400中動作感測裝置之慣性質量(proof mass)。或者，微電機系統結構208可經圖案化作為其他微電機系統結構之一部份，像是：彈簧(例如：應用於陀螺儀)、一系列之梳狀齒(fingers in a comb)(例如：應用於加速計)、或其相似者。
第1M圖繪示釋出微電機系統結構204、206及208，經由氣相氟化氫蝕刻部分氧化物釋放層104及118。此類型蝕刻製程於不同之氧化物釋放層、蝕刻停止層116、多晶矽層112、薄多晶矽層122及載體晶圓200之間具有高度選擇性，所以多晶矽層112、載體晶圓200、及蝕刻停止層116於移除不同氧化物釋放層之部分的過程中並未受到顯著之攻擊。再者，部分多晶矽層112(例如：導孔112A)及蝕刻停止層116於蝕刻製程中保護不同氧化物釋放層之部分。這些受保護區域(例如：不同氧化物釋放層之剩餘部分)可被稱為錨區(anchor regions)。此蝕刻步驟允許微電機系統結構208中可移動元件於至少一維方向上之自由移動。再者，微電機系統結構204及206可設計為即使於氣相氟化氫製程後，仍然堅固並具有相對有限之動作範圍。應注意的是，氧化物釋放層所移除之部分是根據佈局設計決定。
第1N-1S圖繪示於完成之微電機裝置400中用以容納之覆蓋晶圓300(亦可稱為覆蓋晶片300)之不同製造中間步驟。覆蓋晶圓300可能為或可能不為互補式金氧半(CMOS)晶 圓，其可能或可能不具有導電電路(未顯示)。尤其，覆蓋晶圓300可能包括不同主動裝置，如：電晶體、電容、電阻、二極體、光二極體(photodiode)、熔絲(fuse)及其相似者。導電電路可經內連接以發揮對於特殊應用之一種或多種合適功能，上述特殊應用可能與或可能不與微電機裝置204,206及208相關。第1N圖繪示覆蓋晶圓300，其具有基底302、氧化物層304及內連線結構306(包括金屬線306A及金屬導孔306B)。內連線結構306可用以作為導電佈線。金屬線306A可使用如：鋁銅(AlCu)來形成，而金屬導孔306B可使用如：鎢來形成，但其他金屬材料亦可用於形成內連線結構306之特徵。
在1O圖中，使用低介電常數之介電質材料，經由任何合適之技術如：氣相化學沉積及其相似者，沉積共形氧化物層308於內連線結構306及氧化物層304之上。氧化物層308可進行薄化製程(例如：化學機械研磨)以達所需之表面狀態(topography)及厚度。
第1P圖繪示接觸插塞311穿插於覆蓋晶片300中。可使用鎢形成接觸插塞311，然而亦可使用其他金屬材料如：鋁或銅。可經由如：藉由圖案化共形氧化物層308，以露出某些金屬線306A來形成接觸插塞311。可沉積金屬材料(如：鎢)於圖案化之開口，並可使用化學機械研磨使接觸插塞311之頂表面與共形氧化物層308之頂表面等高。接觸插塞311電性連接至內連線結構306。應注意的是，內連線結構306中某些金屬線(例如：金屬線306C)可能不與任何接觸插塞311連接。
在第1Q圖中，形成接合金屬層312(或稱為接點312) 於共形氧化物308頂表面之上。接合金屬層312可為毯覆式沉積並使用例如：物理氣相沉積(PVD)及光微影/蝕刻進行圖案化。可使用一層鋁銅位於一層鍺下方來形成接合金屬層312，然而亦可使用其他金屬材料，如：金。接合金屬層312可於後續接合製程中作為共晶接合材料。接合金屬層312可能或可能不經由接觸插塞311與內連線結構306電性連接。
在第1R圖中，於部分共形氧化物層308上施行蝕刻，以露出部分內連線結構306。對應至金屬線306C之部分共形氧化物層308可能經蝕刻以形成凸塊314。凸塊314可提供多種用途。例如：在一實施例中，凸塊314包括機械凸塊以限制微電機裝置400中移動元件之動作。凸塊314亦可作為抗黏滯凸塊。
在第1S圖中，於覆蓋晶片300中形成孔穴316(包括孔穴316A及316B)。值得注意的是，孔穴306並未穿透基底302之整個厚度。
第1T圖繪示堆疊的微電機裝置400，其中覆蓋晶圓300堆疊於微電機晶圓100及載體晶圓200之上。覆蓋晶圓300可接合至微電機晶圓100，經由接點202及接點312間之共晶接合。共晶接合之結果，可移動元件(例如：微電機系統結構204,206及208)可能位於多晶矽層112及覆蓋晶圓300之間。再者，覆蓋晶圓300及微電機晶圓100係經對位，故孔穴316A、孔穴316B及凸塊314分別對準微電機系統結構204、206及208。微電機系統結構204及208，係設置於由共晶結合所定義之封閉孔穴中。換言之，部分微電機裝置400在俯視視角(top-down view) 中(未顯示)，至少部份共晶接點(形成於接點202及312之間)形成閉環(closed loop)，於封閉孔穴中密封微電機系統結構204及208。然而，可能包含某些不形成閉環的其他接點202及312，其用於電性連接。
在第1U圖中，介電層402可能沉積於覆蓋晶圓300之基底302之上。介電層402可能為氧化物或另一低介電常數介電質，並使用合適之方法如：化學氣相沉積進行沉積。
在第1V圖中，移除部分介電層402及基底302以形成開口404。開口404露出部分氧化物層304。可使用例如：結合光微影及蝕刻技術來移除部分介電層402及基底302。
在第1W圖繪示沉積氧化物層406於開口404中，經由任何合適之氧化物製程，例如：化學氣相沉積或其相似者。接著，形成氧化物層406於開口404之側壁上。
在第1X圖中，於開口404中執行第二道蝕刻以移除部分氧化物層304。執行蝕刻程序，例如：反應性離子蝕刻(reactive ion etch)或其他乾式蝕刻、非等向性濕式蝕刻、或任何其他合適之非等向性蝕刻或圖案化製程，以移除底部之氧化層406及部分氧化物層304。因此，開口404之底部不具有氧化物，而開口404之側壁則被氧化物406所覆蓋。再者，某些覆蓋晶圓300中之金屬線306A可經由開口404露出。露出之金屬線306A可作為覆蓋晶圓300的第一層金屬線，並可稱為M1層。
在第1Y圖中，於開口404中形成基底通孔(through-substrate vias,TSVs)408[有時稱為矽通孔(through-silicon via)或直通導孔(through via)]。基底通孔408 之形成可能包括：濺鍍晶種層(未顯示)、金屬電鍍(metal plating)及移除晶種層。或者，可使用其他合適製程例如：金屬濺鍍形成基底通孔408。可使用任何適宜之金屬材料，例如：銅或鋁形成基底通孔408。
在第1Z圖中，形成封裝基底通孔408之氧化物釋放層410。氧化物釋放層410實質上與氧化物層104相似，並可經相同方式形成。應注意的是，氧化物釋放層410之形成可能經過數個氧化物沉積製程及其相對應之回蝕製程。氧化物釋放層410可能包含設置於基底通孔408側壁間之空隙412。於後續製程步驟(例如：如第1AA圖所繪示之蝕刻載體晶圓200)中，氧化物釋放層410可作為覆蓋晶圓300之保護層。
在第1AA圖中，例如經由蝕刻，移除與微電機系統結構204及206相應之部分載體晶圓200。此製程之一部分，亦移除薄多晶矽層122之相應部分，露出微電機系統結構204及206下方之不同氧化物釋放層。因此形成了開口414。
在第1AB圖中，使用高度選擇性蝕刻製程，例如：氣相氟化氫，移除氧化物釋放層410及微電機晶圓100中微電機系統結構204及206下方之不同氧化物釋放層。此蝕刻製程釋出不同微電機裝置(例如：壓力感測器及擴音器)之膜片。再者，露出基底通孔408。基底通孔408提供連接至微電機裝置400之連接點。含有基底通孔408可使整合微電機裝置400之積體電路具有較高的晶片密度。
第1AB圖根據不同實施例繪示完整的微電機裝置400。微電機裝置400包括壓力感測器416、擴音器418及另一裝 置420。壓力感測器416包括膜片(即部分多晶矽層112)。此膜片之一表面(例如：經由開口414)露出於常壓中，而另一表面露出於封閉壓力中(例如：經由封閉孔穴320A)。封閉孔穴320A之壓力可經由微電機裝置100及覆蓋晶圓300之接合製程(例如：共晶接合)狀況加以定義。因此，壓力感測器416，可經由比對開口414(常壓)及封閉孔穴320A之間的壓力差偵測常壓。擴音器418包括移動元件(即微電機系統結構206)及膜片(即部分多晶矽層112)。此膜片經由開口414露出於常壓中。微電機系統結構204及206可作為壓力感測器416及擴音器418之底電極。
裝置420可為動作感測裝置，可經由設置慣性質量(即微電機系統結構208)於電極(即部分多晶矽層112)上偵測動作，其設置於由覆蓋晶圓300共晶接合至微電機系統晶圓100所定義的封閉孔穴中。或者，裝置420可為加速計，如：陀螺儀或其相似者。含有裝置420之封閉孔穴，其壓力可根據裝置420所需之功能進行選擇。例如：若為加速計，此封閉孔穴之壓力可能為100-700 mbar；若為陀螺儀或其相似者，壓力值可能介於10-4 mbar至10 mbar。因此，使用1A-1AB圖所繪示之不同形成步驟，可於一相同的微電機系統製造程序中生成擴音器、壓力感測器及另一微電機裝置。
第2A-2M圖，根據另一第二實施例繪示微電機裝置800於不同製造中間階段之剖面圖。
第2A圖為微電機系統晶圓600接合至載體晶圓500之剖面圖。微電機系統晶圓600及載體晶圓500可實質上相似於微電機裝置400之微電機系統晶圓100及載體晶圓200。尤其， 微電機系統晶圓600包括基底602、圖案化多晶矽層604及接合層606。因此，在此省略微電機系統晶圓600及載體晶圓500之詳細描述。然而，多晶矽層604之圖案化可不同於微電機系統晶圓100之多晶矽層112。應注意的是，多晶矽層604之部份604A是根據擴音器膜片進行圖案化；而部份604B是根據其他微電機裝置(例如：動作感測器、加速計、陀螺儀、或其相似者)進行圖案化。與微電機系統晶圓100之多晶矽層112不同的是，多晶矽層604可能不包括用以作為壓力感測器膜片之圖案化部份。微電機系統晶圓600可使用已知之接合技術，如：熔融接合，透過接合層606(可能為薄多晶矽層)，接合至載體晶圓500。
在第2B圖，圖案化部份微電機系統晶圓600之基底602。圖案化基底602剩餘部份可能形成微電機系統結構，如：結構608、610及612。
在第2C圖，形成並圖案化介電層614於基底602之上。介電層614亦可被稱為氧化物釋放層614或犧牲氧化物層614。可使用低介電常數之介電材料，如：二氧化矽(SiO2)形成氧化物釋放層614。可經由例如：化學氣相沈積之方式於基底602之上沈積氧化物釋放層614。再者，可使用不同之適宜材料，如：低介電常數介電質(如：摻碳氧化物)、超低介電常數介電質(如：多孔矽碳摻雜之二氧化矽)、高分子(如：聚醯胺)、及上述之組合或其相似者。應注意的是，可經由多道氧化物沈積製程及其相應之回蝕製程形成第四氧化物釋放層614。空隙可能包埋於氧化物釋放層614中以於後續選擇性氧化物蝕刻製程(例如：氣相氟化氫)中提高氧化物釋出速度。
在第2D圖中，圖案化氧化物釋放層614形成凸塊開口616A及導孔開口616B。氧化物釋放層614之圖案化可由例如：結合光微影及蝕刻技術來完成。可執行兩道分離之光微影步驟以形成凸塊開口616A，而執行一道深蝕刻形成導孔開口616B。如第2D圖所示，凸塊開口616A並未延伸至基底602，而導孔開口616B則延伸至基底602並露出部份基底602。再者，凸塊開口616A可與微電機系統結構610對準。
在第2E圖中，使用例如：化學氣相沈積，於氧化物釋放層614之上沈積多晶矽層648。多晶矽層618填滿凸塊開口616A及導孔開口616B，並分別形成多晶矽導孔618A及多晶矽凸塊618B。多晶矽層618可能實質上相似於多晶矽層604。多晶矽導孔618A可用以作為導電佈線，亦可進一步作為機械結構。例如：多晶矽導孔618A可於後續製程步驟中作為氣相氟化氫之蝕刻停止層。再者，部份實施例中，多晶矽凸塊616B可用以作為機械凸塊以限制移動元件之動作或抗黏滯凸塊。
在第2F圖中，形成金屬接點620於多晶矽層618之上。接點620可實質上相似於微電機裝置400之接點202。因此，將不再贅述這些特徵之詳細說明。第2G圖中，圖案化多晶矽層618以露出部份氧化物釋放層614。再者，部份相應於微電機系統結構610之多晶矽層618(即部份618C)，可能保持未圖案化與未被中斷。
第2H圖繪示經由氣相氟化氫蝕刻部份氧化物釋放層614及位於微電機系統晶圓600之不同氧化物釋放層，釋出微電機系統結構608及612。此類型蝕刻製程於不同之氧化物釋放 層及載體晶圓600其他特徵之間具有高度選擇性，因此，其他特徵於移除部分不同之氧化物釋放層的過程中並未受到顯著之攻擊。再者，多晶矽層604及618於蝕刻製程中保護部份氧化物釋放層，且這些受保護區域可被稱為錨區。此蝕刻步驟允許微電機系統結構608及612中可移動元件於至少一維方向上之自由移動，應注意的是，氧化物釋放層所移除之部分是根據佈局設計決定。
在第2I圖中，接合微電機系統晶圓600至覆蓋晶圓700，形成微電機裝置800。覆蓋晶圓700可實質上相似於微電機裝置400之覆蓋晶圓300。換言之，覆蓋晶圓700包括：基底702、孔穴704及706、凸塊708、接點710及內連線結構712。因此，將不再贅述這些特徵之詳細說明。微電機系統晶圓600可接合至覆蓋晶圓700，使用合適之接合製程，如：共晶接合接點710及620。微電機系統結構608、610及612可分別對準孔穴704、孔穴706及凸塊708。共晶結合之結果可能將微電機系統結構608及612設置於封閉孔穴中。換言之，微電機裝置800在俯視視角中(未顯示)，某些接點710及620可能形成閉環。然而，某些其他接點710及620可能不形成閉環。
第2J圖顯示於覆蓋晶圓700中穿插介電層802及基底通孔804。介電層802及基底通孔804可實質上相似於微電機裝置400之氧化物層402、406及基底通孔408，並可使用實質上相同之步驟來形成。因此，將不再贅述這些特徵之詳細說明。應注意的是，基底通孔804經由內連線結構712電性連接至微電機裝置800之不同特徵。
第2K圖中，形成封裝基底通孔804之氧化物釋放層806。氧化物釋放層806可實質上相似於氧化物釋放層104，並可使用實質上相同之步驟來形成。應注意的是，可經由多道氧化物沈積製程及其相應之回蝕製程形成氧化物釋放層806。氧化物釋放層806可能包含空隙808設置於基底通孔804之側壁間。氧化物釋放層806可於後續製程步驟中作為覆蓋晶圓700之保護層(例如：第2L圖繪示之蝕刻載體晶圓500)。
在第2L圖中，經由例如：蝕刻，移除相應於微電機系統結構610之部份載體晶圓500。此製程之一部份亦移除接合層606之相應部份，露出微電機系統結構610下方之不同氧化物釋放層。因此，形成了開口810。
在第2M圖中，使用高度選擇性蝕刻製程，例如：氣相氟化氫，移除氧化物釋放層806及微電機晶圓600中微電機系統結構610下方之不同氧化物釋放層。此蝕刻製程釋出不同微電機裝置(例如：壓力感測器及擴音器)之膜片。再者，露出基底通孔804。基底通孔804提供連接至微電機裝置800之連接點。含有基底通孔804可使整合微電機裝置800之積體電路具有較高的晶片密度。
至此，微電機裝置800已經完成。微電機裝置800包括裝置812及814、壓力感測器816及擴音器裝置818。應注意的是，壓力感測器816及擴音器裝置818是設置於同一微電機裝置610之相反側。
裝置812及814可為動作感測裝置、陀螺儀、加速計或其相似者，設置於由覆蓋晶圓700及微電機系統晶圓600之 接合製程所定義之封閉孔穴中。可根據裝置812及814所需之功能選擇經接合製程所定義封閉孔穴之壓力等級。裝置812及814可能或可能不執行相同之功能。
壓力感測器816包括多晶矽層部份618C之膜片，其一側(經由開口810)露出於常壓，而另一側(經由孔穴706)於密閉壓力中。因為多晶矽層部份618C未被中斷，孔穴706是封閉且並未露出於常壓中。可由微電機系統晶圓600及覆蓋晶圓700之共晶接合步驟定義孔穴706之壓力。擴音器818包括部份多晶矽層604之膜片，其經由開口810露出於周圍環境中。因此，第2A-2M圖揭露中結合微電機系統壓力感測裝置、微電機系統擴音器及其他微電機裝置之製備於一相同製程，可採用之其他不同製程中間步驟。
應了解的是，雖已詳細描述本案實施例及其優點，但在不脫離本揭露後附之申請專利範圍所界定之精神和範圍內，當可做不同之改變、取代及更動。舉例而言，許多上述所討論之特徵及功能可施行於軟體、硬體、韌體、或上述之組合。
再者，本案之範圍並不限於說明書中特定實施例描述之製程、機器、製造、物質組成、手段、方法及步驟。如熟知本領域技藝人士可於本揭露中理解的，可根據本揭露利用目前存在或未來所發展之過程、機器、製造、物質組成、手段、方法或步驟，執行或實現與本文中所描述相對應實施例實質上相同的功能或大致相同的結果。因此，所附權利要求旨在其範圍內包括此類過程，機器，製造，物質組成，手段，方法或步 驟。
100‧‧‧微電機系統晶圓
200‧‧‧載體晶圓
206、208‧‧‧微電機系統結構
300‧‧‧覆蓋晶圓
320A‧‧‧封閉孔穴
400‧‧‧微電機裝置
408‧‧‧基底通孔
414‧‧‧開口
416‧‧‧壓力感測器
418‧‧‧擴音器
420‧‧‧裝置

Claims (10)

  1. 一種形成微電機裝置之方法，包括：提供一微電機系統晶圓，其中該微電機系統晶圓之一部份經圖案化以提供用於一擴音器裝置之一第一膜片及用於一壓力感測裝置之一第二膜片；接合一載體晶圓至該微電機系統晶圓；蝕刻該載體晶圓，以露出用於該擴音器裝置之該第一膜片，並露出用於該壓力感測裝置之該第二膜片之一第一表面於一周圍環境中；圖案化一微電機系統基底並移除部份該微電機系統晶圓之一第一犧牲層以形成一微電機系統結構；接合具有一內連線結構的一覆蓋晶圓，至該微電機系統晶圓相反於該載體晶圓之一側，以形成含有該微電機系統結構之一第一封閉孔穴和含有用於該壓力感測裝置之該第二膜片之該第二表面之一第二封閉孔穴；以及形成一直通導孔於該覆蓋晶圓中，該直通導孔與該覆蓋晶圓之該內連線結構電性連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之形成微電機裝置之方法，該第一與該第二封閉孔穴之壓力等級係由該覆蓋晶圓與該微電機系統晶圓之一接合製程定義。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之形成微電機裝置之方法，更包括提供該覆蓋晶圓，其中提供該覆蓋晶圓的步驟包括：提供一半導體晶圓，該半導體晶圓之一第一表面上具有該內連線結構； 形成一共形(conforming)氧化物層於該內連線結構上；形成一第一複數接點於該氧化物層上；形成複數個接觸插塞電性連接至少一部份該第一複數接點至該內連線結構；以及淺蝕刻一部份該共形氧化物層以形成一或多個凸塊，且接合該覆蓋晶圓與該微電機系統晶圓的步驟包括對位該一或多個凸塊至該微電機系統結構。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之形成微電機裝置之方法，其中形成該直通導孔於該覆蓋晶圓的步驟包括：於該半導體基底相反於該第一表面之一第二表面中形成一開口，以露出部份該內連線結構；以及於該半導體晶圓之該第二表面上形成一介電層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之形成微電機裝置之方法，其中接合該載體晶圓至該微電機系統晶圓包括使用該微電機系統晶圓之一接合層作為一接面，且其中提供該微電機系統晶圓的步驟更包括：形成該第一犧牲層於該微電機系統基底上；形成一導電層於該第一犧牲層上；圖案化該導電層，形成該第一及該第二膜片；形成一蝕刻停止層於該導電層上；形成一第二犧牲層於該蝕刻停止層上；以及形成一接合層於該第二犧牲層上。
  6. 一種形成微電機裝置之方法，包括：提供一微電機系統晶圓，其中該微電機系統晶圓之一部分 經圖案化以提供用於一擴音器裝置之一第一膜片；接合一載體晶圓至該微電機系統晶圓；蝕刻該載體晶圓，以露出該第一膜片於一周圍環境；經由圖案化該微電機系統晶圓之一微電機系統基底，以形成一第一微電機系統結構及一第二微電機系統結構，其中該第一微電機系統結構係設置於該第一膜片上；於該微電機系統晶圓相反於該載體晶圓之一表面形成一第二導電層，其中該第二導電層之一部分係設置於該第一微電機系統結構上，並經圖案化以提供用於一壓力感測裝置之一第二膜片；接合具有一內連線結構的一覆蓋晶圓，至該第二導電層以形成一第一封閉孔穴與一第二封閉孔穴，其中該第一封閉孔穴包括該第二微電機系統結構且該第二封閉孔穴包括用於該壓力感測裝置之該第二膜片的一表面；以及形成一直通導孔於該覆蓋晶圓中，該直通導孔電性連接至該覆蓋晶圓之該內連線結構。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之形成微電機裝置之方法，更包括圖案化該微電機系統基底形成一第三微電機系統結構，其中接合該覆蓋晶圓至該第二導電層的步驟，定義了含有該第三微電機系統結構之一第三封閉孔穴。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之形成微電機裝置之方法，其中形成該直通導孔於該覆蓋晶圓中的步驟包括：蝕刻一開口於該覆蓋晶圓中，以露出該內連線結構；形成一第三介電層於該覆蓋晶圓上，其中該第三介電層覆 蓋該開口之側壁，且該第三介電層並未覆蓋該開口之一底部表面；以及形成該直通導孔於該開口中之該第三介電層上，其中該直通導孔電性連接至該內連線結構。
  9. 一種微電機裝置，包括：一微電機系統晶片包括：一第一導電層，包括用於一擴音器裝置之一第一膜片；一第一及一第二微電機系統結構位於該第一導電層上，其中該第一微電機系統結構係設置於該第一膜片上；以及一第二導電層，包括用於一壓力感測裝置之一第二膜片；其中該第二膜片係設置於該第一微電機系統結構上；一載體晶片接合至該微電機系統晶片，該載體晶片包括一孔穴露出於周圍環境中，其中該孔穴包括該第一膜片及該第二膜片的一第一表面；以及一覆蓋晶片，接合至該微電機系統晶片相反於該載體晶片之一表面，其中該覆蓋晶片包括了由該覆蓋晶片及該微電機系統晶片定義的該第二及該第三封閉孔穴，且其中：該第二微電機系統結構係設置於該第二封閉孔穴中；以及該第二膜片之一第二表面係暴露於該第三孔穴之一封閉壓力等級。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之微電機裝置，其中該微電機系統晶片更包括一第三微電機系統結構，該覆蓋晶片及該微電機系統晶片定義一第四封閉孔穴，且該第三微電機系統結構係設置於該第四封閉孔穴中。
TW103109368A 2013-03-14 2014-03-14 微電機裝置及其形成方法 TWI546246B (zh)

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