TW201713592A - 微機械構件 - Google Patents

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Abstract

一種製造微機械構件(100)的方法，其包括以下步驟：提供微機電系統(MEMS)晶圓(10)；將MEMS晶圓(10)結構化，其開始自MEMS晶圓(10)之第二基板層(13)的表面，而至少一導電連接形成在MEMS晶圓(10)的第一基板層(11)和第二基板層(13)之間；提供蓋晶圓(30)；將MEMS晶圓(10)連接到蓋晶圓(30)；將MEMS晶圓(10)結構化，其開始自MEMS晶圓(10)之第一基板層(11)的表面；提供特用積體電路(ASIC)晶圓(20)；以及將ASIC晶圓(20)連接到包括MEMS晶圓(10)和蓋晶圓(30)的組件。

Description

微機械構件
本發明關於微機械構件和製造微機械構件的方法。
舉例而言用於測量加速度、旋轉速率、磁場和壓力的微機械感測器是已知的，並且大量製造而用於汽車和消費者領域的多樣應用。
德國專利申請案第10 2009 000 167 A1號揭示慣性感測器，其具有二個微機械層次。舉例而言相對於加速度感測器的偏移穩定度來看，這允許生成的感測器拓樸有可能大大增加效能。這涉及生成z加速度感測器，其中可移動的質量是由二個微機械層(第一和第二微機電系統[MEMS]功能層)所形成，並且其中電容性評估電極同時安排在可移動的結構之下和之上，特定而言是在基板晶圓上的接線層中和第二MEMS功能層中。
以這安排而言，其已知為完全差動的電極安排，一方面可以增加每單位面積的電容(電容/面積)，另一方面相對於基板變形(舉例而言由組件應力所引起)而言可以達成良好的穩健度。首先提到的方面導致改良了訊噪比，第二方面則尤其導致改良了感測器的偏移穩定度。
也已知的做法是MEMS和評估的特用積體電路(ASIC)晶圓經由晶圓接合過程而彼此機械和電連接，這稱為「垂直整合」、「混合整合」或「3D整合」，並且舉例而言由美國專利第7 250 353 B2、7 442 570 B2號而 得知。這允許生成的感測器拓樸乃用於慣性感測器而具有垂直於晶片平面的移動。可移動的MEMS結構安排在評估的ASIC(較佳而言為互補式金屬氧化物半導體[CMOS]晶圓)上，而ASIC的最上金屬層作為固定的反電極。
除了CMOS晶圓中的評估電極以外，前述科技的延伸還提供了將評估電極提供於MEMS晶圓中，舉例而言如由德國專利申請案第10 2012 208 032 A1號而得知。這允許增加構件的整合密度(在這情形下是每單位面積的電容)，而可以導致構件有減少的雜訊和/或較小的表面積需求。
德國專利申請案第10 2012 208 032 A1號也揭示具有二個微機械層的安排，其藉由垂直整合過程而連結。MEMS晶圓在這情形下乃表面微機械的製造，並且藉由晶圓接合過程而機械和電連接到ASIC。撇開基板不談，MEMS晶圓在這情形下具有三個多晶矽層(一接線層次和二個微機械層)，其可以大大的獨立於彼此而結構化。結果，MEMS晶圓因而包括二個微機械功能層和一個互連層次。二個微機械功能層彼此連接並且形成單件式或整合的實心元件。藉由直通矽穿孔(through silicon via，TSV)，其形成於ASIC晶圓中，則可以從外面來實現對ASIC晶圓之接線層次的電連接。
德國專利申請案第10 2009 029 202 A1號揭示微機械構件的堆疊安排，其包括多個MEMS層，其中第一MEMS結構安排在一功能層中，並且至少一進一步MEMS結構至少部分安排在至少一進一步功能層中。此種結構的整合密度有類似的增加，而可以藉由從德國專利申請案第10 2009 000 167 A1號所得知的過程來實現。
也已知的是垂直整合的構件，其中二個晶圓堆疊乃一者在另一者頂部上的接合，而二個晶圓組件是由MEMS晶圓和CMOS晶圓所形成， 舉例而言如從德國專利申請案第10 2012 206 875 A1號所得知，該MEMS晶圓首先經由晶圓接合過程而施加到CMOS晶圓，因而全部形成四晶圓的堆疊。也以這安排而言，可以增加構件的整合密度。如果MEMS功能結構和電子評估電路的表面積需求差不多相等，則該安排可以是有利的。
美國專利公開案第2013/0001710 A1號揭示用於微機械慣性感測器的晶圓組件，其將盲孔洞引入第一MEMS功能層和安排在下的第二MEMS功能層裡，這是為了形成用於電容性壓力感測器的感測器膜。以此方式，則可以適當做出感測器膜的厚度尺寸。
本發明的目的是提供改良的微機械構件及其製造方法。
根據第一方面，該目的是由一種製造微機械構件的方法所達成，其包括以下步驟：提供MEMS晶圓；將MEMS晶圓結構化，其開始自MEMS晶圓之第二基板層的表面，而至少一導電連接形成在MEMS晶圓的第一基板層和第二基板層之間；提供蓋晶圓；將MEMS晶圓連接到蓋晶圓；將MEMS晶圓結構化，其開始自MEMS晶圓之第一基板層的表面；提供ASIC晶圓；以及將ASIC晶圓連接到包括MEMS晶圓和蓋晶圓的組件。
以此方式，二個MEMS結構可以提供於MEMS功能層中，其至少在特定部分安排成一者在另一者的頂部上，並且可選用而言彼此電 和機械連接或者彼此僅機械連接。這允許提供有利的選項以將可移動的MEMS結構選擇性的電活化成電極。
根據第二方面，該目的是由一種微機械構件所達成，其包括：MEMS晶圓，其在至少特定部分具有安排成一者在另一者頂部上之二個可移動的MEMS結構，而MEMS晶圓的第一基板層和第二基板層在至少特定部分則形成為以導電方式而可彼此連接；以及ASIC晶圓，該MEMS晶圓乃功能上連接到ASIC晶圓，該等晶圓則藉由蓋晶圓而蓋住。
方法和微機械構件的較佳具體態樣則是申請專利範圍附屬項的主題。
方法的有利發展提供：ASIC晶圓對於包括MEMS晶圓和蓋晶圓之組件的連接是藉由金屬接合過程而進行。以此方式，則嘗試和測試的(tried-and-tested)連接技術可以用來連接二個晶圓。
方法的進一步有利發展提供：金屬接合過程形成為共晶Al-Ge接合過程、Cu-Sn-SLID(solid liquid interdiffusion，固液交互擴散)接合過程或直接金屬接合過程。結果，可以有利的使用不同的接合過程來做晶圓的功能連接。
方法的進一步有利發展提供：MEMS晶圓的第一和第二基板層之間的導電連接是由多晶矽或金屬(尤其是鎢)所形成。以此方式，則可以使用已知的過程順序以在二個基板層之間提供導電連接。
方法的進一步較佳具體態樣提供：用於電接觸微機械構件的 至少一接觸元件乃形成為ASIC晶圓中的直通矽穿孔或成為打線接合元件。結果，有利而言提供了電接觸構件的不同可能性。
方法的進一步有利發展提供：MEMS晶圓藉由矽在絕緣體上(SOI)晶圓而形成。以此方式，則可以有利的提供高純度的單晶矽材料。再者，基板的層厚度可以大大的獨立於彼此而形成。
10‧‧‧微機電系統(MEMS)晶圓
11‧‧‧第一基板層
12‧‧‧絕緣層
13‧‧‧第二基板層
14、15‧‧‧可移動的微機械MEMS結構
16‧‧‧導電材料
17‧‧‧接合材料
20‧‧‧特用積體電路(ASIC)晶圓
21‧‧‧基板層
22‧‧‧切換層
23‧‧‧電晶體層
30‧‧‧蓋晶圓
40‧‧‧接觸元件、焊球
50‧‧‧直通矽穿孔(TSV)
100‧‧‧微機械構件
200~260‧‧‧製造微機械構件的方法步驟
本發明基於多張圖而以進一步特色和優點來在下面做詳細描述。同時，揭示的所有特色形成本發明的主題，而不管它們彼此在申請專利範圍中如何參照，並且獨立於它們如何呈現在敘述和圖中。相同的或功能上相同的構件則具有相同的標示。圖形尤其打算示範本發明的基本原理並且未必按照比例來顯示。
於圖中：圖1顯示習用的微機械感測器拓樸；圖2~15顯示根據本發明來製造微機械構件之個別過程步驟的結果；圖16顯示微機械構件的MEMS結構之機械移動性的指示；圖17顯示微機械構件的替代選擇性具體態樣；圖18~21顯示提供用於微機械構件的MEMS晶圓之個別過程步驟的結果；以及圖22顯示根據本發明方法之具體態樣的原理順序。
圖1顯示穿過習用之微機械構件100的截面，其具有MEMS晶圓10和ASIC晶圓20。可移動的微機械MEMS結構14、15形成在MEMS 晶圓10中。藉由具有呈重分布層(redistribution layer，RDL)形式之額外再接線的直通矽穿孔50，則ASIC晶圓20之電子電路元件的電接觸可以與呈焊球形式的接觸元件40做組合而實現。
於以下圖中，顯示的是根據本發明來製造微機械構件100的具體態樣之過程步驟的結果。於圖2到8，顯示的是製備二層的MEMS晶圓10，其具有第一矽層和第二矽層以便晶圓接合到蓋晶圓30上。較佳而言，蓋晶圓30具有做好的腔穴，其舉例而言藉由蝕刻過程(替代選擇為：KOH蝕刻或均向性SF6蝕刻)而製造。接合過程較佳而言是在MEMS晶圓的第二矽層和蓋晶圓上的氧化層之間的高溫融合接合。替代選擇而言，類似的有可能是其他接合過程，例如密封玻璃接合(玻璃熔塊接合)、金屬接合過程(共晶或固液交互擴散[SLID])或直接接合。
圖2顯示穿過MEMS晶圓10的截面，其具有第一基板層11(較佳而言為矽基板)、安排在其上的絕緣層12(較佳而言為氧化物材料)、安排在絕緣層12上的第二基板層13(較佳而言為矽基板)。MEMS晶圓10因而以其基本結構而由SOI晶圓所形成。
圖3顯示穿過圖2之安排的截面，現在已經進行了第二基板層13的第一溝槽。
從圖4的截面圖可以看到第二基板層13的材料以及絕緣層12在藉此由第二基板層13所形成之結構下方的材料已經藉由氣相蝕刻步驟而蝕刻掉。
圖5指出已經進行了用導電材料16(較佳而言為多晶矽材料)來填充開放的存取孔洞。替代選擇而言也可思及用金屬(舉例而言為鎢)來填 充。以此方式，則第一基板層11可以採取導電方式而連接到第二基板層13的局部區域。
從圖6的截面圖可以看到藉由化學機械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)過程步驟而提供了第二基板層13之盡可能平滑的表面以供後續晶圓接合。
從圖7的截面圖可以看到已經形成第二基板層13的第二溝槽，藉此已經實現了第一基板層11的結構化。再者，已經進行絕緣層12的第二氣相蝕刻步驟，藉此已經局部暴露了絕緣層12。第二氣相蝕刻步驟較佳而言是時間受到控制的。
圖8顯示圖7的MEMS晶圓10在用蓋晶圓30做晶圓接合過程之後的結果，而晶圓接合較佳而言已經以高溫融合接合的形式來進行。替代選擇性的接合過程是電漿活化的直接接合、密封玻璃接合或金屬接合等過程。
圖9顯示MEMS晶圓10的第一基板層11做完薄化或研磨到目標厚度(可能是CMP步驟)的結果。
圖10顯示以接合材料17(較佳而言為第三層)而將區域施加到第一基板層11，以供後續接合到ASIC晶圓20。
從圖11的截面圖可以看到已經移除了在具有接合材料17的區域之間的第一基板材料11，較佳而言藉由時間受到控制的蝕刻來為之，以便後續提供一種間隔物(避開)而設定出在後續接合於ASIC晶圓20期間之界定的最小間隔。
從圖12的截面圖可以看到現在已經形成第二功能溝槽，其 開始自MEMS晶圓10之第一基板層11的表面。以此方式，則直通矽穿孔可以提供在ASIC晶圓20的特定部分，而在那些區域當中沒有絕緣層12。這所可以導致的MEMS結構14、15則是可獨立於彼此的移動，而在二個基板層11、13中以界定的方式而至少在特定部分中暴露。於這情形，也可以蝕刻第二基板層13之可存取的次區域。
圖13顯示穿過基板晶圓的簡化截面，其較佳而言呈CMOS評估ASIC晶圓20的形式，而具有基板層21、切換層22和電晶體層23。ASIC晶圓20也具有二個盲孔洞，其提供給後續要形成的電直通矽穿孔50，並且為此而在通孔中間(via-middle)過程中填充了導電材料(較佳而言為銅或多晶矽)，其中首先施加電晶體電路、然後是TSV盲孔洞、最後是CMOS後端的金屬氧化物堆疊。
後續而言，如圖14所代表，組合的MEMS/蓋晶圓乃金屬接合於ASIC晶圓20，較佳而言這使用共晶鋁-鍺接合過程或者替代選擇而言使用Cu-Sn-SLID接合過程。圖14顯示的截面圖是ASIC晶圓20接合到包括蓋晶圓30和MEMS晶圓10的組件上。
最後，如圖15所示，金屬填充的盲孔洞從ASIC晶圓20的後側而研磨打開，電連接則藉由與ASIC基板層21絕緣的接線層(重分布層)而分布在ASIC的後側上，並且施加了用於微機械構件100之稍後印刷電路板(PCB)安裝的焊球40。
從圖15的截面圖可以看到ASIC晶圓20的基板層21現在已經薄化到目標厚度，藉此已經暴露了直通矽穿孔50。焊球40已經安排在ASIC的後側上，並且藉由接線層而連接到暴露的直通矽穿孔50。有可能以 這方式而做出整個安排的電接觸。
圖16指出：藉由所提議的流程，MEMS區域乃自由、可移動的形成在整體安排裡。圖形尤其用來示範：以類似於圖1所示的方式，可以實現具有完全差動電極安排之可移動的MEMS結構14、15，包括第一基板層11中的上固定電極和在ASIC晶圓20之最上金屬化層次中的下固定電極。有利而言，也有可能實現暴露之可移動的MEMS區域，其中第一和第二基板層彼此機械連接但是彼此電隔離。
圖17顯示微機械構件100的替代選擇形式，其具有接合到MEMS晶圓10上的蓋晶圓30，而已經進行打線接合以供外部接觸微機械構件100。也可以看到外部接觸元件40，其呈接合線元件的形式而形成為ASIC晶圓20上的前側接觸。藉由打開MEMS/蓋晶圓的組合之接合墊區域而做出接觸，較佳而言是藉由使用形成溝槽或切鋸的過程來為之。於圖17，雖然接合線安排在ASIC晶圓20的二側上，但不用說也有可能僅在ASIC晶圓20的一側上或在彼此指向關係為90°角的二側上(未呈現)來引導出襯墊。
圖18到21顯示實現MEMS晶圓10而為圖2到6之替代選擇的方式，其具有第一基板層11和第二基板層13。於這情形，使用了表面微機械的標準方法。在這情形下的開始點是第一基板層11，上面施加了絕緣層12(較佳而言為氧化層)，較佳而言是藉由熱氧化來為之。由於原料的價格較低，故這些方法可以比較容易而較不昂貴。生長在上面的第二基板層13在這情形下主要是多晶的。
先前所有圖中呈現之第一和第二基板層11、13的層厚度比例是要視為僅舉例而給出。以提議的方法而言，二個層厚度可以形成為相 同，或者第二基板層可以形成為厚於第一基板層，而流程中沒有任何基本改變。
圖19顯示打開的絕緣層12以形成接觸孔洞。
圖20顯示將第二基板層13沉積在絕緣層12上，其成為多晶矽或者藉由磊晶生長來為之(氧化層12上有多晶起始層而未呈現)。第二基板層13之表面的強烈地形起伏則製造在接觸孔洞的區域中。這可以藉由使用大量的小接觸孔洞而可選用的最小化，而讓溝槽寬度小於第二基板層13的層厚度。
圖21顯示第二基板層13做完CMP步驟的結果以準備做後續的晶圓接合。MEMS晶圓10因而具有第二基板層13的大區域，其形成為多晶狀態。這過程以類似於圖3到7的方式而繼續。
圖22顯示製造微機械構件100之方法的基本順序。
於步驟200，提供MEMS晶圓10。
於步驟210，進行MEMS晶圓10的結構化，其開始自MEMS晶圓10之第二基板層13的表面，而至少一導電連接形成在MEMS晶圓10的第一基板層11和第二基板層13之間。
於步驟220，提供蓋晶圓30。
於步驟230，進行MEMS晶圓10對於蓋晶圓30的連接。
於步驟240，進行MEMS晶圓10的結構化，其開始自MEMS晶圓10之第一基板11的表面。
於步驟250，提供ASIC晶圓20。
最後，於步驟260，進行ASIC晶圓20對於包括MEMS晶圓 10和蓋晶圓30之組件的連接。
總而言之，微機械構件及其製造方法是由本發明所提議。微機械構件可以尤其有利而言用於實現完全差動的電容性電極安排，其MEMS元件可以垂直於晶片平面來偏折。於這情形，固定的底電極乃藉由(較佳而言)ASIC晶圓20的最上金屬層次而形成，固定的頂電極則形成在第一基板層11中。可移動的電極則落在底電極和頂電極之間，並且是由第二基板層的區域所形成。
MEMS層可以有利的藉由使用單晶材料的SOI晶圓而形成。結果，可能有較小的本質性應力，而多晶矽之晶體結構中的不均質性可能引起本質性應力。這些可以不利的例如呈感測器結構之稍微預先偏折的形式而彰顯，這在加速度感測器的情形下則導致不利的偏移訊號。
MEMS結構的層厚度可輕易縮放，而第一和第二基板層的厚度比在表面微機械方法的情形中更容易有可能增加。也容易有可能生成具有機械連接但電隔離區域之可移動的MEMS結構，這若採取表面微機械做法的話則僅可以藉著增加開銷來實現。這選項對於減少感測器的功能元件(舉例而言為旋轉速率感測器的驅動電路和偵測電路)之間的串音、或對於加速度感測器使用所謂的完全差動評估方法來說可以是有利的，其中共同的感測器質量被分成二個電隔離區段，其藉由ASIC以推拉模式而活化並且差動的評估。因而可以有效的抑制寄生訊號，其舉例而言是電磁衝突(EMC)或電源排拒比例(power supply rejection ratio，PSSR)擾動(其具有推推效應(push-push effect))的結果。
微機械構件可以尤其有利而言用於微機械慣性感測器，舉例 而言用於加速度感測器和/或旋轉速率感測器。
雖然本發明已經基於特定的應用範例而描述如上，但是熟於此技藝者也可以實現之前未揭示或僅部分揭示的具體態樣，而不偏離本發明的本質。
10‧‧‧MEMS晶圓
11‧‧‧第一基板層
12‧‧‧絕緣層
13‧‧‧第二基板層
14、15‧‧‧可移動的微機械MEMS結構
16‧‧‧導電材料
17‧‧‧接合材料
20‧‧‧ASIC晶圓
21‧‧‧基板層
22‧‧‧切換層
30‧‧‧蓋晶圓
50‧‧‧直通矽穿孔(TSV)

Claims (12)

  1. 一種製造微機械構件(100)的方法，其包括以下步驟：提供微機電系統(MEMS)晶圓(10)；將該MEMS晶圓(10)結構化，其開始自該MEMS晶圓(10)之第二基板層(13)的表面，而至少一導電連接形成在該MEMS晶圓(10)的第一基板層(11)和該第二基板層(13)之間；提供蓋晶圓(30)；將該MEMS晶圓(10)連接到該蓋晶圓(30)；將該MEMS晶圓(10)結構化，其開始自該MEMS晶圓(10)之該第一基板層(11)的表面；提供特用積體電路(ASIC)晶圓(20)；以及將該ASIC晶圓(20)連接到包括該MEMS晶圓(10)和該蓋晶圓(30)的組件。
  2. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中該ASIC晶圓(20)對於包括該MEMS晶圓(10)和該蓋晶圓(30)之該組件的該連接乃藉由金屬接合過程而進行。
  3. 根據申請專利範圍第2項的方法，其中該金屬接合過程乃形成為共晶Al-Ge接合過程、Cu-Sn-SLID(固液交互擴散)接合過程或直接金屬接合過程。
  4. 根據申請專利範圍第1到3項中一項的方法，其中在該MEMS晶圓(10)的該等第一和第二基板層之間的該導電連接是由多晶矽或金屬(尤其是鎢)所形成。
  5. 根據申請專利範圍第1到4項中一項的方法，其中用於電接觸該微機械構件(100)的至少一接觸元件(40)是形成為該ASIC晶圓(20)中的直通矽穿孔(50)。
  6. 根據申請專利範圍第1到4項中一項的方法，其中用於電接觸該微機械構件(100)的至少一接觸元件(40)是形成為打線接合元件。
  7. 根據前面申請專利範圍當中一項的方法，其中該MEMS晶圓(10)是藉由矽在絕緣體上(SOI)晶圓(10)而形成。
  8. 一種微機械構件(100)，其包括：MEMS晶圓(10)，其至少在特定部分具有一者安排在另一者頂部上之二個可移動的MEMS結構(14、15)，而該MEMS晶圓(10)的第一基板層(11)和第二基板層(13)至少在特定部分處則形成為以導電方式而可彼此連接；以及ASIC晶圓(20)，該MEMS晶圓(10)乃功能上連接到該ASIC晶圓(20)，該等晶圓(10、20)則藉由蓋晶圓(30)而蓋住。
  9. 根據申請專利範圍第8項的微機械構件(100)，其特徵在於：該MEMS晶圓(10)之至少一可移動的結構(14)包括單晶矽。
  10. 根據申請專利範圍第8或9項的微機械構件(100)，其特徵在於：該等二個MEMS結構(14、15)以導電方式而彼此連接或者彼此電隔離。
  11. 根據申請專利範圍第8到10項中一項的微機械構件(100)，其特徵在於：用於電接觸該構件(100)的接觸元件(40)乃形成在該ASIC晶圓(20)上以及/或者包括該ASIC晶圓(20)的直通矽穿孔(50)。
  12. 根據申請專利範圍第8到11項中一項的微機械構件(100)，其特徵在於：該微機械構件(100)是慣性感測器。
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