TW201813916A - 微機械構件 - Google Patents

Abstract

用於生產一微機械構件(100)之方法，其包含以下步驟：- 提供一MEMS晶圓(10)；- 提供一ASIC晶圓(20)；- 在該MEMS晶圓(10)中形成至少兩個固定或可移動結構(14、15)，該等固定或可移動結構至少在某些部分中以一個於另一個之上之方式佈置；- 將該MEMS晶圓(10)連接至該ASIC晶圓(20)；- 在該MEMS晶圓(10)中形成導電連接元件，該等連接元件穿過該MEMS晶圓(10)中之該至少兩個固定或可移動結構(14、15)且形成以直至該ASIC晶圓(20)；及- 將一蓋晶圓(30)施加至彼此連接之該等晶圓(10、20)。

Description

微機械構件

本發明係關於微機械構件及用於生產微機械構件之方法。

(例如)用於量測加速度、旋轉速率、磁場及壓力之微機械感測器已為吾人所知且經大量生產用於汽車及消費部門中之各種應用。

DE 10 2009 000 167 A1揭示具有兩個微機械層級之慣性感測器。此允許創建感測器拓撲，該等感測器拓撲例如在加速度感測器之偏移穩定性方面使效能儘可能大的提昇。此涉及創建z加速度感測器，其中可移動塊狀物由兩個微機械層(第一及第二MEMS功能層)形成且其中電容評估電極佈置於可移動結構之下方及上方，專用於基板晶圓上之佈線層中及第二MEMS功能層中。

藉由此佈置(被稱為完全差分電極佈置)，一方面可增加每單位面積電容(電容/面積)，且另一方面相對於基板變形(例如歸因於裝接應力)可實現良好的穩健性。首先提及之態樣產生經改良之信雜比，第二態樣尤其產生感測器之經改良之偏移穩定性。

亦已知其中MEMS及評估ASIC晶圓藉助於晶圓接合程序來機械及電連接至彼此的方法，這被稱作「垂直整合」或「混合整合」或「3D整合」且(例如)自US 7 250 353 B2及US 7 442 570 B2得知。此允許創建 感測器拓撲用於垂直於晶片平面移動之慣性感測器。可移動MEMS結構佈置於評估ASIC(較佳為CMOS晶圓)上，ASIC之最上部金屬層充當固定相對電極。

前述技術之延伸內容提供的是，評估電極除位於CMOS晶圓中之外，亦設置於MEMS晶圓中，例如自DE 10 2012 208 032 A1得知。此允許增加構件之整合密度(在此情況下為每單位面積之電容)，從而對於構件產生減少之雜訊及/或減小之表面積要求。

DE 10 2012 208 032 A1亦揭示具有兩個微機械層之佈置，這兩個微機械層藉由垂直整合程序連結。MEMS晶圓在此情況下以表面微機械之方式生成，且藉助於晶圓接合程序而機械及電連接至ASIC。除基板之外，在此情況下MEMS晶圓還具有三個多晶矽層(一個佈線層級及兩個微機械層)，此等層可大部分彼此獨立地構成。因此，MEMS晶圓包含兩個微機械功能層及一個互連層級。兩個微機械功能層彼此連接且形成單件式或整體式之固態元件。藉助於形成於ASIC晶圓中之矽穿孔(through silicon vias；TSV)，可實現自外部至ASIC晶圓之佈線層級之電連接。

DE 10 2009 029 202 A1揭示包含多個MEMS層之微機械構件之層疊佈置，其中第一MEMS結構佈置於一個功能層中且至少一個其他MEMS結構至少部分地佈置於至少一個其他功能層中。可藉助於自DE 10 2009 000 167 A1得知之程序實現此等結構，其中整合密度同樣地得以增加。

亦得知垂直整合構件，其中兩個晶圓堆疊以一個於另一個之上之方式接合，兩個晶圓集合由MEMS晶圓及CMOS晶圓形成，(例如)自DE 10 2012 206 875 A1得知，MEMS晶圓首先藉助於晶圓接合程序施加至 CMOS晶圓，且因此一起形成四晶圓堆疊。亦藉由此佈置，可增加構件之整合密度。若MEMS功能結構與電子評估電路之表面積要求大致相同，則佈置可以是有利的。

DE 10 2012 208 053 A1揭示混合整合構件及其製造方法。在此例中，提供載體，詳言之呈ASIC、MEMS及蓋之形式。MEMS構件藉助於間隙結構安裝於載體上，蓋佈置於MEMS構件之微機械結構之上方。

本發明之目的為提供經改良之微機械構件及其生產方法。

根據第一態樣，藉由一種用於生產微機械構件之方法來實現該目的，包含以下步驟：- 提供MEMS晶圓；- 提供ASIC晶圓；- 在該MEMS晶圓中形成至少兩個固定或可移動結構，該等至少兩個固定或可移動結構至少在某些部分中以一個於另一個之上之方式佈置；- 將該MEMS晶圓連接至該ASIC晶圓；- 在該MEMS晶圓中形成導電連接元件，該等連接元件穿過該MEMS晶圓中之該等至少兩個固定或可移動結構且形成以直至該ASIC晶圓；及- 將蓋晶圓施加至彼此連接之該等晶圓。

以此方式，可在MEMS功能層中提供兩個MEMS結構，該等MEMS結構以一個於另一個之上之方式佈置且彼此電連接及機械連接或僅彼此機械連接。此提供電啟動選擇性地作為電極之該等MEMS層之該等可移動結構的有利選項。

根據第二態樣，藉由微機械構件來實現該目的，其包含：- MEMS晶圓，其具有至少兩個固定或可移動結構，該等至少兩個固定或可移動結構至少在某些部分中以一個於另一個之上之方式佈置，- ASIC晶圓，- 該MEMS晶圓功能性地連接至該ASIC晶圓，至少一個導電連接元件穿過該兩個MEMS結構且形成以直至該ASIC晶圓，該等晶圓藉助於蓋晶圓而加蓋。

該方法及該微機械構件之較佳具體實例為從屬申請專利範圍之主題。

該方法之一較佳變化提供的是，藉助於將導電材料之至少一個層導引至接觸孔中來實行該等電連接元件之形成。

以此方式，該等MEMS層中之電接觸可以極其可變之方式經組態。

藉由將鎢用作導電材料，來加以區別該方法之另一較佳具體實例。此產生有利的材料及處理特性。

該方法之另一較佳具體實例提供的是，一線接合元件形成為用於電接觸該微機械構件之一接觸元件，或提供一矽穿孔形成於ASIC晶圓中。因此，有利地提供用於電接觸該構件之不同可能性。

該方法之另一較佳具體實例提供的是，在至少部分構成該MEMS晶圓之後實行該ASIC晶圓至該MEMS晶圓之接合。因此，該MEMS晶圓可有利地首先以完全的表面微機械之方式構成。因此，構成步驟可與接合步驟分開實行，從而可最佳化生產程序。

本發明以多個圖之進一步特徵及優點在下文中予以詳細描述。同時，所有被揭露的特徵形成本發明之主題，無論該等特徵如何在專利申請專利範圍中參考彼此，且獨立於該等特徵如何在描述及圖中呈現。相同或功能上相同之構件具有相同的名稱。圖式尤其意欲說明本發明之基本原則且不一定按比例繪示。

10‧‧‧MEMS晶圓

11‧‧‧第一基板層

12‧‧‧絕緣層

13‧‧‧第二基板層

14‧‧‧固定或可移動結構

15‧‧‧固定或可移動結構

16‧‧‧導電材料

17‧‧‧接觸孔

18‧‧‧導電材料

20‧‧‧ASIC晶圓

21‧‧‧基板層

22‧‧‧交換層

23‧‧‧電晶體層

24‧‧‧鈍化層

30‧‧‧蓋晶圓

40‧‧‧氧化物材料

50‧‧‧接觸元件

60‧‧‧矽穿孔

100‧‧‧微機械構件

200‧‧‧步驟

210‧‧‧步驟

220‧‧‧步驟

230‧‧‧步驟

240‧‧‧步驟

250‧‧‧步驟

圖1展示習知微機械感測器拓撲；圖2展示另一習知微機械感測器拓撲；圖3至圖24展示根據本發明用於生產微機械構件之單獨程序步驟之結果；圖25至圖31展示根據本發明微機械構件之其他具體實例之單獨程序步驟的結果；且圖32展示根據本發明之方法之具體實例的基本順序。

圖1展示用於生產(例如)呈慣性感測器(加速度、角加速度、旋轉速率感測器)形式之微機械構件100之習知標準程序的結果。在此情況下，可移動MEMS結構14形成於MEMS晶圓之單晶MEMS功能層中。可看出可移動MEMS結構14佈置於氧化物材料之間距元件(間隙元件(stand-off element))上之ASIC晶圓20上。蓋晶圓30封閉ASIC晶圓20上之MEMS結構14之佈置。

圖2展示橫穿具有MEMS晶圓10及ASIC晶圓20之另一習 知微機械構件100之橫截面。可移動微機械MEMS結構14、15形成於MEMS晶圓10中。藉助於具有呈重佈層(redistribution layer；RDL)之形式之額外重新佈線的矽穿孔60，結合呈焊球形式之接觸元件50可實現ASIC晶圓20之電路元件之電接觸。

在以下圖3至圖25中，展示根據本發明用於生產微機械構件100之具體實例之程序步驟的結果。

圖3展示橫穿CMOS晶圓之簡化橫截面，其表示ASIC晶圓20之初始狀態。可見基板層21、交換層22及電晶體層23。(例如)呈氮化物鈍化之形式之鈍化層24佈置於ASIC晶圓20上。

圖4展示圖3中之橫截面，鈍化層24已經打開或構成。

在圖5中可看出，用於間距元件之氧化物材料40已沉積於經構成之鈍化層24上。

圖6展示呈間距元件之形成物之形式的氧化物材料40之構成，該等間距元件充當後續直接晶圓接合之接觸區。

圖7展示橫穿MEMS晶圓10之橫截面，該MEMS晶圓具有第一基板層11(較佳為矽基板)，佈置於第一基板層上之絕緣層12(較佳為氧化物材料)及佈置於絕緣層12上之第二基板層13(較佳為矽基板)。MEMS晶圓10因此的基本結構由SOI晶圓形成。

圖8展示橫穿圖7中之佈置之橫截面，現已在第二基板層13中形成第一溝槽。

自圖9可看出已藉助於氣相蝕刻步驟將第二基板層13之結構下方之絕緣層12之材料蝕刻掉。

圖10指示已使用導電材料16(較佳為多晶矽)進行打開的出入孔之填充。亦或可設想使用(例如)鎢之金屬進行填充。以此方式，第一基板層11可以導電方式連接至局部區域之第二基板層13。

圖11指示藉助於CMP程序步驟(化學機械拋光)提供第二基板層13之光滑表面用於後續晶圓接合。

自圖12之橫截面視圖可看出已在第二基板層13中形成第二溝槽，從而實現第一基板層13中之結構。

圖13展示在執行絕緣層12之第二氣相蝕刻步驟從而局部曝露絕緣層12之後MEMS晶圓10之橫截面。第二氣相蝕刻步驟較佳為受時間控制的。

圖14展示在晶圓與ASIC晶圓20接合之前180°轉向之圖13中的MEMS晶圓10。

圖15展示MEMS晶圓10晶圓接合至ASIC晶圓20上之結果，較佳為呈電漿啟動式直接接合程序之形式。

圖16展示可能藉由CMP步驟將第一基板層11研磨回至目標厚度(較佳為約5pm至約100μm)之結果。

圖17展示用於在第一基板層11中形成接觸孔17之第一基板層11之第一溝槽開挖的結果。

自圖18之橫截面視圖可看出，已使用導電材料18(較佳為使用鎢)填充接觸孔17。在此情況下可對接觸孔17進行完全填充，如圖18所展示。或者，可使用導電材料18僅覆蓋接觸孔17之側壁(圖上未示)。

圖19展示導電材料18之構成，其提供穿過兩個基板層11、 13之導電連接(「導電支柱」)且導電附接至ASIC晶圓20之結構。

圖20展示在進行第一基板層11之溝槽開挖以得到最終界定且曝露MEMS結構14、15之後橫穿圖19中的佈置之橫截面。在此情況下，亦開挖第二基板層13之仍可進入的部分區域。

圖21指示MEMS區域以可移動之方式形成。該圖尤其用於說明，以類似於圖2中所展示之方式，可使用完全差分電極佈置實現可移動MEMS結構14、15，該等可移動MEMS結構包含第一基板層11中之上部固定電極及ASIC晶圓20之最上部金屬化層級中之下部固定電極。

圖22展示已完成之微機械構件100，實行蓋晶圓30至ASIC晶圓20上之接合。隨後，蓋晶圓30在接合墊區域打開且進行線接合以提供微機械構件100之外部接觸。可見呈接合線形式之外部接觸元件50。

圖23展示微機械構件100之替代形式，在此情況下蓋晶圓30接合至MEMS晶圓10上。

圖24展示具有藉助於ASIC晶圓20中之矽穿孔60之替代的外部電接觸之微機械構件100之另一具體實例。同樣地可設想藉助於蓋晶圓30中之矽穿孔60來進行外部電接觸(圖上未示)。藉助於具有呈重佈層(RDL)形式之額外重新佈線之矽穿孔60連同呈焊球形式之接觸元件50，藉此可實現ASIC晶圓20之電路元件之電接觸。

圖25至圖31展示實現MEMS晶圓10之替代方式，其中實行表面微機械程序以生產MEMS晶圓10。在此情況下起始點為第一基板層11，較佳地藉助於熱氧化將絕緣層12(較佳為氧化層)施加於第一基板層上。在此情況下，使用表面微機械之標準方法，此等方法更容易且由於原 料價格更低而成本更低。逐漸成長之第二微機械層在此情況下主要為多晶。

圖中表示之第一基板層11與第二基板層13之層厚度比率僅被視為藉助於實例而得到。藉由所提議之方法，兩個層可形成為相同厚度或在程序流程不發生基本改變之情況下第二基板層可經形成為厚於第一基板層。

圖26展示用於形成接觸孔之打開的絕緣層12。

圖27展示第二基板層13作為多晶矽或藉由磊晶成長在絕緣層12上之沉積(多晶起始層在氧化層12上，未表示)。在接觸孔之區域中產生第二基板層13之堅固表面形貌。此可視情況藉由使用大量小的接觸孔來實現最小化，在此情況下溝槽寬度小於第二基板層13之層厚度。

圖28展示為後續晶圓接合做準備之第二基板層13的CMP步驟之結果。接著，MEMS晶圓10之狀態實質上對應於圖11中之狀態，但此處第二基板層13之較大區域形成為多晶。該程序以類似於圖12至圖22之方式繼續。

圖29展示與圖20類似之程序步驟，亦即在第一基板層13之第二溝槽開挖之後，但在此情況下導電材料18以與圖20中之佈置不同之方式構成。在此情況下，實現微機械構件100之完全不同的設計，具體而言，電容壓力感測器具有完全差分電極佈置。

圖30展示除圖3至圖20之程序步驟外，亦使用氣態HF(氟化氫)進行氣相蝕刻步驟。因此，同時實現在第二基板層13中實現的壓力感測器膜及在該第二基板層上方佈置且在第一基板層11中表示的固定偵測電極。此外，ASIC晶圓20之最上部金屬層可用作相對電極，以使得壓力感 測器膜之移動之差分評估係可能的。膜距上部電極與距下部電極之距離較佳為相同(在圖30中未對應地表示)。

自圖30中亦可看出導電材料18之「穿孔」以導電之方式形成，且壓力感測器膜在第二基板層13中實現。

圖31僅展示偏轉狀態中壓力感測器膜之定性狀態。

圖32展示用於生產微機械構件100之方法之基本順序。

在步驟200中，提供MEMS晶圓10。

在步驟210中，提供ASIC晶圓20。

在步驟220中，在MEMS晶圓10中形成至少兩個固定或可移動結構14、15，該等固定或可移動結構至少在某些部分中以一個於另一個之上之方式佈置。

在步驟230中，將MEMS晶圓10連接至ASIC晶圓20。

在步驟240中，在MEMS晶圓10中形成導電連接元件，該連接元件穿過MEMS晶圓10中之至少兩個固定或可移動結構14、15且直至ASIC晶圓20而形成。

最終，在步驟250中，將蓋晶圓30施加至彼此連接之晶圓10、20。

總而言之，本發明提議微機械構件及其生產方法。可使用微機械構件以特別有利地實現MEMS元件之完全差分電容性電極佈置，該等MEMS元件可經偏轉垂直於晶片平面。在此情況下，藉由(較佳為)ASIC晶圓20之最上部金屬層級形成固定底部電極，且固定頂部電極在第一基板層11中成形。接著可移動電極處於底部電極與頂部電極之間且由第二基板 層之區域形成。

可藉由使用單晶材料構成之SOI晶圓有利地形成MEMS層；因此較小內部應力係可能的，此係因為多晶矽之晶體結構中之不均勻性可能造成內部應力。可(例如)以感測器結構之輕微預偏轉之形式不利地表明此等情況，在使用加速度感測器之情況下感測器結構之輕微預偏轉產生不合需要之偏移信號。

MEMS結構之層厚度可易於增減，第一及第二基板層之厚度增加有可能比在使用表面微機械方法之情況下之厚度增加更容易。

亦有可能輕易地形成具有機械連接但電隔離區域之可移動MEMS結構，而若採用表面微機械方法，則僅可藉由增加支出而實現。此選項可有利於減少感測器之功能元件(例如，旋轉速率感測器之驅動電路及偵測電路)之間的串音或有利於將所謂的完全差分評估方法用於加速度感測器，其中共用感測器塊狀物分成兩個電隔離部分，此等電隔離部分由處於推挽模式下之ASIC啟動且以差動之方式加以評估。因此，可有效遏止具有推挽效應之寄生信號，(例如)EMC之產物或PSSR干擾(電源抑制比)。

微機械構件可特別有利地用於微機械慣性感測器，(例如)用於加速度感測器及/或旋轉速率感測器。

儘管上文已基於特定應用實例對本發明進行描述，但熟習此項技術者亦可在不背離本發明之實質之情況下認識到先前未揭示或僅部分揭示之具體實例。

Claims (12)

1. 一種用於生產微機械構件(100)之方法，其包含以下步驟：提供MEMS晶圓(10)；提供ASIC晶圓(20)；在該MEMS晶圓(10)中形成至少兩個固定或可移動結構(14、15)，該等至少兩個固定或可移動結構至少在某些部分中以一個於另一個之上之方式佈置；將該MEMS晶圓(10)連接至該ASIC晶圓(20)；在該MEMS晶圓(10)中形成導電連接元件，該等連接元件穿過該MEMS晶圓(10)中之該等至少兩個固定或可移動結構(14、15)且形成以直至該ASIC晶圓(20)；及將蓋晶圓(30)施加至彼此連接之該等晶圓(10、20)。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，藉助於將至少一個層的導電材料(18)導引至接觸孔(17)中來實行該等電連接元件之形成。
3. 如申請專利範圍第2項之方法，使用鎢作為導電材料。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，線接合元件形成為用於電接觸該微機械構件(100)之接觸元件(50)。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，矽穿孔(60)形成於該ASIC晶圓(20)中用於電接觸該微機械構件(100)。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，在至少部分構成該MEMS晶圓(10)之後實行該ASIC晶圓(20)至該MEMS晶圓(10)之接合。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，將一佈置用作該MEMS 晶圓(10)之基底材料，該佈置包含第一基板層(11)、佈置於該第一基板層(11)上之絕緣層(12)及佈置於該絕緣層(12)上之第二基板層(13)。
8. 一種微機械構件(100)，其包含：MEMS晶圓(10)，其具有至少兩個固定或可移動MEMS結構(14、15)，該等至少兩個固定或可移動MEMS結構至少在某些部分中以一個於另一個之上之方式佈置，ASIC晶圓(20)，該MEMS晶圓(10)功能性地連接至該ASIC晶圓(20)，至少一個導電連接元件穿過該等兩個MEMS結構(14、15)且形成以直至該ASIC晶圓(20)，該等晶圓(10、20)藉助於蓋晶圓(30)而加蓋。
9. 如申請專利範圍第8項之微機械構件(100)，其中該MEMS晶圓(10)之至少一個結構(14)由單晶矽組成。
10. 如申請專利範圍第8或9項之微機械構件(100)，其中該等兩個MEMS結構(14、15)以導電方式彼此連接或彼此電隔離。
11. 如申請專利範圍第8至10項中任一項之微機械構件(100)，其中用於電接觸該構件(100)之接觸元件(50)形成於該ASIC晶圓(20)上及/或包含該ASIC晶圓(20)之矽穿孔(60)。
12. 如申請專利範圍第8至11項中任一項之微機械構件(100)，其中該微機械構件(100)為慣性感測器或壓力感測器或慣性感測器與壓力感測器之組合。