TW202124254A - 微機電系統裝置、其製造方法與使用其之整合式微機電系統 - Google Patents

微機電系統裝置、其製造方法與使用其之整合式微機電系統 Download PDF

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Abstract

一種微機電系統裝置包含一基板，基板具有至少一接點。微機電系統裝置也包含一第一介電層，第一介電層設置於基板上。微機電系統裝置更包含至少一金屬層，金屬層設置於第一介電層上，且至少部分金屬層電性連接於接點。微機電系統裝置包含一第二介電層，第二介電層設置於第一介電層與金屬層上並具有一凹槽結構。微機電系統裝置也包含一結構層，結構層設置於第二介電層上並具有一開口。開口對應於凹槽結構設置，且開口之底部的截面積小於凹槽結構之頂部的截面積。微機電系統裝置更包含一填充層，填充層至少部分設置於開口與凹槽結構中。第二介電層、結構層與填充層界定一空腔。

Description

微機電系統裝置、其製造方法與使用其之整合式微機電系統
本揭露實施例是有關於一種微機電系統(microelectromechanical system, MEMS)裝置、其製造方法與使用其之整合式微機電系統，且特別是有關於一種具有良好封孔品質的微機電系統裝置、其製造方法與使用其之整合式微機電系統。
微機電系統(MEMS)裝置通常包含用以感測一物理條件(諸如力、加速度、壓力、溫度或振動)之機械元件(固定元件及/或可移動元件)及用以處理電訊號之電子元件。因此，MEMS裝置常作為一感測器，並被廣泛用於諸如汽車系統、慣性導引系統、家用電器、各種裝置之保護系統及諸多其他工業、科學及工程系統等應用中。
現有的MEMS裝置雖大致符合需求，但並非在每個方面皆令人滿意。舉例而言，當MEMS裝置作為壓力感測器時，可能需要提供氣密的空腔，因而需要良好的封孔品質。然而，為了達到此目的，在製造現有的MEMS裝置時可能產生製程時間過長、製程繁複等問題。
在本揭露的一些實施例中，透過在介電層中設置凹槽結構及在結構層中設置與凹槽結構對應的開口，可使填充層(即用於封孔的結構)連續且均勻地填充於此開口與凹槽結構中，以完成封孔。藉由本揭露實施例的微機電系統裝置與其製造方法，能有效防止封孔接縫(seam)與空心結構的產生，進而提高封孔品質並提升整體的穩定性。此外，不需要繁複的製程，能有效縮短製程時間並降低成本。
本揭露實施例包含一種微機電系統裝置。微機電系統裝置包含一基板，基板具有至少一接點。微機電系統裝置也包含一第一介電層，第一介電層設置於基板上。微機電系統裝置更包含至少一金屬層，金屬層設置於第一介電層上，且至少部分金屬層電性連接於接點。微機電系統裝置包含一第二介電層，第二介電層設置於第一介電層與金屬層上並具有一凹槽結構。微機電系統裝置也包含一結構層，結構層設置於第二介電層上並具有一開口。開口對應於凹槽結構設置，且開口之底部的截面積小於凹槽結構之頂部的截面積。微機電系統裝置更包含一填充層，填充層設置於開口與凹槽結構中。第二介電層、結構層與填充層界定一空腔。
本揭露實施例包含一種微機電系統裝置的製造方法。此微機電系統裝置的製造方法包含提供一基板，基板具有至少一接點。此微機電系統裝置的製造方法也包含在基板上形成一第一介電層。第一介電層具有至少一通孔，通孔暴露接點的部分頂表面。此微機電系統裝置的製造方法更包含在第一介電層上形成至少一金屬層。至少部分金屬層電性連接於接點。此微機電系統裝置的製造方法包含在第一介電層與金屬層上形成一第二介電層。第二介電層具有一凹槽結構。此微機電系統裝置的製造方法也包含在第二介電層上與凹槽結構中形成一犧牲層。此微機電系統裝置的製造方法更包含在第二介電層與犧牲層上形成一結構層。此微機電系統裝置的製造方法包含將部分結構層移除以形成一開口，開口暴露出位於凹槽結構中的犧牲層。此微機電系統裝置的製造方法也包含將犧牲層移除以暴露凹槽結構。開口之底部的截面積小於凹槽結構之頂部的截面積。此微機電系統裝置的製造方法更包含在開口與凹槽結構中形成一填充層。至少部分填充層形成於開口與凹槽結構中，且第二介電層、結構層與填充層界定一空腔。
本揭露實施例包含一種微機電系統裝置的製造方法。此微機電系統裝置的製造方法包含提供一基板，基板具有至少一接點。此微機電系統裝置的製造方法也包含在基板上形成一第一介電層。第一介電層具有至少一通孔，通孔暴露接點的部分頂表面。此微機電系統裝置的製造方法更包含在第一介電層上形成至少一第一金屬層。至少部分第一金屬層電性連接於接點。此外，此微機電系統裝置的製造方法包含在第一介電層與第一金屬層上形成一第二介電層。此微機電系統裝置的製造方法也包含在第二介電層上形成一犧牲層。此微機電系統裝置的製造方法更包含在第二介電層與犧牲層上形成一結構層。再者，此微機電系統裝置的製造方法包含將部分結構層移除以形成一第一開口，第一開口暴露出該犧牲層的部分頂表面。此微機電系統裝置的製造方法也包含透過第一開口將部分犧牲層移除以形成一第二開口，第二開口暴露出第二介電層的部分頂表面。此微機電系統裝置的製造方法更包含透過第二開口將部分第二介電層移除以形成一凹槽結構。第一開口之底部的截面積小於凹槽結構之頂部的截面積。此外，此微機電系統裝置的製造方法包含將犧牲層移除。此微機電系統裝置的製造方法也包含形成一填充層。至少部分填充層形成於第二開口與凹槽結構中，且第二介電層、結構層與填充層界定一空腔。
本揭露實施例包含一種整合式微機電系統。此整合式微機電系統複數個前述的微機電系統裝置。微機電系統裝置共用同一基板。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露實施例敘述了一第一特徵部件形成於一第二特徵部件之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵部件與上述第二特徵部件是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵部件形成於上述第一特徵部件與上述第二特徵部件之間，而使上述第一特徵部件與第二特徵部件可能未直接接觸的實施例。
應理解的是，額外的操作步驟可實施於所述方法之前、之間或之後，且在所述方法的其他實施例中，部分的操作步驟可被取代或省略。
此外，其中可能用到與空間相關用詞，例如「在… 下方」、「下方」、「較低的」、「在… 上方」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，這些空間相關用詞係為了便於描述圖示中一個（些）元件或特徵部件與另一個（些）元件或特徵部件之間的關係，這些空間相關用詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時（旋轉90度或其他方位），則其中所使用的空間相關形容詞也將依轉向後的方位來解釋。
在說明書中，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，或10%之內，或5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。在此給定的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。
除非另外定義，在此使用的全部用語（包括技術及科學用語）具有與此篇揭露所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例有特別定義。
以下所揭露之不同實施例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。
第1圖至第8圖是根據一些實施例繪示在製造微機電系統裝置100的各個階段之剖面示意圖。要特別注意的是，為了更清楚顯示本揭露實施例的特徵，第1圖至第8圖中可能省略部分部件。
參照第1圖，首先，提供一基板10，基板10可具有至少一接點12。在一些實施例中，基板10可包含矽，但本揭露實施例並非以此為限。舉例而言，在一些其他的實施例中，基板10可包含一些其他的元素半導體(例如，鍺)。基板10亦可包含化合物半導體(例如，碳化矽、砷化鎵、砷化銦或磷化銦)。基板10亦可包含合金半導體(例如，矽化鍺、碳化矽鍺(silicon germanium carbide)、磷砷化鎵(gallium arsenic phosphide)或磷化銦鎵(gallium indium phosphide))。
在一些實施例中，基板10可包含絕緣層上半導體(semiconductor on insulator, SOI)，例如：絕緣層上矽或絕緣層上鍺。前述包含絕緣層上半導體的基板可包含底板、設置於上述底板上之埋藏氧化層以及設置於上述埋藏氧化層上之半導體層。在一些實施例中，基板10可包含單晶基板、多層基板(multi-layer substrate)、其他適當之基板或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。
在一些實施例中，基板10可包含如硼、鋁、鎵、銦、鉈之P型摻質，或者如砷、磷、銻之N型摻質。這些摻質可在基板10中形成摻雜區，摻雜區可例如形成接點12的一部分，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，基板10可視為微機電系統裝置100的一晶片(chip)。
參照第1圖，接著，在基板10上形成一第一介電層20。在一些實施例中，第一介電層20的材料可包含例如氧化矽之氧化物、例如氮化矽之氮化物、其他合適的材料或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，可透過一沉積製程將第一介電層20沉積於基板10上，沉積製程可包含金屬有機化學氣相沉積(metal organic chemical vapor phase deposition, MOCVD)、原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE)、液相磊晶(liquid phase epitaxy, LPE)、類似的製程或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。
參照第2圖，在第一介電層20中形成至少一通孔20H，通孔20H可對應於接點12設置並暴露接點12的部分頂表面。在一些實施例中，可對第一介電層20進行一圖案化製程以形成通孔20H。舉例來說，可在第一介電層20上設置遮罩層(未繪示)，接著使用前述遮罩層作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程，以將第一介電層20蝕刻出通孔20H。在一些實施例中，遮罩層可包含光阻，例如正型光阻(positive photoresist)或負型光阻(negative photoresist)。遮罩層可為單層或多層結構。遮罩層的形成可包含沉積製程、光微影製程、其他適當之製程或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。
在一些實施例中，沉積製程包含旋轉塗佈(spin-on coating)、化學氣相沉積(chemical vapor phase deposition, CVD)、原子層沉積、類似的製程或前述之組合。在一些實施例中，光微影製程可包含光阻塗佈(例如旋轉塗佈)、軟烘烤(soft baking)、光罩對準(mask aligning)、曝光(exposure)、曝光後烘烤(post-exposure baking, PEB)、顯影(developing)、清洗(rinsing)、乾燥(例如硬烘烤)、其他合適的製程或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。
在一些實施例中，前述蝕刻製程可包含乾式蝕刻製程、濕式蝕刻製程或前述之組合。舉例來說，乾式蝕刻製程可包含反應性離子蝕刻(reactive ion etch, RIE)、感應耦合式電漿(inductively-coupled plasma, ICP)蝕刻、中子束蝕刻(neutral beam etch, NBE)、電子迴旋共振式(electron cyclotron resonance, ECR)蝕刻、類似的蝕刻製程或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。
參照第2圖，接著，在第一介電層20上形成一金屬層30，其中至少部分金屬層30電性連接於接點12。具體而言，如第2圖所示，金屬層30包括一第一部分31與一第二部分32，第一部分31通過第一介電層20的通孔20H與接點12直接接觸，而第二部分32藉由第一介電層20與接點12分離。亦即，金屬層30的第一部分31可電性連接於接點12，金屬層30的第二部分32可與接點12電性絕緣，但本揭露實施例並非以此為限。舉例來說，金屬層30的第一部分31可用於將接點12與後續形成的結構電性連接。
在一些實施例中，金屬層30的材料可包含金(Au)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、其他合適的材料、前述之合金或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，可透過物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積、蒸鍍(evaporation)、濺鍍(sputtering)、類似的製程或前述之組合將金屬材料形成於第一介電層20上，但本揭露實施例並非以此為限。接著，對金屬材料進行圖案化製程，以形成如第2圖所示之金屬層30的第一部分31與第二部分32。圖案化製程的範例如前所述，故不再贅述。
參照第3圖，在第一介電層20與金屬層30上形成一第二介電層40，第二介電層40具有一凹槽結構42。類似地，第二介電層40的材料可包含例如氧化矽之氧化物、例如氮化矽之氮化物、其他合適的材料或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，第二介電層40的材料可與第一介電層20相同或不同，可依實際需求而定。在一些實施例中，可透過一沉積製程將第二介電層40沉積於第一介電層20與金屬層30上，沉積製程的範例如前所述，故不再贅述。此外，可對第二介電層40進行圖案化製程以形成凹槽結構42。舉例來說，可在第二介電層40上設置遮罩層(未繪示)，接著使用前述遮罩層作為蝕刻遮罩進行蝕刻製程，以形成凹槽結構42。在一些實施例中，前述蝕刻製程可包含乾式蝕刻製程、濕式蝕刻製程或前述之組合。
如第3圖所示，在一些實施例中，第二介電層40的凹槽結構42可暴露第一介電層20的部分頂表面，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，凹槽結構42也可設置於第一介電層20上方，而不會暴露第一介電層20；或者，凹槽結構42也可暴露金屬層30的第二部分32的部分頂表面，可依實際需求而定。
在一些實施例中，凹槽結構42的側壁42S可大致上垂直於第一介電層20與第二介電層40的頂表面，但本揭露實施例並非以此為限。在第3圖所示的實施例中，凹槽結構42可具有恆定的(constant)的截面積。亦即，凹槽結構42在不同深度的截面積可與凹槽結構42之頂部的截面積42TA大致上相同，但本揭露實施例並非以此為限。
參照第4圖，在第二介電層40上與凹槽結構42中形成一犧牲層50。具體而言，可在凹槽結構42的底表面與部分側壁42S上及第二介電層40的部分頂表面上形成犧牲層50。在一些實施例中，犧牲層50的材料可包含氧化矽、光阻、聚醯亞胺(polyimide)、鍺、其他合適的材料或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，犧牲層50與第一介電層20、金屬層30及第二介電層40可具有高度的蝕刻選擇比。因此，在後續將犧牲層50移除的過程中，可防止第一介電層20、金屬層30及第二介電層40受到損傷。在一些實施例中，可透過沉積製程在第二介電層40上與凹槽結構42中形成犧牲層50，沉積製程的範例如前所述，故不再贅述。
參照第5圖，在第二介電層40與犧牲層50上形成一結構層60。具體而言，結構層60可形成於第二介電層40的頂表面與犧牲層50的頂表面，並填滿凹槽結構42剩餘的空間。在一些實施例中，結構層60的材料可包含多晶矽、磊晶矽、矽鍺、其他合適的半導體材料或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，結構層60與犧牲層50也可具有高度的蝕刻選擇比。在一些實施例中，可透過沉積製程在第二介電層40與犧牲層50上與凹槽結構42中形成結構層60，沉積製程的範例如前所述，故不再贅述。在一些實施例中，結構層60可視為微機電基板的一部分。
參照第6圖，將部分結構層60移除以形成一開口62。具體而言，開口62對應於凹槽結構42(即開口62位於凹槽結構42的上方)，且開口62可暴露出位於凹槽結構42中的犧牲層50。在一些實施例中，可對結構層60進行一圖案化製程以形成開口62。舉例來說，可在結構層60上設置遮罩層(未繪示)，接著使用前述遮罩層作為蝕刻遮罩進行乾蝕刻製程，以在結構層60中形成開口62。在此，乾蝕刻製程中使用的蝕刻氣體例如包含CF4 、O2 、SF6 、C4 F8 、Ar、Cl2 、BCl3 、其他合適的蝕刻氣體或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。
參照第7圖，將犧牲層50移除。具體而言，將位於凹槽結構42中及位於第二介電層40與結構層60之間的犧牲層50移除，以暴露凹槽結構42。舉例來說，可對犧牲層50進行濕蝕刻製程，以將犧牲層50移除。在此，濕蝕刻製程中使用的蝕刻液例如包含硫酸(H2 SO4 )、磷酸(H3 PO4 )、氫氟酸(HF)、雙氧水(H2 O2 )、氨水(NH4 OH)等，但本揭露實施例並非以此為限。由於犧牲層50與第一介電層20、金屬層30、第二介電層40及結構層60均具有高度的蝕刻選擇比，在將犧牲層50移除的過程中，可防止第一介電層20、金屬層30、第二介電層40及結構層60受到損傷。在一些實施例中，部分的犧牲層50也可能被保留。舉例來說，如第7圖所示，被保留的犧牲層50可視為一犧牲層剩餘部分50R，犧牲層剩餘部分50R位於第二介電層40與結構層60之間，但本揭露實施例並非以此為限。在一些其他實施例中，犧牲層50可被完全地移除。
如第7圖所示，在一些實施例中，開口62之底部的截面積62BA小於凹槽結構42之頂部42TA的截面積。由於在前述步驟中，犧牲層50會佔據第二介電層40與結構層60之間的部分空間，因此在將犧牲層50移除後，開口62之側壁621與側壁622的最底部並非位於同一平面上。在此，將結構層60的最底表面60B延伸，並將開口62之側壁621延伸，前述兩個延伸面與開口62之側壁622共同圍繞形成的空間的最底部的截面積可定義為開口62之底部的截面積62BA(如第7圖所示)。
如第7圖所示，在一些實施例中，開口62之底部的截面積62BA小於開口62之頂部的截面積62TA。具體而言，開口62在不同的深度的截面積並非恆定的，其可為連續變化。舉例而言，如第7圖所示，在此階段之剖面中，開口62之側壁621與側壁622可呈現為兩個斜面，但本揭露實施例並非以此為限。
參照第8圖，形成一填充層70，以形成本揭露實施例的一種微機電系統裝置100。具體而言，至少部分填充層70可形成於開口62與凹槽結構42中，亦即，可連續地形成並填滿開口62與凹槽結構42所在的空間，使第二介電層40、結構層60與填充層70可界定一空腔80。換言之，空腔80可部分或完全取代原先犧牲層50在第二介電層40與結構層60之間所佔據的空間。亦即，空腔80位於第二介電層40、結構層60與填充層70之間。此外，如第8圖所示，在一些實施例中，空腔80位於第二介電層40、犧牲層剩餘部分50R、結構層60與填充層70之間，因此，空腔80的高度g可大致上等於犧牲層剩餘部分50R的厚度。
在一些實施例中，填充層70的材料可包含氧化矽、氮化矽、光阻、聚醯亞胺、其他合適的材料或前述之組合，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，可透過沉積製程在開口62與凹槽結構42中形成一填充層70，沉積製程的範例如前所述，故不再贅述。在此，填充層70可視為微機電系統裝置100的封孔結構。此外，如第8圖所示，部分填充層70也可形成於結構層60上，但本揭露實施例並非以此為限。
如第8圖所示，在一些實施例中，凹槽結構42暴露第一介電層20的部分頂表面，因此填充層70可直接接觸第一介電層20，但本揭露實施例並非以此為限。在其他實施例中，凹槽結構42可設置於第一介電層20上方，而不會暴露第一介電層20，因此填充層70可直接接觸第二介電層40。
在一般不具有凹槽結構的微機電系統裝置中，於形成(沉積)填充層70的過程中，由於對應於開口62中央的部分的形成(沉積)速度大於遠離開口62中央的部分的形成(沉積)速度，容易形成封孔接縫。相對地，由於本揭露實施例之微機電系統裝置100包含對應於開口62的凹槽結構42，能有效防止封孔接縫的產生。
再者，於本揭露的一些實施例中，由於開口62之底部的截面積62BA小於開口62之頂部的截面積62TA，能使填充層70更均勻地在形成於開口62中，避免在填充層70尚未填滿凹槽結構42與開口62前提早閉合造成空心結構。
因此，在本揭露實施例之微機電系統裝置100中，可透過在第二介電層40中設置凹槽結構42及在結構層60中設置與凹槽結構42對應的開口62，使填充層70(即用於封孔的結構)連續且均勻地填滿此開口62與凹槽結構42，以完成封孔。亦即，藉由本揭露實施例的微機電系統裝置100與其製造方法，能有效防止封孔接縫與空心結構的產生，進而提高封孔品質並提升微機電系統裝置100整體的穩定性。此外，不需要繁複的製程，能有效縮短製程時間並降低成本。
如第8圖所示，在一些實施例中，結構層60的開口62處在凹槽結構42中的投影具有一端部60E1(或60E2)，此端部60E1(或60E2)與凹槽結構42的頂端42E在平行於第二介電層40之頂表面(或結構層60的最底表面60B)的方向D上的最短距離d1(或d2)大於或等於犧牲層50(或犧牲層剩餘部分50R)的厚度(即空腔80的高度g)，但本揭露實施例並非以此為限。在本揭露實施例中，端部60E1(或60E2)與凹槽結構42的頂端42E在平行於第二介電層40之頂表面(或結構層60的最底表面60B)的方向D上的最短距離d1(或d2)可視凹槽結構42的深度進行調整，在此不多加贅述。
在前述實施例中，凹槽結構42的側壁42S大致上垂直於第一介電層20與第二介電層40的頂表面，但本揭露實施例並非以此為限。第9圖是根據另一實施例繪示凹槽結構44的剖面示意圖。同時，為了更清楚顯示凹槽結構44的特徵，第9圖中亦繪示鄰近凹槽結構44的其他部件。
參照第9圖，凹槽結構44的側壁44S並非垂直於第二介電層40的頂表面。在一些實施例中，第二介電層40之頂表面與凹槽結構44的側壁44S所夾的角度θ可介於90至150度，但本揭露實施例並非以此為限。當第二介電層40之頂表面與凹槽結構44的側壁44S所夾的角度θ為90度時，凹槽結構44的側壁44S即大致垂直於第二介電層40的頂表面。
類似地，結構層60的開口62處在凹槽結構44中的投影具有一端部60E1(或60E2)，此端部60E1(或60E2)與凹槽結構44的頂端44E在平行於第二介電層40之頂表面的方向D上的最短距離d1(或d2)大於或等於犧牲層50(或犧牲層剩餘部分50R)的厚度(即空腔80的高度g)，在此不多加贅述。
第10圖是根據又一實施例繪示凹槽結構46的剖面示意圖。參照第10圖，凹槽結構46的側壁46S可具有一弧度。第9圖與第10圖之實施例繪示本揭露實施例之凹槽結構的不同範例，但本揭露實施例之凹槽結構也可形成為其他不同的形狀，可視實際需求而定。
第11圖是根據一些實施例繪示微機電系統裝置102的剖面示意圖。第11圖所示之微機電系統裝置102的結構與製造方法類似於第8圖所示之微機電系統裝置100，其不同之處在於微機電系統裝置102的凹槽結構42是暴露金屬層30的第二部分32的部分頂表面，使填充層70可直接接觸部分金屬層30(即金屬層30的第二部分32)，但本揭露實施例並非以此為限。
第12圖至第22圖是根據一些實施例繪示在製造整合式微機電系統1的各個階段之剖面示意圖。第23圖是整合式微機電系統1的部分俯視圖。類似地，為了更清楚顯示本揭露實施例的特徵，第12圖至第23圖中可能省略部分部件。
在本揭露的一些實施例中，整合式微機電系統1可包含複數個微機電系統裝置(例如，微機電系統裝置106與微機電系統裝置108)。這些微機電系統裝置的結構可類似於第8圖所示的微機電系統裝置100或第11圖所示的微機電系統裝置102，並可透過第1圖至第8圖所示的製造方法所形成，但本揭露實施例並非以此為限。第12圖至第22圖可呈現與第1圖至第8圖所示之實施例不同的製造微機電系統裝置106與微機電系統裝置108的方法。
參照第12圖，首先，提供一基板10，基板10可具有複數個接點12。接著，在基板10上形成一第一介電層20。基板10與第一介電層20的材料與形成方法的範例如前所述，在此不多加贅述。
參照第13圖，在第一介電層20中形成複數個通孔20H，通孔20H可對應於接點12設置並暴露接點12的部分頂表面。接著，在第一介電層20上形成一金屬層30，其中至少部分金屬層30電性連接於接點12。具體而言，如第13圖所示，金屬層30包括複數個第一部分31與複數個第二部分32，第一部分31通過第一介電層20的通孔20H與接點12直接接觸，而第二部分32藉由第一介電層20與接點12分離。亦即，金屬層30的第一部分31可電性連接於接點12，金屬層30的第二部分32可與接點12電性絕緣，但本揭露實施例並非以此為限。第一介電層20與金屬層30的材料與形成方法的範例如前所述，在此不多加贅述。
參照第14圖，在第一介電層20與金屬層30上形成一第二介電層40。接著，在第二介電層40上形成一犧牲層50。類似地，犧牲層50與第一介電層20、金屬層30及第二介電層40可具有高度的蝕刻選擇比。因此，在後續將犧牲層50移除的過程中，可防止第一介電層20、金屬層30及第二介電層40受到損傷。第二介電層40與犧牲層50的材料與形成方法的範例如前所述，在此不多加贅述。
參照第15圖，在第二介電層40與犧牲層50上形成一結構層60。類似地，結構層60與犧牲層50也可具有高度的蝕刻選擇比，且結構層60可視為微機電基板的一部分。結構層60的材料與形成方法的範例如前所述，在此不多加贅述。
參照第16圖，將部分結構層60移除以形成一開口62。如第16圖所示，開口62可暴露出犧牲層50的部分頂表面50T。在一些實施例中，可對結構層60進行一圖案化製程以將部分結構層60移除並形成開口62。圖案化製程的範例如前所述，在此不多加贅述。此外，如第16圖所示，在對結構層60進行圖案化製程時，也可同時形成開口64。開口64可暴露出第二介電層40的部分頂表面40T，且可透過開口64將後續形成的微機電系統裝置106與微機電系統裝置108分開，但本揭露實施例並非以此為限。
參照第17圖，透過開口62將部分犧牲層50移除以形成開口52，開口52暴露出第二介電層40的部分頂表面40T。舉例來說，可對犧牲層50進行一圖案化製程以將部分犧牲層50移除並形成開口52。圖案化製程的範例如前所述，在此不多加贅述。
參照第18圖，透過開口52將部分第二介電層40移除以形成一凹槽結構42。舉例來說，可對第二介電層40進行一圖案化製程(例如，包含一側向蝕刻製程)以將部分第二介電層40移除並形成凹槽結構42。圖案化製程的範例如前所述，在此不多加贅述。
參照第19圖，將犧牲層50移除。舉例來說，可對犧牲層50進行濕蝕刻製程，以將犧牲層50移除。濕蝕刻製程的範例如前所述，在此不多加贅述。類似地，由於犧牲層50與第一介電層20、金屬層30、第二介電層40及結構層60均具有高度的蝕刻選擇比，在將犧牲層50移除的過程中，可防止第一介電層20、金屬層30、第二介電層40及結構層60受到損傷。在本實施例中，可將犧牲層50完全移除，但本揭露實施例並非以此為限。在一些其他的實施例中，部分的犧牲層50也可能被保留。
如第19圖所示，在一些實施例中，開口62之底部的截面積62BA小於凹槽結構42之頂部42TA的截面積。此外，在一些實施例中，開口62之底部的截面積62BA小於開口62之頂部的截面積62TA。具體而言，開口62在不同的深度的截面積並非恆定的，其可為連續變化。舉例而言，如第19圖所示，在此階段之剖面中，開口62之側壁621與側壁622可呈現為兩個斜面，但本揭露實施例並非以此為限。
在本實施例中，凹槽結構42的側壁42S大致上垂直於第二介電層40的頂表面40T(及/或第一介電層20的頂表面)，但本揭露實施例並非以此為限。在一些其他的實施例中，也可透過調整(或控制)濕蝕刻製程，使凹槽結構42類似於第9圖所示的凹槽結構44或第10圖所示的凹槽結構46。凹槽結構42的形狀、深度可依實際需求調整。
參照第20圖，形成一填充層70。具體而言，至少部分填充層70可形成於開口62與凹槽結構42中，亦即，可連續地形成並填滿開口62與凹槽結構42所在的空間，使第二介電層40、結構層60與填充層70可界定一空腔80。換言之，空腔80可部分或完全取代原先犧牲層50在第二介電層40與結構層60之間所佔據的空間。亦即，空腔80位於第二介電層40、結構層60與填充層70之間。填充層70的材料與形成方法的範例如前所述，在此不多加贅述。
在此，填充層70可視為微機電系統裝置106與微機電系統裝置108的封孔結構。此外，如第20圖所示，部分填充層70也可形成於結構層60上，並形成於開口64所暴露出的第二介電層40的部分頂表面40T及開口64的側壁上，但本揭露實施例並非以此為限。
如第20圖所示，在一些實施例中，凹槽結構42可設置於第一介電層20上方，而不會暴露第一介電層20，因此填充層70可直接接觸第二介電層40，但本揭露實施例並非以此為限。
在一般不具有凹槽結構的微機電系統(裝置)中，於形成(沉積)填充層70的過程中，由於對應於開口62中央的部分的形成(沉積)速度大於遠離開口62中央的部分的形成(沉積)速度，容易形成封孔接縫。相對地，在本實施例中，凹槽結構42是透過開口52所形成，而開口52是透過開口62所形成，使得凹槽結構42可對應於開口62。因此，在形成填充層70時，凹槽結構42能有效防止封孔接縫的產生。
再者，於本揭露的一些實施例中，由於開口62之底部的截面積62BA小於開口62之頂部的截面積62TA，能使填充層70更均勻地在形成於開口62中，避免在填充層70尚未填滿凹槽結構42與開口62前提早閉合造成空心結構。
在此階段中，即已完成整合式微機電系統1的微機電系統裝置106。在一些實施例中，微機電系統裝置106可作為一壓力感測器，但本揭露實施例並非以此為限。在後續第21圖至第22圖的階段中，是針對微機電系統裝置108進行。
參照第21圖，在一些實施例中，可將部分填充層70移除以形成開口72，開口72暴露出結構層60的部分頂表面60T。舉例來說，如第21圖所示，可將預定形成微機電系統裝置108之處的部分填充層70移除以形成開口72，但在預定形成微機電系統裝置106之處的填充層70則完整保留。
接著，可在填充層70上形成一金屬層90，其中至少部分金屬層90形成於開口72中。具體而言，如第21圖所示，金屬層90可包含一第一部分90-1與一第二部分90-2，第一部分90-1與結構層60直接接觸(即，第一部分90-1可設置於開口72中)，而第二部分90-2與填充層70直接接觸(但與結構層60分開)。金屬層90的材料與形成方法的範例可與金屬層30相同或相似，在此不多加贅述。
參照第22圖，在一些實施例中，可在填充層70與金屬層90上形成一第三介電層92。具體而言，如第22圖所示，第三介電層92可覆蓋填充層70與金屬層90，但本揭露實施例並非以此為限。第三介電層92的材料與形成方法的範例可與第一介電層20或第二介電層40相同或相似，在此不多加贅述。
在此階段中，即已完成整合式微機電系統1的微機電系統裝置108。在一些實施例中，微機電系統裝置108可作為一溫度感測器(temperature sensor)，但本揭露實施例並非以此為限。
同時參照第22圖與第23圖，整合式微機電系統1可包含微機電系統裝置106與微機電系統裝置108。微機電系統裝置106與微機電系統裝置108可共用同一基板10。此外，微機電系統裝置106可作為一壓力感測器，而微機電系統裝置108可作為一溫度感測器。亦即，根據本揭露的一些實施例，可在整合式微機電系統1中同時形成至少兩種不同結構或功能的微機電系統裝置。相對地，在傳統的微機電系統中，不同的微機電系統裝置需要個別形成後，再透過另一電路板彼此整合。相較於傳統的微機電系統，透過本揭露實施例的製造方法可有效降低整合式微機電系統1的整體尺寸並簡化製程步驟。
要注意的是，空腔80的位置與形狀並非限定於第23圖所示，可依實際需求進行調整。
第24圖至第25圖是根據一些其他的實施例繪示在製造整合式微機電系統1的不同階段之剖面示意圖。舉例來說，第24圖至第25圖所示的步驟可取代第17圖至第18圖所示的步驟，但本揭露實施例並非以此為限。此外，第24圖至第25圖僅以一個微機電系統裝置表示，此微機電系統裝置可以代表微機電系統裝置106或微機電系統裝置108。
參照第24圖，透過開口62將部分犧牲層50移除以形成開口52’。在此，開口52’的頂面積並未與開口62的底面積相等。在此步驟中，將決定後續形成的凹槽結構的位置與深度，舉例來說，如第24圖所示，在本實施例中，開口52’可暴露第一介電層20的部分頂表面20T，但本揭露實施例並非以此為限。
參照第25圖，透過開口52’對第二介電層40進行一圖案化製程(例如，包含一側向蝕刻製程)以將部分第二介電層40移除並形成凹槽結構42’。接著，可接續如第19圖與第20圖的步驟，將犧牲層50(部分或完全)移除，並形成填充層70。在本實施例中，凹槽結構42’可暴露第一介電層20的部分頂表面，因此填充層70可直接接觸第一介電層20，但本揭露實施例並非以此為限。
第26圖至第29圖是根據一些其他的實施例繪示在製造整合式微機電系統1的不同階段之剖面示意圖。舉例來說，第26圖至第29圖所示的步驟可取代第21圖至第22圖所示的步驟，但本揭露實施例並非以此為限。此外，第29圖僅以一個微機電系統裝置110表示，此微機電系統裝置110可以取代第22圖所示的微機電系統裝置106或微機電系統裝置108。
參照第26圖，在一些實施例中，可將部分填充層70移除以形成開口72，開口72暴露出結構層60的部分頂表面60T。接著，可在填充層70上形成一金屬層90，金屬層90形成於開口72中。
參照第27圖，在一些實施例中，可在填充層70與金屬層90上形成一第三介電層92。具體而言，如第27圖所示，第三介電層92可覆蓋填充層70與金屬層90，但本揭露實施例並非以此為限。
參照第28圖，在一些實施例中，可將部分第三介電層92移除以形成開口94，開口94暴露出位於金屬層90的部分頂表面90T。
接著，可在第三介電層92上形成金屬層96，其中至少部分金屬層96形成於開口94中。具體而言，如第28圖所示，金屬層96可包含一第一部分96-1與一第二部分96-2，第一部分96-1電性連接於金屬層90(即，第一部分96-1可設置於開口94中並與金屬層90直接接觸)，而第二部分96-2與金屬層90電性絕緣。金屬層96的材料與形成方法的範例可與金屬層30或金屬層90相同或相似，在此不多加贅述。
參照第29圖，在一些實施例中，可在金屬層96的第二部分96-2上形成一吸濕層98，以形成微機電系統裝置110。在一些實施例中，吸濕層98的材料可包含LiCl、Se、Ge、TiO2 、ZnCr2 O4、MgCr2 O4 、Al2 O3 、環氧樹脂(epoxy)及多孔質金屬氧化膜等，但本揭露實施例並非以此為限。在一些實施例中，吸濕層98可透過一沉積製程與一圖案化製程形成於金屬層96的第二部分96-2上，但本揭露實施例並非以此為限。
在一些實施例中，微機電系統裝置110可例如為一濕度感測器(humidity sensor)，但本揭露實施例並非以此為限。在一些其他的實施例中，微機電系統裝置110可例如為一氣體感測器(gas sensor)。舉例來說，氣體感測器的感測材料可包含WO3 、SnO2 等，但本揭露實施例並非以此為限。微機電系統裝置110可以取代第22圖所示的微機電系統裝置106與微機電系統裝置108的至少其中之一，或者與此兩者並存於第22圖所示的整合式微機電系統1中。亦即，在本揭露的實施例中，整合式微機電系統1可整合具有不同感測功能的微機電系統裝置。
綜上所述，在本揭露的一些實施例中，透過在第二介電層中設置凹槽結構及在結構層中設置與凹槽結構對應的開口，可使填充層(即用於封孔的結構)連續且均勻地填充於此開口與凹槽結構中，以完成封孔。此外，藉由本揭露實施例的微機電系統裝置與其製造方法，能有效防止封孔接縫與空心結構的產生，進而提高封孔品質並提升整體的穩定性。再者，不需要繁複的製程，能有效縮短製程時間並降低成本。
再者，根據本揭露的一些實施例，可在整合式微機電系統1中同時形成至少兩種不同結構或功能的微機電系統裝置。相較於傳統的微機電系統，透過本揭露實施例的製造方法可有效降低整合式微機電系統的整體尺寸並簡化製程步驟。
以上概述數個實施例的部件，以便在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本揭露實施例的觀點。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，他們能以本揭露實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的結構並無悖離本揭露的精神與範圍，且他們能在不違背本揭露之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，雖然本揭露已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。
整份說明書對特徵、優點或類似語言的引用，並非意味可以利用本揭露實現的所有特徵和優點應該或者可以在本揭露的任何單個實施例中實現。相對地，涉及特徵和優點的語言被理解為其意味著結合實施例描述的特定特徵、優點或特性包括在本揭露的至少一個實施例中。因而，在整份說明書中對特徵和優點以及類似語言的討論可以但不一定代表相同的實施例。
再者，在一個或多個實施例中，可以任何合適的方式組合本揭露的所描述的特徵、優點和特性。根據本文的描述，相關領域的技術人員將意識到，可在沒有特定實施例的一個或多個特定特徵或優點的情況下實現本揭露。在其他情況下，在某些實施例中可辨識附加的特徵和優點，這些特徵和優點可能不存在於本揭露的所有實施例中。
1:整合式微機電系統 100,102,106,108,110:微機電系統裝置 10:基板 12:接點 20:第一介電層 20H:通孔 30:金屬層 31:第一部分 32:第二部分 40:第二介電層 40T:頂表面 42,42’,44,46:凹槽結構 42E,44E:頂端 42S,44S,46S:側壁 42TA:頂部的截面積 50:犧牲層 50R:犧牲層剩餘部分 50T:頂表面 52,52’:開口 60:結構層 60B:結構層的最底表面 60E1,60E2:端部 60T:頂表面 62:開口 62BA:底部的截面積 62TA:頂部的截面積 621,622:側壁 64:開口 70:填充層 72:開口 80:空腔 90:金屬層 90-1:第一部分 90-2:第二部分 92:第三介電層 94:開口 96:金屬層 96-1:第一部分與 96-2:第二部分 D:方向 d1,d2:距離 g:高度 θ:角度
以下將配合所附圖式詳述本揭露實施例。應注意的是，各種特徵部件並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，元件的尺寸可能經放大或縮小，以清楚地表現出本揭露實施例的技術特徵。 第1圖至第8圖是根據一些實施例繪示在製造微機電系統裝置的各個階段之剖面示意圖。 第9圖是根據另一實施例繪示凹槽結構的剖面示意圖。 第10圖是根據又一實施例繪示凹槽結構的剖面示意圖。 第11圖是根據一些實施例繪示微機電系統裝置的剖面示意圖。 第12圖至第22圖是根據一些實施例繪示在製造整合式微機電系統的各個階段之剖面示意圖。 第23圖是整合式微機電系統的部分俯視圖。 第24圖至第25圖是根據一些其他的實施例繪示在製造整合式微機電系統的不同階段之剖面示意圖。 第26圖至第29圖是根據一些其他的實施例繪示在製造整合式微機電系統的不同階段之剖面示意圖。
100:微機電系統裝置
10:基板
12:接點
20:第一介電層
30:金屬層
31:第一部分
32:第二部分
40:第二介電層
42:凹槽結構
42E:頂端
50R:犧牲層剩餘部分
60:結構層
60B:結構層的最底表面
60E1,60E2:端部
62:開口
70:填充層
80:空腔
D:方向
d1,d2:距離
g:高度

Claims (34)

  1. 一種微機電系統裝置，包括： 一基板，具有至少一接點； 一第一介電層，設置於該基板上； 至少一第一金屬層，設置於該第一介電層上，且至少部分該第一金屬層電性連接於該接點； 一第二介電層，設置於該第一介電層與該第一金屬層上並具有一凹槽結構； 一結構層，設置於該第二介電層上並具有一開口，其中該開口對應於該凹槽結構設置，且該開口之底部的截面積小於該凹槽結構之頂部的截面積；以及 一填充層，至少部分設置於該開口與該凹槽結構中， 其中該第二介電層、該結構層與該填充層界定一空腔。
  2. 如請求項1所述之微機電系統裝置，其中該開口之底部的截面積小於該開口之頂部的截面積。
  3. 如請求項2所述之微機電系統裝置，其中該填充層直接接觸該第一介電層或該第二介電層。
  4. 如請求項2所述之微機電系統裝置，更包括： 一犧牲層剩餘部分，設置於該第二介電層與結構層之間， 其中該空腔位於該第二介電層、該犧牲層剩餘部分、該結構層與該填充層之間。
  5. 如請求項4所述之微機電系統裝置，其中該結構層的該開口處在該凹槽結構中的投影具有一端部，該端部與該凹槽結構的頂端在平行於該第二介電層之頂表面的方向上的最短距離大於或等於該犧牲層剩餘部分的厚度。
  6. 如請求項2所述之微機電系統裝置，其中該第二介電層之頂表面與該凹槽結構的側壁所夾的角度介於90至150度。
  7. 如請求項2所述之微機電系統裝置，其中該凹槽結構的側壁具有一弧度。
  8. 如請求項2所述之微機電系統裝置，其中該第一金屬層包括一第一部分與一第二部分，該第一部分電性連接於該接點，該第二部分與該接點電性絕緣。
  9. 如請求項8所述之微機電系統裝置，其中該填充層直接接觸該第二部分。
  10. 如請求項1所述之微機電系統裝置，其中部分該填充層設置於該結構層上。
  11. 一種微機電系統裝置的製造方法，包括： 提供一基板，該基板具有至少一接點； 在該基板上形成一第一介電層，其中該第一介電層具有至少一通孔，該通孔暴露該接點的部分頂表面； 在該第一介電層上形成至少一金屬層，其中至少部分該金屬層電性連接於該接點； 在該第一介電層與該金屬層上形成一第二介電層，其中該第二介電層具有一凹槽結構； 在該第二介電層上與該凹槽結構中形成一犧牲層； 在該第二介電層與該犧牲層上形成一結構層； 將部分該結構層移除以形成一開口，該開口暴露出位於該凹槽結構中的該犧牲層； 將該犧牲層移除以暴露該凹槽結構，其中該開口之底部的截面積小於該凹槽結構之頂部的截面積；以及 形成一填充層，其中至少部分該填充層形成於該開口與該凹槽結構中，且該第二介電層、該結構層與該填充層界定一空腔。
  12. 如請求項11所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該開口之底部的截面積小於該開口之頂部的截面積。
  13. 如請求項12所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該填充層直接接觸該第一介電層或該第二介電層。
  14. 如請求項12所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該結構層的該開口處在該凹槽結構中的投影具有一端部，該端部與該凹槽結構的頂端在平行於該第二介電層之頂表面的方向上的最短距離大於或等於該犧牲層的厚度。
  15. 如請求項12所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該第二介電層之頂表面與該凹槽結構的側壁所夾的角度介於90至150度。
  16. 如請求項12所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該凹槽結構的側壁具有一弧度。
  17. 如請求項11所述之微機電系統裝置的製造方法，其中在形成該第二介電層的步驟中，該第二介電層的凹槽結構暴露出部分該金屬層的頂表面。
  18. 如請求項17所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該金屬層包括一第一部分與一第二部分，該第一部分電性連接於該接點，該第二部分與該接點電性絕緣。
  19. 如請求項18所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該填充層直接接觸該第二部分。
  20. 一種微機電系統裝置的製造方法，包括： 提供一基板，該基板具有至少一接點； 在該基板上形成一第一介電層，其中該第一介電層具有至少一通孔，該通孔暴露該接點的部分頂表面； 在該第一介電層上形成至少一第一金屬層，其中至少部分該第一金屬層電性連接於該接點； 在該第一介電層與該第一金屬層上形成一第二介電層； 在該第二介電層上形成一犧牲層； 在該第二介電層與該犧牲層上形成一結構層； 將部分該結構層移除以形成一第一開口，該第一開口暴露出該犧牲層的部分頂表面； 透過該第一開口將部分該犧牲層移除以形成一第二開口，該第二開口暴露出該第二介電層的部分頂表面； 透過該第二開口將部分該第二介電層移除以形成一凹槽結構；其中該第一開口之底部的截面積小於該凹槽結構之頂部的截面積； 將該犧牲層移除；以及 形成一填充層，其中至少部分該填充層形成於該第二開口與該凹槽結構中，且該第二介電層、該結構層與該填充層界定一空腔。
  21. 如請求項20所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該第一開口之底部的截面積小於該第一開口之頂部的截面積。
  22. 如請求項20所述之微機電系統裝置的製造方法，更包括： 將部分該填充層移除以形成一第三開口，該第三開口暴露出該結構層的部分頂表面；及 在該填充層上形成一第二金屬層，其中至少部分該第二金屬層形成於該第三開口中。
  23. 如請求項22所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該第二金屬層包括一第一部分與一第二部分，該第一部分與該結構層直接接觸，該第二部分與該填充層直接接觸。
  24. 如請求項22所述之微機電系統裝置的製造方法，更包括： 在該填充層與該第二金屬層上形成一第三介電層。
  25. 如請求項24所述之微機電系統裝置的製造方法，更包括： 將部分該第三介電層移除以形成一第四開口，該第四開口暴露出該第二金屬層的部分頂表面；及 在該第三介電層上形成一第三金屬層，其中至少部分該第三金屬層形成於該第四開口中。
  26. 如請求項25所述之微機電系統裝置的製造方法，其中該第三金屬層包括一第一部分與一第二部分，該第一部分電性連接於該第二金屬層，該第二部分與該第二金屬層電性絕緣。
  27. 如請求項26所述之微機電系統裝置的製造方法，更包括： 在該第二部分上形成一吸濕層。
  28. 一種整合式微機電系統，包括： 複數個如請求項1~10中任一項所述的微機電系統裝置， 其中該些微機電系統裝置共用同一基板。
  29. 如請求項28所述之整合式微機電系統，其中該些微機電系統裝置的其中之一更包括： 一第二金屬層，設置於該結構層的部分頂表面上。
  30. 如請求項29所述之整合式微機電系統，其中該第二金屬層包括一第一部分與一第二部分，該第一部分與該結構層直接接觸，該第二部分與該填充層直接接觸。
  31. 如請求項29所述之整合式微機電系統，其中該些微機電系統裝置的其中之一更包括： 一第三介電層，設置於該填充層與該第二金屬層上。
  32. 如請求項31所述之整合式微機電系統，其中該些微機電系統裝置的其中之一更包括： 一第三金屬層，其中至少部分該第三金屬層設置於該第二金屬層的部分頂表面上。
  33. 如請求項32所述之整合式微機電系統，其中該第三金屬層包括一第一部分與一第二部分，該第一部分電性連接於該第二金屬層，該第二部分與該第二金屬層電性絕緣。
  34. 如請求項32所述之整合式微機電系統，更包括： 一吸濕層，設置於該第二部分上。
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