TWI396242B - 微電子裝置、微電子裝置的製造方法、微機電封裝結構及其封裝方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種微電子裝置、微電子裝置的製造方法與微機電封裝結構及其封裝方法，且特別是關於一種低生產成本之微電子裝置、微電子裝置的製造方法與微機電封裝結構及其封裝方法。
微機電系統(Micro Electromechanical System，MEMS)技術的發展開闢了一個全新的技術領域和產業，其已被廣泛地應用於各種具有電子與機械雙重特性之微電子裝置中，例如壓力感應器、加速器與微型麥克風等。
習知包括有微機電元件的微電子裝置，其通常係以CMOS製程來製作內部的半導體電路，並另外以微加工的方式製成微機電元件。然而，由於製造過程較為繁瑣且困難，因此容易造成上述微電子裝置具有較高的生產成本，而難以進行商業化應用。
因此，如何改善微電子裝置的製造方法，以簡化微電子裝置的製程，從而降低微電子裝置的生產成本實為相關領域之人員所重視的議題之一。
有鑑於此，本發明提出一種微電子裝置的製造方法，其可簡化微電子裝置的製程，從而降低微電子裝置的生產成本。
本發明還提出一種微電子裝置的製造方法，其可整合微機電元件與CMOS元件的製程，並於製程中一併完成微機電元件的封裝。
本發明又提出一種微電子裝置，以避免微機電元件的沾黏問題。
本發明更提出一種微機電封裝結構，以有效地將微機電元件氣密封裝。
本發明亦提出一種微機電結構的封裝方法，以降低封裝製程的複雜度及成本。
本發明提供一種微電子裝置的製造方法，其係先提供具有CMOS電路區與微機電區的基底，接著於基底之CMOS電路區內形成半導體元件。再接著，於基底上形成至少一層第一金屬層、多個第一接觸窗與至少一層第一氧化層。其中，第一金屬層係與第一氧化層交錯層疊，而這些第一接觸窗係位於第一氧化層內，並連接至第一金屬層。然後，在第一氧化層位於微機電區的部分上形成第一保護層。接續，於第一氧化層及第一保護層上形成多層第二金屬層、多個第二接觸窗與多層第二氧化層，以於微機電區上構成微機電結構，並於CMOS電路區上構成內連線結構。其中，這些第二金屬層係與這些第二氧化層交錯層疊，而這些第二接觸窗係位於這些第二氧化層內，並連接至相對應的第二金屬層。然後，在內連線結構上形成第二保護層，以覆蓋住內連線結構。最後，移除微機電區上的部分第二氧化層，以使微機電結構部份地懸於基底上方。
本發明還提供一種微電子裝置的製造方法，其係先提供具有CMOS電路區與微機電區的基底，接著於基底之CMOS電路區內形成半導體元件。再接著，於基底上形成多層金屬層、多個接觸窗與多層氧化層。其中，這些金屬層係與這些氧化層交錯層疊，而這些接觸窗係位於這些氧化層內，並連接至相對應的金屬層，以於CMOS電路區上構成內連線結構。而且，位在微機電區上的部分金屬層、部分接觸窗及部分氧化層係構成微機電結構。其中，位於微機電結構上方的金屬層具有多個第一開口。
承上述，在內連線結構上形成保護層，以覆蓋住內連線結構。接續，在微機電區上方形成具有多個第二開口的遮罩層，且這些第二開口係與上述第一開口交錯分佈。再來，以這些第一開口與這些第二開口為蝕刻通道移除微機電區上的部分第二氧化層，以使微機電結構部份地懸於基底上方。最後，形成封裝層覆蓋於保護層及遮罩層上。其中，封裝層係填入這些第二開口內而將微機電元件密封於這些金屬層之間。
本發明尚提供一種微電子裝置，其包括基底、半導體元件、抗金屬離子層、非摻雜氧化層以及微機電結構。其中，基底具有CMOS電路區與微機電區，半導體元件則是配置於於基底之CMOS電路區內。抗金屬離子層係配置於基底之CMOS電路區上而覆蓋半導體元件，非摻雜氧化層係配置於基底之微機電區上。微機電結構則是部份地懸於非摻雜氧化層上方。
本發明還提出一種微機電封裝結構，包括基底、微機電結構、金屬層、遮罩層及封裝層。其中，微機電結構部分地懸於基底上方，金屬層配置於微機電結構上方，並具有多個第一開口。遮罩層配置於金屬層上方，並具有多個第二開口，其中這些第二開口與這些第一開口交錯分佈。封裝層配置於遮罩層上，並填入這些第二開口而連接至金屬層。
本發明還提出一種微機電結構的封裝方法，其係先提供基底，接著在基底上形成多層金屬層、多個接觸窗與多層氧化層，以構成微機電結構。其中，位於微機電結構上方的金屬層具有多個第一開口。再接著，於金屬層上形成具有多個第二開口的遮罩層，其中這些第二開口與第一開口交錯分佈。然後，以這些第一開口與第二開口為蝕刻通道，移除部分之氧化層，以使微機電結構部分地懸於基底上方。最後，於遮罩層上形成封裝層，以填入這些第二開口內而將微機電結構密封於這些金屬層之間。
本發明係利用CMOS製程來製作微機電元件，因而可將微機電元件與CMOS電路的製作整合至同一晶片上。此外，本發明還可以利用CMOS製程完成微機電結構的封裝，以簡化微電子裝置的整體製程，進而降低微電子裝置的生產成本。另一方面，本發明之微電子裝置與微電子裝置的製造方法可解決習知微電子裝置中磷離子導致微機電元件發生沾黏現象的問題，進而改善微電子裝置的工作性能。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1A至圖1E繪示本發明之一實施例中微電子裝置於製造流程中的剖面示意圖。請參閱圖1A，首先先提供具有CMOS電路區112與微機電區114的基底11，其中基底11可以是矽基底或絕緣層上矽(silicon on insulator,SOI)基底。接著，於基底11之CMOS電路區112內形成至少一半導體元件12。詳細來說，當CMOS電路區112內形成有多個半導體元件12時，各半導體元件12係以淺溝渠絕緣結構(shallow trench insulation,STI)111相隔於彼此。
然後，請參閱圖1B，於基底11上形成至少一層氧化層15與至少一層金屬層13，並於氧化層15中形成多個接觸窗14之後，接著即在微機電區114上的氧化層15上形成保護層180。其中，保護層180的材質可以是非晶矽或碳化矽。
詳細來說，本實施例係先於基底11上形成氧化層15，接著蝕刻部分之氧化層15，以形成貫穿氧化層15的孔洞(圖未標)。再接著，將導體材料填於這些孔洞內，以形成接觸窗14，然後，在氧化層15上形成與這些接觸窗14電性連接的金屬層13。具體來說，金屬層13的材質可為鋁，接觸窗14的材質可為鎢，而氧化層15的材質可為氧化矽或其他氧化物。
請參閱圖1C，於保護層180及氧化層15上形成多層金屬層13a、多個接觸窗14a與多層氧化層15a。其中，金屬層13a係與氧化層15a交錯層疊，而接觸窗14a係位於氧化層15a內，並連接至對應之金屬層13a。這些金屬層13a、接觸窗14a與氧化層15a位於CMOS電路區112上的部分係與金屬層13、接觸窗14與氧化層15位於CMOS電路區112上的部分構成內連線結構16，而位於微機電區114上的部分金屬層13a、部分接觸窗14a與部分氧化層15a係構成微機電結構17。
承上所述，這些金屬層13a、接觸窗14a與氧化層15a的形成方法例如是重複執行與金屬層13、接觸窗14及氧化層15之製程相同的步驟，此處不再贅述。而金屬層13a、接觸窗14a與氧化層15a的材質分別與金屬層13、接觸窗14及氧化層15的材質相同或相似。
請參閱圖1D，在形成金屬層13a、接觸窗14a與氧化層15a後，接續即是在內連線結構16上形成保護層18，以覆蓋住內連線結構16。其中，保護層18的材質可包括非晶矽或碳化矽。
請參閱圖1E，在保護層18的保護下，移除微機電區114上的部分氧化層15a，以使微機電結構17部份地懸於基底11的上方，從而完成微電子裝置10的微機電元件(圖未示)的製作。詳細來說，微機電區114上的部分氧化層15a係透過蝕刻方式移除，其例如是使用氫氟酸蒸氣來蝕刻部分的氧化層15a。
特別的是，由於氧化層15上形成有保護層180，因此在完成微機電區114上之部分氧化層15a的蝕刻製程後，微機電區114上的氧化層15仍留於基底11上而未被蝕刻掉。
請參閱圖2，當形成於CMOS電路區112的半導體元件12為光感測器(photo sensor)時，為使光線可由外界穿透內連線結構16而射入半導體元件12中，本實施例之微電子裝置的製造方法還可在移除微機電區114內之氧化層15a後，將保護層18移除。
值得一提的是，移除保護層18的方法主要依照保護層18所使用之材質而定。具體來說，當保護層18的材質為非晶矽時，即可採用氟化氙氣體來蝕刻保護層18。
而且，本實施例之保護層180的材質例如是與保護層18的材質相同，以便於在移除保護層18的同時，一併將保護層180移除。值得一提的是，當保護層180與保護層18的材質均為非晶矽時，則在保護層18與保護層180的蝕刻過程中，可藉由位於保護層180下方的氧化層15作為蝕刻終止層(etching stop layer)，以避免用以蝕刻保護層180與保護層18的氟化氙氣體蝕刻至基底11。
需要注意的是，若氧化層15為摻有磷離子的氧化層，則可利用遮罩來進行保護層18的蝕刻製程，以令保護層180在蝕刻製程後仍可保留於基底11上，用以阻擋氧化層15中的磷離子擴散至氧化層15外，進而避免對微機電結構17造成沾黏(stiction)的問題。
此外，若半導體元件12為非感光元件，則形成保護層180的製程中，也可以令保護層180同時覆蓋於微機電區114與CMOS電路區112上，如圖3所示。
透過上述微電子裝置的製造方法，CMOS電路與微機電元件可整合製作於同一晶片上，以簡化微電子裝置的後續製程，進而降低微電子裝置的生產成本。
特別的是，本發明還可以利用CMOS製程完成微機電元件的封裝。以下將舉實施例說明之。
請參閱圖4A，當微機電結構17僅是由形成於基底11上的部份金屬層13、接觸窗14與氧化層15所構成，且位於微機電結構17上方的金屬層13具有多個第一開口132，則可在微機電區114上方形成具有多個第二開口134的遮罩層130。以本實施例來說，保護層18與遮罩層130係以同一製程所形成的相同膜層。如此一來，在移除微機電區114上的部分氧化層15的過程中，可以第二開口134與第一開口132為蝕刻通道來移除氧化層15。其中，這些第二開口134係與金屬層13的第一開口132交錯分佈。
更特別的是，本發明還可以一併藉由CMOS製程來完成微機電結構的封裝。請參閱圖4B，在移除微機電區114上的部分氧化層15後，還可在保護層18與遮罩層130的上方形成封裝層19。其中，封裝層19係填入第二開口134內而將微機電元件密封於金屬層13之間，以避免外界的水氣或微粒子損壞微機電元件。
特別的是，封裝層19的材質可以是二氧化矽、鋁、鎢、非晶矽或碳化矽。保護層18的材質可以是非晶矽或碳化矽。遮罩層130的材質則可為鋁、非晶矽或碳化矽。
此外，為使外界光線可穿透內連線結構16，在形成封裝層19之後，還可以將內連線結構16上方的保護層18以及封裝層19位於CMOS電路區112上的部分移除，並且在內連線結構16上形成對應至半導體元件12的微透鏡193，以製成微電子裝置20，如圖4C所示。其中，移除部分保護層18與封裝層19的方法如前文所述，係視保護層18與封裝層19的材質而定，此處不再贅述。
值得一提的是，為使微電子裝置20可提供彩色光源，本實施例例如是在形成微透鏡193之前，先在內連線結構16上形成對應至半導體元件12的濾光元件195，再將微透鏡193形成於濾光元件195上。
由上述可知，本實施例係在形成CMOS電路與微機電元件的製程中，同時完成微機電結構的封裝，以節省製程成本。但熟習此技藝者應該知道，前文所揭露之微機電結構17的封裝方法及結構，亦可單獨用於微機電元件的製程中，本發明並未將其限定於與CMOS電路同時完成。
圖5繪示本發明之一實施例中微電子裝置的部分剖面示意圖。請參照圖5，微電子裝置500包括基底11、半導體元件12、抗金屬離子層152、非摻雜之氧化層151以及微機電結構17。其中，抗金屬離子層152係配置於基底11之CMOS電路區112上，並覆蓋住半導體元件12，以防止在基底11上進行金屬膜層的成膜製程中，金屬離子擴散至基底11內而損壞半導體元件12及CMOS電路(圖未標)。詳細來說，抗金屬離子層152的材質可以是磷矽玻璃(phosphor silicate glass,PSG)。
然而，由於磷離子易導致微機電結構17發生沾黏(stiction)的問題，因此本實施例係在基底11之微機電區114上配置非摻雜之氧化層151，然後再進行其他後續製程，以於抗金屬離子層152上形成內連線結構16，並於非摻雜之氧化層151上方形成部分懸浮的微機電結構17。其中，微機電結構17與內連線結構16的詳細製程如前文所述，此處不再贅述。
由上述可知，由於本實施例之微機電結構17係部分地懸於非摻雜之氧化層151上方，因此可避免發生沾黏現象，進而可具有良好的工作性能。
綜上所述，本發明之微電子裝置的製造方法可將CMOS電路與微機電元件整合製作於同一晶片上，以簡化微電子裝置的後續製程。此外，本發明還可以利用CMOS製程完成微機電結構的封裝，以減少微電子裝置的封裝製程步驟，進而降低微電子裝置的生產成本。
另一方面，本發明之微電子裝置與微電子裝置的製造方法可解決習知微電子裝置中磷離子導致微機電元件發生沾黏現象的問題，進而改善微電子裝置的工作性能。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、20．．．微電子裝置
11．．．基底
111．．．淺溝渠絕緣結構
112．．．CMOS電路區
114．．．微機電區
12．．．半導體元件
13、13a．．．金屬層
130．．．遮罩層
132．．．第一開口
134．．．第二開口
14、14a．．．接觸窗
15、15a．．．氧化層
151．．．非摻雜之氧化層
152．．．抗金屬離子層
16．．．內連線結構
17．．．微機電結構
18、180、181．．．保護層
19．．．封裝層
193．．．微透鏡
195．．．濾光元件
圖1A至圖1E繪示本發明之一實施例中微電子裝置於製造流程中的剖面示意圖。
圖2繪示本發明另一實施例微電子裝置的部分剖面示意圖。
圖3繪示本發明另一實施例中微電子裝置的部分剖面示意圖。
圖4A至圖4C繪示本發明另一實施例中微電子裝置於製造流程中的剖面示意圖。
圖5繪示本發明另一實施例中微電子裝置的部分剖面示意圖。
11．．．基底
112．．．CMOS電路區
114．．．微機電區
13．．．金屬層
130．．．遮罩層
132．．．第一開口
134．．．第二開口
14．．．接觸窗
15．．．氧化層
16．．．內連線結構
17．．．微機電結構
19．．．封裝層
193．．．微透鏡
195．．．濾光元件
20．．．微電子裝置
Claims (12)
- 一種微電子裝置的製造方法，其包括：提供一基底，具有一CMOS電路區與一微機電區；於該基底之該CMOS電路區內形成至少一半導體元件；於該基底上形成至少一第一金屬層、多個第一接觸窗與至少一第一氧化層，其中該至少一第一金屬層係與該至少一第一氧化層交錯層疊，而該些第一接觸窗係位於該至少一第一氧化層內，並連接至該至少一第一金屬層；於該至少一第一氧化層位於該微機電區的部分上形成一第一保護層；於該至少一第一氧化層及該第一保護層上形成多層第二金屬層、多個第二接觸窗與多層第二氧化層，其中該些第二金屬層係與該些第二氧化層交錯層疊，而該些第二接觸窗係位於該些第二氧化層內，並連接至相對應之該些第二金屬層，且位於該微機電區上的部分該些第二金屬層、部分該些第二接觸窗及部分該些第二氧化層係構成一微機電結構，而該些第二金屬層、該些第二接觸窗及該些第二氧化層位於該CMOS電路區上的部分係與該至少一第一金屬層、該些第一接觸窗與該至少一第一氧化層位於該CMOS電路區上的部分構成一內連線結構；在該內連線結構上形成一第二保護層，以覆蓋住該內連線結構；以及移除該微機電區上的部分該些第二氧化層，以使該微機電結構部份地懸於該基底上方，而構成一微機電元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之微電子裝置的製造方法，其中在移除該微機電區內之該些第二氧化層後，更包括移除該第二保護層。
- 如申請專利範圍第2項所述之微電子裝置的製造方法，其中該第二保護層的材質包括非晶矽，移除該第二保護層的方法包括採用氟化氙氣體蝕刻。
- 如申請專利範圍第2項所述之微電子裝置的製造方法，其中在移除該第二保護層的步驟中，更包括同時移除該第一保護層。
- 如申請專利範圍第1項所述之微電子裝置的製造方法，其中移除該微機電區內的部分該些第二氧化層的方法包括使用氫氟酸蒸氣蝕刻。
- 如申請專利範圍第1項所述之微電子裝置的製造方法，其中該第一氧化層摻有磷離子，且在移除該第二保護層後，該第一保護層仍覆蓋於該第一氧化層位於該微機電區的部分上。
- 一種微電子裝置的製造方法，其包括：提供一基底，具有一CMOS電路區與一微機電區；於該基底之該CMOS電路區內形成至少一半導體元件；於該基底上形成多層金屬層、多個接觸窗與多層第一氧化層，其中該些金屬層係與該些氧化層交錯層疊，而該些接觸窗係位於該些氧化層內，並連接至相對應之該些金屬層，以於該CMOS電路區上構成一內連線結構，而位於該微機電區上的部分該些金屬層、部分該些接觸窗及部分該些氧化層係構成一微機電結構，且位於該微機電結構上方的該金屬層具有多個第一開口；在該內連線結構上形成一保護層，以覆蓋住該內連線結構；在該微機電區上方形成一遮罩層，該遮罩層具有多個第二開口，且該些第二開口係與該些第一開口交錯分佈；以該些第一開口與該些第二開口為蝕刻通道移除該微機電區上的部分該些氧化層，以使該微機電結構部份地懸於該基底上方，而構成一微機電元件；以及形成一封裝層覆蓋於該保護層及該遮罩層上，其中該封裝層係填入該些第二開口內而將該微機電元件密封於該些金屬層之間。
- 如申請專利範圍第7項所述之微電子裝置的製造方法，其中該遮罩層與該保護層係於同一製程中形成。
- 如申請專利範圍第7項所述之微電子裝置的製造方法，更包括移除該封裝層位於該內連線結構上的部分以及該保護層。
- 如申請專利範圍第9項所述之微電子裝置的製造方法，其中該半導體元件包括一光感測器，且在移除該封裝層位於該內連線結構上的部分以及該保護層之後，更包括在該光感測器上方的該內連線結構上形成一微透鏡。
- 如申請專利範圍第9項所述之微電子裝置的製造方法，其中該封裝層與該保護層的材質包括非晶矽，且移除該封裝層與該保護層的方法包括採用氟化氙氣體蝕刻。
- 如申請專利範圍第7項所述之微電子裝置的製造方法，其中移除該微機電區內的部分該些氧化層的方法包括使用氫氟酸蒸氣蝕刻。
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