TWI477434B - 一種多功能微機電系統元件暨多功能微機電系統與金氧半導體的整合製造方法 - Google Patents

Description

一種多功能微機電系統元件暨多功能微機電系統與金氧半導體的整合 製造方法

本發明係關於一種多功能微機電系統元件及其製造方法。特定言之，本發明係關於一種多功能微機電系統元件，以及多功能微機電系統與金氧半導體的整合製造方法。

微機電系統(micro electro mechanical system,MEMS)是一種兼具電子與機械功能的微小裝置。有別於一般的電子或是機械加工製法，MEMS裝置是將立體的微細結構例如電路(circuit)、感測器(sensor)、傳動器(actuator)、懸臂樑(cantilever)、橫樑(beam)、薄板(membrane)、微流道(channel)、孔穴(cavity)、微接頭(joint or hinge)、連桿(link)、曲柄(crank)、齒輪(gear)、齒條(rack)等以微小化技術製作於矽晶圓上，並利用電磁(electromagnetic)、電致伸縮(electrostriction)、熱電、壓電、壓阻(piezoresistive)等效應來操作，所以微機電系統在製造方法上需要藉由各種加工技術來達成。

目前微機電系統在製造方法主要採用的方式有矽製程(silicon-based)、深刻電鑄模造(LIGA)以及高分子聚合物(polymer)...等等。在加入量產成本考量之後，應用已經十分成熟的半導體製程技術來製作微機電系統，如微影、氣相沈積及蝕刻等方法，以於絕緣層或其他基材上形成，在發展上因最具潛力而最獲得業界人士的青睞。

另一方面，電感是一種利用磁場型式來儲存能量之被動元件，其具有抗拒流經電流大小產生改變之特性，常見與電容器相互搭配應用於各式無線通訊電路設計中，用來提供穩定電流、相位匹配、濾波以及諧振等功能。電感之基本結構是由一導電線圈構成，其電感值則取決於線圈之圈數、粗細、長短、半徑以及圈內填充物種類等因素。在半導體製程中，為了將電感結構整合至積體電路晶片上，目前多是利用二層金屬之佈局圖案設計以及連接於二金屬層之間之介層窗插塞來形成導線迴圈。然而，為了形成電感器，往往耗用基材許多的空間。

由於微機電系統與金氧半導體元件均可能以整合於目前的半導體技術來大量製造，此等整合微機電系統與金氧半導體元件的製程方法實為當前一熱門課題。為了形成微機電系統的零件，通常需要在基材中使用金屬製程來製作微機電系統的各項組件。當零件越多時，所佔用的空間與製造程序也會隨之變大變複雜。

因此，需要一種新穎的多功能微機電系統與整合微機電系統與金氧半導體的方法。一方面，可以使得單一微機電元件的功能多樣化，以節省晶片空間。另一方面，又可以整合兩種不同元件的製造方法，因此降低了整合半導體製程的複雜度，促使生產成本下降，同時有利於產品的市場競爭力。

本發明於是提出一種多功能微機電系統元件，以及多功能微機電系統與金氧半導體的整合製造方法。一方面，可以賦予單一微機電元件多樣化的功能，使得單一微機電元件得以產生多功性能。另一方面，又可以整合兩種不同元件的製造方法，因此降低了整合半導體製程的複雜度，促使生產成本下降，同時有利於產品的市場競爭力。

本發明首先提出一種多功能微機電系統元件。本發明所提出之多功能微機電系統元件，包含一第一懸臂、一第二懸臂以及一微機電組件。微機電組件與第一懸臂以及第二懸臂一起形成一微機電結構。其中之微機電組件還包含一電感裝置。於是本發明多功能微機電系統元件同時具有原先預定之微機電功能與電感器之功能。

本發明又提出一種多功能微機電系統與金氧半導體的整合製造方法。首先，提供一基材。基材包含一微機電系統區以及一金氧半導體區。其次，進行一金屬內連線製程。使用金屬內連線製程會在金氧半導體區中建立一金屬內連線，又於微機電系統區中建立一多功能微機電系統元件。此外，還同時使得金屬內連線以及多功能微機電系統元件分別覆蓋一絕緣材料。其中之多功能微機電系統元件包含一電感裝置。然後，對微機電系統區中之絕緣材料進行一蝕刻製程，以暴露出多功能微機電系統元件。

本發明首先提一種多功能微機電系統與金氧半導體的整合製造方法。第1-4圖例示本發明多功能微機電系統與金氧半導體的整合製造方法之一較佳實施例。首先，如第1圖所示，提供一基材100。基材100通常為一半導體材料，例如矽。基材100會包含一微機電系統區101以及一金氧半導體區102。

除此之外，基材100中還可以另外包含其他的區域或是結構。例如，邏輯區(圖未示)或是密封環區(圖未示)等。邏輯區中會用來形成所需的邏輯元件，例如金氧半導體。密封環區則可圍繞微機電系統區101，用來形成預計的密封環，即一保護結構，以保護預定的微機電系統。基材100中也可以預先建立有各式摻雜區，電晶體、電阻等元件，或是其他的材料層，例如接觸洞蝕刻停止層(contact etch stop layer,CESL)(圖未示)或是層間介電層(ILD)(圖未示)等等。

其次，如第2圖所示，進行一金屬內連線製程，而分別在微機電系統區101以及一金氧半導體區102中建立預定之結構。例如，使用金屬內連線製程在微機電系統區101中建立一多功能微機電系統元件110。另一方面，金屬內連線製程在金氧半導體區102中則建立一金屬內連線120。本發明之微機電系統元件110預定具有兩種以上之功能，因此稱為多功能微機電系統元件110。

多功能微機電系統元件110可以包含多種組成元件。例如第一懸臂111、一第二懸臂112以及一微機電組件113，而形成加速計(accelerometer)、制動器(actuator)、陀螺儀(gyroscope)、微型麥克風、感測器(sensor)與微彈簧等等各種微機電系統元件。

一方面，第一懸臂111與第二懸臂112一起支撐微機電組件113，而共同形成一微機電結構114。另一方面，依據多功能微機電系統元件110的預定功能，第一懸臂111與第二懸臂112可以為導電材料或是為彈性材料。

例如，在本發明一第一實施態樣中，如第3A圖所示，若多功能微機電系統元件110為一加速度計，微機電組件113就可以是用來測量加速度之一質量體。第一懸臂111與第二懸臂112可以為彈性材料，藉此測量質量體之加速度。此時，微機電組件113可以包含金屬或是矽化合物，例如氧化矽、氮化矽。

例如，在本發明一第二實施態樣中，如第3B圖所示，若多功能微機電系統元件110為一電容感應加速計，微機電結構114即為一電容結構。第一懸臂111與第二懸臂112共同懸吊作為電容介電用之微機電組件113。微機電組件113可以包含金屬或是矽化合物，又位於電容上電極131與電容下電極132之間，藉由其移動所產生之電容值改變而偵測加速度。

例如，在本發明一第三實施態樣中，如第3C圖所示，如果多功能微機電系統元件110為一微型麥克風，第一懸臂111與第二懸臂112可以為微型麥克風之電極，而形成一電流迴路。

值得注意的是，本發明係利用此金屬內連線製程，在形成各層金屬層間介電(MIM)層與各金屬內連線圖案層時，同時於微機電系統區101與金氧半導體區102中分別建立一多功能微機電系統元件110與金屬內連線120，並於微機電組件113中形成導線116而成為一電感裝置115。此等電感裝置115外接第一懸臂111所構成之第一電連接端117與第二懸臂112所構成之第二電連接端118。當電流由第一電連接端117與第二電連接端118間通過時，導線116即產生電感的功能。也就是說第一懸臂111電連接電感裝置115，並且第二懸臂112電連接電感裝置115。

微機電組件113中導線116可以有多種形狀，例如平面結構，或是立體結構。如果導線116是平面結構時，如第4B圖所示，可以是魚骨形。魚骨形延伸出多個鰭104，交錯排列於電容上電極131與電容下電極132之間。導線116即在鰭104中形成所需之線圈。如果導線116是立體結構時，如第4A圖所示，則可以形成多組迴圈103。視情況需要，電感裝置115可以整合於金屬內連線製程形成多層金屬內連線120的同時製成，而包含多層的金屬圖案層。為了避免微機電結構114的電流迴路與電感裝置115的電流迴路產生串 音(cross talk)的問題，第一懸臂111與第二懸臂112，以及第一電連接端117與第二電連接端118之間彼此獨立。較佳者，微機電組件113另具有一絕緣結構包覆電感裝置115。

此外，如第2圖所示，當金屬內連線製程完成時，金屬內連線120以及多功能微機電系統元件110還同時分別覆蓋一構成金屬層間介電層之絕緣材料130。執行金屬內連線製程與形成絕緣材料130的方法為本領域之技藝人士所熟知，故在此不多作贅述。

之後，即可對微機電系統區101中之絕緣材料130進行一蝕刻製程，而暴露出多功能微機電系統元件110，如第3A圖所示。較佳者，完全暴露出多功能微機電系統元件110。所暴露出之多功能微機電系統元件110可以自由/移動活動，以執行其預定之功能。

此等蝕刻製程可以視情況需要為乾蝕刻步驟及/或濕蝕刻步驟至少一次，較佳還可以交替進行之。乾蝕刻步驟可以快速的移除絕緣材料130。濕蝕刻步驟則可以突破多功能微機電系統元件110的阻擋與障礙。

綜合上述說明，本發明於是得到一種多功能微機電系統元件110。第5圖例示即本發明一種多功能微機電系統元件的一較佳實施例。本發明之多功能微機電系統元件110包含一第一懸臂111、一第二懸臂112以及微機電組件113。第一懸臂111與第二懸臂112一起支撐微機電組件113，而共同形成一微機電結構114。微機電組件113可以為加速計 (accelerometer)、制動器(actuator)、陀螺儀(gyroscope)、微型麥克風、感測器(sensor)與微彈簧等等。

依據不同之微機電組件113，第一懸臂111與第二懸臂112可以為導電材料或是為彈性材料。例如，若多功能微機電系統元件110為一加速計，微機電組件113就可以是用來測量加速度之質量體，第一懸臂111與第二懸臂112則可以為彈性材料，藉此測量質量體之加速度。此時，微機電組件113可以包含金屬或是矽化合物，例如氧化矽、氮化矽。若多功能微機電系統元件110為一電容感應加速計，微機電結構114即為一電容結構。第一懸臂111與第二懸臂112共同懸吊作為電容介電用之微機電組件113。微機電組件113可以包含金屬或是矽化合物，又位於電容上電極與電容下電極之間，藉由其移動所產生之電容值改變而偵測加速度。如果多功能微機電系統元件110為一微型麥克風，第一懸臂111與第二懸臂112可以為微型麥克風之電極，而形成一電流迴路。

微機電組件113還包含一電感裝置115。電感裝置115由位於微機電組件113中之導線116、第一懸臂111所構成之第一電連接端117與第二懸臂112所構成之第二電連接端118所組成。當電流由第一電連接端117與第二電連接端118間通過時，導線116即產生電感的功能。

微機電組件113中構成電感裝置115之導線116可以有多種形狀，例如平面結構，或是立體結構而設置於微機電 組件113的內部或表面。如果導線116是平面結構時，可以是魚骨形，如第3B/4B圖所示。魚骨形延伸出多個鰭104，交錯排列於電容上電極131與電容下電極132之間。如果導線116是立體結構時，則可以形成多組迴圈103，如第3C圖所示。

此外，為了避免微機電結構114的電流迴路與電感裝置115的電流迴路產生串音(cross talk)的問題，第一懸臂111與第二懸臂112，以及第一電連接端117與第二電連接端118之間彼此獨立，較佳者為電絕緣。例如，微機電組件113另具有一密封結構119，導線116即位於其中，因此微機電結構114與電感裝置115的功能不會彼此影響。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧基材

101‧‧‧微機電系統區

102‧‧‧金氧半導體區

103‧‧‧迴圈

110‧‧‧多功能微機電系統元件

111‧‧‧第一懸臂

112‧‧‧第二懸臂

113‧‧‧微機電組件

114‧‧‧微機電結構

115‧‧‧電感裝置

116‧‧‧導線

117‧‧‧第一電連接端

118‧‧‧第二電連接端

119‧‧‧密封結構

120‧‧‧金屬內連線

130‧‧‧絕緣材料

131‧‧‧電容上電極

132‧‧‧電容下電極

第1-4圖例示本發明多功能微機電系統與金氧半導體的整合製造方法之一較佳實施例。

第5圖例示即本發明一種多功能微機電系統元件的一較佳實施例。

100‧‧‧基材

110‧‧‧多功能微機電系統元件

111‧‧‧第一懸臂

112‧‧‧第二懸臂

113‧‧‧微機電組件

114‧‧‧微機電結構

115‧‧‧電感裝置

116‧‧‧導線

117‧‧‧第一電連接端

118‧‧‧第二電連接端

119‧‧‧密封結構

Claims (20)

1. 一種多功能微機電系統元件，包含：一第一懸臂；一第二懸臂；以及一微機電組件，與該第一懸臂以及該第二懸臂一起形成一微機電結構，其中該微機電組件包含一電感裝置，該第一懸臂電連接該電感裝置，該第二懸臂電連接該電感裝置。
2. 如請求項1之多功能微機電系統元件，其中該微機電組件選自由加速度計(accelerometer)、制動器(actuator)、陀螺儀(gyroscope)、微型麥克風、感測器(sensor)與微彈簧所組成之群組。
3. 如請求項1之多功能微機電系統元件，其中該微機電結構為一電容結構。
4. 如請求項3之多功能微機電系統元件，其中該電容結構為魚骨狀。
5. 如請求項1之多功能微機電系統元件，其中該微機電結構為一電容感應加速計。
6. 如請求項1之多功能微機電系統元件，其中該微機電組件包含一 矽化合物。
7. 如請求項1之多功能微機電系統元件，其中該第一懸臂構成一第一電連接端，該第二懸臂構成一第二電連接端。
8. 如請求項7之多功能微機電系統元件，其中該第一懸臂與該第二懸臂，以及該第一電連接端與該第二電連接端之間彼此獨立。
9. 如請求項1之多功能微機電系統元件，其中該電感裝置為一平面結構。
10. 如請求項1之多功能微機電系統元件，其中該電感裝置為一立體結構。
11. 一種多功能微機電系統與金氧半導體的整合製造方法，包含：提供一基材，具有一微機電系統區以及一金氧半導體區；進行一金屬內連線製程，於該金氧半導體區以及該微機電系統區中分別建立一金屬內連線以及一多功能微機電系統元件，同時使得該金屬內連線以及該多功能微機電系統元件分別覆蓋一絕緣材料，其中該多功能微機電系統元件包含一電感裝置、一第一懸臂、一第二懸臂以及一微機電組件，與該第一懸臂以及該第二懸臂一起構成一微機電結構，其中該第一懸臂電連接該電感裝置，該第二懸臂電連接該電感裝置；以及 對該微機電系統區中之該絕緣材料進行一蝕刻製程，以暴露出該多功能微機電系統元件。
12. 如請求項11之方法，其中該第一懸臂構成一第一電連接端，該第二懸臂構成一第二電連接端。
13. 如請求項11之方法，其中該多功能微機電系統元件選自由加速計(accelerometer)、制動器(actuator)、陀螺儀(gyroscope)、微型麥克風、感測器(sensor)與微彈簧所組成之群組。
14. 如請求項11之方法，其中該微機電結構為一電容結構。
15. 如請求項14之方法，其中該電容結構為魚骨狀。
16. 如請求項11之方法，其中該微機電組件包含一密封結構。
17. 如請求項12之方法，其中該第一懸臂與該第二懸臂，以及該第一電連接端與該第二電連接端之間彼此獨立。
18. 如請求項11之方法，其中該微機電組件包含一矽化合物。
19. 如請求項11之方法，其中該電感裝置包含一平面結構或一立體結構。
20. 如請求項11之方法，其中該金屬內連線製程形成多層金屬內連線以及該電感裝置。