TWI543926B - 形成與裝置基板耦合的埋入式微機電結構之方法及藉此形成之結構 - Google Patents

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Description

形成與裝置基板耦合的埋入式微機電結構之方法及藉此形成之結構
本發明係關於一種結構及其形成方法。
隨著微電子技術的進步獲得更高的性能，越來越多的感測器，如加速度計，陀螺儀和羅盤，例如，正在如手機和平板電腦中使用的應用。許多不同類型的微電子裝置/晶片，諸如互補金屬氧化物半導體(Complementary metal oxide semiconductor；CMOS)晶片，例如，也可以與這些感測器在許多計算和通訊平台上一起使用。
100‧‧‧第一基板
101‧‧‧下部
102‧‧‧固定元件
104‧‧‧可移動元件
106‧‧‧柱(柱結構)
108‧‧‧上部(基板)
109‧‧‧頂表面
110‧‧‧第一接合層
112‧‧‧間隙
114‧‧‧黏附層
120‧‧‧第二基板
121‧‧‧供體部分
122‧‧‧注入區
123‧‧‧頂表面
124‧‧‧第二接合層
126‧‧‧裝置層
128‧‧‧層轉移處理
130‧‧‧MEMS結構
200‧‧‧基板
201‧‧‧基板
202‧‧‧固定元件
204‧‧‧可移動元件
205‧‧‧犧牲共形材料
206‧‧‧柱結構
207‧‧‧開口
208‧‧‧上部
209‧‧‧頂表面
210‧‧‧第一接合層(接合層)
211‧‧‧頂表面
213‧‧‧高溫材料
214‧‧‧黏附層
220‧‧‧第二基板
221‧‧‧供體部分
222‧‧‧分離層
224‧‧‧第二接合層(接合層)
226‧‧‧裝置層
228‧‧‧層轉移處理
250‧‧‧步驟
260‧‧‧步驟
270‧‧‧步驟
280‧‧‧步驟
300‧‧‧計算系統(組件)
310‧‧‧主板
312‧‧‧第一側
314‧‧‧第二側
340‧‧‧封裝結構
400‧‧‧計算機系統(電子系統)
410‧‧‧積體電路
411‧‧‧雙積體電路(積體電路)
412‧‧‧處理器
413‧‧‧雙處理器
414‧‧‧通訊電路
415‧‧‧雙通訊電路
416‧‧‧晶片上記憶體
417‧‧‧晶片上記憶體
420‧‧‧匯流排
430‧‧‧電壓源
440‧‧‧外部記憶體
442‧‧‧主記憶體
444‧‧‧硬驅動機
446‧‧‧可卸除媒體
448‧‧‧記憶體
450‧‧‧顯示裝置
460‧‧‧音頻輸出
470‧‧‧控制器
480‧‧‧被動裝置
在本說明書結尾的申請專利範圍特別指出並清楚地申請某些實施例的專利範圍的同時，這些實施例的優點可以從本發明的以下描述與其中結合附圖閱讀時更容易地確定： 圖1a-1b表示根據不同實施例的結構的剖視圖。
圖2a-2g表示根據實施例的結構的剖視圖。
圖2 h表示根據實施例的方法的流程圖。
圖3表示根據實施例的結構的剖視圖。
圖4表示根據實施例的系統的示意圖。
【發明內容及實施方式】
在下面的詳細描述中，作出了附圖的對照，其藉由說明的方式顯示其中方法和結構可實踐的具體實施例。這些實施例被足夠詳細地描述以使本領域的技術人員能夠實施本實施例。但是應當理解的是，各種實施例中，儘管不同，但不一定是相互排斥的。例如，一個特定的特徵，結構，或本文中所描述，與一個實施例相關的特性，可以在其它實施例內而不脫離本實施例的精神和範圍來實施。此外，應當理解的是，每一個公開的實施例內的各個元件的位置或排列可以在不脫離本實施例的精神和範圍內進行修改。因此，下面詳細描述，不應被視為具有限制意義，並且本實施例的範圍僅由所附的申請專利範圍定義，以申請專利範圍所賦予的等同物，適當地解釋。在附圖中，類似的標號可以在幾個視圖中指代相同或類似的功能。
進行說明形成並利用微電子結構，例如積體微機電系統(MEMS)結構的方法和相關結構。這些方法/結構可以包括在第一基板上形成至少一個MEMS結構， 在第一基板的頂表面上形成第一接合層，然後耦合設置在第一基板與第二基板上的第一接合層，其中第二基板包括一個裝置層。接合可包括層轉移處理，其中形成一個積體MEMS裝置。本文所公開的各個實施例的積體MEMS結構啟用從晶片/裝置製造的感測器製造的解耦合。
圖1a-1b示出了形成微電子結構，如積體MEMS結構，的實施例的剖視圖。在一個實施例中，第一基板100可以包括用以形成至少一個MEMS結構的任何合適材料。在一個實施例中，第一基板100可以包括絕緣體材料上的矽，非矽材料，單晶矽材料，多晶矽材料，壓電材料和/或其它電機傳導感測材料的至少一種。基板100可以包括一個固定元件102，和一個可移動元件104。固定元件102可以藉由使用黏附層114被固定到第一基板100的下部101。
可移動元件104和固定元件102可包括MEMS裝置的部分，其中，MEMS裝置可以包括例如，感測器，微感測器，諧振器，致動器，微致動器，轉換器，陀螺儀，加速度計，和羅盤之至少一個。第一基板100根據特定的應用，可以包括任何類型的MEMS結構中的至少之一。在一般的MEMS中，技術是指由電力驅動的非常小的或小型化的機械和機電裝置。第一基板的MEMS結構可以藉由任何合適的製造處理來形成。可能存在的至少一個MEMS裝置/結構，並且在某些情況下可能有多個設置在第一基板100內的MEMS結構，雖然為了說明的 目的，一MEMS的部分描述在附圖中。
第一基板100可以進一步包括至少一個柱結構106。第一基板100的上部108可以被設置在柱106上。在一個實施例中，上部108和柱106可以包括高溫度的材料，例如，如磊晶生長的材料。在一個實施例中，柱106和上部108可以包括磊晶生長的矽材料。在一個實施例中，第一基板100的上部108可以氣密地密封第一基板100的至少一個MEMS裝置。在一個實施例中，上部108可以包圍MEMS結構130的周邊。
第一基板100可以進一步包括第一接合層110，其可以被設置在基板108的上部的頂表面109上。在一個實施例中，第一接合層110可大致設置在第一基板100的上部108的整個頂表面109。在一個實施例中，間隙112可以在第一基板100的下部101和上部108之間存在。在一個實施例中，第二基板120可以包括供體部分121，注入區122，和裝置層126，其中，裝置層126可包括任何類型的裝置，如微電子裝置/晶片和CMOS裝置/晶片。
裝置層126可以包括電路元件，如包括三向閘極的電晶體結構和奈米線電晶體結構，以及任何其他適當的電路元件。電路元件可以包括例如，用於在處理器晶片中使用的邏輯電路。金屬化層和絕緣材料可以被包括在裝置層126中，以及可耦合金屬層/互連到外部裝置的導電接觸/凸塊。在一個實施例中，凸塊可以包括銅。在一 個實施例中，第二基板120可以進一步包括第二接合層124。在一個實施例中，第二接合層124可包括可以接合到第一基板100的第一接合層110的任何類型的材料。在一個實施例中，第二接合層124可以被設置在裝置層126的整個頂表面123上。在一個實施例中，層轉移處理128，例如，其可以包括氧化到氧化物或金屬到金屬接合處理，可以採用以接合第一基板100到第二基板120，以形成積體MEMS結構130(圖1b)。在一個實施例中，第二接合層224可以直接接合到裝置層226，且裝置層226可以直接接合到第一接合層210。
在一個實施例中，積體MEMS結構/裝置130可包括接合到第二基板120的第一基板100，其中第一基板100的第一接合層110接合到第二基板120的第二接合層124。在一個實施例中，積體MEMS結構130可包括用於第一和第二基板的任何合適類型材料，並根據特定的應用可包括任何類型和數量的MEMS裝置。例如，在一個實施例中，積體MEMS結構130的第二基板的裝置層可以包括高電壓的積體電路(integrated circuit；IC)，其包括非矽材料，且第一基板100可以包括選擇感測器。在另一個實施例中，積體MEMS結構的裝置層可包括無線電(radio frequency；RF)晶片。
圖2a-2g描繪的形成積體MEMS結構的另外的實施例的剖視圖。如圖2a所示，基板200，其可以在一個實施例中的絕緣體基板200上包括矽，可以包括固定 元件202和可移動元件204。固定元件202和可移動元件204可包括至少一個MEMS結構/裝置的部分。在一個實施例中，固定元件202可以包括錨定器和或電極。在一個實施例中，固定元件202可藉由黏附層214，在某些情況下如氧化層，來固定到基板201的下部。
在一個實施例中，犧牲共形材料205可圍繞可移動元件204和基板200(圖2b)中的頂表面上而形成。該犧牲共形層205可包括介電材料，例如，如氧化物或氮化物的介電材料。該犧牲共形材料205可使用任何合適的圖案化和蝕刻技術進行圖案化和蝕刻，以形成開口207，如接觸開口207，在該犧牲共形材料205中。在一個實施例中，高溫材料213可以在開口207內形成，並且可以在犧牲共形材料205(圖2c)的頂表面上形成。
在一個實施例中，高溫材料213可以包括磊晶生長材料，例如，如包括矽的磊晶材料，並可以在介於約500至約1000攝氏度的溫度下形成/生長。在一個實施例中，高溫材料213可根據特定的應用被圖案化和蝕刻以形成所期望的特徵。該犧牲共形材料205可以使用任何合適的去除/蝕刻技術隨後從基板200去除(圖2d)。在一個實施例中，例如，該犧牲共形材料205可利用氣體HF刻蝕處理去除。在一個實施例中，可形成柱結構206和包括高溫材料的上部208。
間隙(其可以包括空氣間隙)可圍繞可移動元件204和柱結構206之間存在。柱結構206和高溫材料 的上部208可提供用於包括MEMS裝置的基板200的密封，並且可以進一步包括氣密密封。高溫材料可以圍繞第一基板的周邊，在一個實施例中包括MEMS裝置。
一種接合層210可在高溫材料的上部208的頂表面209上形成(圖2e)。接合層210可包括任何用以接合第一基板200與另一基板的合適材料，藉由利用接合處理，諸如層轉移處理。在一個實施例中，接合層210可包括介電層，如化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)的介電材料或熱生長氧化物或氮化物材料。在另一個實施例中，接合層210可以包括拋光的矽材料，或者導電材料，例如金屬。
在一個實施例中，第一基板200可以被接合到第二基板220(圖2f)。在一個實施例中，設置在第二基板220的裝置層226上的第二接合層224的頂表面可以利用層轉移處理228與第一接合層210的頂表面211接合。在一個實施例中，第二接合層224可包括能夠與第一接合層210接合的任何材料。在一個實施例中，第二接合層224可包括這樣的材料作為介電材料，例如CVD或熱生長氧化物或氮化物材料，拋光的矽材料或導電材料。第二基板220可以進一步包括一個分離層222，其可以包括離子注入層，如氫注入層，在某些情況下，其中，分離層222可以從第二基板220的供體部分221劈開/分離。
在一個實施例中，第二基板220可以利用該層轉移處理228以與第一基板200接合來層轉移，其中， 裝置層226藉由第一和第二接合層210和224之間的接合來接合到第一基板200(圖2g)。第二基板220的供體部分221可藉由在分離層222劈開供體部分221從第二基板220去除/分離。因此，可以形成積體MEMS裝置/結構230，其中，MEMS結構的形成從裝置層226製造解耦合。裝置層226可包括任何類型的裝置，例如CMOS裝置，無線電IC，高電壓IC等。
在一個實施例中，進一步圖案化和蝕刻可在積體MEMS裝置130上執行，其中導電接觸可以在第一基板200的MEMS結構的部分和第二基板220的裝置層226的部分/裝置之間形成。例如，導電接觸結構可以在電晶體，電容器和裝置層226的電阻的至少一者和第一基板200的可移動元件204之間形成。在一個實施例中，接合層210，224可以對於這樣的導電接觸結構提供隔離。在一個實施例中，積體MEMS裝置130可以進一步與額外的裝置/晶片耦合，並可包含在晶片上的系統的部分，無論是單獨或結合所耦合的額外晶片/裝置，在一些實施例中。
圖2h示出了根據另一實施例的形成一個積體MEMS結構的方法的流程圖。在步驟250中，至少一個MEMS結構可以形成在第一基板上。在步驟260，第一接合層可以形成在第一基板上。在步驟270中，第一基板上的第一接合層可耦合到第二基板的第二接合層，其中，第二基板包括一個裝置層。在步驟280中，導電接觸可在該 至少一個MEMS結構和裝置層之間形成。
在一個實施例中，在某些情況下，裝置層可以包括微電子記憶體晶片和中央處理單元晶片的一個，但是根據在其它情況下的特定應用，可以包括任何類型的合適裝置114。在一個實施例中，裝置層可以進一步被與封裝結構耦合，如有機核心封裝，和無核心，無凸塊建立層(bumpless build up layer；BBUL)封裝的結構。
在一個實施例中，裝置層可以與任何適當類型的封裝結構耦合，該封裝結構能提供微電子裝置之間的電通訊，諸如晶片和封裝結構可被耦合到的下一級部件(例如，電路板)。在另一個實施例中，裝置層可以與包括任何合適類型的封裝結構耦合，該封裝結構可提供晶片和與裝置層耦合的上積體電路(IC)封裝之間的電通訊。
在本文各圖中所描述的裝置層可包括例如，矽邏輯晶片或記憶體晶片，或任何類型的適當的微電子裝置/晶片。在一些實施例中，裝置層還可以包括多個晶片，其可以被堆疊在彼此之上，這取決於具體的實施例。在某些情況下，裝置層的晶片可以位於/附著/嵌入任一的前側，後側或封裝結構的前側和後側的某種組合之上/中。在一個實施例中，晶片可以部分地或完全地嵌入在實施例的封裝結構中。
本文所包含積體MEMS結構的各種實施例啟用裝置製造的解耦合，如CMOS製造和MEMS製造。該實施例還允許在裝置層的電路規模的持續減少，而不會影 響MEMS特徵尺寸。藉由解耦合MEMS製造，氣密密封形成被啟用，因為併入高溫磊晶密封。具有選擇感測器的高壓IC利用非矽CMOS，以及RF濾波器和RF開關的應用程式啟用，其可以操作在例如，高於約31.8GHz。慣性感測器，如加速度計和陀螺儀可以與晶片組或晶片上的系統來實現。時序諧振器啟用可埋在CMOS之下，用於低功率應用和改善系統性能的行動通訊IC中的使用。
現在轉到圖3，示出了計算系統300的一個實施例。該系統300包括多個設置在主板310或其它電路板上的部件。主板310包括第一側312和相對的第二側314，且各種部件可以被設置在第一和第二側面312，314的任一者或兩者。在圖示的實施例中，計算系統300包括設置主板的第一側312上的封裝結構340，其中，封裝結構340可包括任何本文所述的積體MEMS結構的實施例。
系統300可以包括任何類型的計算系統，諸如，例如，手持式或行動計算裝置(例如，手機，智慧型手機，行動網路裝置，音樂播放器，平板計算機，膝上型計算機，上網機計算機，等等)。然而，所公開的實施例不限於手持式和其它行動計算裝置，且這些實施例可以應用於其他類型的計算系統，諸如桌上型計算機和伺服器。
主板310可以包括任何適當類型的電路板或其他能提供一個或多個設置在板上的各種部件之間的電通訊的其它基板。在一個實施例中，例如，主板310包括印 刷電路板(printed circuit board；PCB)，其包括藉由一個介電材料層和由導電通孔互連所彼此分開的多個金屬層。一個或多個金屬層的任一者可以形成在所希望的電路圖案中以路由-可能與其他金屬層連接-耦合板310的部件之間的電信號。然而，應當理解，所公開的實施例不限於上述印刷電路板，此外，該主板310可以包括任何其他合適的基板。
除了封裝結構340，一個或多個額外的部件可設置在任主板310的一側或兩側312，314。藉由示例的方式，如圖中所示，元件301a可以被設置在主板310的第一側312，且組件301b中可以是可設置在主板的相對的側面314上。可設置於主板310上的額外的部件包括其他的IC裝置(例如，處理裝置，儲存裝置，信號處理裝置，無線通訊裝置，圖形控制器和/或驅動器，音頻處理器和/或控制器等)，電源傳輸部件(例如，電壓調節器和/或其他電源管理裝置，電源，例如電池，和/或被動裝置，例如電容器)，以及一個或多個使用者介面裝置(例如，音頻輸入裝置，音頻輸出裝置，鍵盤或其它數據輸入裝置，諸如觸摸屏顯示器和/或圖形顯示器，等等)，以及這些的任何組合和/或其它裝置。
在一個實施例中，計算系統300包括輻射屏蔽。在另一實施例中，該計算系統300包括冷卻溶液。在另一個實施例中，該計算系統300包括一個天線。在又一個實施例中，組件300可以設置在殼體或外殼內。其中主 板310被設置在殼體內，一些計算系統300的部件-例如，使用者介面裝置，諸如顯示器或鍵盤，和/或電源，例如電池-可與主板310電耦合(和/或設置在該板上的部件)，但也可以機械地與殼體耦合。
圖4是根據一個實施例的計算機系統400的示意圖。所描繪的計算機系統400(也稱為電子系統400)可以體現/包括一個封裝結構/積體MEMS結構，其包括任何一些公開的實施例及其如本發明中所闡述的等同物。計算機系統400可以是行動裝置，諸如筆記型計算機。計算機系統400可以是行動裝置，諸如無線智慧型手機。計算機系統400可以是桌上型計算機。計算機系統400可以是手持式讀取器。計算機系統400可以整合到汽車。計算機系統400可以整合到電視。
在一個實施例中，電子系統400是包括系統匯流排420以電耦合電子系統400的各種組件的計算機系統。該系統匯流排420是單匯流排或根據各種實施例的匯流排的任意組合。電子系統400包括提供電源到積體電路410的電壓源430。在一些實施例中，電壓源430透過系統匯流排420供應電流到積體電路410。
積體電路410電且，通訊地耦合到系統匯流排420，並包括任何電路，或根據一個實施例的電路的組合，包括本文中包含的各種實施例的封裝/裝置。在一個實施例中，積體電路410包括處理器412，其可以包括根據本發明的實施例的任何類型的封裝結構。如本文所使用 的，處理器412可以表示任何類型的電路，例如但不限於，微處理器，微控制器，圖形處理器，數位信號處理器，或其他處理器。在一個實施例中，處理器412包括任何本文所公開的包裝結構的實施例。在一個實施例中，SRAM的實施例被發現在處理器的記憶體的快取中。
可以被包括在積體電路410中的其他類型電路為定制電路或特定應用積體電路(application-specific integrated circuit；ASIC)，如用於在無線裝置中使用的通訊電路414，如手機，智慧型手機，呼叫器，便攜計算機，雙向無線電，和類似的電子系統。在一個實施例中，處理器412包括晶片上記憶體416，如靜態隨機存取記憶體(static random-access memory；SRAM)。在一個實施例中，處理器412包括嵌入的晶片上記憶體416，如嵌入式動態隨機存取記憶體(eDRAM)。
在一個實施例中，積體電路410是補充有後續的積體電路411。在一個實施例中，雙積體電路411包括嵌入的晶片上記憶體417，如eDRAM的。雙積體電路411包括RFIC雙處理器413和雙通訊電路415和雙晶片上記憶體417，如SRAM。雙通訊電路415可以被配置用於RF處理。
至少一個被動裝置480被耦合到隨後的積體電路411。在一個實施例中，電子系統400還包括外部記憶體440，其反過來可以包括一個或多個記憶體元件適合於特定的應用，如以RAM的形式的主記憶體442，一個 或多個硬驅動機444，和/或一個或多個驅動器，其處理可卸除媒體446，如磁碟，光碟(compact disks；CD)，數位可變光碟(digital variable disks；DVD)，快閃記憶體驅動器，和本領域已知的其他可卸除媒體。外部記憶體440也可以被嵌入記憶體448。在一個實施例中，電子系統400還包括顯示裝置450，以及音頻輸出460。在一個實施例中，電子系統400包括輸入裝置，如控制器470，其可以是鍵盤，滑鼠，觸控墊，小鍵盤，軌跡球，遊戲控制器，麥克風，語音識別裝置，或輸入資訊到電子系統400的任何其他輸入裝置。在一個實施例中，輸入裝置470包括照相機。在一個實施例中，輸入裝置470包括數位聲音記錄器。在一個實施例中，輸入裝置470包括照相機和數位聲音記錄器。
雖然前面的描述中已經規範可以在實施例的方法中使用的某些步驟和材料，本領域技術人員將會理解可以做出許多修改和替換。因此，意圖將所有這樣的修改，變更，替換和補充被認為落在由申請專利範圍所限定的實施例的精神和範圍內。此外，本文提供的附圖僅示出的示例性微電子裝置和關於實施例的實務相關的封裝結構的部分。因此，實施例不限於本文所述的結構。
100‧‧‧第一基板
101‧‧‧下部
102‧‧‧固定元件
104‧‧‧可移動元件
106‧‧‧柱(柱結構)
108‧‧‧上部(基板)
109‧‧‧頂表面
110‧‧‧第一接合層
112‧‧‧間隙
114‧‧‧黏附層
120‧‧‧第二基板
121‧‧‧供體部分
122‧‧‧注入區
123‧‧‧頂表面
124‧‧‧第二接合層
126‧‧‧裝置層
128‧‧‧層轉移處理

Claims (14)

  1. 一種結構，包含：一第一基板，包含至少一MEMS結構；其中該第一基板包含一上部和一下部，以及其中該至少一MEMS結構包括接合到該第一基板的該上部之至少一固定元件和至少一可動元件；在該第一基板的該上部上所直接設置的一第一接合層；與至少一固定元件接觸之至少一柱結構，以及其中該至少一柱結構設置在該第一基板的該上部和該第一基板的下部之間，其中該至少一柱結構和該第一基板的該上部包含用於該至少一MEMS結構的一氣密密封；以及在一第二基板的一表面上所設置的一第二接合層，其中該第二接合層設置在該第二基板的一裝置層上，以及其中該第一接合層直接接合到該第二接合層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該第一接合層包含一金屬層或一氧化物層之一者。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該至少一MEMS結構包含一諧振器，一致動器，一陀螺儀，一感測器，一加速計，一羅盤之至少一者。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該第一基板包含一單晶矽基板。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該第一基板的該上部和該至少一個柱結構包含一磊晶材料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該第二基板包含至少一微電子晶片。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該第一接合層和該第二接合層之間的該接合包含一金屬到金屬接合和一氧化物到氧化物接合之一者。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該第二基板包含一高電壓IC和一RF IC之一者。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該第一基板包含在絕緣體基板上的一矽。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含其中該MEMS結構之至少一者藉由設置在該裝置層內的個別裝置結構的部分和該MEMS結構之間的導電接觸來耦合到該裝置層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中所述第二基板更包含一CPU和一記憶體晶片之至少一者。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中所述第二基板更包含一晶片上的一系統的一部分。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包含一系統，包含：一匯流排，通訊地耦合到該結構；以及一eDRAM，通訊地耦合到該匯流排。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一接合層包含一介電材料，並且不包含一導電元件。
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