TWI555161B - 微機電系統結構 - Google Patents

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TWI555161B TW103123114A TW103123114A TWI555161B TW I555161 B TWI555161 B TW I555161B TW 103123114 A TW103123114 A TW 103123114A TW 103123114 A TW103123114 A TW 103123114A TW I555161 B TWI555161 B TW I555161B
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Description

微機電系統結構
本發明係關於半導體封裝系統，更特別關於微機電(MEM)系統結構。
近來積體電路技術所發展的領域為微機電系統(MEMS)結構，係以半導體技術形成機械與電子結構。舉例來說，微機電系統結構包含齒輪、槓桿、閥件、與絞鏈。微機電系統結構一般應用於加速計、壓力檢測器、致動器、鏡子、加熱器、與印表機噴頭。
本發明一實施例提供一種微機電系統結構，包含：元件基板具有微機電系統元件，且元件基板包含圍繞微機電系統元件之第一接合墊環與第二接合墊環；以及操作基板包含接合墊結構，其中接合墊結構接合至第一接合墊環與第二接合墊環。
本發明一實施例提供一種微機電系統結構，包含：元件基板具有微機電系統元件，且元件基板包含圍繞微機電系統元件的第一接合墊環與第二接合墊環，其中每一第一接合墊環與第二接合墊環包含至少一金屬材料；以及操作基板接合至第一接合墊環與第二接合墊環，其中操作基板包含至少一含半導體材料。
A1、A2‧‧‧表面積
S1、S2‧‧‧狹縫之間隔
W1、W2‧‧‧接合墊環之寬度
100‧‧‧微機電系統結構
101、103‧‧‧基板結構
102、104、402、502、602‧‧‧基板
105、405、505、605‧‧‧接合區
110、120、420、510、520、610、620‧‧‧接合墊結構
111a、111b、111c、121a、121b、121c‧‧‧接合墊環
115‧‧‧微機電系統元件
115a、115b、125a、125b、515、525‧‧‧狹縫
402a、511、611‧‧‧基板表面
422、512、522、612、622‧‧‧接合材料
423、523、623‧‧‧界面
513‧‧‧介電材料
625‧‧‧凹陷
700‧‧‧方法
710、720、730‧‧‧步驟
第1圖係本發明某些實施例中，微機電系統結構的上視圖。
第2圖係第1圖中，微機電系統結構100對應切線2-2的剖視圖。
第3A及3B圖係本發明某些實施例中，元件基板與操作基板之接合墊結構的上視圖。
第4圖係本發明某些實施例中，接合區之剖視圖。
第5圖係本發明另一實施例中，接合區之剖視圖。
第6圖係本發明某些實施例中，接合區之剖視圖。
第7圖係本發明一實施例中，製造微機電系統結構之流程圖。
第8A至8C圖係本發明某些實施例中，形成微機電系統結構的不同階段之剖視圖。
一般而言，微機電系統封裝系統具有彼此接合的元件基板與操作基板。元件基板所具有的微機電系統元件，係密封於元件基板與操作基板中。為了將微機電系統元件密封於微機電系統封裝系統中，元件基板的單一接合墊環係共熔接合至操作基板。元件基板之單一接合墊環的寬度約為60μm。為了共熔接合元件基板與操作基板之接合墊環，需採用足量的熱預算。若熱預算不足，接合墊環將無法與彼此完全反應。不完全的共熔反應會導致封裝中的微機電系統元件的密封不完全，進而使微機電系統元件故障。然而熱預算會對互補式金氧 半電晶體造成擠壓問題，比如金屬熔融及/或金屬短路。
可以理解的是，下述說明中將提供多種實例或實施例以說明本發明的不同特徵。下述構件與組合的特定實施例係用以簡化本發明。但這些特定實施例僅用以舉例而非侷限本發明。此外，下述內容的不同實施例可能採用相同標號及/或符號，但重複的標號及/或符號僅為了使說明簡單清楚，並不代表不同實施例中相同標號的單元具有相同的對應關係。此外，某一元件「位於另一元件上」、「連接至另一元件」、或「耦合至另一元件」可以是某一元件直接位於另一元件上、直接連接至另一元件、或直接耦合至另一元件，或者兩元件間隔有其他元件。空間性的相對用語如「較下方」、「較上方」、「水平」、「垂直」、「位於...其上」、「位於...其下」、「上」、「下」、「頂部」、「底部」、或類似用語可用於簡化說明某一元件與另一元件在圖示中的相對關係。可以理解的是，空間性的相對用語可延伸至以其他方向使用之元件。
第1圖係本發明某些實施例中，微機電系統結構之上視圖。在第1圖中，微機電系統結構100之接合區105圍繞微機電系統元件115。接合區105係用以密封微機電系統結構100的微機電系統元件115。在某些實施例中，接合區105包含至少一接合材料如鋁、銅、矽、鍺、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他合適的接合材料，及/或上述之組合。在某些實施例中，微機電系統元件115可為加速計、陀螺儀、光學應用的鏡子、射頻元件中的開關或共振器、旋轉撓件、平移撓件、及/或任何合適的微機電系統元件。
第2圖係第1圖中，微機電系統結構100對應切線2-2的剖視圖。在第2圖中，微機電系統結構100具有彼此接合的基板結構101與103。在某些實施例中，接合基板結構101與103的方法可為共熔接合、玻璃接合，焊料接合、或其他合適的接合製程。值得注意的是，基板結構101與103可為單一基板，或彼此接合的多個基板。
在某些實施例中，基板結構101與103可組裝以形成密封或非密封的封裝系統。在某些實施例中，基板結構101與103各自含有基板102與104。在某些實施例中，基板102稱作操作基板，而基板104稱作元件基板。元件基板104具有微機電系統元件115形成其中。
在某些實施例中，每一基板102與104包含掺雜有P型掺質或N型掺質的矽基板。在其他實施例中，基板102與104可由某些其他合適的半導體元素(比如鑽石或鍺)、合適的半導體化合物(比如碳化矽、矽化鍺、砷化銦、或磷化銦)、或合適的半導體合金(比如碳化矽鍺、磷化鎵砷、或磷化鎵銦)所組成。此外，每一基板102與104可含磊晶層。基板102與104可具有應力以改善其效能，且可包含絕緣層上矽(SOI)結構。
在某些實施例中，基板結構101與103包含至少一互補式金氧半(CMOS)積體電路、至少一微機電系統電路、至少一中介片結構、其他積體電路、及/或上述之組合。在某些實施例中，中介片結構為只含導電線路而不具有任何主動元件的基板，只作為電性連接之用。
舉例來說，基板結構101及/或103包含積體電路(未 圖示)形成其上。在某些實施例中，積體電路的形成方法為互補式金氧半技術。積體電路可為但不限於邏輯電路、類比電路、混合訊號電路、及/或任何合適的積體電路。在某些實施例中，積體電路包含內連線金屬化結構(未圖示)形成於基板102及/或104上。內連線金屬化結構可作為形成於基板102及/或104上的主動元件及/或被動元件之電性內連線。
在某些實施例中，內連線金屬化結構包含多個金屬化層。每一金屬化層包含至少一介電層。介電層可包含至少一種材料，比如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、低介電常數之介電材料、超低介電常數之介電材料、其他介電材料、或上述之組合。
在某些實施例中，內連線金屬化結構包含至少一導電線路、至少一接觸插塞、至少一通孔插塞、至少一鑲嵌結構、至少一雙鑲嵌結構、至少一接觸墊、其他導電結構、及/或上述之組合。在某些實施例中，內連線金屬化結構係由至少一材料所組成，比如鋁、銅、鎢、鈷、鉑、矽、鍺、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他合適的接合材料、及/或上述之組合。
在某些實施例中，基板結構101與103中至少一者包含接合墊結構。舉例來說，第2圖之基板結構101包含接合墊結構110。基板結構103包含接合墊結構120。接合墊結構110與120彼此接合。接合區105包含接合墊結構110與120。如第1圖所示，接合墊結構110與120圍繞微機電系統元件115。
在某些實施例中，每一接合墊結構110與120具有適於接合的接合材料。舉例來說，接合墊結構110包含至少一 半導體材料如鍺、矽、矽化鍺(SixGe1-x)、其他半導體材料、及/或上述之組合。接合墊結構120包含至少一金屬材料如鋁、銅、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他金屬材料、及/或上述之組合。在其他實施例中，每一接合墊結構110與120包含至少一金屬材料如鋁、銅、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他金屬材料、及/或上述之組合。某些實施例採用共熔接合，而用以接合接合墊結構110與120之接合材料彼此交互作用。
第3A及3B圖係本發明某些實施例中，元件基板與操作基板之接合墊結構的上視圖。在第3A圖中，接合墊結構110包含至少一凹陷，比如狹縫115a與115b。每一狹縫115a與115b連續性地延伸於接合墊結構110中，而接合墊結構110包含接合墊環111a、111b、及111c。在第3B圖中，接合墊結構120包含至少一凹陷，比如狹縫125a與125b。每一狹縫125a與125b連續性地延伸於接合墊結構120中，而接合墊結構120包含接合墊環121a、121b、及121c。接合墊環121a、121b、及121c彼此分隔，且圍繞第2圖所示之微機電系統元件115。接合墊環121a、121b、及121c各自接合至接合墊環111a、111b、及111c。
在某些實施例中，接合墊環111a、111b、及111c具有寬度W1，而接合墊環121a、121b、及121c具有寬度W2。寬度W1與W2可為約30μm或更小。在某些實施例中，狹縫115a、115b、及115c具有間隔S1，而狹縫125a、125b、及125c具有間隔S2。間隔S1及S2之尺寸可為約10μm或更小。值得注意的是與習知60μm寬之單一焊墊環相比，接合墊環111a-111c之寬度W1與接合墊環121a-121c之寬度W2較小。此外，接合焊墊環 111a-111c與121a-121c的熱預算，亦小於將習知60μm寬之單一焊墊環接合至操作基板的熱預算。熱預算越低，互補式金氧半元件區域中的金屬線路被熔化的風險也越低。值得注意的是，接合墊環寬度與狹縫間隔的尺寸僅用以舉例而非侷限本發明。在某些實施例中，這些尺寸可依需要調整，比如依技術節點調整。
值得注意的是，雖然第3A圖顯示狹縫115a與115b，而第3B圖顯示狹縫125a與125b，本發明並不侷限於圖示之結構。在某些實施例中，每一接合墊結構110與120之至少一凹陷，包含單一狹縫。在其他實施例中，至少一凹陷包含超過兩個狹縫。必需注意的是在某些實施例中，狹縫115a、115b、125a及/或125b並未連續性地延伸圍繞微機電系統元件115。仍需注意的是，至少一凹陷並不限於狹縫。在某些實施例中，至少一凹陷包含至少一圓形凹陷、卵形凹陷、方形凹陷、矩形凹陷、其他形狀的凹陷、及/或上述之組合。
第4圖係本發明某些實施例中，接合區之剖視圖。第4圖與第2圖重複的單元，其標號比第2圖中的標號多300。在第4圖中，接合區405之接合墊結構420接合至基板402。在某些實施例中，基板402包含至少一半導體材料如鍺、矽、矽化鍺(SixGe1-x)、其他半導體材料、及/或上述之組合。接合墊結構420包含接合材料422。在某些實施例中，接合材料422係由至少一金屬材料組成，比如鋁、銅、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他金屬材料、及/或上述之組合。在第4圖中，基板402之表面402a與接合墊結構420與基板402之間的界面423實質上等高。
第5圖係本發明中某些實施例中，另一接合區之剖視圖。第5圖與第2圖重複的單元，其標號比第2圖中的標號多400。在第5圖中，接合區505之接合墊結構510與520彼此接合。在某些實施例中，接合墊結構510與520各自包含至少一凹陷，比如狹縫515與525。在某些實施例中，狹縫515與525實質上彼此對準，且圍繞微機電系統元件。接合墊結構510與520的至少一凹陷，可分別與第3A及3B圖中接合墊結構110與120的至少一凹陷相同。
在某些實施例中，接合墊結構510包含接合材料512於介電材料513上。介電材料513可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、氮化矽碳、低介電常數之介電材料、超低介電常數之介電材料、其他介電材料、及/或上述之組合。在某些實施例中，接合材料512包含至少一金屬材料，比如鋁、銅、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他金屬材料、或上述之組合。
如第5圖所示，某些實施例之接合墊結構520包含接合材料522。接合材料522包含至少一金屬材料，比如鋁、銅、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他金屬材料、及/或上述之組合。在第5圖中，接合墊結構510與520之間的界面523，與基板502之表面511不等高。在某些實施例中，接合墊結構510與520彼此接合，且兩者之表面積實質上相同。
第6圖係本發明中某些實施例中，接合區之剖視圖。第6圖與第2圖重複的單元，其標號比第2圖中的標號多500。在第6圖中，接合區605之接合墊結構610與620彼此接合。
在某些實施例中，接合墊結構610與620各自包含接合材料612與622。接合材料612位於基板602上。接合材料622係位於接合墊結構620的凹陷625中，並沿著凹陷625之側牆連續性地延伸。在某些實施例中，接合材料622係位於凹陷625中，但未沿著凹陷625之側牆連續性地延伸。在其他實施例中，接合材料622並未位於凹陷625中。
在某些實施例中，每一接合材料612與622包含至少一金屬材料，比如鋁、銅、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他金屬材料、及/或上述之組合。在第6圖中，接合墊結構610與620之間的界面623，與基板602之表面611不等高。在某些實施例中，界面623低於基板602之表面611。
如第6圖所示，接合墊結構610與620各自具有表面積A1與A2以進行接合。在某些實施例中，表面積A2小於表面積A1。值得注意的是，雖然圖示中的表面積A1不同於A2，但本發明不限於此。在某些實施例中，表面積A1與表面積A2實質上相同。在其他實施例中，表面積A1小於表面積A2。
下述說明係關於第1圖所述之微機電系統結構的形成方法。值得注意的是，下述方法僅為舉例而非侷限本發明。
第7圖係形成微機電系統結構之方法700的流程圖。第8A至8C圖係根據方法700形成微機電系統結構的不同階段剖視圖。可以理解的是，在方法700前、中、或後可插入額外步驟，且此方法的額外實施例可置換或省略下述某些步驟。可以理解的是，微機電系統結構100可具有額外結構，且微機電系統結構100的額外實施例可置換或省略下述某些結構。方 法700與對應的微機電系統結構100僅用以舉例而非侷限本發明。
如第7圖所示，步驟710提供第一基板，比如第8A圖所示之基板104。值得注意的是，基板104可為半導體基板，包含半導體元素如矽及/或鍺；半導體化合物如碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、及/或銻化銦；半導體合金如矽化鍺、磷砷化鎵、砷化鋁銦、砷化鋁鎵、砷化鎵銦、磷化鎵銦、及/或磷砷化鎵銦；或上述之組合。半導體合金基板可具有組成漸變式之矽鍺結構，其矽與鍺之比例隨著位置不同而改變。矽化鍺可形成於矽基板上。矽鍺基板可具有應力。此外，基板可為絕緣層上矽(SOI)。在某些實施例中，基板104具有掺雜的磊晶層。在其他實施例中，基板104為多層的半導體化合物結構。在其他實施例中，基板104為非半導體材料，比如玻璃、熔融石英、或氟化鈣。在此實施例中，基板104包含矽。
在某些實施例中，基板104包含積體電路或部份的積體電路，比如記憶單元、類比電路、邏輯電路、及/或混合訊號電路(未圖示)。基板104可含被動構件如電阻、電容、電感、及/或熔絲；主動構件如P型通道場效電晶體(PFET)、N型通道場效電晶體(NFET)、金氧半場效電晶體(MOSFET)、互補式金氧半電晶體(CMOS)、高電壓電晶體、及/或高頻電晶體；其他合適構件；及/或上述之組合。在一實施例中，基板104包含一或多個互補式金氧半元元件，比如N型金氧半電晶體及/或P型金氧半電晶體。在某些實施例中，基板104包含電路與電晶體結合，比如內連線層(如金屬線路與通孔)與層間介電層(ILD)。 在某些實施例中，基板104亦包含隔離結構及/或其他單元與積體電路結合。
如第7圖所示，步驟720將第二基板接合至第一基板。以第8A圖為例，基板106係接合至基板104。在某些實施例中，基板106之材料與104之前述材料相同。在某些實施例中，基板106包含部份或全部的微機電系統元件115。可以理解的是，微機電系統元件115之形成步驟，可早於或晚於將基板106接合至基板104之步驟。在某些實施例中，微機電系統元件115包含多個單元，係由金屬、多晶矽、介電材料、及/或其他已知材料所組成。微機電系統元件115可包含一般應用於習知互補式金氧半製程的材料。微機電系統元件115可具有多種可能的構形，端視所需的功能而定。上述的一或多個單元可用以提供微機電系統的機械結構。微機電系統的機械結構含有可操作的結構或單元，以造成機械移動的效果。微機電系統元件115之形成方法可為一般的互補式金氧半製程，比如微影、蝕刻製程(濕蝕刻、乾蝕刻、或電漿蝕刻)、沉積製程、電鍍製程、及/或其他合適製程。在一實施例中，微機電系統元件115包含動作感測器(比如陀螺儀、加速計、或類似物)、射頻微機電系統元件(比如射頻開關、濾波器、或類似物)、共振器、微機電系統麥克風、或其他微機電系統類元件。
在某些實施例中，接合基板104與105的方法可為任何合適方法，比如熔合接合製程或共熔接合製程。舉例來說，熔合接合製程先讓基板104與106接觸，使基板104與106藉由原子吸引力(比如凡得瓦力)結合。接著回火基板104與106， 使基板104與106之間形成固態接合。回火製程的溫度可為任何合適溫度，比如介於約200℃至約350℃之間。熔合接合製程可為SiO2/Si接合、Si/Si接合、及/或其他合適接合。在某些實施例中，氧化物可為高密度電漿(HDP)氧化物、四乙氧矽酸鹽(TEOS)氧化物、或電漿增強式四乙氧矽酸鹽(PETEOS)氧化物。
在某些實施例中，共熔接合製程適用於接合溫度邊界條件下的任何合金。舉例來說，共熔接合製程包含金屬/金屬接合及/或金屬/半導體接合，比如Ge/Al接合、Ge/Au接合、Si/Au接合、Si/Al接合、及/或其他合適接合。若接合製程與含有互補式金氧半元件的基板相關，則接合溫度需控制於近似或小於互補式金氧半元件溫度限制。共熔接合製程可操作於高壓及任何合適溫度下，比如介於約400℃至450℃之間。
如第7圖所示，步驟730將第三基板接合至第二基板。舉例來說，提供基板結構101如第8B圖所示。值得注意的是，基板結構101包含接合墊結構110於基板102上。基板102可與前述之基板104相同。基板102經由接合墊結構110接合至基板106。在某些實施例中，接合墊結構110含有適於接合之接合材料。舉例來說，接合墊結構110包含至少一半導體材料，比如鍺、矽、矽化鍺(SixGe1-x)、其他半導體材料、及/或上述之組合。在某些實施例中，接合墊結構110包含至少一金屬材料，比如鋁、銅、鈦、鉭、金、鎳、錫、其他金屬材料、及/或上述之組合。
在某些實施例中，基板結構101與103彼此共熔接合。在某些實施例中，共熔接合適用於接合溫度邊界條件下的 任何合金。舉例來說，共熔接合製程包含金屬/金屬接合及/或金屬/半導體接合，比如Ge/Al接合、Ge/Au接合、Si/Au接合、Si/Al接合、及/或其他合適接合。若接合製程與含有互補式金氧半元件的基板相關，則接合溫度需控制於近似或小於互補式金氧半元件溫度限制。共熔接合製程可操作於高壓及任何合適溫度下，比如介於約400℃至450℃之間。
在第一實施例中，微機電系統結構包含第一基板結構，且第一接板包含接合墊結構。且接合墊結構具有至少一凹陷於其中。第二基板結構接合至第一基板結構的接合墊結構。
在第二實施例中，微機電系統結構包含元件基板，且件基板具有微機電系統元件。元件基板包含圍繞該微機電系統元件之第一接合墊環與第二接合墊環。操作基板包含接合墊結構。接合墊結構接合至第一接合墊環與第二接合墊環。
在第三實施例中，微機電系統結構包含元件基板，且件基板具有微機電系統元件。元件基板包含圍繞微機電系統元件的第一接合墊環與第二接合墊環。每一第一接合墊環與第二接合墊環包含至少一金屬材料。操作基板接合至第一接合墊環與第二接合墊環。操作基板包含至少一含半導體材料。
雖然本發明已以數個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，當可作任意之更動與潤飾，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。
502‧‧‧基板
505‧‧‧接合區
510、520‧‧‧接合墊結構
515、525‧‧‧狹縫
511‧‧‧基板表面
512、522‧‧‧接合材料
523‧‧‧界面
513‧‧‧介電材料

Claims (8)

  1. 一種微機電系統結構，包含：一元件基板具有一微機電系統元件，且該元件基板包含圍繞該微機電系統元件之一第一接合墊環與一第二接合墊環；以及一操作基板包含一接合墊結構，其中該接合墊結構接合至該第一接合墊環與該第二接合墊環，其中該元件基板更包含圍繞該微機電系統元件的一第三接合墊環，且該第三接合墊環與該第一接合墊環及該第二接合墊環分開。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統結構，其中該第一接合墊環與該第二接合墊環分隔。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統結構，其中該操作基板之表面，與該接合墊結構及該第一接合墊環之界面實質上等高。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統結構，其中該操作基板之表面，與該接合墊結構及該第一接合墊環之界面不等高。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統結構，更包含一接合材料由該第一接合墊環順應性地延伸至該第二接合墊環。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統結構，其中該接合墊結構具有至少一凹陷於其中，該至少一凹陷順應性地延伸於該接合墊結構中，使該接合墊結構所具有之一第四接合墊環與一第五接合墊環彼此隔有該至少一凹陷。
  7. 一種微機電系統結構，包含：一元件基板具有一微機電系統元件，且該元件基板包含圍繞該微機電系統元件的一第一接合墊環與一第二接合墊環，其中每一該第一接合墊環與該第二接合墊環包含至少一金屬材料；以及一操作基板接合至該第一接合墊環與該第二接合墊環，其中該操作基板包含至少一含半導體材料，其中該元件基板更包含圍繞該微機電系統元件的一第三接合墊環，且該第三接合墊環與該第一接合墊環與該第二接合墊環分開。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之微機電系統結構，其中該操作基板之表面，與該操作基板及該第一接合墊環之間的界面實質上等高。
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