TWI570942B - 壓力感測器以及其製造方法 - Google Patents

壓力感測器以及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI570942B
TWI570942B TW103121910A TW103121910A TWI570942B TW I570942 B TWI570942 B TW I570942B TW 103121910 A TW103121910 A TW 103121910A TW 103121910 A TW103121910 A TW 103121910A TW I570942 B TWI570942 B TW I570942B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
substrate
pressure sensor
cavity
manufacturing
metal layer
Prior art date
Application number
TW103121910A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201601325A (zh
Inventor
錢元晧
曾立天
Original Assignee
明銳光電股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 明銳光電股份有限公司 filed Critical 明銳光電股份有限公司
Priority to TW103121910A priority Critical patent/TWI570942B/zh
Priority to US14/596,967 priority patent/US9598275B2/en
Publication of TW201601325A publication Critical patent/TW201601325A/zh
Priority to US15/414,074 priority patent/US9809447B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI570942B publication Critical patent/TWI570942B/zh

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0035—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS
    • B81B7/0041—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS maintaining a controlled atmosphere with techniques not provided for in B81B7/0038
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C1/00238—Joining a substrate with an electronic processing unit and a substrate with a micromechanical structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00277—Processes for packaging MEMS devices for maintaining a controlled atmosphere inside of the cavity containing the MEMS
    • B81C1/00293—Processes for packaging MEMS devices for maintaining a controlled atmosphere inside of the cavity containing the MEMS maintaining a controlled atmosphere with processes not provided for in B81C1/00285
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/10—Containers; Seals characterised by the material or arrangement of seals between parts, e.g. between cap and base of the container or between leads and walls of the container
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0315—Cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0323—Grooves
    • B81B2203/033—Trenches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/01—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS
    • B81B2207/012—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS the micromechanical device and the control or processing electronics being separate parts in the same package
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/07—Interconnects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/09—Packages
    • B81B2207/091—Arrangements for connecting external electrical signals to mechanical structures inside the package
    • B81B2207/094—Feed-through, via
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/11—Treatments for avoiding stiction of elastic or moving parts of MEMS
    • B81C2201/112—Depositing an anti-stiction or passivation coating, e.g. on the elastic or moving parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0172—Seals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/07—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C2203/0785—Transfer and j oin technology, i.e. forming the electronic processing unit and the micromechanical structure on separate substrates and joining the substrates
    • B81C2203/0792—Forming interconnections between the electronic processing unit and the micromechanical structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/146—Mixed devices
    • H01L2924/1461—MEMS

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Description

壓力感測器以及其製造方法
本發明是有關一種壓力感測器以及其製造方法，特別是一種以微機電系統裝置所實現之壓力感測器以及其製造方法。
自1970年代微機電系統(microelectrical mechanical system，MEMS)裝置概念成形起，微機電系統裝置已從實驗室的探索對象進步至成為高階系統整合的對象，並已在大眾消費性裝置中有廣泛的應用，展現了驚人且穩定的成長。微機電系統裝置是藉由感測或控制可動之微機電系統元件之運動物理量可實現微機電系統裝置的各項功能。舉例而言，以微機電系統裝置所實現之壓力感測器是利用一氣密空腔與外部環境之壓力差來驅動微機電系統元件產生形變，以量測外部環境之壓力變化。因此，如何維持空腔之氣密性一直是以微機電系統裝置所實現之壓力感測器之重要課題之一。
本發明提供一種以微機電系統裝置所實現之壓力感測器以及其製造方法，其是設置一氣密環圍繞於由第一基板以及第二基板所定義之一空腔之周圍，且氣密環自包含微機電系統元件之第二基板之上表面延伸至第一基板以及第二基板之交界面並突出交界面，以維持空腔之氣密性。
本發明一實施例之壓力感測器之製造方法包含：提供一第一基板，其包含一金屬層，其中金屬層部分曝露於第一基板之一表面，以作為一第一電路、一第二電路以及一導電接點；提供一第二基板，其具有一第一表面以及一第二表面；將第二基板以第一表面朝向第一基板接合於第一基板之表面，以定義出一第一空腔以及一第二空腔，其中，第一電路設置於第一空腔以及第二電路設置於第二空腔；形成一微機電系統元件以及一參考元件於第二基板，其中微機電系統元件對應於第一電路，以及參考元件對應於第二電路；形成一貫通溝槽，其圍繞第一空腔且貫穿第二基板之第二表面以及第一基板以及第二基板之一交界面；形成一貫孔，其貫穿第二基板之第二表面以及第一基板以及第二基板之交界面，以使導電接點曝露出來；填充一填充物於貫通溝槽，以形成一第一氣密環；以及填充一導電材料於貫孔，以電性連接第二基板以及導電接點。
本發明另一實施例之壓力感測器包含一第一基板以及一第二基板。第一基板包含一金屬層，其中金屬層部分曝露於第一基板之一表面，以作為一第一電路、一第二電路以及一導電接點。第二基板具有一第一表面以及一第二表面，其中第二基板以第一表面朝向第一基板設置於第一基板之表面，並與導電接點電性連接，且第二基板包含：一微機電系統元件、一參考元件以及一第一氣密環。微機電系統元件與第一電路相對應，且與第一基板以及第二基板定義出一氣密空腔。參考元件與第二電路相對應，且與第二電路維持一固定間距。第一氣密環圍繞空腔設置，其中第一氣密環貫穿第二基板之第二表面，延伸至第一基板以及第二基板之一交界面，並突出交界面。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明之壓力感測器是以微機電系統裝置所實現。請參照圖1以及圖2，本發明之一實施例之壓力感測器1包含一第一基板11以及一第二基板12。第一基板11包含至少一金屬層。於圖1所示之實施例中，第一基板11包含金屬層111a以及111b，而最上層之金屬層111b部分曝露於第一基板11之表面。曝露出來之金屬層111b可作為一第一電路113a、一第二電路113b以及一導電接點113c。於一實施例中，第一基板11可為一互補式金氧半導體基板。
第二基板12具有一第一表面121以及一第二表面122，且第二基板12以第一表面121朝向第一基板11設置於第一基板11之表面，並與第一基板11之導電接點113c電性連接。舉例而言，第二基板12具有至少一導電貫孔123b，其貫穿第二基板12之第一表面121以及第二表面122。導電貫孔123b可透過與第二基板12之第二表面122或導電貫孔123b之側壁所形成之一歐姆接觸，使導電接點113c以及第二基板12電性連接。於一實施例中，歐姆接觸區域包含矽、鋁銅合金、氮化鈦以及鎢至少其中之一。
接續上述說明，第二基板12包含一微機電系統元件124、一參考元件125以及一第一氣密環123a。微機電系統元件124與第一基板11之第一電路113a相對應，且與第一基板11以及第二基板12定義出一氣密空腔126。空腔126內與外部環境之壓力差可造成微機電系統元件124朝向或遠離第一基板11的方向形變。微機電系統元件124與第一電路113a電性耦合，即可量測微機電系統元件124之形變量。參考元件125則與第二電路113b相對應，且與第二電路113b維持一固定間距。簡言之，參考元件125不因壓力變化而產生形變，因此，參考元件125與第二電路113b電性耦合可產生一穩定之參考訊號。於一實施例中，可藉由增加參考元件125之厚度，以避免參考元件125因外部環境之壓力變化而形變。
第一氣密環123a圍繞空腔126設置。於一實施例中，第一氣密環123a可為圓形(如圖2所示)、矩形、多角形或其它適當之形狀。第一氣密環123a貫穿第二基板12之第二表面122，並延伸至第一基板11以及第二基板12之一交界面。需注意的是，第一氣密環123a更突出第一基板11以及第二基板12之交界面。依據此結構，從空腔126延伸至外部之第一基板11以及第二基板12之交界面即被第一氣密環123a阻斷，如此即可防止第一基板11之表面或第二基板12之第一表面121不平整，或第一基板11以及第二基板12接合不良而造成在第一基板11以及第二基板12之交界面處漏氣的問題。較佳者，第一氣密環123a延伸至第一基板11之金屬層111b，並與金屬層111b連接，如此可進一步提高空腔126之氣密性。
於一實施例中，第一氣密環123a之材料可與導電貫孔123b中之導電材料(例如鎢)為相同或相異之材料。需注意者，導電貫孔123b可與第一氣密環123a整合在一起。舉例而言，第一氣密環123a為導電材質，且與第一氣密環123a接觸之金屬層111b亦為適當設計之導電接點，如此，第一氣密環123a即可作為一導電貫孔，並提供一電性連接第一基板11以及第二基板12之另一導電路徑。或者，直接將導電貫孔123b加以省略。
於圖1所示之實施例中，第一基板11包含多層金屬層111a、111b。為了降低從第一基板11之金屬層111a、111b之間漏氣的可能性，同理，可對應第一氣密環123a設置一第二氣密環118c，亦即圍繞空腔126，且第二氣密環118c連接金屬層111a以及金屬層111b，以增加第一基板11之氣密性。
請繼續參照圖1，於一實施例中，本發明之壓力感測器1更包含一第三基板13。第三基板13包括多個托腳結構131，其圍繞一凹槽區域132。第三基板13設置於第二基板12的上方，並以托腳結構131與第一基板11連接，使第二基板12容置於第三基板13之凹槽區域132。於一實施例中，第三基板13具有導電性，且托腳結構131之末端設有接墊133。第三基板13與第一基板11共晶鍵合(eutectically bonded)，使接墊133與第一基板11之接合區域113d形成一低阻抗導電接觸。舉例而言，第三基板13包含摻雜矽、具有導電電鍍之陶瓷、具有氧化錫(ITO)塗層之玻璃，及氧化鉭至少其中之一。可以理解的是，第三基板13具有一通道134連通凹槽區域132以及外部環境，以使凹槽區域132以及外部環境之壓力相等。於一實施例中，通道134是設置於托腳結構131之末端。
請參照圖3以及圖4，於一實施例中，第一基板11以及第二基板12更定義出一微通道117，其中微通道117自空腔126延伸至第一氣密環123a。因此，在製造過程中，抗沾黏材料可在形成第一氣密環123a之前經由微通道117導入空腔126，並在空腔126之內側表面形成一抗沾黏層。舉例而言，抗沾黏材料可為形成自組分子薄膜(self assembled monolayer，SAM)之材料，例如dichlordimethylsilane (DDMS)，octadecyltrichlorsilane (OTS)，perfluoroctyltrichlorsilane (PFOTCS)，perfluorodecyl-trichlorosilane (FDTS)，fluoroalkylsilane (FOTS)等。藉由空腔126內側表面之抗沾黏層可防止微機電系統元件124與第一基板11沾黏而失效。較佳者，可設置一止動凸塊115於對應於微機電系統元件124之第一基板11之表面，如此可降低微機電系統元件124與第一基板11之接觸面積，以防止微機電系統元件124與第一基板11沾黏而失效。
於圖3所示之實施例中，微通道117是設置於第一基板11側，亦即於第一基板11之表面形成一溝槽，而在第二基板12與第一基板11接合之後即可形成微通道117。於一實施例中，請參照圖5，微通道115亦可設置於第二基板12側，亦即於第二基板12之第一表面121形成一溝槽，而在第二基板12與第一基板11接合之後亦可形成微通道117。
請參照圖7，其為未接合第二基板12時之微通道之局部示意圖。於圖7所示之實施例中，微通道117具有朝水平方向(即沿第一基板以及第二基板之交界面)偏折之一彎曲部117a。如此，形成第一氣密環123a時，組成第一氣密環123a之材料容易在彎曲部117a堆積而不會污染空腔126。可以理解的是，微通道117具有朝垂直方向(即垂直第二基板之第一表面)偏折之一彎曲部亦可達到相同的作用。
請參照圖8，於一實施例中，可於微通道117內設置至少一阻體117b。阻體117b可使微通道117之內徑縮小，如此可使抗沾黏材料通過，但使得組成第一氣密環123a之材料容易在阻體117b處堆積而不會污染空腔126。於另一實施例中，請參照圖9，阻體117b亦可使微通道115之內徑在垂直方向上縮小，且僅可於微通道117之上面通過，如此，阻體117b即可攔阻填充物於阻體117b之前或阻體117b之間。
於圖1所示之實施例中，於第二基板12之第一表面121側形成一凹槽以薄化微機電系統元件124。但不限於此，凹槽124a亦可形成於第二基板12之第二表面122側以薄化微機電系統元件124，如圖6所示。於一實施例中，於第二基板12之第二表面122側亦可形成一凹槽125a，以薄化參考元件125。可以理解的是，為了避免薄化之參考元件125因外部環境之壓力變化而形變，可設置一通道125b連通參考元件125所定義之空腔127，使空腔127以及外部環境之間不存在壓力差，如此，參考元件125即不會因外部環境之壓力變化而形變。
請參照圖10a至圖10g，以說明本發明一實施例之製造圖1所示之壓力感測器之製造方法。首先，提供一第一基板11，其包含驅動電路及/或感測電路等。於第一基板11中可使用類比及/或數位電路，其通常係以特殊應用積體電路(ASIC)設計之元件實施。第一基板11亦可稱為電極基板。於本發明之一實施例中，第一基板11可為任何具有適宜機械剛性的基板，包括互補式金氧半導體(CMOS)基板、玻璃基板等。雖然這些剖面圖中僅顯示單一裝置，但可以理解的是，於單一基板上可製造多個晶粒。因此，這些圖中所示的單一裝置僅為代表，並非用以限制本發明於單一裝置之製造方法。於本說明書中將更完整的描述以晶圓級製程於一基板上製造多個晶粒或裝置。於製造裝置後，再利用切割(dicing)與切單(singulation)技術產生單獨的裝置封裝以於各種應用中使用。
如圖10a所示，於第一基板11上設置一具有預定厚度的第一介電層112a。於一實施例中，第一介電層112a可為一二氧化矽(SiO2 )層，但本發明並非必要如此，其它適合的材料之使用也應涵蓋於本發明之範疇內。舉例來說，於不同實施例中，可沈積氮化矽(Si3 N4 )或氮氧化矽(SiON)以形成第一介電層112a。另外，於另一不同實施例中，亦可沈積多晶矽材料，包括非晶多晶矽(amorphous polysilicon)，以形成第一介電層112a。任何材料具有適合特性包括可與基板形成強韌的接合、可良好地黏著於第一基板11，以及機械剛性者，都可代替Six Oy 材料。依據特定的應用，可於第一介電層112a之沈積過程中適當地使用緩衝層。
於一些實施例中，第一介電層112a之形成是透過多次沈積以及研磨步驟以形成最終層。舉例來說，可以使用高密度電漿(HDP)沈積程序形成第一介電層112a之第一部分，再使用化學機械研磨(CMP)進行研磨。由於裝置特徵之密度為一變量，其可為相對橫向位置變化，亦即沈積層並不一定會有均勻之上表面。因此，使用多步驟沉積/研磨程序可製造一平坦且均勻之表面。沈積技術之舉例包括正矽酸乙酯(TEOS)、高密度電漿(HDP)、化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、熱氧化(Thermal Oxdiation)等。此外，在有覆蓋一最終層(例如為氧化物)的情況下可使用其它的材料。
於本發明之一些實施例中，沉積第一介電層112a之程序是根據存在於基板上之結構進行。舉例而言，於第一基板11為互補式金氧半導體基板的情況下，基板上的一些電路可能會因為進行高溫沈積程序而有不良影響，因為高溫沈積程序可能會損壞金屬或造成電路之相連接面有擴散的現象。因此，本發明一特定實施例使用低溫沈積、圖案化以及蝕刻程序，例如溫度低於500°C的程序，以形成圖10a至圖10g所示之數個層。於另一特定實施例中，沈積、圖案化以及蝕刻程序係於低於450°C的情況下進行，以形成所示之各個層。形成第一介電層112a後，將其圖案化以及蝕刻，以形成多個第一互連線貫孔(interconnect via)118a。第一互連線貫孔118a提供第一基板11與後續形成於第一介電層112a上之第一金屬層111a間之電性連接，於下將有更完整之描述。
接著，於第一介電層112a之上方設置一第一金屬層111a。第一金屬層111a填滿第一互連線貫孔118a。於一些實施例中，第一互連線貫孔118a可分別以一導電材料(例如鎢)填充。於一實施例中，第一金屬層111a是以電鍍、物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)程序進行沉積。圖10a所示為第一基板11以及經過蝕刻程序後之圖案化第一金屬層111a。為了清楚說明本發明，於製程過程中並未顯示一微影程序，其中將一光阻層沉積於第一金屬層111a上，且圖案化以形成蝕刻罩幕。於微影程序中，蝕刻罩幕之尺寸可嚴格控制，且能夠以任何能抵抗用以蝕刻金屬層之蝕刻程序之合適材料形成。一特定實施例是使用氮化矽(Si3 N4 )蝕刻罩幕。雖然圖10a中所示為一維之剖面圖，但本領域中具有通常知識者應能明白金屬層中所形成的為一具有指定幾何形狀之二維圖案。於一實施例中，第一金屬層111a可包含鋁、銅、鋁-銅-矽之合金、鎢，以及氮化鈦。
接著，第一金屬層111a之上方設置了一第二介電層112b。於一些實施例中，形成第二介電層112b之程序以及第二介電層112b之成分與第一介電層112a相似。於其它實施例中，第二介電層112b使用了與第一介電層112a不同之材料以及程序。更有其它實施例中此二介電層具有相似處亦有相異處。形成第二介電層112b後，將其圖案化以及蝕刻，以形成多個第二互連線貫孔118b。第二互連線貫孔118b提供第一金屬層111a與後續形成於第二介電層112b上之第二金屬層111b間之電性連接，於下將有更完整之描述。需注意者，第二互連線貫孔118b除了作為第一金屬層111a以及第二金屬層111b之導電路徑外，亦可用於形成第二氣密環118c。
接著，於第二介電層112b上設置一第二金屬層111b。第二金屬層111b填滿第二互連線貫孔118b。於一些實施例中，第二互連線貫孔118b可分別以一導電材料(例如鎢)填充。將第二金屬層111b圖案化後可作為微機電系統裝置之電極，例如第一電路113a以及第二電路113b作為感測及/或驅動電極，或者作為與第二基板12電性連接之導電接點113c，或用於與第三基板13接合之接合區域113d。接合區域113d可包含一導電材料，其於結構上具有足夠之機械剛性以維持連接界面。於一特定實施例中，接合區域113d與第一基板11形成一低阻抗歐姆接觸。於一些實施例中，接合區域113d可包含鍺、鋁或銅。於其它實施例中，接合區域113d亦可使用其它材料，例如金、銦，以及其它提供底部黏著以及濕潤改良金屬堆疊之焊料。
請參照圖10b，於第二介電層112b上沈積一第三介電層112c。第三介電層112c之沈積程序可如同上述圖10a所示第二介電層112b之製程程序。之後，再對第三介電層112c進行圖案化，以使第二金屬層111b之第一電路113a、第二電路113b、導電接點113c以及接合區域113d等曝露出來。蝕刻程序可包含一或多個蝕刻程序，例如非等向性蝕刻、氧化物蝕刻、反應性離子蝕刻(RIE)等。於一實施例中，蝕刻程序亦可定義一或多個微機電系統元件之機械止動結構，例如圖10b所示之止動凸塊116。於一實施例中，可使用一或多個緩衝層作為蝕刻擋止層。舉例而言，第一金屬層111a中之金屬層114可防止第一介電層112a曝露出來。本領域中具有通常知識者應能辨認許多本發明之變化、修改以及置換。於一實施例中，蝕刻程序亦可定義多個籬柱117。多個籬柱117環繞接合區域113d，以防止該區域之金屬於接合過程中移入週遭區域而造成裝置故障。於一實施例中，欲製作圖3所示之壓力感測器，可於此步驟在第三介電層112c形成至少一溝槽，而在第二基板12與第一基板11接合之後，第一基板11表面上之溝槽即可形成圖3所示之微通道117。
請參照圖10c，提供一第二基板12，並於第二基板12之第一表面121形成一凹槽124a。當第二基板12與第一基板11接合時，凹槽124a可幫助減少從第一基板11來的干擾。可以理解的是，對應於參考元件125之位置亦可形成凹槽，但最終之參考元件125之厚度大於微機電系統元件124之厚度，或者應形成適當之通道以使參考元件125不因壓力變化而產生形變。需注意者，若為製作圖6所示之實施例，則可以省略此步驟，而在後續之步驟於第二基板12之第二表面122形成凹槽124a。此外，若為製作圖5所示之實施例，則需在此步驟時形成對應微通道117之溝槽於第二基板12之第一表面121。
請參照圖10d，接著將第二基板12以其第一表面121朝向第一基板11，並與第一基板11接合。第二基板12與第一基板11之接合能夠以熔接(fusion bond)、共晶鍵合(eutectic bonding)、導電共晶鍵合、銲接以及黏合至少其中之一加以實現。於一些實施例中，第二基板12能夠以異方性導電膜黏合於第一基板11。第二基板12與第一基板11接合後，即定義出一第一空腔126以及一第二空腔127，其中第一電路113a設置於第一空腔126內，第二電路113b設置於第二空腔127內。
接著，以一研磨(grinding)及/或其它薄化(thinning)程序對第二基板12進行薄化，以達成指定之厚度，如圖10e所示。於一些實施例中，薄化後之對應於微機電系統元件124之區域的剩餘厚度大約介於10μm至100μm，使微機電系統元件124能隨著壓力變化而產生形變。指定之厚度可用傳統薄化技術如化學機械研磨(CMP)及/或反應性離子蝕刻(RIE)達成。由於圖10d所示之實施例中沒有結構可作為擋止層以使薄化程序終止，薄化程序採用了精準之控制。假如沒有精準的控制，則薄化程序可能產生比指定厚度要薄或厚的第二基板12，因而影響後續所製造之微機電系統裝置之性能。於其它實施例中，將一蝕刻擋止層與第二基板12結合，以便於薄化程序之精準控制。本領域中具有通常知識者應能辨認許多本發明之變化、修改以及置換。
請參照圖10e，接著對第二基板12進行圖案化以及蝕刻，以形成貫通溝槽128a以及貫孔128b。貫通溝槽128a以及貫孔128b皆貫穿第二基板12之第一表面121以及第二表面122。較佳者，貫通溝槽128a使第一基板11之第二金屬層111b曝露出來，使後續形成之第一氣密環123a能夠與第一基板11之第二金屬層111b連接。貫孔128b則對應於導電接點113c，使導電接點113c曝露出來。可以理解的是，若欲製作圖3所示之實施例，於此一步驟所形成之貫通溝槽128a可與微通道117連通，使第一空腔126可經由貫通溝槽128a以及微通道117與外部連通，以利後續導入抗沾黏材料至第一空腔126，並在第一空腔126之內側表面形成一抗沾黏層。
請參照圖10f，接著，於貫通溝槽128a中填充一填充物即可形成第一氣密環123a；於第二貫孔128b填充一導電材料(例如鎢)即可使貫孔128b作為一導電貫孔123b，以電性連接第二基板12以及第一基板11之導電接點113c。較佳者，第一貫孔128a中之填充物可與第二貫孔128b中之導電材料相同。如前所述，形成以及填充貫通溝槽128a以及貫孔128b能夠以相同的半導體製程同時完成，因此，本發明無需設計額外之製程步驟即可形成第一氣密環123a，因此大幅簡化製程。需注意者，形成以及填充貫通溝槽128a以及貫孔128b亦能夠依據實施需求，以適當之製程分別完成。可以理解的是，若欲製作圖3所示之實施例，填充填充物於貫通溝槽128a時即同時封閉微通道117以維持第一空腔126之氣密性，因而無需其它之製程。
請參照圖10g，提供一第三基板13。於一些實施例中，第三基板13可包含摻雜矽、具有一導電塗層之陶瓷、以一導電塗層(例如氧化錫(ITO))覆蓋之玻璃，或者像氧化鉭之金屬。於第三基板13之表面設置一黏著層。黏著層可輔助第三基板13與第一基板11間之黏著。於一些實施例中，黏著層是以沉積一種晶種層(seed layer)，例如鈦/金，接著沈積一導電層(例如電鍍金)所形成。接著，對第三基板13進行圖案化以及蝕刻，以形成多個托腳結構131。蝕刻第三基板13以形成托腳結構131之程序使第三基板13中形成一凹槽區域132。保留於托腳結構131上之部分黏著層形成接墊133。凹槽區域132可包圍第二基板12。凹槽區域132之橫向尺寸是依據第三基板13所覆蓋之第二基板12之幾何結構來選擇。於一實施例中，在形成托腳結構131之過程中，可在托腳結構131之末端形成一或多個溝槽，將第三基板13以托腳結構131接合於第一基板11後，溝槽即可作為連通凹槽區域132以及外部之通道134，並製作完成圖1所示之實施例。第三基板13與第一基板11之接合步驟能夠以熔接(fusion bond)、玻璃介質鍵合(glass frit bonding)、共晶鍵合(eutectic bonding)、導電共晶鍵合、銲接以及黏合至少其中之一加以實現。於一些實施例中，接合第三基板13與第一基板11時所採用之溫度比接合第二基板12與第一基板11時所採用之溫度低，以保護微機電系統元件124。第三基板13具有導電性，可提供第二基板12電磁干擾(EMI)之遮蔽。需注意者，第三基板13為一選擇性元件，亦即缺少第三基板13的情況下，本發明之壓力感測器仍可實現其功能。
綜合上述，本發明之以微機電系統裝置所實現之壓力感測器以及其製造方法是設置一氣密環圍繞於由第一基板以及第二基板所定義之一空腔之周圍，且氣密環自包含微機電系統元件之第二基板之上表面延伸至第一基板以及第二基板之交界面並突出交界面，因此，氣密環可阻斷從空腔延伸至外部之第一基板以及第二基板之交界面，以防止第一基板11以及第二基板12之交界面處漏氣的問題，進而維持空腔之氣密性。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
1‧‧‧壓力感測器
11‧‧‧第一基板
111a‧‧‧第一金屬層
111b‧‧‧第二金屬層
112a‧‧‧第一介電層
112b‧‧‧第二介電層
112c‧‧‧第三介電層
113a‧‧‧第一電路
113b‧‧‧第二電路
113c‧‧‧導電接點
113d‧‧‧接合區域
114‧‧‧金屬層
115‧‧‧止動凸塊
116‧‧‧籬柱
117‧‧‧微通道
117a‧‧‧彎曲部
117b‧‧‧阻體
118a‧‧‧第一互連線貫孔
118b‧‧‧第二互連線貫孔
118c‧‧‧第二氣密環
12‧‧‧第二基板
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第二表面
123a‧‧‧第一氣密環
123b‧‧‧導電貫孔
124‧‧‧微機電系統元件
124a‧‧‧凹槽
125‧‧‧參考元件
125a‧‧‧凹槽
126‧‧‧空腔
127‧‧‧空腔
128a‧‧‧貫通溝槽
128b‧‧‧貫孔
13‧‧‧第三基板
131‧‧‧托腳結構
132‧‧‧凹槽區域
133‧‧‧接墊
134‧‧‧通道
圖1為一剖面示意圖，顯示本發明之第一實施例之壓力感測器。 圖2為一示意圖，顯示圖1所示實施例之壓力感測器之空腔以及氣密環之配置。 圖3為一剖面示意圖，顯示本發明之第二實施例之壓力感測器。 圖4為一示意圖，顯示圖3所示實施例之壓力感測器之空腔、氣密環以及微通道之配置。 圖5為一剖面示意圖，顯示本發明之第三實施例之壓力感測器。 圖6為一剖面示意圖，顯示本發明之第四實施例之壓力感測器。 圖7為一局部示意圖，顯示本發明一實施例之壓力感測器之微通道之結構。 圖8為一局部示意圖，顯示本發明一實施例之壓力感測器之微通道之結構。 圖9為一局部剖面示意圖，顯示本發明一實施例之壓力感測器之微通道之結構。 圖10a至圖10g為一剖面示意圖，顯示本發明一實施例之壓力感測器之製造步驟。
1‧‧‧壓力感測器
11‧‧‧第一基板
111a‧‧‧第一金屬層
111b‧‧‧第二金屬層
112a‧‧‧第一介電層
112b‧‧‧第二介電層
112c‧‧‧第三介電層
113a‧‧‧第一電路
113b‧‧‧第二電路
113c‧‧‧導電接點
113d‧‧‧接合區域
114‧‧‧金屬層
115‧‧‧止動凸塊
116‧‧‧籬柱
118c‧‧‧第二氣密環
12‧‧‧第二基板
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第二表面
123a‧‧‧第一氣密環
123b‧‧‧導電貫孔
124‧‧‧微機電系統元件
125‧‧‧參考元件
126‧‧‧空腔
127‧‧‧空腔
13‧‧‧第三基板
131‧‧‧托腳結構
132‧‧‧凹槽區域
133‧‧‧接墊
134‧‧‧通道

Claims (29)

  1. 一種壓力感測器之製造方法，包含： 提供一第一基板，其包含一金屬層，其中該金屬層部分曝露於該第一基板之一表面，以作為一第一電路、一第二電路以及一導電接點； 提供一第二基板，其具有一第一表面以及一第二表面； 將該第二基板以該第一表面朝向該第一基板接合於該第一基板之該表面，以定義出一第一空腔以及一第二空腔，其中，該第一電路設置於該第一空腔以及該第二電路設置於該第二空腔； 形成一微機電系統元件以及一參考元件於該第二基板，其中該微機電系統元件對應於該第一電路，以及該參考元件對應於該第二電路； 形成一貫通溝槽，其圍繞該第一空腔且貫穿該第二基板之該第二表面以及該第一基板以及該第二基板之一交界面； 形成一貫孔，其貫穿該第二基板之該第二表面以及該第一基板以及該第二基板之該交界面，以使該導電接點曝露出來； 填充一填充物於該貫通溝槽，以形成一第一氣密環；以及 填充一導電材料於該貫孔，以電性連接該第二基板以及該導電接點。
  2. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，其中該貫通溝槽使該第一基板之該金屬層曝露出來。
  3. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，其中形成該貫通溝槽以及形成該貫孔是同時以相同之半導體製程所完成。
  4. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，其中填充該填充物以及  填充該導電材料是同時以相同之半導體製程所完成。
  5. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，其中該第一基板包含一第二氣密環，其對應該第一氣密環設置，並連接該金屬層以及另一下層金屬層。
  6. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，更包含： 形成至少一溝槽於該第一基板之該表面或該第二基板之該第一表面，以在該第二基板以及該第一基板接合後形成至少一微通道，其中，該微通道連通該第一空腔以及該貫通溝槽；以及 在形成該貫通溝槽後，經由該微通道導入一抗沾黏材料，以在該第一空腔之內側表面形成一抗沾黏層。
  7. 如請求項6所述之壓力感測器之製造方法，其中該微通道具有朝水平或垂直方向偏折之一彎曲部。
  8. 如請求項6所述之壓力感測器之製造方法，其中該微通道具有一阻體，其用以縮小該微通道之內徑。
  9. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，更包含： 形成一凹槽於該第二基板之該第一表面側或該第二表面側，以薄化該微機電系統元件。
  10. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，更包含： 形成一止動凸塊於對應該微機電系統元件之該第一基板之該表面。
  11. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，其中該貫孔與該貫通溝槽整合在一起。
  12. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，其中該貫孔中之該導電材料與該第二基板形成一歐姆接觸，其中該歐姆接觸區域包含矽、鋁銅合金、氮化鈦以及鎢至少其中之一。
  13. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，其中該第一基板包含一互補式金氧半導體基板。
  14. 如請求項1所述之壓力感測器之製造方法，更包含： 提供一第三基板，其具有一凹槽區域以及多個托腳結構；以及 將該第三基板以該托腳結構與該第一基板之該表面連接，使該第二基板容置於該凹槽區域。
  15. 如請求項14所述之壓力感測器之製造方法，其中該第三基板具有一通道，其設置於該托腳結構之末端。
  16. 一種壓力感測器，包含： 一第一基板，其包含一金屬層，其中該金屬層部分曝露於該第一基板之一表面，以作為一第一電路、一第二電路以及一導電接點；以及 一第二基板，其具有一第一表面以及一第二表面，其中該第二基板以該第一表面朝向該第一基板設置於該第一基板之該表面，並與該導電接點電性連接，且該第二基板包含： 一微機電系統元件，其與該第一電路相對應，且與該第一基板以及該第二基板定義出一氣密空腔； 一參考元件，其與該第二電路相對應，且與該第二電路維持一固定間距；以及 一第一氣密環，其圍繞該空腔設置，其中該第一氣密環貫穿該第二基板之該第二表面，延伸至該第一基板以及該第二基板之一交界面，並突出該交界面。
  17. 如請求項16所述之壓力感測器，其中，該第一氣密環與該第一基板之該金屬層連接。
  18. 如請求項16所述之壓力感測器，其中，該第一氣密環包含一導電材料。
  19. 如請求項16所述之壓力感測器，更包含： 一第二氣密環，其對應該第一氣密環設置於該第一基板，並連接該金屬層以及另一下層金屬層。
  20. 如請求項16所述之壓力感測器，更包含： 一抗沾黏層，其設置於該空腔之內側表面，其中該空腔具有至少一延伸至該第一氣密環之微通道，且該微通道設置於該第一基板或該第二基板。
  21. 如請求項20所述之壓力感測器，其中該微通道具有朝水平或垂直方向偏折之一彎曲部。
  22. 如請求項20所述之壓力感測器，其中該微通道具有一阻體，其用以縮小該微通道之內徑。
  23. 如請求項16所述之壓力感測器，其中該微機電系統元件具有一凹槽，其設置於該第一表面側或該第二表面側。
  24. 如請求項16所述之壓力感測器，其中對應於該微機電系統元件之該第一基板之該表面具有一止動凸塊。
  25. 如請求項16所述之壓力感測器，其中該第二基板包含一導電貫孔，其貫穿該第二基板之該第一表面以及該第二表面，其中該導電貫孔透過一歐姆接觸與該導電接點以及該第二基板電性連接，且該歐姆接觸區域包含矽、鋁銅合金、氮化鈦以及鎢至少其中之一。
  26. 如請求項25所述之壓力感測器，其中該導電貫孔整合於該第一氣密環。
  27. 如請求項16所述之壓力感測器，其中該第一基板包含一互補式金氧半導體基板。
  28. 如請求項16所述之壓力感測器，更包含： 一第三基板，其具有一凹槽區域以及多個托腳結構，該第三基板設置於該第二基板上方，並以該托腳結構與該第一基板連接，使該第二基板容置於該凹槽區域。
  29. 如請求項28所述之壓力感測器，其中該第三基板具有一通道，其設置於該托腳結構之末端。
TW103121910A 2014-06-25 2014-06-25 壓力感測器以及其製造方法 TWI570942B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW103121910A TWI570942B (zh) 2014-06-25 2014-06-25 壓力感測器以及其製造方法
US14/596,967 US9598275B2 (en) 2014-06-25 2015-01-14 Pressure sensor and manufacture method thereof
US15/414,074 US9809447B2 (en) 2014-06-25 2017-01-24 Pressure sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW103121910A TWI570942B (zh) 2014-06-25 2014-06-25 壓力感測器以及其製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201601325A TW201601325A (zh) 2016-01-01
TWI570942B true TWI570942B (zh) 2017-02-11

Family

ID=54929734

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103121910A TWI570942B (zh) 2014-06-25 2014-06-25 壓力感測器以及其製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (2) US9598275B2 (zh)
TW (1) TWI570942B (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10273140B2 (en) * 2015-01-16 2019-04-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Substrate structure, semiconductor structure and method for fabricating the same
JP5980463B1 (ja) * 2015-01-23 2016-08-31 三菱電機株式会社 セラミックス基板、接合体、モジュール、およびセラミックス基板の製造方法
DE102016223203A1 (de) * 2016-11-23 2018-05-24 Robert Bosch Gmbh MEMS-Bauelement mit niederohmiger Verdrahtung und Verfahren zur Herstellung desselben
US10266399B2 (en) * 2017-08-28 2019-04-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Apparatus and method of manufacturing for combo MEMS device accommodating different working pressures
CN113603053B (zh) * 2018-01-23 2024-01-23 苏州明皜传感科技股份有限公司 微机电系统装置
US11081413B2 (en) * 2018-02-23 2021-08-03 Advanced Semiconductor Engineering, Inc. Semiconductor package with inner and outer cavities
CN110411614B (zh) 2018-04-27 2021-04-20 苏州明皜传感科技有限公司 力量传感器以及其制造方法
JP2020141001A (ja) * 2019-02-27 2020-09-03 キオクシア株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
US11784101B2 (en) * 2020-03-02 2023-10-10 Amkor Technology Singapore Holding Pte. Ltd. Semiconductor devices comprising a lid structure and methods of manufacturing semiconductor devices comprising a lid structure
CN113594149B (zh) * 2020-04-30 2024-05-10 研能科技股份有限公司 微流体致动器的异质整合芯片的制造方法
US20220178029A1 (en) * 2020-12-03 2022-06-09 Tokyo Electron Limited Deposition apparatus and deposition method

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120248615A1 (en) * 2011-03-28 2012-10-04 Miradia, Inc. Mems device and manufacturing process thereof

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9046546B2 (en) * 2012-04-27 2015-06-02 Freescale Semiconductor Inc. Sensor device and related fabrication methods

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120248615A1 (en) * 2011-03-28 2012-10-04 Miradia, Inc. Mems device and manufacturing process thereof

Also Published As

Publication number Publication date
US20170129774A1 (en) 2017-05-11
US20150375994A1 (en) 2015-12-31
TW201601325A (zh) 2016-01-01
US9809447B2 (en) 2017-11-07
US9598275B2 (en) 2017-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI570942B (zh) 壓力感測器以及其製造方法
TWI472000B (zh) 微機電系統裝置及其製造方法
US11180365B2 (en) MEMS devices and methods of forming same
TWI471259B (zh) 微機電裝置與其製造方法
US9862593B2 (en) MEMS-CMOS device that minimizes outgassing and methods of manufacture
TWI669268B (zh) 微機電系統封裝及其形成方法
KR101840925B1 (ko) 반도체 장치 및 그 제조 방법
US20160060104A1 (en) MEMS Integrated Pressure Sensor and Microphone Devices and Methods of Forming Same
TWI675444B (zh) 微機電系統裝置與微機電系統的封裝方法
US9541463B2 (en) Capacitive pressure sensors
TW201727780A (zh) 微機電系統封裝之製造方法
CN113603053A (zh) 微机电系统装置
TWI691455B (zh) 包含接觸層的互補式金屬氧化半導體-微電子機械系統（ｃｍｏｓ-ｍｅｍｓ）積體裝置和製造方法
TW201436116A (zh) 堆疊式半導體結構及成型堆疊式半導體結構之方法
TWI542019B (zh) 壓力感測器以及其製造方法
US10494252B2 (en) MEMS devices and methods of manufacturing the same
CN105486445A (zh) 压力传感器以及其制造方法
TWI693191B (zh) 用於微機電系統裝置的基底結構和製造半導體結構的方法
TWI623733B (zh) 壓力感測器以及其製造方法
KR101184612B1 (ko) 관통전극 형성방법을 이용한 멤스 구조물 및 그 제조방법
TWI699330B (zh) 微機電系統裝置及其製造方法