TWM648908U - 微機電裝置 - Google Patents

Abstract

一種微機電裝置，包含具有空腔的基板，第一電極層設置於空腔上，與基板隔開第一間隙，第二電極層設置於第一電極層上，與第一電極層隔開第二間隙，以及導通孔錨定結構，配置為連接第二電極層、第一電極層和基板，其中導通孔錨定結構的側壁具有階梯形狀。

Description

微機電裝置

本揭露係關於微機電(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術，特別是具有側壁結構加強件的微機電裝置。

微機電(MEMS)裝置是利用半導體技術，在晶圓上製造出整合機械組件和電性組件的微型裝置，以感測物理量和/或與周圍環境交互作用。近年來，微機電裝置已經廣泛地應用於各種電子產品中，舉例而言，微機電裝置可作為MEMS麥克風、加速度感測器等，用於例如智慧型電話、平板電腦、膝上型電腦等電子產品。

MEMS麥克風通常具有隔膜和背板，隔膜可感受外界訊號例如聲波而發生振動，進而與背板之間產生電容量改變，藉此將外界訊號轉換為電性訊號。然而，習知的MEMS麥克風之隔膜和背板仍無法在各方面皆完全滿足要求，導致產品使用壽命縮減、可靠度降低或失效。

有鑑於此，本揭露的實施例提供具有側壁結構加強件(sidewall structure reinforcement)的微機電(MEMS)裝置及其製造方法，MEMS裝置例如為聲波感測器(acoustic sensor)，其包含導通孔錨定(via anchor)結構，以連接第一電極層(例如隔膜)、第二電極層(例如背板)和基板，導通孔錨定結構可作為隔膜和背板的邊界處之側壁結構加強件，以提高MEMS裝置的機械強度，進而改善使用壽命和可靠度。

根據本揭露的一實施例，提供了一種微機電(MEMS)裝置，包括基板、第一電極層、第二電極層、以及導通孔錨定結構。基板具有空腔，第一電極層設置於空腔上，與基板隔開第一間隙，第二電極層設置於第一電極層上，與第一電極層隔開第二間隙，導通孔錨定結構配置為連接第二電極層、第一電極層和基板，其中導通孔錨定結構的側壁具有階梯形狀。

本揭露提供了數個不同的實施例，可用於實現本揭露的不同特徵。為簡化說明起見，本揭露也同時描述了特定構件與佈置的範例。提供這些實施例的目的僅在於示意，而非予以任何限制。舉例而言，下文中針對「第一特徵形成在第二特徵上或上方」的敘述，其可以是指「第一特徵與第二特徵直接接觸」，也可以是指「第一特徵與第二特徵間另存在有其他特徵」，致使第一特徵與第二特徵並不直接接觸。此外，本揭露中的各種實施例可能使用重複的參考符號和/或文字註記。使用這些重複的參考符號與註記是為了使敘述更簡潔和明確，而非用以指示不同的實施例及/或配置之間的關聯性。

另外，針對本揭露中所提及的空間相關的敘述詞彙，例如：「在...之下」，「低」，「下」，「上方」，「之上」，「上」，「頂」，「底」和類似詞彙時，為便於敘述，其用法均在於描述圖式中一個元件或特徵與另一個（或多個）元件或特徵的相對關係。除了圖式中所顯示的擺向外，這些空間相關詞彙也用來描述微機電裝置在使用中以及操作時的可能擺向。隨著微機電裝置的擺向的不同（旋轉90度或其它方位），用以描述其擺向的空間相關敘述亦應透過類似的方式予以解釋。

雖然本揭露使用第一、第二、第三等等用詞，以敘述種種元件、部件、區域、層、及/或區塊(section)，但應了解此等元件、部件、區域、層、及/或區塊不應被此等用詞所限制。此等用詞僅是用以區分某一元件、部件、區域、層、及/或區塊與另一個元件、部件、區域、層、及/或區塊，其本身並不意含及代表該元件有任何之前的序數，也不代表某一元件與另一元件的排列順序、或是製造方法上的順序。因此，在不背離本揭露之具體實施例之範疇下，下列所討論之第一元件、部件、區域、層、或區塊亦可以第二元件、部件、區域、層、或區塊之詞稱之。

雖然下文係藉由具體實施例以描述本揭露的新型，然而本揭露的新型原理亦可應用至其他的實施例。此外，為了不致使本新型之精神晦澀難懂，特定的細節會被予以省略，該些被省略的細節係屬於所屬技術領域中具有通常知識者的知識範圍。

本揭露係關於微機電(MEMS)裝置及其製造方法，MEMS裝置包含具有側壁結構加強件的聲波感測器。根據本揭露的實施例，MEMS裝置包含導通孔錨定結構，其配置為連接第二電極層、第一電極層和基板，且導通孔錨定結構的側壁具有階梯形狀。導通孔錨定結構可作為MEMS裝置的第一電極層和第二電極層的邊界處之側壁結構加強件，以提高MEMS裝置的機械強度，進而提昇其使用壽命和可靠度。

第1圖繪示本揭露的一實施例之微機電(MEMS)裝置的剖面示意圖，MEMS裝置100包含基板101，其可以是半導體基板，例如矽(Si)晶圓或其他合適的半導體晶圓，且具有空腔103貫穿基板101。MEMS裝置100還包含第一電極層110設置於空腔103上，與基板101隔開第一間隙S1，第二電極層120設置於第一電極層110上，與第一電極層110隔開第二間隙S2，第一電極層110和第二電極層120的組成例如為摻雜的多晶矽或其他合適的導電材料。於一些實施例中，第一電極層110可作為聲波感測器之可撓的隔膜(flexible membrane)，以感受聲波而振動，第二電極層120可作為聲波感測器之固定的背板(fixed back plate)，第二電極層120具有多個貫穿孔洞122，以讓空氣通過。

根據本揭露的一些實施例，MEMS裝置100還包含導通孔錨定結構124，其至少位於第一電極層110和第二電極層120的邊界處，且連接第二電極層120、第一電極層110和基板101，導通孔錨定結構124的側壁具有階梯形狀，且導通孔錨定結構124直接接觸基板101的表面。於一些實施例中，導通孔錨定結構124與第二電極層120為一體成形，且具有相同的組成，導通孔錨定結構124的組成例如為摻雜的多晶矽或其他合適的導電材料。導通孔錨定結構124可作為側壁結構加強件，以提高MEMS裝置的機械強度，同時導通孔錨定結構124還可以搭配MEMS裝置100的其他部件，以提昇MEMS裝置的聲學效果。另外，MEMS裝置100還包含介電層130，其覆蓋第二電極層120和導通孔錨定結構124，可提供結構支撐，且具有多個孔洞132對應於第二電極層120的多個貫穿孔洞122，介電層130的組成例如為氮化矽或其他合適的絕緣保護材料。

第2圖繪示本揭露一實施例的MEMS裝置之第一電極層110和導通孔錨定結構124的平面示意圖，第一電極層110包含第一感測區110A、第一周邊區110B、多個開口114和第一波形邊緣112，第一感測區110A位於空腔103正上方，且超出空腔103的範圍向外擴展，第一周邊區110B圍繞第一感測區110A，多個開口114在第一周邊區110B內，且位於第一感測區110A和第一周邊區110B的交界處。於一些實施例中，多個開口114可沿著第一感測區110A的邊界呈放射狀配置，這些開口114可具有相同或不同的尺寸，但不限於此，可根據MEMS裝置的需求來配置多個開口114的位置和尺寸。第一波形邊緣112位於第一周邊區110B的外側邊緣，且一些開口114可以與第一波形邊緣112的缺口相連。根據本揭露的一些實施例，導通孔錨定結構124可包含第一部份124-1重疊且嵌合於多個開口114，以及第二部份124-2重疊且嵌合於第一波形邊緣112的缺口。另外，於本揭露中所提及的「波形」，其可以例如為圓弧的波浪狀、三角的鋸齒狀、方塊的波形或其他形狀的波形。

第3圖繪示本揭露一實施例的微機電(MEMS)裝置之第二電極層120和導通孔錨定結構124的平面示意圖，第二電極層120包含第二感測區120A、第二周邊區120B和多個貫穿孔洞122，第二感測區120A可重疊於第一感測區110A，第二感測區120A包含內側感測區120A-1和外側感測區120A-2，以及切割線123位於內側感測區120A-1和外側感測區120A-2之間，其中切割線123的位置可以在第2圖所示的空腔103的範圍內，或者在空腔103的範圍以外。第二周邊區120B可重疊於第一周邊區110B，多個貫穿孔洞122位於第二感測區120A。另外，第二電極層120還包含從第二感測區120A的內側感測區120A-1延伸至第二周邊區120B的訊號接線121，訊號接線121可以將第二電極層120的內側感測區120A-1電性連接至後續形成的導電墊140，以傳遞電性訊號。於一些實施例中，位於空腔103範圍內的多個貫穿孔洞122-1可具有較大尺寸，位於空腔103範圍以外的多個貫穿孔洞122-2可具有較小尺寸，但不限於此，可根據MEMS裝置的需求來配置多個貫穿孔洞122的位置和尺寸。此外，第二電極層120還包含第二波形邊緣128，其相對於第一電極層110的第一波形邊緣112向內縮，導通孔錨定結構124的第二部份124-2也嵌合於第二波形邊緣128的缺口，第二電極層120的第二波形邊緣128、第一電極層110的第一波形邊緣112和導通孔錨定結構124的詳細結構可參閱後續第5圖之透視圖的說明。另外，導通孔錨定結構124的第一部份124-1從第二電極層120向下延伸至第一電極層110的開口114內，並接觸基板101的表面。

第4圖繪示本揭露一實施例的微機電(MEMS)裝置之介電層130、導電墊140和導通孔錨定結構124的平面示意圖，介電層130可順向地(conformally)覆蓋第二電極層120和導通孔錨定結構124，且包含接觸開口134和多個孔洞132，其中接觸開口134暴露出第二電極層120的一部份，導電墊140設置於接觸開口134內，並且還具有延伸金屬線141連接至第3圖所示的訊號接線121，以電連接至第二電極層120。介電層130的多個孔洞132對應於第二電極層120的多個貫穿孔洞122，於一些實施例中，位於空腔103範圍內的孔洞132-1可具有較大尺寸，位於空腔103範圍以外的孔洞132-2可具有較小尺寸，但不限於此，孔洞132的位置和尺寸係根據第二電極層120的貫穿孔洞122而調整。

第5圖繪示本揭露一實施例的微機電(MEMS)裝置的一部分之透視圖，例如為第2圖和第3圖的框線區域A之透視圖，為了讓圖式清楚且容易了解，第5圖未繪示介電層130。如第5圖所示，於一實施例中，以俯視觀看，第二電極層120的第二波形邊緣128相較於第一電極層110的第一波形邊緣112往內縮，且可具有相似的形狀。導通孔錨定結構124嵌合於第二電極層120的第二波形邊緣128和第一電極層110的第一波形邊緣112，使得導通孔錨定結構124包含與第一波形邊緣112重疊且形狀一致的第三波形邊緣129，第二波形邊緣128相較於第三波形邊緣129也往內縮。此外，導通孔錨定結構124的側壁之階梯形狀包含第一階梯126-1和第二階梯126-2，其中第一階梯126-1連接第二電極層120和第一電極層110，例如連接第二波形邊緣128和第一波形邊緣112，第二階梯126-2則連接第一電極層110和基板101，例如連接第一波形邊緣112和基板101，且順向地形成於基板101上，導通孔錨定結構124可進一步提供第一電極層110和基板101之間的電性連接。

第6圖、第7圖、第8圖、第9圖和第10圖是根據本揭露的另一實施例所繪示的MEMS裝置的製造方法之一些階段的剖面示意圖，其中第10圖的MEMS裝置的背板包含的第二電極層120和介電層130的圖案可以與第1圖的MEMS裝置的背板不同，且第10圖的MEMS裝置的背板還包含絕緣層109設置於第二電極層120和介電層130的底面下方，另外第10圖的MEMS裝置的第一電極層110的底面可具有抗黏附突起物116。參閱第6圖，首先，於步驟S101，提供基板101，例如矽晶圓。接著，在基板101上形成第一犧牲材料層105，其組成例如為氧化矽。可利用沉積和蝕刻製程，先形成具有孔洞的第一子層，再沉積第二子層於第一子層上，以形成表面具有凹陷(dimple)的第一犧牲材料層105，在後續步驟中，第一犧牲材料層105的表面凹陷可用於形成如第10圖所示位於第一電極層110底面的抗黏附突起物116。然後，利用沉積、光微影和蝕刻製程，在第一犧牲材料層105上形成第一電極層110，其可具有例如第2圖的第一波形邊緣112和多個開口114。

接著，參閱第7圖，於步驟S103，利用沉積、光微影和蝕刻製程，在第一電極層110上依序形成第二犧牲材料層107和絕緣層109，第二犧牲材料層107的組成例如為氧化矽，絕緣層109的組成例如為氮化矽。於步驟S103，蝕刻第一犧牲材料層105，使其具有與第一電極層110重疊且一致的圖案，並且蝕刻第二犧牲材料層107和絕緣層109，使這兩層具有多個開口和波形缺口，其對應於例如第3圖的導通孔錨定結構124的圖案，且第二犧牲材料層107和絕緣層109的邊緣相較於第一電極層110的邊緣往內縮。另外，於第二犧牲材料層107和絕緣層109的表面也可形成凹陷(未繪示)，使得後續形成的第二電極層120之底面也產生對應於表面凹陷的抗黏附突起物(未繪示)。

然後，參閱第8圖，於步驟S105，利用沉積、光微影和蝕刻製程，形成第二電極層120和導通孔錨定結構124。第二電極層120形成於絕緣層109上且具有多個貫穿孔洞122，導通孔錨定結構124沿著例如第3圖的第二波形邊緣128和第2圖的第一波形邊緣112，由上到下順向地形成於絕緣層109、第二犧牲材料層107、第一電極層110和第一犧牲材料層105的側壁上，並延伸至基板101的表面上。此外，導通孔錨定結構124還可填充或順向地形成於第二犧牲材料層107和絕緣層109的開口內，以及第一電極層110的開口114內。

接著，參閱第9圖，於步驟S107，利用沉積、光微影和蝕刻製程，在第二電極層120和導通孔錨定結構124上順向性形成介電層130，其具有多個孔洞132和接觸開口134，其中孔洞132對應於第二電極層120的多個貫穿孔洞122，且孔洞132向下延伸貫穿絕緣層109，接觸開口134暴露出第二電極層120的一部分。然後，可利用沉積、光微影和蝕刻製程，在接觸開口134內形成導電墊140，以電連接至第二電極層120。

之後，參閱第10圖，於步驟S109，可利用乾蝕刻製程，從基板101的背面形成空腔103貫穿基板101。然後，經由空腔103和多個孔洞132通入蝕刻劑例如氫氟酸(HF)，以移除第一犧牲材料層105和第二犧牲材料層107，釋放第一電極層110和第二電極層120，藉此在第一電極層110和基板101之間產生第一間隙S1，同時在第二電極層120和第一電極層110之間產生第二間隙S2，以形成MEMS裝置。於一實施例中，絕緣層109可留在第二電極層120的底面。

根據本揭露的一些實施例，MEMS裝置的第一電極層和第二電極層的邊界處具有導通孔錨定結構，以連接第二電極層、第一電極層和基板，且導通孔錨定結構的側壁具有階梯形狀，可以作為側壁結構加強件，以提高MEMS裝置的機械強度，進而提昇其使用壽命和可靠度。此外，根據本揭露的一些實施例，在MEMS裝置的第一電極層、第二電極層和基板之間不需要形成習知的支撐氧化物層，因此可以擴大製程容許度。

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

100:MEMS裝置 101:基板 103:空腔 105:第一犧牲材料層 107:第二犧牲材料層 109:絕緣層 110:第一電極層 110A:第一感測區 110B:第一周邊區 112:第一波形邊緣 114:開口 116:抗黏附突起物 120:第二電極層 120A:第二感測區 120A-1:內側感測區 120A-2:外側感測區120B:第二周邊區 121:訊號接線 122、122-1、122-2:貫穿孔洞 123:切割線 124:導通孔錨定結構 124-1:第一部份 124-2:第二部份 126-1:第一階梯 126-2:第二階梯 128:第二波形邊緣 129:第三波形邊緣 130:介電層 132、132-1、132-2:孔洞 134:接觸開口 140:導電墊 141:延伸金屬線 S1:第一間隙 S2:第二間隙 A:框線區域 S101、S103、S105、S107、S109:步驟

為了使下文更容易被理解，在閱讀本揭露時可同時參考圖式及其詳細文字說明。透過本文中之具體實施例並參考相對應的圖式，俾以詳細解說本揭露之具體實施例，並用以闡述本揭露之具體實施例之作用原理。此外，為了清楚起見，圖式中的各特徵可能未按照實際的比例繪製，因此某些圖式中的部分特徵的尺寸可能被刻意放大或縮小。 第1圖是根據本揭露的一實施例所繪示的微機電(MEMS)裝置的剖面示意圖。 第2圖是根據本揭露的一實施例所繪示的微機電(MEMS)裝置的第一電極層和導通孔錨定結構的平面示意圖。 第3圖是根據本揭露的一實施例所繪示的微機電(MEMS)裝置的第二電極層和導通孔錨定結構的平面示意圖。 第4圖是根據本揭露的一實施例所繪示的微機電(MEMS)裝置的介電層、導電墊和導通孔錨定結構的平面示意圖。 第5圖是根據本揭露的一實施例所繪示的微機電(MEMS)裝置的一部分之透視圖。 第6圖、第7圖、第8圖、第9圖和第10圖是根據本揭露的另一實施例所繪示的MEMS裝置的製造方法之一些階段的剖面示意圖。

100:MEMS裝置

101:基板

103:空腔

110:第一電極層

120:第二電極層

122:貫穿孔洞

124:導通孔錨定結構

130:介電層

132:孔洞

S1:第一間隙

S2:第二間隙

Claims (10)

1. 一種微機電裝置，包括： 一基板，具有一空腔； 一第一電極層，設置於該空腔上，與該基板隔開一第一間隙； 一第二電極層，設置於該第一電極層上，與該第一電極層隔開一第二間隙；以及 一導通孔錨定結構，配置為連接該第二電極層、該第一電極層和該基板，其中該導通孔錨定結構的側壁具有一階梯形狀。
2. 如請求項1所述之微機電裝置，其中該導通孔錨定結構與該第二電極層為一體成形。
3. 如請求項1所述之微機電裝置，其中該第一電極層包括一第一波形邊緣，該第二電極層包括一第二波形邊緣，該導通孔錨定結構包括一第三波形邊緣，以俯視觀看，該第一波形邊緣與該第三波形邊緣重疊且形狀一致，該第二波形邊緣相較於該第一波形邊緣和該第二波形邊緣往內縮。
4. 如請求項3所述之微機電裝置，其中該導通孔錨定結構嵌合於該第二電極層的該第二波形邊緣和該第一電極層的該第一波形邊緣。
5. 如請求項1所述之微機電裝置，其中該第一電極層包括一第一感測區、一第一周邊區以及複數個開口，該第一感測區位於該空腔正上方，該第一周邊區圍繞該第一感測區，該複數個開口在該第一周邊區內，且位於該第一感測區和該第一周邊區的交界處，該導通孔錨定結構嵌合於該複數個開口內。
6. 如請求項1所述之微機電裝置，其中該導通孔錨定結構的側壁之該階梯形狀包括一第一階梯和一第二階梯，該第一階梯連接該第二電極層和該第一電極層，該第二階梯連接該第一電極層和該基板。
7. 如請求項1所述之微機電裝置，包括一聲波感測器，其中該第一電極層為可撓的隔膜，該第二電極層為固定的背板，且包括複數個貫穿孔洞。
8. 如請求項7所述之微機電裝置，更包括： 一介電層，覆蓋該第二電極層和該導通孔錨定結構，該介電層包括一接觸開口和複數個孔洞，其中該接觸開口暴露出該第二電極層的一部份，該複數個孔洞對應於該第二電極層的該複數個貫穿孔洞；以及 一導電墊，設置於該接觸開口內，以電連接至該第二電極層。
9. 如請求項1所述之微機電裝置，其中該導通孔錨定結構直接接觸該基板的表面。
10. 如請求項1所述之微機電裝置，其中該基板包括半導體基板，該第一電極層、該第二電極層和該導通孔錨定結構的組成包括摻雜的多晶矽。

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