集積式CMOS及MEMS傳感器制作方法與結構與流程

本申請案主張2014年7月7日提出申請的發明名稱為「INTEGRATED CMOS AND MEMS SENSOR FABRICATION METHOD AND STRUCTURE」的美國臨時專利申請案第62/021,626號根據35 USC 119(e)的優先權，其全文引用合并于本文中。

技術領域

本發明基本上是關于CMOS-MEMS集積式裝置，且更尤指CMOS-MEMS集積式裝置的制作方法。

背景技術：

傳統上，為了提供具有至少一個凹穴于其中的CMOS-MEMS結構，在高溫(400度以上)下需要用以將CMOS襯底有效接合至MEMS襯底的高接合力(等于或大于300psi)。高溫在接合結構上造成高應力。另外，由于需要用以形成隔絕體的計時蝕刻(timed etch)，因此難以達成控制結構中的間隙高度的目的。從而需要一種用以解決以上所鑒別問題的系統及方法。本發明解決此一需求。

技術實現要素：

揭示一種提供CMOS-MEMS結構的方法。本方法包含圖型化MEMS致動器襯底上的第一頂端金屬及CMOS襯底上的第二頂端金屬。MEMS致動器襯底與CMOS襯底各于其上包括氧化層。本方法包括蝕刻MEMS致動器襯底及底座襯底上的各氧化層，利用第一接合步驟將MEMS致動器襯底的經圖型化的第一頂端金屬接合至底座襯底的經圖型化的第二頂端金屬。最后，本方法包括將致動器層蝕刻成MEMS致動器襯底，并且利用第二接合步驟將MEMS致動器襯底接合至MEMS握把襯底。

附圖說明

圖1為根據一具體實施例的CMOS-MEMS結構圖。

圖2為根據一具體實施例的CMOS-MEMS結構制作程序流程的流程圖。

圖3A至3F為根據圖2的程序流程制作CMOS-MEMS結構的說明圖。

具體實施方式

本發明基本上是關于CMOS-MEMS集積式裝置，且更尤指CMOS-MEMS集積式裝置的制作方法。以下說明可使所屬領域技術人員能夠制作并使用本發明，并且以下說明在專利申請及其要件的背景下所提供。所屬領域技術人員將輕易明白較佳具體實施例的各種修改、以及本文所述的通用原理及特征。根據本發明的方法及系統并非意味著受限于所示的具體實施例，而是要符合與本文中所述原理及特征一致的最廣范疇。

在所述具體實施例中，微機電系統(MEMS)指一種使用似半導體制程制作并呈現如移動或變形能力之類的機械特性的結構或裝置類別。MEMS通常(但非必然)與電信號交互作用。MEMS裝置包括但不限于陀螺儀、加速儀、地磁儀、壓力傳感器、以及射頻組件。含有MEMS結構的硅晶圓稱為MEMS晶圓。

在所述具體實施例中，MEMS裝置可指稱為實施成微機電系統的半導體裝置。MEMS結構可指稱為可為更大MEMS裝置一部分的任何特征。工程硅絕緣體(ESOI)晶圓可指稱為硅裝置層或襯底下方具有凹穴的SOI晶圓。握把晶圓典型指當作載體使用的較厚襯底，供硅絕緣體晶圓中的較薄硅裝置襯底使用。握把襯底及握把晶圓可互換。

在所述具體實施例中，凹穴可指稱為襯底晶圓中的開口或凹口，而圍封可指稱為完全包圍的空間。接合室可為進行晶圓接合制程的一件接合設備中的圍封。接合室中的空氣組成(atmosphere)決定接合晶圓中密封的空氣組成。

另外，根據本發明的系統及方法描述RF MEMS裝置、傳感器、及致動器的類別，包括但不局限于開關、諧振器及可調式電容器，其氣密封并接合至可使用電容感測與靜電、磁性、或壓電致動的集成電路。

為了要將具有MEMS襯底的CMOS襯底接合至CMOS襯底以形成CMOS-MEMS集積式裝置，因此利用提供兩道步驟的制程。第一接合步驟將MEMS襯底的頂端金屬層接合至CMOS襯底的頂端金屬層，并且第二接合步驟將MEMS握把層接合至MEMS致動器層。這些接合步驟全都可在縮減壓力及低溫(攝氏150至400度)下進行。亦可利用這兩道接合步驟對裝置提供氣密封。

這種制程從而克服與高溫接合制程有關聯的一些問題。亦即，根據本發明的制程不需要CMOS襯底與MEMS襯底間傳統共晶接合相關的高接合力，由于不需要高溫，因此可將應力降低并且將接合結構的翹曲降到最小。

另外，間隙高度控制相較于用于CMOS-MEMS集積式裝置的習用接合制程得以改良。最后，使用根據本發明的制程，將不再需要用以在CMOS-MEMS集積式裝置上形成隔絕體的計時蝕刻。下文所述制程提供的是，使用第一與第二低溫接合步驟在MEMS與CMOS晶圓間建立密封圍封來制作CMOS-MEMS集積式裝置。第一接合步驟包含在MEMS襯底與CMOS襯底間提供電連接的金屬對金屬接合。第二接合步驟包含熔融接合，其使MEMS襯底的握把層耦合至MEMS襯底的致動器層并且不提供任何電氣互連接合。

下文提供一種可搭配根據本發明的方法及系統使用的作法，其在一個或多個具體實施例中整合此類裝置以建立CMOS-MEMS集積式裝置。在所述具體實施例中，可用任何合適的封蓋(capping)晶圓或襯底取代CMOS晶圓。

圖1為根據一具體實施例的CMOS-MEMS結構圖。關于本具體實施例，將領會CMOS-MEMS集積式裝置100包含MEMS襯底102及CMOS襯底104。CMOS襯底104包括凸塊止擋部119，其在一具體實施例中可由氧化層122所圍繞的銅或鎳之類的金屬120組成。凸塊止擋部119可電連接至下層金屬或可電隔離。MEMS襯底102包括MEMS致動器層106及具有至少一個凹穴110的MEMS握把層108，凹穴110透過置于MEMS握把層108與MEMS致動器層106間的介電層112接合至MEMS致動器層106。MEMS致動器層106亦包括可動部分114。

CMOS襯底104的頂端金屬118及MEMS致動器層106的頂端金屬120系用于先將CMOS襯底104接合至MEMS致動器層106。CMOS襯底104的頂端金屬118包括由例如氮化鈦(TiN)所組成的接觸層124。在一具體實施例中，頂端金屬118與120可由介于攝氏150度與400度之間的溫度下接合的材料所制成，該材料包括但不限于銅(Cu)與鎳(Ni)中任一者的材料。隔絕體130經由在CMOS襯底104及MEMS致動器層106上蝕刻氧化層122所形成。

MEMS致動器層106經由第二接合耦合至MEMS握把層108及介電層112。在一具體實施例中，第一接合包含在范圍攝氏150度至攝氏400度的溫度下所提供用于金屬對金屬連接的壓縮接合，而且第二接合包含亦在范圍攝氏150度至攝氏400度的溫度下所提供的熔融接合。

在一具體實施例中，第一與第二接合利用已由Ziptronix Inc.開發出來的直接接合互連(DBI)制程來實施，為了更詳細描述本發明的特征，現請搭配附圖閱讀以下內容。

圖2為根據一具體實施例的CMOS-MEMS結構制作程序流程的流程圖。圖3A至3F為根據圖2的程序流程制作CMOS-MEMS結構的說明圖。請一起參閱圖2及3A至3F，首先，經由步驟202，如圖3A所示，在CMOS襯底104及MEMS致動器層106上圖型化頂端金屬118與120。其后，經由步驟204，如圖3B所示而蝕刻CMOS襯底104及MEMS致動器層106上的氧化層以形成隔絕體130及凸塊止擋部119。

其后，經由步驟206，如圖3C所示，使用低溫接合將CMOS襯底104與MEMS致動器層106的頂端金屬118與120接合。如前所述，在一具體實施例中，低溫接合的溫度范圍為攝氏150至400度。在一具體實施例中，MEMS致動器層106向下研磨至所欲厚度。在某些具體實施例中，所欲厚度介于10微米與100微米之間。透過第一接合，可在CMOS襯底104與MEMS致動器層106之間完成電氣或傳導連接。

其后，經由步驟208，如圖3D所示，蝕刻MEMS致動器層106以提供可動部分114。接著，經由步驟210，如圖3E所示，形成凹穴110并氧化MEMS握把層108。其后，經由步驟212，如圖3F所示，將MEMS握把層108接合至MEMS致動器層106。

根據本發明的制程提供以下特征：

1.使用降低裝置上應力的低溫制程，同時仍具有高接合能量。

2.在MEMS襯底與CMOS襯底之間提供接合電氣互連。

3.在CMOS襯底與MEMS襯底之間提供經妥適控制的間隙。

4.MEMS襯底不需要頂端錨體，因為可動MEMS結構僅錨定至CMOS襯底，使其對位在MEMS握把襯底上的外部應力較不敏感。

雖然已根據所示具體實施例描述本發明，但所屬領域技術人員仍將輕易辨識到具體實施例可有變例，并且那些變例會落在本發明的精神及范疇內。所屬領域技術人員可在不脫離本發明之精神及范疇的情況下完成許多修改。