集积式CMOS及MEMS传感器制作方法与结构与流程

本申请案主张2014年7月7日提出申请的发明名称为「INTEGRATED CMOS AND MEMS SENSOR FABRICATION METHOD AND STRUCTURE」的美国临时专利申请案第62/021,626号根据35 USC 119(e)的优先权，其全文引用合并于本文中。

技术领域

本发明基本上是关于CMOS-MEMS集积式装置，且更尤指CMOS-MEMS集积式装置的制作方法。

背景技术：

传统上，为了提供具有至少一个凹穴于其中的CMOS-MEMS结构，在高温(400度以上)下需要用以将CMOS衬底有效接合至MEMS衬底的高接合力(等于或大于300psi)。高温在接合结构上造成高应力。另外，由于需要用以形成隔绝体的计时蚀刻(timed etch)，因此难以达成控制结构中的间隙高度的目的。从而需要一种用以解决以上所鉴别问题的系统及方法。本发明解决此一需求。

技术实现要素：

揭示一种提供CMOS-MEMS结构的方法。本方法包含图型化MEMS致动器衬底上的第一顶端金属及CMOS衬底上的第二顶端金属。MEMS致动器衬底与CMOS衬底各于其上包括氧化层。本方法包括蚀刻MEMS致动器衬底及底座衬底上的各氧化层，利用第一接合步骤将MEMS致动器衬底的经图型化的第一顶端金属接合至底座衬底的经图型化的第二顶端金属。最后，本方法包括将致动器层蚀刻成MEMS致动器衬底，并且利用第二接合步骤将MEMS致动器衬底接合至MEMS握把衬底。

附图说明

图1为根据一具体实施例的CMOS-MEMS结构图。

图2为根据一具体实施例的CMOS-MEMS结构制作程序流程的流程图。

图3A至3F为根据图2的程序流程制作CMOS-MEMS结构的说明图。

具体实施方式

本发明基本上是关于CMOS-MEMS集积式装置，且更尤指CMOS-MEMS集积式装置的制作方法。以下说明可使所属领域技术人员能够制作并使用本发明，并且以下说明在专利申请及其要件的背景下所提供。所属领域技术人员将轻易明白较佳具体实施例的各种修改、以及本文所述的通用原理及特征。根据本发明的方法及系统并非意味着受限于所示的具体实施例，而是要符合与本文中所述原理及特征一致的最广范畴。

在所述具体实施例中，微机电系统(MEMS)指一种使用似半导体制程制作并呈现如移动或变形能力之类的机械特性的结构或装置类别。MEMS通常(但非必然)与电信号交互作用。MEMS装置包括但不限于陀螺仪、加速仪、地磁仪、压力传感器、以及射频组件。含有MEMS结构的硅晶圆称为MEMS晶圆。

在所述具体实施例中，MEMS装置可指称为实施成微机电系统的半导体装置。MEMS结构可指称为可为更大MEMS装置一部分的任何特征。工程硅绝缘体(ESOI)晶圆可指称为硅装置层或衬底下方具有凹穴的SOI晶圆。握把晶圆典型指当作载体使用的较厚衬底，供硅绝缘体晶圆中的较薄硅装置衬底使用。握把衬底及握把晶圆可互换。

在所述具体实施例中，凹穴可指称为衬底晶圆中的开口或凹口，而围封可指称为完全包围的空间。接合室可为进行晶圆接合制程的一件接合设备中的围封。接合室中的空气组成(atmosphere)决定接合晶圆中密封的空气组成。

另外，根据本发明的系统及方法描述RF MEMS装置、传感器、及致动器的类别，包括但不局限于开关、谐振器及可调式电容器，其气密封并接合至可使用电容感测与静电、磁性、或压电致动的集成电路。

为了要将具有MEMS衬底的CMOS衬底接合至CMOS衬底以形成CMOS-MEMS集积式装置，因此利用提供两道步骤的制程。第一接合步骤将MEMS衬底的顶端金属层接合至CMOS衬底的顶端金属层，并且第二接合步骤将MEMS握把层接合至MEMS致动器层。这些接合步骤全都可在缩减压力及低温(摄氏150至400度)下进行。亦可利用这两道接合步骤对装置提供气密封。

这种制程从而克服与高温接合制程有关联的一些问题。亦即，根据本发明的制程不需要CMOS衬底与MEMS衬底间传统共晶接合相关的高接合力，由于不需要高温，因此可将应力降低并且将接合结构的翘曲降到最小。

另外，间隙高度控制相较于用于CMOS-MEMS集积式装置的习用接合制程得以改良。最后，使用根据本发明的制程，将不再需要用以在CMOS-MEMS集积式装置上形成隔绝体的计时蚀刻。下文所述制程提供的是，使用第一与第二低温接合步骤在MEMS与CMOS晶圆间建立密封围封来制作CMOS-MEMS集积式装置。第一接合步骤包含在MEMS衬底与CMOS衬底间提供电连接的金属对金属接合。第二接合步骤包含熔融接合，其使MEMS衬底的握把层耦合至MEMS衬底的致动器层并且不提供任何电气互连接合。

下文提供一种可搭配根据本发明的方法及系统使用的作法，其在一个或多个具体实施例中整合此类装置以建立CMOS-MEMS集积式装置。在所述具体实施例中，可用任何合适的封盖(capping)晶圆或衬底取代CMOS晶圆。

图1为根据一具体实施例的CMOS-MEMS结构图。关于本具体实施例，将领会CMOS-MEMS集积式装置100包含MEMS衬底102及CMOS衬底104。CMOS衬底104包括凸块止挡部119，其在一具体实施例中可由氧化层122所围绕的铜或镍之类的金属120组成。凸块止挡部119可电连接至下层金属或可电隔离。MEMS衬底102包括MEMS致动器层106及具有至少一个凹穴110的MEMS握把层108，凹穴110透过置于MEMS握把层108与MEMS致动器层106间的介电层112接合至MEMS致动器层106。MEMS致动器层106亦包括可动部分114。

CMOS衬底104的顶端金属118及MEMS致动器层106的顶端金属120系用于先将CMOS衬底104接合至MEMS致动器层106。CMOS衬底104的顶端金属118包括由例如氮化钛(TiN)所组成的接触层124。在一具体实施例中，顶端金属118与120可由介于摄氏150度与400度之间的温度下接合的材料所制成，该材料包括但不限于铜(Cu)与镍(Ni)中任一者的材料。隔绝体130经由在CMOS衬底104及MEMS致动器层106上蚀刻氧化层122所形成。

MEMS致动器层106经由第二接合耦合至MEMS握把层108及介电层112。在一具体实施例中，第一接合包含在范围摄氏150度至摄氏400度的温度下所提供用于金属对金属连接的压缩接合，而且第二接合包含亦在范围摄氏150度至摄氏400度的温度下所提供的熔融接合。

在一具体实施例中，第一与第二接合利用已由Ziptronix Inc.开发出来的直接接合互连(DBI)制程来实施，为了更详细描述本发明的特征，现请搭配附图阅读以下内容。

图2为根据一具体实施例的CMOS-MEMS结构制作程序流程的流程图。图3A至3F为根据图2的程序流程制作CMOS-MEMS结构的说明图。请一起参阅图2及3A至3F，首先，经由步骤202，如图3A所示，在CMOS衬底104及MEMS致动器层106上图型化顶端金属118与120。其后，经由步骤204，如图3B所示而蚀刻CMOS衬底104及MEMS致动器层106上的氧化层以形成隔绝体130及凸块止挡部119。

其后，经由步骤206，如图3C所示，使用低温接合将CMOS衬底104与MEMS致动器层106的顶端金属118与120接合。如前所述，在一具体实施例中，低温接合的温度范围为摄氏150至400度。在一具体实施例中，MEMS致动器层106向下研磨至所欲厚度。在某些具体实施例中，所欲厚度介于10微米与100微米之间。透过第一接合，可在CMOS衬底104与MEMS致动器层106之间完成电气或传导连接。

其后，经由步骤208，如图3D所示，蚀刻MEMS致动器层106以提供可动部分114。接着，经由步骤210，如图3E所示，形成凹穴110并氧化MEMS握把层108。其后，经由步骤212，如图3F所示，将MEMS握把层108接合至MEMS致动器层106。

根据本发明的制程提供以下特征：

1.使用降低装置上应力的低温制程，同时仍具有高接合能量。

2.在MEMS衬底与CMOS衬底之间提供接合电气互连。

3.在CMOS衬底与MEMS衬底之间提供经妥适控制的间隙。

4.MEMS衬底不需要顶端锚体，因为可动MEMS结构仅锚定至CMOS衬底，使其对位在MEMS握把衬底上的外部应力较不敏感。

虽然已根据所示具体实施例描述本发明，但所属领域技术人员仍将轻易辨识到具体实施例可有变例，并且那些变例会落在本发明的精神及范畴内。所属领域技术人员可在不脱离本发明之精神及范畴的情况下完成许多修改。