微机电系统湿度感测器的制作方法

本揭露实施例是有关于一种微机电系统湿度感测器。

背景技术：

湿度感测器广泛使用于各种领域，以量测特定环境下存在于空气中的水蒸气量。然而使用湿度感测器量测的湿度通常是从边缘电容导出，其值小，因此测试的灵敏度太低。

技术实现要素：

根据一些实施例，一种微机电系统(micro-electromechanicalsystem,mems)湿度感测器，包含第一基板、第二基板及感测结构。第二基板与第一基板大致平行。感测结构介于第一基板与第二基板之间，并接合第一基板的一部分及第二基板的一部分，其中第二基板包含导电层面对感测结构，且介于第一基板与感测结构之间的第一空间与外部连通或隔离，且介于导电层与感测结构之间的第二空间与气氛连通，且感测结构、第二空间及导电层构成电容器。

附图说明

为让本揭露的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1绘示根据本揭露数个实施例的一种微机电系统(micro-electromechanicalsystem,mems)湿度感测器的剖面示意图；

图2绘示根据本揭露数个实施例的一种微机电系统湿度感测器的剖面示意图；

图3a-图3c绘示根据本揭露数个实施例的一种形成图2的微机电系统湿度感测器于各个阶段的剖面示意图。

具体实施方式

以下提供本揭露的多种不同的实施例或实例，以实现所提供的标的的不同技术特征。下述具体实例的元件和设计用以简化本揭露。当然，这些仅为示例，而非用以限定本揭露。举例而言，说明书中揭示形成第一特征结构于第二特征结构的上方，其包括第一特征结构与第二特征结构形成而直接接触的实施例，亦包括于第一特征结构与第二特征结构之间另有其他特征结构的实施例，亦即，第一特征结构与第二特征结构并非直接接触。此外，本揭露于各个实例中可能用到重复的参考符号及/或用字。这些重复符号或用字是为了简化与清晰的目的，并非用以限定各个实施例及/或所述结构之间的关系。

另外，空间相对用语，如“下”、“上”等，是用以方便描述一元件或特征与其他元件或特征在附图中的相对关系。这些空间相对用语旨在包含除了附图中所示的方位以外，装置在使用或操作时的不同方位。装置可被另外定位(例如旋转90度或其他方位)，而本文所使用的空间相对叙述亦可相对应地进行解释。

如上所述，使用湿度感测器量测的湿度通常是从边缘电容导出，其值小，因此测试的灵敏度太低。因此，本揭露提供一种微机电系统(micro-electromechanicalsystem,mems)湿度感测器，其中湿度是从平行板电容导出，使得此微机电系统湿度感测器具有较高的测试灵敏度。此微机电系统湿度感测器可量测晶片上的压力及/或温度，以提高湿度的精确性。此外，可结合聚酰亚胺膜与微机电系统湿度感测器，以进一步提升测试灵敏度。微机电系统湿度感测器的实施例将于以下详加叙述。

图1绘示根据本揭露数个实施例的一种微机电系统湿度感测器的剖面示意图。微机电系统湿度感测器包含第一基板110、第二基板120及感测结构130。

第二基板120与第一基板110大致平行。用词“大致平行”是指两个长形构件彼此平行或几乎平行。在一些实施例中，第一基板110及第二基板120中的每一者包含块状基板，例如硅基板或非硅基板。在一些实施例中，第一基板110或第二基板120包含元素半导体，包含硅或锗的结晶、多晶及/或无定形结构；化合物半导体，包含碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟及/或锑化铟；合金半导体，包含硅锗、磷砷化镓、砷化铝铟、砷化铝镓、砷化镓铟、磷化镓铟及/或磷砷化镓铟；任何其他合适的材料；及/或其组合。在一些实施例中，第一基板110的平面尺寸(在上视图中)小于第二基板120的平面尺寸(在上视图中)。

在一些实施例中，第一基板110为微机电系统基板。在一些实施例中，微机电系统基板包含块状基板(如硅基板)及磊晶层位于其上。在一些实施例中，微机电系统基板包含掩埋氧化物(buriedoxide,box)层。在一些实施例中，微机电系统基板包含金属，如铝、铜、钛、钽、钨、钼、氮化钽、硅化镍、硅化钴、氮化钛、氮化钨、钛铝、氮化钛铝、碳氮化钽、碳化钽、硅氮化钽、金属合金、任何其他合适的材料或其组合。位于微机电系统基板内的例示的金属结构包含金属线路、金属触点以及金属层。

在一些实施例中，第一基板110包含第一突出周边部分1102。在一些实施例中，第一突出周边部分1102在上视图中为开放形状(如u形)或封闭形状(如矩形或圆形)。

在一些实施例中，第二基板120包含块状基板122(如硅基板)。在一些实施例中，第二基板120包含被动元件，如电阻器、电容器、电感器及/或熔断器；主动元件，如p型通道场效晶体管(p-channelfieldeffecttransistors,pfets)、n型通道场效晶体管(n-channelfieldeffecttransistors,nfets)、互补金属氧化物半导体晶体管(complementarymetal-oxide-semiconductortransistors,cmoss)、高电压晶体管及/或高频晶体管；其他合适的组件；及/或其组合。在一些实施例中，第二基板120包含第一晶体管1222a及第二晶体管1222b位于块状基板122的顶部。在一些实施例中，第一晶体管1222a与第二晶体管1222b为cmos晶体管，如pmos晶体管及/或nmos晶体管。

在一些实施例中，第二基板120包含集成电路，如储存器单元、模拟电路、逻辑电路及/或混合信号电路。在一些实施例中，第二基板120包含互连及层间介电(inter-layerdielectric,ild)层124。在一些实施例中，互连及层间介电层124包含与被动元件、主动元件、其他合适的元件或其组合相关连的互连(如金属线及通孔)。在一些实施例中，互连及层间介电层124包含层间介电，其系由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、任何其他合适的材料或其组合所制成。

第二基板120包含导电层1242面对感测结构130。在一些实施例中，导电层1242位于互连及层间介电层124的顶部。在一些实施例中，导电层1242与感测结构130大致平行。在一些实施例中，导电层1242是由金属或金属化合物制成，例如钼、铬、铝、钕、钛、铜、银、金、锌、铟、镓、铂、银、金、任何其他合适的材料或其组合。在一些实施例中，感测结构130、导电层1242及位于感测结构130与导电层1242之间的第二空间120a构成一电容器。

在其他实施例中，导电层(未绘示)位于第二基板120上方，而感测结构130、导电层(未绘示)及位于感测结构130与导电层(未绘示)之间的第二空间120a构成一电容器。换言之，位于第二基板120上方的导电层(未绘示)可替代图1的导电层1242。在其他实施例中，导电层(未绘示)位于互连及层间介电层124上方。在其他实施例中，导电层(未绘示)由惰性金属、惰性金属合金、任何其他合适的材料或其组合所制成。

在一些实施例中，第二基板120还包含绝缘层126位于导电层1242上方。在一些实施例中，绝缘层126是由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、任何其他合适的材料或其组合所制成。在一些实施例中，绝缘层126设置用以防止导电层1242腐蚀。

在一些实施例中，第二基板120包含第一感测电路1244a及第二感测电路1244b位于互连及层间介电层124内。在一些实施例中，第一感测电路1244a及第二感测电路1244b分别耦接感测结构130及导电层1242。在一些实施例中，第一感测电路1244a及第二感测电路1244b分别耦接第一晶体管1222a及第二晶体管1222b。因此，感测结构130的电位能够通过第一感测电路1244a及第一晶体管1222a测得，导电层1242的电位能够通过第二感测电路1244b及第二晶体管1222b测得。

感测结构130介于第一基板110与第二基板120之间，并接合第一基板110的一部分及第二基板120的一部分。在一些实施例中，感测结构130是由导电材料制成，如硅、金属或其组合。在一些实施例中，感测结构130包含硅及掺质。在一些实施例中，感测结构130是由硬质导电材料制成，如硅。

在一些实施例中，感测结构130包含第二突出周边部分1302接合第二基板120。在一些实施例中，第二突出周边部分1302在上视图中为开放形状(如u形)。在一些实施例中，第一基板110的第一突出周边部分1102大致对准感测结构130的第二突出周边部分1302。在一些实施例中，第一突出周边部分1102的上表面(未标示)大于或等于第二突出周边部分1302的上表面(未标示)。

在一些实施例中，微机电系统湿度感测器包含第一接触垫140及第二接触垫150。在一些实施例中，第一接触垫140及第二接触垫150是由金属、合金、半导体材料或其组合所制成。在一些实施例中，第一接触垫140位于第二基板120的接合部分的上方。在一些实施例中，第一接触垫140耦接或直接连接第一感测电路1244a。在一些实施例中，第二接触垫150介于感测结构130与第一接触垫140之间。在一些实施例中，第二接触垫150耦接或直接连接感测结构130。在一些实施例中，第一感测电路1244a透过第一接触垫140及第二接触垫150耦接感测结构130。在一些实施例中，第二接触垫150位于第二突出周边部分1302的上方。在一些实施例中，第一接触垫140具有凸部(未标示)大致对准第二接触垫150的凹部(未标示)。在一些实施例中，第一接触垫140通过共晶接合、扩散接合或任何其他合适的接合型态接合第二接触垫150。在一些实施例中，共晶接合为锗/铝、锗/金或硅/金。在一些实施例中，扩散接合为硅/铝或硅/钛。

在一些实施例中，介于第一基板110与感测结构130之间的第一空间110a与外部连通或隔离；亦即，第一空间110a为开放空间或封闭空间。在一些实施例中，第一空间110a为真空状态或容置具有已知压力的气氛。在其他实施例中，第一基板包含通孔(未绘示)贯穿第一基板，而第一空间透过此通孔与外部连通。

在一些实施例中，介于导电层1242与感测结构130之间的第二空间120a与气氛连通；亦即，第二空间120a为开放空间。感测结构130、第二空间120a及导电层1242构成设置用以量测气氛的介电常数的电容器，而气氛的湿度从气氛的介电常数、气氛的压力及气氛的温度导出。

在一些实施例中，气氛的湿度是由公式ε＝1+a/t[p+(b×ps×h/t)]10^-6计算而得，其中ε为气氛的介电常数(ε＝c×d/a)，a及b为经验参数，t为温度(k)，p为气氛的压力(torr)，ps为温度t下的饱和水蒸汽的压力(torr)，h(％)为(相对)湿度。在一些实施例中，a在170至250的范围内，b在25至75的范围内。在一些实施例中，a在190至230的范围内，b在40至60的范围内。

在一些实施例中，为了量测晶片上气氛的温度以提升湿度的精确度，微机电系统湿度感测器还包含温度感测器160，如图1所示。在一些实施例中，温度感测器160为pn二极管、连接二极管的金氧半晶体管或热电阻器。在一些实施例中，图1所示的温度感测器160为热电阻器。在一些实施例中，温度感测器160为基于金属的热电阻器。

在一些实施例中，温度感测器160在第二基板120、感测结构130或第一基板110的上方或内部。在一些实施例中，如图1所示，温度感测器160位于第二基板120的内部。在一些实施例中，温度感测器160位于第二基板120的互连及层间介电层124内，并邻接导电层1242。在一些实施例中，温度感测器160与导电层1242彼此分离。在一些实施例中，温度感测器160及导电层1242属于同一图案化导电层。

在其他实施例中，温度感测器(未绘示)位于第二基板120的上方。换言之，位于第二基板120上方的温度感测器(未绘示)可替代图1的温度感测器160。在其他实施例中，温度感测器(未绘示)位于互连及层间介电层124的上方。在其他实施例中，温度感测器(未绘示)由惰性金属、惰性金属合金、任何其他合适的材料或其组合所制成。

在一些实施例中，微机电系统湿度感测器设置用以量测第二空间120a的气氛的压力(即晶片上压力)。在一些实施例中，第一空间110a与第二空间120a之间的压力差将会造成感测结构130变形。第二空间120a的气氛的压力可由与感测结构130变形相关的特性参数(如电容或电阻)导出。

在一些实施例中，图1的微机电系统湿度感测器作为电容式微机电系统绝对或相对压力感测器，以降低晶片及封装成本及晶片尺寸。在一些实施例中，第二空间120a的气氛的压力透过由感测结构130、第二空间120a及导电层1242构成的电容器的电容变化而得。

详细而言，举例来说，第一空间110a与第二空间120a的每一者具有已知压力，而感测结构130具有初始变形，其具有初始间隙d0，其可称为校正间隙。然后，第二空间120a连通具有未知压力的含水气的气氛，而第一空间110a仍然具有相同的已知压力，感测结构130则具有间隙为d’的变形。电容变化＝(第二空间120a的介电常数)×(感测结构130的平面面积)×(1/d’－1/d0)。第二空间120a的含水气的气氛的未知压力可通过此电容变化、f＝p/a及虎克定律计算而得。

在其他实施例中，微机电系统湿度感测器作为压阻式微机电系统绝对或相对压力感测器，以降低晶片及封装成本及晶片尺寸。在其他实施例中，第二空间的测试气氛的未知压力是由感测结构的电阻变化而得。详细而言，举例来说，第一空间与第二空间的每一者具有已知压力，而感测结构具有初始电阻r0。然后，第二空间连通具有未知压力的含水气的测试气氛，而第一空间仍然具有相同的已知压力，感测结构则具有电阻r’。电阻变化＝r’－r0。第二空间的含水气的测试气氛的未知压力可通过此电阻变化、f＝p/a及虎克定律计算而得。

如上所述，在一些实施例中，可分别由温度感测器160及微机电系统湿度感测器取得晶片上温度及压力，因此所计算出的第二空间120a的气氛的湿度可具有高精确性。

图2绘示根据本揭露数个实施例的一种微机电系统湿度感测器的剖面示意图。图2与图1的差异在于，在图2中，第二基板120包含聚酰亚胺膜128面对感测结构130。聚酰亚胺膜128设置用以吸收湿气，以提升测试灵敏度。能够吸收湿气的其他合适的材料可替代聚酰亚胺膜128。

在一些实施例中，聚酰亚胺膜128位于第二基板120上方。在一些实施例中，聚酰亚胺膜128位于互连及层间介电层124上方。在一些实施例中，聚酰亚胺膜128为图案化聚酰亚胺膜128，以增加露出表面的面积，以吸收更多湿气，从而进一步提升测试灵敏度。在一些实施例中，图案化聚酰亚胺膜128具有多个开口128a彼此分离。在一些实施例中，绝缘层126位于导电层1242与聚酰亚胺膜128之间。在一些实施例中，聚酰亚胺膜128的平面尺寸小于或等于感测结构130的平面尺寸。在其他实施例中，聚酰亚胺膜接触位于第二基板120上方的导电层(未绘示)。

在一些实施例中，微机电系统湿度感测器还包含温度感测器160位于第二基板120内。在一些实施例中，如图2所示，温度感测器160位于第二基板120的块状基板122内。在一些实施例中，温度感测器160位于块状基板122的顶部。在一些实施例中，温度感测器160为pn二极管、连接二极管的金氧半晶体管或热电阻器。在一些实施例中，温度感测器160为基于硅的温度感测器。

图3a-图3c绘示根据本揭露数个实施例的一种形成图2的微机电系统湿度感测器于各个阶段的剖面示意图。需注意的是，下述方法的操作可省略、改变或置换，以制造图1的微机电系统湿度感测器。

在一些实施例中，如图3a所示，收到或提供第一基板110。在一些实施例中，第一基板110为微机电系统基板。在一些实施例中，第一基板110包含第一突出周边部分1102。在一些实施例中，第一突出周边部分1102是使用任何图案化制程所形成，如微影与蚀刻制程、激光钻孔制程或任何其他合适的制程。在一些实施例中，第一突出周边部分1102在上视图中为开放形状(如u形)或封闭形状(如矩形或圆形)。

在一些实施例中，如图3a所示，收到或提供感测结构130。在一些实施例中，感测结构130由硅、金属或其组合所制成。在一些实施例中，感测结构130包含硅及掺质。在一些实施例中，感测结构130包含第二突出周边部分1302。在一些实施例中，第二突出周边部分1302是使用任何图案化制程所形成，如微影与蚀刻制程、激光钻孔制程或任何其他合适的制程。在一些实施例中，第二突出周边部分1302在上视图中为开放形状(如u形)。在一些实施例中，形成第二接触垫150于感测结构130上方。在一些实施例中，第二接触垫150是由金属、合金或半导体材料制成。

如图3a所示，在感测结构130一侧上方的一部分接合第一基板110的一部分(如第一突出周边部分1102)，以形成介于第一基板110与感测结构130之间的第一空间110a。在一些实施例中，在感测结构130该侧上方的该部分透过热制程接合第一基板110的该部分。在一些实施例中，感测结构130与第一基板110的该部分之间为硅接合。在一些实施例中，第一空间110a与外部连通或隔离。

在一些实施例中，如图3b所示，收到第二基板120，且第二基板120包含导电层1242邻接第二基板120的上表面。在一些实施例中，第二基板120包含块状基板122。在一些实施例中，第二基板120包含晶体管位于块状基板122内，如第一晶体管1222a及第二晶体管1222b。在一些实施例中，第二基板120包含互连及层间介电层124。在一些实施例中，第二基板120包含感测电路位于互连及层间介电层124内，如第一感测电路1244a及第二感测电路1244b。

在一些实施例中，形成绝缘层126于导电层1242上方。在一些实施例中，绝缘层126由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、任何其他合适的材料或其组合所制成。在一些实施例中，使用任何合适的沉积技术，如化学气相沉积(chemicalvapordeposition,cvd)或物理气相沉积(physicalvapordeposition,pvd)，形成绝缘层126。在一些实施例中，形成第一接触垫140邻接绝缘层126。

在一些实施例中，形成聚酰亚胺膜128于导电层1242上方。在一些实施例中，形成聚酰亚胺膜128于绝缘层126上方。在一些实施例中，使用任何合适的成膜技术，如涂布，形成聚酰亚胺膜128。在一些实施例中，对聚酰亚胺膜128进行图案化制程，如微影及蚀刻制程，或激光钻孔制程，以形成多个开口128a彼此分离。

在一些实施例中，如图3a-图3c所示，反转图1的第一基板110及感测结构130，而位于感测结构130相对侧上方的一部分(如第二突出周边部分1302)接合第二基板120的一部分，以形成介于导电层1242与感测结构130之间的第二空间120a。在一些实施例中，位于感测结构130相对侧上方的该部分透过热制程接合第二基板120的该部分。在一些实施例中，第二接触垫150透过热制程接合第一接触垫140。在一些实施例中，第二接触垫150与第一接触垫140之间为共晶结合，如锗/铝、锗/金或硅/金，或为扩散结合，如硅/铝或硅/钛。在一些实施例中，第二空间120a与气氛连通。

在一些实施例中，如第3c及2图所示，移除第一基板110的另一部分。第一基板110的此另一部分未与感测结构130重叠。因此，在本实施例中，第一基板110的平面尺寸(在上视图中)小于第二基板120的平面尺寸(在上视图中)。在一些实施例中，通过蚀刻或切割移除第一基板110的此另一部分。在一些实施例中，第一基板110具有用以蚀刻或切割的沟槽(未绘示)。在一些实施例中，在感测结构130相对侧上方的该部分接合第二基板120的该部分之后，移除第一基板110的此另一部分。

根据一些实施例，一种微机电系统湿度感测器，包含第一基板、第二基板及感测结构。第二基板与第一基板大致平行。感测结构介于第一基板与第二基板之间，并接合第一基板的一部分及第二基板的一部分，其中第二基板包含导电层面对感测结构，且介于第一基板与感测结构之间的第一空间与外部连通或隔离，且介于导电层与感测结构之间的第二空间与气氛连通，且感测结构、第二空间及导电层构成电容器。

在一些实施例中，微机电系统湿度感测器还包含温度感测器设置用以量测温度。

在一些实施例中，温度感测器为pn二极管、连接二极管的金氧半晶体管或热电阻器。

在一些实施例中，温度感测器位于第二基板、感测结构或第一基板的上方或内部。

在一些实施例中，温度感测器邻接导电层。

在一些实施例中，温度感测器与导电层彼此分离。

在一些实施例中，第二基板包含聚酰亚胺膜面对感测结构。

在一些实施例中，聚酰亚胺膜位于导电层上方。

在一些实施例中，聚酰亚胺膜为图案化聚酰亚胺膜。

在一些实施例中，图案化聚酰亚胺膜具有多个开口彼此分离。

在一些实施例中，第二基板还包含绝缘层位于导电层与聚酰亚胺膜之间。

在一些实施例中，聚酰亚胺膜的平面尺寸小于或等于感测结构的平面尺寸。

在一些实施例中，第二基板包含第一感测电路及第二感测电路分别耦接感测结构及导电层。

在一些实施例中，微机电系统湿度感测器还包含：第一接触垫，位于第二基板的此部分的上方；以及第二接触垫，位于感测结构与第一接触垫之间。

在一些实施例中，感测结构包含硅、金属或其组合。

根据一些实施例，一种微机电系统湿度感测器，包含第一基板、第二基板及感测结构。第一基板包含第一突出周边部分。第二基板与第一基板大致平行。感测结构介于第一基板与第二基板之间，并接合第一基板的第一突出周边部分，且包含第二突出周边部分接合第二基板，其中第二基板包含导电层面对感测结构，且介于第一基板与感测结构之间的第一空间与外部连通或隔离，且介于导电层与感测结构之间的第二空间与气氛连通，且感测结构、第二空间及导电层构成电容器。

在一些实施例中，微机电系统湿度感测器还包含温度感测器位于第二基板、感测结构或第一基板的上方或内部。

根据一些实施例，一种制造微机电系统湿度感测器的方法，包含：接合感测结构一侧上方的一部分至第一基板的一部分，以形成介于第一基板与感测结构之间的第一空间；以及接合感测结构相对侧上方的一部分至包含导电层的第二基板的一部分，以形成介于导电层与感测结构之间的第二空间。

在一些实施例中，方法还包含形成聚酰亚胺膜于导电层上方。

在一些实施例中，方法还包含于形成聚酰亚胺膜于导电层上方之前，形成绝缘层于导电层上方。

以上扼要地提及多种实施例的特征，因此熟悉此技艺的人士可较好了解本揭露的各方面。熟悉此技艺的人士应意识到，为了落实相同的目的及/或达到在此提出的实施例的相同优点，其可轻易使用本揭露以作为设计或修改其他制程及结构的基础。熟悉此技艺的人士亦应了解的是，这些均等的构造不背离本揭露的精神及范围，以及其人可在此进行各种改变、取代、及替代而不背离本揭露的精神及范围。