利用低温接合的mems和cmos集成的制作方法
【专利说明】利用低温接合的MEMS和CMOS集成
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年11月14日提交的美国临时专利申请第62/079，627号的优先权。
技术领域
[0003]本发明涉及半导体领域，更具体地涉及利用低温接合的MEMS和CMOS集成。
【背景技术】
[0004]微机电系统或MEMS是一种将微型机械和机电元件集成到集成芯片上的技术。通常使用微制造技术来制造MEMS器件。近年来，已经发现了 MEMS器件的广泛的应用。例如，在手机(例如，加速计、陀螺仪、数字罗盘)、压力传感器、微流体元件(例如，阀门、栗)、光学开关(例如，镜子)等中发现了 MEMS器件。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种形成集成芯片的方法，包括:在载体衬底的第一侧内形成一个或多个腔体；将所述载体衬底的第一侧接合至设置在微机电系统(MEMS)衬底上的介电层；选择性地图案化所述MEMS衬底以限定位于所述一个或多个腔体上方的一个或多个软机械结构；使用干蚀刻工艺选择性地去除所述介电层以释放所述一个或多个软机械结构；以及通过设置在CMOS衬底和所述MEMS衬底之间的接合结构将所述CMOS衬底接合至所述MEMS衬底的第二侧。
[0006]优选地，形成集成芯片的方法还包括:在所述CMOS衬底上方的介电材料中形成多个开口，其中，所述多个开口暴露后段制程(BEOL)金属堆叠件内的上部金属互连层；在所述上部金属互连层上形成第一接合层；以及使所述第一接合层与第二接合层接触。
[0007]优选地，所述第一接合层包括金；以及其中，所述第二接合层包括锗或硅。
[0008]优选地，在小于约400°C的温度下实施将所述CMOS衬底接合至所述MEMS衬底的第二侧。
[0009]优选地，所述接合结构包括具有大于约300°C的熔融温度的金属间化合物。
[0010]优选地，所述金属间化合物包括铜(Cu)、金(Au)、锡(Sn)和铟(In)中的一种或多种。
[0011]优选地，所述干蚀刻工艺包括蚀刻剂，所述蚀刻剂包括汽化的氢氟酸。
[0012]优选地，所述干蚀刻工艺使得所述介电层从所述MEMS衬底的侧壁和所述载体衬底的侧壁回缩。
[0013]优选地，所述介电层具有截面轮廓，所述截面轮廓具有在约0.01和约4之间的范围内的宽度的变化量与高度的比率。
[0014]优选地，形成集成芯片的方法还包括:在所述MEMS衬底的第二侧上形成一个或多个突出件，其中，所述接合结构设置在所述一个或多个突出件上。
[0015]优选地，形成集成芯片的方法还包括:在形成所述一个或多个腔体期间，在所述一个或多个腔体内形成一个或多个防粘连凸块。
[0016]本发明还提供一种形成集成芯片的方法，包括:选择性地蚀刻载体衬底的第一侧以形成一个或多个腔体；将所述载体衬底的第一侧接合至设置在微机电系统(MEMS)衬底上的介电层；在所述MEMS衬底上形成一个或多个接合层；选择性地图案化所述MEMS衬底以限定位于所述一个或多个腔体上方的一个或多个软机械结构；通过干蚀刻工艺选择性地蚀刻所述介电层以释放所述一个或多个软机械结构；以及在小于约400°C的温度下将CMOS衬底接合至所述MEMS衬底的第二侧，其中，将所述CMOS衬底接合至所述MEMS衬底使得所述一个或多个接合层形成接合结构，所述接合结构包括设置在所述CMOS衬底和所述MEMS衬底之间的合金。
[0017]优选地，形成集成芯片的方法还包括:在所述CMOS衬底上方的介电材料中形成多个开口，其中，所述多个开口暴露后段制程(BEOL)金属堆叠件内的上部金属互连层；在所述上部金属互连层上形成第一接合层；以及在所述第一接合层上方形成一个或多个附加的接合层。
[0018]优选地，所述介电层具有截面轮廓，所述截面轮廓具有在约0.01和约4之间的范围内的宽度的变化量与高度的比率。
[0019]优选地，所述接合结构包括具有大于约300°C的熔融温度的金属间化合物。
[0020]优选地，所述金属间化合物包括铜(Cu)、金(Au)、锡(Sn)和铟(In)中的一种或多种。
[0021]优选地，所述干蚀刻工艺包括蚀刻剂，所述蚀刻剂包括汽化的氢氟酸。
[0022]本发明还提供一种集成芯片，包括:载体衬底，包括设置在所述载体衬底的第一侧内的一个或多个腔体；介电层，在从一个或一个以上或多个软机械结构横向偏移的位置处设置在微机电系统(MEMS)衬底的第一侧上，其中，所述介电层邻接所述载体衬底的第一侧；以及接合结构，包括邻接所述MEMS衬底的第二侧并且电连接至上部金属互连层的金属间化合物，所述上部金属互连层位于设置在CMOS衬底上方的BEOL金属堆叠件内。
[0023]优选地，所述金属间化合物包括单独的元素，所述单独的元素具有小于约400°C的熔融温度；以及其中，所述金属间化合物具有大于约300°C的熔融温度。
[0024]优选地，所述介电层从所述MEMS衬底的侧壁和所述载体衬底的侧壁回缩。
【附图说明】
[0025]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有按比例绘制并且仅仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
[0026]图1示出了所公开的具有微机电(MEMS)器件的集成芯片的一些实施例的截面图。
[0027]图2至图3示出了所公开的具有MEMS器件的集成芯片的一些附加的实施例的截面图。
[0028]图4A至图4G示出了所公开的具有MEMS器件的集成芯片的一些可选的实施例的截面图。
[0029]图5至图6示出了所公开的具有MEMS器件的集成芯片的一些附加的实施例的截面图。
[0030]图7示出了形成具有MEMS器件的集成芯片的方法的一些实施例的流程图。
[0031]图8至图17B示出了一些实施例的截面图，该实施例示出了形成具有MEMS器件的集成芯片的方法。
【具体实施方式】
[0032]以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件形成为直接接触的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
[0033]此外，为了便于描述，本文可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间关系术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间关系术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间关系描述符可以同样地作相应的解释。
[0034]MEMS (微机电系统)器件通常包括邻接腔体的可移动的软机械结构，该腔体允许软机械结构在MEMS器件的操作期间自由地移动。可以通过先腔体制造工艺来形成这种MEMS器件。在先腔体制造工艺中，在载体衬底中形成腔体，然后将载体衬底接合至MEMS衬底，从而使得腔体设置在MEMS衬底和载体衬底之间。在接合之后，可以使用干蚀刻工艺以及蚀刻后湿清洗来图案化MEMS衬底以形成邻近腔体的软机械结构。随后可以使用高温接合工艺将MEMS衬底接合至CMOS衬底(具有一个或多个晶体管器件)。
[0035]应当理解，先腔体制造工艺存在诸多实际困难。例如，由于湿清洗将引起软机械结构粘至邻近的腔体的内表面，所以使用先腔体工艺难以制造可塑或软机械结构(例如，弹性膜片)，从而抑制了所产生的MEMS器件的操作。此外，随后用于将MEMS衬底接合至CMOS衬底的高温可以破坏CMOS衬底内的CMOS器件(例如，晶体管)。这种破坏将随着CMOS器件的尺寸缩小而增大。
[0036]因此，本发明涉及形成具有一个或多个MEMS器件的集成芯片的方法，这缓解上述困难。在一些实施例中，本发明涉及一种形成MEMS器件的方法，该方法在载体衬底的第一侧内形成一个或多个腔体。然后将载体衬底的第一侧接合至介电层，该介电层设置在微机电系统(MEMS)衬底上。随后图案化MEMS衬底以限定位于一个或多个腔体上方的软机械结构。然后使用干蚀刻工艺来选择性地去除介电层，以释放一个或多个软机械结构。通过设置在CMOS衬底和MEMS衬底之间的接合结构，使用