Mems结构及其形成方法
【专利摘要】一种集成电路器件包括第一层，该第一层包含至少两个局部腔；接合至第一层的中间层，该中间层形成用于支撑至少两个微电子机械系统（MEMS）器件；以及接合至中间层的第二层，该第二层包含用于通过中间层使第一层的至少两个局部腔完整的至少两个部分层，从而形成至少两个密封的完整腔。在该至少两个完整腔内的压力不同。本发明还提供了一种MEMS结构及其形成方法。
【专利说明】MEMS结构及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，更具体地，本发明涉及一种MEMS结构及其形成方法。
【背景技术】
[0002]微电子机械系统(MEMS)器件是具有超小型部件的一种科技产品。MEMS器件可以具有在微米尺寸范围内的部件，有时具有在纳米尺寸范围内的部件。典型的MEMS器件可以包括加工电路以及用于各种类型的传感器的机械部件。这些传感器可以用作陀螺仪、加速计或者所有类型的运动传感器的一部分。不同的MEMS器件被设计和制造成在不同的环境中运行。例如，一些类型的MEMS器件被设计成在真空中运行而其他MEMS器件被设计成在加压环境内运行。由于这些差异，通常单独地制造MEMS器件，然后将其合并成利用每个不同的MEMS器件的单个电路。然而，这样做会增加制造工艺的时间和成本。期望降低制造包括在不同运行环境内的MEMS器件的集成电路的工艺的成本并简化工艺。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种集成电路器件，包括:第一层，包含至少两个局部腔；中间层，接合至所述第一层，所述中间层包含与所述第一层的至少两个局部腔基本对准的至少两个通孔；以及第二层，接合至所述中间层，所述第二层包含与所述至少两个通孔基本对准的至少两个局部腔，以形成密封的至少两个完整腔，所述至少两个完整腔包含所述第一层的至少两个局部腔和所述第二层的至少两个局部腔，其中，所述至少两个完整腔内的压力不同。
[0004]在所述器件中，所述至少两个完整腔之间的压差由至少一个局部腔的尺寸不同所引起。
[0005]在所述器件中，尺寸不同的局部腔的宽度或长度与其他局部腔不同。
[0006]在所述器件中，尺寸不同的局部腔的深度与其他局部腔不同。
[0007]在所述器件中，所述至少两个完整腔之间的压差由至少一个局部腔内沉积的材料不同所引起。
[0008]在所述器件中，所沉积的材料包括以下材料中的一种:Al、T1、A10x、AlSiN、TiN、Au
和Ag。
[0009]在所述器件中，所述第一层包含互补金属氧化物半导体层。
[0010]在所述器件中，所述第二层包含与MEMS器件相关的部件。
[0011]在所述器件中，一种MEMS器件包含以下器件中的一种:陀螺仪、加速计、压力传感器、运动检测器、RF共振器或其他MEMS器件。
[0012]根据本发明的另一方面，提供了一种形成具有微电子机械系统(MEMS)的集成电路的方法，所述方法包括:在第一层中形成至少两个局部腔；在第二层中形成至少两个局部腔，所述第二层的至少两个局部腔与所述第一层的至少两个腔互补；将中间层接合到所述第二层上，所述中间层包含对应于所述第二层的局部腔的通孔；将所述第一层接合到所述中间层以形成完整腔，所述完整腔用作MEMS器件的运行环境，其中，至少两个所述完整腔的压力不同。
[0013]在所述方法中，进一步包括:通过在至少一个局部腔中沉积材料来使压力不同。
[0014]在所述方法中，沉积的材料包括以下材料中的一种:Al、T1、A10x、AlSiN、Au和Ag。
[0015]在所述方法中，通过使至少一个局部腔的尺寸不同来使压力不同。
[0016]在所述方法中，尺寸不同的局部腔的宽度或长度与其他局部腔不同。
[0017]在所述方法中，尺寸不同的局部腔的深度与其他局部腔不同。
[0018]在所述方法中，所述MEMS器件包括以下器件中的一种:陀螺仪、加速计、压力传感器、运动检测器、RF共振器或其他MEMS器件。
[0019]根据本发明的又一方面，提供了一种集成电路器件，包括:MEMS层，包含多个局部腔；中间层，接合至所述MEMS层，所述中间层包含与所述MEMS层的多个局部腔基本对准的多个通孔；以及CMOS层，接合至所述中间层，所述CMOS层包含与所述多个通孔基本对准的多个局部腔以形成密封的多个完整腔，所述多个完整腔包含所述MEMS层的多个局部腔和所述CMOS层的多个局部腔，其中，所述多个完整腔内的压力不同。
[0020]在所述器件中，压力不同的原因是所述多个局部腔的尺寸不同。
[0021]在所述器件中，压力不同的原因是在局部腔内沉积的材料不同。
[0022]在所述器件中，每种运行环境均在同一工艺内形成。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]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的各方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，对各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚论述起见，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
[0024]图1是根据本文所述的原理的一个实例的示出具有不同压力运行环境的示例性集成电路的视图。
[0025]图2A是根据本文所述的原理的一个实例示出不同压力运行环境的视图。
[0026]图2B是根据本文所述的原理的一个实例的示出不同压力运行环境的视图。
[0027]图3是根据本文所述的原理的一个实例示出的形成在MEMS层和CMOS层之间具有不同压力运行环境的集成电路的示例性工艺的流程图。
[0028]图4A是根据本文所述的原理的一个实例示出的用于为MEMS器件形成具有不同压力运行环境的集成电路的示例性第一层的视图。
[0029]图4B是根据本文所述的原理的一个实例示出的用于为MEMS器件形成具有不同压力运行环境的集成电路的示例性第二层和中间层的视图。
[0030]图4C是根据本文所述的原理的一个实例示出的第一层和第二层的示例性组合视图。
[0031]图5是根据本文所述的原理的一个实例的示出为MEMS器件形成具有的不同压力运行环境的集成电路的示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0032]应当了解为了实施本发明的不同部件，以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例。在下面描述元件和布置的特定实例以简化本发明。当然这些仅仅是实例并不打算限定。而且，在下面的描述中在第二工艺之前进行第一工艺可以包括其中在第一工艺之后立即执行第二工艺的实施例，还可以包括在第一工艺和第二工艺之间可以执行其他工艺的实施例。出于简明和清楚的目的，可以任意地以不同的比例绘制各种部件。再者，在下面的描述中第一部件在第二部件上方或者在第二部件上的形成可以包括其中第一部件和第二部件以直接接触形成的实施例，并且也可以包括其中可以在第一部件和第二部件之间形成的额外的部件，使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。
[0033]另外，为了便于描述，诸如“在…下面”、“在…下方”、“下”、“在…上方”、“上”等空间
相对位置术语在本文中可以用于描述如附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中描述的方位外，这些空间相对位置术语意图包括在使用或操作中的器件的不同方位。例如，如果翻转附图中的器件，描述为在其他元件或部件“下方”或“下面”的元件将定向为在其他元件或部件的“上方”。因此，示例性术语“在…下方”可以包括在上方和在下方两种方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并因此对本文中使用的空间相对位置描述符进行同样的解释。
[0034]图1是示出具有不同压力运行环境114的示例性集成电路100的截面图，不同压力运行环境114在附图中被标记为环境114-1和114-2。这些运行环境可以用于支持各种类型的MEMS器件。在该实例中，集成电路100包括可以用于支持MEMS器件116的两种运行环境114。这些MEMS器件116可以包括例如形成陀螺仪、加速计或运动传感器的传感器。根据某些示例性实例，集 成电路100包括第一层102、中间层106和第二层110。
[0035]第一层102可以由半导体材料制成并且可以是晶圆的形式。半导体晶圆可以具有在其上制造的各种电路。电路可以被设计成与被放置在运行环境114内的MEMS器件协同运行。在一个实例中，第一层是互补金属氧化物半导体(CMOS)层。
[0036]为了形成运行环境114，在第一层102内形成局部腔104。具体地说，形成第一局部腔104-1用于第一运行环境114-1，并且形成第二局部腔104-2用于第二运行环境114-2。将第一层102接合至中间层106。
[0037]中间层106也可以由半导体材料制成。在一些实例中，中间层106可以由其他类型的材料制成。通过使用各种方法可以将中间层106接合至第一层102。例如，如下文进一步详细描述的，可以通过共晶接合将第一层102连接至中间层106。
[0038]第二层110也可以由半导体材料制成晶圆形式。第二层110可以是其上形成有MEMS器件的主层，并因此可以被称为MEMS层。第二层110还包括用于形成运行环境114的局部腔108。具体地说，形成第一局部腔108-1用于第一运行环境114-1并且该第一局部腔108-1对应于第一层102的第一局部腔104-1。同样地，形成第二局部腔108-2用于第二运行环境114-2并且该第二局部腔108-2对应于第一层102的第二局部腔104-2。第二层110的局部腔108被设计成与第一层102的局部腔104是互补的(complementary)。具体地说，不同的局部腔104、108被设计成彼此连接并形成完整腔，在每个完整腔内具有预期的压力。预期的压力是基于在完整腔运行环境内运行的MEMS器件的类型设定的。
[0039]通过各种方法可以将第二层110接合至中间层106。在一个实例中，使用熔接将第二层110接合至中间层106。中间层106包括一些通孔112以连接对应的局部腔并形成完整腔。具体地说，通过通孔连接第一层102的第一局部腔104-1和第二层110的第一局部腔108-1以形成第一运行环境114-1。类似地，通过通孔连接第一层102的第二局部腔104-2和第二层110的第二局部腔108-2以形成第二运行环境114-2。如下面将进一步详细描述的，用于将第一层102和第二层110连接至中间层106的接合工艺可以是气密式密封运行环境的接合工艺。
[0040]在运行环境内形成MEMS器件。如上面所提到的，这些MEMS器件通常被设计成在不同环境中运行。例如，用于一个MEMS器件的运行环境内的压力可以与另一个MEMS的运行环境内的压力不同。通过本文所描述的原理，这些不同运行环境可以在一次工艺中在同一芯片上形成。通过在同一工艺中形成不同压力运行环境，可以降低生产时间和成本。根据某些示例性实例，通过改变用于形成运行环境的局部腔的特征来实现运行环境之间的不同压力。
[0041]图2A是示出晶圆202中具有不同尺寸的示例性局部腔的图200。根据某些示例性实例，可以通过改变第一层或第二层的局部腔的尺寸来形成具有不同压力的运行环境。例如，一个局部腔的深度可以大于其他局部腔的深度。额外地或者可选地，一个局部腔的宽度可以大于其他局部腔的宽度。
[0042]在图2A中示出的晶圆202可以对应于图1中示出的第一层102或第二层110。在该实例中，第一腔204的宽度大于第二腔206的宽度。此外，第二腔206比第一腔深。因此，当与另一层的对应的局部腔合并时，实施接合工艺来密封腔。
[0043]通常，在比MEMS器件的工作温度更高的温度下实施接合工艺。例如，通常在约400°C和450°C之间的温度下实施金属接合工艺。然而，MEMS器件的运行环境通常是在室温下。在高温接合工艺期间，腔的表面可能变热以及排气(outgas)或者释放一些物质(spacies)。在腔被密封且温度下降之后，物质的排气或者释放可能仍继续进行一段时间。物质的排气或者释放可能改变密封腔内的压力。因此，即便是通过同一接合工艺进行加工仍会形成两个具有不同压力的最终运行环境。因为排气量与腔的表面积成比例，而压力变化受腔的体积的控制，所以精心设计的腔尺寸的差异可以专门为放置在腔内的不同的MEMS器件创建具有不同压力的不同的最终运行环境。
[0044]图2B是示出在晶圆212中的其上沉积有不同材料的示例性局部腔的图210。根据某些示例性实例，为了改变压力，在不同的腔上可以沉积有不同的材料。沉积在腔内的材料的性质可以吸收大气中的气体因而形成具有与密封完整腔的接合工艺期间的压力或真空度不同的压力或真空度的最终运行环境。不同的材料可以造成接合期间的压力和最终运行环境的压力之间的不同的变化。这在涂有不同材料的腔中形成具有不同压力或真空度的最终运行环境。
[0045]图2B中示出的晶圆212可以对应于图1中示出的第一层102或第二层110。在该实例中，将第一材料218沉积到第一腔214中。此外，将第二材料220沉积到第二腔216中。不同的材料可以是例如氧化铝(AlOx)、氮化硅铝(AlSiN)、氮化钛(TiN)、铝(Al)、钛(Ti)、金(Au)或银(Ag)。
[0046]图3是示出形成具有不同压力的运行环境的集成电路(IC)器件的示例性工艺300的流程图。根据如图4A、图4B和图4C所示的示例IC器件400的各个局部视图描述工艺300。工艺300描述和示出了用于形成由于具有不同尺寸的腔而产生的不同压力运行环境的工艺。然而，下列论述的原理也可以适用于由于在局部腔内沉积各种材料而导致的不同压力运行环境。
[0047]执行开始于步骤302，在衬底的第一层中形成局部腔。图4A示出用于以不同压力运行环境形成IC器件的示例第一层402。在该实施例中，因为第一层包括标准CMOS电路，所以第一层402可以被称为CMOS层。在一个实例中，CMOS层402可以由绝缘体上硅(SOI)晶圆制成。制造两个局部腔404、406，以使其具有不同的宽度或深度尺寸。具体地说，第二局部腔406比第一局部腔404深。此外，制造两个局部腔以使其具有不同的宽度。具体地说，第一局部腔404比第二局部腔406宽。可以通过相关领域技术人员所了解的各种方法，包括图案化/蚀刻一个腔，然后单独地图案化/蚀刻另一个腔，蚀刻出具有不同宽度和深度的腔。
[0048]方法300的执行继续到步骤304，在局部腔周围的CMOS层上形成接合接触件。继续图4A的实例，在局部腔404、406周围的CMOS层402上形成接合接触件410。在一些实施例中，CMOS层402包括在半导体材料的顶部上沉积的绝缘层408。绝缘层408使金属接合接触件410与其他金属线或接触件电隔离。然后在周围腔的适当位置上形成金属接合接触件 410。
[0049]金属接合接触件410被设计成便于进行共晶接合。共晶接合是将其中至少一种材料是金属的不同材料接合到一起形成共晶合金的工艺。共晶接合通常用于将各种部件接合至硅晶圆。共晶接合容许形成气密式密封腔并因此在形成密封运行环境时是有用的。广泛用于MEMS器件封装件的共晶接合的一些实例是Al-S1、Au-Sn, Al-Ge, Au-Ge, Au-1n和Cu-Sn0
[0050]方法300的执行继续到步骤306，在第二层中形成局部腔。因为第二层包括标准MEMS器件部件，所以第二层可以被称为MEMS层。图4B示出待用于形成具有不同压力运行环境的IC器件400的示例第二层422。与图4A的CMOS层402相同，MEMS层422的局部腔424、426可以具有不同的尺寸。在该实例中，第二局部腔426比第一局部腔424深。此外，第一局部腔424比第二局部腔426宽。
[0051]方法300的执行继续到步骤308，将中间层接合到第二层上。继续图4B的实例，将中间层430接合到MEMS层422上。中间层430可以是用于支撑待在运行环境内使用的MEMS器件的部件的半导体晶圆。在将中间层430接合到MEMS层422之前，可以将氧化物材料428放置在MEMS层422的顶部上。然后可以使用精密研磨技术使该氧化物层平滑。这便于进行熔接，熔接是用于将一个晶圆接合至另一个晶圆的标准工艺。
[0052]方法300的执行进行到步骤310，形成穿过中间层的通孔。在图4B的实例中，形成穿过中间层430的通孔432。这些通孔432可以用于在两组局部腔之间提供连接，从而在将CMOS层402接合至MEMS层422时形成完整腔。通孔432也可以用于支撑放置在腔内的各种MEMS器件部件。
[0053]方法300的执行继续到步骤312，在中间层上提供接合材料。在图4B的实例中，将接合材料434沉积到中间层430上。放置接合材料434以使其对应于放置在CMOS层402上的接合接触件410。接合材料434可以是共晶合金，从而便于在中间层430和CMOS层402之间进行共晶接合。
[0054]方法300的执行继续到步骤314，其中将第二层接合到第一层以形成完全密封的腔。参照图4C，继续该实例，将图4B的MEMS层422翻转过来并接合至图4A的CMOS层402以形成IC器件400的完全密封的腔。如图4C中所示，连接接合接触件410和接合材料434以形成气密式密封完整腔442、444。在接合工艺期间，具有不同尺寸的腔将导致在不同的运行环境内具有不同的压力。
[0055]在一些实例中，CMOS层402或MEMS层422的具有不同尺寸的局部腔可以在其上沉积有额外材料的层。这些额外材料可以被专门设计成影响最终运行环境内的大气压力。在一些情况中，通过使用不同材料沉积到具有类似尺寸的局部腔中，可以使这些腔具有不同的压力。
[0056]图5是示出形成具有MEMS的不同压力运行环境的集成电路的方法500的另一实施例的流程图。方法500的执行开始于步骤502，在第一层中形成至少两个局部腔。该步骤与上文参照图3论述的步骤302类似。
[0057]方法500的执行继续到步骤504，在第二层中形成至少两个局部腔，第二层的至少两个局部腔与第一层的局部腔互补。该步骤与上文参照图3所论述的步骤306类似。
[0058]方法500的执行继续到步骤506，将中间层接合到第二层，该中间层包括对应于第二层的局部腔的通孔。执行然后继续到步骤508，将第一层接合至中间层以使形成完整腔，该完整腔用于MEMS器件的运行环境，其中，这两个完整腔具有不同的压力。
[0059]根据某些示例性实例，一种集成电路器件包括第一层，该第一层包含至少两个局部腔。该器件还包括接合至第一层的中间层，该中间层包含与第一层的至少两个局部腔基本对准的至少两个通孔。器件还包括接合至中间层的第二层，该第二层包含与至少两个通孔基本对准以形成至少两个密封的完整腔的至少两个局部腔，该至少两个密封的完整腔包含第一层的至少两个局部腔和第二层的至少两个局部腔。该至少两个完整腔内的压力不同。
[0060]根据某些示例性实例，一种形成具有微电子机械系统(MEMS)的集成电路的方法包括:在第一层中形成至少两个局部腔；在第二层中形成至少两个局部腔，第二层的至少两个局部腔与第一层的局部腔互补；将中间层接合至第二层，中间层包含对应于第二层的局部腔的通孔；以及将第一层接合至中间层以使形成完整腔，该完整腔充当MEMS器件的运行环境。这两个完整腔的压力不同。
[0061]一种集成电路器件包括MEMS层，该MEMS层包含多个局部腔。该器件还包括接合至MEMS层的中间层，该中间层包含与MEMS层的多个局部腔基本对准的多个通孔。器件还包括接合至中间层的CMOS层，该CMOS层包含与多个通孔基本上对准以形成多个密封完整腔的多个局部腔，该多个密封完整腔包含MEMS层的多个局部腔和CMOS层的多个局部腔。在该多个完整腔内的压力不同。
[0062]可以理解可以以不同的顺序或者并行使用上面列出的实施例和步骤的各种不同的组合，并且无特定的步骤是关键的或者必需的。此外，虽然在本文中使用术语“电极”，但可以意识到该术语包括“电极接触件”的概念。而且，上文参照一些实施例示出和论述的部件可以与参照其他实施例示出和论述的部件相结合。因此，所有这些修改意图全都包括在本发明的范围内。
[0063]上面论述了若干实施例的部件。本领域普通技术人员应该理解，他们可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域普通技术人员还应该意识到，这些等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
【权利要求】
1.一种集成电路器件，包括: 第一层，包含至少两个局部腔； 中间层，接合至所述第一层，所述中间层包含与所述第一层的至少两个局部腔基本对准的至少两个通孔；以及 第二层，接合至所述中间层，所述第二层包含与所述至少两个通孔基本对准的至少两个局部腔，以形成密封的至少两个完整腔，所述至少两个完整腔包含所述第一层的至少两个局部腔和所述第二层的至少两个局部腔， 其中，所述至少两个完整腔内的压力不同。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述至少两个完整腔之间的压差由至少一个局部腔的尺寸不同所引起。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，尺寸不同的局部腔的宽度或长度与其他局部腔不同。
4.根据权利要求2所述的器件，其中，尺寸不同的局部腔的深度与其他局部腔不同。
5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述至少两个完整腔之间的压差由至少一个局部腔内沉积的材料不同所引起。
6.根据权利要求5所述的器件，其中，所沉积的材料包括以下材料中的一种:A1、T1、AlOx, AlSiN, TiN, Au 和 Ag。
7.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一层包含互补金属氧化物半导体层。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第二层包含与MEMS器件相关的部件。
9.一种形成具有微电子机械系统(MEMS)的集成电路的方法，所述方法包括: 在第一层中形成至少两个局部腔； 在第二层中形成至少两个局部腔，所述第二层的至少两个局部腔与所述第一层的至少两个腔互补； 将中间层接合到所述第二层上，所述中间层包含对应于所述第二层的局部腔的通孔； 将所述第一层接合到所述中间层以形成完整腔，所述完整腔用作MEMS器件的运行环境， 其中，至少两个所述完整腔的压力不同。
10.一种集成电路器件，包括: MEMS层，包含多个局部腔； 中间层，接合至所述MEMS层，所述中间层包含与所述MEMS层的多个局部腔基本对准的多个通孔；以及 CMOS层，接合至所述中间层，所述CMOS层包含与所述多个通孔基本对准的多个局部腔以形成密封的多个完整腔，所述多个完整腔包含所述MEMS层的多个局部腔和所述CMOS层的多个局部腔， 其中，所述多个完整腔内的压力不同。
【文档编号】B81B7/02GK104016298SQ201310221687
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年3月1日
【发明者】程世伟, 翁睿均, 许希丞, 王志佑, 杜荣国, 朱则荣, 徐于庭 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司