CN103253625B - 微电子机械***mems结构及其形成方法 - Google Patents

微电子机械***mems结构及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种器件，所述器件包括与衬底结构接合的盖式衬底。所述衬底结构包括集成电路结构。所述集成电路结构包括设置在气体外泄阻止结构上的顶部金属层。至少一个MEMS器件设置在所述顶部金属层和所述气体外泄阻止结构的上方。本发明还公开了一种微电子机械***(MEMS)结构以及形成MEMS结构的方法。

Description

微电子机械***MEMS结构及其形成方法
技术领域
本发明总体上涉及半导体封装***领域，更具体地，涉及微电子机械***(MEMS)结构以及形成MEMS结构的方法。
背景技术
半导体集成电路(IC)工业经历了快速发展。在IC材料以及设计方面的技术进步已经产生了若干代IC产品，其中每一代IC产品比前一代具有更小更复杂的电路。在IC逐步进步的历程中，功能密度(即，每芯片面积中互连器件的数量)大体上得到了提升，然而几何尺寸(即，使用制造工艺所能创造的最小部件)在减小。这些进步增加了加工及制造IC的复杂性，同时为实现这些进步，需要在IC加工及制造方面同样发展。
微电子机械***(MEMS)器件是在集成电路技术领域的最新发展，包括使用半导体技术形成机械和电子部件来制造器件。
MEMS器件的实例包括齿轮、控制杆、阀门以及铰链。MEMS器件的通常应用包括加速计、压力传感器、制动器、镜子、加热器以及打印机喷头。
发明内容
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，提供了一种器件，所述器件包括：
盖式衬底；以及
衬底结构，与所述盖式衬底接合，所述衬底结构包括：
集成电路结构，包括设置在气体外泄阻止结构上的顶部金属层；以及
至少一个微电子机械***(MEMS)器件，设置在所述顶部金属层以及所述气体外泄阻止结构上方。
在可选实施例中，所述气体外泄阻止结构直接接触所述顶部金属层。
在可选实施例中，所述气体外泄阻止结构包括至少一种选自由氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅以及碳氮化硅组成的组中的材料。
在可选实施例中，所述盖式衬底通过所述盖式衬底的支柱部分接合到所述衬底结构，所述支柱部分延伸穿过所述衬底结构的开口并接触到所述顶部金属层。
在可选实施例中，所述盖式衬底通过融熔接合或者共晶接合而接合到所述衬底结构。
在可选实施例中，所述盖式衬底接合到所述衬底结构的表面，所述衬底结构的所述表面大体与所述至少一个MEMS器件的表面齐平或高于所述至少一个MEMS器件的表面。
在可选实施例中，所述器件还包括：气体消除结构，设置在所述气体外泄阻止结构的上方，其中所述气体消除结构配置成吸收和/或消耗被所述盖式衬底以及所述衬底结构密封的气体的至少一部分。
在可选实施例中，所述气体消除结构包括至少一种配置成通过流过所述气体消除结构的电流进行氧化的金属材料。
在可选实施例中，所述气体消除结构包括熔丝结构。
根据本发明的另一个方面，提供了一种微电子机械***(MEMS)结构，包括：
第一衬底结构，所述第一衬底结构包括：
气体外泄阻止结构，设置在介电材料上方；以及
顶部金属层，设置在所述气体外泄阻止结构上方；
第二衬底结构，设置在所述第一衬底结构上方，所述第二衬底结构包括至少一个MEMS器件；以及
第三衬底结构，设置在所述第二衬底结构上方。
在可选实施例中，所述气体外泄阻止结构直接接触所述顶部金属层。
在可选实施例中，所述气体外泄阻止结构包括至少一种选自由氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅以及碳氮化硅组成的组中的材料。
在可选实施例中，所述第三衬底结构通过所述第三衬底结构的支柱部分接合到所述第一衬底结构，所述支柱部分延伸穿过所述第二衬底结构的开口并接触所述顶部金属层。
在可选实施例中，所述第三衬底结构接合到所述第二衬底结构。
在可选实施例中，所述器件还包括：气体消除结构，设置在所述气体外泄阻止结构上方，其中所述气体消除结构配置成吸收和/或消耗由所述第一衬底结构、所述第二衬底结构以及所述第三衬底结构密封的气体的至少一部分。
在可选实施例中，所述气体消除结构包括至少一种配置成通过流过所述气体消除结构的电流进行氧化的金属材料。
在可选实施例中，所述气体消除结构包括熔丝结构。
根据本发明的又一个方面，还提供了一种用于形成微电子机械***(MEMS结构)的方法，所述方法包括：
提供第一衬底结构，其中所述第一衬底结构包括与顶部金属层接触的气体外泄阻止结构；
将第二衬底结构与所述第一衬底结构接合，所述第二衬底结构包括至少一个MEMS器件；以及
将第三衬底结构与所述第一衬底结构或所述第二衬底结构接合。
在可选实施例中，所述方法还包括：在所述气体外泄阻止结构上方形成至少一个气体消除结构，其中所述气体消除结构配置成吸收和/或消耗由所述第一衬底结构、所述第二衬底结构和所述第三衬底结构密封的气体的至少一部分。
在可选实施例中，所述气体消除结构包括至少一种配置成通过流过所述气体消除结构的电流进行氧化的金属材料。
附图说明
结合附图阅读下面的详细描述能够更完整地理解本发明。需要强调的是，根据工业标准实践，各种部件未按比例绘制，只是用来示范性。实际上，为了清楚起见，各种部件的尺寸可任意地增加或减少。
图1是根据本发明一些实施例的一示范性MEMS结构的截面示意图。
图2是根据本发明一些实施例的另一示范性MEMS结构的示范性的截面图。
图3是根据本发明一些实施例的包括至少一个气体消除结构的一示范性MEMS结构的示范性截面图。
图4是根据本发明一些实施例的示范性气体消除结构的俯视示意图。
图5是根据本发明一些实施例的包括至少一个气体消除结构的另一示范性MEMS结构的示范性的截面图。
图6示出了根据本发明一些实施例的制造MEMS结构的示范性方法的流程图。
图7A-7C是使用一示范性方法形成MEMS结构的不同阶段的截面图。
具体实施方式
通常，MEMS封装***具有多个相互接合的衬底。在MEMS封装***中，MEMS器件设置在由接合的衬底密闭的空间里。空间是真空的使得在所述空间中的MEMS器件的操作较少受到影响。衬底具有多种用于形成集成电路的介电材料。已发现气体可能从所述介电材料泄出而进入所述空间。所述气体可能改变MEMS器件周围的环境以及影响MEMS器件的操作。
以下公开提供了多种不同实施例或实例，用到实现本发明的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不旨在限制本发明。另外，本发明可以在多个实例中重复参考符号和/或字符。这种重复用到简化和清楚，并且其本身不表示所述多个实施例和/或配置之间的关系。此外，在本发明以下描述中，一部件形成在另一部件上，一部件连接到另一部件和/或耦合到另一部件可包括所述部件直接接触的实施例，也可包括另外的部件形成在所述部件之间使得所述部件不直接接触的实施例。另外，空间关系术语，例如，“低于”、“高于”、“水平于”、“垂直于”、“之上”、“之下”、“上面”、“下面”、“顶部”、“底部”等，以及它们的衍生词(例如：“水平地”、“向下地”、“向上地”等)被用于说明本发明中一部件与另一部件的关系。空间关系术语旨在涵盖包含各部件的器件的不同方向。
本发明涉及MEMS结构以及形成MEMS结构的方法。MEMS结构包括气体外泄阻止结构，配置成减少从在MEMS器件周围设置的半导体材料的气体外泄。下面描述不同的示范性MEMS结构及其形成方法。应当理解以下描述的MEMS结构以及方法仅是示范性的。本发明的范围并不受其限制。
图1是根据本发明的一些实施例的示范性微电子机械***(MEMS)结构的截面示意图。在图1中，衬底结构130与衬底结构105相接合。在一些实施例中，衬底结构105包括至少一个衬底结构，例如，相互接合的衬底结构110和120。在一些实施例中，将衬底结构105和130组装以形成密闭的或非密闭的封装***。在一些实施例中，衬底结构110、120和130分别包括衬底112、122和132。在一些实施例中，衬底结构130被称为盖式衬底结构。衬底132被称为盖式衬底。衬底122被称为MEMS衬底。衬底112被称为集成电路衬底。
在一些实施例中，衬底112、122和132每一个都包括相同或不同的材料，以及可能包括任何合适的材料组合。例如，衬底112、122和132可以是半导体衬底，包括：诸如硅和/或锗的元素半导体；诸如碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟的复合半导体；诸如SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP的合金半导体；或它们的组合。合金半导体衬底可以具有梯度SiGe部件，其中Si和Ge的成分从在梯度SiGe部件的某处的一个比率变化到在另一处的另一个比率。在硅衬底上方可形成合金SiGe。SiGe衬底可以是应变的。此外，衬底112、122和/或132可以是绝缘体上半导体(SOI)。在一些实例中，衬底112、122和/或132包括掺杂的外延层。在其他的一些实例中，衬底112、122和/或132包括多层复合半导体结构。可选地，衬底112、122和/或132包括非半导体材料，例如玻璃、熔融石英或氟化钙。
在一些实施例中，衬底结构110、120和/或130包括至少一个互补金属氧化物半导体CMOS集成电路，至少一个微电子机械***(MEMS)电路，至少一中介结构，其它的集成电路和/或任何它们的组合。在一些实施例中，中介结构表示可仅包括用于电连接的导线布线而不包括任何有源器件的衬底。
例如，如图1所示，衬底结构105包括形成在衬底112上方的集成电路结构111。在一些实施例中，集成电路结构111例如使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术来形成。集成电路结构111包括但不限于，例如，逻辑电路、模拟电路、混合信号电路和/或任何合适的集成电路。在一些实施例中，集成电路结构111包括形成在衬底112上方的互连金属结构(未标出)。互连金属结构配置成为在衬底112和/或122上和/或上方形成的有源器件和/或无源器件之间提供电互连。
在一些实施例中，互连金属结构包括至少一个介电层，例如，介电层114以及金属间介电材料IMD材料119。在一些实施例中，介电层114和IMD材料119每个都包括至少一种材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、低介电常量(低k)介电材料，超低k介电材料、其它介电材料或任何它们的组合。在一些使用熔融接合的实施例中，介电层114与衬底122接触，这导致衬底122和介电层114由于原子引力(例如，范德华力)而保持在一起。衬底122和介电层114可经受退火工艺，退火工艺之后在衬底122和介电层114之间形成紧固接合。
在一些实施例中，互连金属结构包括多个金属层，例如，金属层112和116。金属层112和116通过至少一个通孔插塞结构(例如，通孔插塞结构118)而相互电连接。在一些实施例中，互连金属结构至少由一种材料制成，例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钴(Co)、铂(Pt)、硅(Si)、锗(Ge)、钛(Ti)、钽(Ta)、金(Au)、镍(Ni)、锡(Sn)、其它合适的金属材料和/或任何它们的组合。
在一些实施例中，金属层116称为顶部金属层。顶部金属层可部分暴露在由衬底结构105以及130形成封闭的空间113中。金属层116包括至少一个焊盘结构，例如焊盘结构117。焊盘结构117配置成与衬底结构130的焊盘结构134接合。焊盘结构117和134每个都包括适于接合的接合材料。例如，焊盘结构134包括至少一种半导体材料，例如Ge、Si、硅锗(SixGe1-x)、其它半导体材料和/或任何它们的组合。焊盘结构117包括至少一种金属材料，例如，Al、Cu、Ti、Ta、Au、Ni、Sn、其它金属材料和/或任何它们的组合。在其它实施例中，焊盘结构117和134每个包括至少一种金属材料，例如Al、Cu、Ti、Ta、Au、Ni、Sn、其它金属材料和/或任何它们的组合。
再参考图1，衬底结构120包括至少一种MEMS器件，例如，MEMS器件124。在一些实施例中，MEMS器件124包括多个由金属、多晶硅、电介质和/或其它材料形成的多个元件。MEMS器件124可包括典型地用于CMOS制造工艺的材料。根据期望的功能，MEMS器件124的任何配置都是可能的。所描述的一种或多种元件可被设计成用于提供MEMS机械结构。MEMS机械结构可包括操作机械运动的结构或元件。MEMS器件124可使用在CMOS制造采用的工艺来形成，例如，光刻法、蚀刻工艺(如，湿蚀刻、干蚀刻，等离子体蚀刻)、沉积工艺、电镀工艺和/或其它合适的工艺，其可使用一个或多个掩模以及图案化步骤。在一些实施例中，MEMS器件124包括运动传感器(例如，陀螺仪、加速计等)，射频(RF)MEMS器件(例如，RF开关、滤波器等)，振荡器，MEMS微音器或任何其它的MEMS器件。
在一些实施例中，形成插口(凹处)/支柱结构以接合衬底结构105和130。例如，如图1所示，衬底结构130包括支柱结构135。在衬底结构105中形成有插口126(也称为开口、沟槽或凹处)。在一些实施例中，围绕MEMS器件124布置插口126。如图1所示，衬底结构130的支柱结构135设置为进入衬底结构105的插口126内，使得焊盘结构117和134相互接触以形成接合。
在一些实施例中，插口126包括任何合适的尺寸，例如长度和宽度，并为衬底结构105的支柱结构135与衬底结构110接合提供贯通结构。在一些实施例中，插口126的尺寸与支柱结构135的尺寸大体相似。插口126可与用于形成MEMS器件124的图案化工艺同时形成或单独形成。在一些实施例中，在MEMS器件124图案化工艺期间，同时形成插口126(例如，使用同一掩模)。
如所述的，支柱结构135可以包括任何合适的尺寸，例如长度和宽度，以及可大体上与插口126的尺寸相似。在一些实施例中，支柱结构135和插口126具有使支柱结构135可刚好放入插口126中以接合衬底结构105和130的尺寸。示范性尺寸可包括支柱结构135具有大约50μm的长度以及大约50μm的宽度，以及插口126具有小于50μm的长度和大于50μm的宽度，例如大约80μm。如图1所示，支柱结构135的一部分被放入插口126中，使得焊盘结构134与117相互接触以通过任何合适的接合工艺(例如熔融或共晶接合工艺)来形成接合，。
在一些实施例中，当衬底结构130接合到衬底结构105时(即焊盘结构134接触焊盘结构117)，支柱结构135和插口126的尺寸使得衬底结构105和130之间保留有空间(未标出)。插口126和支柱结构135之间的空间为接合工艺期间因合金受压引起的溢出物提供了空间。支柱结构/凹处结构因而可有效地容纳溢出物。
再参考图1，集成电路结构111包括设置在金属层116和MEMS器件124下方的气体外泄阻止结构115。在一些实施例中，气体外泄阻止结构115与金属层116直接接触。在一些实施例中，至少气体外泄阻止结构115的一部分暴露在由接合的衬底结构105和130封闭的空间113中。气体外泄阻止结构115配置成阻止气体(例如，氧气、二氧化碳、其它气体和/或任何它们的组合)从集成电路结构111的金属间介电材料IMD材料119泄出。通过阻止气体从IMD材料119泄出，被密封在空间113中的MEMS器件124的周围环境可保持期望状态。
在一些实施例中，气体外泄阻止结构115具有低于集成电路结构111的IMD材料119的气体允许度。气体外泄阻止结构可包括选自由氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅以及碳氮化硅组成的组中的至少一种材料。在一些实施例中，气体外泄阻止结构115包括单层结构或多层结构。在一些实施例中，气体外泄阻止结构115包括至少一部分，其覆盖介电层114的侧壁的至少一部分。
图2是根据本发明一些实施例的另一示范性MEMS结构的示范性截面图。与图1中部件相同或相似的图2中的部件用相同的参考号标识或者增加图1部件的标号的基础上增加100来标识。相同或相似部件不再重复详细描述。在图2中，衬底结构205和230相互接合以形成密闭空间213。在一些实施例中，衬底结构205包括相互接合的衬底结构210和220。衬底结构210、220和230分别包括衬底212、222和232。
参考图2，衬底结构205包括集成电路结构211。集成电路结构211包括互连金属结构(未标出)。互连金属结构包括至少一条金属线，例如，金属线212和216，以及至少一个通孔插塞结构，例如，通孔插塞结构218。集成电路结构211包括至少一个介电层，例如，与衬底222接合的介电层214。衬底结构205包括气体外泄阻止结构215。气体外泄阻止结构215设置在金属层216下方。在一些实施例中，气体外泄阻止结构215接触金属层216。
正如所述，气体外泄阻止结构215配置成阻止气体(例如，氧气、二氧化碳、其它气体和/或任何它们的组合)从在气体外泄阻止结构215下方设置的集成电路结构211的IMD材料219泄出。通过阻止气体从IMD材料219泄出，被密封在空间213内的MEMS器件224周围的环境可保持期望状态。
参考图2，衬底结构220包括至少一个MEMS器件224。在一些实施例中，衬底结构220包括至少一个围绕MEMS器件224设置的焊盘结构227。焊盘结构227配置成与衬底结构230的焊盘结构234相接合。在一些实施例中，焊盘结构227的材料与上面结合图1描述的焊盘结构117的材料相同或相似。
在一些实施例中，衬底结构230接合到衬底结构205的表面220a。如图2所示，在焊盘结构227和234之间的界面220a高于MEMS器件224的表面224a。在其它实施例中，焊盘结构234直接接合到衬底222的表面。焊盘结构234与衬底222之间的界面与MEMS器件224的表面224a基本齐平。
图3是根据本发明一些实施例的包括至少一个气体消除结构的示范性MEMS结构的示范性截面图。在图3中，MEMS结构300包括至少一个气体消除结构，例如，气体消除结构310。气体消除结构310设置在气体外泄阻止结构115的上方。气体消除结构310配置成吸收和/或消耗被衬底结构105和130密封的气体的至少一部分。在一些实施例中，气体消除结构310包括至少一种材料，例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钴(Co)、铂(Pt)、硅(Si)、锗(Ge)、钛(Ti)、钽(Ta)、金(Au)、镍(Ni)、锡(Sn)，其它合适的金属材料和/或任何它们的组合。在一些实施例中，气体消除结构310是金属层116的一部分。在其它实施例中，气体消除结构310使用与金属层116不同的材料制造。
如所述的，气体消除结构310配置成吸收和/或消耗被衬底结构105和130密封的气体的至少一部分。例如，气体消除结构310包括铜，其易于与由衬底结构105和130形成的密闭空间中的氧气反应。在一些实施例中，气体消除结构310包括如图4所示的熔丝结构。在图4中，气体消除结构310包括电极节点310a和310b和在电极节点310a和310b之间的部分310c。通过提供从电极310a到电极310b的电流，部分310c被加热并且易于与例如氧气发生反应从而生成金属氧化物。
应当理解，在图4中示出的气体消除结构310的布置仅是示范性的。本发明的申请范围并不受此限定。在一些实施例中，气体消除结构310包括至少一个金属带、线，其它金属结构和/或任何它们的组合。
应当理解，图3中示出的气体消除结构310的位置仅是示范性的。在一些实施例中，气体消除结构310设置在衬底122的表面122a的上方。在一些实施例中，气体消除结构310设置为靠近衬底132面向空间113的表面。在一些实施例中，气体消除结构310在介电层114侧壁的至少一部分上延伸。
图5是根据本发明一些实施例的包括至少一个气体消除结构的另一示范性MEMS结构的示范性截面图。在图5中，MEMS结构500包括至少一个气体消除结构，例如，气体消除结构510。气体消除结构510设置在气体外泄阻止结构215的上方。气体消除结构510配置成吸收和/或消耗由衬底结构205以及230密封的气体的至少一部分。在一些实施例中，气体消除结构510与结合图3和图4描述的气体消除结构310相同或相似。
下面描述形成结合图1-5描述的不同MEMS结构的示范性工艺。图6提供了示出制造MEMS结构的示范性方法700的流程图。图7A-7C是采用方法600形成MEMS结构的各阶段的截面图。应当理解，可在方法600之前，中间，以及之后采用另外的步骤，以及下述的一些步骤可在此方法的另外实施例中被替代或被删减。还应理解，可在MEMS结构100中增加另外的部件，以及下述一些部件在MEMS结构100的另外实施例中可被替代或被删减。方法600以及相应的MEMS结构100仅是示范性，并不旨在限制本发明。
参考图6，在框610，提供了第一衬底结构，例如图7A中示出的衬底结构110。如所述的，衬底结构110包括衬底112。衬底112可以是半导体衬底，包括：诸如硅和/或锗的元素半导体；诸如氧化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟的复合半导体；诸如SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP的合金半导体；或它们的组合。合金半导体衬底可具有梯度SiGe部件，其中Si与Ge的成分从在梯度SiGe部件的某处的一比率变化到在另一处的另一比率。合金SiGe可形成在硅衬底的上方。SiGe衬底可以是应变的。另外，衬底可以是绝缘体上半导体(SOI)。在一些实施例中，衬底112包括掺杂的外延层。在另一实例中，衬底112包括多层复合半导体结构。可选地，衬底112包括非半导体材料，例如玻璃、熔融石英或氟化钙。
在一些实施例中，衬底结构110包括集成电路结构111。集成电路结构111包括存储单元、模拟电路、逻辑电路和/或混合信号电路(未示出)。集成电路结构111可包括无源元件，例如，电阻器、电容器、电感器和/或熔丝；以及有源元件，例如P沟道场效应晶体管(PFET)、N沟道场效应晶体管(NFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、互补金属氧化物半导体晶体管(CMOS)、高压晶体管和/或高频晶体管；其它合适的元件和/或它们的组合。在一实例中，衬底110包括一个或多个CMOS器件，例如晶体管(如NMOS和/或PMOS晶体管)。在一些实施例中，集成电路结构111包括与晶体管相关联的电路，例如，互连层(如金属线和通孔)和层间介电层(ILD)。在一些实施例中，集成电路结构111还包括绝缘结构和/或与集成电路关联的任何其它元件。
在一些实施例中，方法600包括在IMD材料119上方形成气体外泄阻止结构115。然后在气体外泄结构115上方形成金属层116。形成气体外泄阻止结构115可使用化学气相沉积(CVD)工艺、原子层沉积(ALD)工艺，高密度等离子体CVD(HDPCVD)工艺，其它合适的方法和/或任何它们的组合。在一些实施例中，介电层114形成在气体外泄阻止结构115的上方。
参考图6，在框620，将第二衬底结构与第一衬底结构接合。例如，如图7A所示，衬底结构110与衬底结构120接合。在一些实施例中，衬底结构120包括全部或部分的MEMS器件124。应当理解，可在衬底结构120与衬底结构110接合之前或之后构造MEMS器件124。在一些实施例中，MEMS器件124包括由金属、多晶硅、电介质和/或其它材料形成的多个元件。MEMS器件124可包括在CMOS制造工艺中使用的材料。根据期望的功能，任何MEMS器件124的配置都有可能。上述的一个或多个元件可被设计为用于提供MEMS机械结构。MEMS机械结构可包括用于机械运动操作的结构或元件。可使用CMOS制造中采用的工艺形成MEMS器件124，例如，光刻、蚀刻工艺(如湿蚀刻、干蚀刻、等离子体蚀刻)，沉积工艺，电镀工艺和/或其它合适的工艺。在一实施例中，MEMS器件124包括运动传感器(如陀螺仪、加速计等)，射频(RF)MEMS器件(如RF开关、滤波器等)，振荡器，MEMS微音器或任何其它MEMS器件。
在一些实施例中，使用任何合适的方法将衬底结构110和120结合在一起，诸如融熔或共晶接合工艺。例如，融熔接合工艺涉及将衬底110和120紧密接触，这使得衬底110和120由于原子吸引力(例如，范德华力)而保持在一起。然后衬底110和120经受退火工艺，在退火工艺后，在衬底结构110和120之间形成牢固接合。退火工艺的温度可以是任何合适的温度，例如在大约200℃和大约350℃之间。融熔接合工艺可实施为SiO2/Si接合、Si/Si接合和/或其它合适的接合。在一些实施例中，介电层114可包括高密度等离子体(HDP)氧化物、正硅酸乙酯(TEOS)氧化物、等离子体增强TEOS(PETEOS)氧化物。
在一些其它实施例中，可在任何适合接合温度界限条件的合金之间应用共晶结合工艺。例如，共晶结合工艺包括金属/金属接合和/或金属/半导体结合，诸如Ge/Al接合、Ge/Au接合、Si/Au接合、Si/Al接合和/或其它合适的接合。如果接合工艺涉及包括CMOS器件的衬底，可以将接合温度控制在接近或低于CMOS器件温度。共晶结合工艺可发生在高压以及任何合适的温度(例如在大约400℃和500℃之间)的情况下。
再参考图6，在框630，将第三衬底结构与第一衬底结构接合。例如，提供了如图7B示出的衬底结构130。如所述的，衬底结构130包括支柱结构135以及焊盘结构134。在一些实施例中，使用在CMOS制造中采用的典型工艺形成支柱结构135，例如，光刻法、蚀刻工艺(如，湿蚀刻、干蚀刻、等离子体蚀刻)，沉积工艺，电镀工艺和/或其它合适的工艺。只使用单次掩模以在衬底132上形成支柱结构135可有助于减少生产成本以及时间。
参考图7C，衬底结构130与衬底结构110接合。将支柱结构135的一部分直接接触衬底结构110的焊盘结构117的一部分以通过任何合适的接合工艺形成接合，诸如上述的融熔接合和共晶结合工艺。在一些实施例中，衬底结构110以及130彼此共晶接合。在一些实施例中，可在任何适合接合温度界限条件的合金之间应用共晶接合工艺。例如，共晶结合工艺可包括金属/金属接合和/或金属/半导体结合，诸如Ge/Al接合、Ge/Au接合、Si/Au接合、Si/Al接合和/或其它合适的接合。如果接合工艺涉及包括CMOS器件的衬底，可以将接合温度控制在接近或低到CMOS器件温度界限。共晶结合工艺可发生在高压以及任何合适的温度(例如在大约400℃和500℃之间)的情况下。
在其它实施例中，第三衬底结构与第二衬底结构接合。例如，如图2所示，衬底结构230和衬底结构220通过共晶接合或融熔接合工艺接合。
在一些实施例中，形成上面结合图3描述的MEMS结构中的气体消除结构310，方法600进一步包括在气体外泄阻止结构115上方形成气体消除结构310。在一些实施例中，气体消除结构310是金属层116的一部分。可用图案化金属层116的光刻和蚀刻工艺对气体消除结构310进行图案化。
在本发明的第一示范性实施例中，一种器件，包括与衬底结构接合的盖式衬底。所述衬底结构包括集成电路结构。所述集成电路结构包括设置在气体外泄阻止结构上的顶部金属层。至少一个微电子机械***(MEMS)器件设置在所述顶部金属层以及所述气体外泄阻止结构上方。
在本发明的第二示范性实施例中，一种微电子机械***(MEMS)结构，包括第一衬底结构。所述第一衬底结构包括设置在介电材料上方的气体外泄阻止结构。顶部金属层设置在所述气体外泄阻止结构上方。第二衬底结构设置在第一衬底结构上方。所述第二衬底结构包括至少一个MEMS器件。第三衬底结构设置在所述第二衬底结构上方。
在本发明的第三示范性实施例中，一种用于形成微电子机械***(MEMS)结构的方法，包括提供第一衬底结构。所述第一衬底结构包括与顶部金属层接触的气体外泄阻止结构。第二衬底结构与所述第一衬底接合。第三衬底结构与第一或第二衬底结构接合。
以上概述了一些实施例的特征，以使本领域技术人员能够更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，他们可以很容易地将本申请公开的内容作为基础来设计或更改其他的工艺和结构，以实现与本申请介绍的实施例相同的目的和实现同样的优点。本领域技术人员还应该意识到这种等效构造并不背离本发明精神和范围，以及在不背离本发明精神和范围的情况下，可做各种改变、替代和更改。

Claims (19)

1.一种半导体器件，所述器件包括：
盖式衬底；以及
衬底结构，与所述盖式衬底接合并且与所述盖式衬底形成封闭的空间，
所述衬底结构包括：
集成电路结构，包括设置在气体外泄阻止结构上的顶部金属层；以及
至少一个微电子机械***(MEMS)器件，设置在所述顶部金属层以及所述气体外泄阻止结构上方并且被密封在所述封闭的空间中。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述气体外泄阻止结构直接接触所述顶部金属层。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述气体外泄阻止结构包括至少一种选自由氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅以及碳氮化硅组成的组中的材料。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述盖式衬底通过所述盖式衬底的支柱部分接合到所述衬底结构，所述支柱部分延伸穿过所述衬底结构的开口并接触到所述顶部金属层。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述盖式衬底通过融熔接合或者共晶接合而接合到所述衬底结构。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述盖式衬底接合到所述衬底结构的表面，所述衬底结构的所述表面大体与所述至少一个微电子机械***器件的表面齐平或高于所述至少一个微电子机械***器件的表面。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：
气体消除结构，设置在所述气体外泄阻止结构的上方，其中所述气体消除结构配置成吸收和/或消耗被所述盖式衬底以及所述衬底结构密封的气体的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述气体消除结构包括至少一种配置成通过流过所述气体消除结构的电流进行氧化的金属材料。
9.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述气体消除结构包括熔丝结构。
10.一种微电子机械***(MEMS)结构，包括：
第一衬底结构，所述第一衬底结构包括：
气体外泄阻止结构，设置在介电材料上方；以及
顶部金属层，设置在所述气体外泄阻止结构上方；
第二衬底结构，设置在所述第一衬底结构上方，所述第二衬底结构包括至少一个微电子机械***器件；以及
第三衬底结构，设置在所述第二衬底结构上方，所述第三衬底结构与所述第一衬底结构或所述第二衬底结构接合并且与所述第一衬底结构或所述第二衬底结构形成封闭的空间，所述微电子机械***器件被密封在所述封闭的空间中。
11.根据权利要求10所述的微电子机械***结构，其中所述气体外泄阻止结构直接接触所述顶部金属层。
12.根据权利要求11所述的微电子机械***结构，其中所述气体外泄阻止结构包括至少一种选自由氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅以及碳氮化硅组成的组中的材料。
13.根据权利要求10所述的微电子机械***结构，其中所述第三衬底结构通过所述第三衬底结构的支柱部分接合到所述第一衬底结构，所述支柱部分延伸穿过所述第二衬底结构的开口并接触所述顶部金属层。
14.根据权利要求10所述的微电子机械***结构，还包括：
气体消除结构，设置在所述气体外泄阻止结构上方，其中所述气体消除结构配置成吸收和/或消耗由所述第一衬底结构、所述第二衬底结构以及所述第三衬底结构密封的气体的至少一部分。
15.根据权利要求14所述的微电子机械***结构，其中所述气体消除结构包括至少一种配置成通过流过所述气体消除结构的电流进行氧化的金属材料。
16.根据权利要求14所述的微电子机械***结构，其中所述气体消除结构包括熔丝结构。
17.一种用于形成微电子机械***(MEMS)结构的方法，所述方法包括：
提供第一衬底结构，其中所述第一衬底结构包括与顶部金属层接触的气体外泄阻止结构；
将第二衬底结构与所述第一衬底结构接合，所述第二衬底结构包括至少一个微电子机械***器件；以及
将第三衬底结构与所述第一衬底结构或所述第二衬底结构接合以与所述第一衬底结构或所述第二衬底结构形成封闭的空间，所述微电子机械***器件被密封在所述封闭的空间中。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
在所述气体外泄阻止结构上方形成至少一个气体消除结构，其中所述气体消除结构配置成吸收和/或消耗由所述第一衬底结构、所述第二衬底结构和所述第三衬底结构密封的气体的至少一部分。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述气体消除结构包括至少一种配置成通过流过所述气体消除结构的电流进行氧化的金属材料。
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