TW201408582A - 混合整合構件及其製造方法 - Google Patents

Abstract

為了顯著提高實現一構件(100)的MEMS元件(10)之微機械結構時的設計自由度，該構件包括一用於該MEMS元件(10)之載體(20)以及一用於該MEMS元件(10)之微機械結構的罩蓋(30)，其中，該MEMS元件(10)透過一間隔結構(21)安裝於該載體(20)上。該MEMS元件(10)做在一層結構內，該MEMS元件(10)之微機械結構(11)在該層結構的至少兩功能層(3，5)上延伸，該二功能層被至少一中間層(4)隔開。

Description

混合整合構件及其製造方法

本發明係有關於一種構件，至少包括一特定言之實施為ASIC(特定應用積體電路)元件之載體、一MEMS(微機電系統)元件以及一罩蓋。該MEMS元件透過一間隔結構安裝於該載體上，該罩蓋佈置於該MEMS元件的微機械結構上。

本發明亦有關於一種製造此種混合整合構件的方法，其中，在該載體上製成一間隔結構，對一用作MEMS基板之SOI晶圓的功能層實施結構化，以面朝下的方式將該MEMS基板以其結構化之功能層安裝於該載體的間隔結構上。

本發明之出發點為歐洲專利說明書0 773 443所揭露的一種構件。該公開案描述一種微機械加速度感測器，其實施為由一ASIC基板及一MEMS基板所構成的晶片疊層。此MEMS基板實施為SOI晶圓，其功能層中構建有一搖桿狀感測器結構。此MEMS基板係藉由倒裝芯片技術透過相應間隔件安裝於ASIC基板上，使得感測器結構處於ASIC表面與SOI基板之間的一密封式空腔內。加速度會引起搖桿結構發生偏轉，該案係用位於感測器結構上的測量電極以及位於ASIC表面上的靜止電極對此種偏轉進行電容式偵測。該習知加速度感測器中的ASIC基板上還整合有測量信號用評價電路。

本發明提出若干措施以顯著提高實現習知構件方案中的MEMS元件之微機械結構時的設計自由度。

本發明透過以下方式實現此點：該MEMS元件之微機械結構在該MEMS元件之層結構的至少兩功能層上延伸，其中，該二功能層被至少一中間層隔開，從而能夠以完全獨立的方式受到結構化處理。此種方式亦可將第三維度引入該MEMS元件之微機械結構的佈局，故不僅可提高實現該微機械結構時的設計自由度。亦能整體上更有效地利用MEMS元件之晶片面積及構件之晶片面積，從而降低製造成本。

根據本發明的一種較佳實施方式，該二功能層由單晶矽構成。在此情況下，該等層內部最多僅會出現極小的機械應力，此點有利於該構件之微機械性能。

因此，根據本發明的第一製造方案，將一簡單型SOI晶圓用作MEMS基板。在此情況下，該SOI基板用作該MEMS基板的第二功能層。將該MEMS基板安裝於該載體即ASIC基板上後，對該用作第二功能層的SOI基板實施結構化以產生一微機械結構，該微機械結構在該功能層及該SOI晶圓之SOI基板上延伸。而後再將一罩蓋晶圓安裝於該MEMS基板之微機械結構上。SOI晶圓之載體基板的厚度通常遠大於待製造微機械結構之期望結構高度，因此，通常在將SOI基板安裝於載體上後且於實施結構化之前對該SOI基板進行薄化處理以達到規定厚度。

根據本發明的第二製造方案，將一雙層SOI晶圓用作該MEMS元件之基礎基板。此種SOI晶圓包含兩單晶功能層，該二功能層間以及該二功能層與該SOI基板間被相應隔離層隔開。在將該SOI晶圓安裝於該載體上前就對該上功能層實施結構化。該SOI晶圓的第二功能層用作該MEMS基板的第二功能層，且在將MEMS基板安裝於該載體上並於移除了該SOI基板後方受到結構化。透過此種方式產生一微機械結構，其在該 SOI晶圓的該二功能層上延伸。而後再將一罩蓋晶圓安裝於該MEMS元件的微機械結構上。

該第二製造方案特別有利於非常精確地遵循一針對該微機械結構而規定之結構高度。亦即，能非常精確地調整雙層SOI晶圓的兩功能層的厚度，而採用第一製造方案所實施的背面薄化工藝時會出現大得多的厚度公差。

該二製造方案係對該MEMS基板的兩功能層獨立實施結構化。該二功能層的佈局互為補充且一起決定了該MEMS基板之微機械結構的三維形狀。該微機械結構可關於該二功能層之間的中間層對稱，但非必要之舉。不對稱情形例如可能因該二功能層的不同層厚而產生。該二功能層的佈局亦可互不相同，使得該微機械結構的至少一區段在兩功能層上延伸，而至少另一區段僅在其中一功能層上延伸。此種第三佈局維度可提高MEMS元件之微機械結構的設計多樣性。

本發明之進一步研發的構件方案特別適用於實現慣量感測器構件。採用該應用方案後，該MEMS元件之微機械結構包括至少一可偏轉之感震質量且配設有用於對該感震質量之偏轉進行偵測的元件。該感震質量佈置於該罩蓋與一ASIC元件之間的空腔內，該ASIC元件包含一用於感測器信號之評價電路。該空腔較佳採用密封方案，以保護該微機械感測器結構免受雜質及腐蝕性測量環境因素的影響。此外，該空腔內提供對感測器之衰減特性起積極作用之壓力狀況。本發明之MEMS元件的微機械結構在兩個功能層上延伸，遂可在相對較小的晶片面積上實現較大的感震質量。此舉可在構件尺寸較小的條件下提高測量敏感度。部分類型的慣量感測器(如用於偵測垂直於構件結構的各層平面之加速度的感測器構件)中，感震質量相對其懸掛或安放位置而言呈不對稱質量分佈。根據本發明之微機械結構的三維佈局方案，該感震質量的至少一區段在兩功能層上延伸， 而至少另一區段僅在其中一功能層上延伸，如此便能特別簡單地在一極小的晶片面積上實現此種感測器設計方案。為提高感測器結構之測量敏感度，還可在該感震質量中構建若干通風孔，其在感震質量的整個厚度上延伸，亦即，在兩功能層及該中間層上延伸或者僅在其中一功能層上延伸，具體視該感震質量所處之層而定。

1‧‧‧SOI基板

2‧‧‧下氧化層

3‧‧‧功能層

4‧‧‧中間層，氧化層

5‧‧‧功能層

7‧‧‧通風孔

10‧‧‧MEMS基板，MEMS元件

11‧‧‧感震質量，感測器結構，微機械結構

20‧‧‧ASIC基板，ASIC元件

21‧‧‧間隔結構，矽氧化層

22‧‧‧空腔

23‧‧‧支點

24‧‧‧接合框架

30‧‧‧罩蓋

31‧‧‧接合框架

51‧‧‧接合框架

100‧‧‧構件，慣量感測器構件

圖1為一慣量感測器構件100之本發明結構的剖視圖；及圖2a-2d透過該構件結構之各組件的剖視圖示出該慣量感測器構件的製造過程。

如前所述，本發明具有多種較佳設計方案及改良方案。該等方案一方面可參閱附屬項，另一方面可參閱下文中利用附圖對本發明之實施例所作的說明。

圖1所示構件100係指用於偵測(Z)加速度的慣量感測器，(Z)加速度指垂直於構件結構的各層平面定向的加速度。為此，構件100包含一具一微機械感測器結構的MEMS元件10，該感測器結構中設有一採用搖桿設計的感震質量11。下文將對此進行詳細說明。此外，MEMS元件10還配設有用於對該感震質量11之偏轉進行偵測的元件，附圖未將其詳盡示出。構件100還包括一ASIC元件20及一罩蓋30，該ASIC元件具有一用於MEMS元件10之感測器信號的評價電路。

構件100實施為晶圓疊層。ASIC元件20用作構件100的載體。MEMS元件10透過一間隔結構(Standoff-Struktur)21安裝於ASIC元件20上，以確保感測器結構11的可動性。罩蓋30以某種方式佈置於MEMS基板10上，使得感測器結構11處於ASIC基板20與罩蓋30之間的一密閉 式空腔22內。

本發明的MEMS元件10實施為一層結構，其中，該微機械感測器結構特別是該感震質量11在該層結構的兩功能層3、5上延伸。該二功能層3、5被一隔離式中間層4以絕緣的方式隔開。

此處之感震質量11安放於某個點上，具體視搖桿之類型而定。為此，該感震質量透過間隔結構21的唯一一個支點23與ASIC元件20連接。感震質量11相對其安放位置而言呈不對稱質量分佈，因此，垂直於該構件層結構之層平面的加速度會造成感震質量11圍繞其安放位置發生旋轉運動，參閱圖1中的箭頭。感震質量11相對其安放位置而言呈不對稱質量分佈不僅與支點23之偏心佈置有關，還與以下狀況有關：在支點23的一側，感震質量11構建於兩功能層3、5中，而在支點23的另一側，感震質量僅在其中一功能層5上延伸，因為此區域內的另一功能層3已被移除。因此，感震質量11之其中一側的厚度約為另一側的兩倍。

在該實施例中，感震質量11的該一側上設有若干通風孔7，該等通風孔在感震質量11的整個厚度上延伸、亦即，在兩功能層3及5以及中間層4上延伸。該等通風孔7對感測器結構11起抗衰減作用。

下面結合圖2a-2d對前述慣量感測器構件100之製造方法的較佳實施方案進行說明。該方法以三個首先經獨立處理之基板為出發點。

如前所述，本實施例將一ASIC元件20用作該構件結構的載體。此類ASIC元件通常係在晶圓複合體中大批量製造，而非個別製造，因此，下文中的“ASIC基板20”與“ASIC元件20”係同義詞。圖2a所示ASIC基板20設有一用於該構件100之MEMS感測器功能的信號處理及評價電路，圖中未將其詳盡示出。ASIC基板20亦可包含MEMS無關的電路功能。本發明不對ASIC基板20之CMOS處理工藝進行進一步說明，本文亦不予詳述。隨後將一矽氧化層21沈積於該ASIC基板20上並實施結構化。 該經結構化之矽氧化層21一方面用於將ASIC基板20與該構件的其他組件絕緣，另一方面構成一用於安裝MEMS基板的間隔結構。間隔結構21包括一用於該感測器結構之感震質量的支點23以及一用於該MEMS基板的環繞式接合框架24。

該晶圓複合體中的MEMS元件10同樣在構件100的製造過程中製成，因此，下文中的“MEMS元件”與“MEMS基板”同樣為同義詞。本製造方案中的MEMS基板10實施為雙層SOI晶圓，該MEMS基板由SOI基板1、下氧化層2、下Si功能層3、另一氧化層4以及上Si功能層5構成。此種SOI基板例如可藉由重複實施熱氧化、矽直接接合、溝槽(DRIE)步驟及拋光步驟(CMP)製成。圖2b為MEMS基板10經預處理後的示意圖，其中，上Si功能層5受到結構化，從而將一用於安裝於ASIC基板20上即安裝於間隔結構21之接合框架24上的接合框架51曝露，以及將在感震質量11中具有通風孔7的該微機械感測器結構之下半部曝露。為此，可採用在微系統技術領域常見的結構化工藝，例如將微影工藝與溝槽工藝相結合。其中，較佳可將上氧化層4用作蝕刻中止層。

隨後，將該MEMS基板10以面朝下的方式，即以其結構化之上功能層5安裝於ASIC基板20之間隔結構21上，參閱圖2c。

較佳利用一接合工藝、例如低溫矽直接接合工藝為MEMS基板10與ASIC基板20建立連接。此類連接非常穩定且具永久性。此外，該方式還能簡單地將微機械感測器結構11密封地關閉於ASIC基板20與罩蓋30之間所產生的空腔22內。MEMS基板10之背面上的箭頭表明，安裝完畢後例如透過溝槽工藝或KOH蝕刻將SOI基板1去除。在此過程中，可同樣將氧化層2去除，或者將其用作對下功能層3所實施之下一結構化步驟的硬式光罩。

該結構化工藝與上功能層5之結構化無關，因為該二功能層 3與5被用作蝕刻中止層之氧化層4隔開。因此，下功能層3之佈局亦可與上功能層5之佈局無關，參閱圖2d。與功能層5不同，功能層3之位於支點23上的區域以及位於支點23右邊的區域已被完全去除。因此，由兩功能層3與5所組成之感震質量11相對支點23明顯呈不對稱質量分佈。此外還透過結構化而從功能層3中產生一用於安裝罩蓋晶圓的接合框架31。在圖2d所示構件結構中，此前已將氧化層4選擇性曝露以便藉由沈積一導電層(如鋁或多晶矽)來為該二功能層3與5建立電連接。圖中未示出該導電層。

下一工藝係將該感測器結構特別是感震質量11最終曝露。為此，例如透過HF氣相沈積將氧化層2及4之曝露區域移除。該蝕刻工藝的持續時間應當較短，或者應當對其實施時間控制，以免間隔結構21受到破壞。

隨後將一以適當方式受到預結構化之罩蓋晶圓作為第三基板安裝於經過上述處理之MEMS基板10上。例如可藉由共晶接合工藝或者利用玻璃焊料為MEMS基板10與該罩蓋晶圓建立連接。而後再將各構件從該晶圓複合體上分離。例如藉由鋸切實施分離。上述製造方法之結果為圖1所示的構件100。

最後還需要指出的是，本發明之構件方案除感測器應用外亦可應用於實現致動器構件。

3‧‧‧功能層

4‧‧‧中間層，氧化層

5‧‧‧功能層

7‧‧‧通風孔

10‧‧‧MEMS基板，MEMS元件

11‧‧‧感震質量，感測器結構，微機械結構

20‧‧‧ASIC基板，ASIC元件

21‧‧‧間隔結構，矽氧化層

22‧‧‧空腔

23‧‧‧支點

24‧‧‧接合框架

30‧‧‧罩蓋

31‧‧‧接合框架

51‧‧‧接合框架

100‧‧‧構件，慣量感測器構件

Claims (11)

1. 一種構件(100)，至少包括一特定言之做成為ASIC元件(20)之載體(20)、一MEMS元件(10)以及一罩蓋(30)，其中，該MEMS元件(10)透過一間隔結構(21)安裝於該載體(20)上，且其中，該罩蓋(30)佈置於該MEMS元件(10)的微機械結構(11)上；其特徵在於，該MEMS元件(10)做在一層結構內，該MEMS元件(10)之微機械結構(11)在該層結構的至少兩功能層(3，5)上延伸，該二功能層被至少一中間層(4)隔開。
2. 如申請專利範圍第1項之構件(100)，其特徵在於，該MEMS元件(10)的微機械結構(11)包含至少一在兩功能層(3，5)上延伸的區段，以及至少一僅在該二功能層(3，5)中的一個功能層上延伸的區段。
3. 如申請專利範圍第1或2項之構件(100)，其特徵在於，該MEMS元件(10)的該二功能層(3，5)為單晶矽層。
4. 如申請專利範圍第1或2項之構件，其特徵在於，該MEMS元件的一功能層由一SOI晶圓的功能層構成，該MEMS元件的另一功能層由該SOI載體基板構成。
5. 如申請專利範圍第1或2項之構件(100)，其特徵在於，該MEMS元件(10)的該二功能層(3，5)由一雙層SOI晶圓的兩功能層(3，5)構成。
6. 如申請專利範圍第1或2項之慣量感測器構件(100)，其中，該MEMS元件(10)之微機械結構包括至少一可偏轉之感震質量(11)、配設有用於對該感震質量(11)之偏轉進行偵測的元件，且佈置於該罩蓋(30)與一 ASIC元件(20)之間的一閉合式空腔內(22)，該ASIC元件包含一用於感測器信號之評價電路。
7. 如申請專利範圍第6項之慣量感測器構件(100)，其特徵在於，該感震質量(11)包含至少一在兩功能層(3，5)上延伸的區段，以及至少一僅在該二功能層(3，5)中的一個功能層上延伸的區段，使得該感震質量(11)相對其懸掛或安放位置(23)而言呈不對稱質量分佈。
8. 如申請專利範圍第6項之慣量感測器構件(100)，其特徵在於，在該感震質量(11)中構建有若干通風孔(7)，其在該感震質量(11)的整個厚度上延伸。
9. 一種製造混合整合構件的方法，該構件包括至少一特定言之實施為ASIC元件之載體、至少一MEMS元件以及一用於該MEMS元件之微機械結構的罩蓋，該方法特定言之用於製造如申請專利範圍第1至8項中任一項之構件，其中，在該載體上製成一間隔結構，對一用作MEMS基板之SOI晶圓的功能層實施結構化，及，以面朝下的方式將該MEMS基板以其結構化之功能層安裝於該載體的間隔結構上；其特徵在於，該SOI基板用作該MEMS基板的第二功能層，將該MEMS基板安裝於該載體後對該SOI基板實施結構化以產生一微機械結構，該微機械結構在該功能層及該SOI基板上延伸，及將一罩蓋晶圓安裝於該微機械結構上。
10. 如申請專利範圍第9項之方法，其特徵在於，在對該作為該MEMS基板之第二功能層的SOI基板實施結構化前，對該SOI基板進行背面薄化處理以達到規定厚度。
11. 一種製造混合整合構件(100)的方法，該構件包括至少一特定言之 實施為ASIC元件(20)之載體(20)、至少一MEMS元件(10)以及一用於該MEMS元件(10)之微機械結構(11)的罩蓋(30)，該方法特定言之用於製造如申請專利範圍第1至7項中任一項之構件，其中，在該載體(20)上製成一間隔結構(21)，對一用作MEMS基板(10)之SOI晶圓的第一上功能層(5)實施結構化，及，以面朝下的方式將該MEMS基板(10)以其結構化之功能層(5)安裝於該載體(20)的間隔結構(21)上；其特徵在於，將位於一SOI基板(1)上的一具有兩功能層(3，5)之雙層SOI晶圓用作MEMS基板(10)，其中，該二功能層(3，5)間以及該二功能層(3，5)與該SOI基板(1)間被隔離層隔開，該SOI晶圓的第二功能層(3)用作該MEMS基板(10)的第二功能層，在將該MEMS基板(10)安裝於該載體(20)上後並於移除了該SOI基板(1)後對該第二功能層(3)實施結構化，從而產生一微機械結構(11)，其在該SOI晶圓的該二功能層(3，5)上延伸，及將一罩蓋晶圓(30)安裝於該微機械結構(11)上。