TWI669268B - 微機電系統封裝及其形成方法 - Google Patents

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蔣季宏
翁睿均
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Abstract

微機電系統封裝包含互補式金屬氧化物半導體基板、微機電系統基板以及一或多個導電多晶矽通孔。互補式金屬氧化物半導體基板具有配置於半導體主體中的一或多個半導體元件。微機電系統基板具有動態元件，其中微機電系統基板係藉由導電連接結構而連接於互補式金屬氧化物半導體基板，此導電連接結構配置於微機電系統基板的前側上，且位於自動態元件橫向偏移的位置。一或多個導電多晶矽通孔延伸通過微機電系統基板至導電連接結構。

Description

微機電系統封裝及其形成方法
本揭露係關於一種微機電系統封裝，特別係關於一種微機電系統封裝的形成方法。
在過去十年中，微機電系統(micro-electromechanical system；MEMS)元件已在電子元件(例如，行動電話、感測器等等)中變得日益常見。微機電系統元件包括機械與電氣特徵，此些特徵能夠感測到物理力或量(例如，加速度、輻射等等)及/或控制物理量(例如，流體)。微機電系統元件之範例包括微感測器及微致動器。微感測器將機械訊號轉換成電訊號，微致動器將電訊號轉換成機械訊號。
依據本揭露之一實施方式，一種微機電系統封裝包含互補式金屬氧化物半導體基板、微機電系統基板以及一或多個導電多晶矽通孔。此互補式金屬氧化物半導體基板具有配置於半導體主體中的一或多個半導體元件。此微機電 系統基板具有動態元件，其中微機電系統基板係藉由導電連接結構而連接於互補式金屬氧化物半導體基板，此導電連接結構配置於微機電系統基板的前側上，且位於自動態元件橫向偏移的位置。此一或多個導電多晶矽通孔延伸通過微機電系統基板至導電連接結構。
依據本揭露之一實施方式，一種微機電系統封裝包含互補式金屬氧化物半導體基板、微機電系統基板、帽蓋基板、連接層、複數個多晶矽通孔。此互補式金屬氧化物半導體基板具有配置於半導體主體中的一或多個半導體元件。此微機電系統基板具有動態元件。此帽蓋基板具有一或多個凹部，此一或多個凹部形成一或多個空腔，此一或多個空腔配置於帽蓋基板與微機電系統基板之間。此連接層配置在微機電系統基板與帽蓋基板之間。此複數個多晶矽通孔分別自帽蓋基板之面向微機電系統基板之表面中的複數個凹槽延伸通過微機電系統基板至導電連接結構，此導電連接結構配置於互補式金屬氧化物半導體基板與微機電系統基板之間。
依據本揭露之一實施方式，一種形成微機電系統封裝的方法包含形成一或多個凹部在一帽蓋基板中。連接微機電系統基板之背側至帽蓋基板，以在帽蓋基板與微機電系統基板之間形成一或多個空腔。選擇性蝕刻微機電系統基板之前側，以形成延伸通過微機電系統基板的一或多個溝槽。形成一或多個多晶矽通孔在一或多個溝槽中。形成導電連接結構在微機電系統基板之前側上之位置，此位置接觸一 或多個多晶矽通孔。藉由導電連接結構將微機電系統基板連接至互補式金屬氧化物半導體基板，此互補式金屬氧化物半導體基板具有一或多個半導體元件。
100‧‧‧微機電系統封裝
102‧‧‧互補式金屬氧化物半導體基板
104‧‧‧微機電系統結構
106‧‧‧微機電系統基板
106f‧‧‧表面
108‧‧‧帽蓋基板
110‧‧‧連接層
112‧‧‧導電連接結構
114‧‧‧空腔
116‧‧‧動態元件
118‧‧‧層內多晶矽連接
200‧‧‧基板
202‧‧‧多晶矽通孔
204‧‧‧溝槽
206‧‧‧高度
208‧‧‧距離
210‧‧‧寬度
212‧‧‧空隙
214‧‧‧寬度
216‧‧‧距離
300‧‧‧微機電系統封裝
302‧‧‧互補式金屬氧化物半導體基板
304‧‧‧半導體主體
305‧‧‧電晶體元件
306a‧‧‧金屬互連層/金屬互連接線
306b‧‧‧金屬互連層/金屬通孔
307‧‧‧電晶體元件
308‧‧‧介電結構
310‧‧‧導電連接襯墊
312‧‧‧介電材料
314‧‧‧微機電系統結構
316‧‧‧帽蓋基板
318‧‧‧微機電系統基板
319‧‧‧突起部
320‧‧‧介電層
321‧‧‧導電連接結構
322‧‧‧導電佈線層
324‧‧‧共晶連接層
326‧‧‧電容感測電極
328‧‧‧動態元件
330‧‧‧彈簧
400‧‧‧微機電系統麥克風
402‧‧‧互補式金屬氧化物半導體基板
404‧‧‧半導體主體
406‧‧‧介電層
408‧‧‧微機電系統結構
410‧‧‧導電背板
412‧‧‧帽蓋基板
414‧‧‧微機電系統基板
415‧‧‧導電隔膜
416‧‧‧介電層
418‧‧‧空腔
420‧‧‧時變壓力波
500‧‧‧微機電系統壓力感測器
502‧‧‧微機電系統結構
504‧‧‧密封腔室
506‧‧‧帽蓋基板
508‧‧‧微機電系統基板
510‧‧‧動態元件
512‧‧‧介電層
514‧‧‧空腔
516‧‧‧開口
600‧‧‧橫截面視圖
602‧‧‧帽蓋基板
700‧‧‧橫截面視圖
702‧‧‧帽蓋基板
704‧‧‧第一蝕刻劑
706‧‧‧凹部
800‧‧‧橫截面視圖
802‧‧‧介電層
900‧‧‧橫截面視圖
902‧‧‧微機電系統基板
904‧‧‧微機電系統結構
1000‧‧‧橫截面視圖
1002‧‧‧微機電系統基板
1002f‧‧‧前側
1004‧‧‧第二蝕刻劑
1006‧‧‧溝槽
1100‧‧‧橫截面視圖
1102‧‧‧摻雜多晶矽材料
1200‧‧‧橫截面視圖
1202‧‧‧第三蝕刻劑
1204‧‧‧微機電系統基板
1204f‧‧‧前側
1300‧‧‧橫截面視圖
1302‧‧‧導電佈線層
1304‧‧‧共晶連接層
1400‧‧‧橫截面視圖
1402‧‧‧第四蝕刻劑
1500‧‧‧橫截面視圖
1600‧‧‧方法
1602~1620‧‧‧步驟
第1圖繪示具有層內多晶矽連接的微機電系統(micro-electromechanical system；MEMS)封裝之橫截面視圖之一些實施方式。
第2圖繪示微機電系統基板內配置的層內多晶矽連接之橫截面視圖之一些實施方式。
第3圖繪示具有層內多晶矽連接的微機電系統封裝之橫截面視圖之一些實施方式。
第4圖繪示包含層內多晶矽連接的微機電系統麥克風之一些實施方式。
第5圖繪示包含層內多晶矽連接的微機電系統壓力感測器之一些實施方式。
第6圖至第15圖繪示展示形成具有層內多晶矽連接的微機電系統封裝之方法的橫截面視圖之一些實施方式。
第16圖繪示形成具有層內多晶矽連接的微機電系統封裝之方法之一些實施方式之流程圖。
以下的說明將提供許多不同的實施方式或實施例來實施本揭露的主題。元件或排列的具體範例將在以下討論以簡化本揭露。當然，這些描述僅為部分範例且本揭露並不以此為限。舉例而言，將第一特徵形成在第二特徵上或上方，此一敘述不但包含第一特徵與第二特徵直接接觸的實施方式，也包含其他特徵形成在第一特徵與第二特徵之間，且在此情形下第一特徵與第二特徵不會直接接觸的實施方式。此外，本揭露可能會在不同的範例中重複標號或文字。重複的目的係為了簡化及明確敘述，而非定義所討論之不同實施方式及配置間的關係。
此外，空間相對用語如「下面」、「下方」、「低於」、「上面」、「上方」及其他相似的用語，在此係為了方便描述圖中的一個元件或特徵與另一個元件或特徵的關係。空間相對用語除了涵蓋圖中所描繪的方位外，該用語更涵蓋元件在使用或操作時的其他方位。也就係說，當該元件的方位與圖式不同(旋轉90度或於其他方位)時，在本文中所使用的空間相對用語同樣可相應地進行解釋。
近年來，半導體工業已開始使用半導體元件製造方法來製造微機電系統元件。此已使得微機電系統元件能夠電性連接至積體電路(integrated circuits；ICs)以形成完整微機電系統。微機電系統元件經配置以感測或控制物理、光學或化學量，而積體電路為微機電系統元件輸出的電訊號提供訊號處理功能(例如，類比數位轉換、放大、過濾、資訊處理等等)。
通常，可在封裝系統(system-in-packages；SIPs)中形成微機電系統元件及積體電路，一積體電路與一或多個微機電系統元件彼此堆疊且使用焊線連接在之間產生連接。然而，應已瞭解，此類封裝系統配置具有眾多阻礙。舉例而言，焊線連接造成封裝系統具有相對較大形狀因數(亦即，尺寸)，此形狀因數減小元件密度及增加成本。此外，封裝系統中所使用之焊線連接貢獻寄生電容至微機電系統元件輸出的訊號。寄生電容降低了使用電容感測的微機電系統元件之訊號品質，且從而可劣化微機電系統元件之效能。
本發明係關於微機電系統封裝及形成方法，此微機電系統封裝使用多晶矽層內連接提供用於微機電系統元件與積體電路之間的低寄生電容。於一些實施方式中，微機電系統封裝包含互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)基板，互補式金屬氧化物半導體基板具有半導體主體內配置的一或多個半導體元件。藉由導電連接結構將具有動態元件的微機電系統基板連接至互補式金屬氧化物半導體基板。在自動態元件橫向偏移的位置處在微機電系統基板之前側上配置導電連接結構。一或多個多晶矽通孔延伸通過導電微機電系統基板至連接結構。一或多個多晶矽通孔經配置以將微機電系統基板電性耦接至互補式金屬氧化物半導體基板。藉由使用多晶矽通孔將微機電系統基板連接至互補式金屬氧 化物半導體基板，減小微機電系統封裝之寄生電容及形狀因數。
第1圖繪示具有層內多晶矽連接的微機電系統封裝100之橫截面視圖之一些實施方式。
微機電系統封裝100包含互補式金屬氧化物半導體基板102及微機電系統結構104。互補式金屬氧化物半導體基板102包含整合晶片，整合晶片具有複數個半導體元件(例如，電晶體、電容器、電阻器、電感器及二極體)，此些半導體元件經配置以支持微機電系統結構104之操作。微機電系統結構104包含一或多個微機電系統元件(例如，運動感測器、壓力感測器、麥克風、回轉儀等等)。
微機電系統結構104包含微機電系統基板106及帽蓋基板108。帽蓋基板108具有凹部，此凹部位於帽蓋基板108之面向微機電系統基板106的表面內。經由連接層110將帽蓋基板108連接至微機電系統基板106，以形成在微機電系統基板106與帽蓋基板108之間配置的空腔114。微機電系統基板106包含空腔114內配置的動態元件116(例如，保證質量、可撓性薄膜等等)。動態元件116經配置以回應於外部刺激(例如，微機電系統封裝100之運動、聲波、壓力變化等等)在空腔114內移動及產生與外部刺激關聯的電輸出訊號。於一些實施方式中，連接層110可包含介電層(例如，氧化層)，介電層促進微機電系統基板106與帽蓋基板108之間的連接。
經由一或多個導電層內多晶矽連接118將微機電系統結構104電性耦接至互補式金屬氧化物半導體基板102。層內多晶矽連接118延伸通過微機電系統基板106至互補式金屬氧化物半導體基板102上配置的導電連接結構112。於一些實施方式中，層內多晶矽連接118可進一步延伸通過連接層110以接觸帽蓋基板108。層內多晶矽連接118包含導電的摻雜多晶矽材料，從而形成微機電系統結構104與互補式金屬氧化物半導體基板102之間的電性連接。
層內多晶矽連接118提供微機電系統結構104與互補式金屬氧化物半導體基板102之間的短連接距離。短連接距離產生相對較小的寄生電容，從而改良效能(例如，藉由減小自微機電系統結構104接收的訊號之雜訊)。此外，多晶矽具有與微機電系統基板106類似的晶體結構，從而造成層內多晶矽連接118在微機電系統基板106上造成相對較小的應力(例如，與層內金屬連接相比，層內金屬連接施加應力於微機電系統基板上且從而造成對微機電系統基板的彎曲及/或損壞)。此允許微機電系統基板106具有小厚度t，從而進一步改善形狀因數及減小微機電系統封裝100之寄生電容(例如，於一些實施方式中，微機電系統結構104可具有小於或等於約10mm的厚度t)。
第2圖繪示基板200之一些實施方式之橫截面視圖，基板具有包含微機電系統基板內配置之多晶矽通孔的多晶矽層內連接。
基板200包含延伸通過微機電系統基板106之溝槽204內配置的多晶矽通孔202。於一些實施方式中，多晶矽通孔202可自帽蓋基板108垂直延伸至電性耦接至互補式金屬氧化物半導體基板(未示於圖式)的導電連接結構112。於一些實施方式中，溝槽204可具有高度206，高度處於約20微米(μm)與約40微米(μm)之間的範圍內。於一些實施方式中，多晶矽通孔202可延伸至帽蓋基板108內的凹槽內。舉例而言，多晶矽通孔202可在帽蓋基板108內延伸至距離208，距離處於約1μm與約5μm之間的範圍內。
多晶矽通孔202具有錐形側壁。於一些實施方式中，錐形側壁可直接接觸微機電系統基板106。如上所述，由於多晶矽通孔202之晶體結構，多晶矽通孔202能夠直接接觸微機電系統基板106，無需實質上施加應力於微機電系統基板106上。錐形側壁造成多晶矽通孔202之寬度210隨自導電連接結構112的距離增加而減小。舉例而言，多晶矽通孔202在鄰接連接層110的位置處具有比微機電系統基板106內的位置處更小的寬度。
於一些實施方式中，多晶矽通孔202可包含圍繞空隙212(例如，氣隙)的多晶矽材料。空隙212可具有溝槽204之寬度210的三分之一與二分之一之間的寬度214。舉例而言，空隙212之寬度214可處於約0.5μm與約2μm之間的範圍內，及溝槽204可具有處於約1μm與約5μm之間範圍內的寬度。於一些實施方式中，空隙212自微機電系統基板106之側表面垂直偏移。舉例而言，空隙212可位 於微機電系統基板106之表面106f下方約1μm與約5μm之間範圍內的距離216處。在其他實施方式中，空隙212可延伸至接觸導電連接結構112的位置。
第3圖繪示具有層內多晶矽連接的微機電系統封裝300之橫截面視圖之一些實施方式。
微機電系統封裝300包含互補式金屬氧化物半導體基板302及微機電系統結構314。互補式金屬氧化物半導體基板302包含半導體主體304及上覆後段製程(back end of line；BEOL)金屬化堆疊。在半導體主體304內配置複數個電晶體元件305(例如，互補式金屬氧化物半導體電晶體)。複數個電晶體元件305經配置以提供諸如類比數位轉換、放大、儲存、過濾等功能。後段製程金屬化堆疊包含複數個金屬互連層306a及306b，此些金屬互連層在具有複數個層間介電(inter-level dielectric；ILD)層的介電結構308內配置。於一些實施方式中，複數個金屬互連層包含金屬互連接線306a與金屬通孔306b之交替層。舉例而言，在各實施方式中，複數個層間介電層可包含低介電係數介電層(例如，碳氧化矽(SiCO))、超低介電係數介電層及/或氧化物。舉例而言，在各實施方式中，複數個金屬互連層可包含銅、鋁或鎢。
複數個金屬互連層306a及306b將複數個電晶體元件307中的一或更多者連接至沿互補式金屬氧化物半導體基板302之上表面安置的一或多個導電連接襯墊310。舉例而言，導電連接襯墊310可包含鋁。於一些實施方式 中，複數個金屬互連層306a及306b亦可將複數個電晶體元件307中的一或更多者連接至互補式金屬氧化物半導體基板302上配置的一或多個電容感測電極326。於一些實施方式中，在導電連接襯墊310及/或一或多個電容感測電極326之間橫向配置介電材料312。
微機電系統結構314包含微機電系統基板318及帽蓋基板316。於一些實施方式中，微機電系統基板318包含導電材料。舉例而言，於一些實施方式中，微機電系統基板318可包含摻雜矽基板以具有p型摻雜或n型摻雜。在其他實施方式中，微機電系統基板318可包含多晶矽。帽蓋基板316包含矽基板。經由介電層320(例如，氧化物)將微機電系統基板318耦接至帽蓋基板316。
帽蓋基板316包含面向微機電系統基板318的帽蓋基板316之一側內配置的空腔114。微機電系統基板318包含與空腔114連通的動態元件328。於一些實施方式中，可將動態元件328連接至一或多個彈簧330，彈簧允許動態元件328回應於微機電系統封裝300之運動而移動。於一些實施方式中，介電層320沿空腔114之內表面劃線。於一些實施方式中，帽蓋基板316進一步包括抗靜摩擦凸塊(未示於圖式)，抗靜摩擦凸塊在空腔114內配置且經配置以減小帽蓋基板316與動態元件328之間的靜摩擦。
動態元件328經配置以回應於外部刺激(例如，微機電系統封裝300之運動、聲波、壓力變化等等)移動。動態元件328之移動造成與動態元件328相關的電容以 與外部刺激關聯的方式變化。舉例而言，於一些實施方式中，動態元件328之移動可改變動態元件328與電容感測電極326之間量測的電容。在其他實施方式中，動態元件328之移動可改變微機電系統基板318之不同部分之間量測的電容。
多晶矽通孔202自帽蓋基板316延伸通過微機電系統基板318至微機電系統基板318與導電連接襯墊310之間配置的導電連接結構321。多晶矽通孔202經配置以將微機電系統結構314電性耦接至下層互補式金屬氧化物半導體基板302。於一些實施方式中，多晶矽通孔202可包含微機電系統基板318與導電連接結構321之間平行配置的多個多晶矽通孔202。於一些實施方式中，多晶矽通孔202可包含沿多晶矽通孔202之上表面配置的空隙212。在此類實施方式中，導電連接結構321可延伸至空隙212中。
於一些實施方式中，導電連接結構321可包含導電佈線層322及共晶連接層324。於一些實施方式中，導電佈線層322可包含摻雜多晶矽。在導電佈線層322與導電連接襯墊310之間配置共晶連接層324。於一些實施方式中，共晶連接層324可包含鋁或鍺。於一些實施方式中，導電佈線層322之側壁可與共晶連接層324之側壁對準。
於一些實施方式中，導電佈線層322自接觸一或多個多晶矽通孔202的位置橫向延伸至覆蓋自微機電系統基板318之背側向外垂直延伸的一或多個突起部319的位置。於一些實施方式中，可沿突起部319之相同側配置多晶 矽通孔202。於一些實施方式中，可鄰近於突起部319之支組(亦即，非全部)配置多晶矽通孔202。
第4圖至第5圖繪示具有層內多晶矽連接的微機電系統元件之一些更詳細範例。儘管第4圖至第5圖繪示特定類型微機電系統元件，但應瞭解到，層內多晶矽連接並不受限於此類元件，而是可與任何類型微機電系統元件(例如，回轉儀、運動感測器等等)一起使用。
第4圖繪示包含層內多晶矽連接的微機電系統麥克風400之一些實施方式。
微機電系統麥克風400包含延伸通過互補式金屬氧化物半導體基板402(例如，通過半導體主體404及介電層406)及微機電系統結構408(例如，通過帽蓋基板412及介電層416)的空腔418。微機電系統結構408包含具有導電隔膜415的微機電系統基板414，導電隔膜在導電背板410(例如，互補式金屬氧化物半導體基板402上配置的多晶矽背板)上方位置處的空腔418中配置。藉由垂直延伸通過微機電系統基板414的多晶矽通孔202電性連接微機電系統結構408與互補式金屬氧化物半導體基板402。多晶矽通孔202形成導電隔膜415與互補式金屬氧化物半導體基板402之間的電性連接。
在麥克風操作期間，時變壓力波420形式的聲音撞擊導電隔膜415，從而造成導電隔膜415相對於導電背板410的小位移。位移之量值及頻率對應於時變壓力波420之體積及間距。為將此些位移轉換成電訊號，互補式金屬氧 化物半導體基板402內的元件量測導電隔膜415與導電背板410之間時變電容。
第5圖繪示包含層內多晶矽連接的微機電系統壓力感測器500之一些實施方式。
微機電系統壓力感測器500包含互補式金屬氧化物半導體基板302上方配置的微機電系統結構502。微機電系統結構502包含經由介電層512連接至帽蓋基板506的微機電系統基板508。微機電系統基板508包含動態元件510，動態元件包含可偏轉隔膜，可偏轉隔膜在互補式金屬氧化物半導體基板302與微機電系統基板508之間配置的密封腔室504上方延伸。在微機電系統基板508與帽蓋基板506之間配置空腔514。經由延伸通過帽蓋基板506及介電層512的開口516使空腔514與周圍環境連通。
藉由垂直延伸通過微機電系統基板508的多晶矽通孔202電性連接微機電系統結構502與互補式金屬氧化物半導體基板302。多晶矽通孔202形成動態元件510與互補式金屬氧化物半導體基板302之間的電性連接。在微機電系統壓力感測器500之操作期間，空腔514內的壓力將取決於壓力與密封腔室504內的參考壓力之間的關係造成動態元件510移動。隨著動態元件510移動，動態元件510與電容感測電極326之間的電容變化，從而指示周圍環境壓力的變化。
第6圖至第15圖繪示展示形成具有層內多晶矽連接的微機電系統封裝之方法的橫截面視圖600-1500之一些實施方式。
如第6圖之橫截面視圖600所示，提供帽蓋基板602。在各實施方式中，帽蓋基板602可包含任何類型半導體主體(例如，矽/互補式金屬氧化物半導體塊體、矽锗化物(SiGe)、絕緣層覆矽(silicon-on-insulator；SOI)等等)，諸如半導體晶圓或晶圓上的一或多個晶片，以及帽蓋基板上形成及/或以其他方式與帽蓋基板關聯的任何其他類型半導體及/或磊晶層。
如第7圖之橫截面視圖700所示，使帽蓋基板702選擇性曝露於第一蝕刻劑704中，第一蝕刻劑經配置以在帽蓋基板702內形成一或多個凹部706。於一些實施方式中，可根據第一遮罩層(未示於圖式)蝕刻帽蓋基板702。在各實施方式中，第一遮罩層可包含使用光微影製程圖案化之光阻劑或氮化物(例如，氮化矽(SiN))。在各實施方式中，第一蝕刻劑704可包含具有包含氟物種(例如，四氟甲烷(CF4)、三氟甲烷(CHF3)、八氟環丁烷(C4F8)等等)之蝕刻化學品的乾式蝕刻劑或濕式蝕刻劑(例如，氫氟酸(hydroflouric acid；HF)或四甲基銨氫氧化物(Tetramethylammonium hydroxide；TMAH))。
如第8圖之橫截面視圖800所示，在帽蓋基板702上方形成介電層802(例如，二氧化矽(SiO2))。於一些實施方式中，介電層802包含經由熱製程形成之氧化物 (例如，二氧化矽(SiO2))。在其他實施方式中，介電層802包含經由沉積製程(例如，化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)、原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)等等)形成之氧化物(例如，二氧化矽(SiO2))。
如第9圖之橫截面視圖900所示，將微機電系統基板902連接至介電層802以形成微機電系統結構904。於一些實施方式中，連接製程可包含熔接製程。於一些實施方式中，微機電系統基板902可包含具有摻雜濃度的矽基板，此摻雜濃度使得微機電系統基板902導電(例如，具有p型摻雜濃度)。在其他實施方式中，微機電系統基板902可包含多晶矽。將微機電系統基板902連接至介電層802形成了在帽蓋基板702與微機電系統基板902之間配置的一或多個空腔114。
如第10圖之橫截面視圖1000所示，使微機電系統基板1002選擇性曝露於第二蝕刻劑1004中以在微機電系統基板1002內形成複數個溝槽1006。複數個溝槽1006可自微機電系統基板1002之前側1002f垂直延伸至帽蓋基板316內。於一些實施方式中，可根據第二遮罩層(未示於圖式)蝕刻微機電系統基板1002。在各實施方式中，第二遮罩層可包含使用光微影製程圖案化之光阻劑或氮化物(例如，SiN)。在各實施方式中，第二蝕刻劑1004可包含具有包含氟物種(例如，四氟甲烷(CF4)、三氟甲烷(CHF3)、 八氟環丁烷(C4F8)等等)之蝕刻化學品的乾式蝕刻劑或濕式蝕刻劑(例如，氫氟酸(hydroflouric acid；HF)或四甲基銨氫氧化物(Tetramethylammonium hydroxide；TMAH))。
如第11圖之橫截面視圖1100所示，用摻雜多晶矽材料1102填充複數個溝槽1006。摻雜多晶矽材料1102可在微機電系統基板1002之背側上方延伸。可經由沉積製程(例如，化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積等等)形成摻雜多晶矽材料1102。於一些實施方式中，在複數個溝槽1006內以在摻雜多晶矽材料1102內形成空隙212的方式沉積摻雜多晶矽。於一些實施方式中，可在沉積摻雜多晶矽材料1102後執行平坦化製程以藉由移除安置在複數個溝槽1006外部的摻雜多晶矽材料1102形成複數個多晶矽通孔202。於一些實施方式中，平坦化製程可包含化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)製程。
如第12圖之橫截面視圖1200所示，在微機電系統基板1204之前側1204f上形成複數個突起部319。於一些實施方式中，可根據第三遮罩層(未示於圖式)使微機電系統基板1204之前側1204f曝露於第三蝕刻劑1202中。於一些實施方式中，複數個突起部319自複數個多晶矽通孔202橫向偏移。於一些實施方式中，用於形成複數個突起部319的蝕刻製程移除覆蓋空隙212的多晶矽，使得多晶矽通孔202內的空隙曝露，從而在一或多個多晶矽通孔202之表面內形成凹槽。
如第13圖之橫截面視圖1300所示，在微機電系統基板1204之前側1204f上方形成導電佈線層1302。導電佈線層1302可包含摻雜多晶矽材料，摻雜多晶矽材料在一或多個多晶矽通孔202及複數個突起部319上方延伸。可經由沉積製程(例如，化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積等等)形成導電佈線層1302。
在導電佈線層1302上方形成共晶連接層1304。在各實施方式中，共晶連接層1304包含導電佈線層1302上方配置的鍺層或鋁層。在各實施方式中，可經由沉積製程(例如，化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積等等)形成共晶連接層1304。
如橫截面視圖1400所示，圖案化導電佈線層322及共晶連接層324以形成導電連接結構。導電連接結構321自多晶矽通孔202上方延伸至複數個突起部319上方。於一些實施方式中，亦可蝕刻微機電系統基板318以形成界定動態元件328及/或彈簧(未示於圖式)的開口。於一些實施方式中，可藉由使微機電系統基板318曝露於第四蝕刻劑1402中來圖案化導電佈線層322及共晶連接層324。
如橫截面視圖1500所示，將微機電系統結構314連接至具有半導體主體304內配置之一或多個電晶體元件307的互補式金屬氧化物半導體基板302。於一些實施方式中，經由共晶連接製程將微機電系統結構314連接至互補式金屬氧化物半導體基板302。共晶連接製程將共晶連接層324連接至互補式金屬氧化物半導體基板302上配置的導電 連接襯墊310。導電連接襯墊310與半導體主體304內配置的電晶體元件307處於電性接觸中。於一些實施方式中，導電連接襯墊310可包含鋁。
第16圖繪示形成具有層內多晶矽連接的微機電系統封裝之方法之一些實施方式。儘管關於第6圖至第15圖描述方法1600，應瞭解到，方法1600並不受限於此類結構，而是可作為獨立於結構的方法單獨使用。
儘管本文將所揭示方法1600繪示及描述為一系列步驟或事件，但應瞭解到，並不以限制性意義解讀此類步驟或事件之所繪示次序。舉例而言，除本文繪示及/或描述之次序外，一些步驟可以不同次序發生及/或與其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文描述之一或多個態樣或實施方式可並不需要全部繪示操作。進一步地，可在一或多個獨立步驟及/或階段中實施本文所描繪之步驟中的一或更多者。
於步驟1602中，在帽蓋基板內形成一或多個凹部。第6圖至第7圖繪示對應於步驟1602的橫截面視圖600-700之一些實施方式。
於步驟1604中，在帽蓋基板上方形成介電層。第8圖繪示對應於步驟1604的橫截面視圖800之一些實施方式。
於步驟1606中，將微機電系統基板之背側連接至介電層以形成微機電系統結構。第9圖繪示對應於步驟1606的橫截面視圖900之一些實施方式。
於步驟1608中，選擇性蝕刻微機電系統基板之前側以形成延伸通過微機電系統基板的一或多個溝槽。第10圖繪示對應於步驟1608的橫截面視圖1000之一些實施方式。
於步驟1610中，在一或多個溝槽內形成多晶矽以形成自微機電系統基板之前側延伸至帽蓋基板的多晶矽通孔。於一些實施方式中，可在微機電系統基板之前側上方形成多晶矽及可使用平坦化製程移除溝槽外部的多晶矽材料。第11圖繪示對應於步驟1610的橫截面視圖1100之一些實施方式。
於步驟1612中，選擇性蝕刻微機電系統基板之前側以形成複數個突起部。第12圖繪示對應於步驟1612的橫截面視圖1200之一些實施方式。
於步驟1614中，將導電佈線層形成至複數個突起部及多晶矽通孔上。第13圖繪示對應於步驟1614的橫截面視圖1300之一些實施方式。
於步驟1616中，在導電佈線層上方形成共晶連接層。第13圖繪示對應於步驟1616的橫截面視圖1300之一些實施方式。
於步驟1618中，圖案化共晶連接層及導電佈線層以形成導電連接結構。導電連接結構自突起部上方橫向延伸至多晶矽通孔上方。第14圖繪示對應於步驟1618的橫截面視圖1400之一些實施方式。
於步驟1620中，經由連接結構將微機電系統結構連接至互補式金屬氧化物半導體基板。互補式金屬氧化物半導體基板包含半導體主體內配置的複數個半導體元件。第15圖繪示對應於步驟1620的橫截面視圖1500之一些實施方式。
因此，本發明係關於微機電系統封裝及形成方法，此微機電系統封裝使用多晶矽層內連接提供用於微機電系統元件訊號中的低寄生電容。
前述多個實施方式的特徵使本技術領域中具有通常知識者可更佳的理解本案之各個態樣。在此技術領域中具有通常知識者應瞭解，為了達到相同之目的及/或本案之實施方式之相同優點，其可輕易利用本案為基礎，進一步設計或修飾其他製程及結構。在本技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，該等均等之結構並未背離本案之精神及範圍，而在不背離本案之精神及範圍下，其可在此進行各種改變、取代及修正。

Claims (9)

  1. 一種微機電系統封裝，包含：一互補式金屬氧化物半導體基板，具有配置於一半導體主體中的一或多個半導體元件；一微機電系統基板，具有一動態元件，其中該微機電系統基板係藉由一導電連接結構而連接於該互補式金屬氧化物半導體基板，該導電連接結構配置於該微機電系統基板的一前側上，且位於自該動態元件橫向偏移的一位置；以及一或多個導電多晶矽通孔，延伸通過該微機電系統基板至該導電連接結構，該一或多個導電多晶矽通孔之一寬度隨自該導電連接結構的一距離增加而減小，該一或多個導電多晶矽通孔具有一空隙，且該導電連接結構延伸進入該空隙。
  2. 如請求項1所述之微機電系統封裝，更包含：一介電層，配置於該微機電系統基板之一背側上；以及一帽蓋基板，配置在該介電層上，且包含一或多個凹部，該一或多個凹部形成一或多個空腔，該一或多個空腔配置於該帽蓋基板與該微機電系統基板之間。
  3. 如請求項2所述之微機電系統封裝，其中該一或多個多晶矽通孔自該導電連接結構延伸至一或多個 凹槽，該一或多個凹槽係位於該帽蓋基板之面向該微機電系統基板之一表面中。
  4. 如請求項1所述之微機電系統封裝，其中該微機電系統基板包含複數個突起部，該些突起部自該微機電系統基板之該前側向外延伸並接觸該些導電連接結構。
  5. 如請求項4所述之微機電系統封裝，其中該一或多個多晶矽通孔包含沿著該些突起部之一者的一相同側來配置的複數個多晶矽通孔。
  6. 如請求項4所述之微機電系統封裝，其中該導電連接結構包含：一導電佈線層，自該些突起部之一者上方延伸至接觸該一或多個多晶矽通孔的一位置。
  7. 一種微機電系統封裝，包含：一互補式金屬氧化物半導體基板，具有配置於一半導體主體中的一或多個半導體元件；一微機電系統基板，具有一動態元件；一帽蓋基板，具有一或多個凹部，該一或多個凹部形成一或多個空腔，該一或多個空腔配置於該帽蓋基板與該微機電系統基板之間； 一連接層，配置在該微機電系統基板與該帽蓋基板之間；以及複數個多晶矽通孔，分別自該帽蓋基板之面向該微機電系統基板之一表面中的複數個凹槽延伸通過該微機電系統基板至一導電連接結構，該導電連接結構配置於該互補式金屬氧化物半導體基板與該微機電系統基板之間，該些多晶矽通孔分別具有一空隙，且該導電連接結構延伸進入該些空隙。
  8. 一種形成微機電系統封裝的方法，包含：形成一或多個凹部在一帽蓋基板中；連接一微機電系統基板之一背側至該帽蓋基板，以在該帽蓋基板與該微機電系統基板之間形成一或多個空腔；選擇性蝕刻該微機電系統基板之一前側，以形成延伸通過該微機電系統基板的一或多個溝槽；形成一或多個多晶矽通孔在該一或多個溝槽中，該一或多個導電多晶矽通孔具有一空隙；蝕刻該微機電系統基板之該前側，以形成自該微機電系統基板之該前側向外延伸的一突起部；形成一導電佈線層在該突起部上方，且該導電佈線層接觸該一或多個多晶矽通孔且包含摻雜多晶矽材料；形成一共晶連接層在該導電佈線層上方；圖案化該導電佈線層及該共晶連接層，以形成一導電連接結構，且該導電連接結構延伸進入該空隙；以及 藉由該導電連接結構將該微機電系統基板連接至一互補式金屬氧化物半導體基板，該互補式金屬氧化物半導體基板具有一或多個半導體元件。
  9. 如請求項8所述之形成微機電系統封裝的方法，更包含：在將該帽蓋基板連接至該微機電系統基板之前，形成一介電層在該帽蓋基板與該微機電系統基板之間。
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