專利名稱：具有襯底通孔的微電子機械系統(tǒng)(mems)結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總的來說涉及半導(dǎo)體封裝系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地，涉及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體集成電路(IC)工業(yè)經(jīng)歷了迅速發(fā)展。IC材料和設(shè)計的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了多代1C，每一代都比上一代具有更小且更復(fù)雜的電路。在IC演變過程中，功能密度(S卩，每單位面積上互連器件的數(shù)量)逐漸增加而幾何大小(即，可使用制造工藝制造的最小部件)減小。這樣的發(fā)展增加了處理和制造IC的復(fù)雜性，對于將要實現(xiàn)的這些發(fā)展，需要IC處理和制造的類似開發(fā)。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件是集成電路領(lǐng)域近期研發(fā)的。MEMS器件包括使用半導(dǎo)體技術(shù)制造的器件以形成機械和電子部件。MEMS器件的實例包括齒輪、杠桿、閥和鉸鏈。常見的MEMS器件應(yīng)用包括加速器、壓力傳感器、致動器、反射鏡、加熱器和打印機噴頭。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種器件，包括:覆蓋襯底；以及襯底結(jié)構(gòu)，其中，襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件，襯底結(jié)構(gòu)通過熔融接合層而接合至覆蓋襯底，并且具有圍繞MEMS器件的至少一部分的`至少一個空腔。優(yōu)選地，襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個介電層，并且至少一個空腔的形成包括蝕刻至少一個介電層。優(yōu)選地,融熔接合層包括S1、SiO2或二者的組合。優(yōu)選地，接合層形成在覆蓋層的表面上或者襯底結(jié)構(gòu)的表面上。優(yōu)選地，襯底結(jié)構(gòu)包括具有MEMS器件的MEMS襯底和具有集成電路的集成電路襯
。優(yōu)選地，MEMS襯底通過熔融接合或共晶接合而接合至集成電路襯底。優(yōu)選地，通過蝕刻集成電路襯底來形成至少一個空腔。優(yōu)選地，融熔接合的接合比在大約40%至大約95%的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，該器件包括形成在覆蓋襯底中的襯底通孔(TSV)和用于融熔接合的接合層，并且TSV與襯底結(jié)構(gòu)相接觸。優(yōu)選地，接合層具有范圍在大約IOA至大約2000A之間的厚度。優(yōu)選地，TSV具有范圍在大約IOmm至大約150mm之間的寬度。
優(yōu)選地，接合結(jié)構(gòu)形成在TSV的上方，并且接合結(jié)構(gòu)設(shè)置在用于填充TSV的金屬層的上方并與金屬層接觸。優(yōu)選地，通過蝕刻覆蓋襯底來形成至少一個空腔。根據(jù)本發(fā)明的第二方面,提供了一種微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu),包括:第一襯底，嵌有襯底通孔(TSV)，其中，第一襯底具有第一空腔；第二襯底結(jié)構(gòu)，通過融熔接合層與第一襯底相接合，其中，第二襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個MEMS器件；以及第三襯底結(jié)構(gòu)，連接至第二襯底結(jié)構(gòu)，其中，第三襯底結(jié)構(gòu)具有集成電路(IC)器件，且第三襯底結(jié)構(gòu)具有第二空腔；其中，第一空腔和第二空腔圍繞至少一個MEMS器件的至少一部分。優(yōu)選地,融熔接合層包括S1、SiO2或二者的組合。優(yōu)選地，通過蝕刻介電層形成第一空腔和第二空腔中的至少一個。優(yōu)選地，具有凸塊下金屬(UBM)層的接合結(jié)構(gòu)形成在第一襯底的上方，并且UBM層與用于填充TSV的金屬層相接觸。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種形成微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)的方法，包括:提供第一襯底結(jié)構(gòu)；以及使用融熔接合將第二襯底結(jié)構(gòu)接合至第一襯底結(jié)構(gòu)，其中，第二襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件，并且具有圍繞MEMS器件的至少一部分的至少一個空腔。

此外，該方法還包括:在第一襯底結(jié)構(gòu)中和融熔接合層中形成TSV。此外，該方法還包括:在第一襯底結(jié)構(gòu)的上方形成凸塊下金屬(UBM)層，其中，UBM層與用于填充TSV的金屬層相接觸。


當結(jié)合附圖進行閱讀時，根據(jù)下面詳細的描述可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)該強調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標準實踐，各種部件沒有被按比例繪制并且僅僅用于說明的目的。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增大或減小。圖1是根據(jù)一些實施例的示例性微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。圖2A至圖2H是根據(jù)一些實施例的封裝MEMS器件的順序工藝的截面圖。
具體實施例方式通常，微電子機械系統(tǒng)(MEMS)封裝系統(tǒng)具有相互接合的多個襯底。在MEMS封裝系統(tǒng)中，MEMS器件被設(shè)置在通過接合襯底密封的至少一個空腔中。該空腔被抽真空，使得MEMS器件在該空間中的操作較少受到影響。襯底可具有用于形成集成電路的多種介電材料?；瘜W(xué)物可以從介電材料脫氣進入空腔。氣體可改變MEMS器件周圍的環(huán)境并影響MEMS器件的操作。應(yīng)該理解，以下公開提供了許多不同的實施例或?qū)嵗?，用于實施本公開的不同特征。以下描述部件和配置的具體實例以簡化本公開。當然，這些僅僅是實例而不用于限制。另外，本公開可以在各個實例中重復(fù)參考標號和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清晰，本身并不表示所討論的各種實施例和/或結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。此外，以下本公開中一個部件形成在另一部件上、連接和/或耦合至另一部件可以包括部件被形成為直接接觸的實施例，并且還可以包括形成插入部件夾置在部件之間使得部件沒有直接接觸的實施例。另外，空間相對術(shù)語，例如，“下面”、“上面”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、“上”、“下”、“頂部”、“底
部”等以及它們的派生詞(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)用于靈活表達一個部件與另一部件之間的關(guān)系?？臻g相對術(shù)語用于覆蓋包括部件的器件的不同定向。本公開與MEMS結(jié)構(gòu)及其形成方法相關(guān)聯(lián)。MEMS結(jié)構(gòu)的襯底通過融熔接合在相對較高的處理溫度下接合到一起，這能夠在密封MEMS結(jié)構(gòu)的密封之前更加完全地去除來自襯底中的介電材料的化學(xué)物。融熔接合使兩側(cè)晶圓上的高溫退火變得可能，這減少了空腔形成工藝期間化學(xué)物質(zhì)的脫氣。與金屬接合相比，通過融熔接合所接合的MEMS結(jié)構(gòu)由于較高的接合比而更加堅固。此外，融熔接合能夠在MEMS結(jié)構(gòu)中形成襯底通孔(TSV)而不降低產(chǎn)量。下面的描述關(guān)于各種示例性MEMS結(jié)構(gòu)及其形成方法。注意，下述MEMS結(jié)構(gòu)和方法僅僅是示例性的。本申請的范圍不限于此。圖1是根據(jù)一些實施例的示例性微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)100的示意性截面圖。在圖1中，襯底結(jié)構(gòu)130與襯底結(jié)構(gòu)105接合。在一些實施例中，襯底結(jié)構(gòu)105包括彼此接合的襯底結(jié)構(gòu)110和120。在一些實施例中，襯底結(jié)構(gòu)105和130組裝形成密封或非密封的封裝系統(tǒng)。在一些實施例中，襯底結(jié)構(gòu)110、120和130分別包括襯底112、122和132。在一些實施例中，襯底結(jié)構(gòu)130被稱為覆蓋襯底結(jié)構(gòu)。襯底132被稱為覆蓋襯底。襯底122被稱為MEMS襯底。襯底112被稱為集成電路襯底。然而，在一些實施例中，襯底132可具有集成電路，而襯底112可以不包括任何集成電路。

在一些實施例中，襯底112、122和132分別包括相同或不同的材料，并且可以包含任何適當?shù)牟牧辖M合。例如，襯底112、122和132分別可以為半導(dǎo)體襯底，其包括:基本半導(dǎo)體，包括硅和/或鍺；化合物半導(dǎo)體，包括碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦和/或銻化銦；合金半導(dǎo)體，包括 SiGe、GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP 和或 GaInAsP ;或者它們的組合。合金半導(dǎo)體襯底可具有梯度SiGe部件，其中，Si和Ge的組分從梯度SiGe部件的一個位置的一種比率變?yōu)榱硪晃恢玫牧硪槐嚷?。合金SiGe可形成在硅襯底的上方。SiGe襯底可被施加應(yīng)力。此外，襯底112、122和/或132可以是絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)。在一些實例中，襯底112、122和/或132包括摻雜外延層。在其他實例中，襯底112、122和/或132包括多層化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?？蛇x地，襯底112、122和/或132包括非半導(dǎo)體材料，諸如玻璃、熔凝石英或氟化隹丐。在一些實施例中，襯底110、120和/或130包括至少一個互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路、至少一個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、其他集成電路和/或它們的任意組合。在一些實施例中，襯底110、120和/或130包括插入結(jié)構(gòu)，其表示襯底可以僅包括用于電連接的導(dǎo)線布線且不包括任何有源器件。例如，如圖1所示，襯底結(jié)構(gòu)105包括形成在襯底112上方的集成電路結(jié)構(gòu)111。在一些實施例中，例如通過互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)來形成集成電路結(jié)構(gòu)111。集成電路結(jié)構(gòu)111包括例如但不限于邏輯電路、模擬電路、混合信號電路和/或任何適當?shù)募呻娐贰Ｔ谝恍嵤├?，集成電路結(jié)構(gòu)111包括形成在襯底112上方的互連金屬結(jié)構(gòu)(未示出)。互連金屬結(jié)構(gòu)被配置為在形成在襯底112和/或122上和/或之上的有源器件和/或無源器件之間提供電互連。在一些實施例中，互連金屬結(jié)構(gòu)包括金屬間介電(IMD)材料。在一些實施例中，每種MD材料都包括至少一種材料，諸如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、碳氧化硅、低介電常數(shù)(低k)介電材料、超低k介電材料、其他介電材料或他們的任何組合。在一些實施例中，襯底結(jié)構(gòu)110和120通過任何適當?shù)姆椒?諸如融熔接合或共晶接合工藝)而接合到一起。例如，融熔接合工藝包括使襯底結(jié)構(gòu)110和120緊密接觸，這使得襯底110和120由于原子引力(即，范德瓦耳斯力)而接合到一起。然后，襯底結(jié)構(gòu)110和120經(jīng)受退火工藝，之后可以在襯底結(jié)構(gòu)110和120之間形成緊密接合(例如，共價鍵)。用于退火工藝的溫度為任意適當?shù)臏囟龋T如在大約200°C和大約350°C之間。融熔接合工藝可以源于SiO2/Si接合、Si/Si接合和/或其他適當?shù)慕雍?。在一些實施例中，共晶接合工藝被?yīng)用于適合接合溫度邊界條件的任何合金之間。例如，共晶接合工藝包括金屬/金屬接合和/或金屬/半導(dǎo)體接合，諸如Ge/Al接合、Ge/Au接合、Si/Au接合、Si/Al接合和/或其他合適的接合。如果接合工藝涉及包括CMOS器件的襯底，則接合溫度被控制為接近或低于CMOS器件溫度。共晶接合工藝可發(fā)生在高壓以及任何合適的溫度下，諸如在大約400°C和450°C之間。在一些實施例中，互連金屬結(jié)構(gòu)包括多個金屬層(未示出)。金屬層通過至少一個通孔插塞(via plug)結(jié)構(gòu)(例如,通孔插塞結(jié)構(gòu))而相互電稱合。在一些實施例中，互連金屬結(jié)構(gòu)由至少一種材料制成，諸如鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鈷(Co)、鉬(Pt)、硅(Si)、鍺(Ge)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、金(Au)、鎳(Ni)、錫(Sn)、其他適當?shù)慕饘俨牧虾?或它們的組合。可選地，互連金屬結(jié)構(gòu)包括可比一些金屬材料經(jīng)受更高處理溫度的摻雜多晶硅。再次參照圖1，襯底結(jié)構(gòu)120包括至少一個MEMS器件，例如MEMS器件124。在一些實施例中，MEMS器件124包括多個元件，其由金屬、多晶硅、電介質(zhì)和/或其他材料形成。MEMS器件124可包括通常用于CMOS制造工藝的材料。根據(jù)所期望的功能，任何結(jié)構(gòu)的MEMS器件124都可能?？梢栽O(shè)計一個或多個所述元件以提供MEMS機械結(jié)構(gòu)。MEMS機械結(jié)構(gòu)可包括用于機械移動的結(jié)構(gòu)或元件。MEMS器件124可以使用用于CMOS制造的工藝來形成，例如，光刻、蝕刻工藝(例如，濕蝕刻、干蝕刻、等離子體蝕刻)、沉積工藝、電鍍工藝和/或其他適當?shù)墓に?，其可以利用一個或多個掩蔽或圖案化步驟。在一些實施例中，MEMS器件124包括運動傳感器(例如，陀螺儀、加速器等)、射頻(RF)MEMS器件(例如，RF開關(guān)，過濾器等)、振蕩器、MEMS擴音 器、微鏡和/或任何其他MEMS結(jié)構(gòu)。圖1示出了根據(jù)一些實施例的襯底結(jié)構(gòu)105和130通過襯底結(jié)構(gòu)105上或襯底122上的接合結(jié)構(gòu)117以及襯底結(jié)構(gòu)130上的接合焊盤結(jié)構(gòu)134而接合到一起。接合焊盤結(jié)構(gòu)117和134分別包括適合于接合的接合材料。例如，接合焊盤結(jié)構(gòu)134包括至少一種半導(dǎo)體材料，例如，Ge、S1、硅鍺(SixGe1J、其他半導(dǎo)體材料和/或它們的任何組合。接合焊盤結(jié)構(gòu)117包括至少一種金屬材料，例如，Al、Cu、T1、Ta、Au、N1、Sn、其他金屬材料和/或任何組合。在其他實施例中，接合焊盤結(jié)構(gòu)117和134分別包括一種金屬材料，例如，Al、Cu、T1、Ta、Au、N1、Sn、其他金屬材料和/或任何組合。接合焊盤結(jié)構(gòu)117和134通過熱工藝而接合到一起以在擠壓到一起之后形成共晶相。例如，如果接合焊盤結(jié)構(gòu)134由Ge制成而接合焊盤結(jié)構(gòu)117由Al制成，則處于大約400°C至450°C溫度范圍的退火工藝將使得接合焊盤結(jié)構(gòu)117和134通過共晶接合而接合到一起。對于這種接合焊盤結(jié)構(gòu)的接合來說，在退火工藝期間需要向襯底結(jié)構(gòu)105和130施加壓力以保持接合焊盤結(jié)構(gòu)117和134在一起。由于需要保持接合焊盤結(jié)構(gòu)117和134在一起所需的壓力，限制被接合焊盤結(jié)構(gòu)占據(jù)的表面與具有這種接合焊盤結(jié)構(gòu)的襯底結(jié)構(gòu)130(或105)的表面的百分比，以增加所施加的壓力。在一些實施例中，接合焊盤結(jié)構(gòu)的面積百分比(也稱為接合比)被限制為襯底結(jié)構(gòu)105和130的面積的大約5^-30 ^接合比降低了電路設(shè)計的靈活性，這是因為只有有限的面積可用來形成接合襯底中的MEMS器件之間用于外部連接的結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，襯底結(jié)構(gòu)110包括空腔125，其在MEMS器件124的下方并圍繞MEMS器件124，以在MEMS器件124和襯底結(jié)構(gòu)110之間提供空間。在一些實施例中，襯底結(jié)構(gòu)130也包括空腔135，其在MEMS器件124的上方并圍繞MEMS器件124，以在MEMS器件124和襯底結(jié)構(gòu)130之間提供空間?？涨?25和135使得MEMS器件124自由移動?？涨?25和135或者圍繞MEMS器件124的空間被抽真空，使得MEMS器件124在其周圍的空間中的操作受到較少的影響。根據(jù)一些實施例，空腔125和/或135可通過干或濕蝕刻工藝或者它們的組合來形成。在一些實施例中，HF溶液用于去除介電材料，諸如二氧化硅。使用HF溶液去除介電材料還可以稱為HF釋放(release)。根據(jù)一些實施例，MEMS器件124的形成要求HF釋放。所使用的HF溶液可以侵蝕(或腐蝕)包括金屬的共晶接合結(jié)構(gòu)。因此，將共晶接合與MEMS結(jié)構(gòu)進行集成是具有挑戰(zhàn)性的。如圖1所示，空腔125的一部分形成在集成電路結(jié)構(gòu)111 (如上所述，其包括一種或多種IMD材料)中。類似地，襯底結(jié)構(gòu)130的空腔135也可以通過去除襯底結(jié)構(gòu)130中的一個或多個介電層(其類似于IC結(jié)構(gòu)111中的IMD材料)來形成。IMD材料中的不穩(wěn)定化學(xué)物(諸如非束縛化學(xué)物和/或不穩(wěn)定有機材料)在真空壓力下可以脫氣，這在空腔125和135接合之后發(fā)生。脫氣的化學(xué)物可沉積在MEMS器件124和/或空腔125和135的壁上，從而導(dǎo)致MEMS器件124的性能劣化。在接合工藝期間，用于形成接合焊盤結(jié)構(gòu)134和117的共晶接合的熱工藝可以釋放來自IMD材料的不穩(wěn)定化學(xué)物的一部分。然而，相對較低的熱退火(或接合)溫度(諸如等于或小于450°C )不足以去除(或釋放)IMD材料中的所有不穩(wěn)定化學(xué)物。當MEMS器件124處于真空壓力下時，留在MD材料中的不穩(wěn)定化學(xué)物可以在接合之后脫氣，從而劣化性能。在圖1中，H1限定襯底132的厚度。在執(zhí)行共晶接合之后，形成外部接觸，這包括在封裝上、在襯底結(jié)構(gòu)130或襯底112上施加機械力。例如，可以 包括進行鉆孔以在襯底結(jié)構(gòu)130或襯底112中形成開口以及減薄襯底112。由于低接合比，MEMS封裝容易被外部接觸的這種形成工藝損壞，并且產(chǎn)量會受到影響。因此，將共晶接合與外部接觸的形成處理進行集成是具有挑戰(zhàn)性的。圖2A至圖2H是根據(jù)一些實施例的封裝MEMS結(jié)構(gòu)200的順序工藝的截面圖。圖2A示出了提供襯底結(jié)構(gòu)130并將其與襯底結(jié)構(gòu)105相接合。上面已經(jīng)提供了襯底結(jié)構(gòu)130和105的簡要說明。圖2A示出了根據(jù)一些實施例襯底結(jié)構(gòu)130和105利用融熔接合通過接合層116而接合到一起。根據(jù)一些實施例，融熔接合可以發(fā)生在Si (硅)和Si之間或者在Si和二氧化硅(SiO2)之間。例如，根據(jù)一些實施例，如果熔融接合發(fā)生在Si和Si之間，則由硅制成的接合層116可形成在襯底122上，以與襯底132的Si表面133相接合。在一些其他實施例中，接合層116形成在襯底132上，以與襯底122的Si表面123相接合。在又一些其他實施例中，Si子層116’形成在襯底132上，以與形成在襯底122上的Si子層116”相接合，從而形成層116。如果熔融接合發(fā)生在Si和SiO2之間，則接合層116由SiO2制成并且可以形成在襯底132或襯底122上，以與另一襯底上的Si表面形成熔融接合。在一些實施例中，接合層的厚度范圍在大約IOA至大約？()()()4之間。
Si和Si之間的融熔接合可通過首先使Si表面疏水來實現(xiàn)。然后，將兩個襯底的Si表面壓在一起并進行退火，以在兩個襯底上的Si表面之間形成范德瓦耳斯接合。如果襯底不具有包含金屬材料的互連結(jié)構(gòu)，則在融熔接合工藝期間，襯底可以加熱到范圍在大約900°C至大約1200°C之間的高溫。高接合溫度能夠使IMD中的大多數(shù)化學(xué)物脫氣。結(jié)果，與共晶接合相比，上述脫氣問題被減小。如果融熔接合發(fā)生在Si和SiO2之間，則首先使Si和SiO2的表面疏水。然后，兩個襯底的Si和SiO2表面被壓在一起并在范圍為大約500°C至大約1200°C的溫度下進行退火，以在兩個襯底上的Si表面之間形成范德瓦耳斯接合。大約500°C的融熔接合溫度稍高于大約400°C至大約450°C的共晶接合溫度。當退火溫度等于或大于450°C時，MD的脫氣更加徹底。與共晶接合相比，在大于約450°C且小于約1200°C的溫度下，Si/Si02熔融接合情況下MD中化學(xué)物的脫氣將會更加徹底。因此，通過上述溫度范圍下的融熔接合來減少脫氣問題。上述溫度范圍下的融熔接合與包括金屬互連的接合襯底結(jié)構(gòu)不兼容。在需要互連的情況下，可以使用摻雜多晶硅來替代金屬材料。由于融熔接合不涉及金屬，所以其與用于形成MEMS結(jié)構(gòu)的HF釋放工藝相兼容。另夕卜，融熔接合包括表面處理和高接合溫度，并且不使用與共晶接合所使用的壓力那么高的壓力來將襯底擠壓到一起。結(jié)果，與共晶接合的接合比相比，融熔接合的接合比較高，諸如范圍在大約40%至大約95%之間。在一些實施例中，融熔接合比在大約50%至大約95%之間。融熔接合的較高接合比使得封裝MEMS結(jié)構(gòu)與使用共晶接合形成的封裝MEMS結(jié)構(gòu)相比在機械上更堅固。與使用共晶接合形成的封裝MEMS結(jié)構(gòu)相比，融熔接合的較高接合比還通過提供較多數(shù)量的位置放置電連接而增加了設(shè)計靈活性。與共晶接合相比，進行襯底的融熔接合以形成上述MEMS封裝減少了上述脫氣和金屬侵蝕問題。融熔接合還使封裝MEMS結(jié)構(gòu)更加堅固，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更大的設(shè)計靈活性?？梢詼p少與外部接觸的形成工藝不兼容的共晶接合所導(dǎo)致的易碎封裝的問題。圖2B至圖2H是根據(jù)一些實施例的利用TSV形成外部接觸的順序工藝的截面圖。圖2B是根據(jù)一些實施例的襯底132的背側(cè)減薄之后的MEMS結(jié)構(gòu)200的截面圖。襯底132的背側(cè)被減薄以使TSV具有較矮的高度，從而避免TSV的縱橫比太高。圖2B示出了襯底132的厚度從初 始厚度H1減薄至厚度H2。減薄工藝可以為蝕刻工藝、拋光工藝或研磨工藝。根據(jù)一些實施例，如圖2C所示，在襯底132被減薄之后，通過光刻膠141對襯底132的背面進行圖案化以露出用于形成TSV的表面區(qū)域。然后，如圖2D所示，通過蝕刻所露出表面區(qū)域下方的材料，TSV開口 145通過蝕刻TSV開口 145下方的材料層來形成以接觸襯底122。根據(jù)一些實施例，去除殘留的光刻膠141，并沉積隔離層142以覆蓋襯底132的所露表面。襯底132的所露表面被包括TSV開口 145的內(nèi)壁的隔離層142所覆蓋。隔離層142由介電材料制成，諸如氧化物、氮化物或它們的組合。用于隔離層142的材料的一個實例為將硅烷或正硅酸乙酯(TEOS)用作硅源通過等離子體增強化學(xué)汽相沉積(PECVD)沉積的二氧化硅。在一些實施例中，TSV具有范圍在大約500A至大約15000A之間的厚度。隔離層142還可以通過熱工藝來沉積(或生長)，諸如熱生長氧化物或熱CVD氧化物。還可以使用其他類型的介電材料。在一些實施例中，TSV的寬度W1在大約IOmm至大約150_的范圍內(nèi)。在沉積隔離層142之后，去除TSV開口 145底部的隔離層142以露出襯底122的導(dǎo)電表面146。圖2D示出了根據(jù)一些實施例的在去除TSV開口 145底部的隔離層142之后的MEMS結(jié)構(gòu)200。根據(jù)一些實施例，通過用N型或P型摻雜物摻雜襯底122以增加襯底122的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性來使導(dǎo)電表面146導(dǎo)電。在一些實施例中，襯底122被設(shè)置為重摻雜襯底。還可以使用形成導(dǎo)電表面146的其他機制。導(dǎo)電表面146能夠使形成的TSV建立與導(dǎo)電表面146的歐姆接觸。襯底122可以被摻雜以能夠?qū)崿F(xiàn)TSV、襯底結(jié)構(gòu)120中的MEMS器件124以及襯底結(jié)構(gòu)110中的互連和器件之間的電連接。在去除TSV開口 145底部的隔離層142以露出導(dǎo)電表面146之后，沉積接觸金屬層143。接觸金屬層143與表面146電接觸。在一些實施例中，接觸金屬層包括至少兩個子層:勢壘層和銅晶種層。勢壘層建立與表面146的歐姆接觸，并且可以由一種或多種銅勢壘材料制成，諸如Ta、TaN, T1、TiN、CoW等。勢壘層提供保護來防止銅擴散到襯底132和122中。勢壘層可通過PVD (物理氣相沉積)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或其他適當方法來沉積。在沉積勢壘層之后，沉積銅晶種層。類似地，銅晶種層可通過PVD (物理氣相沉積)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或其他適當方法來沉積。在一些實施例中，勢壘/Cu晶種層143由TaN/Ta勢壘層和銅晶種層制成。在一些實施例中，TaN和Ta的厚度分別在大約IOOA至大約2000A之間，而銅晶種的厚度在大約1000A至大約15000A之間。在沉積勢壘層/銅晶種層143之后，通過光刻膠(未示出)對MEMS結(jié)構(gòu)200進行圖案化以限定接受鍍銅的區(qū)域。然后，銅膜144被鍍在MEMS結(jié)構(gòu)200上。然后，去除光刻膠。根據(jù)一些實施例，在去除光刻膠之后，通過蝕刻去除勢壘/Cu晶種層143沒有被銅膜144覆蓋的部分。勢壘/銅晶種層143和銅膜144形成TSV金屬層147。圖2E示出了根據(jù)一些實施例的去除多余勢壘/Cu晶種層143之后的MEMS結(jié)構(gòu)200?？梢允褂糜糜诎雽?dǎo)體器件制造的金屬互連的電鍍銅(ECP)工藝或無電鍍銅工藝。在一些實施例中，銅膜144的厚度小于約40mm。在其他實施例中，銅膜144的厚度小于約30mm。在又一些其他實施例中，銅膜144的厚度范圍在大約Imm至大約25mm之間。銅膜過厚會導(dǎo)致襯底變形。在一些實施例中，沉積銅膜144以填充TSV 150的TSV開口 145。在一些其他實施例中，如圖 2E所示，沉積銅膜144以部分填充TSV 150的TSV開口 145。在TSV150形成期間，還形成與TSV 150相鄰的接觸區(qū)域151。如下所述，接觸區(qū)域151用于形成外部接觸?？梢栽?010年11月4日提交的標題為“Novel Semiconductor Package WithThrough Substrate Vias”的美國專利申請第12/897，124號中找到形成TSV的示例性機制的細節(jié)，其內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。圖2F示出了根據(jù)一些實施例的在MEMS結(jié)構(gòu)200上形成鈍化層160。形成鈍化層160以保護MEMS結(jié)構(gòu)200的表面。在一些實施例中，鈍化層160由聚合物制成，諸如環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚苯并惡唑(PBO)等，盡管還可以使用其他較軟通常為有機的介電材料。在一些實施例中，鈍化層160為聚酰亞胺層。在一些其他實施例中，鈍化層160為聚苯并惡唑(PBO)層。鈍化層160較軟，因此具有減小對應(yīng)襯底上的固有應(yīng)力的功能。另外，鈍化層160可以被形成為數(shù)十微米的厚度。根據(jù)一些實施例，如圖2G所示，隨后鈍化層160被圖案化以形成用于外部接觸的開口 161。開口 161具有寬度W2。在一些實施例中，W2的范圍在大約50mm至大約500mm之間。沉積并圖案化光刻膠層(未示出)以在接觸區(qū)域151的上方限定開口 161。
在形成開口 161之后，在圖2G的所得結(jié)構(gòu)上形成凸塊下金屬層(UBM) 165。在一些實施例中，UBM層165包括擴散勢壘層和晶種層。圖2H示出了根據(jù)一些實施例的UBM層165形成在鈍化層160上并對開口 161的側(cè)壁和底部加襯。擴散勢壘層可由氮化鉭形成，盡管其還可以由其他材料形成，諸如氮化鈦、鉭、鈦等。在一些實施例中，擴散勢壘層的厚度范圍在大約500人至大約5000人之間。在一些實施例中，擴散勢壘層通過物理氣相沉積(PVD)(或濺射)來形成。晶種層可以為形成在擴散勢壘層上的銅晶種層。銅晶種層可以由銅或一種銅合金(包括銀、鉻、鎳、錫、金和它們的組合)來形成。在一些實施例中，銅晶種層的厚度范圍在大約2000A至大約IOOOOA之間。在一些實施例中，UBM層165包括由Ti形成的擴散勢壘層和由Cu形成的晶種層。在一些實施例中，擴散勢壘層(諸如Ti層)和晶種層(諸如Cu層)通過物理汽相沉積(PVD)(或濺射)方法來沉積。通過圖案化和蝕刻去除UBM層165中沒有覆蓋或圍繞開口161的多余部分。外部接觸(諸如凸塊或?qū)Ь€)可形成在UBM層165上?？梢栽?010年7月29日提交的標題為“Mechanisms for Forming Copper Pillar Bumps”的美國專利申請第12/846，353號中找到形成凸塊的示例性機制的細節(jié)，其內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。還可以使用形成凸塊或球作為外部接觸的其他機制。在本發(fā)明的的一方面中，提供了一種器件。該器件包括覆蓋襯底和襯底結(jié)構(gòu)。襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件，并且襯底結(jié)構(gòu)通過熔融接合層與覆蓋襯底相接合。具有圍繞MEMS器件的至少一部分的至少一個空腔。在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)。該MEMS結(jié)構(gòu)包括嵌有TSV的第一襯底，并且第一襯底具有第一空腔。該MEMS結(jié)構(gòu)包括通過融熔接合層與第一襯底接合的第二襯底結(jié)構(gòu)，并且第二襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個MEMS器件。MEMS結(jié)構(gòu)包括耦合至第二襯底結(jié)構(gòu)的第三襯底結(jié)構(gòu)，并且第三襯底結(jié)構(gòu)具有集成電路(IC)器件。第三襯底結(jié)構(gòu)具有第二空腔，并且第一和第二空腔圍繞至少一個MEMS器件的至少一部分。在本發(fā)明的再一方面中，提供了一種形成微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括:提供第一襯底結(jié)構(gòu)；以及使用融熔接合將第二襯底結(jié)構(gòu)接合至第一襯底結(jié)構(gòu)。第二襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件，并且具有圍繞MEMS器件的至少一部分的至少一個空腔。上面論述了若干實施例的部件，使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明的各個方面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以很容易地使用本發(fā)明作為基礎(chǔ)來設(shè)計或更改其他用于達到與這里所介紹實施例相同的 目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點的處理和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也應(yīng)該意識到，這種等效構(gòu)造并不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行多種變化、替換以及改變。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括: 覆蓋襯底；以及 襯底結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件，所述襯底結(jié)構(gòu)通過熔融接合層而接合至所述覆蓋襯底，并且具有圍繞所述MEMS器件的至少一部分的至少一個空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個介電層，并且所述至少一個空腔的形成包括蝕刻所述至少一個介電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述融熔接合層包括S1、Si02或二者的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，接合層形成在覆蓋層的表面上或者所述襯底結(jié)構(gòu)的表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述襯底結(jié)構(gòu)包括具有MEMS器件的MEMS襯底和具有集成電路的集成電路襯底， 其中，所述MEMS襯底通過熔融接合或共晶接合而接合至所述集成電路襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，融熔接合的接合比在大約40%至大約95%的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述器件包括形成在所述覆蓋襯底中的襯底通孔(TSV)和用于融熔接合的接合層，并且所述TSV與所述襯底結(jié)構(gòu)相接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所 述的器件，其中，所述接合層具有范圍在大約IOA至大約2000A之間的厚度， 其中，所述TSV具有范圍在大約IOmm至大約150mm之間的寬度。
9.一種微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu),包括: 第一襯底，嵌有襯底通孔(TSV)，其中，所述第一襯底具有第一空腔； 第二襯底結(jié)構(gòu)，通過融熔接合層與所述第一襯底相接合，其中，所述第二襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個MEMS器件；以及 第三襯底結(jié)構(gòu)，連接至所述第二襯底結(jié)構(gòu)，其中，所述第三襯底結(jié)構(gòu)具有集成電路(IC)器件，且所述第三襯底結(jié)構(gòu)具有第二空腔；其中，所述第一空腔和所述第二空腔圍繞所述至少一個MEMS器件的至少一部分。
10.一種形成微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括: 提供第一襯底結(jié)構(gòu)；以及 使用融熔接合將第二襯底結(jié)構(gòu)接合至所述第一襯底結(jié)構(gòu)，其中，所述第二襯底結(jié)構(gòu)包括至少一個微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件，并且具有圍繞所述MEMS器件的至少一部分的至少一個空腔。
全文摘要
本公開包括具有襯底通孔的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)及其形成方法。MEMS結(jié)構(gòu)的襯底在高溫下通過融熔接合而接合到一起，這能夠在密封MEMS結(jié)構(gòu)的空腔之前更加完全地去除來自襯底中的介電材料的化學(xué)物。MEMS結(jié)構(gòu)融熔接合減少了化學(xué)物的脫氣并與空腔形成工藝相兼容。與共晶接合相比，得益于更高的接合比，通過融熔接合而接合的MEMS結(jié)構(gòu)更加堅固。此外，融熔接合能夠在MEMS結(jié)構(gòu)中形成襯底通孔(TSV)。
文檔編號B81B7/00GK103224216SQ20121025878
公開日2013年7月31日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月31日
發(fā)明者朱家驊, 張貴松, 李德浩 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司