包括不同受控壓力下的多個(gè)腔的cmos-mems集成裝置以及制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】包括不同受控壓力下的多個(gè)腔的CMOS-MEMS集成裝置以及制造方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉應(yīng)用
[0001]本申請(qǐng)根據(jù)35USC 119(e)要求保護(hù)在2014年10月7號(hào)提交并且題目為“使用MEMS慣性傳感器和致動(dòng)器上的除氣源層以及除氣阻擋層以控制腔壓力的方法(METHOD TOCONTROL CAVITY PRESSURE BY USING OUTGASSING SOURCE LAYER AND 0UTGASSING BARRIERLAYER ON MEMS INERTIAL SENSOR AND ACTUATOR) ” 的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?62/061，062 的權(quán)益，并且該臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)是在2012年6月27日提交的、題目為“用于帶有多個(gè)保持在不同壓力下的密封腔的CM0S-MEMS集成裝置的方法(METHODS FOR CMOS-MEMS INTEGRATEDDEVICES WITH MULTIPLE SEALED CAVITIES MAINTAINED AT VAR1US PRESSURES) ” 的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利號(hào)13/535，180的部分接續(xù)申請(qǐng)案，所有這些申請(qǐng)都是通過(guò)引用其全部而在此結(jié)合的。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明總體上涉及CM0S-MEMS集成裝置并且更具體而言涉及包括多個(gè)閉合空間的CM0S-MEMS集成裝置，這些閉合空間各自維持不同的受控壓力。
背景
[0003]在一個(gè)單一 CM0S-MEMS集成裝置中實(shí)施多個(gè)傳感器的挑戰(zhàn)之一是在該芯片中提供多個(gè)閉合空間壓力以便獨(dú)立地優(yōu)化每個(gè)傳感器各自的性能。例如，加速度計(jì)可能需要高的閉合空間壓力以便更好地抵抗聲振動(dòng)，而相同CM0S-MEMS集成裝置上的陀螺儀則可能需要較低的閉合空間壓力。本發(fā)明針對(duì)此類(lèi)需求。
概述
[0004]披露了一種集成MEMS裝置以及一種制造方法。在第一方面，該集成MEMS裝置包括第一基底和第二基底。該第一和第二基底被接合在一起并且在其間具有至少兩個(gè)閉合空間。該第一和第二基底之一包括一個(gè)除氣源層和一個(gè)除氣阻擋層以便調(diào)節(jié)這至少兩個(gè)閉合空間內(nèi)的壓力。
[0005]在第二方面，該方法包括在基底上沉積并且構(gòu)圖一個(gè)除氣源層和一個(gè)第一除氣阻擋層，從而產(chǎn)生兩個(gè)截面。在這兩個(gè)截面中的一者中，該除氣源層的頂表面沒(méi)有被該除氣阻擋層所覆蓋，并且在這兩個(gè)截面中的另一者中，該除氣源層被封裝在該除氣阻擋層中。該方法還包括保形地沉積一個(gè)第二除氣阻擋層并且蝕刻該第二除氣阻擋層，以便在該除氣源層的側(cè)壁上留下該第二除氣阻擋層的間隙。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0006]圖1A-1C展示了 CMOS晶片的備制過(guò)程以提供除氣功能。
[0007]圖2A展示了第一過(guò)程的第一實(shí)施例的其余步驟。
[0008]圖2B展示了根據(jù)第一實(shí)施例而形成的接合到CMOS晶片上的一個(gè)MEMS裝置。
[0009]圖3A展示了第一過(guò)程的第二實(shí)施例的其余步驟。
[0010]圖3B展示了根據(jù)第二實(shí)施例而形成的接合到CMOS晶片上的一個(gè)MEMS裝置。
[0011]圖4A-4E展示了該CMOS晶片的一個(gè)替代實(shí)現(xiàn)方式的流程圖，該CMOS晶片利用除氣阻擋層選擇性地覆蓋該除氣源層。
[0012]圖5A和5B分別展示了圖2A-2B以及圖3A-3B的流程圖的替代實(shí)施例。
[0013]圖6展示了圖4A-4E的流程圖的一個(gè)替代實(shí)施例。
[0014]圖7展示了在該集成CMOS-MEMS裝置的MEMS晶片內(nèi)提供該除氣層以提供除氣功會(huì)泛。
詳細(xì)說(shuō)明
[0015]本發(fā)明總體上涉及CMOS-MEMS集成裝置并且更具體而言涉及包括多個(gè)閉合空間的CMOS-MEMS集成裝置，這些閉合空間各自維持不同的受控壓力。呈現(xiàn)以下說(shuō)明以使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠制造并且使用本發(fā)明并且以下說(shuō)明是在專(zhuān)利申請(qǐng)及其要求的背景下提供。優(yōu)選實(shí)施例的各種變更以及此處所述的一般原理和特征對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)并不旨在受限于所示出的實(shí)施例而旨在與此處所述的原理和特征相一致的最大范圍一致。
[0016]在所述的實(shí)施例中，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)指的是使用類(lèi)似半導(dǎo)體的過(guò)程制造并且展示機(jī)械特征(例如移動(dòng)或變形能力)的一類(lèi)結(jié)構(gòu)或裝置。MEMS通常但不是總是與電信號(hào)相互作用。MEMS裝置包括但不限于陀螺儀、加速度計(jì)、磁力儀、壓力傳感器以及射頻部件。包含MEMS結(jié)構(gòu)的硅晶片被稱(chēng)為MEMS晶片。
[0017]在所述的實(shí)施例中，MEMS裝置可以指被實(shí)施成一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置。MEMS結(jié)構(gòu)可以是指一個(gè)較大MEMS裝置的一部分的任何特征。工程設(shè)計(jì)的絕緣體上硅(ES0I)晶片可以指在該硅片裝置層或基底下帶有多個(gè)腔的S0I晶片。處理晶片典型地指絕緣體上硅晶片中被用作較薄硅片裝置基底載體的較厚基底。處理基底與處理晶片可以相互交換。
[0018]在所述的實(shí)施例中，一個(gè)腔可以指基底晶片中的一個(gè)開(kāi)口或凹陷并且閉合空間可以指一個(gè)完整的密封的空間。接合室可以是一件接合裝置的一個(gè)發(fā)生晶片接合過(guò)程的閉合空間。接合室中的氣氛決定了密封在所接合的晶片中的氣氛。
[0019]此外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法描述了一類(lèi)RF MEMS裝置、傳感器以及致動(dòng)器，包括但不限于開(kāi)關(guān)、諧振器以及可調(diào)諧電容器，這些裝置是密封的并且被接合到集成電路上，這些集成電路可以使用電容傳感、靜電、磁性或壓電致動(dòng)。
[0020]為了實(shí)現(xiàn)包括CMOS晶片的CMOS-MEMS集成裝置內(nèi)的多個(gè)閉合空間的壓力，其中每個(gè)閉合空間內(nèi)的閉合空間壓力之間存在實(shí)質(zhì)上的不同，已經(jīng)嘗試在CMOS晶片中使用除氣源和除氣阻擋層。在需要高壓力的閉合空間中，除氣源層應(yīng)被盡可能地暴露；對(duì)于需要低壓力的閉合空間，除氣源層應(yīng)盡可能地被封裝在除氣阻擋層內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)密封的閉合空間中的壓力可以比另一個(gè)密封的閉合空間中的壓力大50%。
[0021]下述過(guò)程提供了 CM0S-MEMS集成裝置的制造過(guò)程，該制造過(guò)程利用共晶晶片鍵合以便在該MEMS與CMOS晶片之間產(chǎn)生一個(gè)密封的閉合空間并且以便在該MEMS裝置與CMOS電路之間產(chǎn)生電互連。根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)提供了在操作中需要不同操作壓力或環(huán)境氣體的兩個(gè)或更多個(gè)MEMS裝置的集成。例如，典型地需要低并且穩(wěn)定壓力的MEMS陀螺儀可以與需要較高操作壓力的慣性傳感器(例如加速度計(jì))集成在一起。
[0022]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本方面的方法和系統(tǒng)提供了將多裝置集成到一個(gè)集成CMOS-MEMS，以便產(chǎn)生用于多裝置的多個(gè)環(huán)境。它進(jìn)一步提供了用于該被密閉的MEMS裝置和任選地封蓋層到該閉合空間的MEMS結(jié)構(gòu)外側(cè)和CMOS晶片的電互連裝置。根據(jù)本方面的方法，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，在一個(gè)或多個(gè)方案中，提供了用于將第二密封的閉合空間沿該主要的密封的閉合空間進(jìn)行集成的方法。
[0023]以下提供了多個(gè)可用于根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的方案，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，從而提供了將此類(lèi)裝置集成到一個(gè)集成CMOS-MEMS以產(chǎn)生多環(huán)境裝置。在所述的實(shí)施例中，CMOS晶片可以被任何合適的封蓋晶片或基底所替代。
[0024]對(duì)每個(gè)實(shí)施例而言，應(yīng)理解的是MEMS結(jié)構(gòu)包括一個(gè)MEMS晶片。一個(gè)MEMS晶片包括接合到一個(gè)器件晶片上的、帶有多個(gè)腔的處理晶片，這是通過(guò)布置在該處理晶片與器件晶片之間的介電層。該器件晶片的接合和該器件晶片隨后的薄化產(chǎn)生了該過(guò)程的一個(gè)中間階段，被稱(chēng)為工程設(shè)計(jì)的絕緣體上硅晶片，其中該處理晶片中的腔通過(guò)該器件晶片的一個(gè)層來(lái)密封。該MEMS晶片還包括該器件晶片的懸在該處理晶片中的腔上方的一個(gè)可移動(dòng)部分。該MEMS晶片包括多個(gè)支架，這些支架由該器件晶片選擇性移除的區(qū)域所限定以產(chǎn)生該器件層的凸起或支架。
[0025]然后一種鍺材料被布置在這些支架上并且將被用來(lái)通過(guò)鋁對(duì)鍺的接合而將CMOS晶片附接到該MEMS晶片上。該MEMS晶片在接合之前還包括該器件晶片的懸在該處理晶片中的腔上方的一個(gè)可移動(dòng)部分。這些部分典型地是由光刻掩蔽和蝕刻步驟來(lái)限定的。
從該CMOS晶片除氣
[0026]圖1A-1C展示了 CMOS晶片的備制過(guò)程以提供一個(gè)除氣功能。圖1A展示了一個(gè)裝置100，該裝置包括一個(gè)除氣源層，該除氣源層被一個(gè)CMOS晶片上的除氣阻擋層所覆蓋以根據(jù)第一過(guò)程調(diào)節(jié)壓力。本實(shí)施例中的裝置100包括一個(gè)金屬間介電層101、布置在該金屬間介電層101上的一個(gè)接合層102、布置在該接合層102上的一個(gè)除氣源層103以及布置在該除氣源層103上的一個(gè)第一除氣阻擋層104。在一個(gè)實(shí)施例中，該金屬間層101包括例如一種介電材料(例如氧化物)。在一個(gè)實(shí)施例中，該接合層102包括例如鋁。在一個(gè)實(shí)施例中，該除氣源層103包括例如一種氧化物。在一個(gè)實(shí)施例中，該除氣阻擋層104包括例如氮化娃。
[0027]在本實(shí)施例中，例如在圖1B中，該CMOS晶片100的左側(cè)區(qū)域90可以支持在其內(nèi)用于傳感器精度的高閉合空間壓力并且該CMOS晶片的右側(cè)區(qū)域92可以要求比其內(nèi)用于傳感器精度的區(qū)域90低的壓力。圖1A示出了該接合層102在該CMOS晶片100中的金屬間介電層101頂部的構(gòu)圖。然后除氣源層103和該第一除氣阻擋層104相繼被布置。
[0028]圖1B展示了在該除氣源層103構(gòu)圖并且該第一除氣阻擋層104使用兩個(gè)掩模后的CMOS晶片100，從而產(chǎn)生兩個(gè)截面，包括:僅有除氣源層103、除氣源層103與該第一除氣源層104的堆疊。圖1C展示了用第二除氣阻擋層105保形地涂覆該CMOS晶片100。在該第二除氣阻擋層105的保形涂覆之后，可以使用流程圖的兩個(gè)不同實(shí)施例以提供用于該MEMS-CM0S集成裝置的成品CMOS晶片。
[0029]圖2A展示了第一流程圖，其中該第二除氣阻擋層105被全蝕刻，從而在側(cè)壁上留下該第二除氣阻擋層104的間隔。該區(qū)域90包括一個(gè)暴露的除氣源層103，而該區(qū)域92被該第一除氣阻擋層104和該第二除氣阻擋層105所封裝。在本實(shí)施例中，W1代表側(cè)壁上該第二除氣阻擋層105的厚度并且W2代表當(dāng)與MEMS裝置聯(lián)接時(shí)的接合焊盤(pán)尺寸。
[0030]圖2B示出了通過(guò)將一個(gè)MEMS晶片110接合到該CMOS晶片100上而形成的一個(gè)MEMS結(jié)構(gòu)200。在所述的實(shí)施例中，接合可以是如在轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的申請(qǐng)人的、2005年3月18日提交的、現(xiàn)已作為美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，442，570授權(quán)的并且題為“在晶片封裝環(huán)境下制造AI/Ge接合的方法及由此而產(chǎn)生的產(chǎn)品(Method of Fabricat1n of AI/Ge Bonding ina Wafer Packaging Environment and a P