封閉的mems器件的內部電接觸的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明披露了一種MEMS器件。這種MEMS器件包括一個MEMS襯片。該MEMS襯片包括一個第一半導體層，該第一半導體層由處于中間的一個介電層連接到一個第二半導體層上。由該第二半導體層形成了多種MEMS結構，并且這些結構包括多個第一導電墊片。這種MEMS器件進一步包括一個基底襯片，該基底襯片包括在其上的多個第二導電墊片。這些第二導電墊片被連接到第一導電墊片上。最后，這種MEMS器件包括一個導電連接件，這個導電連接件是穿過該MEMS襯片的介電層而形成的以提供在該第一半導體層與該第二半導體層之間的電耦聯(lián)。該基底襯片被電連接到該第二半導體層以及第一半導體層上。
【專利說明】封閉的MEMS器件的內部電接觸
發(fā)明領域
[0001] 本發(fā)明總體上涉及MEMS器件，并且更確切地涉及提供MEMS器件封閉構造(en I ο sure)的電接觸。
進旦 冃月^
[0002]MEMS器件被用于多種環(huán)境中。在此類器件中，通常要求將一個操作層(handlelayer)電接地，以便提供一種電屏蔽來獲得低的噪聲性能。與該操作層的電連接是由一種導線接合來提供的。然而，這種導線接合要求縱向空間，并且在封裝后會增大該MEMS器件的總厚度。因此，令人希望的是不需要導線接合的一種MEMS器件及方法。
[0003]這種用于提供到操作層上的電連接的MEMS器件和方法應該簡單、容易實施、而且能夠適應現(xiàn)有的環(huán)境。本發(fā)明著手解決了此類需要。
發(fā)明概述
[0004]在此披露了一種MEMS器件。這種MEMS器件包括一個MEMS襯片。這種MEMS襯片包括一個第一半導體層(操作層)，該第一半導體層通過一個介電層連接到一個第二半導體層(器件層)上，而該介電層位于這兩個層之間。由該第二半導體層形成了多個MEMS結構并且這些MEMS結構包括多個第一導電墊片。這種MEMS器件進一步包括一個基底襯片，該基底襯片包括在其上的多個第二導電墊片。這些第二導電墊片被連接到第一導電墊片上。最后，這種MEMS器件包括一個導電連接件，這個導電連接件是穿過該MEMS襯片的介電層而形成的，以便提供在該第一半導體層與該第二半導體層之間的電偶聯(lián)。該基底襯片被電連接到該第二半導體層以及第一半導體層上。在其他實施例中，該基底襯片可包括CMOS電路。
[0005]因此，根據(jù)一個實施例的MEMS器件提供了一種內部電連接并且消除了對于在常規(guī)MEMS器件中所需的外部導線接合的需要，并且能夠減小該器件的厚度。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點將通過以下結合附圖并舉例說明本發(fā)明原理的詳細描述而變得清楚。
附圖簡要說明
[0006]圖1是一個圖解，它示出了根據(jù)第一實施例的具有一種內部直接電耦聯(lián)的接合的MEMS基底襯片器件的截面。
[0007]圖2A-2E是多個圖解，它們示出了一系列截面，來展示從操作層到MEMS器件層準備就緒用于接合到圖1的器件的基底襯片上的建立這種電耦聯(lián)的多個加工步驟。
[0008]圖3是一個圖解，它示出了根據(jù)第二實施例的具有一個內部直接電耦聯(lián)的接合的MEMS基底襯片器件的截面。
[0009]圖4是一個圖解，它示出了根據(jù)第三實施例的具有一個內部直接電耦聯(lián)的接合的MEMS基底襯片器件的截面。
[0010]圖5A-5G是多個圖解，它們示出了一系列截面，來展示從操作層到MEMS器件層準備就緒用于接合到圖4的器件的基底襯片上的建立這種電耦聯(lián)的多個加工步驟。
優(yōu)選實施方案的詳細說明
[0011]本發(fā)明總體上涉及MEMS器件，并且更確切地是涉及用于封閉的CM0S-MEMS器件的電耦聯(lián)。在此提出的以下說明是要使得本領域的普通技術人員能夠制作和使用本發(fā)明，并且是在專利申請及其要求的背景中提供的。對所描述的優(yōu)選實施例和通用原理以及在此描述的特征的各種修改對本領域的技術人員而言是非常清楚的。因此，本發(fā)明并非旨在局限于所示實施例，而是應對其賦予同在此描述的這些原理和特征相一致的最廣闊的范圍。
[0012]在所說明的實施例中，微機電系統(tǒng)(MEMS)是指利用類似于半導體工藝制造的并且展現(xiàn)出諸如移動和變形能力的機械特性的一類結構或者器件。MEMS經(jīng)常(但并非總是)與電信號相互作用。MEMS器件包括但是不限于回轉儀、加速表、磁強計、壓力傳感器、以及射頻部件。包含MEMS結構的硅晶片被稱為MEMS晶片。
[0013]在所描述的這些實施例中，MEMS器件可以是指被實施為微機電系統(tǒng)的半導體器件。MEMS結構可以是指能夠成為大型MEMS器件一部分的任何特征。工程化絕緣體上的硅(ESOI)晶片可以是指在硅器件層或者是襯片之下具有多個空穴的SOI晶片。操作晶片典型地是指一種較厚的襯片，該襯片被用作絕緣體上的硅晶片中較薄的硅器件襯片的載體。操作襯片和操作晶片可以互換。
[0014]在所描述的實施例中，空穴可以是指襯片晶片上的開口或者凹陷，而封閉構造可以是指一種全封閉的空間。
[0015]為了更詳細地描述本發(fā)明的這些特征:在此披露了無需金屬線接合而實現(xiàn)MEMS器件的操作層、器件層和基底襯片的直接電耦聯(lián)的裝置和制造方法。
[0016]圖1是一個圖解，它示出了根據(jù)第一實施例的具有內部直接電耦聯(lián)的接合的MEMS基底襯片的截面。工程化的絕緣體上的硅(ESOI)襯片120包括帶有多個空穴112的一個操作層101，以及一個器件層104，該器件層與在器件層104與操作層101之間的一層薄介電膜103 (如氧化硅)熔接在一起。在操作層101與器件層104之間的電連接可以通過以下方式來實現(xiàn)，即:刻蝕出穿過器件層104和薄介電層103進入操作層101的一個或多個通孔106，并且用一種導電材料114 (如多晶硅、鎢、鈦、氮化鈦、鋁、或鍺)來填充這些通孔106。在形成了鍺層(Ge) 109和包括導電材料114的多個托腳105、并且MEMS的致動結構在器件層104中形成圖案并且進行蝕刻后即認為該MEMS襯片已經(jīng)完成。作為替代方式，該托腳可在形成托腳的過程中通過部分地刻蝕進入器件層而由導電材料114和器件層104的一部分這二者來形成。在其他實施例中，該基底襯片可包括CMOS電路。
[0017]可通過MEMS襯片的鍺109與基底襯片102的鋁107的共晶接合來提供MEMS到基底襯片上的集成，其中AlGe接合在MEMS襯片(操作層101和器件層104)與基底襯片102之間提供了直接的電耦聯(lián)。另外，AlGe接合提供了 MEMS器件的密閉性真空密封。
[0018]圖2A-2E是多個圖解，它們示出了一系列截面，來展示從操作層101到MEMS器件層104準備就緒用于接合到圖1所示的基底襯片102上的建立這種電耦聯(lián)的多個加工步驟。
[0019]圖2A是一個圖解，它示出了使器件層104熔接到具有多個空穴112的操作硅層101上的ESOI (工程化SOI)襯片的截面。在一個實施例中，如圖2B所示，通孔106在ESOI襯片的器件層104上形成圖案，并且被刻蝕穿過器件層104、穿過薄介電層103、并且進入操作層101中。在另一個實施例中，通孔106在ESOI襯片的器件層104上形成圖案，并且刻蝕穿過器件層104并穿過薄介電層103從而暴露操作層101的表面的一部分。然后提供導電材料105的共形沉積，如圖2C所示，以便填充通孔106從而在器件層104與操作層101之間建立電耦聯(lián)。然后將一個鍺層109沉積到導電材料105上。在圖2D中所示的下一步驟是對導電材料105以及鍺層109形成圖案并進行刻蝕以便由電材料105形成多個托腳121，隨后是對MEMS器件層104形成圖案并進行刻蝕，如圖2E所示，從而完成MEMS襯片加工，準備就緒以接合到基底襯片上。作為替代方式，托腳121可在形成托腳的過程中通過部分地刻蝕進入器件層而由導電材料105和器件層104的一部分這二者來形成。
[0020]圖3是一個圖解，它示出了根據(jù)第二實施例的具有一個內部直接電耦聯(lián)的接合的MEMS基底襯片器件的截面。在這個實施例中，電耦聯(lián)路徑是從操作層201到MEMS器件層204而形成的，穿過了介電層203并且在MEMS到基底襯片的AlGe共晶接合后最終到達了基底襯片的鋁墊片207。
[0021]ESOI襯片220包括帶有多個空穴212的一個操作層201、以及一個器件層204，該器件層與在器件層204與操作層201之間的一層薄介電膜203 (如氧化硅)熔接在一起。ESOI襯片在器件層減薄后即完成。在操作層201與該器件層204之間的電連接可以通過以下方式來實現(xiàn)，即:在任何位置上穿過器件層204和薄介電層203進入或暴露出操作層201的表面來刻蝕出至少一個通孔206、并且用多種導電材料(如多晶硅、鎢、鈦、氮化鈦、鋁、或鍺)填充該通孔206。在這個實施例中，在器件層204上殘留的導電材料可通過減薄、拋光或反刻蝕來去除，以便將器件層暴露用于托腳205的形成。將進行鍺沉積、托腳形成圖案、鍺刻蝕、器件層204形成圖案以及刻蝕諸步驟來完成MEMS襯片。
[0022]MEMS基底襯片的集成是通過將具有多個鍺墊片209的MEMS襯片與具有多個鋁墊片207的基底襯片共晶接合而實現(xiàn)的，其中AlGe接合在MEMS襯片(操作層201和器件層204)與基底襯片202之間提供了直接的電耦聯(lián)。在一個實施例中，托腳205在MEMS結構周圍形成一個環(huán)，AlGe接合為該MEMS結構提供了密閉的密封。通孔206可被定于由托腳205形成的密封環(huán)之內或之外。
[0023]圖4是一個圖解，它示出了在操作層301、MEMS器件層304、以及基底襯片302之間的電耦聯(lián)的一個第三實施例，為器件層304使用了多晶硅并使用了 AlGe共晶接合。圖5A-5F中示出了使用表面微機加工的工藝技術的MEMS襯片的工藝流程和制作方法。圖5A-5F是多個圖解，它們示出了一系列截面，來展示從操作層301到器件層306準備就緒用于接合到圖4的器件的基底襯片302上的建立這種電耦聯(lián)的多個加工步驟。從圖5A開始，一個薄介電層303 (典型地是氧化硅)被沉積到一個操作層301上。然后，對該層303形成圖案并進行刻蝕以便形成多個通孔312。一個硅層306 (圖5B)被沉積到操作層301上，隨后進行減薄并且平坦化(例如研磨或化學機械拋光)至所希望的器件層的厚度。圖5C示出了具有第二個較厚的硅器件層的一個實施例。在這個實施例中，一個附加的硅晶片311可被接合到薄多晶硅312上并且減薄到所希望的器件的厚度。附加硅晶片311的接合克服了常規(guī)的沉積技術的厚度限制。
[0024]然后沉積了鍺層309，如圖所示。圖5E是一個圖解，它示出了通過形成圖案并刻蝕進入器件層306中而形成托腳305。圖5F是一個圖解，它示出了對硅層306形成圖案并進行刻蝕以形成MEMS結構304。跟隨這個形成圖案并進行刻蝕的步驟的是刻蝕氧化硅以便釋放器件層304，如圖5G所示。至此，MEMS襯片準備就緒有待與基底襯片進行集成。
[0025]如圖4所示，MEMS基底襯片的集成是通過將具有多個鍺墊片309的MEMS襯片與具有鋁墊片307的基底襯片共晶接合而實現(xiàn)的，其中AlGe接合在MEMS襯片(操作層301和器件層305)與基底襯片302之間提供了直接的電耦聯(lián)。另外，AlGe接合提供了 MEMS器件的密閉的真空密封。
[0026]雖然已經(jīng)根據(jù)所示出的這些實施例對本發(fā)明進行說明，本領域的普通技術人員將容易地認識到這些實施例會有多種變化，并且這些變化將會在本發(fā)明的精神和范圍之內。因此，本領域的普通技術人員無需背離所附權利要求書的精神和范圍即可做出多種修改。
【權利要求】
1.一種MEMS器件，包括: 一個MEMS襯片，該MEMS襯片包括一個第一半導體層、一個第二半導體層、以及在二者之間的一個介電層，其中由該第二半導體層形成多個MEMS結構并且這些MEMS結構包括多個第一導電墊片； 一個基底襯片，該基底襯片包括在其上的多個第二導電墊片，其中這些第二導電墊片被連接到這些第一導電墊片上；以及 一個導電連接件，該導電連接件是穿過該MEMS襯片的介電層而形成的，以便提供在該第一半導體層與該第二半導體層之間的電耦聯(lián)，由此使該基底襯片電連接到該第二半導體層以及該第一半導體層上。
2.如權利要求1所述的MEMS器件，其中，該多個第一導電墊片包含鍺。
3.如權利要求1所述的MEMS器件，其中，該多個第二導電墊片包含鋁。
4.如權利要求1所述的MEMS器件，其中，該MEMS襯片包含一個或多個蝕刻的通孔，這些蝕刻的通孔填充有導電材料以形成該導電連接件。
5.如權利要求4所述的MEMS器件，其中，該一個或多個蝕刻的通孔是穿過該第二半導體層以及該介電層二者而 形成的。
6.如權利要求1所述的MEMS器件，進一步包括一個密封環(huán)，該密封環(huán)包括一個連續(xù)的環(huán)以形成環(huán)繞這些MEMS結構的一個封閉構造，并且該密封環(huán)是由這些第一導電墊片之一與這些第二導電墊片之一的一種連接來形成的。
7.如權利要求6所述的MEMS器件，其中，該第一導電墊片被電連接到該第一半導體層上。
8.如權利要求6所述的MEMS器件，其中，該第一導電墊片未被電連接到該第一半導體層上。
9.如權利要求6所述的MEMS器件，其中，該導電連接件是定位在該密封環(huán)的封閉構造之內。
10.如權利要求6所述的MEMS器件，其中，該導電連接件是定位在該密封環(huán)的封閉構造之外。
11.如權利要求6所述的MEMS器件，其中，該導電連接件是定位在該密封環(huán)之內。
12.如權利要求1所述的MEMS器件,其中,在該第一導電墊片與該第二導電墊片之間的連接是一種共晶接合。
13.如權利要求1所述的MEMS器件，其中，這些MEMS結構與該第一半導體層是電隔離的。
14.如權利要求4所述的MEMS器件，其中，填充該一個或多個通孔的導電材料包含多晶硅、鍺、和鎢中的任意一種。
15.如權利要求4所述的MEMS器件，其中，填充該一個或多個通孔的導電材料包含鋁、鈦、和氮化鈦中的任意一種。
16.如權利要求6所述的MEMS器件，其中，該密封環(huán)提供一種密閉式密封。
17.如權利要求1所述的MEMS器件，其中，該第一半導體層面向該第二半導體層的表面包括在其中的多個空穴。
18.如權利要求1所述的MEMS器件，其中，該第一半導體層以及該第二半導體層包含單晶硅材料類或者多晶硅材料類中的任意一種。
19.一種在集成的MEMS器件中制作電連接的方法，該方法包括: 形成一個MEMS晶片，而形成該MEMS晶片包括: 在一個第一半導體層上形成一個或多個空穴； 借助一個介電層將該第一半導體層接合在一個第二半導體層上，而該介電層被置于該第一半導體層與該第二半導體層之間； 蝕刻出穿透該第二半導體層以及該介電層的至少一個通孔； 在該第二半導體層的表面上沉積一種導電材料并且填充該至少一個通孔； 在該導電材料頂面沉積一個鍺層； 對該鍺層以及該導電材料形成圖案并且進行蝕刻，以形成至少一個托腳； 對該第二半導體層形成圖案并且進行蝕刻以限定一個或多個MEMS結構；并且使用在該MEMS襯片的鍺層 與一個基底襯片的多個鋁墊片之間的一種共晶接合將該MEMS襯片接合到該基底襯片上。
20.如權利要求19所述的方法，其中，該接合是一種熔融接合。
21.如權利要求19所述的方法，其中，蝕刻出該至少一個通孔進一步包括部分地蝕刻進入該第一半導體層之中。
22.如權利要求19所述的方法，其中，形成該托腳包括部分地蝕刻進入該第二半導體層之中。
23.一種在集成的MEMS器件中制作電連接的方法，該方法包括: 形成一個MEMS晶片，而形成該MEMS晶片包括: 在一個第一半導體層中形成一個或多個空穴； 借助一個介電層將該第一半導體層接合到一個第二半導體層上，該介電層被置于該第一半導體層與該第二半導體層之間； 蝕刻出穿透該第二半導體層以及該介電層的至少一個通孔； 將一種導電材料在該第二半導體層的表面上進行沉積并形成圖案，并且填充該至少一個通孔； 在該第二半導體層上沉積一個鍺層； 對該鍺層以及該第二半導體層形成圖案并且進行蝕刻以形成至少一個托腳； 對該第二半導體層形成圖案并且進行蝕刻以限定一個或多個MEMS結構；并且使用在該MEMS襯片上的鍺層與一個基底襯片上的多個鋁墊片之間的一種共晶接合將該MEMS襯片接合到該基底襯片上。
24.如權利要求23所述的方法，其中，該托腳是在對該鍺層形成圖案之前形成的。
25.—種在集成的MEMS器件中制作電連接的方法，該方法包括: 形成一個MEMS晶片，而形成該MEMS晶片包括: 在一個第一半導體層上沉積一個介電層； 在該介電層上形成圖案并且蝕刻出至少一個通孔； 沉積一個第二半導體層； 沉積一個鍺層； 成形并且蝕刻該鍺層和該第二半導體層，來形成一個或多個托腳；對該第二半導體層形成圖案并且進行蝕刻以形成多個MEMS結構； 對該介電層進行蝕刻以釋放出這些MEMS器件的結構；并且 使用在該MEMS襯片的鍺層與一個基底襯片的多個鋁墊片之間的一種共晶接合將該MEMS襯片接合到該基底襯片上。
26.如權利要求25所述的方法,其中，該第二半導體層包含娃。
27.如權利要求25所述的方法，進一步包括對該硅材料進行平整。
28.如權利要求25所述的方法，其中，該托腳是在該鍺層上形成圖案之前形成的。
29.如權利要求25所述的方法，其中，介電性硅釋放蝕刻包括一種蒸汽蝕刻。
30.如權利要求25所 述的方法，其中，介電硅釋放蝕刻包括一種濕式蝕刻。
【文檔編號】B81C1/00GK103964366SQ201410044191
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月30日 優(yōu)先權日:2013年1月30日
【發(fā)明者】克剛·黃, 申鐘禹, 馬丁·利姆, 邁克爾·朱利安·達內曼, 約瑟夫·西格 申請人:因文森斯公司