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CN113086939A - 微机电系统装置、其制法与使用其的整合式微机电系统 - Google Patents

微机电系统装置、其制法与使用其的整合式微机电系统 Download PDF

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CN113086939A
CN113086939A CN202011535133.0A CN202011535133A CN113086939A CN 113086939 A CN113086939 A CN 113086939A CN 202011535133 A CN202011535133 A CN 202011535133A CN 113086939 A CN113086939 A CN 113086939A
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CN
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dielectric layer
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metal layer
mems
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张恒中
黄芝杰
蔡智雅
林靖渊
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Industrial Technology Research Institute ITRI
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Industrial Technology Research Institute ITRI
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Abstract

本发明公开一种微机电系统装置、其制法与使用其的整合式微机电系统，其中该微机电系统装置包含一基板，基板具有至少一接点。微机电系统装置也包含一第一介电层，第一介电层设置于基板上。微机电系统装置还包含至少一金属层，金属层设置于第一介电层上，且至少部分金属层电连接于接点。微机电系统装置包含一第二介电层，第二介电层设置于第一介电层与金属层上并具有一凹槽结构。微机电系统装置也包含一结构层，结构层设置于第二介电层上并具有一开口。开口对应于凹槽结构设置，且开口的底部的截面积小于凹槽结构的顶部的截面积。微机电系统装置还包含一填充层，填充层至少部分设置于开口与凹槽结构中。第二介电层、结构层与填充层界定一空腔。

Description

微机电系统装置、其制法与使用其的整合式微机电系统
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(microelectromechanical system,MEMS)装置、其制造方法与使用其的整合式微机电系统，且特别是涉及一种具有良好封孔品质的微机电系统装置、其制造方法与使用其的整合式微机电系统。
背景技术
微机电系统(MEMS)装置通常包含用以感测一物理条件(诸如力、加速度、压力、温度或振动)的机械元件(固定元件及/或可移动元件)及用以处理电信号的电子元件。因此，MEMS装置常作为一传感器，并被广泛用于诸如汽车系统、惯性导引系统、家用电器、各种装置的保护系统及诸多其他工业、科学及工程系统等应用中。
现有的MEMS装置虽大致符合需求，但并非在每个方面都令人满意。举例而言，当MEMS装置作为压力传感器时，可能需要提供气密的空腔，因而需要良好的封孔品质。然而，为了达到此目的，在制造现有的MEMS装置时可能产生制作工艺时间过长、制作工艺繁复等问题。
发明内容
在本发明的一些实施例中，通过在介电层中设置凹槽结构及在结构层中设置与凹槽结构对应的开口，可使填充层(即用于封孔的结构)连续且均匀地填充于此开口与凹槽结构中，以完成封孔。通过本发明实施例的微机电系统装置与其制造方法，能有效防止封孔接缝(seam)与空心结构的产生，进而提高封孔品质并提升整体的稳定性。此外，不需要繁复的制作工艺，能有效缩短制作工艺时间并降低成本。
本发明实施例包含一种微机电系统装置。微机电系统装置包含一基板，基板具有至少一接点。微机电系统装置也包含一第一介电层，第一介电层设置于基板上。微机电系统装置还包含至少一金属层，金属层设置于第一介电层上，且至少部分金属层电连接于接点。微机电系统装置包含一第二介电层，第二介电层设置于第一介电层与金属层上并具有一凹槽结构。微机电系统装置也包含一结构层，结构层设置于第二介电层上并具有一开口。开口对应于凹槽结构设置，且开口的底部的截面积小于凹槽结构的顶部的截面积。微机电系统装置还包含一填充层，填充层设置于开口与凹槽结构中。第二介电层、结构层与填充层界定一空腔。
本发明实施例包含一种微机电系统装置的制造方法。此微机电系统装置的制造方法包含提供一基板，基板具有至少一接点。此微机电系统装置的制造方法也包含在基板上形成一第一介电层。第一介电层具有至少一通孔，通孔暴露接点的部分顶表面。此微机电系统装置的制造方法还包含在第一介电层上形成至少一金属层。至少部分金属层电连接于接点。此微机电系统装置的制造方法包含在第一介电层与金属层上形成一第二介电层。第二介电层具有一凹槽结构。此微机电系统装置的制造方法也包含在第二介电层上与凹槽结构中形成一牺牲层。此微机电系统装置的制造方法更包含在第二介电层与牺牲层上形成一结构层。此微机电系统装置的制造方法包含将部分结构层移除以形成一开口，开口暴露出位于凹槽结构中的牺牲层。此微机电系统装置的制造方法也包含将牺牲层移除以暴露凹槽结构。开口的底部的截面积小于凹槽结构的顶部的截面积。此微机电系统装置的制造方法还包含在开口与凹槽结构中形成一填充层。至少部分填充层形成于开口与凹槽结构中，且第二介电层、结构层与填充层界定一空腔。
本发明实施例包含一种微机电系统装置的制造方法。此微机电系统装置的制造方法包含提供一基板，基板具有至少一接点。此微机电系统装置的制造方法也包含在基板上形成一第一介电层。第一介电层具有至少一通孔，通孔暴露接点的部分顶表面。此微机电系统装置的制造方法更包含在第一介电层上形成至少一第一金属层。至少部分第一金属层电连接于接点。此外，此微机电系统装置的制造方法包含在第一介电层与第一金属层上形成一第二介电层。此微机电系统装置的制造方法也包含在第二介电层上形成一牺牲层。此微机电系统装置的制造方法还包含在第二介电层与牺牲层上形成一结构层。再者，此微机电系统装置的制造方法包含将部分结构层移除以形成一第一开口，第一开口暴露出该牺牲层的部分顶表面。此微机电系统装置的制造方法也包含通过第一开口将部分牺牲层移除以形成一第二开口，第二开口暴露出第二介电层的部分顶表面。此微机电系统装置的制造方法更包含通过第二开口将部分第二介电层移除以形成一凹槽结构。第一开口的底部的截面积小于凹槽结构的顶部的截面积。此外，此微机电系统装置的制造方法包含将牺牲层移除。此微机电系统装置的制造方法也包含形成一填充层。至少部分填充层形成于第二开口与凹槽结构中，且第二介电层、结构层与填充层界定一空腔。
本发明实施例包含一种整合式微机电系统。此整合式微机电系统多个前述的微机电系统装置。微机电系统装置共用同一基板。
附图说明
以下将配合所附的附图详述本发明实施例。应注意的是，各种特征部件并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，元件的尺寸可能经放大或缩小，以清楚地表现出本发明实施例的技术特征。
图1至图8是一些实施例绘示在制造微机电系统装置的各个阶段的剖面示意图；
图9是另一实施例绘示凹槽结构的剖面示意图；
图10是又一实施例绘示凹槽结构的剖面示意图；
图11是一些实施例绘示微机电系统装置的剖面示意图；
图12至图22是一些实施例绘示在制造整合式微机电系统的各个阶段的剖面示意图；
图23是整合式微机电系统的部分俯视图；
图24至图25是一些其他的实施例绘示在制造整合式微机电系统的不同阶段的剖面示意图；
图26至图29是一些其他的实施例绘示在制造整合式微机电系统的不同阶段的剖面示意图。
符号说明
1:整合式微机电系统
100,102,106,108,110:微机电系统装置
10:基板
12:接点
20:第一介电层
20H:通孔
30:金属层
31:第一部分
32:第二部分
40:第二介电层
40T:顶表面
42,42’,44,46:凹槽结构
42E,44E:顶端
42S,44S,46S:侧壁
42TA:顶部的截面积
50:牺牲层
50R:牺牲层剩余部分
50T:顶表面
52,52’:开口
60:结构层
60B:结构层的最底表面
60E1,60E2:端部
60T:顶表面
62:开口
62BA:底部的截面积
62TA:顶部的截面积
621,622:侧壁
64:开口
70:填充层
72:开口
80:空腔
90:金属层
90-1:第一部分
90-2:第二部分
92:第三介电层
94:开口
96:金属层
96-1:第一部分与
96-2:第二部分
D:方向
d1,d2:距离
g:高度
θ:角度
具体实施方式
以下的揭露内容提供许多不同的实施例或范例以实施本案的不同特征。以下的揭露内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本发明实施例叙述了一第一特征部件形成于一第二特征部件之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征部件与上述第二特征部件是直接接触的实施例，也可能包含了有附加特征部件形成于上述第一特征部件与上述第二特征部件之间，而使上述第一特征部件与第二特征部件可能未直接接触的实施例。
应理解的是，额外的操作步骤可实施于所述方法之前、之间或之后，且在所述方法的其他实施例中，部分的操作步骤可被取代或省略。
此外，其中可能用到与空间相关用词，例如「在…下方」、「下方」、「较低的」、「在…上方」、「上方」、「较高的」及类似的用词，这些空间相关用词系为了便于描述图示中一个(些)元件或特征部件与另一个(些)元件或特征部件之间的关系，这些空间相关用词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及附图中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相关形容词也将依转向后的方位来解释。
在说明书中，「约」、「大约」、「大抵」的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，或10％之内，或5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明「约」、「大约」、「大抵」的情况下，仍可隐含「约」、「大约」、「大抵」的含义。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇揭露所属的一般技艺者所通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。
以下所揭露的不同实施例可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复系为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。
图1至图8是根据一些实施例绘示在制造微机电系统装置100的各个阶段的剖面示意图。要特别注意的是，为了更清楚显示本发明实施例的特征，图1至图8中可能省略部分部件。
参照图1，首先，提供一基板10，基板10可具有至少一接点12。在一些实施例中，基板10可包含硅，但本发明实施例并非以此为限。举例而言，在一些其他的实施例中，基板10可包含一些其他的元素半导体(例如，锗)。基板10也可包含化合物半导体(例如，碳化硅、砷化镓、砷化铟或磷化铟)。基板10也可包含合金半导体(例如，硅化锗、碳化硅锗(silicongermaniumcarbide)、磷砷化镓(gallium arsenic phosphide)或磷化铟镓(galliumindium phosphide))。
在一些实施例中，基板10可包含绝缘层上半导体(semiconductor on insulator,SOI)，例如：绝缘层上硅或绝缘层上锗。前述包含绝缘层上半导体的基板可包含底板、设置于上述底板上的埋藏氧化层以及设置于上述埋藏氧化层上的半导体层。在一些实施例中，基板10可包含单晶基板、多层基板(multi-layer substrate)、其他适当的基板或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。
在一些实施例中，基板10可包含如硼、铝、镓、铟、铊的P型掺质，或者如砷、磷、锑的N型掺质。这些掺质可在基板10中形成掺杂区，掺杂区可例如形成接点12的一部分，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，基板10可视为微机电系统装置100的一芯片(chip)。
参照图1，接着，在基板10上形成一第一介电层20。在一些实施例中，第一介电层20的材料可包含例如氧化硅的氧化物、例如氮化硅的氮化物、其他合适的材料或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，可通过一沉积制作工艺将第一介电层20沉积于基板10上，沉积制作工艺可包含金属有机化学气相沉积(metal organic chemicalvapor phase deposition,MOCVD)、原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)、分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)、液相外延(liquid phase epitaxy,LPE)、类似的制作工艺或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。
参照图2，在第一介电层20中形成至少一通孔20H，通孔20H可对应于接点12设置并暴露接点12的部分顶表面。在一些实施例中，可对第一介电层20进行一图案化制作工艺以形成通孔20H。举例来说，可在第一介电层20上设置掩模层(未绘示)，接着使用前述掩模层作为蚀刻掩模进行蚀刻制作工艺，以将第一介电层20蚀刻出通孔20H。在一些实施例中，掩模层可包含光致抗蚀剂，例如正型光致抗蚀剂(positive photoresist)或负型光致抗蚀剂(negative photoresist)。掩模层可为单层或多层结构。掩模层的形成可包含沉积制作工艺、光刻制作工艺、其他适当的制作工艺或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。
在一些实施例中，沉积制作工艺包含旋转涂布(spin-on coating)、化学气相沉积(chemical vapor phase deposition,CVD)、原子层沉积、类似的制作工艺或前述的组合。在一些实施例中，光刻制作工艺可包含光致抗蚀剂涂布(例如旋转涂布)、软烘烤(softbaking)、光掩模对准(mask aligning)、曝光(exposure)、曝光后烘烤(post-exposurebaking,PEB)、显影(developing)、清洗(rinsing)、干燥(例如硬烘烤)、其他合适的制作工艺或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。
在一些实施例中，前述蚀刻制作工艺可包含干式蚀刻制作工艺、湿式蚀刻制作工艺或前述的组合。举例来说，干式蚀刻制作工艺可包含反应性离子蚀刻(reactive ionetch,RIE)、感应耦合式等离子体(inductively-coupled plasma,ICP)蚀刻、中子束蚀刻(neutral beam etch,NBE)、电子回旋共振式(electron cyclotron resonance,ECR)蚀刻、类似的蚀刻制作工艺或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。
参照图2，接着，在第一介电层20上形成一金属层30，其中至少部分金属层30电连接于接点12。具体而言，如图2所示，金属层30包括一第一部分31与一第二部分32，第一部分31通过第一介电层20的通孔20H与接点12直接接触，而第二部分32通过第一介电层20与接点12分离。亦即，金属层30的第一部分31可电连接于接点12，金属层30的第二部分32可与接点12电性绝缘，但本发明实施例并非以此为限。举例来说，金属层30的第一部分31可用于将接点12与后续形成的结构电连接。
在一些实施例中，金属层30的材料可包含金(Au)、镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、钛(Ti)、铬(Cr)、钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)、其他合适的材料、前述的合金或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，可通过物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、蒸镀(evaporation)、溅镀(sputtering)、类似的制作工艺或前述的组合将金属材料形成于第一介电层20上，但本发明实施例并非以此为限。接着，对金属材料进行图案化制作工艺，以形成如图2所示的金属层30的第一部分31与第二部分32。图案化制作工艺的范例如前所述，故不再赘述。
参照图3，在第一介电层20与金属层30上形成一第二介电层40，第二介电层40具有一凹槽结构42。类似地，第二介电层40的材料可包含例如氧化硅的氧化物、例如氮化硅的氮化物、其他合适的材料或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，第二介电层40的材料可与第一介电层20相同或不同，可依实际需求而定。在一些实施例中，可通过一沉积制作工艺将第二介电层40沉积于第一介电层20与金属层30上，沉积制作工艺的范例如前所述，故不再赘述。此外，可对第二介电层40进行图案化制作工艺以形成凹槽结构42。举例来说，可在第二介电层40上设置掩模层(未绘示)，接着使用前述掩模层作为蚀刻掩模进行蚀刻制作工艺，以形成凹槽结构42。在一些实施例中，前述蚀刻制作工艺可包含干式蚀刻制作工艺、湿式蚀刻制作工艺或前述的组合。
如图3所示，在一些实施例中，第二介电层40的凹槽结构42可暴露第一介电层20的部分顶表面，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，凹槽结构42也可设置于第一介电层20上方，而不会暴露第一介电层20；或者，凹槽结构42也可暴露金属层30的第二部分32的部分顶表面，可依实际需求而定。
在一些实施例中，凹槽结构42的侧壁42S可大致上垂直于第一介电层20与第二介电层40的顶表面，但本发明实施例并非以此为限。在图3所示的实施例中，凹槽结构42可具有恒定的(constant)的截面积。亦即，凹槽结构42在不同深度的截面积可与凹槽结构42的顶部的截面积42TA大致上相同，但本发明实施例并非以此为限。
参照图4，在第二介电层40上与凹槽结构42中形成一牺牲层50。具体而言，可在凹槽结构42的底表面与部分侧壁42S上及第二介电层40的部分顶表面上形成牺牲层50。在一些实施例中，牺牲层50的材料可包含氧化硅、光致抗蚀剂、聚酰亚胺(polyimide)、锗、其他合适的材料或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，牺牲层50与第一介电层20、金属层30及第二介电层40可具有高度的蚀刻选择比。因此，在后续将牺牲层50移除的过程中，可防止第一介电层20、金属层30及第二介电层40受到损伤。在一些实施例中，可通过沉积制作工艺在第二介电层40上与凹槽结构42中形成牺牲层50，沉积制作工艺的范例如前所述，故不再赘述。
参照图5，在第二介电层40与牺牲层50上形成一结构层60。具体而言，结构层60可形成于第二介电层40的顶表面与牺牲层50的顶表面，并填满凹槽结构42剩余的空间。在一些实施例中，结构层60的材料可包含多晶硅、外延硅、硅锗、其他合适的半导体材料或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，结构层60与牺牲层50也可具有高度的蚀刻选择比。在一些实施例中，可通过沉积制作工艺在第二介电层40与牺牲层50上与凹槽结构42中形成结构层60，沉积制作工艺的范例如前所述，故不再赘述。在一些实施例中，结构层60可视为微机电基板的一部分。
参照图6，将部分结构层60移除以形成一开口62。具体而言，开口62对应于凹槽结构42(即开口62位于凹槽结构42的上方)，且开口62可暴露出位于凹槽结构42中的牺牲层50。在一些实施例中，可对结构层60进行一图案化制作工艺以形成开口62。举例来说，可在结构层60上设置掩模层(未绘示)，接着使用前述掩模层作为蚀刻掩模进行干蚀刻制作工艺，以在结构层60中形成开口62。在此，干蚀刻制作工艺中使用的蚀刻气体例如包含CF4、O2、SF6、C4F8、Ar、Cl2、BCl3、其他合适的蚀刻气体或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。
参照图7，将牺牲层50移除。具体而言，将位于凹槽结构42中及位于第二介电层40与结构层60之间的牺牲层50移除，以暴露凹槽结构42。举例来说，可对牺牲层50进行湿蚀刻制作工艺，以将牺牲层50移除。在此，湿蚀刻制作工艺中使用的蚀刻液例如包含硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、氢氟酸(HF)、双氧水(H2O2)、氨水(NH4OH)等，但本发明实施例并非以此为限。由于牺牲层50与第一介电层20、金属层30、第二介电层40及结构层60均具有高度的蚀刻选择比，在将牺牲层50移除的过程中，可防止第一介电层20、金属层30、第二介电层40及结构层60受到损伤。在一些实施例中，部分的牺牲层50也可能被保留。举例来说，如图7所示，被保留的牺牲层50可视为一牺牲层剩余部分50R，牺牲层剩余部分50R位于第二介电层40与结构层60之间，但本发明实施例并非以此为限。在一些其他实施例中，牺牲层50可被完全地移除。
如图7所示，在一些实施例中，开口62的底部的截面积62BA小于凹槽结构42的顶部42TA的截面积。由于在前述步骤中，牺牲层50会占据第二介电层40与结构层60之间的部分空间，因此在将牺牲层50移除后，开口62的侧壁621与侧壁622的最底部并非位于同一平面上。在此，将结构层60的最底表面60B延伸，并将开口62的侧壁621延伸，前述两个延伸面与开口62的侧壁622共同围绕形成的空间的最底部的截面积可定义为开口62的底部的截面积62BA(如图7所示)。
如图7所示，在一些实施例中，开口62的底部的截面积62BA小于开口62的顶部的截面积62TA。具体而言，开口62在不同的深度的截面积并非恒定的，其可为连续变化。举例而言，如图7所示，在此阶段的剖面中，开口62的侧壁621与侧壁622可呈现为两个斜面，但本发明实施例并非以此为限。
参照图8，形成一填充层70，以形成本发明实施例的一种微机电系统装置100。具体而言，至少部分填充层70可形成于开口62与凹槽结构42中，亦即，可连续地形成并填满开口62与凹槽结构42所在的空间，使第二介电层40、结构层60与填充层70可界定一空腔80。换言之，空腔80可部分或完全取代原先牺牲层50在第二介电层40与结构层60之间所占据的空间。亦即，空腔80位于第二介电层40、结构层60与填充层70之间。此外，如图8所示，在一些实施例中，空腔80位于第二介电层40、牺牲层剩余部分50R、结构层60与填充层70之间，因此，空腔80的高度g可大致上等于牺牲层剩余部分50R的厚度。
在一些实施例中，填充层70的材料可包含氧化硅、氮化硅、光致抗蚀剂、聚酰亚胺、其他合适的材料或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，可通过沉积制作工艺在开口62与凹槽结构42中形成一填充层70，沉积制作工艺的范例如前所述，故不再赘述。在此，填充层70可视为微机电系统装置100的封孔结构。此外，如图8所示，部分填充层70也可形成于结构层60上，但本发明实施例并非以此为限。
如图8所示，在一些实施例中，凹槽结构42暴露第一介电层20的部分顶表面，因此填充层70可直接接触第一介电层20，但本发明实施例并非以此为限。在其他实施例中，凹槽结构42可设置于第一介电层20上方，而不会暴露第一介电层20，因此填充层70可直接接触第二介电层40。
在一般不具有凹槽结构的微机电系统装置中，于形成(沉积)填充层70的过程中，由于对应于开口62中央的部分的形成(沉积)速度大于远离开口62中央的部分的形成(沉积)速度，容易形成封孔接缝。相对地，由于本发明实施例的微机电系统装置100包含对应于开口62的凹槽结构42，能有效防止封孔接缝的产生。
再者，在本发明的一些实施例中，由于开口62的底部的截面积62BA小于开口62的顶部的截面积62TA，能使填充层70更均匀地在形成于开口62中，避免在填充层70尚未填满凹槽结构42与开口62前提早闭合造成空心结构。
因此，在本发明实施例的微机电系统装置100中，可通过在第二介电层40中设置凹槽结构42及在结构层60中设置与凹槽结构42对应的开口62，使填充层70(即用于封孔的结构)连续且均匀地填满此开口62与凹槽结构42，以完成封孔。亦即，通过本发明实施例的微机电系统装置100与其制造方法，能有效防止封孔接缝与空心结构的产生，进而提高封孔品质并提升微机电系统装置100整体的稳定性。此外，不需要繁复的制作工艺，能有效缩短制作工艺时间并降低成本。
如图8所示，在一些实施例中，结构层60的开口62处在凹槽结构42中的投影具有一端部60E1(或60E2)，此端部60E1(或60E2)与凹槽结构42的顶端42E在平行于第二介电层40的顶表面(或结构层60的最底表面60B)的方向D上的最短距离d1(或d2)大于或等于牺牲层50(或牺牲层剩余部分50R)的厚度(即空腔80的高度g)，但本发明实施例并非以此为限。在本发明实施例中，端部60E1(或60E2)与凹槽结构42的顶端42E在平行于第二介电层40的顶表面(或结构层60的最底表面60B)的方向D上的最短距离d1(或d2)可视凹槽结构42的深度进行调整，在此不多加赘述。
在前述实施例中，凹槽结构42的侧壁42S大致上垂直于第一介电层20与第二介电层40的顶表面，但本发明实施例并非以此为限。图9是根据另一实施例绘示凹槽结构44的剖面示意图。同时，为了更清楚显示凹槽结构44的特征，图9中也绘示邻近凹槽结构44的其他部件。
参照图9，凹槽结构44的侧壁44S并非垂直于第二介电层40的顶表面。在一些实施例中，第二介电层40的顶表面与凹槽结构44的侧壁44S所夹的角度θ可介于90至150度，但本发明实施例并非以此为限。当第二介电层40的顶表面与凹槽结构44的侧壁44S所夹的角度θ为90度时，凹槽结构44的侧壁44S即大致垂直于第二介电层40的顶表面。
类似地，结构层60的开口62处在凹槽结构44中的投影具有一端部60E1(或60E2)，此端部60E1(或60E2)与凹槽结构44的顶端44E在平行于第二介电层40的顶表面的方向D上的最短距离d1(或d2)大于或等于牺牲层50(或牺牲层剩余部分50R)的厚度(即空腔80的高度g)，在此不多加赘述。
图10是根据又一实施例绘示凹槽结构46的剖面示意图。参照图10，凹槽结构46的侧壁46S可具有一弧度。图9与图10的实施例绘示本发明实施例的凹槽结构的不同范例，但本发明实施例的凹槽结构也可形成为其他不同的形状，可视实际需求而定。
图11是根据一些实施例绘示微机电系统装置102的剖面示意图。图11所示的微机电系统装置102的结构与制造方法类似于图8所示的微机电系统装置100，其不同之处在于微机电系统装置102的凹槽结构42是暴露金属层30的第二部分32的部分顶表面，使填充层70可直接接触部分金属层30(即金属层30的第二部分32)，但本发明实施例并非以此为限。
图12至图22是根据一些实施例绘示在制造整合式微机电系统1的各个阶段的剖面示意图。图23是整合式微机电系统1的部分俯视图。类似地，为了更清楚显示本发明实施例的特征，图1至图23中可能省略部分部件。
在本发明的一些实施例中，整合式微机电系统1可包含多个微机电系统装置(例如，微机电系统装置106与微机电系统装置108)。这些微机电系统装置的结构可类似于图8所示的微机电系统装置100或图11所示的微机电系统装置102，并可通过图1至图8所示的制造方法所形成，但本发明实施例并非以此为限。图12至图22可呈现与图1至图8所示的实施例不同的制造微机电系统装置106与微机电系统装置108的方法。
参照图12，首先，提供一基板10，基板10可具有多个接点12。接着，在基板10上形成一第一介电层20。基板10与第一介电层20的材料与形成方法的范例如前所述，在此不多加赘述。
参照图13，在第一介电层20中形成多个通孔20H，通孔20H可对应于接点12设置并暴露接点12的部分顶表面。接着，在第一介电层20上形成一金属层30，其中至少部分金属层30电连接于接点12。具体而言，如图13所示，金属层30包括多个第一部分31与多个第二部分32，第一部分31通过第一介电层20的通孔20H与接点12直接接触，而第二部分32通过第一介电层20与接点12分离。亦即，金属层30的第一部分31可电连接于接点12，金属层30的第二部分32可与接点12电性绝缘，但本发明实施例并非以此为限。第一介电层20与金属层30的材料与形成方法的范例如前所述，在此不多加赘述。
参照图14，在第一介电层20与金属层30上形成一第二介电层40。接着，在第二介电层40上形成一牺牲层50。类似地，牺牲层50与第一介电层20、金属层30及第二介电层40可具有高度的蚀刻选择比。因此，在后续将牺牲层50移除的过程中，可防止第一介电层20、金属层30及第二介电层40受到损伤。第二介电层40与牺牲层50的材料与形成方法的范例如前所述，在此不多加赘述。
参照图15，在第二介电层40与牺牲层50上形成一结构层60。类似地，结构层60与牺牲层50也可具有高度的蚀刻选择比，且结构层60可视为微机电基板的一部分。结构层60的材料与形成方法的范例如前所述，在此不多加赘述。
参照图16，将部分结构层60移除以形成一开口62。如图16所示，开口62可暴露出牺牲层50的部分顶表面50T。在一些实施例中，可对结构层60进行一图案化制作工艺以将部分结构层60移除并形成开口62。图案化制作工艺的范例如前所述，在此不多加赘述。此外，如图16所示，在对结构层60进行图案化制作工艺时，也可同时形成开口64。开口64可暴露出第二介电层40的部分顶表面40T，且开口64可将后续形成的微机电系统装置106与微机电系统装置108分开，但本发明实施例并非以此为限。
参照图17，通过开口62将部分牺牲层50移除以形成开口52，开口52暴露出第二介电层40的部分顶表面40T。举例来说，可对牺牲层50进行一图案化制作工艺以将部分牺牲层50移除并形成开口52。图案化制作工艺的范例如前所述，在此不多加赘述。
参照图18，通过开口52将部分第二介电层40移除以形成一凹槽结构42。举例来说，可对第二介电层40进行一图案化制作工艺(例如，包含一侧向蚀刻制作工艺)以将部分第二介电层40移除并形成凹槽结构42。图案化制作工艺的范例如前所述，在此不多加赘述。
参照图19，将牺牲层50移除。举例来说，可对牺牲层50进行湿蚀刻制作工艺，以将牺牲层50移除。湿蚀刻制作工艺的范例如前所述，在此不多加赘述。类似地，由于牺牲层50与第一介电层20、金属层30、第二介电层40及结构层60均具有高度的蚀刻选择比，在将牺牲层50移除的过程中，可防止第一介电层20、金属层30、第二介电层40及结构层60受到损伤。在本实施例中，可将牺牲层50完全移除，但本发明实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，部分的牺牲层50也可能被保留。
如图19所示，在一些实施例中，开口62的底部的截面积62BA小于凹槽结构42的顶部42TA的截面积。此外，在一些实施例中，开口62的底部的截面积62BA小于开口62的顶部的截面积62TA。具体而言，开口62在不同的深度的截面积并非恒定的，其可为连续变化。举例而言，如图19所示，在此阶段的剖面中，开口62的侧壁621与侧壁622可呈现为两个斜面，但本发明实施例并非以此为限。
在本实施例中，凹槽结构42的侧壁42S大致上垂直于第二介电层40的顶表面40T(及/或第一介电层20的顶表面)，但本发明实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，也可通过调整(或控制)湿蚀刻制作工艺，使凹槽结构42类似于图9所示的凹槽结构44或图10所示的凹槽结构46。凹槽结构42的形状、深度可依实际需求调整。
参照图20，形成一填充层70。具体而言，至少部分填充层70可形成于开口62与凹槽结构42中，亦即，可连续地形成并填满开口62与凹槽结构42所在的空间，使第二介电层40、结构层60与填充层70可界定一空腔80。换言之，空腔80可部分或完全取代原先牺牲层50在第二介电层40与结构层60之间所占据的空间。亦即，空腔80位于第二介电层40、结构层60与填充层70之间。填充层70的材料与形成方法的范例如前所述，在此不多加赘述。
在此，填充层70可视为微机电系统装置106与微机电系统装置108的封孔结构。此外，如图20所示，部分填充层70也可形成于结构层60上，并形成于开口64所暴露出第二介电层40的部分顶表面40T及开口64的侧壁上，但本发明实施例并非以此为限。
如图20所示，在一些实施例中，凹槽结构42可设置于第一介电层20上方，而不会暴露第一介电层20，因此填充层70可直接接触第二介电层40，但本发明实施例并非以此为限。
在一般不具有凹槽结构的微机电系统(装置)中，在形成(沉积)填充层70的过程中，由于对应于开口62中央的部分的形成(沉积)速度大于远离开口62中央的部分的形成(沉积)速度，容易形成封孔接缝。相对地，在本实施例中，凹槽结构42是通过开口52所形成，而开口52是通过开口62所形成，使得凹槽结构42可对应于开口62。因此，在形成填充层70时，凹槽结构42能有效防止封孔接缝的产生。
再者，在本发明的一些实施例中，由于开口62的底部的截面积62BA小于开口62的顶部的截面积62TA，能使填充层70更均匀地在形成于开口62中，避免在填充层70尚未填满凹槽结构42与开口62前提早闭合造成空心结构。
在此阶段中，即已完成整合式微机电系统1的微机电系统装置106。在一些实施例中，微机电系统装置106可作为一压力传感器，但本发明实施例并非以此为限。在后续图21至图22的阶段中，是针对微机电系统装置108进行。
参照图21，在一些实施例中，可将部分填充层70移除以形成开口72，开口72暴露出结构层60的部分顶表面60T。举例来说，如图21所示，可将预定形成微机电系统装置108之处的部分填充层70移除以形成开口72，但在预定形成微机电系统装置106之处的填充层70则完整保留。
接着，可在填充层70上形成一金属层90，其中至少部分金属层90形成于开口72中。具体而言，如图21所示，金属层90可包含一第一部分90-1与一第二部分90-2，第一部分90-1与结构层60直接接触(即，第一部分90-1可设置于开口72中)，而第二部分90-2与填充层70直接接触。金属层90的材料与形成方法的范例可与金属层30相同或相似，在此不多加赘述。
参照图22，在一些实施例中，可在填充层70与金属层90上形成一第三介电层92。具体而言，如图22所示，第三介电层92可覆盖填充层70与金属层90，但本发明实施例并非以此为限。第三介电层92的材料与形成方法的范例可与第一介电层20或第二介电层40相同或相似，在此不多加赘述。
在此阶段中，即已完成整合式微机电系统1的微机电系统装置108。在一些实施例中，微机电系统装置108可作为一温度传感器(temperature sensor)，但本发明实施例并非以此为限。
同时参照图22与图23，整合式微机电系统1可包含微机电系统装置106与微机电系统装置108。微机电系统装置106与微机电系统装置108可共用同一基板10。此外，微机电系统装置106可作为一压力传感器，而微机电系统装置108可作为一温度传感器。亦即，根据本发明的一些实施例，可在整合式微机电系统1中同时形成至少两种不同结构或功能的微机电系统装置。相对地，在传统的微机电系统中，不同的微机电系统装置需要个别形成后，再通过另一电路板彼此整合。相较于传统的微机电系统，通过本发明实施例的制造方法可有效降低整合式微机电系统1的整体尺寸并简化制作工艺步骤。
要注意的是，空腔80的位置与形状并非限定于图23所示，可依实际需求进行调整。
图24至图25是根据一些其他的实施例绘示在制造整合式微机电系统1的不同阶段的剖面示意图。举例来说，图24至图25所示的步骤可取代图17至图18所示的步骤，但本发明实施例并非以此为限。此外，图24至图25仅以一个微机电系统装置表示，此微机电系统装置可以代表微机电系统装置106或微机电系统装置108。
参照图24，通过开口62将部分牺牲层50移除以形成开口52’。在此，开口52’的顶面积并未与开口62的底面积相等。在此步骤中，将决定后续形成的凹槽结构的位置与深度，举例来说，如图24所示，在本实施例中，开口52’可暴露第一介电层20的部分顶表面20T，但本发明实施例并非以此为限。
参照图25，通过开口52’对第二介电层40进行一图案化制作工艺(例如，包含一侧向蚀刻制作工艺)以将部分第二介电层40移除并形成凹槽结构42’。接着，可接续如图19与图20的步骤，将牺牲层50(部分或完全)移除，并形成填充层70。在本实施例中，凹槽结构42’可暴露第一介电层20的部分顶表面，因此填充层70可直接接触第一介电层20，但本发明实施例并非以此为限。
图26至图29是根据一些其他的实施例绘示在制造整合式微机电系统1的不同阶段的剖面示意图。举例来说，图26至图29所示的步骤可取代图21至图22所示的步骤，但本发明实施例并非以此为限。此外，图29仅以一个微机电系统装置110表示，此微机电系统装置110可以取代图22所示的微机电系统装置106或微机电系统装置108。
参照图26，在一些实施例中，可将部分填充层70移除以形成开口72，开口72暴露出结构层60的部分顶表面60T。接着，可在填充层70上形成一金属层90，金属层90形成于开口72中。
参照图27，在一些实施例中，可在填充层70与金属层90上形成一第三介电层92。具体而言，如图27所示，第三介电层92可覆盖填充层70与金属层90，但本发明实施例并非以此为限。
参照图28，在一些实施例中，可将部分第三介电层92移除以形成开口94，开口94暴露出位于金属层90的部分顶表面90T。
接着，可在第三介电层92上形成金属层96，其中至少部分金属层96形成于开口94中。具体而言，如图28所示，金属层96可包含一第一部分96-1与一第二部分96-2，第一部分96-1电连接于金属层90(即，第一部分96-1可设置于开口94中并与金属层90直接接触)，而第二部分96-2与金属层90电性绝缘。金属层96的材料与形成方法的范例可与金属层30或金属层90相同或相似，在此不多加赘述。
参照图29，在一些实施例中，可在金属层96的第二部分96-2上形成一吸湿层98，以形成微机电系统装置110。在一些实施例中，吸湿层98的材料可包含LiCl、Se、Ge、TiO2、ZnCr2O4、MgCr2O4、Al2O3、epoxy及多孔质金属氧化膜等，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，吸湿层98可通过一沉积制作工艺与一图案化制作工艺形成于金属层96的第二部分96-2上，但本发明实施例并非以此为限。
在一些实施例中，微机电系统装置110可例如为一湿度传感器(humiditysensor)，但本发明实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，微机电系统装置110可例如为一气体传感器(gas sensor)。举例来说，气体传感器的感测材料可包含WO3、SnO2等，但本发明实施例并非以此为限。微机电系统装置110可以取代图22所示的微机电系统装置106与微机电系统装置108的至少其中之一，或者与此两者并存于图22所示的整合式微机电系统1中。亦即，在本发明的实施例中，整合式微机电系统1可整合具有不同感测功能的微机电系统装置。
综上所述，在本发明的一些实施例中，通过在第二介电层中设置凹槽结构及在结构层中设置与凹槽结构对应的开口，可使填充层(即用于封孔的结构)连续且均匀地填充于此开口与凹槽结构中，以完成封孔。此外，通过本发明实施例的微机电系统装置与其制造方法，能有效防止封孔接缝与空心结构的产生，进而提高封孔品质并提升整体的稳定性。再者，不需要繁复的制作工艺，能有效缩短制作工艺时间并降低成本。
再者，根据本发明的一些实施例，可在整合式微机电系统1中同时形成至少两种不同结构或功能的微机电系统装置。相较于传统的微机电系统，通过本发明实施例的制造方法可有效降低整合式微机电系统的整体尺寸并简化制作工艺步骤。
以上概述数个实施例的部件，以便在本发明所属技术领域中具有通常知识者可以更理解本发明实施例的观点。在本发明所属技术领域中具有通常知识者应该理解，他们能以本发明实施例为基础，设计或修改其他制作工艺和结构以达到与在此介绍的实施例相同的目的及/或优势。在本发明所属技术领域中具有通常知识者也应该理解到，此类等效的结构并无悖离本发明的精神与范围，且他们能在不违背本发明的精神和范围之下，做各式各样的改变、取代和替换。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。另外，虽然本发明已以数个优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。
整份说明书对特征、优点或类似语言的引用，并非意味可以利用本发明实现的所有特征和优点应该或者可以在本发明的任何单个实施例中实现。相对地，涉及特征和优点的语言被理解为其意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因而，在整份说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定代表相同的实施例。
再者，在一个或多个实施例中，可以任何合适的方式组合本发明的所描述的特征、优点和特性。根据本文的描述，相关领域的技术人员将意识到，可在没有特定实施例的一个或多个特定特征或优点的情况下实现本发明。在其他情况下，在某些实施例中可辨识附加的特征和优点，这些特征和优点可能不存在于本发明的所有实施例中。

Claims (34)

1.一种微机电系统装置，其特征在于，包括：
基板，具有至少一接点；
第一介电层，设置于该基板上；
至少一第一金属层，设置于该第一介电层上，且至少部分该第一金属层电连接于该接点；
第二介电层，设置于该第一介电层与该第一金属层上并具有凹槽结构；
结构层，设置于该第二介电层上并具有开口，其中该开口对应于该凹槽结构设置，且该开口的底部的截面积小于该凹槽结构的顶部的截面积；以及
填充层，至少部分设置于该开口与该凹槽结构中，
其中该第二介电层、该结构层与该填充层界定空腔。
2.如权利要求1所述的微机电系统装置，其中该开口的底部的截面积小于该开口的顶部的截面积。
3.如权利要求2所述的微机电系统装置，其中该填充层直接接触该第一介电层或该第二介电层。
4.如权利要求2所述的微机电系统装置，还包括：
牺牲层剩余部分，设置于该第二介电层与结构层之间，
其中该空腔位于该第二介电层、该牺牲层剩余部分、该结构层与该填充层之间。
5.如权利要求4所述的微机电系统装置，其中该结构层的该开口处在该凹槽结构中的投影具有端部，该端部与该凹槽结构的顶端在平行于该第二介电层的顶表面的方向上的最短距离大于或等于该牺牲层剩余部分的厚度。
6.如权利要求2所述的微机电系统装置，其中该第二介电层的顶表面与该凹槽结构的侧壁所夹的角度介于90至150度。
7.如权利要求2所述的微机电系统装置，其中该凹槽结构的侧壁具有弧度。
8.如权利要求2所述的微机电系统装置，其中该第一金属层包括第一部分与第二部分，该第一部分电连接于该接点，该第二部分与该接点电性绝缘。
9.如权利要求8所述的微机电系统装置，其中该填充层直接接触该第二部分。
10.如权利要求1所述的微机电系统装置，其中部分该填充层设置于该结构层上。
11.一种微机电系统装置的制造方法，包括：
提供基板，该基板具有至少一接点；
在该基板上形成第一介电层，其中该第一介电层具有至少一通孔，该通孔暴露该接点的部分顶表面；
在该第一介电层上形成至少一金属层，其中至少部分该金属层电连接于该接点；
在该第一介电层与该金属层上形成第二介电层，其中该第二介电层具有凹槽结构；
在该第二介电层上与该凹槽结构中形成牺牲层；
在该第二介电层与该牺牲层上形成结构层；
将部分该结构层移除以形成开口，该开口暴露出位于该凹槽结构中的该牺牲层；
将该牺牲层移除以暴露该凹槽结构，其中该开口的底部的截面积小于该凹槽结构的顶部的截面积；以及
形成填充层，其中至少部分该填充层形成于该开口与该凹槽结构中，且该第二介电层、该结构层与该填充层界定空腔。
12.如权利要求11所述的微机电系统装置的制造方法，其中该开口的底部的截面积小于该开口的顶部的截面积。
13.如权利要求12所述的微机电系统装置的制造方法，其中该填充层直接接触该第一介电层或该第二介电层。
14.如权利要求12所述的微机电系统装置的制造方法，其中该结构层的该开口处在该凹槽结构中的投影具有端部，该端部与该凹槽结构的顶端在平行于该第二介电层的顶表面的方向上的最短距离大于或等于该牺牲层的厚度。
15.如权利要求12所述的微机电系统装置的制造方法，其中该第二介电层的顶表面与该凹槽结构的侧壁所夹的角度介于90至150度。
16.如权利要求12所述的微机电系统装置的制造方法，其中该凹槽结构的侧壁具有弧度。
17.如权利要求11所述的微机电系统装置的制造方法，其中在形成该第二介电层的步骤中，该第二介电层的凹槽结构暴露出部分该金属层的顶表面。
18.如权利要求17所述的微机电系统装置的制造方法，其中该金属层包括第一部分与第二部分，该第一部分电连接于该接点，该第二部分与该接点电性绝缘。
19.如权利要求18所述的微机电系统装置的制造方法，其中该填充层直接接触该第二部分。
20.一种微机电系统装置的制造方法，包括：
提供基板，该基板具有至少一接点；
在该基板上形成第一介电层，其中该第一介电层具有至少一通孔，该通孔暴露该接点的部分顶表面；
在该第一介电层上形成至少一第一金属层，其中至少部分该第一金属层电连接于该接点；
在该第一介电层与该第一金属层上形成第二介电层；
在该第二介电层上形成牺牲层；
在该第二介电层与该牺牲层上形成结构层；
将部分该结构层移除以形成第一开口，该第一开口暴露出该牺牲层的部分顶表面；
通过该第一开口将部分该牺牲层移除以形成第二开口，该第二开口暴露出该第二介电层的部分顶表面；
通过该第二开口将部分该第二介电层移除以形成凹槽结构；其中该第一开口的底部的截面积小于该凹槽结构的顶部的截面积；
将该牺牲层移除；以及
形成填充层，其中至少部分该填充层形成于该第二开口与该凹槽结构中，且该第二介电层、该结构层与该填充层界定空腔。
21.如权利要求20所述的微机电系统装置的制造方法，其中该第一开口的底部的截面积小于该第一开口的顶部的截面积。
22.如权利要求20所述的微机电系统装置的制造方法，还包括：
将部分该填充层移除以形成第三开口，该第三开口暴露出该结构层的部分顶表面；及
在该填充层上形成第二金属层，其中至少部分该第二金属层形成于该第三开口中。
23.如权利要求22所述的微机电系统装置的制造方法，其中该第二金属层包括第一部分与第二部分，该第一部分与该结构层直接接触，该第二部分与该填充层直接接触。
24.如权利要求22所述的微机电系统装置的制造方法，还包括：
在该填充层与该第二金属层上形成第三介电层。
25.如权利要求24所述的微机电系统装置的制造方法，还包括：
将部分该第三介电层移除以形成第四开口，该第四开口暴露出该第二金属层的部分顶表面；及
在该第三介电层上形成第三金属层，其中至少部分该第三金属层形成于该第四开口中。
26.如权利要求25所述的微机电系统装置的制造方法，其中该第三金属层包括第一部分与第二部分，该第一部分电连接于该第二金属层，该第二部分与该第二金属层电性绝缘。
27.如权利要求26所述的微机电系统装置的制造方法，还包括：
在该第二部分上形成吸湿层。
28.一种整合式微机电系统，其特征在于，包括：
多个如权利要求1～10中任一所述的微机电系统装置，
其中该些微机电系统装置共用同一基板。
29.如权利要求28所述的整合式微机电系统，其中该些微机电系统装置的其中之一还包括：
第二金属层，设置于该结构层的部分顶表面上。
30.如权利要求29所述的整合式微机电系统，其中该第二金属层包括第一部分与第二部分，该第一部分与该结构层直接接触，该第二部分与该填充层直接接触。
31.如权利要求29所述的整合式微机电系统，其中该些微机电系统装置的其中之一还包括：
第三介电层，设置于该填充层与该第二金属层上。
32.如权利要求31所述的整合式微机电系统，其中该些微机电系统装置的其中之一还包括：
第三金属层，其中至少部分该第三金属层设置于该第二金属层的部分顶表面上。
33.如权利要求32所述的整合式微机电系统，其中该第三金属层包括第一部分与第二部分，该第一部分电连接于该第二金属层，该第二部分与该第二金属层电性绝缘。
34.如权利要求32所述的整合式微机电系统，还包括：
吸湿层，设置于该第二部分上。
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