本發(fā)明實(shí)施例涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

涉及半導(dǎo)體器件的電子設(shè)備對(duì)于許多現(xiàn)代化的應(yīng)用來說是必不可少的。半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了快速增長。材料和設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生了多代半導(dǎo)體器件，其中，每一代都具有比先前一代更小且更復(fù)雜的電路。在進(jìn)步和創(chuàng)新過程中，功能密度(即，每芯片面積的互連器件的數(shù)量)通常增大，而幾何尺寸(即，可以使用制造工藝創(chuàng)建的最小組件)卻已減小。這些進(jìn)步增加了處理和制造半導(dǎo)體器件的復(fù)雜程度。

目前已經(jīng)開發(fā)了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件，并且該器件也普遍應(yīng)用于電子設(shè)備中。MEMS器件是一種微型器件，其尺寸通常在從約小于1微米至幾毫米的范圍內(nèi)。MEMS器件包括使用半導(dǎo)體材料，以形成機(jī)械部件和電部件的制造方法。MEMS器件可以包括許多元件(例如，固定或可移動(dòng)元件)以實(shí)現(xiàn)電子-機(jī)械功能。MEMS器件廣泛用于各種應(yīng)用。MEMS應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)傳感器、壓力傳感器、打印機(jī)噴嘴等。其他的MEMS應(yīng)用包括慣性傳感器，諸如用于測量線性加速度的加速度計(jì)和用于測量角速度的陀螺儀。此外，MEMS應(yīng)用延伸至諸如可移動(dòng)反光鏡的光學(xué)應(yīng)用和諸如射頻(RF)開關(guān)的RF應(yīng)用等。

總體上，隨著技術(shù)演變，鑒于電路的小尺寸以及功能和數(shù)量的增加，器件的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。器件涉及許多復(fù)雜的步驟并且增加了制造的復(fù)雜程度。制造的復(fù)雜程度的增加可以導(dǎo)致諸如較高的產(chǎn)量損失、翹曲、低信噪比(SNR)等的缺陷。因此，需要不斷修改電子設(shè)備中的器件的結(jié)構(gòu)和制造方法，以提高器件性能以及降低制造成本和處理時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：第一器件，包括：第一襯底，包括第一表面、與所述第一表面相對(duì)的第二表面、和穿過所述第一襯底并且填充有導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料的多個(gè)通孔，并且第一氧化物層圍繞所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料；腔體，被所述第一襯底圍繞；金屬材料，設(shè)置在所述第一表面上方，覆蓋所述多個(gè)通孔中的一些以及與所述第一襯底電連接；第二氧化物層，設(shè)置在所述第二表面上方；膜，設(shè)置在所述第二氧化物層和所述腔體上方；加熱器，設(shè)置在所述膜內(nèi)并且通過所述氧化物層與所述第一襯底電連接；感測電極，設(shè)置在所述膜和所述加熱器上方；以及感測材料，設(shè)置在所述腔體上方并且與所述感測電極接觸，以及第二器件，包括：第二襯底；和接合結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述第二襯底上方，其中，所述金屬材料與所述接合結(jié)構(gòu)接合以將所述第一器件與所述第二器件集成。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述加熱器包括鎢合金、硅化鎢(WSi)、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、氮化鈦(TiN)、鉬(Mo)、多晶硅、碳化硅(SiC)、氮化鉭(TaN)或氧化鉭(TaO)。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述金屬材料包括鋁或銅，或者所述接合結(jié)構(gòu)包括鍺。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述第一襯底的一部分被所述第一氧化物層和所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料圍繞，并且所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料通過所述第一氧化物層與所述第一襯底隔離。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述感測電極配置為感測所述感測材料的電阻的改變，并且通過所述感測材料與預(yù)定的材料之間的化學(xué)反應(yīng)使所述感測材料的電阻變化。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述加熱器沿著所述膜橫向或縱向延伸，或者所述感測電極在所述膜的表面上方橫向或縱向延伸。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料包括多晶硅。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述膜包括硅、二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、多孔硅或復(fù)合膜。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述感測電極包括鎢合金、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)、鈦、氮化鈦(TiN)、鉭、氮化鉭(TaN)、氧化鉭(TaO)、鉑(Pt)或氮化鉭硅(TaSiN)。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述感測材料包括二氧化錫(SnO₂)、氧化鋅(ZnO)或氧化銦(In₂O₃)。

根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施例，還提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：CMOS襯底；金屬間介電(IMD)層，設(shè)置在所述CMOS襯底上方；接合結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述IMD層上方；MEMS襯底，包括面向所述CMOS襯底的第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面；金屬材料，設(shè)置在所述第一表面上方；腔體，被所述MEMS襯底圍繞；多晶硅，設(shè)置在所述MEMS襯底內(nèi)；第一氧化物層，設(shè)置在所述多晶硅與所述MEMS襯底之間；第二氧化物層，設(shè)置在所述第二表面上方；膜，設(shè)置在所述第二氧化物層和所述腔體上方；加熱器，設(shè)置在所述膜內(nèi)并且與所述MEMS襯底電連接；感測電極，設(shè)置在所述膜和所述加熱器上方，并且與所述MEMS襯底電連接；以及感測材料，覆蓋所述感測電極的一部分，其中，通過將所述金屬材料與所述接合結(jié)構(gòu)接合以及將所述CMOS襯底與所述MEMS襯底電連接，將所述CMOS襯底與所述MEMS襯底集成。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，還包括：隔離層，設(shè)置在所述CMOS襯底上方并且配置為將所述CMOS襯底與所述MEMS襯底熱隔離；或互連結(jié)構(gòu)，包括穿過所述隔離層并且與所述IMD層接觸的通孔部分，和在所述隔離層上方并且沿著所述隔離層延伸以及配置為接收所述接合結(jié)構(gòu)的延長部分；或第三氧化物層，設(shè)置在所述隔離層上方并且設(shè)置在所述通孔部分與所述隔離層之間。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述接合結(jié)構(gòu)為接合焊盤。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述第二氧化物層設(shè)置在所述腔體上方。

在上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述加熱器配置為提供300℃至800℃的操作溫度以有助于所述感測電極對(duì)預(yù)定氣體的感測，或者所述加熱器的寬度為0.1μm至30μm。

根據(jù)本發(fā)明的又一些實(shí)施例，還提供了一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括：接收第一襯底，所述第一襯底包括第一表面、與所述第一表面相對(duì)的第二表面、從所述第二表面朝向所述第一表面延伸并且填充有導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料的多個(gè)通孔，在所述第一襯底與所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料之間設(shè)置第一氧化物層，并且在所述第二表面上方設(shè)置第二氧化物層；在所述第二氧化物層上方設(shè)置并且圖案化第一膜層；在所述第一膜層上方設(shè)置并且圖案化加熱器；在所述加熱器和所述第一膜層上方設(shè)置并且圖案化第二膜層；在所述第二膜層上方設(shè)置感測電極；在所述感測電極和所述第二膜層上方設(shè)置犧牲氧化物；從所述第一表面去除所述第一襯底的一些以暴露所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料；在所述第一表面和所述多個(gè)通孔上方設(shè)置金屬材料；形成由所述第一襯底圍繞的腔體；接收第二襯底，所述第二襯底包括設(shè)置在所述第二襯底上方的接合結(jié)構(gòu)；將所述金屬材料與所述接合結(jié)構(gòu)接合；去除所述犧牲氧化物；以及在所述感測電極上方設(shè)置感測材料。

在上述方法中，形成所述腔體包括：從所述第一表面蝕刻所述第一襯底以暴露所述第一膜層或所述第二氧化物層。

在上述方法中，將所述金屬材料與所述接合結(jié)構(gòu)接合包括共晶接合操作。

在上述方法中，去除所述第一襯底的一些包括：朝向所述第二表面研磨所述第一表面。

在上述方法中，還包括：在所述第二襯底上方形成金屬間介電(IMD)層；在所述第二襯底上方設(shè)置并且圖案化隔離層；設(shè)置與所述隔離層共形的第三氧化物層；形成互連結(jié)構(gòu)，所述互連結(jié)構(gòu)包括與所述IMD層接觸的通孔部分和沿著所述第三氧化物層設(shè)置并且與所述接合結(jié)構(gòu)耦合的延長部分。

附圖說明

當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，根據(jù)下面詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各種部件沒有被按比例繪制。實(shí)際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意性透視圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的圖1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意性分解圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的沿著圖1的線AA'的截取的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意性透視圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的圖4的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意性分解圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的沿著圖4的線BB'的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意性透視圖。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的沿著圖7的線CC'的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。

圖9是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。

圖9A是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的第一襯底的截面圖。

圖9B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有第一膜層的第一襯底的截面圖。

圖9C是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有加熱器的第一襯底的截面圖。

圖9D是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有第二膜層的第一襯底的截面圖。

圖9E是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有感測電極的第一襯底的截面圖。

圖9F是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有犧牲氧化物的第一襯底的截面圖。

圖9G是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有減小的厚度的第一襯底的截面圖。

圖9H是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有金屬材料的第一襯底的截面圖。

圖9I是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有腔體的第一襯底的截面圖。

圖9J是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的第一襯底和第二襯底的截面圖。

圖9K是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的與第二襯底接合的第一襯底的截面圖。

圖9L是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的犧牲氧化物的去除的截面圖。

圖9M是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖10是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。

圖10A是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的第一襯底的截面圖。

圖10B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有第一膜層的第一襯底的截面圖。

圖10C是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有加熱器的第一襯底的截面圖。

圖10D是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有第二膜層的第一襯底的截面圖。

圖10E是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有感測電極的第一襯底的截面圖。

圖10F是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有犧牲氧化物的第一襯底的截面圖。

圖10G是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有減小的厚度的第一襯底的截面圖。

圖10H是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有金屬材料的第一襯底的截面圖。

圖10I是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有腔體的第一襯底的截面圖。

圖10J是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的第一襯底和第二襯底的截面圖。

圖10K是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有IMD層的第二襯底的截面圖。

圖10L-1和圖10L-2是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有隔離層的第二襯底的截面圖。

圖10M是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有第三氧化物層的第二襯底的截面圖。

圖10N是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有互連結(jié)構(gòu)的第二襯底的截面圖。

圖10O是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有接合結(jié)構(gòu)的第二襯底的截面圖。

圖10P是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的與接合結(jié)構(gòu)接合的金屬材料的截面圖。

圖10Q是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的犧牲氧化物的去除的截面圖。

圖10R是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。

具體實(shí)施方式

以下公開內(nèi)容提供了許多不同實(shí)施例或?qū)嵗?，用于?shí)現(xiàn)所提供主題的不同特征。以下將描述組件和布置的特定實(shí)例以簡化本發(fā)明。當(dāng)然，這些僅是實(shí)例并且不意欲限制本發(fā)明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接觸的實(shí)施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之間的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接觸的實(shí)施例。另外，本發(fā)明可以在多個(gè)實(shí)例中重復(fù)參考標(biāo)號(hào)和/或字符。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，并且其本身不指示所討論的各個(gè)實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。

此外，為了便于描述，本文中可以使用諸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等空間關(guān)系術(shù)語以描述如圖所示的一個(gè)元件或部件與另一元件或部件的關(guān)系。除圖中所示的方位之外，空間關(guān)系術(shù)語意欲包括使用或操作過程中的器件的不同的方位。裝置可以以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空間關(guān)系描述符可同樣地作相應(yīng)地解釋。

傳感器是用于檢測諸如液體、氣體等的預(yù)定材料的存在的電子設(shè)備。傳感器可以通過諸如電化學(xué)、機(jī)電、光學(xué)等的各種合適的機(jī)制來感測預(yù)定材料的存在。傳感器可以感測預(yù)定材料并且相應(yīng)地生成電信號(hào)以用于進(jìn)一步的處理。傳感器可以涉及：MEMS器件，用于通過機(jī)電機(jī)制來感測預(yù)定的材料的存在；和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件，用于處理基于檢測到的預(yù)定材料的存在而生成的電信號(hào)。MEMS器件可以通過諸如引線接合的合適的操作與CMOS器件集成。由于傳感器涉及分別制造的MEMS器件和CMOS器件，所以傳感器的幾何尺寸或形狀因數(shù)不被期望地較大。

此外，需要在預(yù)定的高操作溫度(例如，700℃以上)下操作傳感器。傳感器包括用于提供預(yù)定的操作溫度，以用于感測預(yù)定的材料的加熱器。加熱器由諸如鎢的各種材料制成。然而，由鎢制成的加熱器的加熱效率相對(duì)較低，并且加熱器的功耗不期望地高。

在本發(fā)明中，公開了具有改進(jìn)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的傳感器。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括MEMS器件和CMOS器件。通過形成通孔和接合操作來集成MEMS器件和COMS器件。若干通孔形成在MEMS襯底中，并且金屬材料設(shè)置在MEMS襯底的表面上方。金屬材料配置為與設(shè)置在CMOS襯底上方的接合結(jié)構(gòu)接合。這樣，通過金屬材料和接合結(jié)構(gòu)將MEMS器件與CMOS器件集成。這種集成可以減小半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形狀因數(shù)并且最小化傳感器。此外，增強(qiáng)了具有改進(jìn)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的傳感器的性能，諸如較低的寄生電容、低噪聲、高信噪比(SNR)、高敏感度和反應(yīng)度。

另外，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的MEMS器件配置為檢測預(yù)定氣體的存在。MEMS器件包括膜、加熱器、感測電極和感測材料。感測電極可以檢測預(yù)定的氣體，并且當(dāng)存在預(yù)定的氣體并且預(yù)定的氣體與感測材料反應(yīng)時(shí)生成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。需要在預(yù)定的溫度下操作MEMS器件以用于檢測預(yù)定氣體。加熱器提供用于操作MEMS器件的預(yù)定溫度。加熱器包括鎢合金、硅化鎢(WSi)、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)等。這種加熱器具有高電阻率，因此在MEMS器件的操作期間提供較高的加熱效率。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意性透視圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括第一器件100。第一器件100包括第一襯底101、氧化物101d、腔體102、金屬材料103、膜104、加熱器105、感測電極106和感測材料107。圖2是第一器件100的分解示意圖，其示出了第一襯底101、膜104和感測材料107。加熱器105設(shè)置在膜104內(nèi)。感測電極106被感測材料107部分地覆蓋。圖3是沿著圖1的AA’的第一器件100的示意性截面圖。

在一些實(shí)施例中，第一器件100配置為感測諸如氣體的預(yù)定材料的存在。在一些實(shí)施例中，第一器件100配置為檢測諸如一氧化碳等的有毒和危險(xiǎn)氣體的存在。在一些實(shí)施例中，第一器件100是傳感器的一部分。在一些實(shí)施例中，第一器件100是氣體傳感器或氣體檢測器的一部分。在一些實(shí)施例中，當(dāng)存在并且檢測到預(yù)定的材料時(shí)，第一器件100可以生成電信號(hào)。在一些實(shí)施例中，第一器件100是包括電子-機(jī)械元件的MEMS器件。在一些實(shí)施例中，第一器件100具有小的形狀因數(shù)。在一些實(shí)施例中，第一器件100的厚度約小于約100μm。在一些實(shí)施例中，第一器件100配置為設(shè)置在另一襯底上方并且與該另一襯底接合。

在一些實(shí)施例中，第一器件100包括第一襯底101。在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括硅、玻璃、陶瓷或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第一襯底101是硅襯底。在一些實(shí)施例中，第一襯底101是MEMS襯底。在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括形成在第一襯底101上或中的電路。在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括晶體管、電容器、電阻器、二極管、光電二極管等。在一些實(shí)施例中，第一襯底101的厚度為約20μm至約500μm。

在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括第一表面101a、與第一表面101a相對(duì)的第二表面101b。在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括穿過第一襯底101的若干通孔101c。在一些實(shí)施例中，每一個(gè)通孔101c都從在第一表面101a延伸至第二表面101b。在一些實(shí)施例中，通孔101c是溝槽。在一些實(shí)施例中，存在被鄰近的通孔101c圍繞的第一襯底101的部分101f。部分101f設(shè)置在兩個(gè)或多個(gè)通孔101c之間。在一些實(shí)施例中，每一個(gè)通孔101c都填充有導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e包括多晶硅。在一些實(shí)施例中，通過第一氧化物層101d-1將導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e與第一襯底101隔離。在一些實(shí)施例中，第一襯底101的部分101f被第一氧化物層101d-1和導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e圍繞。

在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括設(shè)置在第一襯底101內(nèi)的第一氧化物層101d-1。在一些實(shí)施例中，第一氧化物層101d-1設(shè)置為與通孔101c共形。在一些實(shí)施例中，第一氧化物層101d-1設(shè)置在通孔101c的側(cè)壁上方。在一些實(shí)施例中，第一氧化物層101d-1圍繞導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e。在一些實(shí)施例中，第一氧化物層101d-1將部分101f和導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e與第一襯底101的剩余部分隔離。在一些實(shí)施例中，第一氧化物層101d-1包括氧化硅或任何其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第一氧化物層101d-1的厚度為約0.1μm至約5μm。

在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2設(shè)置在第一襯底101的第二表面101b和通孔101c上方。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2覆蓋第二表面101b、第一氧化物層101d-1的一部分以及導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e的一部分。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2的厚度為約0.1μm至約5μm。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2配置為促進(jìn)其上設(shè)置的結(jié)構(gòu)或材料的粘合。

在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2包括若干第一凹槽101g。在一些實(shí)施例中，第一凹槽101g包括第一襯底101的部分101f的一部分。在一些實(shí)施例中，第一襯底101的部分101f未被第二氧化物層101d-2覆蓋。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2與第一氧化物層101d-1耦合并且成為氧化物101d。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2包括與第一氧化物層101d-1相同或不同的材料。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2包括氧化硅或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2的厚度與第一氧化物層101d-1的厚度相同或不同。

在一些實(shí)施例中，腔體102設(shè)置在第一襯底101內(nèi)。在一些實(shí)施例中，腔體102被第一襯底101圍繞。在一些實(shí)施例中，腔體102穿過第一襯底101和第二氧化物層101d-2。在一些實(shí)施例中，腔體102延伸穿過第一襯底101的第一表面101a和第二表面101b。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2設(shè)置在腔體102上方。腔體102穿過第一襯底101但未穿過第二氧化物層101d-2。在一些實(shí)施例中，腔體102設(shè)置在第一襯底101的中心部分處。在一些實(shí)施例中，腔體102的截面是矩形、四邊形、三角形、圓形、多邊形或其他合適的形狀。

在一些實(shí)施例中，金屬材料103設(shè)置在第一襯底101的第一表面101a上方。在一些實(shí)施例中，金屬材料103覆蓋第一襯底101的部分101f或通孔101c。在一些實(shí)施例中，金屬材料103與第一襯底101的部分101f或?qū)щ娀虬雽?dǎo)體材料101e電連接。在一些實(shí)施例中，金屬材料103包括銅、鋁、鋁銅合金或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，金屬材料103被配置為與第一襯底101外部的電路電連接。在一些實(shí)施例中，金屬材料103配置為接收接合結(jié)構(gòu)。

在一些實(shí)施例中，膜104設(shè)置在第一襯底101的第二表面101b、第二氧化物層101d-2和腔體102上方。在一些實(shí)施例中，膜104與第二氧化物層101d-2附接。在一些實(shí)施例中，膜104包括穿過膜104的多個(gè)孔。在一些實(shí)施例中，膜104包括硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、復(fù)合膜或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，膜104具有低傳導(dǎo)性以最小化熱損失。由加熱器105提供的熱量不會(huì)被膜104輕易地散去。在一些實(shí)施例中，膜104是矩形、四邊形、三角形、圓形、多邊形或任何其他合適的形狀。在一些實(shí)施例中，膜104的厚度為約0.1μm至約10μm。

在一些實(shí)施例中，加熱器105設(shè)置在膜104內(nèi)。在一些實(shí)施例中，加熱器105包括單層或多層。這些層彼此疊加設(shè)置。在一些實(shí)施例中，加熱器105包括鎢合金、硅化鎢(WSi)、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、氮化鈦(TiN)、鉬(Mo)、多晶硅、碳化硅(SiC)、氮化鉭(TaN)、氧化鉭(TaO)或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，加熱器105的寬度為約0.1μm至約25μm。在一些實(shí)施例中，加熱器105的熔點(diǎn)為約500℃至3000℃。在一些實(shí)施例中，加熱器105的電阻率大于約6x10^-8歐姆-米(Ω·m)。

在一些實(shí)施例中，加熱器105配置為提供用于由第一器件100感測的預(yù)定材料的操作溫度。在操作溫度下感測預(yù)定材料的存在。在一些實(shí)施例中，操作溫度為約200℃至約800℃。在一些實(shí)施例中，操作溫度大于約500℃。在一些實(shí)施例中，加熱器105的一部分電連接至電源，從而使得在來自電源的電流流經(jīng)加熱器105時(shí)，加熱器105可以提供操作溫度。

在一些實(shí)施例中，加熱器105橫向延伸跨過膜104。在一些實(shí)施例中，加熱器105沿著膜104縱向延伸。在一些實(shí)施例中，加熱器105為之字形配置。在一些實(shí)施例中，加熱器105在腔體102上方延伸并且延伸跨過腔體102。在一些實(shí)施例中，加熱器105與第一襯底101電連接。在一些實(shí)施例中，加熱器105的一部分通過第一凹槽101g與第一襯底101的部分101f電連接。在一些實(shí)施例中，加熱器105的一部分從膜104穿過第二氧化物層101d-2延伸至第一襯底101的部分101f。這樣，加熱器105的一部分被膜104、第二氧化物層101d-2和第一襯底101的部分101f圍繞。

在一些實(shí)施例中，感測電極106設(shè)置在膜104和加熱器105上方。在一些實(shí)施例中，感測電極106包括鎢合金、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)、鈦、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氧化鉭(TaO)、氮化鉭硅(TaSiN)、鉑(Pt)或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，感測電極106配置為感測諸如氣體的預(yù)定材料。當(dāng)存在預(yù)定材料時(shí)，感測電極106會(huì)生成電信號(hào)并且將電信號(hào)傳輸至第一襯底101、其他外部襯底或其他器件以用于進(jìn)一步處理。在一些實(shí)施例中，感測電極106的寬度為約0.1μm至約25μm。

在一些實(shí)施例中，感測電極106在膜104的表面上方橫向或縱向延伸。在一些實(shí)施例中，感測電極106橫向延伸經(jīng)過整個(gè)膜104的表面。在一些實(shí)施例中，感測電極106是梳狀結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，感測電極106的一部分通過膜104的第三凹槽104b與加熱器105的一部分耦合。感測電極106的一部分朝向加熱器105延伸穿過第三凹槽104b。

在一些實(shí)施例中，感測材料107設(shè)置在腔體102上方并且與感測電極106接觸。在一些實(shí)施例中，感測材料107部分地覆蓋感測電極106，從而使得感測電極106的一部分被感測材料107包裹而感測電極106的另一部分從感測材料107向外延伸。在一些實(shí)施例中，感測材料包括二氧化錫(SnO₂)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦(In₂O₃)或其他合適的材料。

在一些實(shí)施例中，感測材料107配置為在操作溫度下檢測預(yù)定的材料。在一些實(shí)施例中，當(dāng)存在預(yù)定材料并且預(yù)定材料與感測材料107接觸時(shí)，感測材料107的電阻會(huì)改變。在一些實(shí)施例中，感測電極106配置為感測感測材料107的電阻的改變。通過感測材料107與預(yù)定的材料之間的化學(xué)反應(yīng)而使感測材料107的電阻變化。感測材料107會(huì)與預(yù)定材料反應(yīng)，導(dǎo)致感測材料107的電阻的改變。例如，當(dāng)存在諸如一氧化碳的預(yù)定材料時(shí)，感測材料107的電阻會(huì)顯著下降。電阻的減少會(huì)從感測電極106開始生成電信號(hào)。電信號(hào)會(huì)傳輸至第一襯底101或其他相應(yīng)的襯底/器件以用于進(jìn)一步處理，從而檢測到預(yù)定材料的存在。在一些實(shí)施例中，當(dāng)存在預(yù)定的材料時(shí)，會(huì)生成電信號(hào)并且通過第一襯底101的部分101f將電信號(hào)從感測電極106傳輸至金屬材料103。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300的示意性透視圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300包括第一器件100和第二器件200。圖5是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300的示意性分解圖。圖6是沿著圖4的線BB’的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300的截面示意圖。

在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300配置為感測諸如氣體的預(yù)定材料的存在。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300是傳感器的一部分。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300包括氣體傳感器。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300是包括與第二器件200集成的第一器件100的單片傳感器。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300包括具有與以上圖1至圖3的任一個(gè)中描述或示出的第一器件100類似的配置的第一器件100。

在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300包括設(shè)置為與第一器件100相對(duì)的第二器件200。在一些實(shí)施例中，第二器件200設(shè)置在第一器件100下面。在一些實(shí)施例中，第一器件100安裝在第二器件200上。在一些實(shí)施例中，第一器件100與第二器件200接合，從而使得第一器件100與第二器件200集成。在一些實(shí)施例中，第二器件200是包括CMOS組件的CMOS器件。

在一些實(shí)施例中，第二器件200包括第二襯底201和設(shè)置在第二襯底201上方的接合結(jié)構(gòu)204。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括設(shè)置在第二襯底201上方或中的CMOS組件和電路。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括硅或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第二襯底201是硅襯底。在一些實(shí)施例中，第二襯底201是CMOS襯底。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括第一表面201a、和與第一面201a相對(duì)的第二表面201b。在一些實(shí)施例中，第二襯底201的第一表面201a與第一襯底101的第一表面101a相對(duì)。在一些實(shí)施例中，第二襯底201的厚度為約500μm至約750μm。

在一些實(shí)施例中，金屬間介電(IMD)層202設(shè)置在第二襯底201上方。在一些實(shí)施例中，IMD層202包括諸如氧化硅的氧化物，或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，IMD層202設(shè)置在第二襯底201的第一表面201a上方。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203設(shè)置在IMD層202內(nèi)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203與第二襯底201中的組件或電路電連接。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203包括鎢、銅、鋁等。

在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204設(shè)置在第二襯底201和IMD層202上方。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204設(shè)置在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203上方并且與該導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203電連接。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204配置為接收其他的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204包括鍺或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204在IMD層202或第二襯底201的第一表面201a上方延伸并且延伸經(jīng)過整個(gè)IMD層202或第二襯底201的第一表面201a。在實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204是接合焊盤。

在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204與金屬材料103電連接并且與金屬材料103接合以將第一器件100與第二器件200集成并且電連接。在一些實(shí)施例中，通過接合結(jié)構(gòu)204和金屬材料103將感測電極106與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203或第二襯底201電連接。在一些實(shí)施例中，當(dāng)存在預(yù)定的材料時(shí)，將由感測材料107的電阻的改變而生成的電信號(hào)從第一器件100傳輸至第二器件200以用于進(jìn)一步的處理。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400的示意透視圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400包括第一器件100和第二器件200。圖8是沿著圖7的線CC’的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400的截面示意圖。

在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400配置為感測諸如氣體的預(yù)定材料的存在。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400是傳感器的一部分。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400包括氣體傳感器。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400是包括與第二器件200集成的第一器件100的單片傳感器。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400包括具有與以上圖1至圖3的任一個(gè)中描述或示出的第一器件100類似的配置的第一器件100。在一些實(shí)施例中，第二器件200包括第二襯底201、IMD層202、導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203和接合結(jié)構(gòu)204，其具有與以上圖4至圖6的任一個(gè)中描述或示出的配置類似的配置。

在一些實(shí)施例中，介電層208設(shè)置在IMD層202上方。在一些實(shí)施例中，介電層208包括氧化物或其他合適的介電材料。在一些實(shí)施例中，第二器件200包括設(shè)置在CMOS襯底201上方并且配置為將CMOS襯底201與MEMS襯底101熱隔離的隔離層205。在一些實(shí)施例中，隔離層205的存在增加了CMOS襯底201與MEMS襯底101之間的距離或第一器件100與第二器件200之間的距離，從而使得有加熱器105提供的熱量不會(huì)影響CMOS襯底201或第二器件200。在一些實(shí)施例中，隔離層205包括硅或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，隔離層205是硅襯底或硅晶圓。在一些實(shí)施例中，隔離層205包括介電材料，諸如氧化硅、氮化硅等。在一些實(shí)施例中，隔離層205是鈍化物。在一些實(shí)施例中，隔離層205的厚度為約30μm至約300μm。

在一些實(shí)施例中，隔離層205包括設(shè)置在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203上方的若干第四凹槽205a。在一些實(shí)施例中，第四凹槽穿過隔離層205和介電層208以暴露導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203的一部分，從而使得導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203可以與外部電路或組件電連接。

在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207設(shè)置在隔離層205上方。在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207設(shè)置為與第四凹槽205a共形。在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207包括氧化硅或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207的厚度為約0.1μm至約5μm。

在一些實(shí)施例中，互連結(jié)構(gòu)206設(shè)置在隔離層205、第三氧化物層207和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203上方。在一些實(shí)施例中，互連結(jié)構(gòu)206包括導(dǎo)電材料，諸如鋁、銅等。在一些實(shí)施例中，互連結(jié)構(gòu)206是再分布層(RDL)。

在一些實(shí)施例中，互連結(jié)構(gòu)206包括通孔部分206a和延長部分206b。在一些實(shí)施例中，通孔部分206a穿過隔離層205并且與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203或IMD層202接觸。在一些實(shí)施例中，通孔部分206a從隔離層205延伸至IMD層202并且設(shè)置在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203上方。在一些實(shí)施例中，通孔部分206a與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203電連接。在一些實(shí)施例中，通孔部分206a與設(shè)置在第四凹槽205a內(nèi)的第三氧化物層207共形。在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207設(shè)置在通孔部分206a與隔離層205之間。

在一些實(shí)施例中，互連結(jié)構(gòu)206包括延伸至隔離層205上方并且沿著該隔離層205延伸的延長部分206b。在一些實(shí)施例中，延長部分206b設(shè)置在第三氧化物層207上方。在一些實(shí)施例中，通過通孔部分206a將延長部分206b與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203電連接。

在一些實(shí)施例中，延長部分206b配置為接收接合結(jié)構(gòu)204。接合結(jié)構(gòu)204設(shè)置在延長部分206b上方，從而使得互連結(jié)構(gòu)206與接合結(jié)構(gòu)204電連接。在一些實(shí)施例中，通過將金屬材料103與接合結(jié)構(gòu)204接合以及CMOS襯底201與MEMS襯底101電連接，將CMOS襯底201與MEMS襯底101集成。在一些實(shí)施例中，延長部分206b與接合結(jié)構(gòu)204接合，并且接合結(jié)構(gòu)204與金屬材料103接合。因此，通過金屬結(jié)構(gòu)103、接合結(jié)構(gòu)204和延長部分206b將第一器件100與第二器件200接合并且集成。

在本發(fā)明中，還公開了制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過方法500形成。方法500包括許多步驟，而描述和說明不應(yīng)該被視為限制步驟的順序。

圖9是制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法500的實(shí)施例。方法500包括許多操作(501、502、503、504、505、506、507、508、509、510、511、512和513)。

如圖9A所示，在操作501中，接收或提供第一襯底101。在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括硅、玻璃、陶瓷或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第一襯底101是硅襯底。在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括形成在第一襯底101上或中的電路。在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括第一表面101a、與第一表面101a相對(duì)的第二表面101b。在一些實(shí)施例中，第一表面101a為第一襯底101的背面，而第二表面101b為第一襯底101的正面。

在一些實(shí)施例中，第一襯底101包括從第二表面101b朝向第一表面101a延伸的若干通孔101c。在一些實(shí)施例中，通過光刻和蝕刻操作形成通孔101c。在一些實(shí)施例中，第一氧化物層101d-1設(shè)置為與通孔101c共形。在一些實(shí)施例中，通過熱氧化操作在通孔101c內(nèi)形成第一氧化物層101d-1。

在一些實(shí)施例中，每一個(gè)通孔101c都填充有導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e包括多晶硅。第一氧化物層101d-1設(shè)置在第一襯底101與導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e之間。在一些實(shí)施例中，通過諸如化學(xué)汽相沉積(CVD)、低壓CVD(LPCVD)等的沉積操作來形成導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e。在一些實(shí)施例中，通過諸如化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)的合適的操作來拋光或平坦化導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e。

在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2設(shè)置在第一襯底101的第一表面101a或第二表面101b上方。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2設(shè)置在通孔101c上方并且與第一氧化物層101d-1和導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e接觸。在一些實(shí)施例中，通過熱氧化操作形成第二氧化物層101d-2。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層101d-2是與第一氧化物層101d-1相同或不同的材料。

如圖9B所示，在操作502中，在第二氧化物層101d-2上方設(shè)置并且圖案化第一膜層104-1。在一些實(shí)施例中，第一膜層104-1設(shè)置在第二氧化物層101d-2上方，然后圖案化以形成若干第二凹槽104a。在一些實(shí)施例中，第一膜層104-1也設(shè)置在第一襯底101的第一表面101a上方。在一些實(shí)施例中，第一膜層104-1包括硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、復(fù)合膜或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，通過CVD或其他合適的操作設(shè)置第一膜層104-1。

在一些實(shí)施例中，通過去除設(shè)置在通孔101c之間的第一膜層104-1的一些來形成第二凹槽104a。在一些實(shí)施例中，通過光刻和蝕刻操作圖案化第一膜層104-1以形成第二凹槽104a。在一些實(shí)施例中，還去除設(shè)置在第二凹槽104a下面的第二氧化物層101d-2的一些以形成若干第一凹槽101g，并且因此，第一凹槽101g分別與第二凹槽104a耦合。在一些實(shí)施例中，第一凹槽101g穿過第二氧化物層101d-2并且延伸至第一襯底101的第二表面101b。

如圖9C所示，在操作503中，在第一膜層104-1上方設(shè)置并且圖案化加熱器105。在一些實(shí)施例中，加熱器105設(shè)置在第二氧化物層101d-2上方，然后通過光刻和蝕刻操作進(jìn)行圖案化。在一些實(shí)施例中，加熱器105設(shè)置在第二氧化物層101d-2上方，并且設(shè)置在第一凹槽101g和第二凹槽104a內(nèi)。在一些實(shí)施例中，加熱器105與第一襯底101的設(shè)置在通孔101c之間的部分101f電連接。在一些實(shí)施例中，加熱器105包括鎢合金、硅化鎢(WSi)、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、氮化鈦(TiN)、鉬(Mo)、多晶硅、碳化硅(SiC)、氮化鉭(TaN)、氧化鉭(TaO)或其他合適的材料。

如圖9D所示，在操作504中，在加熱器105和第一膜層104-1上方設(shè)置并且圖案化第二膜層104-2。在一些實(shí)施例中，第二膜層104-2設(shè)置在第一膜層104-1上方，然后圖案化以形成若干第三凹槽104b。在一些實(shí)施例中，第二膜層104-2也設(shè)置在第一襯底101的第一表面101a上方。在一些實(shí)施例中，第二膜層104-2包括硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、復(fù)合膜或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第二膜層104-2包括與第一膜層104-1相同或不同的材料。在一些實(shí)施例中，通過CVD或其他合適的操作設(shè)置第二膜層104-2。在一些實(shí)施例中，第一膜層104-1和第二膜層104-2成為膜104。加熱器105設(shè)置在膜104內(nèi)。

在一些實(shí)施例中，通過去除設(shè)置在第二凹槽104a上方的一些第二膜層104-2來形成第三凹槽104b。在一些實(shí)施例中，通過光刻和蝕刻操作圖案化第二膜層104-2以形成第三凹槽104b。在一些實(shí)施例中，第三凹槽104b朝向設(shè)置在第二凹槽104a內(nèi)的加熱器105延伸。

如圖9E所示，在操作505中，在第二膜層104-2上方設(shè)置感測電極106。在一些實(shí)施例中，感測電極106設(shè)置在第二膜層104-2上方并且設(shè)置在第三凹槽104b內(nèi)。在一些實(shí)施例中，感測電極106設(shè)置在加熱器105上方。在一些實(shí)施例中，感測電極106的一部分通過第三凹槽104b與加熱器105的一部分耦合。在一些實(shí)施例中，通過光刻和蝕刻操作圖案化感測電極106。在一些實(shí)施例中，感測電極106配置為感測諸如氣體的預(yù)定材料。在一些實(shí)施例中，感測電極106包括鎢合金、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)、鈦、氮化鈦(TiN)、鉭、氮化鉭(TaN)、氧化鉭(TaO)、氮化鉭硅(TaSiN)、鉑(Pt)或其他合適的材料。

如圖9F所示，在操作506中，在感測電極106和第二膜層104-2上方設(shè)置犧牲氧化物108。在一些實(shí)施例中，犧牲氧化物108覆蓋感測電極106和第二膜層104-2以用于保護(hù)。在一些實(shí)施例中，通過諸如CVD的合適的操作沉積犧牲氧化物108。在一些實(shí)施例中，通過諸如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的合適的操作來拋光或平坦化犧牲氧化物108。

如圖9G所示，在操作507中，從第一表面101a去除第一襯底101的一些以暴露導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e。在一些實(shí)施例中，通過諸如研磨、蝕刻等的合適的操作去除第一襯底101的一些、設(shè)置在第一表面101a上方的第二氧化物層101d-2、第一膜層104-1和第二膜層104-2。在一些實(shí)施例中，第一表面101a的一些的去除是通過背側(cè)研磨操作。在一些實(shí)施例中，通過朝向第二表面101b研磨第一表面101a來去除第一襯底101的一些。在一些實(shí)施例中，通過研磨第一表面101a來減小第一襯底101的厚度，從而形成新的第一表面101a'并且暴露導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料101e。

如圖9H所示，在操作508中，在新的第一表面101a'和通孔101c上方設(shè)置金屬材料103。在一些實(shí)施例中，設(shè)置金屬材料103并且然后通過光刻和蝕刻操作進(jìn)行圖案化，從而在第一襯底101的部分101f和通孔101c上方形成金屬材料103。在一些實(shí)施例中，通過電鍍、濺射或其他適合的操作設(shè)置金屬材料103。在一些實(shí)施例中，在形成金屬材料103之前翻轉(zhuǎn)第一襯底101。在一些實(shí)施例中，金屬材料103被配置為與第一襯底101外部的電路電連接。在一些實(shí)施例中，金屬材料103配置為接收接合結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，金屬材料103包括銅、鋁、鋁銅合金或其他合適的材料。

如圖9I所示，在操作509中，形成腔體102。在一些實(shí)施例中，通過光刻和蝕刻操作去除第一襯底101的一些以形成腔體102。在一些實(shí)施例中，從新的第一表面101a'穿過第二表面101b蝕刻第一襯底101的一些，從而暴露第一膜層104-1或第二氧化物層101d-2。在一些實(shí)施例中，蝕刻第一襯底101的一些直到到達(dá)第二氧化物層101d-2。在一些實(shí)施例中，去除第一襯底101的一些和第二氧化物層101d-2的一些以形成腔體102。

如圖9J所示，在操作510中，接收或提供第二襯底201。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括第一表面201a、與第一面201a相對(duì)的第二表面201b。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括設(shè)置在第二襯底201上方或中的CMOS組件和電路。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括硅或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第二襯底201是硅襯底。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括設(shè)置在第二襯底201上方的接合結(jié)構(gòu)204。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204配置為接收金屬材料103。在一些實(shí)施例中，IMD層202設(shè)置在第二襯底201上方，并且導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203設(shè)置在IMD層202內(nèi)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203設(shè)置在接合結(jié)構(gòu)204下面并且與該接合結(jié)構(gòu)204電連接。

如圖9K所示，在操作511中，將接合結(jié)構(gòu)204與金屬材料103接合。在一些實(shí)施例中，第一襯底101設(shè)置在第二襯底201上方，并且然后，設(shè)置金屬材料103并且金屬材料103與接合結(jié)構(gòu)204接合。在一些實(shí)施例中，通過共晶接合操作將金屬材料103與接合結(jié)構(gòu)204接合。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204包括鍺，并且金屬材料103包括鋁。

如圖9L所示，在操作512中，去除犧牲氧化物108。在一些實(shí)施例中，通過諸如濕蝕刻的蝕刻操作或其他合適的操作來去除犧牲氧化物108以暴露感測電極106。

如圖9M所示，在操作513中，在感測電極106上方設(shè)置感測材料107。在一些實(shí)施例中，感測材料107設(shè)置在腔體102上方并且與感測電極106接觸。在一些實(shí)施例中，感測材料107部分地覆蓋感測電極106，從而使得感測電極106的一部分被感測材料107密封而感測電極106的另一部分從感測材料107向外延伸并且未被感測材料107覆蓋。在一些實(shí)施例中，感測材料包括二氧化錫(SnO₂)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦(In₂O₃)或其他合適的材料。

在一些實(shí)施例中，形成包括第一器件100和第二器件200的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)300、第一器件100和第二器件200具有與圖1至圖6的任一個(gè)中的配置類似的配置。在一些實(shí)施例中，感測材料107配置為在操作溫度下檢測預(yù)定的材料。在一些實(shí)施例中，當(dāng)存在預(yù)定材料并且預(yù)定材料與感測材料107接觸時(shí)，感測材料107的電阻會(huì)改變。通過感測材料107與預(yù)定的材料之間的化學(xué)反應(yīng)而使感測材料107的電阻變化。通過感測電極106來感測感測材料107的電阻的改變。

圖10是制造單片傳感器的方法600的實(shí)施例。方法600包括許多操作(601、602、603、604、605、606、607、608、609、610、611、612、613、614、615、616、617和618)。

如圖10A所示，在操作601中，接收或提供第一襯底101。操作601類似于圖9A中的操作501。在操作602中，如圖10B所示，設(shè)置并且圖案化第一膜層104-1。操作602類似于圖9B中的操作502。在操作603中，如圖10C所示，設(shè)置并且圖案化加熱器105。操作603類似于圖9C中的操作503。在操作604中，如圖10D所示，設(shè)置并且圖案化第二膜層104-2。操作604類似于圖9D中的操作504。在步驟605中，如圖10E所示，設(shè)置感測電極106。操作605類似于圖9E中的操作505。在操作606中，如圖10F所示，設(shè)置并且圖案化犧牲氧化物108。操作606類似于圖9F中的操作506。在操作607中，如圖10G所示，去除第一襯底101的一些。操作607類似于圖9G中的操作507。在操作608中，如圖10H所示，設(shè)置金屬材料103。操作608類似于圖9H中的操作508。在操作609中，如圖10I所示，形成腔體102。操作609類似于圖9I中的操作509。

在操作610中，如圖10J所示，接收或提供第二襯底201。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括第一表面201a、與第一表面201a相對(duì)的第二表面201b。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括設(shè)置在第二襯底201上方或中的CMOS組件和電路。在一些實(shí)施例中，第二襯底201包括硅或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，第二襯底201是硅襯底。

在操作611中，如圖10K所示，在第二襯底201上方形成IMD層202。在一些實(shí)施例中，IMD層202包括氧化物，諸如氧化硅或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，IMD層202設(shè)置在第二襯底201的第一表面201a上方。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203設(shè)置在IMD層202內(nèi)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203與第二襯底201中的組件或電路電連接。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203包括鎢、銅、鋁等。在一些實(shí)施例中，介電層208設(shè)置在IMD層202上方。在一些實(shí)施例中，介電層208包括氧化物或其他合適的介電材料。

在操作612中，如圖10L-1和圖10L-2所示，設(shè)置并且圖案化隔離層205。在一些實(shí)施例中，隔離層205設(shè)置在第二襯底201上方。在一些實(shí)施例中，通過接合操作將隔離層205附接至IMD層202。在一些實(shí)施例中，隔離層205是硅襯底或硅晶圓。在一些實(shí)施例中，通過晶圓接合操作將隔離層205接合在第二襯底201上方。在一些實(shí)施例中，隔離層205包括介電材料，諸如氧化硅、氮化硅等。在一些實(shí)施例中，隔離層205是鈍化物。在一些實(shí)施例中，通過CVD或其他合適的操作設(shè)置隔離層205。在一些實(shí)施例中，通過去除設(shè)置在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203上方的介電層208的一些來圖案化介電層208。在一些實(shí)施例中，通過去除設(shè)置在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203上方的隔離層205的一些來圖案化隔離層205。在一些實(shí)施例中，通過光刻和蝕刻操作去除隔離層205的一些。這樣，在圖案化隔離層205和介電層208之后形成若干第四凹槽205a。在一些實(shí)施例中，去除隔離層205的一些以減小隔離層205的厚度。在一些實(shí)施例中，在將隔離層205接合至第二襯底201上方之后將該隔離層的厚度從約700μm減小至約30μm-300μm。

在操作613中，如圖10M所示，設(shè)置第三氧化物層207。在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207設(shè)置為與隔離層205共形。在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207設(shè)置為與第四凹槽205a共形。在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207的一些設(shè)置在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203上方，并且然后通過蝕刻或其他合適的操作被去除以暴露導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203。在一些實(shí)施例中，第三氧化物層207包括氧化硅或其他合適的材料。在一些實(shí)施例中，通過CVD或其他合適的操作設(shè)置第三氧化物層207。

在操作614中，如圖10N所示，形成互連結(jié)構(gòu)206。在一些實(shí)施例中，形成互連結(jié)構(gòu)206包括形成通孔部分206a和延長部分206b。在一些實(shí)施例中，通過電鍍、濺射或其他適合的操作形成互連結(jié)構(gòu)206。在一些實(shí)施例中，互連結(jié)構(gòu)206包括導(dǎo)電材料，諸如鋁、銅等。在一些實(shí)施例中，互連結(jié)構(gòu)206是再分布層(RDL)。

在一些實(shí)施例中，通孔部分206a與IMD層202接觸。在一些實(shí)施例中，通孔部分206a設(shè)置在第四凹槽205a內(nèi)并且與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203電耦合。在一些實(shí)施例中，沿著第三氧化物層207設(shè)置延長部分206b。在一些實(shí)施例中，通過通孔部分206a將延長部分206b與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)203電連接。

在操作615中，如圖10O所示，在互連結(jié)構(gòu)206的延長部分206b上方設(shè)置接合結(jié)構(gòu)204。在一些實(shí)施例中，延長部分206b配置為接收接合結(jié)構(gòu)204。接合結(jié)構(gòu)204設(shè)置在延長部分206b上方，從而使得互連結(jié)構(gòu)206與接合結(jié)構(gòu)204電連接。在一些實(shí)施例中，通過電鍍、濺射或其他適合的操作設(shè)置接合結(jié)構(gòu)204。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)204包括鍺。

在操作616中，如圖10P所示，將金屬材料103與接合結(jié)構(gòu)204接合。操作616類似于圖9K中的操作511。在操作617中，如圖10Q所示，去除犧牲氧化物108。操作617類似于圖9L中的操作512。在操作618中，如圖10R所示，設(shè)置感測材料107。操作618類似于圖9M中的操作513。在一些實(shí)施例中，形成包括第一器件100和第二器件200的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400、第一器件100和第二器件200具有與圖7至圖8的任一個(gè)中的配置類似的配置。

在本發(fā)明中，公開了改進(jìn)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括通過通孔的形成和接合操作與CMOS器件集成的MEMS器件。若干通孔形成在MEMS襯底中，并且金屬材料設(shè)置在MEMS襯底的表面上方。金屬材料配置為與設(shè)置在CMOS襯底上方的接合接合接合。這樣，通過金屬材料和接合結(jié)構(gòu)將MEMS器件與CMOS器件集成。這種集成可以減小半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形狀因數(shù)并且增強(qiáng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。

在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括第一器件和第二器件。第一器件包括：第一襯底，包括第一表面、與第一表面相對(duì)的第二部表面以及穿過第一襯底并且填充有導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料的多個(gè)通孔；和第一氧化物層，圍繞導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料；腔體，被第一襯底圍繞；金屬材料，設(shè)置在第一表面上方、覆蓋多個(gè)通孔中的一些以及與第一襯底電連接；第二氧化物層，設(shè)置在第二表面上方；膜，設(shè)置在第二氧化物層和腔體上方；加熱器，設(shè)置在膜內(nèi)并且穿過氧化物層與第一襯底電連接；感測電極，設(shè)置在膜和加熱器上方；以及感測材料，設(shè)置在腔體上方并且與感測電極接觸。第二器件包括第二襯底和設(shè)置在第二襯底上方的接合結(jié)構(gòu)，其中，金屬材料與接合結(jié)構(gòu)接合以將第一器件與第二器件集成。

在一些實(shí)施例中，加熱器包括鎢合金、硅化鎢(WSi)、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、氮化鈦(TiN)、鉬(Mo)、多晶硅、碳化硅(SiC)、氮化鉭(TaN)或氧化鉭(TaO)。在一些實(shí)施例中，金屬材料包括鋁或銅，或者接合結(jié)構(gòu)包括鍺。在一些實(shí)施例中，第一襯底的一部分被第一氧化物層和導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料圍繞，并且通過第一氧化物層將導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料與第一襯底隔離。在一些實(shí)施例中，感測電極配置為感測感測材料的電阻的改變，并且通過感測材料與預(yù)定的材料之間的化學(xué)反應(yīng)使感測材料的電阻變化。在一些實(shí)施例中，加熱器沿著膜橫向或縱向延伸，或者感測電極在膜的表面上方橫向或縱向延伸。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料包括多晶硅。在一些實(shí)施例中，膜包括硅、二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、多孔硅或復(fù)合膜。在一些實(shí)施例中，感測電極包括鎢合金、鈦鎢(TiW)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鉭鋁(TaAl)、鈦、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氧化鉭(TaO)、鉑(Pt)或氮化鉭硅(TaSiN)。在一些實(shí)施例中，感測材料包括二氧化錫(SnO₂)、氧化鋅(ZnO)或氧化銦(In₂O₃)。

在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括：CMOS襯底；金屬間介電(IMD)層，設(shè)置在CMOS襯底上方；接合結(jié)構(gòu)，設(shè)置在IMD層上方；MEMS襯底，包括面向CMOS襯底的第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面；金屬材料，設(shè)置在第一表面上方；腔體，被MEMS襯底圍繞；多晶硅，設(shè)置在MEMS襯底內(nèi)；第一氧化物層，設(shè)置在多晶硅與MEMS襯底之間；第二氧化物層，設(shè)置在第二表面上方；膜，設(shè)置在第二氧化物層和腔體上方；加熱器，設(shè)置在膜內(nèi)并且與MEMS襯底電連接；感測電極，設(shè)置在膜和加熱器上方，并且與MEMS襯底電連接；和感測材料，覆蓋感測電極的一部分，其中，通過將金屬材料與接合結(jié)構(gòu)接合并且將CMOS襯底與MEMS襯底電連接，將CMOS襯底與MEMS襯底集成。

在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括：隔離層，設(shè)置在CMOS襯底上方并且配置為將CMOS襯底與MEMS襯底熱隔離；或互連結(jié)構(gòu)，包括穿過隔離層并且與IMD層接觸的通孔部分和在隔離層上方并且沿著隔離層延伸并且配置為接收接合結(jié)構(gòu)的延長部分；或第三氧化物層，設(shè)置在隔離層上方并且設(shè)置在通孔部分與隔離層之間。在一些實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)是接合焊盤。在一些實(shí)施例中，第二氧化物層設(shè)置在腔體上方。在一些實(shí)施例中，加熱器配置為提供約300℃至約800℃的操作溫度以有助于感測電極對(duì)預(yù)定材料的感測，或者加熱器的寬度為約0.1μm至約30μm。

在一些實(shí)施例中，制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包括：接收第一襯底，第一襯底包括第一表面、與第一表面相對(duì)的第二表面、從第二表面朝向第一表面延伸并且填充有導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料的多個(gè)通孔；在第一襯底與導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料之間設(shè)置第一氧化物層；在第二表面上方設(shè)置第二氧化物層；在第二氧化物層上方設(shè)置并且圖案化第一膜層；在第一膜層上方設(shè)置并且圖案化加熱器；在加熱器和第一膜層上方設(shè)置并且圖案化第二膜層；在第二膜層上方設(shè)置感測電極；在感測電極和第二膜層上方設(shè)置犧牲氧化物；從第一表面去除第一襯底的一些以暴露導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料；在第一表面和多個(gè)通孔上方設(shè)置金屬材料；形成被第一襯底圍繞的腔體；接收第二襯底，第二襯底包括設(shè)置在第二襯底上方的接合結(jié)構(gòu)；將金屬材料與接合結(jié)構(gòu)接合；去除犧牲氧化物；以及在感測電極上方設(shè)置感測材料。

在一些實(shí)施例中，形成腔體包括：從第一表面蝕刻第一襯底以暴露第一膜層或第二氧化物層。在一些實(shí)施例中，將金屬材料與接合結(jié)構(gòu)接合包括共晶接合操作。在一些實(shí)施例中，去除第一襯底的一些包括：朝向第二表面研磨第一表面。在一些實(shí)施例中，方法還包括：在第二襯底上方形成金屬間介電(IMD)層；在第二襯底上方設(shè)置并且圖案化隔離層；設(shè)置與隔離層共形的第三氧化物層；形成互連結(jié)構(gòu)，互連結(jié)構(gòu)包括與IMD層接觸的通孔部分和沿著第三氧化物層設(shè)置并且與接合結(jié)構(gòu)耦合的延長部分。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：第一器件，包括：第一襯底，包括第一表面、與所述第一表面相對(duì)的第二表面、和穿過所述第一襯底并且填充有導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料的多個(gè)通孔，并且第一氧化物層圍繞所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料；腔體，被所述第一襯底圍繞；金屬材料，設(shè)置在所述第一表面上方，覆蓋所述多個(gè)通孔中的一些以及與所述第一襯底電連接；第二氧化物層，設(shè)置在所述第二表面上方；膜，設(shè)置在所述第二氧化物層和所述腔體上方；加熱器，設(shè)置在所述膜內(nèi)并且通過所述氧化物層與所述第一襯底電連接；感測電極，設(shè)置在所述膜和所述加熱器上方；以及感測材料，設(shè)置在所述腔體上方并且與所述感測電極接觸，以及第二器件，包括：第二襯底；和接合結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述第二襯底上方，其中，所述金屬材料與所述接合結(jié)構(gòu)接合以將所述第一器件與所述第二器件集成。

根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施例，還提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：CMOS襯底；金屬間介電(IMD)層，設(shè)置在所述CMOS襯底上方；接合結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述IMD層上方；MEMS襯底，包括面向所述CMOS襯底的第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面；金屬材料，設(shè)置在所述第一表面上方；腔體，被所述MEMS襯底圍繞；多晶硅，設(shè)置在所述MEMS襯底內(nèi)；第一氧化物層，設(shè)置在所述多晶硅與所述MEMS襯底之間；第二氧化物層，設(shè)置在所述第二表面上方；膜，設(shè)置在所述第二氧化物層和所述腔體上方；加熱器，設(shè)置在所述膜內(nèi)并且與所述MEMS襯底電連接；感測電極，設(shè)置在所述膜和所述加熱器上方，并且與所述MEMS襯底電連接；以及感測材料，覆蓋所述感測電極的一部分，其中，通過將所述金屬材料與所述接合結(jié)構(gòu)接合以及將所述CMOS襯底與所述MEMS襯底電連接，將所述CMOS襯底與所述MEMS襯底集成。

根據(jù)本發(fā)明的又一些實(shí)施例，還提供了一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括：接收第一襯底，所述第一襯底包括第一表面、與所述第一表面相對(duì)的第二表面、從所述第二表面朝向所述第一表面延伸并且填充有導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料的多個(gè)通孔，在所述第一襯底與所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料之間設(shè)置第一氧化物層，并且在所述第二表面上方設(shè)置第二氧化物層；在所述第二氧化物層上方設(shè)置并且圖案化第一膜層；在所述第一膜層上方設(shè)置并且圖案化加熱器；在所述加熱器和所述第一膜層上方設(shè)置并且圖案化第二膜層；在所述第二膜層上方設(shè)置感測電極；在所述感測電極和所述第二膜層上方設(shè)置犧牲氧化物；從所述第一表面去除所述第一襯底的一些以暴露所述導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料；在所述第一表面和所述多個(gè)通孔上方設(shè)置金屬材料；形成由所述第一襯底圍繞的腔體；接收第二襯底，所述第二襯底包括設(shè)置在所述第二襯底上方的接合結(jié)構(gòu)；將所述金屬材料與所述接合結(jié)構(gòu)接合；去除所述犧牲氧化物；以及在所述感測電極上方設(shè)置感測材料。

上面論述了若干實(shí)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(gè)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(jì)或更改其他用于達(dá)到與這里所介紹實(shí)施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(jìn)行多種變化、替換以及改變。