專利名稱：晶片封裝環(huán)境中制作ai/ge鍵合的方法及由其生產(chǎn)的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及晶片鍵合，且更特定來說，涉及一種晶片封裝環(huán)境中的鍵合 方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
MEMS技術(shù)已穩(wěn)定發(fā)展了一段時間，且結(jié)果已設(shè)想并驗證了用于幾個應(yīng)用的各個 MEMS裝置。MEMS技術(shù)是一種有吸引力的提供慣性傳感器(例如，用于測量直線加 速度的加速計及用于測量角速度的陀螺儀)的方法。MEMS慣性傳感器通常包括撓性 接附到所述裝置剩余部分的檢測質(zhì)量塊。依據(jù)詳細裝置設(shè)計，由致動器驅(qū)動及/或由傳 感器以各種方式傳感所述檢測質(zhì)量塊與所述裝置的剩余部分之間的相對運動。其他 MEMS應(yīng)用包括光學應(yīng)用(例如，活動反射鏡)及RF應(yīng)用(例如，RF開關(guān)及諧振器)。
由于MEMS制造技術(shù)通常是基于處理平面硅晶片，故可根據(jù)所述致動及/或慣性 傳感器中所實施的傳感(或其他應(yīng)用)是平面內(nèi)或平面外(即，垂直)有效地分類 MEMS裝置。更具體來說，若裝置的傳感及/或致動全部是平面內(nèi)，則其是"平面內(nèi)"， 否則其是"垂直"。因而，盡管制造難度趨向于增大，MEMS裝置仍經(jīng)歷穩(wěn)定的發(fā)展。
一種已用于制造垂直MEMS裝置的方法是混合集成，其中單個地MEMS組合件 的元件以形成所需垂直結(jié)構(gòu)。舉例而言，將隔離物接附到襯底，隨后將可變形隔板接 附到所述隔離物，從而提供在隔板與由所述隔離物控制的襯底之間具有間隔的垂直
MEMS結(jié)構(gòu)。美國專利第6,426,687號提供了關(guān)于此方法的詳細信息。盡管混合集成 可提供垂直MEMS裝置，但成本往往會高，這是因為通常需要手動處理步驟，且因為 通常對單個裝置實施混合集成。因此，需要現(xiàn)有技術(shù)中未實現(xiàn)的低成本集成MEMS裝置。
CMOS兼容性晶片-晶片鍵合對于晶片級封裝極為合意。其應(yīng)用已在各種不同技 術(shù)中得到驗證。然而，多數(shù)所述工藝一直受限于保護靈敏特征免于后處理處理(例如， 鋸割、芯片鍵合、測試、封裝等)。
需要一種堅固的晶片級集成，其可允許同時進行晶片級封裝且電互連極高且可開 發(fā)大量新型、更小、低成本、富有特征的MEMS產(chǎn)品。下文說明常規(guī)鍵合方法及其問 題。
有機或基于粘合劑的方法
諸如苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚酰胺、光致抗蝕劑、可圖案化RTV及其他的材料已經(jīng) 旋涂并用于形成晶片之間的永久連接。所述材料具有缺點，這是因為其是有機的，故 其趨向于釋氣且因而不適合于形成氣密封閉體，且同樣其易于溶解或潮濕，其可導致 與長期可靠性及裝置性能漂移相關(guān)的問題。此外，其是絕緣材料且因而不能形成兩個
襯底之間的導電路徑。
進行晶片-晶片鍵合的一種流行方法是通過使用熔結(jié)玻璃。熔結(jié)玻璃通常被絲網(wǎng)印 刷于覆蓋晶片上并回流以形成隨后晶片-晶片鍵合的圖案化玻璃界面。熔結(jié)玻璃通常具 有近500°C的熔點且可在晶片-晶片對準粘合之后在具有受控環(huán)境的具體溫度室中再 熔融。熔結(jié)玻璃的主要用途提供覆蓋襯底及MEMS的氣密密封腔。在MEMS工業(yè)中 熔結(jié)玻璃技術(shù)己被利用了數(shù)十年。數(shù)個主要缺點是熔結(jié)玻璃不提供MEMS與覆蓋物之 間的電互連，為實現(xiàn)氣密密封界面，需要最少400微米的密封環(huán)寬度，此使小型MEMS 裝置(例如，諧振器或光學裝置)遠大于不使用其時。同樣，絲網(wǎng)印刷的熔結(jié)玻璃固 有地是具有數(shù)十微粒厚度及數(shù)微米不均勻性的厚膜工藝。
金屬-金屬鍵合
已通過銦-金、焊料-金、金-金等驗證了 CMOS兼容低共熔鍵合。為鍵合CMOS 晶片，所有所述現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)需要添加非標準層，例如鍍敷欲添加到所述CMOS晶片 的鉛、銦、金等。盡管所述工藝能夠做出/形成氣密密封及電界面，從而實現(xiàn)精細特征， 但小間隙及晶片均勻性是極大的挑戰(zhàn)且將導致收率損失。
有許多MEMS裝置應(yīng)用需要所述CMOS襯底之間的電機械界面及存在微米間隙 且需要亞微米均勻性的MEMS襯底。多數(shù)鍍敷工藝需要數(shù)十微米厚度的下層障壁金屬 化，且整個晶片的均勻性經(jīng)測量為微米級。因此，使用此鍵合方法不可能指定所述 MEMS與CMOS襯底之間的一個或兩個微米間隙控制。
進行所述MEMS與CMOS襯底之間的高密度可靠電觸點的能力可以是非常有益 的且可提供有許多附加功能性、智能電子器件、更小尺寸及更低成本的全新一代的 MEMS裝置。最后，基于環(huán)境考慮，提供無鉛合金是很重要的。
因此，需要一種提供克服上文所指出問題的晶片鍵合的系統(tǒng)及方法。所述系統(tǒng)及 方法應(yīng)易于實施、節(jié)省成本且適合于現(xiàn)有鍵合工藝。本發(fā)明能滿足這種需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示一種通過使用鋁鍺低共熔合金鍵合兩個襯底以形成堅固的電及機械 觸點的方法。鋁鍺鍵合具有下述唯一屬性組合(1)其可形成氣密密封；(2)其可 用于形成兩個襯底之間的導電路徑；(3)其可經(jīng)圖案化以便定位所述導電路徑；(4) 可與用作標準鑄造CMOS工藝用鋁進行所述鍵合；(5)此工藝與隨著后處理而完全 地制造的CMOS晶片兼容；(6)此工藝可提供高密度電互連；且(7)此工藝是高度 可控的且提供兩個襯底之間的最小間隙。此具有在不向所述CMOS晶片添加任何額外
處理層的情況下允許晶片級鍵合或封裝的顯著優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明制造晶片級封裝的方法的流程圖。
圖2A及2B是根據(jù)本發(fā)明的組合件的第一實施例的剖視圖及俯視圖。 圖3A及3B是根據(jù)本發(fā)明的組合件的第二實施例的剖視圖及俯視圖。 圖4圖解實例性鍵合輪廓以實現(xiàn)正確A1/GE鍵合。
具體實施例方式
一般來說，本發(fā)明涉及晶片鍵合，且更特定來說，涉及在MEMS裝置與電襯底 互連環(huán)境的晶片級封裝中利用鋁及鍺進行鍵合的方法及系統(tǒng)。提供下述說明以使所屬 技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制作并使用本發(fā)明，且是根據(jù)專利申請案及其要求所提供。 所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地明了對本文所述較佳實施方案及一般原理及特征的 各種修改。因而，本發(fā)明并不意欲被局限于所示的實施例，而應(yīng)賦予其與本文所述的 原理及特征相一致的最廣泛的范疇。
圖1是根據(jù)本發(fā)明制造晶片級封裝的方法的流程圖。所述方法包含通過步驟12 提供包括大致鍺頂層的MEMS結(jié)構(gòu)，且通過步驟14提供包括大致鋁頂層的CMOS結(jié) 構(gòu)。最后，所述方法包含通過步驟16將所述MEMS結(jié)構(gòu)的所述頂層與所述CMOS 結(jié)構(gòu)的所述頂層鍵合。
下文說明根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例。圖2A及2B是根據(jù)本發(fā)明的組合件100的 第一實施例的剖視圖及俯視圖。參照圖2A中所示的實施例，將包括鋁的標準鑄造 CMOS晶片104鍵合到包括鍺的MEMS襯底102以提供鋁/鍺(A1/GE)鍵合110。在 所述實施例中，空腔106位于襯底104中。CMOS襯底晶片104可以是任何具有圖2B 中所示經(jīng)圖案化的鋁的襯底，其經(jīng)設(shè)計以與MEMS襯底102面接以生產(chǎn)全功能產(chǎn)品。 此外，多個鋁觸點116位于CMOS襯底104的頂部上，其通過互連107耦合到鍵合墊 105。將通路107提供于鍵合墊105及鋁觸點116兩者內(nèi)以允許其電連接。例如，襯底 104可僅包含金屬層及用于提供到所述MEMS層電互連的互連的集合。此外，襯底102 包括MEMS特征108以在MEMS襯底104上構(gòu)建所述MEMS層，例如相應(yīng)腔106。 提供間隙控制支座110以提供MEMS襯底102距CMOS襯底104的精確間距。間隙 控制支座110提供所述裝置的密封環(huán)112。
圖3A及3B是根據(jù)本發(fā)明的組合件的第二實施例的剖視圖及俯視圖。組合件200 包括許多與圖2的組合件100相同的元件且那些元件具有相同的參考編號。此外，組 合件200具有穿過MEMS襯底102'及間隙控制支座110'的通路觸點202以提供信號 的電饋通。
襯底104的另一重要特征是多層金屬化標準在CMOS鑄造中的可用性，其中化學 機械拋光氧化物以生產(chǎn)非常平坦的金屬化層以適合于與所述MEMS層上所存在的鍺 一起形成Al/Ge低共熔合金。MEMS襯底102可以是硅晶片或裝配有所有MEMS特 征及功能(包括任何類型的經(jīng)預(yù)處理特征)的硅晶片的組合。
在所述較佳實施例中，所述MEMS襯底(其上已圖案化有所述鍺)是經(jīng)硼摻雜 而具有0.006-0.02Q-cm導電率的硅襯底。所述p+慘雜形成與鍵合后的鋁鍺低共熔混合 物的歐姆接觸。
現(xiàn)在參照下文更詳細地說明所述鍵合層。 鍵合層
在較佳實施例中，鑄造CMOS晶片的頂部金屬層是Al:Si:Cu為97.5:2:0.5比例的 混合物，且具有700nm的厚度，且位于使用CMP平民化的氧化物層上，所述CMP 是0.5pm或更小幾何形狀的多數(shù)CMOS工藝的標準處理步驟。在較佳實施例中，所述 MEMS上的鍵合層是在標準真空濺鍍沉積系統(tǒng)中沉積的500nm鍺，其經(jīng)正確地圖案化 以匹配經(jīng)圖案化以進行鍵合的相應(yīng)鋁。
下文是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備及工藝的較佳實施例的示例。
所需設(shè)備
在(例如)由Electronic Visions Group, Inc.或Suss Microtec, Inc.所供應(yīng)的市售晶 片鍵合機中實施所述鍵合。所述設(shè)備應(yīng)滿足如下標準并具有如下性能(l)頂夾盤及 底夾盤二者的溫度控制到標稱450°C; (2)環(huán)境壓力控制到亞托(sub-tor) ; (3) 環(huán)境氣體控制(通過吹掃線路)；(4)管供有4-3-5百分比的合成氣體；(5)能夠 在所述晶片對上施加最小3000N的均勻力。
在所述較佳實施例中，所述晶片經(jīng)預(yù)先清潔且然后在鍵合之前于兼容對準工具中 對準。
鍵合前清潔
在所述較佳實施例中，在鍵合之前清潔所述CMOS晶片及所述MEMS晶片兩者。 假設(shè)兩個晶片皆無任何光致抗蝕劑或來自先前處理步驟的其他外來雜質(zhì)。通過如下步
驟清潔所述晶片(1)浸入去離子水中1.30秒；(2)浸入50:1HF中13.0秒；(3) 傾卸沖洗；及(4)標準旋轉(zhuǎn)-漂洗-干燥工藝。
對準
在Electronic Visions 620晶片-晶片對準器中對準所述鍵合對。插入分離標志以在 鍵合之前維持所鍵合對的分離。 鍵合
將所述經(jīng)對準對傳遞到Electronic Visions 501鍵合機。所述機器的吹掃線路已管 供有合成氣體。在所述鍵合方法的冷卻期之后，完成所述鍵合且無需進一步處理。圖 4中顯示實現(xiàn)正確AI/Ge鍵合的實例性鍵合溫度曲線圖的示例。 各種及替代實施例的說明
替代實施例包括(例如)(1)在所述鍺上利用不同的材料以在隨后MEMS處 理期間保護所述鍺；(2)采用不同的鍵合前清潔方法；(3)在未經(jīng)對準的情況下實 施所述鍵合；(4)可在不圖案化所述鋁及/或鍺的情況下實施所述鍵合；(5)可在除 所述鍵合前清潔外無任何附加處理的情況下鍵合所述CMOS晶片；(6)所述鋁鍺鍵 合可經(jīng)配置以不形成氣密密封；(7)利用除MEMS晶片外的襯底(例如，簡單覆蓋 晶片)；(8)所述MEMS襯底可包含除陀螺儀外的某物(例如，壓力傳感器或加速 計)；(9)所述標準CMOS晶片的所述鋁可包含不同配方的標準鋁(2%硅、2%硅 /1%銅等)。
另外，(10)可利用特定溫度曲線圖；(11)可使用合成氣體來使觸點表面脫氧； (12)可根據(jù)IC制造所使用的標準金屬化利用鋁；(13)可將鋁襯底保持低于預(yù)定溫 度以防止鋁及鍺合金從所述襯底上的所述氧化物的完全浸出；(14)可使用受控環(huán)境 (例如，合成氣體)實施所述鍵合；(15)可使用低壓鍵合力或高壓鍵合力實施所述 鍵合作為輔助用于/以輔助破壞氧化的鋁以引發(fā)所述相互作用；(16)可在鍵合工藝之 前預(yù)對準兩個晶片；(17)可利用特殊清潔溶液來從兩個表面清潔所述氧化物；(18) 可通過濺射蝕刻清潔所述鍵合表面；(19)在MEMS處理期間可利用TiW薄層保護 所述鍵合表面；(20)除更大濃度合成氣體及更高力的鍵合外，可包括使用等離子體 及/或其他原有清潔技術(shù)的鍵合前清潔；(21)可將所述鍺沉積于不導電層(例如，二 氧化硅)以形成絕緣觸點。
可將所述鍺沉積于已經(jīng)摻雜的半導體襯底上以使所述襯底的所述鋁與所述 MEMS之間的所得觸點是整流性的。所述襯底可以是經(jīng)n型摻雜至0.02-0.05Q-cm的 硅襯底。
可將所述鍺沉積于已經(jīng)摻雜的半導體襯底上以便所述襯底的所述鋁與所述 MEMS之間的所得觸點是歐姆性的。
本文揭示一種鍵合兩個襯底之間的鍺鋁以形成堅固電及機械觸點的方法及結(jié)構(gòu)。 鋁鍺鍵合具有下述唯一屬性組合(1)其可形成氣密密封；(2)其可用于形成兩個 襯底之間的導電路徑；(3)其可經(jīng)圖案化以便定位所述導電路徑；(4)可與可用作
標準鑄造CMOS工藝的鋁進行所述鍵合。此具有在不向所述CMOS晶片添加任何額 外處理層的情況下允許晶片級鍵合或封裝的顯著優(yōu)點。
盡管已根據(jù)所示實施例闡述了本發(fā)明，但所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地認識 到，所述實施例可有若干變化且這些變化皆在本發(fā)明的精神及范圍內(nèi)。因此，所屬技 術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不違背隨附權(quán)利要求書的精神及范圍的情況下對本發(fā)明做許多 修改。
權(quán)利要求
1、一種晶片結(jié)構(gòu)，其包括包括至少一個MEMS特征的第一襯底，所述第一襯底包括至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層；及第二襯底，所述第二襯底包括至少一個經(jīng)圖案化的大致鋁層及一個電觸點；其中將所述至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層鍵合至所述至少一個經(jīng)圖案化的鋁層以形成堅固的電及機械觸點。
2、 如權(quán)利要求1所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述第一及/或所述第二襯底包含硅襯底 或多層硅襯底。
3、 如權(quán)利要求1所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述第一及/或第二襯底可以是GaAs襯 底、InPh襯底、SiGe襯底中的任一者。
4、 如權(quán)利要求1所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述第一及/或第二襯底包含玻璃襯底或 多層玻璃結(jié)構(gòu)。
5、 如權(quán)利要求l所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中MEMS結(jié)構(gòu)包括于所述襯底中。
6、 如權(quán)利要求l所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中集成電路并入于所述襯底上。
7、 如權(quán)利要求6所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述集成電路通過所述氧化物層的CMP (化學及機械拋光)工藝而具有多層金屬化以允許電下穿饋通及平面金屬提供氣密密封。
8、 如權(quán)利要求l所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中接觸墊位于氣密密封環(huán)外部。
9、 如權(quán)利要求1所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層及所 述至少一個經(jīng)圖案化的鋁層經(jīng)鍵合以提供氣密密封。
10、 如權(quán)利要求l所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個電觸點包含多個電觸點。
11、 如權(quán)利要求1所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述鍵合是A及Ge的低共熔組合物。
12、 一種晶片結(jié)構(gòu)，其包括包括至少一個MEMS特征的第一襯底，所述第一襯底包括至少一個經(jīng)圖案化的 大致鍺層及至少一個用于電饋通的通路；及第二襯底，所述第二襯底包括至少一個經(jīng)圖案化的大致鋁層及一個電觸點；其中 將具有所述至少一個通路的所述至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層鍵合到所述至少一個經(jīng)圖案化的鋁以形成堅固的電及機械觸點。
13、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述第一及/或所述第二襯底包含硅襯 底或多層硅襯底。
14、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述第一及/或第二襯底包含玻璃襯底 或多層玻璃結(jié)構(gòu)。
15、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述第一及/或第二襯底可以是GaAs 襯底、InPh襯底、SiGe襯底中的任一者。
16、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中MEMS結(jié)構(gòu)包括于所述襯底中。
17、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中集成電路并入于所述襯底上。
18、 如權(quán)利要求17所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述集成電路通過所述氧化物層的CMP (化學及機械拋光)工藝而具有多層金屬化以允許電下穿饋通與平面金屬提供氣密密封。
19、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中接觸墊在座環(huán)外部。
20、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層及 所述至少一個經(jīng)圖案化的鋁層經(jīng)鍵合以提供氣密密封。
21、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個電觸點包含多個電觸點。
22、 如權(quán)利要求12所述的晶片結(jié)構(gòu)，其中所述鍵合是A1/Ge的低共熔組合物。
23、 一種晶片結(jié)構(gòu)，其包括-包括至少一個MEMS特征的第一襯底，所述第一襯底包括至少一個沉積于具有 精確高度的經(jīng)圖案化經(jīng)蝕刻的支座上的經(jīng)圖案化的大致鍺層；及第二襯底，所述第二襯底包括至少一個經(jīng)圖案化的大致鋁層及一個電觸點；其中 將所述精確支座上的所述至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層鍵合到所述至少一個經(jīng)圖案化 的鋁以形成堅固的電及機械觸點，其中在所述第一與第二襯底之間形成并維持特定且 精確的間隙。
24、 一種用于提供晶片結(jié)構(gòu)的方法，其包括如下步驟-提供包括至少一個MEMS特征的第一襯底，所述第一襯底包括至少一個經(jīng)圖案 化的大致鍺層；及提供第二襯底，所述第二襯底包括至少一個經(jīng)圖案化的大致鋁層及一個電觸點； 其中將所述至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層鍵合到所述至少一個經(jīng)圖案化的鋁以形成堅 固的電及機械觸點。
25、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中使用特定溫度及時間曲線來提供所述鍵合。
26、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中使用合成氣體使鋁及鍺的觸點表面脫氧。
27、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中鋁是用于IC制造的標準金屬化。
28、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中將所述第二襯底保持在預(yù)定溫度以下以防 止將鋁從所述第二襯底上的氧化物表面完全浸出。
29、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中使用例如合成氣體等受控環(huán)境實施所述鍵合。
30、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中使用低壓鍵合力實施所述鍵合。
31、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中在鍵合工藝之前己對兩個晶片進行預(yù)對準。
32、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中使用特殊清潔溶液從兩個表面上清潔所述 氧化物。
33、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中通過濺射蝕刻清潔所述鍵合表面。
34、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中在MEMS處理期間使用TiW薄層保護所述 鍵合表面。
35、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中選擇經(jīng)摻雜覆蓋層以使所述電觸點的性質(zhì) 是歐姆性的。
36、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中選擇摻雜所述覆蓋層以使所述電觸點的性 質(zhì)是整流性的。
37、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中將介電層沉積于所述覆蓋層上以使所述電 觸點的性質(zhì)是絕緣的。
38、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層包含約 500 nm的鍺及Al:Si:Cu比例為97.5:2:0.5的混合物，且是約700 nm厚。
全文摘要
一種通過鋁鍺鍵合(110)進行第一MEMS襯底(102)與第二CMOS襯底(104)之間的鍵合以形成堅固的電及機械觸點的方法，所述第一MEMS襯底(102)包括至少一個經(jīng)圖案化的大致鍺層，所述第二CMOS襯底(104)包括至少一個經(jīng)圖案化的大致鋁層。
文檔編號H01L21/00GK101171665SQ200680015534
公開日2008年4月30日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月18日
發(fā)明者史蒂文·S·納西里, 安東尼·弗朗西斯·小弗蘭納里 申請人:因文森斯公司