專利名稱：晶圓級(jí)封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶圓級(jí)封裝的方法，更具體的，還涉及一種帶有微型機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)的器件。
背景技術(shù)：
晶圓級(jí)封裝(WLP)技術(shù)為晶圓級(jí)的半導(dǎo)體器件提供封裝。將WLP應(yīng)用到各種技術(shù)中，包括3D-集成電路(IC)，晶片級(jí)封裝(CSP)器件，以及微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。使用 WLP技術(shù)的潛在優(yōu)點(diǎn)包括提高電氣性質(zhì)，增加密度，降低器件尺寸，降低成本，以及允許晶圓級(jí)的附加測(cè)試。然而，目前的WLP技術(shù)以及其提供的晶圓生產(chǎn)和封裝工藝的整合具有若干限制。封裝(如保護(hù)器件且提供連接給外界)的方法可能與用于形成器件的生產(chǎn)工藝不相容。此外，解決方法通常需要以面積損失為代價(jià)的復(fù)雜的封裝方案。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種方法，包括提供包括埋氧層和頂部氧化層的基板；蝕刻所述基板，以在所述埋氧層上形成多個(gè)開口，并且在所述開口之間形成微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ諧振器元件，所述MEMS諧振器元件圍在所述埋氧層，所述頂部氧化層以及側(cè)壁氧化層內(nèi)；用多晶硅填充所述開口，以形成鄰近MEMS諧振器元件的多晶硅電極；移除頂部氧化層和鄰近MEMS諧振器元件的側(cè)壁氧化層；將所述多晶硅電極與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)晶圓或載具晶圓之一相接合；移除鄰近所述MEMS諧振器元件的所述埋氧層；以及將所述基板與蓋晶圓接合，以密封所述CMOS晶圓或所述載具晶圓之一和所述蓋晶圓之間的所述MEMS諧振器元件。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，其中每個(gè)所述多晶硅電極都形成為“L”形狀。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，其中將所述多晶硅電極與所述CMOS晶圓或所述載具晶圓之一接合包括在約480攝氏度以下的溫度進(jìn)行熔接。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，其中將所述基板與所述蓋晶圓接合包括以大于約15kN 的接合力，在高于約400攝氏度的溫度下進(jìn)行共晶接合。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，進(jìn)一步包括將所述多晶硅電極與所述CMOS晶圓的金屬層電連接。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，進(jìn)一步包括將所述多晶硅電極與所述CMOS晶圓的金屬層利用通過置于所述多晶硅電極和所述金屬層之間的相應(yīng)鎢塞做電連接。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，進(jìn)一步包括蝕刻多晶硅電極和所述基板，以在所述埋氧層上方形成開口 ；以及在所述開口上方沉積和圖案化氮化鋁(AlN)薄膜。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，進(jìn)一步包括蝕刻多晶硅電極，以在所述基板上形成開口 ；在所述開口上方沉積和圖案化氮化鋁(AlN)薄膜；以及在所述AlN薄膜上沉積和圖案化鋁薄膜。根據(jù)本發(fā)明所述的一種方法，包括提供包括埋氧層和頂部氧化層的基板；蝕刻所述基板，以在所述埋氧層上方形成多個(gè)開口并且在所述開口之間形成微型機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)諧振器元件，所述MEMS諧振器元件圍在所述埋氧層，所述頂部氧化層以及側(cè)壁氧化層內(nèi)；用多晶硅填充所述開口，以形成鄰近MEMS諧振器元件的多晶硅電極；移除頂部氧化層和鄰近MEMS諧振器元件的側(cè)壁氧化層；將所述多晶硅電極熔接到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶圓；將所述多晶硅電極通過相應(yīng)的插塞電連接到所述CMOS晶圓的金屬層；移除鄰近所述MEMS諧振器元件的所述埋氧層；以及將所述基板與蓋晶圓共晶接合，以密封所述蓋晶圓和所述CMOS晶圓之間的所述MEMS諧振器元件。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，其中每個(gè)所述多晶硅電極都形成為“L”形狀。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，其中在低于約480攝氏度的溫度下進(jìn)行所述熔接。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，以大于約15kN的接合力，在高于約400攝氏度的溫度下進(jìn)行共晶接合。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，進(jìn)一步包括將所述多晶硅電極與所述CMOS晶圓的金屬層利用通過置于所述多晶硅電極和所述金屬層之間相應(yīng)的鎢塞做電連接。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，進(jìn)一步包括蝕刻多晶硅電極和所述基板，以在所述埋氧層上方形成開口 ；以及在所述開口上沉積和圖案化氮化鋁(AlN)薄膜。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，進(jìn)一步包括蝕刻多晶硅電極以形成在所述基板上方的開口 ；在所述開口上方沉積和圖案化氮化鋁(AlN)薄膜；以及在所述AlN薄膜上沉積和圖案化鋁薄膜。根據(jù)本發(fā)明所述的一種器件，包括微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，包括鄰近諧振器元件的多晶硅電極；互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶圓或載具晶圓之一，與所述MEMS器件的第一表面熔接；以及蓋晶圓，與所述MEMS器件的第二表面共晶接合，所述諧振器元件密封在所述CMOS晶圓或所述載具晶圓之一和所述蓋晶圓之間。根據(jù)本發(fā)明所述的器件，其中每個(gè)所述多晶硅電極都形成為“L”形狀。根據(jù)本發(fā)明所述的器件，進(jìn)一步包括金屬塞，設(shè)置于相應(yīng)的多晶硅電極和所述 CMOS晶圓的金屬層之間，以將所述多晶硅電極與所述金屬層電連接。根據(jù)本發(fā)明所述的器件，進(jìn)一步包括在所述MEMS器件的基板中開口內(nèi)的氮化鋁 (AlN)薄膜。根據(jù)本發(fā)明所述的器件，進(jìn)一步包括在所述MEMS器件的多晶硅電極中開口內(nèi)的氮化鋁(AlN)薄膜，以及在所述AlN薄膜上的鋁薄膜。通過本發(fā)明的方法和器件，封裝的方法與用于形成器件的生產(chǎn)工藝相容。此外，本解決方法通常不需要以面積損失為代價(jià)的復(fù)雜封裝方案。


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。需要強(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，各種部件的數(shù)量和尺寸可以被任意增加或減少。圖1為根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示提供獨(dú)立微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的晶圓級(jí)封裝的方法的流程圖。圖2A-圖2L為根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示在生產(chǎn)的各個(gè)階段的獨(dú)立MEMS器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的橫截面圖。圖3A-圖3F為根據(jù)本公開的另一實(shí)施例圖示在生產(chǎn)的不同階段的獨(dú)立MEMS器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件橫截面圖。圖4A-圖4L為根據(jù)本公開的另一實(shí)施例圖示在生產(chǎn)的不同階段的獨(dú)立MEMS器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件橫截面圖。
具體實(shí)施例方式可以理解，為了實(shí)現(xiàn)各種實(shí)施例的不同特征，以下公開提供了許多不同的實(shí)施例或?qū)嵗?。以下描述元件和制造方法的特定?shí)例以簡(jiǎn)化本公開。當(dāng)然這些僅僅是實(shí)例并不旨在限定。另外，本公開可能在各個(gè)實(shí)例中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。該重復(fù)是為了簡(jiǎn)明和清楚，其本身并不表明所述各種實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系?？梢岳斫猓?yàn)楸绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員熟悉這些步驟和/或部件，可能只是簡(jiǎn)要的描述器件的各個(gè)加工步驟和/或部件。同時(shí)，當(dāng)實(shí)施本權(quán)利時(shí)，可增加額外的加工步驟或部件，或可以移除和/或改變某些以下的加工步驟或部件。因此，應(yīng)該了解，以下描述只代表實(shí)例，并不用于表明需要一個(gè)或多個(gè)步驟或部件?？梢赃M(jìn)一步理解，本公開基本上涉及WLP和基板的封裝。本發(fā)明中描述的基板具有各種形式，包括但不限于具有集成電路的晶圓(或晶圓的一部分)，該晶圓包括通過基于 CMOS工藝形成的基板，微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ基板，蓋基板，上面形成有CMOS器件和MEMS器件的單基板等。相反，載具晶圓可不包括集成電路。而且，如上所述，本文中將描述特定的實(shí)施例，這些實(shí)施例僅僅是實(shí)例并不打算限定。例如，涉及MEMS基板，CMOS基板等基板的實(shí)施例僅僅是示例性的，并不打算將本公開限定為任何特定的技術(shù)。圖1為根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示用于提供獨(dú)立微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的晶圓級(jí)封裝方法100的流程圖。方法100開始于框102，其中提供了一種包括埋氧層和頂部氧化層的基板。在框104中，蝕刻基板以在埋氧層的上方形成開口以及在開口之間形成MEMS諧振器元件。MEMS諧振器元件被包圍在埋氧化層，頂部氧化層，以及側(cè)壁氧化層中。在框106中，用多晶硅填充開口以在鄰近MEMS諧振器元件的位置形成多晶硅電極。在框108中，移除鄰近MEMS諧振器元件的頂部氧化層和側(cè)壁氧化層。在框110中，將多晶硅電極與半導(dǎo)體器件(如一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q晶圓或載具晶圓)接合。在框112中，移除鄰近MEMS諧振器元件的埋氧層。在框114中，將基板與蓋晶圓接合以密封位于CMOS晶圓或載具晶圓之一和蓋晶圓之間的MEMS諧振器元件。因此，方法100用于接合蓋晶圓和半導(dǎo)體器件(如CMOS器件或載具晶圓)之間的 MEMS器件。然而，可將MEMS器件與各種半導(dǎo)體器件之一，和/或其它合適的主動(dòng)和/或被動(dòng)器件接合。半導(dǎo)體器件實(shí)例包括集成電路，該集成電路包括包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，該MOSFET包括互補(bǔ)MOSFET (CMOS)部件，CIS，和/或其它合適的主動(dòng)和/被動(dòng)器件。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件包括使用基于CMOS工藝設(shè)計(jì)和形成的集成電路(或集成電路的一部分)。這里可將包括半導(dǎo)體器件(使用CMOS技術(shù)形成)的基板稱為CMOS基板或CMOS晶圓。MEMS器件或者基板可為包括MEMS部件和/或功能的硅晶圓。具有通過其它半導(dǎo)體制造技術(shù)形成的器件(例如，集成電路)的基板也在所描述的方法的范圍內(nèi)。
在另一實(shí)例中，載具晶圓和/或蓋晶圓為硅晶圓?？蛇x地或另外地，MEMS器件，半導(dǎo)體器件，載具晶圓，和/或蓋晶圓的基板可包括其它元素半導(dǎo)體(如鍺)，或所述基板可包括化合物半導(dǎo)體(如碳化硅，砷化鎵，砷化銦，和/或磷化銦)。參照?qǐng)D2A-圖2L，為根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示在生產(chǎn)的各個(gè)階段的獨(dú)立MEMS器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的橫截面視圖。圖2A示出了包括埋氧層204和頂部氧化層 208的基板202。將基板202的位于埋氧層204和頂部氧化層208之間的部分表示為參考標(biāo)號(hào)206。在一個(gè)實(shí)施例中，在絕緣襯底上的硅(SOI)晶圓上形成MEMS器件。在一個(gè)實(shí)例中，基板202，206由單晶硅組成，但是也可由其它材料組成以及包括其它上述結(jié)構(gòu)。圖2B示出了對(duì)于頂部氧化層208和基板206的圖案化蝕刻，以形成埋氧層204上方的開口 210和開口 210之間的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)諧振器元件212。MEMS諧振器元件 212被埋氧層204，頂部氧化層208，以及側(cè)壁氧化層214圍繞。在一個(gè)實(shí)例中，可使用帶有 CF4蝕刻氣體的各向同性氧化蝕刻裝置，連同圖案化光刻膠，用于頂部氧化層208和基板 206的圖案化蝕刻。在一個(gè)實(shí)施例中，蝕刻工藝可蝕刻埋氧層204的一部分。圖2C示出了多晶硅在開口 210上方沉積，以形成填充開口 210的多晶硅層216。 在一個(gè)實(shí)例中，多晶硅層216具有介于約3微米到約4微米之間的厚度，并且其通過各種技術(shù)如化學(xué)氣相沉積(CVD)，低壓CVD(LPCVD)等之一來沉積，溫度為介于約800攝氏度和約 1000攝氏度之間。圖2D示出了對(duì)于多晶硅層216的平坦化，以暴露出頂氧化層208。在一個(gè)實(shí)例中， 利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝來平坦化多晶硅層216。圖2E示出了穿過多晶硅層216和基板206的圖案化蝕刻，以形成開口 218和鄰近 MEMS諧振器元件212的多晶硅電極220。在一個(gè)實(shí)施例中，將每個(gè)多晶硅電極220形成為具有“L”形狀，其中L型的一條邊置于開口 210中，另一條邊置于基板206的上面。圖2F示出了在開口 218中形成塞(plug) 222，用于保護(hù)埋氧層204。在一個(gè)實(shí)例中，形成光刻膠塞，同時(shí)對(duì)于該低粘度光刻膠層進(jìn)行沉積和蝕刻，以控制開口 218中的塞 222的高度。如圖所示，將塞222形成為具有低于多晶硅層216的高度，但是也可根據(jù)具體情況形成為其它高度。然后，隨后的工藝移除頂部氧化層208和側(cè)壁氧化層214以暴露出 MEMS諧振器元件212。在一個(gè)實(shí)例中，通過氣相氟化氫(HF)蝕刻，移除頂部氧化層208和側(cè)壁氧化層214。圖2G示出了塞222移除之后的MEMS器件。在一個(gè)實(shí)例中，可在約200攝氏度到約300攝氏度之間的溫度下，通過等離子體刻蝕移除光刻膠塞。圖2H示出了與半導(dǎo)體器件300接合的MEMS器件，其在一個(gè)實(shí)施例中該半導(dǎo)體器件300包括基板302，金屬層304，層間絕緣膜(ILD) 306，開口 308，以及空腔310。在一個(gè)實(shí)例中，在低于約480攝氏度的溫度下將MEMS器件與半導(dǎo)體器件300熔接(fusion bonded), 接合力小于約5N并且接合時(shí)間小于約10分鐘。在又一個(gè)實(shí)例中，半導(dǎo)體器件300為CMOS 晶圓，并且將MEMS器件的多晶硅層216與CMOS晶圓的ILD306熔接(fusion bonded), CMOS 晶圓提供帶有空腔310的隔離(stand-off)部件，將隔離部件配置成將半導(dǎo)體器件和其所接合的MEMS器件之間適當(dāng)分離。MEMS諧振器元件212提供基準(zhǔn)質(zhì)量，該基準(zhǔn)質(zhì)量用于測(cè)量針對(duì)MEMS的變量?？蛇x地，半導(dǎo)體器件300可為包括隔離部件的載具晶圓并且可能不包括集成電路。有利地，本公開提供了適用于生產(chǎn)獨(dú)立MEMS器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的晶圓級(jí)封裝方案。圖21示出了基板202的移除和隨后的穿過埋氧層204，基板206，以及多晶硅電極 220的蝕刻，以形成與開口 308連接的開口 224。在一個(gè)實(shí)例中，可通過濕蝕刻工藝移除基板202，如在四甲基氫氧化胺(TMAH)濕式蝕刻槽中的蝕刻。在另一個(gè)實(shí)例中，開口 2M的直徑比開口 308的直徑寬。圖2J示出了開口 224和308中塞226的形成，以提供多晶硅電極220和半導(dǎo)體器件300的金屬層304之間的電連接。在一個(gè)實(shí)例中，塞226由鎢組成，并且將其定型為置于開口 308中的部分直徑較小，并且置于開口 2M中的部分直徑較大。開口 218提供塞226 的電隔離。將金屬層沉積進(jìn)而回蝕刻，以在開口 2 和308中形成塞226，在一個(gè)實(shí)例中，在低于約500攝氏度的工藝溫度下通過CVD沉積鎢層。其它沉積技術(shù)也適用并且可以使用。圖^(示出了埋氧層204上的粘合層2 的形成，隨后將鄰近MEMS諧振器元件212 的埋氧層204移除，如關(guān)于圖2L的所示和以下描述。在一個(gè)實(shí)例中，可通過濕法蝕刻工藝將粘合層228圖案化?？蛇x地，在埋氧層204的剩余部分上形成粘合層2 之前，移除埋氧層204鄰近MEMS諧振器元件212的部分。圖2L示出了移除埋氧層204，以釋放MEMS諧振器元件212。在一個(gè)實(shí)例中，通過氣相HF蝕刻移除埋氧層204。然后將基板206接合到蓋晶圓400以密封位于蓋晶圓400和半導(dǎo)體器件300之間的MEMS諧振器元件。換句話說，將MEMS器件200夾入在蓋晶圓400 和半導(dǎo)體器件300 (在一個(gè)實(shí)例中，其為CMOS晶圓或載具晶圓之一)之間，并且將MEMS諧振器元件212密封在位于半導(dǎo)體器件300和蓋晶圓400之間的空腔中，半導(dǎo)體器件300和蓋晶圓400都包括為MEMS諧振器元件212形成空腔的隔離部件。根據(jù)一個(gè)方面，粘合層228由金屬和/或硅組成。粘合層成分的實(shí)例包括無(wú)定形硅，多晶硅，無(wú)定形硅和多晶硅的組合物，摻雜有一種或多種雜質(zhì)的硅，以及其它合適的基本基于硅的成分?？赏ㄟ^物理氣相沉積(PVD)，化學(xué)氣相沉積(CVD)，蒸發(fā)，電子束蒸發(fā) (E-gim)，離子束，能量束，其組合，和/或其它合適的沉積工藝來形成粘合層。其它用于形成粘合層的生產(chǎn)技術(shù)可包括光刻工藝和/或蝕刻以圖案化粘合層。在另一個(gè)實(shí)施例中，粘合層2 包括鋁或基本上基于鋁的粘合層，其也可通過各種技術(shù)如PVD，CVD，或與上述類似技術(shù)之一來形成，。通過接合工藝將粘合層2 與蓋晶圓400接合。具體地，將粘合層228與蓋晶圓 400的表面接合，其在一個(gè)實(shí)施例中可包括另外的粘合層。因此將粘合層228(其可包括硅) 與蓋晶圓的粘合層(其可包括鋁)接合。這樣做使MEMS器件300的粘合層與蓋晶圓400 的粘合層物理接合(如連接)。可通過固相反應(yīng)提供接合。在一個(gè)實(shí)施例中，將粘合層228 與蓋晶圓400在大于約400攝氏度的溫度下，以大于約15kN的接合力共晶接合。在另一個(gè)實(shí)施例中，粘合層2 可包括金屬，蓋晶圓400的粘合層可包括硅。因此，在一個(gè)實(shí)施例中， 可在MEMS基板上提供基于硅的粘合層，在蓋基板上提供基本上基于鋁的粘合層，并且在另一個(gè)實(shí)施例中，在蓋基板上設(shè)置基本上基于硅的粘合層，在MEMS基板上設(shè)置基本上基于鋁的粘合層。接合工藝可在合成氣體和/或其它可控環(huán)境的條件下實(shí)施。合成氣體的實(shí)例包括氬氣，氮?dú)?N2)，氫氣(H2)，氮?dú)?氫氣混合物，和/或其它合適的氣體。合成氣體可用于將粘合層去氧化。
在實(shí)施例中，在接合工藝之前先實(shí)施表面清潔。在其它實(shí)施例中，可省略表面清潔步驟。表面清潔步驟可包括濕蝕刻，干蝕刻，或其組合。實(shí)例性的濕蝕刻/清潔工藝包括暴露到含有稀釋HF的氫氟酸(HF)中。實(shí)例性干蝕刻工藝包括氬氣濺射法和等離子體蝕刻工藝。清潔工藝可包括其它合適的工藝如去離子水沖洗和干燥工藝(如旋轉(zhuǎn)干燥)。清潔工藝可用于去除粘合層上的氧化層。在實(shí)施例中，實(shí)施后接合熱工藝(如退火)?？衫檬袌?chǎng)上銷售的晶圓接合機(jī)(wafer bonder)實(shí)施接合，而且一般將對(duì)準(zhǔn)工藝實(shí)施在接合工藝之前?，F(xiàn)參照?qǐng)D3A-圖3F為根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例圖示在生產(chǎn)的不同階段的獨(dú)立 MEMS器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的橫截面圖。圖3A示出了包括埋氧層204，多晶硅層216，開口 218，多晶硅電極220以及MEMS 諧振器元件212的基板202，206。圖3A中所示的結(jié)構(gòu)由與上述圖2A-圖2G中所示的相同步驟和工藝制造而成，并且與上述圖2A-圖2G中所示的結(jié)構(gòu)基本相似。因此，這里不再重復(fù)圖3A所示結(jié)構(gòu)的制造步驟和結(jié)構(gòu)，但是其完全適用于該實(shí)施例。圖;3B示出了多晶硅電極220和基板206的圖案化蝕刻，以在埋氧層204上形成開口 230?？墒褂玫湫偷墓饪虉D案化和蝕刻技術(shù)。然后，在開口 230上沉積和圖案化氮化鋁 (AlN)薄膜232，并且在一個(gè)實(shí)例中以低于約550攝氏度的沉積工藝溫度沉積AlN層，以及利用濕蝕刻進(jìn)行圖案化。與以上圖2H類似，圖3C示出了與半導(dǎo)體器件300接合的MEMS器件，該半導(dǎo)體器件300在一個(gè)實(shí)施例中包括基板302，金屬層304，層間絕緣膜(ILD) 306，開口 308，以及空腔310。在一個(gè)實(shí)例中，在低于約480攝氏度的溫度下將MEMS器件與半導(dǎo)體器件300熔接。 在另一個(gè)實(shí)例中，半導(dǎo)體器件300為CMOS晶圓，并且將MEMS器件的多晶硅層216與CMOS 晶圓的ILD306熔接，CMOS晶圓提供帶有空腔310的隔離部件，隔離部件配置成將半導(dǎo)體器件和其所接合的MEMS器件之間適當(dāng)分離。MEMS諧振器元件212提供基準(zhǔn)質(zhì)量，該基準(zhǔn)質(zhì)量用于測(cè)量針對(duì)MEMS的變量?？蛇x地，半導(dǎo)體器件300可為包括隔離部件的載具晶圓，并且可能不包括集成電路。有利地，本公開提供了適用于生產(chǎn)獨(dú)立MEMS器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的晶圓級(jí)封裝方案。與以上圖21類似，圖3D示出了基板202的移除和隨后的穿過埋氧層204，基板 206，以及多晶硅電極220的蝕刻，以形成與開口 308連接的開口 224。在一個(gè)實(shí)例中，可通過濕蝕刻工藝移除基板202，如在四甲基氫氧化胺(TMAH)濕蝕刻槽中進(jìn)行蝕刻。在另一個(gè)實(shí)例中，開口 2M具有比開口 308寬的直徑。與以上圖2J類似，圖3E示出了開口 2M和308中塞226的形成，以提供多晶硅電極220和半導(dǎo)體器件300的金屬層304之間的電連接。在一個(gè)實(shí)例中，塞226由鎢組成，并且將其定型為置于開口 308中的部分直徑較小，并且置于開口 2M中的部分直徑較大。開口 218提供塞226的電隔離。將金屬層沉積進(jìn)而回蝕刻，以在開口 2M和308中形成塞226， 在一個(gè)實(shí)例中，在低于約500攝氏度的工藝溫度下通過CVD沉積鎢層。其它沉積技術(shù)也適用并且可以使用。最后，與以上圖I和2L類似，圖3F示出了埋氧層204上的粘合層228的形成，隨后將鄰近MEMS諧振器元件212的埋氧層204移除。在一個(gè)實(shí)例中，可通過濕法蝕刻工藝將粘合層228圖案化?？蛇x地，在埋氧層204的剩余部分上形成粘合層2 之前，移除埋氧層204鄰近MEMS諧振器元件212的部分。移除埋氧層204，以釋放MEMS諧振器元件212。在一個(gè)實(shí)例中，通過氣相HF蝕刻移除埋氧層204。然后將基板206接合到蓋晶圓400以密封位于蓋晶圓400和半導(dǎo)體器件300之間的MEMS諧振器元件。換句話說，將MEMS器件200夾入在蓋晶圓400和半導(dǎo)體器件300(在一個(gè)實(shí)例中其為CMOS晶圓或載具晶圓之一)之間， 并且將MEMS諧振器元件212密封在位于半導(dǎo)體器件300和蓋晶圓400之間的空腔中，半導(dǎo)體器件300和蓋晶圓400都包括為了 MEMS諧振器元件212的形成空腔的隔離部件?，F(xiàn)在參考圖4A-圖4F，圖4A-圖4F為根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例圖示在生產(chǎn)的不同階段的獨(dú)立MEMS器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的橫截面圖。圖4A示出了包括埋氧層204，多晶硅層216，以及被頂部氧化層208，埋氧層204和側(cè)壁氧化層214圍繞的MEMS諧振器元件212的基板202，206。通過與關(guān)于圖2A-2D的以上所述基本一樣的步驟和工藝制造圖4A所示的結(jié)構(gòu)，并且圖4A包括與圖2A-2D所示基本相同的結(jié)構(gòu)。因此，這里不再重復(fù)圖4A所示結(jié)構(gòu)的制造步驟和結(jié)構(gòu)，但是其完全適用于該實(shí)施例。圖4B-圖4E示出了對(duì)于多晶硅層216和基板206的圖案化蝕刻，以形成開口 218， 在開口 218中形成塞222，移除頂部氧化層208和側(cè)壁氧化層214，以及移除塞222，類似于以上關(guān)于圖2E-2G所示和所述的工藝。在該實(shí)施例中，開口 218只形成在MEMS諧振器元件 212的一邊，并且開口 2；34形成在MEMS諧振器元件212的另一邊上的基板206的上方。圖4F示出了多晶硅層216的進(jìn)一步蝕刻，以形成開口 236，以及隨后的在開口 236 上方的對(duì)于氮化鋁(AlN)薄膜238沉積和圖案化?？赏ㄟ^各向同性蝕刻圖案化多晶硅層 216，以形成開口 236，并且在約550攝氏度以下的溫度中可通過各種工藝之一沉積AlN薄膜 238。然后，AlN薄膜238可以通過濕蝕刻進(jìn)行圖案化。圖4G示出了在AlN薄膜238上的鋁薄膜240的沉積和圖案化。在一個(gè)實(shí)例中，通過約250攝氏度溫度下的各種工藝之一沉積鋁薄膜M0，并且通過濕蝕刻工藝作為上電極圖案化鋁薄膜M0。與以上圖2H類似，圖4H示出了與半導(dǎo)體器件350接合的MEMS器件，其在一個(gè)實(shí)施例中包括基板302，金屬層304，層間絕緣膜(ILD) 306，開口 308，以及空腔310。在一個(gè)實(shí)施例中，在低于約480攝氏度的溫度下將MEMS器件與半導(dǎo)體器件350熔接。在另一個(gè)實(shí)例中，半導(dǎo)體器件350為CMOS晶圓并且將MEMS器件的多晶硅層216與CMOS晶圓的ILD306 熔接，CMOS晶圓提供帶有空腔310的隔離部件，將隔離部件配置成將半導(dǎo)體器件和其所接合的MEMS器件之間適當(dāng)分離。MEMS諧振器元件212提供基準(zhǔn)質(zhì)量，該基準(zhǔn)質(zhì)量用于測(cè)量針對(duì)MEMS的變量?？蛇x地，半導(dǎo)體器件350可為包括隔離部件的載具晶圓并且可能不包括集成電路。有利地，本公開提供了適用于生產(chǎn)獨(dú)立MEMS器件和/或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件的晶圓級(jí)封裝方案。與以上圖21類似，圖41示出了基板202的移除和隨后的穿過埋氧層204，基板 206，以及多晶硅電極220的蝕刻，以形成與開口 308連接的開口 224。在一個(gè)實(shí)施例中，可通過濕蝕刻工藝移除基板202，如在四甲基氫氧化胺(TMAH)濕式蝕刻槽中的蝕刻。在另一個(gè)實(shí)例中，開口 2M的直徑比開口 308的直徑寬。與以上圖2J類似，圖4J示出了開口 2M和308中塞226的形成，以提供多晶硅電極220和半導(dǎo)體器件300的金屬層304之間的電連接。在一個(gè)實(shí)例中，塞226由鎢組成，并且將其定型為置于開口 308中的部分直徑較小，并且置于開口 2M中的部分直徑較大。開口 218提供塞226的電隔離。將金屬層沉積進(jìn)而回蝕刻，以在開口 2M和308中形成塞226， 在一個(gè)實(shí)例中，在低于約500攝氏度的工藝溫度下通過CVD沉積鎢層。其它沉積技術(shù)也適用并且可以使用。與以上圖I類似，圖4K示出了埋氧層204上的粘合層228的形成，隨后將其在鄰近MEMS諧振器元件212的埋氧層204移除。在一個(gè)實(shí)例中，可通過濕法蝕刻工藝將粘合層 228圖案化。可選地，在埋氧層204的剩余部分上形成粘合層2 之前，移除埋氧層204鄰近MEMS諧振器元件212的部分。移除埋氧層204，以釋放MEMS諧振器元件212。在一個(gè)實(shí)例中，通過氣相HF蝕刻移除埋氧層204。最后，與以上圖2L類似，圖4L示出了將基板206接合到蓋晶圓400以密封位于蓋晶圓400和半導(dǎo)體器件300之間的MEMS諧振器元件212。換句話說，將MEMS器件200夾入在蓋晶圓400和半導(dǎo)體器件300(在一個(gè)實(shí)例中，其為CMOS晶圓或載具晶圓中的一種)之間，并且將MEMS諧振器元件212密封在位于半導(dǎo)體器件300和蓋晶圓400之間的空腔中， 半導(dǎo)體器件300和蓋晶圓400都包括形成為MEMS諧振器元件空腔的隔離部件。優(yōu)選地，可將圖3A-圖3F示出的所形成的硅上壓電體應(yīng)用到各種器件，如諧振器，促動(dòng)器(如開關(guān))， 以及能量收集器件。優(yōu)選地，可將圖4A-圖4L示出的所形成的懸掛壓電體應(yīng)用于薄膜型聲波器件。一個(gè)或多個(gè)所述實(shí)施例相比于現(xiàn)有技術(shù)具備優(yōu)點(diǎn)。將MEMS器件熔接到半導(dǎo)體器件使得兩個(gè)基板之間產(chǎn)生堅(jiān)固的電子接口和機(jī)械接口。而且，將MEMS器件共晶接合到蓋晶圓從而能夠密封而不會(huì)損失面積，并且不會(huì)增加任何工藝層到半導(dǎo)體器件，如CMOS基板。 本公開進(jìn)一步為MEMS單個(gè)器件和單片MEMS器件-半導(dǎo)體器件的制造提供了簡(jiǎn)單而靈活的晶圓封裝方案。盡管本文中示出的實(shí)施例可能描述和/或示出了基板上沉積的單個(gè)粘合層，但是這不是必需的，而且可圖案化任意多個(gè)層，以在基板或器件之間形成一個(gè)或多個(gè)接合區(qū)域。因此，本公開為晶圓級(jí)封裝提供了方法，以提供獨(dú)立微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件或單片半導(dǎo)體器件-MEMS器件。在一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包括提供一種包括埋氧層和頂部氧化層的基板，以及蝕刻基板，以在埋氧層上形成開口和在開口之間形成微型機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)諧振器元件，MEMS諧振器元件被埋氧層，頂部氧化層，以及側(cè)壁氧化層包圍。該方法進(jìn)一步包括使用多晶硅填充開口，以形成鄰近MEMS諧振器元件的多晶硅電極，移除鄰近MEMS諧振器元件的頂部氧化層和側(cè)壁氧化層，將多晶硅電極與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)晶圓或載具晶圓之一相接合，移除鄰近MEMS諧振器元件的埋氧層，以及將基板接合到蓋晶圓，以將MEMS諧振器元件密封在CMOS晶圓或載具晶圓中之一和蓋晶圓之間。本公開還提供了一種半導(dǎo)體器件。在一個(gè)實(shí)施例中，該器件包括微型機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)器件，該微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ器件包括鄰近諧振器元件的多晶硅電極，與MEMS器件的第一表面熔接的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q晶圓或載具晶圓之一，以及與MEMS器件的第二表面共晶接合的蓋晶圓，密封在CMOS晶圓或載具晶圓之一和蓋晶圓之間的諧振器元件。盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了本公開的實(shí)施例，但本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以在不背離本公開的精神和范圍的情況下，做各種改變，替換和更改。因此，所有這些改變，替換和更改都包括在以下權(quán)利要求所限定的本公開的范圍內(nèi)。在所附權(quán)利要求中，方法加功能條款旨在包含作為實(shí)施所敘述的功能的本文所描述的結(jié)構(gòu)，及其結(jié)構(gòu)等效物和等效結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括提供包括埋氧層和頂部氧化層的基板；蝕刻所述基板，以在所述埋氧層上形成多個(gè)開口，并且在所述開口之間形成微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ諧振器元件，所述MEMS諧振器元件圍在所述埋氧層，所述頂部氧化層以及側(cè)壁氧化層內(nèi)；用多晶硅填充所述開口，以形成鄰近MEMS諧振器元件的多晶硅電極； 移除頂部氧化層和鄰近MEMS諧振器元件的側(cè)壁氧化層；將所述多晶硅電極與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q晶圓或載具晶圓之一相接合； 移除鄰近所述MEMS諧振器元件的所述埋氧層；以及將所述基板與蓋晶圓接合，以密封所述CMOS晶圓或所述載具晶圓之一和所述蓋晶圓之間的所述MEMS諧振器元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述多晶硅電極都形成為“L”形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述多晶硅電極與所述CMOS晶圓或所述載具晶圓之一接合包括在約480攝氏度以下的溫度進(jìn)行熔接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述基板與所述蓋晶圓接合包括以大于約 15kN的接合力，在高于約400攝氏度的溫度下進(jìn)行共晶接合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將所述多晶硅電極與所述CMOS晶圓的金屬層電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將所述多晶硅電極與所述CMOS晶圓的金屬層利用通過置于所述多晶硅電極和所述金屬層之間的相應(yīng)鎢插塞做電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括蝕刻多晶硅電極和所述基板，以在所述埋氧層上方形成開口 ；以及在所述開口上方沉積和圖案化氮化鋁(AlN)薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 蝕刻多晶硅電極，以在所述基板上形成開口 ；在所述開口上方沉積和圖案化氮化鋁(AlN)薄膜；以及在所述AlN薄膜上沉積和圖案化鋁薄膜。
9.一種方法，包括提供包括埋氧層和頂部氧化層的基板；蝕刻所述基板，以在所述埋氧層上方形成多個(gè)開口并且在所述開口之間形成微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ諧振器元件，所述MEMS諧振器元件圍在所述埋氧層，所述頂部氧化層以及側(cè)壁氧化層內(nèi)；用多晶硅填充所述開口，以形成鄰近MEMS諧振器元件的多晶硅電極； 移除頂部氧化層和鄰近MEMS諧振器元件的側(cè)壁氧化層； 將所述多晶硅電極熔接到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶圓； 將所述多晶硅電極通過相應(yīng)的插塞電連接到所述CMOS晶圓的金屬層； 移除鄰近所述MEMS諧振器元件的所述埋氧層；以及將所述基板與蓋晶圓共晶接合，以密封所述蓋晶圓和所述CMOS晶圓之間的所述MEMS 諧振器元件。
10. 一種器件，包括微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，包括鄰近諧振器元件的多晶硅電極；互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q晶圓或載具晶圓之一，與所述MEMS器件的第一表面熔接；以及蓋晶圓，與所述MEMS器件的第二表面共晶接合，所述諧振器元件密封在所述CMOS晶圓或所述載具晶圓之一和所述蓋晶圓之間。
全文摘要
一種晶圓級(jí)封裝的方法包括提供具有埋氧層和頂部氧化層的基板，以及蝕刻基板，以在埋氧層上形成開口和在開口之間形成微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)諧振器元件，MEMS諧振器元件被包圍在埋氧層，頂部氧化層，以及側(cè)壁氧化層中。該方法進(jìn)一步包括使用多晶硅填充開口，以形成鄰近MEMS諧振器元件的多晶硅電極，移除鄰近MEMS諧振器元件的頂部氧化層和側(cè)壁氧化層，將多晶硅電極與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶圓或載具晶圓之一接合，移除鄰近MEMS諧振器元件的埋氧層，以及將基板與蓋晶圓接合，以密封CMOS晶圓或載具晶圓之一和蓋晶圓之間的MEMS諧振器元件。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102398888SQ20111026884
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者朱家驊, 林宗賢, 鄭鈞文 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司