CN102275867B - 带有部分密封壳体的半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有部分密封壳体的半导体器件的制造方法，包括步骤：提供覆盖基底，在覆盖基底的正面形成正面凹坑；在覆盖基底的正面淀积停止材料，形成刻蚀停止层；刻蚀覆盖基底上部分正面凹坑的正对背面，直至露出刻蚀停止层，在覆盖基底的背面形成背面凹坑；提供器件基底，其上形成有半导体器件；将覆盖基底与器件基底正面对接并固定，在器件基底上方形成部分密封壳体。相应地，本发明还提供一种带有部分密封壳体的半导体器件。本发明的制造方法属正面加工工艺，与CMOS制造工艺兼容。在器件基底的对接覆盖时，采用的工艺温度低于400度，并且形成部分密封壳体后基底的总厚度显著减薄。

Description

带有部分密封壳体的半导体器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及微机电系统制造技术领域，具体来说，本发明涉及一种带有部分密封壳体的半导体器件及其制造方法。

背景技术

在微机电系统(MEMS)领域的某些应用中，半导体器件需要带有部分密封的壳体，即半导体器件的一部分可能需要暴露在空气中。这种与常规半导体不同的结构使得制造该种器件需要采用一种与传统半导体器件不同的制造方法。例如在MEMS传感器中，往往需要将诸如压力传感器等器件暴露在空气中，以获得测量的数据；在生物传感器中，在检测的时候，需要生物传感器与被检测溶液等物直接接触。因此，在诸如此类的应用时，在形成壳体的过程中，需要形成部分密封以满足条件。

现有的实现诸如压力传感器的一种方法是在制造有传感器的圆晶的背面开口，并与玻璃或者其他基底实现键合(以阳极键合为主)，键合温度普遍超过400度，而且需要施加高压实现，而传感器件是在圆晶的正面，暴露在空气中，从而实现上述的封装。

上述制造方法属于背面工艺，其基底中存在的钠离子和钾离子会对CMOS工艺产生污染，对例如曝光设备等提出了特别的要求，故其与传统的CMOS制造工艺不兼容；所施加的高压可能破坏圆晶上的某些敏感元件。另外，这种方法采用的基底整个厚度很厚(是晶圆和基底的总厚度)，大约接近1mm，并且较难减薄，不适合半导体器件的小型化趋势，工艺较为复杂，成本也较高。

而现有的制造传感器的另一种方法是采用一个盖板和制造有传感器的圆晶键合，键合完成后，再通过刻蚀工艺，在盖板上开口，实现下方的传感器件与空气或者其他介质的接触。

但是这种方法对制造工艺的要求严格，不仅需要双面对准和腐蚀，还需要精确地控制双面腐蚀的精度，对应随后采用深刻蚀工艺的稳定性要求也很严格；而事实上，晶圆厚度的不均匀性和腐蚀加工工艺的不稳定性都是客观存在的，精确的加工很难实现，为了确保窗口能够打开，势必要采用较长的加工时间，多余的时间对与需要露出部分显然将产生较大的损伤。此外，成本同样也较高。

因此，需要一种低成本的、稳定的加工工艺，实现部分裸露的带有部分密封壳体的半导体器件的制造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带有部分密封壳体的半导体器件及其制造方法，与传统的CMOS制造工艺相兼容，实现工艺稳定并且精确，避免损伤，提高成品率和质量，制造成本较低。

为解决上述技术问题，本发明提供一种带有部分密封壳体的半导体器件的制造方法，包括步骤：

提供覆盖基底，在所述覆盖基底的正面形成正面凹坑；

在所述覆盖基底的正面淀积停止材料，形成刻蚀停止层；

刻蚀所述覆盖基底上部分正面凹坑的正对背面，直至露出所述刻蚀停止层，在所述覆盖基底的背面形成背面凹坑；

提供器件基底，其上形成有半导体器件；

将所述覆盖基底与所述器件基底正面对接并固定，在所述器件基底上方形成部分密封壳体。

可选地，所述方法在形成背面凹坑之后还包括步骤：

去除所述覆盖基底正面的所述刻蚀停止层。

可选地，所述方法在形成背面凹坑之后还包括步骤：

去除所述背面凹坑底部的所述刻蚀停止层。

可选地，所述方法在将所述覆盖基底与所述器件基底正面对接并固定之后还包括步骤：

去除所述背面凹坑底部的所述刻蚀停止层。

可选地，所述覆盖基底包括半导体材料、绝缘材料或金属材料。

可选地，所述正面凹坑的个数为一个或者多个。

可选地，所述正面凹坑的形状和尺寸大小根据实际的应用是可调节的。

可选地，所述正面凹坑为一阵列。

可选地，所述停止材料的种类和厚度根据实际的应用是可调节的。

可选地，所述停止材料的种类包括氧化物、氮化物、含硅材料、金属单质或者金属合金。

可选地，所述停止材料为通过氧化得到的氧化硅。

可选地，所述停止材料的厚度为100nm～50μm。

可选地，所述停止材料的厚度为1μm～20μm。

可选地，在所述覆盖基底的背面形成背面凹坑的工艺为背面套刻加湿法刻蚀，或者背面套刻加干法刻蚀。

可选地，去除所述刻蚀停止层的方法为湿法刻蚀法或者干法刻蚀法。

可选地，将所述覆盖基底与所述器件基底正面对接并固定的工艺为粘贴法或者键合法。

可选地，所述半导体器件包括压力传感器、温阻传感器、生物传感器、加速度传感器或者谐振器。

相应地，本发明还提供一种采用上述任意一种方法制造的带有部分密封壳体的半导体器件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的制造方法属于正面加工工艺，不采用与常规CMOS工艺不完全兼容并且价格昂贵的背面工艺，其与常规CMOS制造工艺完全兼容。

在器件基底的对接覆盖工艺中，本发明采用的工艺温度低于400度，并且形成部分密封壳体后基底的总厚度也大大减薄了。

另外，本发明对工艺要求比较灵活，整个加工工艺稳定可靠，精度很高，且成本较低。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的带有部分密封壳体的半导体器件的制造方法的流程示意图；

图2至图10为本发明一个实施例的带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的剖面结构示意图；

图11至图13为本发明另一个实施例的带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的剖面结构示意图；

图14至图18为本发明再一个实施例的带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1为本发明一个实施例的带有部分密封壳体的半导体器件的制造方法的流程示意图。如图所示，该制造方法的流程可以包括：

执行步骤S101，提供覆盖基底，在覆盖基底的正面形成正面凹坑；

执行步骤S102，在覆盖基底的正面淀积停止材料，形成刻蚀停止层；

执行步骤S103，刻蚀覆盖基底上部分正面凹坑的正对背面，直至露出刻蚀停止层，在覆盖基底的背面形成背面凹坑；

执行步骤S104，提供器件基底，其上形成有半导体器件；

执行步骤S105，将覆盖基底与器件基底正面对接并固定，在器件基底上方形成部分密封壳体。

带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的第一实施例

图2至图10为本发明一个实施例的带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的剖面结构示意图。下面结合各附图来对其制造过程作详细描述。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图2所示，提供覆盖基底001，作为后续半导体器件盖板的应用。该覆盖基底001的材质可以为半导体材料、绝缘材料或者金属材料在内的所有适用材料。

如图3所示，在覆盖基底001的正面形成正面凹坑002、003。在此需要指出，本实施例中的两个正面凹坑002和003是示意性的，本发明完全可以根据实际的需要形成一个或者多个正面凹坑002、003。本实施例中正面凹坑002、003可以具有多种不同形状和尺寸大小，其根据实际的应用是可调节的(adjustable)。该正面凹坑002、003还可以是一个阵列的凹坑。

如图4所示，在覆盖基底001的正面淀积停止材料，形成刻蚀停止层004。所淀积的停止材料的种类和厚度也是可以根据实际的应用进行调节的。该停止材料例如可以是氧化物、氮化物、含硅材料(如多晶硅)、金属单质或者金属合金。形成刻蚀停止层004的停止材料的厚度可以在100nm～50微米之间，优选为1微米到20微米之间。淀积上述的停止材料也可以是其他形成的方法，例如当覆盖基底001采用硅基底时，可以采用热氧化，在硅基底的表面形成氧化硅，氧化硅即作为刻蚀停止层004，如果覆盖基底001的背面不加保护层那么也会形成氧化层。

如图5所示，采用背面套刻加湿法刻蚀的工艺刻蚀覆盖基底001上部分正面凹坑002的正对背面，直至露出刻蚀停止层004，在覆盖基底001的背面形成背面凹坑005。在形成背面凹坑005的时候，刻蚀停止层004因为与覆盖基底001的材料特性不同，所以在形成背面凹坑005的过程中，可以作为停止层(stop layer)存在，进而形成了如图5所示的结构。如果采用上述的硅材料作为覆盖基底001，并且采用热氧化形成氧化硅作为刻蚀停止层004，那么在开背面凹坑005的时候先要开一个氧化硅的窗口。

当然，形成背面凹坑005的方式也可以是背面套刻加干法刻蚀工艺，只是湿法刻蚀在成本上更具竞争力。对于图5所示的结构，从俯视图上看，是如图6所示的结构，露出的刻蚀停止层004如一个窗口。

如图7所示，采用湿法刻蚀法或者干法刻蚀法去除覆盖基底001正面的刻蚀停止层004，形成穿透覆盖基底001的通孔006。对于图7所示的结构，此时的俯视图如图8所示。如果采用湿法刻蚀法去除刻蚀停止层004，则显然需要采用与前一步形成背面凹坑005的方式不同的刻蚀溶液配方。

如图9所示，提供器件基底007，其上形成有半导体器件，该半导体器件可以包括压力传感器、温阻传感器、生物传感器、谐振器或者加速度传感器等。通过特定的方法，将上述的覆盖基底001与器件基底007进行正面对接并固定，在器件基底007上方形成部分密封的壳体014。在此步骤中，可以采用例如粘贴法或者键合法等工艺，但本实施例并不局限于上述的方法，最后可以得到如图9所示的结构。在此过程中，根据实际的需要，可能需要烘烤或者退火以增强对接的强度。

在本实施例中，器件基底007上已经制造有多种半导体器件，其中有部分的器件(例如加速度传感器)需要被密封在壳体之中以获得更好的稳定性和更高的寿命，而另外有部分的器件阵列(如压力传感器、生物检测传感器或谐振器)需要暴露在壳体之外，图9所示的仅仅是代表性的示意图。例如，在器件基底007中，可以有空腔009，在空腔009的上方是与器件基底007连成一体的薄层010，而薄层010上制造有压力传感器的压阻单元011，因此空腔009、压阻单元011和薄层010一起形成了压力传感器，此部分需要暴露在空气中。另外的部分，例如在此显示的加速度传感器(包括质量块013和悬臂梁008)却被封在壳体014之内，在器件基底007上方形成了密封的空间012。

在此需要指出，在实施例中示出的压力传感器和加速度传感器是示意性的，不仅仅可以是其他类型、任何数目的半导体器件，也可以是不同的构造、结构、面积和种类的压力传感器、重量传感器、生物传感器、加速度传感器和谐振器等，其不是限制本发明的内容。

如图10所示，其是图9的俯视图，可以看到在空腔009上方的薄层010上，不仅有压阻单元011，还有压阻单元011的导电引线013，其用于引出惠斯登电桥的电信号。

带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的第二实施例

图11至图13为本发明一个实施例的带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的剖面结构示意图。在本实施例中，还需要借助上述第一实施例中的图2至图6进行描述。下面结合各附图来对其制造过程作详细描述。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图2所示，提供覆盖基底001，作为后续半导体器件盖板的应用。该覆盖基底001的材质可以为半导体材料、绝缘材料或者金属材料在内的所有适用材料。

如图3所示，在覆盖基底001的正面形成正面凹坑002、003。在此需要指出，本实施例中的两个正面凹坑002和003是示意性的，本发明完全可以根据实际的需要形成一个或者多个正面凹坑002、003。本实施例中正面凹坑002、003可以具有多种不同形状和尺寸大小，其根据实际的应用是可调节的(adjustable)。该正面凹坑002、003还可以是一个阵列的凹坑。

如图4所示，在覆盖基底001的正面淀积停止材料，形成刻蚀停止层004。所淀积的停止材料的种类和厚度也是可以根据实际的应用进行调节的。该停止材料例如可以是氧化物、氮化物、含硅材料(如多晶硅)、金属单质或者金属合金。形成刻蚀停止层004的停止材料的厚度可以在100nm～50微米之间，优选为1微米到20微米之间。淀积上述的停止材料也可以是其他形成的方法，例如当覆盖基底001采用硅基底时，可以采用热氧化，在硅基底的表面形成氧化硅，氧化硅即作为刻蚀停止层004，如果覆盖基底001的背面不加保护层那么也会形成氧化层。

如图5所示，采用背面套刻加湿法刻蚀的工艺刻蚀覆盖基底001上部分正面凹坑002的正对背面，直至露出刻蚀停止层004，在覆盖基底001的背面形成背面凹坑005。在形成背面凹坑005的时候，刻蚀停止层004因为与覆盖基底001的材料特性不同，所以在形成背面凹坑005的过程中，可以作为停止层(stop layer)存在，进而形成了如图5所示的结构。如果采用上述的硅材料作为覆盖基底001，并且采用热氧化形成氧化硅作为刻蚀停止层004，那么在开背面凹坑005的时候先要开一个氧化硅的窗口。

当然，形成背面凹坑005的方式也可以是背面套刻加干法刻蚀工艺，只是湿法刻蚀在成本上更具竞争力。对于图5所示的结构，从俯视图上看，是如图6所示的结构，露出的刻蚀停止层004如一个窗口。

在得到如图5、图6所示的结构后，可以采用干法刻蚀工艺去除背面凹坑005底部的停止材料(刻蚀停止层004)，形成穿透覆盖基底001的通孔020，获得如图11所示的结构。

随后，提供器件基底021，其上形成有半导体器件，该半导体器件可以包括压力传感器、温阻传感器、生物传感器、重量传感器或者加速度传感器等(均未图示)。如图12所示，采用键合法或者粘贴法等工艺，将上述的覆盖基底001与器件基底021进行正面对接并固定，在器件基底021与覆盖基底001之间形成有部分密封的空隙022。在器件基底021的上方显然还可以制造有其他各类半导体器件或者传感、执行器件，在此为了表述简便没有画出。在此过程中，根据实际的需要，可能需要烘烤或者退火，以增强对接的强度，但本实施例并不局限于上述的方法。此时获得的结构的俯视图可以如图13所示。

带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的第三实施例

图14至图18为本发明一个实施例的带有部分密封壳体的半导体器件的制造过程的剖面结构示意图。在本实施例中，还需要借助上述第一实施例中的图2至图6进行描述。下面结合各附图来对其制造过程作详细描述。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图2所示，提供覆盖基底001，作为后续半导体器件盖板的应用。该覆盖基底001的材质可以为半导体材料、绝缘材料或者金属材料在内的所有适用材料。

如图3所示，在覆盖基底001的正面形成正面凹坑002、003。在此需要指出，本实施例中的两个正面凹坑002和003是示意性的，本发明完全可以根据实际的需要形成一个或者多个正面凹坑002、003。本实施例中正面凹坑002、003可以具有多种不同形状和尺寸大小，其根据实际的应用是可调节的(adjustable)。该正面凹坑002、003还可以是一个阵列的凹坑。

如图4所示，在覆盖基底001的正面淀积停止材料，形成刻蚀停止层004。所淀积的停止材料的种类和厚度也是可以根据实际的应用进行调节的。该停止材料例如可以是氧化物、氮化物、含硅材料(如多晶硅)、金属单质或者金属合金。形成刻蚀停止层004的停止材料的厚度可以在100nm～50微米之间，优选为1微米到20微米之间。淀积上述的停止材料也可以是其他形成的方法，例如当覆盖基底001采用硅基底时，可以采用热氧化，在硅基底的表面形成氧化硅，氧化硅即作为刻蚀停止层004，如果覆盖基底001的背面不加保护层那么也会形成氧化层。

如图5所示，采用背面套刻加湿法刻蚀的工艺刻蚀覆盖基底001上部分正面凹坑002的正对背面，直至露出刻蚀停止层004，在覆盖基底001的背面形成背面凹坑005。在形成背面凹坑005的时候，刻蚀停止层004因为与覆盖基底001的材料特性不同，所以在形成背面凹坑005的过程中，可以作为停止层(stop layer)存在，进而形成了如图5所示的结构。如果采用上述的硅材料作为覆盖基底001，并且采用热氧化形成氧化硅作为刻蚀停止层004，那么在开背面凹坑005的时候先要开一个氧化硅的窗口。

当然，形成背面凹坑005的方式也可以是背面套刻加干法刻蚀工艺，只是湿法刻蚀在成本上更具竞争力。对于图5所示的结构，从俯视图上看，是如图6所示的结构，露出的刻蚀停止层004如一个窗口。

在本实施例中，图14对应于第一实施例中的图5，在覆盖基底001的背面形成有背面凹坑020。在得到如图14所示的结构后，提供器件基底021，其上形成有半导体器件，该半导体器件可以包括压力传感器、重量传感器、生物传感器、温阻传感器或者加速度传感器等(均未图示)。如图15所示，采用键合法或者粘贴法等工艺，将上述的覆盖基底001与器件基底021进行正面对接并固定，在器件基底021与覆盖基底001之间形成有部分密封的空隙022。在器件基底021的上方显然还可以制造有其他各类半导体器件或者传感、执行器件，在此为了表述简便没有画出。

如果采用键合工艺，则需要停止材料004与器件基底021之间能够形成可靠的键合。在此过程中，根据实际的需要，可能需要烘烤或者退火进行加固，但本实施例并不局限于上述的方法。此时获得的结构的俯视图可以如图16所示。

可以采用干法刻蚀工艺去除背面凹坑020底部的停止材料(刻蚀停止层020)，形成穿透覆盖基底001的通孔023，获得如图17所示的结构，因为刻蚀停止层020的厚度是严格可控的，所以在打开刻蚀停止层020的时候采用的工艺能够相当精确，不会因为过度的加工而破坏下方的半导体器件。对于图17所示的结构，从俯视图上看，是如图18所示的结构，露出的器件基底021如一个窗口。

此方案的好处在于，在背面凹坑020底部有刻蚀停止层004的存在，无论在键合还是粘贴的过程中都可以避免有些颗粒落入器件基底021的上方，导致影响其上的半导体器件的成品率。另外，刻蚀停止层004的厚度严格可控并且已知，所以能很容易够掌握刻蚀的工艺数据，避免刻蚀过度造成器件基底021的损失，同时避免刻蚀不充分造成窗口打不开。

本发明的制造方法属于正面加工工艺，不采用与常规CMOS工艺不完全兼容并且价格昂贵的背面工艺，其与常规CMOS制造工艺完全兼容。

在器件基底的对接覆盖工艺中，本发明采用的工艺温度低于400度，并且形成部分密封壳体后基底的总厚度也大大减薄了。

另外，本发明对工艺要求比较灵活，整个加工工艺稳定可靠，精度很高，且成本较低。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种带有部分密封壳体的半导体器件的制造方法，包括步骤：

提供覆盖基底，在所述覆盖基底的正面形成正面凹坑；

在所述覆盖基底的正面淀积停止材料，形成刻蚀停止层；

刻蚀所述覆盖基底上部分正面凹坑的正对背面，直至露出所述刻蚀停止层，在所述覆盖基底的背面形成背面凹坑；

提供器件基底，其上形成有半导体器件；以及

将所述覆盖基底与所述器件基底正面对接并固定，在所述器件基底上方形成部分密封壳体；

其中，所述方法还包括所述刻蚀停止层的去除步骤：

在形成所述背面凹坑之后去除所述覆盖基底正面的所述刻蚀停止层；或者

在形成所述背面凹坑之后去除所述背面凹坑底部的所述刻蚀停止层；或者

在将所述覆盖基底与所述器件基底正面对接并固定之后去除所述背面凹坑底部的所述刻蚀停止层。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述覆盖基底包括半导体材料、绝缘材料或金属材料。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述正面凹坑的个数为一个或者多个。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述正面凹坑的形状和尺寸大小根据实际的应用是可调节的。

5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述正面凹坑为一阵列。

6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述停止材料的种类和厚度根据实际的应用是可调节的。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述停止材料的种类包括氧化物、氮化物、含硅材料、金属单质或者金属合金。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述停止材料为通过氧化得到的氧化硅。

9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述停止材料的厚度为100nm～50μm。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述停止材料的厚度为1μm～20μm。

11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在所述覆盖基底的背面形成背面凹坑的工艺为背面套刻加湿法刻蚀，或者背面套刻加干法刻蚀。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，去除所述刻蚀停止层的方法为湿法刻蚀法或者干法刻蚀法。

13.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，将所述覆盖基底与所述器件基底正面对接并固定的工艺为粘贴法或者键合法。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述半导体器件包括压力传感器、温阻传感器、生物传感器、加速度传感器或者谐振器。

15.一种采用上述权利要求1至14中任一项所述的方法制造的带有部分密封壳体的半导体器件。