CN109748235B - 一种半导体器件及其密封腔体制造工艺和图案转移版 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体器件及其密封腔体制造工艺和图案转移版，所述半导体器件的密封腔体制造工艺包括第一晶片、第二晶片和密封层，所述第一晶片和所述第二晶片通过所述密封层作为中间层进行键合，所述第一晶片包括第一空腔和第二空腔，从而在两晶片键合完成后相应地形成了第一密封腔和第二密封腔；在所述两晶片键合前，所述密封层环绕所述第二空腔的部分区域具有开口，在所述两晶片键合过程中，所述开口减小直至闭合。本发明的制造工艺极大简化了现有工艺流程，无需额外材料，节省了材料成本。

Description

一种半导体器件及其密封腔体制造工艺和图案转移版

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺领域，尤其涉及一种MEMS器件及其密封腔体制造工艺和图案转移版。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)器件由于其体积小、成本低、集成性好等特点，已得以越来越广泛的应用在如消费电子、医疗、汽车等产品中。常见的MEMS器件包括但不限于压力传感器，磁传感器，麦克风，加速度计，陀螺仪，红外传感器等。实际产品中，时常需要将应用领域接近的器件加工在相同晶圆上，从而节省成本，缩小体积。

MEMS器件中，如陀螺仪和加速度计同为惯性器件，经常需要集成在同一个芯片中甚至同一片晶圆上协同工作。不同种类的MEMS器件由于各种空气阻尼或热对流损耗等需求，常需要工作在不同气压环境下。如电容式陀螺仪等谐振类器件需要尽可能的减少工作环境中的气体阻尼，降低能量损耗；又如加速度计需要工作在特定范围的气压环境中，工作环境气压过高会导致响应时间延迟，气压过低，缺少空气阻尼又可能影响可靠性。

业界常用的在晶圆上加工特定气压腔体的方式为，在设备营造的特定气压环境中，将预先加工有凹槽的至少两片晶圆键合在一起，形成具备特定气压的密封腔体。采用传统方法加工的具备特定气压密封腔体的晶圆中，所有密封腔体气压一致，无法同时支持陀螺仪和加速度计工作在适合状态，因此需要一种能够在同一片晶圆上加工出不同气压密封腔体的方法。

针对这个问题，业内也有了一些解决方案：

美国专利申请US20170297909A1中的技术方案为，在第一气压环境键合完成后，在其中一个腔体底部通过TSV(Through Silicon Via，硅通孔)加工气流路径，808，如图1所示，然后再在第二气压环境中使用特殊材料加工工艺重新将气流路径密封。

美国专利申请US20170362078A1的技术方案为，键合前先在其中一个腔体内沉积并图形化一种受热后可膨胀材料54，如图2所示，然后再于第一气压环境键合，最后再加热使可膨胀材料54膨胀缩小腔体体积，从而提高气压形成第二气压环境。

美国专利US8546928B2的技术方案为，键合前先在其中一个腔体沉积并图形化一种受热后可吸收气体的材料8，如图3所示，然后再于第一气压环境键合，最后再加热使材料8吸收气体，从而降低气压形成第二气压环境。

以上三种方案都需要额外的薄膜沉积、光刻、刻蚀/腐蚀工艺，以在晶圆上形成TSV、可膨胀材料或可吸收气体的材料，增加了工艺难度和材料成本。

发明内容

鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种半导体器件的密封腔体制造工艺，包括第一晶片、第二晶片和密封层，所述第一晶片和所述第二晶片通过所述密封层作为中间层进行键合，所述第一晶片包括第一空腔和第二空腔，从而在两晶片键合完成后相应地形成了第一密封腔和第二密封腔；在所述两晶片键合前，所述密封层环绕所述第二空腔的部分区域具有开口，在所述两晶片键合过程中，所述开口减小直至闭合。

进一步地，所述两晶片键合包括第一阶段和第二阶段，所述第一阶段实施于第一气压环境，所述第二阶段实施于第二气压环境，在所述第一阶段完成后形成所述第一密封腔且所述开口未闭合，在所述第二阶段完成后所述开口闭合，从而形成所述第二密封腔。

进一步地，所述第一气压环境和所述第二气压环境所使用的工艺气体不同。

进一步地，所述第二晶片包括第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽与所述第一空腔配合以形成所述第一密封腔，所述第二沟槽与所述第二空腔配合以形成所述第二密封腔。

进一步地，所述开口的减小是通过所述密封层在键合过程中的熔融或软化状态，配合施加外力实现的。

进一步地，所述密封层的材料包括玻璃浆料、Al、Pt、Au或Ni。

进一步地，所述第二晶片包括MEMS元件，所述MEMS元件被密封在所述第一密封腔和/或所述第二密封腔中。

进一步地，所述密封层在所述开口处的线条宽度沿所述开口的闭合方向依次减小。

进一步地，所述开口的宽度范围是0.5um～5um。

进一步地，所述第一晶片或所述第二晶片是由已键合的两晶片组成的复合结构。

本发明还提供了一种半导体器件的密封腔体制造工艺，包括第一晶片、第二晶片和密封层，所述第一晶片和所述第二晶片通过所述密封层作为中间层进行键合，所述第一晶片包括第1空腔、第2空腔……第n空腔，从而在两晶片键合完成后相应地形成了第1密封腔、第2密封腔……第n密封腔，n是大于2的自然数；在所述两晶片键合前，所述密封层环绕所述第2密封腔、所述第3密封腔……所述第n密封腔的部分区域分别具有第1开口、第2开口……第n-1开口，所述第1开口、所述第2开口……所述第n-1开口的宽度依次增加，在所述两晶片键合过程中，所述第1开口、所述第2开口……所述第n-1开口减小直至闭合。

进一步地，所述两晶片键合包括第1阶段、第2阶段……第n阶段，所述第1阶段实施于第1气压环境，所述第2阶段实施于第2气压环境……所述第n阶段实施于第n气压环境；在所述第1阶段完成后形成所述第1密封腔且所述第1开口、第2开口……第n-1开口未闭合，在所述第2阶段完成后所述第1开口闭合形成所述第2密封腔且所述第2开口、所述第3开口……所述第n-1开口未闭合，在所述第3阶段完成后所述第2开口闭合形成所述第3密封腔且所述第3开口、所述第4开口……所述第n-1开口未闭合，依次类推，直至在所述第n阶段完成后所述第n-1开口闭合形成所述第n密封腔。

进一步地，各气压环境所使用的工艺气体不全相同。

进一步地，所述第二晶片包括第1沟槽、第2沟槽……第n沟槽，所述第1沟槽与所述第1空腔配合以形成所述第1密封腔，所述第2沟槽与所述第2空腔配合以形成所述第2密封腔……所述第n沟槽与所述第n空腔配合以形成所述第n密封腔。

进一步地，所述第1开口、所述第2开口……所述第n-1开口的减小是通过所述密封层在键合过程中的熔融或软化状态，配合施加外力实现的。

进一步地，所述密封层的材料包括玻璃浆料、Al、Pt、Au或Ni。

进一步地，所述第二晶片包括MEMS元件，所述MEMS元件被密封在所述第1密封腔和/或所述第2密封腔……和/或所述第n密封腔中。

进一步地，所述密封层在各开口处的线条宽度沿相应开口的闭合方向依次减小。

进一步地，各开口的宽度范围是0.5um～5um。

进一步地，所述第一晶片或所述第二晶片是由已键合的两晶片组成的复合结构。

本发明还提供一种半导体器件，其采用上述的密封腔体制造工艺。

本发明还提供了一种图案转移版，用于晶片键合工艺中密封层的图案化，晶片通过所述密封层作为中间层进行键合，所述图案转移版包括开环图案，所述开环图案用于限定晶片键合后所形成的至少一个密封腔。

技术效果：

本发明的半导体器件及其密封腔体制造工艺，只需采用传统单一气压腔体的键合工艺，通过改变键合工艺中密封层的图案，在现有闭环图案上设置开口，从而在键合过程中，可以在不同阶段有选择性地封闭开口，从而在可以在同一晶圆上形成多个具有不同气压的密封腔体。相比于现有技术，极大简化了工艺流程，无需额外材料，节省了材料成本。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是一种现有的半导体密封腔结构示意图；

图2是另一种现有的半导体密封腔结构示意图；

图3是又一种现有的半导体密封腔结构示意图；

图4是本发明的一个实施例中晶片100的俯视图；

图5是本发明的一个实施例中晶片200的俯视图；

图6是本发明的一个实施例中晶片100和晶片200键合后，沿图5中A-A向的剖面示意图；

图7是本发明的一个实施例中晶片100和晶片200键合后，沿图5中B-B向的剖面示意图；

图8是本发明的一个实施例中晶片200的俯视图，其中晶片200上设置有沟槽201和202；

图9是本发明的一个实施例中晶片100和晶片200键合后，沿图8中C-C向的剖面示意图；

图10是本发明的一个实施例中开口301处密封层300的图案。

具体实施方式

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。

本实施例以在同一晶圆片上设置两种不同气压的密封腔为例，对本发明的技术方案做详细说明。

如图4至图7所示，本实施例中的结构包括晶片100、晶片200和密封层300，晶片100和晶片200通过密封层300作为中间层进行键合。晶片100包括空腔101和空腔102，从而在晶片100和晶片200键合完成后相应地形成密封腔401和密封腔402。

密封层300环绕空腔101的部分是一个闭环图案，而环绕空腔102的部分是一个开环图案，其中设置有一个开口301，开口301的宽度范围是0.5um～5um。

将晶片100和晶片200层叠进行键合，该键合工艺包括两个阶段，第一阶段在第一气压环境下按常规工艺进行键合，在第一气压环境下形成密封腔401，密封腔401中的气压由第一气压环境所限定，从而形成满足预期气压要求的密封腔401。

在第一气压环境下的键合工艺完成后，由于开口301的存在，密封腔402并未完全形成，其仍与外界连通。其后，进行键合工艺的第二阶段，第二阶段在第二气压环境下按常规工艺进行键合，在该键合过程中，密封层300的材料在工艺温度下处于熔融或软化状态，同时配合对于晶片100和晶片200的挤压，则密封层300的材料各向同性地流动，使得开口301逐渐减小直至闭合，从而在第二气压环境下形成密封腔402，密封腔402中的气压由第二气压环境所限定，从而形成满足预期气压要求的密封腔402。

在本实施例中，密封腔401和密封腔402中的气压不同，第一气压环境和第二气压环境可以使用相同的工艺气体，也可以使用不同的工艺气体。

在本实施例的结构中，晶片200上已制备有MEMS元件，在完成晶片100和晶片200键合后，MEMS元件被密封在密封腔401和/或密封腔402中。

在此进一步说明晶片200的结构，在另一个实施例中，晶片200可以是由已键合的晶片210和晶片220组成的复合结构，其中晶片210上制备有MEMS元件，晶片220上制备有IC电路。晶片200上，本实施例中，具体地是在晶片220上，设置有沟槽201和沟槽202，沟槽201与空腔101配合以形成密封腔401，沟槽202与空腔102配合以形成密封腔402，如图8和图9所示。对于沟槽201与空腔101，以及沟槽202与空腔102的连通，可依据现有技术中的诸多方式，非本发明的重点，在此不再赘述。

密封层300的材料可以采用玻璃浆料，或是适用于金属共晶键合的材料，如包括Al、Pt、Au或Ni等金属的合金材料。对于密封层300的形成可以采用光刻/刻蚀工艺，或是采用丝网印刷工艺，来将密封层300形成于晶片100或晶片200上。本实施例中采用玻璃浆料形成密封层300于晶片200上。

在某些情况下，开口301在键合过程中容易出现靠近线条两侧边缘的部分先闭合，这样会导致闭合线条中间会残留空隙，容易形成气泡，从而影响键合工艺质量。为此针对密封层300的图案进行优化，将其在开口301处的线条宽度沿开口301的闭合方向依次减小，图10示出了两种开口301处的图案选择，但不限于以上的情形。

在另一个实施例中，晶片200上可以设置有多个类似空腔101的结构，即在晶片200在和晶片100键合后，会相应地形成多个类似密封腔401的腔体，它们中具有相同的气压，或者说是有相同的气压要求。同样地，晶片200上也可以设置有多个类似空腔102的结构，即在晶片200在和晶片100键合后，会相应地形成多个类似密封腔402的腔体，它们中具有相同的气压，或者说是有相同的气压要求。

上述实施例是以在同一晶圆片上设置两种不同气压的密封腔为例，基于本发明的设计原理，可以将其应用于在同一晶圆片上设置多种(多于两种)不同气压的密封腔体的工艺需求中。在一个需要形成n种不同气压密封腔的需求中，晶片100包括第1空腔、第2空腔……第n空腔，在晶片100和晶片200键合完成后相应地形成第1密封腔、第2密封腔……第n密封腔，n是大于2的自然数。

密封层300环绕第1空腔101的部分是一个闭环图案，而分别环绕第2空腔至第n空腔的部分均是一个开环图案，其中每个开环图案中设置有一个开口，分别记为第1开口、第2开口……第n-1开口，并且第1开口、第2开口……第n-1开口的宽度依次增加，各开口的宽度范围是0.5um～5um。

将晶片100和晶片200层叠进行键合，该键合工艺包括n个阶段，第1阶段在第1气压环境下按常规工艺进行键合，在第1气压环境下形成第1密封腔，第1密封腔中的气压由第1气压环境所限定，从而形成满足预期气压要求的第1密封腔。

在第1气压环境下的键合工艺完成后，由于各开口的存在，其余密封腔并未完全形成，仍与外界连通。其后，进行键合工艺的第2阶段，第2阶段在第2气压环境下按常规工艺进行键合，在该键合过程中，密封层300的材料在工艺温度下处于熔融或软化状态，同时配合对于晶片100和晶片200的挤压，则密封层300的材料各向同性地流动，使得各开口逐渐减小直至第1开口闭合，第2开口至第n-1开口未闭合，从而在第2气压环境下形成第2密封腔，第2密封腔中的气压由第2气压环境所限定，从而形成满足预期气压要求的第2密封腔。

再进行键合工艺的第3阶段，第3阶段在第3气压环境下按常规工艺进行键合，在该键合过程中，密封层300的材料在工艺温度下处于熔融或软化状态，同时配合对于晶片100和晶片200的挤压，则密封层300的材料各向同性地流动，使得剩余开口逐渐减小直至第2开口闭合，第3开口至第n-1开口未闭合，从而在第3气压环境下形成第3密封腔，第3密封腔中的气压由第3气压环境所限定，从而形成满足预期气压要求的第3密封腔。

依次类推，进行剩余阶段的的键合工艺，最终形成第n密封腔。此时第1密封腔至第n密封腔内的气压均由其所对应的气压环境所限定。

在本实施例中，各密封腔气压不同，各气压环境可以使用相同的工艺气体，也可以使用不完全同的工艺气体。

在另一个实施例中，晶片200上可以设置有多个类似第1空腔的结构，即在晶片200在和晶片100键合后，会相应地形成多个类似第1密封腔的腔体，它们中具有相同的气压，或者说是有相同的气压要求。同样地，晶片200上也可以设置有多个类似第2空腔的结构，即在晶片200在和晶片100键合后，会相应地形成多个类似第2密封腔的腔体，它们中具有相同的气压，或者说是有相同的气压要求。依次类推，晶片200上可以设置有多个类似第n空腔的结构，即在晶片200在和晶片100键合后，会相应地形成多个类似第n密封腔的腔体，它们中具有相同的气压，或者说是有相同的气压要求。

如前所述，密封层300的材料可以采用玻璃浆料，或是适用于金属共晶键合的材料，如包括Al、Pt、Au或Ni等金属的合金材料。对于密封层300的形成可以采用光刻/刻蚀工艺，或是采用丝网印刷工艺，从而密封层300的图案转移可使用光刻版或是丝网印版，其在光刻版或是丝网印版上的图案至少包括一个开环图案，每个开环图案对应一个密封腔，从而可适用于上述实施例中的制造工艺。

本发明的实施例相比于现有技术，首先在于图形化密封层的时候，在现有密封层采用的环形图案中留下缺口，使键合后原本密封的腔体仍能通过缺口与外部气压环境联通。关键点之二在于，将键合步骤分几步进行，每一步过后完成相应的密封腔体，最终可在同一晶圆片上获得多种不同气压的密封腔。相比于现有技术，极大简化了工艺流程，无需额外材料，节省了材料成本。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种半导体器件的密封腔体制造工艺，其特征在于，包括第一晶片、第二晶片和密封层，所述第一晶片和所述第二晶片通过所述密封层作为中间层进行键合，所述第一晶片包括第一空腔和第二空腔，从而在两晶片键合完成后相应地形成了第一密封腔和第二密封腔；所述密封层采用单一材料；在所述两晶片键合前，所述密封层被设置在所述第一晶片或所述第二晶片上，所述密封层环绕所述第二空腔的部分区域具有开口，在所述两晶片键合过程中，所述开口减小直至闭合；所述开口的减小是通过所述密封层在键合过程中的熔融或软化状态，配合施加外力实现的；所述密封层在所述开口处的线条宽度沿所述开口的闭合方向依次减小；所述密封层采用光刻/刻蚀工艺或丝网印刷工艺形成。

2.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，所述两晶片键合包括第一阶段和第二阶段，所述第一阶段实施于第一气压环境，所述第二阶段实施于第二气压环境，在所述第一阶段完成后形成所述第一密封腔且所述开口未闭合，在所述第二阶段完成后所述开口闭合，从而形成所述第二密封腔。

3.如权利要求2所述的制造工艺，其特征在于，所述第一气压环境和所述第二气压环境所使用的工艺气体不同。

4.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，所述第二晶片包括第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽与所述第一空腔配合以形成所述第一密封腔，所述第二沟槽与所述第二空腔配合以形成所述第二密封腔。

5.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，所述密封层的材料包括玻璃浆料、Al、Pt、Au或Ni。

6.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，所述第二晶片包括MEMS元件，所述MEMS元件被密封在所述第一密封腔和/或所述第二密封腔中。

7.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，所述开口的宽度范围是0.5um~5um。

8.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，所述第一晶片或所述第二晶片是由已键合的两晶片组成的复合结构。

9.一种半导体器件的密封腔体制造工艺，其特征在于，包括第一晶片、第二晶片和密封层，所述第一晶片和所述第二晶片通过所述密封层作为中间层进行键合，所述第一晶片包括第1空腔、第2空腔、第3空腔……第n空腔，从而在两晶片键合完成后相应地形成了第1密封腔、第2密封腔、第3密封腔……第n密封腔，n是大于2的自然数；所述密封层采用单一材料；在所述两晶片键合前，所述密封层被设置在所述第一晶片或所述第二晶片上，所述密封层环绕所述第2密封腔、所述第3密封腔……所述第n密封腔的部分区域分别具有第1开口、第2开口……第n-1开口，所述第1开口、所述第2开口……所述第n-1开口的宽度依次增加，在所述两晶片键合过程中，所述第1开口、所述第2开口……所述第n-1开口减小直至闭合；所述第1开口、所述第2开口……所述第n-1开口的减小是通过所述密封层在键合过程中的熔融或软化状态，配合施加外力实现的；所述密封层在各开口处的线条宽度沿相应开口的闭合方向依次减小；所述密封层采用光刻/刻蚀工艺或丝网印刷工艺形成。

10.一种半导体器件，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的密封腔体制造工艺。

11.一种图案转移版，用于晶片键合工艺中密封层的图案化，晶片通过所述密封层作为中间层进行键合，其特征在于，包括开环图案，所述开环图案用于限定晶片键合后所形成的至少一个密封腔，所述开环图案的开口处的线条宽度沿所述开口的闭合方向依次减小。

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