TWI511190B - 製造及封裝微電機系統之晶圓級結構及方法 - Google Patents

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Description

製造及封裝微電機系統之晶圓級結構及方法
本發明大體上係關於微電機系統(MEMS)，且更特定言之，係關於用於製造及封裝MEMS致動器及/或感測器之晶圓級方法及結構。
本申請案根據35 U.S.C. 119(e)規定主張2010年12月3日申請之題為「Wafer Level Methods and Structures for Fabricating and Packaging MEMS」之美國臨時專利申請案第61/419,670號的優先權之權利，該申請案以全文引用之方式併入本文中。
MEMS已經開發用於許多應用，包括感測器(諸如，加速度計、迴轉儀、壓力感測器及磁性感測器)、致動器(諸如，原子力顯微鏡(AFM)探針頭、微鏡、能量收集器、諧振器、馬達)及被動可程式化組件(諸如，可變電容器、電感器、電阻器及RF開關或諧振器)。通常，MEMS電耦合至積體電路(IC)(諸如，互補金屬氧化物半導體(CMOS)IC)以驅動致動器，或讀出且放大來自感測器之信號。製造組合式或混合CMOS/MEMS之習知方法已集中於在矽晶圓或基板之共用表面上鄰近於MEMS整體地形成CMOS IC，或在單獨基板上形成CMOS IC及MEMS且在形成於CMOS IC基板中之空腔上接合MEMS基板，隨後部分移除MEMS基板以露出CMOS IC上之焊墊。儘管兩種方法皆可提供混合CMOS/MEMS，但兩者都不完全令人滿意。
詳言之，在共用矽基板上整體地形成CMOS IC及MEMS的問題在於MEMS之薄膜功能層傾向於具有與CMOS IC之熱性質不相容的熱性質(且結果需要昂貴的校準及補償技術)，或歸因於在處理期間所引起之損壞之CMOS的大良率損失。另外，由於MEMS在晶圓或基板級不被覆蓋且不受保護，因此在製造CMOS IC期間及/或在晶粒單體化期間存在損壞MEMS之實質風險。
在形成於CMOS IC基板中之空腔上接合MEMS基板的問題在於空腔浪費CMOS矽面積且共同用於形成空腔之濕式蝕刻或深反應性離子蝕刻(DRIE)可能損壞CMOS電路(例如，靜電損壞、過熱損壞)，從而降低良率。此外，MEMS基板及CMOS IC基板係使用需要昂貴設備、難以控制且通常導致跨越晶圓之不完整晶粒接合形成(包括中心或邊緣效應)之製程接合，從而降低接合良率。另外，此等接合製程通常與典型CMOS鑄造製程不相容，且露出CMOS IC上之焊墊需要過量矽之鋸切或機械移除，因此降低良率。
因此，存在對MEMS及CMOS IC之晶圓級整合之需要，其與MEMS及CMOS鑄造製程皆相容，不需要昂貴或外來的處理設備或技術，且將具有電連接之晶圓級氣密密封封裝提供至密封封裝外部，且可在晶粒級單體化，而不降低良率。
提供在以晶圓級形成之氣密密封空腔中製造及封裝微電機系統(MEMS)之方法。通常，該方法包含：(i)在第一基板之表面中形成數個第一開放空腔，且在第二基板之表面中形成對應於該等第一開放空腔之數個第二開放空腔；(ii)形成包括其中具有導電區之數個MEMS裝置之致動器/感測器層；(iii)將第一基板及第二基板接合至該致動器/感測器層以使得數個第一開放空腔及數個第二開放空腔中之至少一者與數個MEMS裝置中之至少一者對準以圍繞MEMS形成密封空腔；及(iv)將MEMS裝置之導電區經由電互連件電連接至密封空腔外部之焊墊。在一實施例中，電互連件包括自致動器/感測器層與第一基板或第二基板之間的氣密密封空腔延伸之與MEMS裝置之導電區接觸的橫向接觸結構，且將MEMS裝置之導電區電連接至密封空腔外部之焊墊係藉由露出該橫向接觸結構之一部分而完成。在另一實施例中，將MEMS裝置之導電區電連接至焊墊係藉由形成穿過第一基板或第二基板至MEMS裝置之導電區之矽通孔而完成。亦提供其他實施例。
本發明之此等及各種其他特徵及優點在結合附圖閱讀以下詳細描述及以下所提供之隨附申請專利範圍時將顯而易見。
本發明係針對用於在以晶圓或基板級形成之氣密密封空腔中製造及封裝微電機系統(MEMS)之方法及結構。
現將參看圖1A至圖1H之方塊圖及圖2之流程圖來描述根據一實施例之製造及封裝MEMS或致動器及感測器平台(諸如，Taheri致動器及感測器平台(TASPTM ))之方法。
參看圖1A及圖2，該方法以圖案化及蝕刻第一基板102 以形成頂蓋(TCAP)開始(步驟200 )。視需要，如圖1A中所示，此步驟可進一步包括在其上沈積諸如氧化物之接合材料104 以促進隨後熔化或共晶接合。大體而言，基板102 包括數個對準標記或特徵106 ，且使用諸如KOH之各向同性蝕刻或諸如反應性離子蝕刻(RIE)或深反應性離子蝕刻(DRIE)之各向異性蝕刻及標準光微影技術而被圖案化或蝕刻。
參看圖1B及圖2，致動器/感測器層110 接合至頂蓋102 (步驟202 )。接合可取決於第一基板102 之材料、接合材料104 、致動器/感測器層110 之材料及製造MEMS之應用或功能而使用熔化接合(在氧化物或矽至氧化物接合之狀況下)、共晶接合、陽極接合或玻璃粉接合來完成。舉例而言，第一基板102 可包括半導體基板，諸如，摻雜或無摻雜矽或玻璃，且致動器/感測器層110 可包括矽或玻璃之薄基板或層，且另外可包括接合材料、絕緣或介電材料、金屬或導電層、反射或機械張力層(諸如，氮化矽(Six Ny )或氮化鈦(TiN))之一或多個層。在所製造之MEMS為光學感測器或致動器(微鏡)的情況下，第一基板102 可包含玻璃基板或晶圓。
在一實施例中，第一基板102 使用熔化接合而接合至致動器/感測器層110 ，且沈積於基板上之接合材料104 可取決於致動器/感測器層之材料而包括二氧化矽(SiO2 )、矽(Si)或氮化矽(Six Ny )中之一或多者之薄層以形成SiO2 至SiO2 、SiO2 至Si或Six Ny 至Six Ny ，或SiO2 至Si熔化接合物。視需要，如在所示之實施例中，致動器/感測器層110 亦可包括形成於面向TCAP之表面上之熔化接合材料111 之一或多個層。在第一基板102 使用共晶聚合物接合(例如，SU-8)或陽極接合而接合至致動器/感測器層110 之情況下，沈積於基板及/或致動器/感測器層上之接合材料可包括鋁(Al)，銅(Cu)，金(Au)、鍺(Ge)、鎢(W)、矽(Si)，或其混合物或合金。
參看圖1C及圖2，致動器/感測器層110 經薄化，且經圖案化遮罩層112 形成於其上(步驟204 )。視需要，如在所示之實施例中，在形成遮罩層112 之前，熔化接合材料113 之一或多個層可形成於致動器/感測器層110 之將面向BCAP之表面上。致動器/感測器層110 可例如藉由研光、研磨或化學機械平坦化/拋光(CMP)加以薄化。遮罩層112 可由光阻材料、氧化物、氮化物或任何其他互補金屬氧化物半導體積體電路(CMOS)相容遮罩材料形成，且使用標準光微影、沈積及蝕刻技術加以圖案化。參看圖1D，數個通孔開口或孔114 取決於TCAP及接合材料而使用RIE或DRIE或其他蝕刻技術而經蝕刻穿過致動器/感測器層110 且進入或實質上穿過第一基板102 或TCAP(步驟206 )。接下來，移除遮罩層112 (步驟208 )，如圖1E中所示。
參看圖1F及圖2，通孔114 填充有諸如導電膏、多晶矽或諸如銅或鎢之金屬之導電材料(步驟210 )以形成自致動器/感測器層110 延伸且進入或實質上穿過第一基板102 或TCAP之數個矽通孔118 。金屬可(例如)藉由蒸鍍或化學氣相沈積(CVD)製程加以沈積。視需要或較佳地，諸如鎢(W)、Ti或TiN之障壁金屬之薄層於通孔中之沈積領先於通孔114 之填充。接下來，致動器/感測器層110 經圖案化、薄化或微加工以在功能致動器/感測器層中形成數個MEMS致動器或感測器(步驟212 )。舉例而言，致動器/感測器層110 可使用RIE或DRIE加以蝕刻以形成感測器(諸如，加速度計、迴轉儀、壓力感測器及磁性感測器)、致動器(諸如，原子力顯微鏡(AFM)探針頭、微鏡、能量收集器、諧振器、馬達)及被動可程式化組件(諸如，可變電容器、電感器、電阻器及RF開關或諧振器)。視需要，致動器/感測器層110 之圖案化可包括諸如反射層之一或多個層於實質上所有致動器/感測器層或磁性/鐵磁性層之一部分上之形成或沈積以用於致動及感測。
參看圖1G及圖2，第二基板120 經圖案化，且諸如氧化物之接合材料122 沈積於其上以形成底蓋(BCAP)(步驟214 )。大體而言，第二基板120 係使用各向同性蝕刻(例如，KOH)或諸如RIE或DRIE之各向異性蝕刻技術及標準光微影技術而經圖案化或蝕刻以形成與形成於致動器/感測器層110 中之數個MEMS致動器或感測器對準或對應於該等MEMS致動器或感測器之數個開放空腔124 ，且視需要形成對應於數個矽通孔118 之數個較小開口126 或凹口。
參看圖1H及圖2，致動器/感測器層110 接合至第二基板120 或BCAP以圍繞致動器/感測器層中之數個MEMS致動器或感測器中之每一者以晶圓或基板級形成氣密密封空腔128 (步驟216 )。如上關於接合第一基板102 及致動器/感測器層110 所描述，接合可取決於第二基板120 及致動器/感測器層之材料且取決於製造MEMS之應用或功能而使用熔化接合、共晶接合、陽極接合、聚合物接合或玻璃粉接合來完成。因此，在第二基板120 使用熔化接合而接合至致動器/感測器層110 的情況下，所沈積之接合材料122 可取決於致動器/感測器層之材料而包括SiO2 、Si或Six Ny 中之一或多者之薄層以形成SiO2 至SiO2 、SiO2 至Si或Six Ny 至Six Ny ，或SiO2 至Si熔化接合物。在第二基板120 使用共晶或陽極接合、聚合物接合而接合至致動器/感測器層110 之情況下，沈積於第二基板及/或致動器/感測器層上之接合材料可包括鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鍺(Ge)、鎢(W)、矽(Si)，或其混合物或合金。在此步驟之結構化形式將為氣密密封致動器層110 ，其具有將致動器層110 連接至用於線接合、晶片尺度封裝(CSP)或晶圓級CSP之電焊墊130 的氣密密封但導電的通孔。
接下來，使用研光、研磨或CMP來薄化TCAP(基板102 )以露出矽通孔118 中之導電材料(步驟218 )，且導電焊墊130 形成於且電耦合至TCAP頂面上之露出的導電材料上(步驟218 )。如同以上所述之層及導電材料，導電焊墊130 可藉由金屬或合金之蒸鍍或CVD而形成，隨後使用標準光微影技術加以圖案化。
儘管第一基板102 及第二基板120 在上文展示且描述為經圖案化以形成數個開放空腔，但應理解，第一基板102 及第二基板120 中一或兩者可替代地包含隨後接合至致動器/感測器層114 之實質上平坦表面。大體而言，若預期致動器運動之範圍將自約1微米至約99微米，則BCAP及/或TCAP中之空腔為理想的，然而，在預期運動範圍小於約99微米之某些應用中，不需要蝕刻出TCAP或BCAP空腔，而僅蝕刻沈積於其上之膜104 、122 。
圖3A及圖3B為具有根據上述方法之替代實施例形成之替代接觸結構的MEMS或TASPTM 之呈剖視側視圖形式的方塊圖。
參看圖3A，在第一實施例中，TASPTM 或MEMS300 包括使用接合材料306 接合至致動器/感測器層304 之頂蓋302 ，及使用接合材料310 亦接合至致動器/感測器層之底蓋308 以圍繞MEMS致動器或感測器以晶圓或基板級形成氣密密封空腔312 。MEMS300 進一步包括矽通孔314 。在所示之實施例中，矽通孔314 不完全延伸穿過致動器/感測器層304 ，而終止於致動器/感測器層上或其中，從而產生自球至致動器層之電接觸。此可藉由自頂蓋302 之頂面316 至接合至頂蓋302 之致動器/感測器層304 或部分地至致動器/感測器層304 中蝕刻矽通孔314 而完成。應理解，MEMS目前為止可藉由類似於圖2之區塊200 至218 中概述且於上文描述之方法的方法加以製造。MEMS300 之結構與圖1H之結構的不同之處進一步在於，矽通孔314 由焊球318 上覆且電耦合至焊球318 。此實施例特別適合於覆晶或倒轉安裝至共同引線框架，其中CMOS IC在多晶片模組(MCM)或封裝中，或直接安裝至CMOS IC上之焊墊或接點。另外，焊球318 可以晶圓級形成，因此賦能晶圓級晶片尺度封裝(WLCSP)。在下文更詳細地描述此等實施例。
參看圖3B，在第二實施例中，TASPTM 或MEMS300 包括使用接合材料306 接合至致動器/感測器層304 之頂蓋30 2，及使用接合材料310 亦接合至致動器/感測器層之底蓋308 以圍繞MEMS致動器或感測器以晶圓或基板級形成氣密密封空腔312 。MEMS300 進一步包括矽通孔314 ，但與圖1H之不同之處在於矽通孔314 自致動器/感測器層304 經由底蓋308 延伸且電耦合至形成於底蓋之下表面上之焊墊320 。
現將參看圖4A至圖4J之方塊圖及圖5之流程圖描述根據替代實施例之製造且封裝TASPTM 或MEMS之另一方法。
參看圖4A及圖5，該方法以在第一基板402 上或在絕緣或介電材料403 (諸如，二氧化矽或氮化矽)上直接沈積形成於其上之一或多個交錯介電層或氧化物/絕緣體層404a 、404b 及金屬層406a 、406b 開始，該等金屬層藉由一或多個層間通孔408 電耦合，且具有自最上金屬層406a 延伸穿過厚的頂部氧化物層404a 之第二通孔410 (步驟500 )。大體而言，基板402 包括數個對準標記或特徵411 ，且氧化物層404a 、404b 、金屬層406a 、406b 及通孔408 、410 可使用沈積、標準光微影技術及諸如以上所述之RIE或DRIE製程之各向異性蝕刻或各向同性蝕刻而沈積或形成。適當導體層406a 、406b 可包括鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鍺(Ge)、鎢(W)、摻雜矽(Si)，或其混合物或合金，且具有自約5微米至約60微米之個別厚度。適當介電層404a 、404b 可包括Si、SiO2 及Six Ny 。
接下來，使用乾式或濕式蝕刻及標準光微影技術來圖案化或蝕刻厚的最上介電層或氧化物層404a 以蝕刻出數個開放空腔412 以形成頂蓋(TCAP)(步驟502 )。
參看圖4B及圖5，致動器/感測器層414 接合至頂蓋402 (步驟504 )。如上關於接合第一實施例所描述，致動器/感測器層414 可取決於第一基板402 及致動器/感測器層之材料且取決於製造TASPTM 或MEMS之應用或功能而使用熔化接合、共晶接合(例如，Au/Si或Ti/Au/Si/Au或矽化物接合或GaAs/Si)、陽極接合或玻璃粉接合接合至頂蓋402 。由於致動器/感測器層414 大體上經由厚的最上氧化物層404a 接合至頂蓋402 ，因此不必在接合之前在頂蓋上沈積或形成接合材料層。然而，接合材料(未圖示)之薄層可在接合之前沈積於致動器/感測器層414 及頂蓋402 中之任一者或兩者上以形成所要SiO2 至SiO2 、SiO2 至Si或Six Ny 至Six Ny ，或SiO2 至Si熔化接合物。在第一基板402 使用共晶或陽極接合而接合至致動器/感測器層414 之情況下，沈積於基板及/或致動器/感測器層上之接合材料可包括鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鍺(Ge)、鎢(W)、矽(Si)，或其混合物或合金。
參看圖4C及圖4D，致動器/感測器層414 經薄化，經圖案化遮罩層416 形成於其上，且數個通孔開口或孔418 經蝕刻而穿過致動器/感測器層，從而露出延伸穿過厚的頂部氧化物層404a 之第二通孔410 中之一或多者(步驟506 )。致動器/感測器層414 可例如藉由研光、研磨或CMP加以薄化。遮罩層416 可由光阻材料、氧化物或氮化物形成，且使用標準光微影技術加以圖案化。
參看圖4D及圖4E，遮罩層416 經移除，且通孔418 填充有諸如導電膏、多晶矽或金屬之導電材料(步驟508 )以形成自頂部金屬層406a 延伸穿過最上厚氧化物層404a 及致動器/感測器層414 之數個矽通孔420 。金屬可例如藉由研磨漿、蒸鍍或CVD製程沈積於通孔418 中。視需要或較佳地，諸如鎢(W)、Ti或TiN之障壁金屬之薄層於通孔中之表面上的沈積領先於通孔418 之填充，以增強金屬之黏著且防止金屬至周圍層中之擴散。
參看圖4F及圖5，致動器/感測器層414 經圖案化、薄化或微加工以在功能致動器/感測器層中形成數個MEMS致動器或感測器(步驟510 )。舉例而言，致動器/感測器層414 可使用RIE或DRIE加以蝕刻以形成感測器(諸如，加速度計、迴轉儀、壓力感測器及磁性感測器)、致動器(諸如，AFM探針頭、微鏡、能量收集器、諧振器、馬達)及被動可程式化組件(諸如，可變電容器、電感器、電阻器及RF開關或諧振器)。視需要，致動器/感測器層414 之圖案化可包括諸如反射層之一或多個層於實質上所有致動器/感測器層之一部分上之形成或沈積。
參看圖4G及圖5，第二基板422 經圖案化，且諸如氧化物之接合材料424 沈積於其上以形成底蓋(BCAP)(步驟512 )。大體而言，第二基板422 使用RIE或DRIE及標準光微影技術而經圖案化或蝕刻以形成與形成於致動器/感測器層414 中之數個MEMS致動器或感測器對準或對應於該等MEMS致動器或感測器之數個開放空腔426 及(視需要)對應於數個矽通孔420 之數個較小開口428 或凹口。
參看圖4H及圖5，致動器/感測器層414 接合至第二基板422 或BCAP(步驟514 )以圍繞致動器/感測器層中之數個MEMS致動器或感測器中之每一者以晶圓或基板級形成氣密密封空腔430 。如上所描述，接合可取決於第二基板422 及致動器/感測器層414 之材料且取決於製造TASPTM 或MEMS之應用或功能而使用熔化接合、共晶接合、聚合物接合、陽極接合或玻璃粉接合來完成。因此，在第二基板422 使用熔化接合而接合至致動器/感測器層41 4的情況下，所沈積之接合材料424 可取決於致動器/感測器層之材料而包括SiO2 、Si或Six Ny 中之一或多者之薄層以形成SiO2 至SiO2 、SiO2 至Si或Six Ny 至Six Ny ，或SiO2 至Si熔化接合物。在第二基板422 使用共晶聚合物接合(例如，SU-8)或陽極接合而接合至致動器/感測器層414 之情況下，沈積於基板及/或致動器/感測器層上之接合材料可包括鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鍺(Ge)、鎢(W)、矽(Si)，或其混合物或合金。
接下來，使用研光、研磨或CMP製程來薄化BCAP(基板422 )，且矽通孔432 穿過其而形成以電耦合至致動器/感測器層414 中之通孔(步驟516 )。視需要，導電焊墊或焊球(未圖示)可形成於且電耦合至BCAP頂面上之露出的導電材料上。如同以上所述之矽通孔，矽通孔432 可藉由使用標準光微影技術圖案化BCAP，隨後使用蒸鍍或CVD填充以金屬或合金而形成。又，應理解，氧化物/絕緣體層404a 、404b 及金屬層406a 、406b 之堆疊可在不脫離本發明之範疇的情況下在接合至致動器/感測器層414 之前形成於BCAP(基板422 )上(步驟516 )。圖4J中展示根據此替代實施例之成品MEMS之實例。
圖6A及圖6B為根據又一實施例之具有氣密密封橫向接觸結構之TASPTM 或MEMS裝置之呈剖視側視圖形式的方塊圖。參看圖6A，在此實施例中，MEMS600 包括使用接合材料606 接合至致動器/感測器層604 之頂蓋602 ，及使用接合材料610 亦接合至致動器/感測器層之底蓋608 以圍繞MEMS致動器或感測器以晶圓或基板級形成氣密密封空腔612 。MEMS600 之結構與以上所述之彼等結構的不同之處在於其進一步包括形成於致動器/感測器層604 與TCAP602 或BCAP608 之間的多層接觸結構614 ，且在形成於致動器/感測器層與TCAP或BCAP之間的接合物下方延伸。圖6B展示圖6A之多層接觸結構614 之細節。參看圖6B，多層接觸結構614 包含一或多個交錯介電層或氧化物層616a 、616b 及導電層或金屬層618a 、618b ，該等導電層或金屬層618a 、618b 經由致動器/感測器層604 之高摻雜區620 電耦合至致動器/感測器層604 中之MEMS致動器或感測器以形成金屬至矽歐姆接觸及/或一或多個通孔622 。
現將參看圖7A至圖7F之方塊圖及圖8之流程圖來描述根據替代實施例之製造且封裝TASPTM 或MEMS之又一方法。
參看圖7A及圖8，該方法以圖案化第一基板702 之表面以形成致動器/感測器層704 開始，致動器/感測器層704 包括其中具有在第一基板之表面上之導電區之數個MEMS裝置706 (步驟800 )。舉例而言，致動器/感測器層704 可使用RIE或DRIE加以蝕刻以形成感測器(諸如，加速度計、迴轉儀、壓力感測器及磁性感測器)、致動器(諸如，原子力顯微鏡(AFM)探針頭、微鏡、能量收集器、諧振器、馬達)及被動可程式化組件(諸如，可變電容器、電感器、電阻器及RF開關或諧振器)。視需要，致動器/感測器層704 之圖案化可包括諸如反射層之一或多個層於實質上所有致動器/感測器層或磁性/鐵磁性層之一部分上之形成或沈積以用於致動及感測。大體而言，基板702 包括數個對準標記或特徵708 ，且使用諸如KOH之各向同性蝕刻或諸如RIE或DRIE之各向異性蝕刻及標準光微影技術加以圖案化或蝕刻。接下來，第一基板702 之表面使用諸如KOH或各向異性蝕刻之高度選擇性蝕刻而經進一步圖案化或蝕刻以釋放MEMS裝置706 ，且在MEMS裝置下在第一基板之表面中形成第一開放空腔710 (步驟802 )。
參看圖7B及圖8，致動器/感測器層704 經薄化，且經圖案化遮罩層712 形成於其上(步驟804 )。視需要，如在所示之實施例中，在形成遮罩層712 之前，熔化接合材料714 之一或多個層可形成於致動器/感測器層704 之將面向第二基板或BCAP之表面上以促進至其之接合。致動器/感測器層704 可例如藉由研光、研磨或CMP加以薄化。遮罩層712 可由光阻材料、氧化物或氮化物形成，且使用標準光微影技術加以圖案化。參看圖7C，數個通孔開口或孔715 使用RIE或DRIE而經蝕刻穿過致動器/感測器層704 且進入或實質上穿過第一基板702 或TCAP(步驟806 )。接下來，遮罩層712 經移除，且氧化物內襯716 形成或沈積於通孔715 中(步驟808 )。
參看圖7D及圖8，通孔715 填充有諸如導電膏、多晶矽或諸如銅之金屬之導電材料(步驟810 )以形成自致動器/感測器層704 中之導電區延伸且進入或實質上穿過第一基板702 或TCAP之數個矽通孔718 。金屬可例如藉由蒸鍍或化學氣相沈積(CVD)製程加以沈積。視需要或較佳地，諸如鎢(W)、Ti或TiN之障壁金屬之薄層於通孔中之氧化物716 上的沈積領先於通孔715 之填充。
參看圖7E及圖8，第二基板720 經圖案化，且諸如氧化物之接合材料722 沈積於其上以形成底蓋(BCAP)(步驟814 )。大體而言，第二基板720 使用各向同性蝕刻(例如，KOH)或諸如RIE或DRIE之各向異性蝕刻技術及標準光微影技術加以圖案化或蝕刻以形成與形成於致動器/感測器層704 中之數個MEMS致動器或感測器對準或對應於該等MEMS致動器或感測器之數個第二開放空腔724 及(視需要)對應於數個矽通孔718 之數個較小開口726 或凹口。
參看圖7F及圖8，致動器/感測器層704 接合至第二基板720 或BCAP以圍繞致動器/感測器層中之數個MEMS裝置706 中之每一者以晶圓或基板級形成氣密密封空腔728 (步驟816 )。如同以上所述之實施例，接合可取決於第二基板720 及致動器/感測器層704 之材料且取決於製造MEMS裝置706 之應用或功能而使用熔化接合、共晶接合、陽極接合、聚合物接合或玻璃粉接合來完成。因此，在第二基板720 使用熔化接合而接合至致動器/感測器層704 的情況下，所沈積之接合材料722 可取決於致動器/感測器層之材料而包括SiO2 、Si或Six Ny 中之一或多者之薄層以形成SiO2 至SiO2 、SiO2 至Si或Six Ny 至Six Ny ，或SiO2 至Si熔化接合物。在第二基板720 使用共晶或陽極接合、聚合物接合而接合至致動器/感測器層704 之情況下，沈積於第二基板及/或致動器/感測器層上之接合材料可包括鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、鍺(Ge)、鎢(W)、矽(Si)，或其混合物或合金。
接下來，使用研光、研磨或CMP來薄化TCAP(基板702 )以露出矽通孔718 中之導電材料，且導電焊墊730 形成於且電耦合至TCAP頂面上之露出的導電材料上(步驟818 )。如同以上所述之層及導電材料，導電焊墊730 可藉由金屬或合金之蒸鍍或CVD而形成，隨後使用標準光微影技術加以圖案化。
儘管第一基板702 及第二基板720 在上文展示且描述為經圖案化以形成數個開放空腔，但應理解，第一基板702 及第二基板720 中一或兩者可替代地包含鄰近於致動器/感測器層704 之實質上平坦表面。大體而言，若預期致動器運動之範圍自約1微米至約99微米，則BCAP及/或TCAP中之空腔為理想的，然而，在預期運動範圍小於約99微米之某些應用中，不需要蝕刻出TCAP或BCAP空腔，而僅蝕刻沈積於其上之膜，諸如接合材料722 。
圖9A至圖9D為根據以上所描述方法之包括所製造/封裝CMOS IC及TASPTM 或MEMS裝置之多晶片模組(MCM)或封裝的替代實施例之呈剖視側視圖形式的方塊圖。
參看圖9A，在第一實施例中，MEMS902 與四邊扁平無引腳(QFN)封裝中之CMOS IC904 並排安裝。MEMS902 藉由線接合906 而自在一致動器/感測器層909 及BCAP911 上之TCAP907 中之矽通孔電耦合或附著至QFN封裝中之CMOS IC904 及引線框架或底板908 。應注意，此實施例有利地將經封裝MEMS及CMOS IC之總高度減小至小於約0.85mm。
參看圖9B，在第二實施例中，MEMS902 與QFN封裝中之CMOS IC904 雙晶粒堆疊。MEMS902 藉由線接合906 自TCAP907 中之矽通孔電耦合或附著至QFN封裝中之CMOS IC904 及底板908 。
參看圖9C，在第三實施例中，MEMS902 藉由WLCSP(晶圓級晶片尺度封裝)焊球910 直接電耦合且附著至CMOS IC904 ，CMOS IC904 藉由線接合906 電耦合且附著至QFN封裝中之底板908 。
參看圖9D，在第四實施例中，MEMS902 藉由WLCSP焊球910 與QFN封裝中之CMOS IC904 並排安裝至底板908 。 再次，應注意，此實施例有利地將經封裝MEMS及CMOS IC之總高度減小至小於約0.85mm。
圖10A至圖10C為根據本發明之包括形成於底蓋(BCAP1001 )中之CMOS IC之MEMS的實施例之呈剖視側視圖形式的方塊圖。
參看圖10A，在第一實施例中，CMOS IC1002 在製造MEMS之前或之後在共用矽或CMOS基板之表面上鄰近於MEMS1004 整體地形成。舉例而言，在此實施例之一版本中，在MEMS1004 已根據以上所描述方法中之一者以WLCSP完全形成且封裝於形成有MEMS之TCAP1003 或BCAP1001 之基板上之後，形成CMOS IC1002 。MEMS1004 藉由線接合1006 自TCAP中之矽通孔電耦合或附著至(例如)QFN封裝中之CMOS IC1002 及引線框架或底板1008 。
在圖10B中所示之另一實施例中，MEMS1004 藉由自致動器/感測器層1016 與第二基板或BCAP之間的氣密密封空腔延伸之橫向接觸結構1010 電耦合或附著至CMOS IC1002 。如上參看圖6B所描述，橫向接觸結構1010 包含一或多個交錯之介電層及導電層及/或通孔，其經由致動器/感測器層之高摻雜區電耦合至致動器/感測器層中之MEMS裝置以形成金屬至矽歐姆接觸。
在圖10C中所示之又一實施例中，MEMS1004 藉由自致動器/感測器層之高摻雜區延伸穿過BCAP之矽通孔1012 及/或藉由自TCAP中之CMOS IC1002 延伸至致動器/感測器層之高摻雜區之額外矽通孔1012a 而電耦合或附著至形成於 BCAP1001 (或TCAP1003 )中之CMOS IC1002 。如上參看圖9D所描述，CMOS IC 1002及MEMS 1004藉由WLCSP焊球1014 而電耦合或附著至引線框架或底板1008 。
參看圖10D，在另一實施例中，BCAP包含根據以上所描述方法中之一者接合至TCAP以形成WLCSP之CMOS晶圓1005 或基板，且MEMS1004 之致動器/感測器層1016 藉由自形成於BCAP中或其上之CMOS互連件1018 延伸之矽通孔1012 而電耦合或附著至致動器/感測器層中之導電區。CMOS互連件1018 可包括數個導電元件、絕緣元件及主動CMOS電路元件以自致動器/感測器層1016 驅動及/或接收信號。此等元件可包括形成於CMOS互連件1018 上之驅動及/或感測電極1020 。MEMS1004 可進一步包括將CMOS互連件1018 電耦合至TCAP中之主動或被動電路元件1024 之通孔1022 。最後，致動器/感測器層1016 藉由形成於BCAP中且藉由WLCSP焊球1014 自BCAP延伸至引線框架或底板1008 之額外矽通孔1026 而經由CMOS IC互連件1018 進一步電耦合。此外，致動器層1016 具有避碰凸出部1017 (展示為下部兔耳)以防止靜摩擦且限制致動器層行進範圍。
在圖10E中所示之另一實施例中，MEMS1004 之致動器/感測器層1016 藉由第一矽通孔1012a 電耦合至形成於CMOS晶圓1005 或BCAP中或其上之CMOS互連件1018 ，且經由CMOS互連件而電耦合至經由致動器/感測器層及TCAP延伸至TCAP上之焊墊1028 之第二矽通孔1012b 。MEMS1004 藉由至焊墊1028 之線接合1006 而電耦合或附著至外部電路或裝置。
在圖10F中所示之又一實施例中，MEMS1004 與圖10E中所展示且以上所描述之MEMS的不同之處在於CMOS互連件1018 在形成於致動器/感測器層與BCAP之間的接合物下方延伸，且包括橫向接點或焊墊1028 ，MEMS1004 經由該橫向接點或焊墊1028 而藉由線接合1006 電耦合或附著至外部電路或裝置。
在圖10F中所示之又一實施例中，MEMS1004 與圖10E中所展示且以上所描述之MEMS的不同之處在於CMOS互連件1018 在形成於致動器/感測器層與BCAP之間的接合物下方延伸，且包括橫向接點或焊墊1028 ，MEMS1004 經由該橫向接點或焊墊1028 而藉由線接合1006 電耦合或附著至外部電路或裝置。
圖11A為說明裏面或上面形成有包含WLCSP焊球1110 之複數個TASPTM 或MEMS1102 之未切分或未單體化之基板或晶圓1100 之呈剖視側視圖形式的方塊圖。圖11B為未切分晶圓1100 之俯視圖或平面圖。應注意，圖11A並非按比例展示。詳言之，已分割圖11A中之晶圓1100 以使得相對於直徑誇示其厚度以便展示MEMS1102 之細節。
圖12為根據本發明之包括整體封裝之MEMS CMOS IC及TASPTM 或MEMS之例示性系統的方塊圖。詳言之，圖12說明包括整體封裝的MEMS1200 之系統1200 ，MEMS1200 包括3軸加速度計、3軸迴轉儀及3軸磁力計，且支援CMOS IC1204 上之電路以用於驅動MEMS中之致動器及感測器且自致動器及感測器讀取感測到的信號或值。
因此，已描述用於以晶圓或基板級製造且封裝MEMS致動器及/或感測器之方法及結構之實施例。儘管已參考特定例示性實施例描述本發明，但將顯而易見，可在不脫離本發明之較廣精神及範疇的情況下對此等實施例進行各種修改及改變。因此，應以說明而非限制意義看待說明書及圖式。
提供本發明之摘要以遵照37 C.F.R. §1.72(b)，37 C.F.R. §1.72(b)要求有將允許讀者快速確定技術揭示內容之性質之摘要。摘要係在將不用於解釋或限制申請專利範圍之範疇或意義的理解上提交。另外，在以上實施方式中，可見為簡化本發明之目的，各種特徵經一起分組於單一實施例中。本發明之此方法不應解釋為反映所主張之實施例要求比在每一請求項中明確敍述之特徵更多的特徵之意圖。實情為，如以下申請專利範圍所反映，發明標的物在於少於單一揭示實施例之所有特徵的特徵。因此，以下申請專利範圍特此併入至實施方式中，其中每一請求項獨立地作為單獨實施例。
在以上描述中，為達成解釋之目的，已陳述許多特定細節以便提供對本發明之控制系統及方法之透徹理解。然而，熟習此項技術者將顯而易見，本發明之介面裝置及方法可在無此等特定細節的情況下實踐。在其他情況下，熟知結構及技術未詳細展示或以方塊圖形式展示以便避免不必要地混淆對此描述之理解。
在該描述中對「一實施例」之參考意謂結合該實施例所描述之特定特徵、結構或特性包括於控制系統或方法之至少一實施例中。說明書中各處之短語「一實施例」之出現不必皆指代同一實施例。如本文中所使用之術語「耦合」可包括直接電連接兩個或兩個以上組件或元件及經由一或多個介入組件間接連接兩者。
102．．．第一基板/頂蓋
104．．．接合材料
106．．．對準標記或特徵
110．．．致動器/感測器層
111．．．熔化接合材料
112．．．遮罩層
113．．．熔化接合材料
114．．．通孔開口或孔
118．．．矽通孔
120．．．第二基板
122．．．接合材料
124．．．開放空腔
126．．．開口
128．．．氣密密封空腔
130．．．電焊墊
300．．．MEMS
302．．．頂蓋
304．．．致動器/感測器層
306．．．接合材料
308．．．底蓋
310．．．接合材料
312．．．氣密密封空腔
314．．．矽通孔
316．．．頂面
318．．．焊球
320．．．焊墊
402．．．第一基板/頂蓋
403．．．絕緣或介電材料
404a．．．介電層或氧化物/絕緣體層
404b．．．介電層或氧化物/絕緣體層
406a．．．金屬層/導體層
406b．．．金屬層/導體層
408．．．層間通孔
410．．．第二通孔
411．．．對準標記或特徵
412．．．開放空腔
414．．．致動器/感測器層
416．．．遮罩層
418．．．通孔開口或孔
420．．．矽通孔
422．．．第二基板
424．．．接合材料
426．．．開放空腔
428．．．開口
430．．．氣密密封空腔
432．．．矽通孔
600．．．MEMS
602．．．頂蓋
604．．．致動器/感測器層
606．．．接合材料
608．．．底蓋
610．．．接合材料
612．．．氣密密封空腔
614．．．多層接觸結構
616a．．．介電層或氧化物層
616b．．．介電層或氧化物層
618a．．．導電層或金屬層
618b．．．導電層或金屬層
620．．．高摻雜區
622‧‧‧通孔
702‧‧‧第一基板/頂蓋
704‧‧‧致動器/感測器層
706‧‧‧MEMS裝置
708‧‧‧對準標記或特徵
710‧‧‧第一開放空腔
712‧‧‧遮罩層
714‧‧‧熔化接合材料
715‧‧‧通孔開口或孔
716‧‧‧氧化物內襯
718‧‧‧矽通孔
720‧‧‧第二基板
722‧‧‧接合材料
724‧‧‧第二開放空腔
726‧‧‧開口
728‧‧‧氣密密封空腔
730‧‧‧導電焊墊
902‧‧‧MEMS
904‧‧‧CMOS IC
906‧‧‧線接合
907‧‧‧TCAP
908‧‧‧引線框架或底板
909‧‧‧致動器/感測器層
910‧‧‧WLCSP焊球
911‧‧‧BCAP
1001‧‧‧BCAP
1002‧‧‧CMOS IC
1003‧‧‧TCAP
1004‧‧‧MEMS
1005‧‧‧CMOS晶圓
1006‧‧‧線接合
1008‧‧‧引線框架或底板
1010‧‧‧橫向接觸結構
1012‧‧‧矽通孔
1012a‧‧‧額外矽通孔
1012b‧‧‧第二矽通孔
1014‧‧‧WLCSP焊球
1016‧‧‧致動器/感測器層
1017‧‧‧避碰凸出部
1018‧‧‧CMOS互連件
1020‧‧‧驅動及/或感測電極
1022‧‧‧通孔
1024‧‧‧主動或被動電路元件
1026‧‧‧額外矽通孔
1028‧‧‧焊墊
1100‧‧‧基板或晶圓
1102‧‧‧MEMS
1110‧‧‧WLCSP焊球
1200‧‧‧系統
1204‧‧‧CMOS IC
圖1A至圖1H為根據一實施例之在包含三個晶圓級基板及導電通孔之微電機系統(MEMS)之製造中的中間結構之呈剖視側視圖形式的方塊圖；
圖2為說明根據一實施例之用於製造圖1A至圖1H之MEMS之方法的流程圖；
圖3A及圖3B為根據其他實施例之具有替代接觸結構之MEMS之呈剖視側視圖形式的方塊圖；
圖4A至圖4J為根據另一實施例之在包含多層氧化物/金屬接觸結構之MEMS之製造中的中間結構之呈剖視側視圖形式的方塊圖；
圖5為說明根據一實施例之用於製造圖4A至圖4J之MEMS之方法的流程圖；
圖6A及圖6B為根據另一實施例之具有氣密密封橫向接觸結構之MEMS之呈剖視側視圖形式的方塊圖；
圖7A至圖7F為根據一實施例之在包含兩個基板及導電通孔之微電機系統(MEMS)之製造中的中間結構之呈剖視側視圖形式之方塊圖；
圖8為說明根據一實施例之用於製造圖7A至圖7F之MEMS之方法的流程圖；
圖9A至圖9D為根據本發明之包括互補金屬氧化物半導體積體電路(CMOS IC)及MEMS之多晶片模組(MCM)或封裝的實施例之呈剖視側視圖形式的方塊圖；
圖10A至圖10F為根據本發明之包括形成於底蓋(BCAP)中之CMOS IC之MEMS的實施例之呈剖視側視圖形式的方塊圖；
圖11A及圖11B為說明根據本發明之裏面或上面形成複數個MEMS之未切分基板或晶圓的方塊圖；及
圖12為根據本發明之包括整體封裝MEMS CMOS IC及MEMS之例示性系統的方塊圖。
102．．．第一基板/頂蓋
104．．．接合材料
110．．．致動器/感測器層
111．．．熔化接合材料
113．．．熔化接合材料
118．．．矽通孔
120．．．第二基板
122．．．接合材料
128．．．氣密密封空腔
130．．．電焊墊

Claims (23)

  1. 一種用於一微電機系統(MEMS)裝置之方法，其包含：在一第一基板之一表面中形成數個第一開放空腔，且在一第二基板之一表面中形成對應於該等第一開放空腔之數個第二開放空腔；形成包括其中具有導電區之數個MEMS裝置之一致動器/感測器層；將該第一基板及該第二基板接合至該致動器/感測器層，以使得該數個第一開放空腔及該數個第二開放空腔中之至少一者與該數個MEMS裝置中之至少一者對準以圍繞該MEMS裝置形成一氣密密封空腔；及將該MEMS裝置之該等導電區經由一電互連件電連接至該密封空腔外部之一焊墊。
  2. 如請求項1之方法，其中將該第一基板及該第二基板接合至該致動器/感測器層包含熔化接合、共晶接合、陽極接合及玻璃粉接合中之一或多者以圍繞該MEMS裝置形成一氣密密封空腔。
  3. 如請求項2之方法，其中該電互連件包含自該致動器/感測器層與該第一基板或該第二基板之間的該氣密密封空腔延伸之與該MEMS裝置之該等導電區接觸的一橫向接觸結構，且其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含露出該橫向接觸結構之一部分。
  4. 如請求項3之方法，其中將該第一基板及該第二基板接 合至該致動器/感測器層進一步包含：將該橫向接觸結構氣密密封至該致動器/感測器層及該第一基板及該第二基板。
  5. 如請求項3之方法，其中該橫向接觸結構為包含一或多個交錯介電層及導電層之一多層接觸結構。
  6. 如請求項2之方法，其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含形成穿過該第一基板或該第二基板至該MEMS裝置之該等導電區之一矽通孔。
  7. 如請求項2之方法，其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含：形成穿過該第一基板或該第二基板至自該致動器/感測器層與該第一基板或該第二基板之間的該氣密密封空腔延伸之與該MEMS裝置之該等導電區接觸之一橫向接觸結構的一矽通孔。
  8. 如請求項2之方法，其中熔化接合包含：在形成於該第一基板、該第二基板上之層與該致動器/感測器層之間形成熔化接合物且包含矽、二氧化矽或氮化矽中之一或多者。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包含切分該接合之第一基板、該致動器/感測器層及該第二基板以形成一個別MEMS，其包含以晶圓級晶片尺度封裝(WLCSP)封裝之該數個MEMS裝置之一者。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包含將該焊墊線接合(wire bonding)至一互補金屬氧化物半導體(CMOS)晶粒及將該 個別MEMS及CMOS晶粒封裝成一多晶粒封裝。
  11. 如請求項1之方法，其中該第一基板或該第二基板中之至少一者進一步包括一互補金屬氧化物半導體(CMOS)積體電路(IC)，且其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含經由該CMOS IC電連接該MEMS裝置之該等導電區。
  12. 一種用於一微電機系統(MEMS)裝置之方法，其包含：在一第一基板之一表面上形成其中包括導電區之數個MEMS裝置；在該數個MEMS裝置下在該第一基板之該表面中形成數個第一開放空腔；在一第二基板之一表面中形成對應於該等第一開放空腔之數個第二開放空腔；及將該第一基板對準至該第二基板，以使得該數個第一開放空腔及該數個第二開放空腔中之至少一者與該數個MEMS裝置中之至少一者對準；接合該第一基板至該第二基板以圍繞該MEMS裝置形成一氣密密封空腔；及將該MEMS裝置之該等導電區經由一電互連件電連接至該密封空腔外部之一焊墊。
  13. 如請求項12之方法，其中該電互連件包含自該第一基板與該第二基板之間的該氣密密封空腔延伸之與該MEMS裝置之該等導電區接觸的一橫向接觸結構，且其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一 焊墊包含露出該橫向接觸結構之一部分。
  14. 如請求項12之方法，其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含：形成穿過該第一基板或該第二基板至該MEMS裝置之該等導電區之一矽通孔。
  15. 如請求項12之方法，在該第一基板之該表面中形成該數個第一開放空腔與使用一蝕刻製程形成該數個MEMS裝置同時執行。
  16. 如請求項12之方法，其中該第一基板或該第二基板中之至少一者進一步包括一互補金屬氧化物半導體(CMOS)積體電路(IC)，且其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含經由該CMOS IC電連接該MEMS裝置之該等導電區。
  17. 一種用於一微電機系統(MEMS)裝置之方法，其包含：在一第一基板之一表面中蝕刻出數個第一開放空腔以形成一頂蓋(TCAP)；形成包括其中具有導電區之數個MEMS裝置之一致動器/感測器層；將該第一基板接合至該致動器/感測器層，以使得該數個第一開放空腔中之至少一者與該數個MEMS裝置中之至少一者對準；在一第二基板之一表面中蝕刻出對應於該等第一開放空腔之數個第二開放空腔以形成一底蓋(BCAP)；將該第二基板接合至該致動器/感測器層，以使得該數 個第二開放空腔中之至少一者與該數個MEMS裝置中之至少一者及該等第一開放空腔中之至少一者對準以圍繞該MEMS裝置形成一氣密密封空腔；及將該MEMS裝置之該等導電區經由一電互連件電連接至該密封空腔外部之一焊墊。
  18. 如請求項17之方法，其中將該第一基板及該第二基板接合至該致動器/感測器層包含熔化接合、共晶接合、陽極接合及玻璃粉接合中之一或多者以圍繞該MEMS裝置形成該氣密密封空腔。
  19. 如請求項18之方法，其中該電互連件包含自該致動器/感測器層與該第一基板或該第二基板之間的該氣密密封空腔延伸之與該MEMS裝置之該等導電區接觸的一橫向接觸結構，且其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含露出該橫向接觸結構之一部分。
  20. 如請求項18之方法，其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含：形成穿過該第一基板或該第二基板至該MEMS裝置之該等導電區之一矽通孔。
  21. 如請求項17之方法，其中該致動器/感測器層包含單晶矽，且該方法進一步包含在將該第二基板接合至該致動器/感測器層之前薄化該致動器/感測器層至60微米或更小的一厚度。
  22. 如請求項21之方法，其進一步包含在該致動器層上形成 避碰凸出部以防止靜摩擦且限制該致動器層之行進範圍。
  23. 如請求項17之方法，其中該第一基板或該第二基板中之至少一者進一步包括一互補金屬氧化物半導體(CMOS)積體電路(IC)，且其中將該MEMS裝置之該等導電區電連接至該密封空腔外部之一焊墊包含經由該CMOS IC電連接該MEMS裝置之該等導電區。
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