TWI535038B - 微機電系統元件及其製造方法 - Google Patents

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TWI535038B
TWI535038B TW103145292A TW103145292A TWI535038B TW I535038 B TWI535038 B TW I535038B TW 103145292 A TW103145292 A TW 103145292A TW 103145292 A TW103145292 A TW 103145292A TW I535038 B TWI535038 B TW I535038B
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mems die
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彭榮輝
蔡尙穎
蔡宏佳
鄧伊筌
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Description

微機電系統元件及其製造方法
本發明是有關於一種電子元件，且特別是有關於一種微機電系統元件及其製造方法。
微機電系統(MEMS)變得越來越受歡迎，特別是在這類元件可被微型化與可整合至積體電路製造製程中時。然而，微機電系統元件將屬於它們自己獨特的需求導入整合製程中。微機電系統元件之電性互連為特別的挑戰的領域。尤其是將微機電系統壓力感測元件、微機電系統動作感測元件、以及微機電系統陀螺儀(gyroscope)感測元件整合於同一積體電路製造製程中已造成挑戰。
一實施例為一種方法，包含形成具有第一孔穴之第一微機電系統晶粒，此第一孔穴具有第一壓力；形成具有第二孔穴之第二微機電系統晶粒，此第二孔穴具有第二壓力，第二壓力不同於第一壓力；以及以模封材料封裝第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒，此模封材料具有第一 表面。此方法更包含形成第一組電性連接件在模封材料中，每一第一組電性連接件將第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒中之至少一者耦合至模封材料之第一表面；以及形成第二組電性連接件於模封材料之第一表面上方，每一第二組電性連接件耦合於第一組電性連接件之至少一者。
另一實施例為一種方法，包含形成微機電系統晶圓，此微機電系統晶圓具有第一微機電系統結構、第二微機電系統結構、以及第三微機電系統結構；接合蓋晶圓至微機電系統晶圓，此接合步驟形成第一孔穴於第一微機電系統結構上方、第二孔穴於第二微機電系統結構上方、以及第三孔穴於第三微機電系統結構上方；以及分割微機電系統晶圓，而形成包含第一微機電系統結構與第一孔穴之第一微機電系統晶粒、包含第二微機電系統結構與第二孔穴之第二微機電系統晶粒、以及包含第三微機電系統結構與第三孔穴之第三微機電系統晶粒。此方法更包含附著第一微機電系統晶粒、第二微機電系統晶粒與第三微機電系統晶粒於載體基板；以模封材料封裝第一微機電系統晶粒、第二微機電系統晶粒與第三微機電系統晶粒，模封材料從載體基板延伸在第一微機電系統晶粒、第二微機電系統晶粒與第三微機電系統晶粒上方；以及移除載體基板。
又一實施例為一種微機電系統元件，包含：具有第一孔穴之第一微機電系統晶粒，第一孔穴具有第一壓力；具有第二孔穴之第二微機電系統晶粒，第二孔穴具有第二壓力，第二壓力不同於第一壓力；以及模封材料圍繞第一 微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒，模封材料具有第一表面位於第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒之上方。此微機電系統元件更包含第一組電性連接件位於模封材料中，每一第一組電性連接件將第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒中之至少一者耦合至模封材料之第一表面；以及第二組電性連接件位於模封材料之第一表面上方，每一第二組電性連接件耦合至第一組電性連接件之至少一者。
100‧‧‧微機電系統晶圓
102‧‧‧基板
102B‧‧‧背側
104‧‧‧介電層
105‧‧‧介電材料
106‧‧‧多晶矽層
106A‧‧‧區域
108‧‧‧微機電系統層/晶圓
110‧‧‧層
111‧‧‧接合墊
112‧‧‧層
114‧‧‧接合材料層/接合
120‧‧‧微機電系統結構
122‧‧‧微機電系統結構
124‧‧‧微機電系統結構
130‧‧‧電性連接件/穿模介層窗
130A‧‧‧表面
132‧‧‧電性連接件
140‧‧‧模封材料
140A‧‧‧表面
142‧‧‧開口
144‧‧‧開口
150‧‧‧重新分布線
152‧‧‧介電層
154‧‧‧凸塊下金屬化層/接觸墊
156‧‧‧電性連接件
158‧‧‧開口
162‧‧‧重新分布線
164‧‧‧電性連接件
200‧‧‧蓋晶圓
202‧‧‧基板
204‧‧‧孔穴
206‧‧‧孔穴
210‧‧‧蓋子
214‧‧‧孔穴
216‧‧‧孔穴
218‧‧‧孔穴
220‧‧‧孔穴
302‧‧‧載體
304‧‧‧黏著層
402‧‧‧微機電系統元件晶粒
404‧‧‧微機電系統元件晶粒
406‧‧‧微機電系統元件晶粒
500‧‧‧互補式金氧半導體晶粒/特殊應用積體電路晶粒
502‧‧‧基板
502B‧‧‧背側
504‧‧‧互連結構
506‧‧‧金屬化層
508‧‧‧介層窗
510‧‧‧接合墊
512‧‧‧電性連接件/穿模介層窗
512A‧‧‧表面
520‧‧‧重新分布線
522‧‧‧凸塊下金屬化層/接觸墊
524‧‧‧電性連接件
530‧‧‧重新分布線
532‧‧‧電性連接件
550‧‧‧微機電系統元件晶粒
600‧‧‧微機電系統元件晶粒
650‧‧‧微機電系統元件晶粒
700‧‧‧互補式金氧半導體晶圓
702‧‧‧基板
704‧‧‧互連結構
706‧‧‧元件
708‧‧‧金屬化層
710‧‧‧介層窗
712‧‧‧接合墊
714‧‧‧介電層
720‧‧‧電性連接件
720A‧‧‧表面
720_1‧‧‧電性連接件
720_2‧‧‧電性連接件
720_3‧‧‧電性連接件
800‧‧‧微機電系統元件晶粒
800_1‧‧‧微機電系統元件晶粒
800_2‧‧‧微機電系統元件晶粒
800_3‧‧‧微機電系統元件晶粒
802‧‧‧基板
804‧‧‧互連結構
806‧‧‧微機電系統結構
808‧‧‧孔穴
810‧‧‧接合材料層
812‧‧‧蓋子
814‧‧‧接合墊
820‧‧‧電性連接件
820_1‧‧‧電性連接件
820_2‧‧‧電性連接件
820_3‧‧‧電性連接件
820A‧‧‧表面
830‧‧‧模封材料
830A‧‧‧表面
840A‧‧‧重新分布線
840B‧‧‧重新分布線
842‧‧‧介電層
844A‧‧‧凸塊下金屬化層
844B‧‧‧凸塊下金屬化層
846A‧‧‧電性連接件
846A1‧‧‧電性連接件
846A2‧‧‧電性連接件
846A3‧‧‧電性連接件
846B‧‧‧電性連接件
846B1‧‧‧電性連接件
846B2‧‧‧電性連接件
846B3‧‧‧電性連接件
900‧‧‧微機電系統元件晶粒
1000‧‧‧微機電系統元件晶粒
從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸可任意地增加或減少。
〔圖1A〕至〔圖1H〕係繪示依照本發明之一些實施方式一種微機電系統元件之製作的中間階段的剖面示意圖。
〔圖2A〕至〔圖2I〕係繪示依照本發明之一些實施方式一種微機電系統元件之製作的中間階段的剖面示意圖。
〔圖3A〕至〔圖3F〕係繪示依照本發明之一些實施方式一種微機電系統元件之製作的中間階段的剖面示意圖。
〔圖4〕係繪示依照本發明之一些實施方式一種微機電系統元件的剖面示意圖。
以下的揭露提供了許多不同的實施例或例子，以實施本發明之不同特徵。以下描述構件與安排的特定例子以簡化本揭露。當然這些僅為例子，並非用以作為限制。舉例而言，在描述中，第一特徵形成於第二特徵之上方或之上，可能包含第一特徵與第二特徵以直接接觸的方式形成的實施例，而也可能包含額外特徵可能形成在第一特徵與第二特徵之間的實施例，如此第一特徵與第二特徵可能不會直接接觸。此外，本揭露可能會在各例子中重複參考數字及/或文字。這樣的重複係基於簡單與清楚之目的，以其本身而言並非用以指定所討論之各實施例及/或配置之間的關係。
另外，在此可能會使用空間相對用語，例如「向下(beneath)」、「下方(below)」、「較低(lower)」、「上方(above)」、「較高(upper)」等等，以方便說明如圖式所繪示之一元件或一特徵與另一(另一些)元件或特徵之關係。除了在圖中所繪示之方向外，這些空間相對用詞意欲含括元件在使用或操作中的不同方位。設備可能以不同方式定位(旋轉90度或在其它方位上)，因此可利用同樣的方式來解釋在此所使用之空間相對描述符號。
實施例將以特定內容，即微機電系統元件，來加以描述，此微機電系統元件可整合特殊應用積體電路 (ASIC)晶粒、高壓晶粒、高真空(低壓)晶粒與壓力感測晶粒中之至少二良品晶粒(known good die)。然而，亦可應用其它實施例於其它具有並排或堆疊之良品晶粒的微機電系統元件。
圖1A至圖1H係繪示依照本發明之一些實施方式之一種微機電系統元件晶粒550之製作的中間階段的剖面示意圖。現請參照圖1A，其繪示有微機電系統晶圓100。微機電系統晶圓100包含基板102、以及介電層104位於基板102之表面上。基板102可由矽、矽鍺、碳化矽或類似材料所組成。基板102可由低阻矽所組成。替代的，基板102可為絕緣層上覆矽(SOI)基板。絕緣層上覆矽基板可包含一層半導體材料(例如矽、鍺與類似材料)形成於一絕緣層(例如埋入氧化層與類似層)上方，此絕緣層形成在矽基板中。此外，亦可使用其它基板，包含多層基板、漸變(gradient)基板、混合定向基板、類似基板或其組合。
介電層104形成在基板102之頂面上。介電層104可包含一或多個適合的介電材料，例如氧化矽、氮化矽、低介電常數介電質例如碳摻雜之氧化物、超低介電常數介電質例如多孔性碳摻雜之二氧化矽、聚合物例如聚亞醯胺(polyimide)、類似材料或其組合。介電層104可利用例如旋塗、化學氣相沉積(CVD)、電漿増益化學氣相沉積(PECVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、類似方式或其組合而沉積於基板102之上方。在一些實施例中，介電層104可為釋放層，且為了形成微機電系統結構而在後續製程步驟 中釋放(即移除)，因此介電層104亦可稱為犧牲之(SAC)介電層104。
可形成一或多個多晶矽層106貫穿介電層104。舉例而言，多晶矽層106之部分可作為電性繞線，多晶矽層106之一些部分可充當機械結構，或者多晶矽層106之一些部分可充當機械凸塊以限制微機電系統晶圓100中之活動元件的移動，或作為抗黏著凸塊。在一些實施例中，多晶矽層106之部分可在後續製程步驟中作為氣態氟化氫(vapor HF)蝕刻終止層。在其它實施例中，多晶矽層106可由取代多晶矽之不同材料所組成，例如矽鍺(SiGe)、單晶矽(例如透過使用絕緣層上覆矽晶圓作為起始原料)、或類似材料。
微機電系統層108形成在多晶矽層106與介電層104之上方。在一些實施例中，微機電系統層108為晶圓108，且附著於多晶矽層106，如圖1A所示。接著可圖案化晶圓108，以在晶圓108中形成微機電系統結構120、122與124。在一些實施例中，利用適合之沉積製程，例如化學氣相沉積、原子層沉積(ALD)、磊晶成長或類似方式，於多晶矽層106與介電層104上方形成微機電系統層108。在此實施例中，可在多晶矽層106與介電層104之上方形成罩幕層(未繪示)，且微機電系統層108可形成在罩幕層之開口中。在一些實施例中，微機電系統層108可為一基板，此基板實質類似於基板102。
基板102包含多個開口延伸穿過基板102，且以介電材料105填充這些開口。介電材料105為釋放層，且為了將多晶矽層106之區域106A暴露於周圍壓力及形成壓力感測器，而在後續製程步驟中釋放(即移除)此介電材料105。多晶矽層106之區域106A可充當完成之微機電系統元件晶粒406(請參見圖1H)中之壓力感測元件的薄膜。在完成之微機電系統元件晶粒406中，開口158與孔穴220將多晶矽層106之此區域106A暴露於周圍壓力，且孔穴218將此區域106A暴露於一密封壓力。介電材料105可由與上述介電層104相同之材料且利用相同製程形成，在此不重複這些描述。
在一些實施例中，微機電系統結構120為加速計(accelerometer)，微機電系統結構122為陀螺儀，微機電系統結構124為壓力感測器。在其它實施例中，微機電系統結構120與122可為動作感測器、共振器(resonator)或類似元件。在例示實施例中，微機電系統結構120、122與124由相同之微機電系統晶圓100所形成。然而，在其它實施例中，不同之微機電系統結構及/或元件晶粒(請參照圖1C中的微機電系統元件晶粒402、404與406)可由不同晶圓且不同製程所形成，並在後來之模封製程(請參照圖1E)期間整合在一起。
接合材料層114(替代的稱為接合114)形成於微機電系統層108之表面的上方。接合材料層114可包含多個層110與112，且可在後續製程步驟中用來共晶接合，以 在蓋晶圓200與微機電系統晶圓100之間形成多個孔穴。接合材料層114可利用例如物理氣相沉積(PVD)與微影/蝕刻方式來毯覆式沉積與圖案化。接合材料之層110可包含一層鋁銅位於包含鍺之接合材料之層112下方，然而亦可使用金屬的材料，例如金。如圖1A所示，一些層110並無一層112位於其上方，當這些層110將用來形成電性連接件以提供鄰近之微機電系統結構電性連接時。接合材料層114可或可不與多晶矽層106電性連接。
圖1A亦繪示蓋晶圓200位於微機電系統晶圓100之上方。蓋晶圓200可或可非為互補式金氧半導體(CMOS)晶圓，其可或可不具有電性電路(未繪示)。特別的，蓋晶圓200可包含數個主動元件，例如電晶體、電容器、電阻器、二極體、光電二極體、熔線與類似元件。這些電性電路可互連，以執行一特定應用的一或多個適合功能，此特定應用可或可不與微機電系統結構120、122和124有關。圖1A將蓋晶圓200繪示成具有基板202、以及孔穴204和206形成在基板202中。然而，在一些實施例中，蓋晶圓200亦可包含介電層、導電線與介層窗，以供電性繞線。基板202可為實質類似於基板102之一基板，在此不重複描述。
在蓋晶圓200接合至微機電系統晶圓100後，形成於蓋晶圓200中之孔穴206可有動作感測器、陀螺儀、加速計及/或壓力感測器之密封孔穴的功能。孔穴204形成在相鄰之孔穴206之間，且排在將作為電性連接件之接合墊之 接合材料之層110上方，以防止蓋晶圓200被接合至這些接合材料之層110。
圖1B繪示出蓋晶圓200接合至微機電系統晶圓100，且研磨蓋晶圓200之背側以形成多個蓋子210。蓋晶圓200可利用接合材料之層112與110之間的共晶接合而接合至微機電系統晶圓100。蓋晶圓200的接合至微機電系統晶圓100在蓋晶圓200與多晶矽層106之間形成三個孔穴214、216與218。密封之孔穴214、216與218的壓力可由蓋晶圓200與微機電系統晶圓100之間的共晶接合製程的條件來界定。在一實施例中，每個蓋子210可利用不同之接合製程且以每個接合製程在不同壓力前進行的方式來接合。在一些實施例中，孔穴214、216與218可各自具有不同壓力，而在他實施例中，它們可各自具有實質相同之壓力。在一些實施例中，密封之孔穴214、216與218中之至少一個為壓力範圍從約0.1毫巴(mbar)至約500毫巴之低壓(高真空)孔穴，而密封之孔穴214、216與218之其餘中的至少一個為壓力範圍從約2.5氣壓(ATM)至約3.5氣壓的高壓孔穴。在一實施例中，孔穴214、216與218中至少一個具有從約0.1毫巴至約500毫巴的壓力。
薄化蓋晶圓200，直至達到所需厚度，且暴露出孔穴204(請參照圖1A)之背側，以形成分離之蓋子210於孔穴214、216與218之上方。薄化製程亦暴露出與孔穴204(請參照圖1A)對齊之接合材料之層110。這些暴露出之接合材料之層110將用來作為後續形成之電性連接件 130(請參照圖1D)之接合墊，且此後將稱為接合墊111。可利用適合之技術，例如磨光(grinding)、研磨(polishing)、化學蝕刻、類似技術或其組合來執行薄化製程。舉例而言，可利用化學機械研磨(CMP)製程來薄化蓋晶圓200。
圖1C繪示出微機電系統晶圓100之切割(singulation)，以形成分離之微機電系統元件晶粒402、404與406。接著將這些分離之微機電系統元件晶粒402、404與406以黏著層304附著至載體302，且亦利用黏著層304將互補式金氧半導體晶粒500附著於載體302。互補式金氧半導體晶粒500、以及微機電系統元件晶粒402、404與406可利用例如安置工具(pick-and-place tool)放置在黏著層304上。微機電系統晶圓100可藉由利用晶粒切割(die saw)、雷射或類似技術的切割製程來切割。在一些實施例中，微機電系統元件晶粒402、404與406可在切割前先測試，而在其它實施例中，它們可在切割後測試。所進行之測試類型取決於欲測試之微機電系統元件之設計及/或用途。藉由在封裝(請參照圖1E)前測試微機電系統元件，僅有良品晶粒附著於載體302，因此可改善後續形成之微機電系統元件晶粒550(請參照圖1H)之良率。
可設置例如層壓黏著層304於載體302上。黏著層304可由膠體，例如紫外線膠所組成，或者可為由金屬薄片所組成之層壓層。載體可為任何適合基板，而提供(在製作過程的中間操作期間)載體302頂部上之微機電系統元件晶粒、互補式金氧半導體晶粒與其它結構物理上的支撐。載 體302可為晶圓，包含玻璃、矽(例如矽晶圓)、氧化矽、金屬板、陶瓷材料與類似材料。
互補式金氧半導體晶粒包含基板502、互連結構504與接合墊510。在一實施例中，基板502為一晶圓的一部分。互補式金氧半導體晶粒500亦可稱為特殊應用積體電路(ASIC)晶粒500。基板502可由半導體材料所組成，例如矽、鍺、鑽石或類似材料。替代的，亦可使用複合材料，例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化銦、磷化銦、碳化矽鍺、磷化鎵砷、磷化鎵銦、這些材料的組合、及類似材料。此外，基板502可為絕緣層上覆矽基板。一般而言，絕緣層上覆矽基板包含一層半導體材料，例如磊晶矽、鍺、矽鍺、絕緣層上覆矽、絕緣層上覆矽鍺(SGOI)、或其組合。
基板502可包含主動與被動元件(未繪示於圖1C中)。如同在此技術領域中具有通常知識者將理解的，可使用很多種元件，例如電晶體、電容器、電阻器、這些元件的組合、與類似元件，來產生互補式金氧半導體晶粒500之設計之結構與功能的需求。這些元件可利用任何適合方法來製作。
互連結構504形成在基板502之上方。互連結構504包含一或多個金屬化層506，這些金屬化層506透過介層窗508互連。金屬化層506可形成在主動與被動元件之上方，且設計來連接各元件，以形成功能電路系統。金屬化層506可由介電(例如低介電常數介電材料)與導電材料(例如銅)之交錯層所組成，且可透過任何適合製程(例如沉積、鑲 嵌、雙鑲嵌或類似製程)來製作。雖然圖1C僅繪示四個金屬化層506，在本揭露考慮之範圍內，可能有更多或更少金屬化層506包含在互連結構504中。
為了協助提供外部連接給主動與被動元件，接合墊510可形成在互連結構504上方且與互連結構504電性接觸。接合墊510可由鋁、鋁合金、銅、銅合金、鎳、類似材料或其組合所組成。製作接合墊510可利用沉積製程，例如濺鍍，來形成一層材料(未繪示)。接著，可透過適合製程，例如微影遮罩與蝕刻，來移除此層材料的數個部分，以形成接合墊510。然而，可利用任何其它適合製程來形成接合墊510。
圖1D繪示出形成電性連接件512於至少一接合墊510上、以及電性連接件130於接合墊111上。電性接合墊512與130可為柱型凸塊(stud bump)，且其可利用打線接合在接合墊510與111上、以及以留下附著至各自之接合球之部分接合線的方式來切割接合線的方式製作。舉例而言，在圖1D中，電性連接件512與130包含較低部分與較高部分，其中較低部分可為在打線接合中形成的接合球，且較高部分可為剩下之接合線。電性連接件512與130之較高部分可具有相同之寬度與相同之形狀，從較高部分之上部、中部與底部均相同。電性連接件512與130由非銲接金屬材料所組成，這些非銲接金屬材料不會在用以回銲銲料之正常溫度(例如介於約220℃至約280℃)時熔化。在一些示範實施例中，電性連接件512與130由銅、鋁、鎳、金、銀、鈀、 類似材料及其組合所組成，且可具有包含複數層之複合結構。
在替代實施例中，電性連接件512與130之製作係透過電性電鍍。在這些實施例中，形成犧牲層(未繪示)於互補式金氧半導體晶粒500以及微機電系統元件晶粒402、404與406之上方。形成複數個開口於犧牲層中，以暴露出下方之接合墊510與111。接著，進行電鍍步驟，以電鍍電性連接件512與130。於電性連接件512與130形成後，接著移除犧牲層。
圖1E繪示出封裝互補式金氧半導體晶粒500，微機電系統元件晶粒402、404與406，以及電性連接件512與130。在一些實施例中，利用模封材料140封住互補式金氧半導體晶粒500，微機電系統元件晶粒402、404與406以及電性連接件512與130。模封材料140可利用例如壓製成型(compression molding)，而成型在互補式金氧半導體晶粒500，微機電系統元件晶粒402、404與406，以及電性連接件512與130上。在一些實施例中，模封材料140由模封化合物、聚合物、環氧樹脂、類似材料及其組合所組成。可進行硬化(curing)步驟，以硬化模封材料140，其中硬化可為熱硬化、紫外線硬化或其類似步驟。
在一些實施例中，將互補式金氧半導體晶粒500，微機電系統元件晶粒402、404與406，以及電性連接件512與130埋入模封材料140中，且於模封材料104之硬化後，進行平坦化步驟，例如磨光，以移除模封材料140之過 量部分，這些過量部分位於電性連接件512與130之頂面的上方，如圖1F所示。在一些實施例中，電性連接件512之表面512A與電性連接件130之表面130A暴露出，且與模封材料140之表面140A齊平。電性連接件512與130可稱為穿模介層窗(through molding via，TMV)，且此後將可稱為穿模介層窗512與130。
圖1G繪示出重新分布線(RDL)520與150形成於晶粒之上方、以及電性連接件524與156形成於重新分布線之上方。重新分布線520形成在穿模介層窗512之上方且電性耦合至穿模介層窗512，重新分布線150形成在穿模介層窗130之上方且電性耦合至穿模介層窗130。重新分布線520與150可為銅、鋁、鎢、鎳、類似材料及其組合，且可利用電鍍或其它可接受之方法來製作。於重新分布線520與150電鍍之前，可利用旋轉塗布、乾膜之層壓或其它可接受之方法形成光阻。可利用可接受之微影技術或其它可接受方法來圖案化光阻，以暴露出穿模介層窗512與130、以及模封材料140之表面140A的部分。
於重新分布線520與150可包含阻障層與晶種層(未繪示)。阻障層為形成於模封材料140上方之一薄共形膜。阻障層可為氮化鈦、氮化鉭、氮化鎢、氮氧化鈦、氮氧化鉭、氮氧化鎢、鈦、類似材料或其組合。阻障層可利用方法，例如化學氣相沉積、電漿增益化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、濺鍍、或其它可接受的方法，來沉積。晶種層同樣為薄共形層且形成在阻障層 之上方。晶種層可為用以形成重新分布線520與150之材料，例如銅、鋁、鎢、類似材料或其組合。晶種層可利用物理氣相沉積、原子層沉積、化學氣相沉積或其它可接受之方法來製作。
於重新分布線520與150形成後，利用例如剝除方式來移除光阻，且利用例如以重新分布線為罩幕之蝕刻來移除過量之晶種層與阻障層。
可形成介電層152於重新分布線520與150之上方以及模封材料140之表面140A。介電層152可為環氧樹脂、聚亞醯胺、聚苯噁唑(polybenzoxazole，PBO)、類似材料或其組合。介電層152可利用旋塗技術或其它沉積方法來形成。可形成多個開口(未繪示)於介電層152中，以暴露出部分之重新分布線520與150。可利用可接受之微影技術與蝕刻來製作這些開口。
於介電層152中形成開口後，可在這些開口中形成凸塊下金屬化層(under-bump metallization，UBM)。可形成一凸塊下金屬化層522於重新分布線520之上方且與重新分布線520電性耦合、以及多個凸塊下金屬化層154於重新分布線150上方且與這些重新分布線150電性耦合。
凸塊下金屬化層522與154可包含一或多層導電材料。有許多材料與層的排列，例如鉻/鉻銅合金/銅/金的排列、鈦/鈦鎢/銅的排列、或銅/鎳/金的排列，這些排列適合製作凸塊下金屬化層522與154。可形成並圖案化光阻 (未繪示)，如此暴露出介電層152之一些部分，且覆蓋一些其它部分。可進行電鍍製程，以在介電層152之暴露部分上電鍍這些材料與層，以形成凸塊下金屬化層522與154。意欲將任何可用來作為凸塊下金屬化層522與154之適合材料或材料層完全包含在本申請案之範圍內。於電鍍製程之後，可移除光阻。在一些實施例中，凸塊下金屬化層522與154可為接觸墊522與154。
圖1G繪示出形成電性連接件524於凸塊下金屬化層522上方且電性耦合至凸塊下金屬化層522、以及形成電性連接件156於凸塊下金屬化層154上方且電性耦合至凸塊下金屬化層154。在一實施例中，電性連接件524與156為銲球及/或凸塊，例如控制崩潰晶片接合(C4)凸塊，之球格陣列。在其它實施例中，電性連接件524與156為金屬柱，其中銲帽(solder cap)形成在金屬柱之頂面上。在更其它之實施例中，電性連接件524與156為複合凸塊，這些複合凸塊包含銅樁、鎳層與銲帽、無電鍍鎳浸金(electroless nickel immersion gold，ENIG)、無電鍍鎳鈀浸金(electroless nickel electroless palladium immersion gold，ENEPIG)、及/或類似材料。雖然未繪示於圖1G中，重新分布線結構使得電性連接件524與156可形成在各自之晶粒的橫向邊緣的外側，而提供球格陣列之扇出(fan-out)，進而可提供陣列較晶粒之主動面大的面積(請參照圖2I)。
圖1H繪示出移除載體302與黏著層304，以暴露出互補式金氧半導體晶粒500之背側502B以及微機電系統元件晶粒402、404與406之背側102B。
於載體302與黏著層304移除後，可將介電材料105從微機電系統元件晶粒406之背側中的開口內移除，以形成開口158。開口158形成孔穴220，且將孔穴220暴露在鄰近於多晶矽層106之區域106A的周圍壓力下，以形成壓力感測元件。
形成於圖1H中之重新配置之微機電系統元件晶粒550包含一個互補式金氧半導體晶粒500與三個微機電系統元件晶粒402、404與406。這三個微機電系統元件晶粒402、404與406中的每一個具有密封之孔穴(214、216與218)，且這三個微機電系統元件晶粒402、404與406中的至少一個具有一孔穴(220)暴露在周圍壓力下。密封之孔穴214、216與218之壓力可為實質相同之壓力，或者，因這些密封之孔穴形成在個別之晶粒中，因此可具有不同壓力。在一實施例中，密封之孔穴214與216中之至少一個為壓力範圍從約0.1毫巴至約500毫巴之低壓(高真空)孔穴，密封之孔穴214與216中之另一個為壓力範圍從約2.5氣壓至約3.5氣壓的高壓孔穴。密封之孔穴214與216可由不同晶圓/製程所形成，且根據微機電系統元件晶粒之製程及/或需求，壓力可不同。在一些實施例中，孔穴218可具有範圍從約0.1毫巴至約500毫巴的低壓，孔穴200可具有約1氣壓的壓力。透過在將微機電系統元件晶粒402、404與406以及 互補式金氧半導體晶粒500整合至微機電系統元件晶粒550中之前，先對它們進行分割與測試，僅有良品晶粒整合至微機電系統元件晶粒550中，因此可改善微機電系統元件晶粒550之良率。此外，藉由使用穿模介層窗而非穿基板介層窗(through substrate via，TSV)，微機電系統元件晶粒550之成本可進一步降低。
圖2A至圖2I係繪示依照本發明之一些實施方式一種微機電系統元件晶粒650之製作的中間階段的剖面示意圖。此實施例類似於先前之實施例，除了微機電系統元件並未被切成獨立的晶粒卻是整合在單一晶粒中之外。有關此實施例之細節與前述實施例類似，在此將不會重述。
圖2A繪示微機電系統晶圓100與蓋晶圓200。圖2A中之結構類似於上述在圖1A之結構，在此不重複描述。
圖2B繪示蓋晶圓200接合至微機電系統晶圓100以及蓋晶圓200的薄化。這些步驟可類似於上述在圖1B中所描述的步驟，在此不重複描述。
圖2C繪示微機電系統元件晶粒600與互補式金氧半導體晶粒500利用黏著層304附著於載體302。微機電系統元件晶粒600包含圖1C所示之三個微機電系統元件晶粒402、404與406的三個微機電系統元件，它們各自之結構已繪示於圖2C中。圖2C之結構類似於圖1C之結構，除了圖2C之微機電系統元件晶粒600的微機電系統元件並未被分割，故在此不重複結構的描述。
圖2D繪示電性連接件132形成於接合墊111上方且電性耦合至接合墊111。電性連接件132類似於圖1D所示之電性連接件130，在此將不會重複描述。在一些實施例中，形成電性連接件132，使其具有之頂面位於蓋子210之頂面之下方。在一些實施例中，接合墊510並未具有電性接合件形成在其上方且與其電性耦合，而在其它實施例中，電性連接件形成在接合墊510之上方且電性耦合至接合墊510(請參照圖1D)。
圖2E繪示出以模封材料140封住互補式金氧半導體晶粒500、微機電系統元件晶粒600與電性連接件132。封裝製程可類似於上述在圖1E中所描述之製程，在此不重複描述。
圖2F繪示出薄化模封材料140。薄化製成可類似於上述在圖1F中所描述之薄化製程，在此不重複描述。然而，在此例示實施例中，薄化製程並未暴露出電性連接件132或接合墊510之頂面。在其它實施例中，模封材料140之薄化暴露出電性連接件132與接合墊510之頂面。
圖2G繪示出圖案化模封材料140，而暴露出部分之電性連接件132與至少一接合墊510。接合墊(們)510可暴露在開口(們)142中，且電性連接件132可暴露在開口144中。可利用可接受之微影技術與蝕刻，例如雷射蝕刻製程，來形成開口142與144。
圖2H繪示出形成重新分布線530於接合墊510之上方且電性耦合至接合墊510、以及重新分布線162於電 性連接件132上方且電性耦合至電性連接件132，伴隨電性連接件532與164分別形成在重新分布線530與162。重新分布線530與162可類似於上述在圖1G中所描述之重新分布線150，在此不重複描述。電性連接件532與164可類似於上述在圖1G中所描述之電性連接件524與156，在此不重複描述。在一些實施例中，電性連接件532與164分別直接耦合於重新分布線530與162，而無需利用凸塊下金屬化層，但在其它實施例中，凸塊下金屬化層包含在電性連接件與重新分布線之間。
圖2I繪示出移除載體302與黏著層304，而暴露出互補式金氧半導體晶粒500與微機電系統元件晶粒600之背側，以及形成開口158於微機電系統元件晶粒600之背側。圖2I中之重新配置之微機電系統元件晶粒650的結構與功能可類似於圖1H中之微機電系統元件晶粒550的結構與功能，在此不重複描述。如圖2I所示，重新分布線結構使得電性連接件532與164可形成在各自之晶粒的橫向邊緣的外側，而提供球格陣列之扇出，進而可提供陣列較晶粒之主動面大的面積。
圖3A至圖3F係繪示依照本發明之一些實施方式一種微機電系統元件晶粒900之製作的中間階段的剖面示意圖。有關此實施例之細節與前述實施例類似，在此將不會重述。
圖3A繪示出互補式金氧半導體晶圓700，包含基板702、互連結構704、介電層714以及接合墊712。基板 702可由半導體材料所組成，例如矽、鍺、鑽石或類似材料。替代的，亦可使用複合材料，例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化銦、磷化銦、碳化矽鍺、磷化鎵砷、磷化鎵銦、這些材料的組合、及類似材料。此外，基板702可為絕緣層上覆矽基板。一般而言，絕緣層上覆矽基板包含一層半導體材料，例如磊晶矽、鍺、矽鍺、絕緣層上覆矽、絕緣層上覆矽鍺、或其組合。
基板702可包含主動與被動之元件706。如同在此技術領域中具有通常知識者將理解的，可使用很多種元件706，例如電晶體、電容器、電阻器、這些元件的組合、與類似元件，來產生微機電系統元件晶粒900之設計之結構與功能的需求。這些元件706可利用任何適合方法來製作。
互連結構704形成在基板702之上方。互連結構704包含一或多個金屬化層708，這些金屬化層708透過介層窗710互連。金屬化層708可形成在主動與被動之元件706之上方，且設計來連接各元件706，以形成功能電路系統。金屬化層708可由介電(例如低介電常數介電材料)與導電材料(例如銅)之交錯層所組成，且可透過任何適合製程(例如沉積、鑲嵌、雙鑲嵌或類似製程)來製作。雖然圖3A僅繪示二個金屬化層708，在本揭露考慮之範圍內，可能有更多或更少金屬化層708包含在互連結構704中。
為了協助提供外部連接給主動與被動之元件706，接合墊712可形成在互連結構704上方且與互連結構704電性接觸。接合墊712可由鋁、鋁合金、銅、銅合金、 鎳、類似材料或其組合所組成。製作接合墊712可利用沉積製程，例如濺鍍，來形成一層材料(未繪示)。接著，可透過適合製程，例如微影遮罩與蝕刻，來移除此層材料的數個部分，以形成接合墊712。然而，可利用任何其它適合製程來形成接合墊712。
可形成介電層714於接合墊712與互連結構704之上方。介電層714可為環氧樹脂、聚亞醯胺、聚苯噁唑、類似材料或其組合。介電層714可利用旋塗技術或其它沉積方法來形成。
圖3B繪示出微機電系統元件晶粒800附著至互補式金氧半導體晶圓700之介電層714。在一實施例中，利用黏著膜(未繪示)，利如膠膜，來附著微機電系統元件晶粒800。微機電系統元件晶粒800可類似於上述之微機電系統元件晶粒402、404與406中的任一個，在此將不會重述。
微機電系統元件晶粒800包含基板802、互連結構804位於基板802之上方、蓋子812形成孔穴808、微機電系統結構806由孔穴808所圍繞、接合材料層810將蓋子812接合至微機電系統元件結構晶圓、以及接合墊814。在一實施例中，微機電系統元件晶粒800的這些結構類似於微機電系統元件晶粒402、404與406的個別結構。在一些實施例中，蓋子812為特殊應用積體電路晶粒，且可包含主動與被動元件。在一些實施例中，基板802為特殊應用積體電路晶粒，且可包含主動與被動元件。在這些蓋子812及/或基板802為特殊應用積體電路晶粒的實施例中，互補式金氧半導 體晶圓700之尺寸可獲得縮減，因為原本位於互補式金氧半導體晶圓700中的一些主動與被動元件可包含在蓋子812及/或基板802中。如此可縮減微機電系統元件之總尺寸與成本。
圖3C繪示出已經附著至互補式金氧半導體晶圓700之微機電系統元件晶粒800。圖3D繪示出分別形成電性連接件820與720於接合墊814與712之上方，且電性耦合至接合墊814與712。電性連接件820與720可類似上述在圖1D中所描述之電性連接件512與130，在此不重複描述。
圖3E繪示出將微機電系統元件晶粒800及電性連接件820與720封裝在模封材料830中、以及薄化模封材料830。封裝製程可類似於上述在圖1E中所描述之封裝製程，在此不重複描述。薄化製程可類似於上述在圖1F中所描述之薄化製程，在此不重複描述。在一些實施例中，薄化模封材料830，以使其具有與電性連接件820之表面820A及電性連接件720之表面720A共面之表面830A。
圖3F繪示出形成重新分布線840A與840B、介電層842、凸塊下金屬化層844A與844B、以及電性連接件846A與846B。電性連接件846A藉由凸塊下金屬化層844A與重新分布線840A而電性耦合至電性連接件820。電性連接件8466藉由凸塊下金屬化層844B與重新分布線840B而電性耦合至電性連接件720。這些結構可類似於上述在圖1G中所描述之它們的各自結構，在此不重複描述。舉例而言，重新分布線840A與840B可類似於圖1G中之重新分布線 520與150，介電層842可類似於圖1G中之介電層152，凸塊下金屬化層844A與844B可類似於圖1G中之凸塊下金屬化層522與154，且電性連接件846A與846B可類似於圖1G中之電性連接件524與156。另外繪示在圖3F中，互補式金氧半導體晶圓700已利用背側薄化製程，例如化學機械研磨製程而薄化。
圖4係繪示依照本發明之一些實施方式一種微機電系統元件晶粒1000的剖面示意圖。此微機電系統元件晶粒1000類似於重新配置之微機電系統元件晶粒900，除了重新配置之微機電系統元件晶粒1000包含許多微機電系統元件晶粒800(800_1、800_2與800_3)位於互補式金氧半導體晶圓700上。有關此實施例之細節與前述實施例類似，在此將不會重述。
在此實施例中，每個微機電系統元件晶粒800包含一電性連接件720(720_1、720_2與720_3)，且互補式金氧半導體晶圓700具有對應之電性連接件820(820_1、820_2與820_3)。每個電性連接件720與820分別耦合至電性連接件846A(846A1、846A2與846A3)與846B(846B1、846B2與846B3)。
透過使微機電系統元件晶粒分別形成且後來才整合至重新配置之晶粒中，各微機電系統元件晶粒之密封孔穴的壓力可為實質相同之壓力，或者它們可具有不同之壓力。舉例而言，一孔穴可處於低壓(高真空)，一孔穴可處於高壓，而另一孔穴可處於周圍壓力。此外，透過在將微機電 系統元件晶粒以及互補式金氧半導體晶粒整合至重新配置之微機電系統元件晶粒中之前，先對它們進行分割與測試，僅有良品晶粒整合至重新配置之微機電系統元件晶粒中，因此可改善重新配置之微機電系統元件晶粒的良率。此外，藉由使用穿模介層窗而非穿基板介層窗，重新配置之微機電系統元件晶粒之成本可進一步降低。
一實施例為一種方法，包含形成具有第一孔穴之第一微機電系統晶粒，此第一孔穴具有第一壓力；形成具有第二孔穴之第二微機電系統晶粒，此第二孔穴具有第二壓力，第二壓力不同於第一壓力；以及以模封材料封裝第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒，此模封材料具有第一表面。此方法更包含形成第一組電性連接件在模封材料中，每一第一組電性連接件將第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒中之至少一者耦合至模封材料之第一表面；以及形成第二組電性連接件於模封材料之第一表面上方，每一第二組電性連接件耦合於第一組電性連接件之至少一者。
另一實施例為一種方法，包含形成微機電系統晶圓，此微機電系統晶圓具有第一微機電系統結構、第二微機電系統結構、以及第三微機電系統結構；接合蓋晶圓至微機電系統晶圓，此接合步驟形成第一孔穴於第一微機電系統結構上方、第二孔穴於第二微機電系統結構上方、以及第三孔穴於第三微機電系統結構上方；以及分割微機電系統晶圓，而形成包含第一微機電系統結構與第一孔穴之第一微機電系統晶粒、包含第二微機電系統結構與第二孔穴之第二微 機電系統晶粒、以及包含第三微機電系統結構與第三孔穴之第三微機電系統晶粒。此方法更包含附著第一微機電系統晶粒、第二微機電系統晶粒與第三微機電系統晶粒於載體基板；以模封材料封裝第一微機電系統晶粒、第二微機電系統晶粒與第三微機電系統晶粒，模封材料從載體基板延伸在第一微機電系統晶粒、第二微機電系統晶粒與第三微機電系統晶粒上方；以及移除載體基板。
又一實施例為一種微機電系統元件，包含：具有第一孔穴之第一微機電系統晶粒，第一孔穴具有第一壓力；具有第二孔穴之第二微機電系統晶粒，第二孔穴具有第二壓力，第二壓力不同於第一壓力；以及模封材料圍繞第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒，模封材料具有第一表面位於第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒之上方。此微機電系統元件更包含第一組電性連接件位於模封材料中，每一第一組電性連接件將第一微機電系統晶粒與第二微機電系統晶粒中之至少一者耦合至模封材料之第一表面；以及第二組電性連接件位於模封材料之第一表面上方，每一第二組電性連接件耦合至第一組電性連接件之至少一者。
上述已概述數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可更了解本揭露之態樣。熟悉此技藝者應了解到，其可輕易地利用本揭露作為基礎，來設計或潤飾其它製程與結構，以實現與在此所介紹之實施例之相同目的及/或達到相同的優點。熟悉此技藝者也應了解到，這類對等架構並未脫 離本揭露之精神和範圍，且熟悉此技藝者可在不脫離本揭露之精神和範圍下，在此進行各種之更動、取代與潤飾。
102B‧‧‧背側
106A‧‧‧區域
111‧‧‧接合墊
130‧‧‧電性連接件/穿模介層窗
140‧‧‧模封材料
150‧‧‧重新分布線
152‧‧‧介電層
154‧‧‧凸塊下金屬化層/接觸墊
156‧‧‧電性連接件
158‧‧‧開口
214‧‧‧孔穴
216‧‧‧孔穴
218‧‧‧孔穴
220‧‧‧孔穴
402‧‧‧微機電系統元件晶粒
404‧‧‧微機電系統元件晶粒
406‧‧‧微機電系統元件晶粒
500‧‧‧互補式金氧半導體晶粒/特殊應用積體電路晶粒
502B‧‧‧背側
506‧‧‧金屬化層
508‧‧‧介層窗
512‧‧‧電性連接件/穿模介層窗
520‧‧‧重新分布線
522‧‧‧凸塊下金屬化層/接觸墊
524‧‧‧電性連接件
550‧‧‧微機電系統元件晶粒

Claims (10)

  1. 一種微機電系統元件之製造方法，包含：形成具有一第一孔穴之一第一微機電系統晶粒，該第一孔穴具有一第一壓力；形成具有一第二孔穴之一第二微機電系統晶粒，該第二孔穴具有一第二壓力，該第二壓力不同於該第一壓力；形成一特殊應用積體電路晶粒，該特殊應用積體電路晶粒包含一主動元件；以一模封材料封裝該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與特殊應用積體電路晶粒，該模封材料具有一第一表面；形成一第一組電性連接件在該模封材料中，每一該第一組電性連接件將該第一微機電系統晶粒與該第二微機電系統晶粒中之至少一者耦合至該模封材料之該第一表面；以及形成一第二組電性連接件於該模封材料之該第一表面上方，每一該第二組電性連接件耦合於該第一組電性連接件之至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中每一該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該特殊應用積體電路晶粒具有一表面實質與該模封材料之一第二表面共面，該第二表面與該第一表面相對。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，更包含： 形成複數個重新分布線於該模封材料之該第一表面、該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該特殊應用積體電路晶粒之上方，該些重新分布線耦合至該第一組電性連接件；形成一介電層於該些重新分布線與該模封材料之該第一表面上方；形成複數個開口貫穿該介電層，以暴露出該些重新分布線之複數個表面；形成複數個凸塊下金屬化層於該些開口中且延伸於該介電層之上方，該些凸塊下金屬化層耦合至該些重新分布線；以及形成該第二組電性連接件於該些凸塊下金屬化層上方且電性耦合至該些凸塊下金屬化層，該第二組電性連接件包含複數個銲球。
  4. 一種微機電系統元件之製造方法，包含：形成一微機電系統晶圓，該微機電系統晶圓具有一第一微機電系統結構、一第二微機電系統結構、以及一第三微機電系統結構；接合一蓋晶圓至該微機電系統晶圓，該接合步驟形成一第一孔穴於該第一微機電系統結構上方、一第二孔穴於該第二微機電系統結構上方、以及一第三孔穴於該第三微機電系統結構上方；分割該微機電系統晶圓，而形成包含該第一微機電系統結構與該第一孔穴之一第一微機電系統晶粒、包含該第 二微機電系統結構與該第二孔穴之一第二微機電系統晶粒、以及包含該第三微機電系統結構與該第三孔穴之一第三微機電系統晶粒；附著該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該第三微機電系統晶粒於一載體基板；以一模封材料封裝該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該第三微機電系統晶粒，該模封材料從該載體基板延伸在該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該第三微機電系統晶粒上方；以及移除該載體基板。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，於以該模封材料封裝該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該第三微機電系統晶粒之前，更包含測試該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該第三微機電系統晶粒。
  6. 如申請專利範圍第4項之方法，更包含：形成一組金屬柱於該模封材料中，每一該些金屬柱從該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該第三微機電系統晶粒之至少一者延伸至該模封材料之一第一表面；形成複數個重新分布線於該模封材料之該第一表面、該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該第三 微機電系統晶粒之上方，該些重新分布線耦合至該組金屬柱；以及形成一組銲球於該些重新分布線上方且與該些些重新分布線電性耦合。
  7. 一種微機電系統元件，包含：一第一微機電系統晶粒，具有一第一孔穴，該第一孔穴具有一第一壓力；一第二微機電系統晶粒，具有一第二孔穴，該第二孔穴具有一第二壓力，該第二壓力不同於該第一壓力；一特殊應用積體電路晶粒，該特殊應用積體電路晶粒包含一主動元件；一模封材料，圍繞該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該特殊應用積體電路晶粒，該模封材料具有一第一表面位於該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該特殊應用積體電路晶粒之上方；一第一組電性連接件，位於該模封材料中，每一該第一組電性連接件將該第一微機電系統晶粒與該第二微機電系統晶粒中之至少一者耦合至該模封材料之該第一表面；以及一第二組電性連接件，位於該模封材料之該第一表面上方，每一該第二組電性連接件耦合至該第一組電性連接件之至少一者。
  8. 如申請專利範圍第7項之微機電系統元件，更包含一第三微機電系統晶粒，具有一第三孔穴，該第三孔穴具有一第三壓力，該第三壓力不同於該第一壓力與該第二壓力，該模封材料圍繞該第三微機電系統晶粒，且該模封材料之該第一表面位於該第三微機電系統晶粒之上方。
  9. 如申請專利範圍第8項之微機電系統元件，其中該第一微機電系統晶粒包含一加速計，該第二晶粒包含一陀螺儀，該第三微機電系統晶粒包含一壓力感測器。
  10. 如申請專利範圍第7項之微機電系統元件，其中該第一微機電系統晶粒、該第二微機電系統晶粒與該特殊應用積體電路晶粒均具有表面實質與該模封材料之一第二表面共面，該第二表面與該第一表面相對。
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