通过硅柱和智能帽实现晶圆级集成MEMS器件制造技术

本发明专利技术涉及一种微机电系统(MEMS)封装件和一种在晶圆至晶圆接合层级处实现多个MEMS腔体中的压差调节的方法。将包括第一MEMS器件和第二MEMS器件的器件衬底接合至包括第一凹进区和第二凹进区的覆盖衬底。通风沟槽与凹进区横向地间隔开并且位于第二腔体内。密封结构布置在通风沟槽内并且限定与第二腔体流体连通的通风孔。帽布置在通风孔内以密封在与第一腔体的第一气压不同的第二气压处的第二腔体。本发明专利技术的实施例还涉及通过硅柱和智能帽实现晶圆级集成MEMS器件。

Wafer-Level Integrated MEMS Devices by Silicon Column and Smart Cap

The invention relates to a microelectromechanical system (MEMS) package and a method for realizing differential pressure regulation in a plurality of MEMS cavities at the wafer to wafer junction level. A device substrate comprising a first and a second MEMS device is bonded to a covering substrate comprising a first and a second concave region. The ventilation groove is transversely spaced from the recess area and is located in the second chamber. The sealing structure is arranged in the ventilation groove and confines the ventilation holes connected with the second chamber fluid. The cap is arranged in the ventilation hole to seal the second chamber at the second pressure different from the first pressure of the first chamber. The embodiment of the present invention also relates to wafer-level integrated MEMS devices realized by a silicon column and a smart cap.

【技术实现步骤摘要】
通过硅柱和智能帽实现晶圆级集成MEMS器件
本专利技术的实施例涉及通过硅柱和智能帽实现晶圆级集成MEMS器件。
技术介绍
诸如加速计、陀螺仪、压力传感器和麦克风的微机电系统(MEMS)器件已发现广泛地用在许多现代电子器件中。例如，MEMS加速计常见用于汽车(例如，安全气囊系统中)、平板电脑或智能手机中。MEMS器件可以在晶圆至晶圆接合工艺中进行有利地接合，并且对于一些应用，需要将各种MEMS器件集成到一个MEMS封装件中。这些可能包括一些需要不同环境压力条件的MEMS传感器。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种微机电系统(MEMS)封装件，包括：器件衬底，包括第一微机电系统器件和第二微机电系统器件；覆盖衬底，接合至所述器件衬底，所述覆盖衬底包括第一凹进区和第二凹进区，其中，所述第一凹进区限定与所述第一微机电系统器件相关联的第一腔体的上部，所述第二凹进区限定与所述第二微机电系统器件相关联的第二腔体的上部；通风沟槽，与所述第二凹进区横向地间隔开；密封结构，布置在所述通风沟槽内并且包括：衬里结构，限定与所述第二腔体流体连通的通风孔；以及帽，布置在所述通风孔内并且配置为密封第二气压处的所述第二腔体，其中，所述第二气压不同于所述第一腔体的第一气压。本专利技术的另一实施例提供了一种制造微机电系统(MEMS)封装件的方法，包括：形成覆盖衬底，在所述覆盖衬底内包括通风沟槽；在所述通风沟槽内形成密封结构，所述密封结构包括衬里结构，其中，所述衬里结构限定延伸至从所述覆盖衬底的下表面测量的第一高度的通风孔；形成与所述密封结构横向地间隔开的第一凹进区和第二凹进区，其中，凹进区的最上部位于小于所述第一高度的第二高度处；提供器件衬底，其中，所述器件衬底包括第一微机电系统(MEMS)器件和第二微机电系统器件；将所述覆盖衬底接合至所述器件衬底，从而气密地密封与所述第一微机电系统器件和所述第一凹进区相关联的第一气压处的第一腔体，并且限定与所述第二微机电系统器件和所述第二凹进区相关联的第二腔体，并且所述第二腔体与所述通风孔流体流通；以及通过所述通风孔调节所述第二腔体中的气压，并气密地密封第二气压处的所述通风孔，其中，所述第二气压不同于所述第一腔体的所述第一气压。本专利技术的又一实施例提供了一种制造微机电系统(MEMS)封装件的方法，包括：提供器件衬底，其中，所述器件衬底包括第一微机电系统(MEMS)器件和第二微机电系统器件；形成包括通风沟槽的覆盖衬底；在所述通风沟槽内形成密封结构，所述密封结构限定延伸穿过所述覆盖衬底的通风孔；在所述覆盖衬底内形成第一凹槽和第二凹槽，凹槽与所述通风沟槽横向地间隔开，并且分别从所述覆盖衬底的下表面延伸至所述覆盖衬底内的第一高度和第二高度；将所述器件衬底接合至所述覆盖衬底，从而气密地密封与所述第一微机电系统器件和所述第一凹槽相关联的第一腔体，并且限定与所述第二微机电系统器件和所述第二凹槽相关联的第二腔体，并且所述第二腔体与所述通风孔流体连通；将所述第二腔体的气压调节至第二气压；以及气密地密封所述第二气压处的所述通风孔，其中，所述第二气压不同于所述第一腔体的第一气压。附图说明当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本专利技术的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。图1示出多腔多压力MEMS封装件的一些实施例的截面图。图2示出根据一些其他实施例的MEMS封装件的截面图。图3A-图3D示出图1的密封结构的一些更详细的实施例的一系列截面图。图4-图21示出各个制造阶段处的MEMS封装件的一些实施例的一系列截面图。图22示出图4-图21的方法的一些实施例的流程图。具体实施方式本专利技术提供了许多用于实现本专利技术的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本专利技术。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本专利技术可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。此外，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。甚至更多地，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅是通用标识符，并且因此可以在各个实施例中互换。例如，尽管在一些实施例中元件(例如开口)可以称为“第一”元件，但是在其他实施例中，该元件可以称为“第二”元件。可以将多个MEMS器件集成到最近几代MEMSIC中的相同的集成芯片上。例如，运动传感器用于诸如智能手机、平板电脑、游戏控制台、智能电视等消费电子产品中和汽车碰撞检测系统中的运动激活的用户界面。为了捕捉三维空间内的完整的运动范围，运动传感器通常结合使用加速计和陀螺仪。加速计检测直线运动。陀螺仪检测角运动。为了满足消费者对低成本、高质量和小器件占有面积的需求，加速计和陀螺仪可以由集成在相同衬底上的微机电系统(MEMS)器件形成。尽管它们共享相同的衬底，并且因此具有相同的制造工艺，但是加速计和陀螺仪利用不同的操作条件。例如，通常将陀螺仪封装在低压环境或真空中以获得最佳性能。相反，通常将加速计封装在预定的压力(例如1个大气压)处以产生平滑的频率响应。用于多腔多压力MEMS器件芯片的传统制造技术通常依赖于覆盖衬底至器件衬底的芯片至芯片接合，以便实现多个腔之间的精确且有差异的压力控制。与使用在此描述的方法的晶圆至晶圆接合相比，这样的工艺是低效的。然而，当试图进行晶圆至晶圆接合时，如果没有本文所公开的气压调节通风孔(vent)和密封系统的帮助，则精确地设定腔体压力变得复杂，并且可能由于粘合剂或其他材料的后接合脱气而进一步受到影响。本文公开的解决方案保留了MEMS器件衬底和覆盖衬底之间的晶圆至晶圆接合，并且提供了通风孔以在接合的晶圆级处独立地调节各个MEMS器件的腔体压力。此外，通常需要通过MEMS腔体的气密密封而构建导电路径，以便将MEMS器件电连接至所包含的MEMS封装件外侧的外部电路。本文公开的解决方案进一步提供了一种导电硅柱，其从通风孔横向偏移并且位于MEMS腔体内，以提供穿过覆盖衬底的电路径。额外地，本文所公开的晶圆至晶圆接合解决方案既用于气密地密封通风的MEMS腔体，并且又用于将MEMS器件电连接至导电硅柱。本专利技术涉及一种MEMS封装件，其包括集成在一个衬底上的多个MEMS器件。该MEMS封装件包括器件衬底以及接合至该器件衬底的覆盖衬底，其中，该器件衬底包括第一MEMS器件和第二MEMS器件。覆盖衬底包括封闭与第一MEMS器件相关联的第一腔体的第一凹进区和封闭与第二MEMS器件相关联的第二腔体的第二凹进区。覆盖衬底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机电系统(MEMS)封装件，包括：器件衬底，包括第一微机电系统器件和第二微机电系统器件；覆盖衬底，接合至所述器件衬底，所述覆盖衬底包括第一凹进区和第二凹进区，其中，所述第一凹进区限定与所述第一微机电系统器件相关联的第一腔体的上部，所述第二凹进区限定与所述第二微机电系统器件相关联的第二腔体的上部；通风沟槽，与所述第二凹进区横向地间隔开；密封结构，布置在所述通风沟槽内并且包括：衬里结构，限定与所述第二腔体流体连通的通风孔；以及帽，布置在所述通风孔内并且配置为密封第二气压处的所述第二腔体，其中，所述第二气压不同于所述第一腔体的第一气压。

【技术特征摘要】
2017.11.28 US 15/823,9691.一种微机电系统(MEMS)封装件，包括：器件衬底，包括第一微机电系统器件和第二微机电系统器件；覆盖衬底，接合至所述器件衬底，所述覆盖衬底包括第一凹进区和第二凹进区，其中，所述第一凹进区限定与所述第一微机电系统器件相关联的第一腔体的上部，所述第二凹进区限定与所述第二微机电系统器件相关联的第二腔体的上部；通风沟槽，与所述第二凹进区横向地间隔开；密封结构，布置在所述通风沟槽内并且包括：衬里结构，限定与所述第二腔体流体连通的通风孔；以及帽，布置在所述通风孔内并且配置为密封第二气压处的所述第二腔体，其中，所述第二气压不同于所述第一腔体的第一气压。2.根据权利要求1所述的微机电系统封装件，其中，所述通风孔从凹进区的最上部之上的高度延伸至所述覆盖衬底的下表面，并且配置为在所述覆盖衬底的上表面处通过所述帽进行密封。3.根据权利要求2所述的微机电系统封装件，其中，所述覆盖衬底配置为在晶圆至晶圆接合工艺中接合至所述器件衬底。4.根据权利要求3所述的微机电系统封装件，其中，所述器件衬底包括微机电系统衬底，电连接至所述微机电系统衬底的互连结构，以及包括半导体器件的半导体衬底，所述半导体器件电连接至所述互连结构。5.根据权利要求4所述的微机电系统封装件，其中，所述覆盖衬底还包括与所述第二微机电系统器件相关联的硅柱，其中，所述硅柱与所述通风沟槽和所述密封结构横向地间隔开并且与所述第二腔体横向地间隔开。6.根据权利要求5所述的微机电系统封装件，其中，所述硅柱通过包括绝缘结构的隔离沟槽与所述覆盖衬底电隔离。7.根据权利要求6所述的微机电系统封装件，其中，所述绝缘结构包括与所述硅柱的侧壁直接接触的第一氧化物层，设置在所述第一氧化物层上方并与所述硅柱的下表面直接接触的多晶硅层，以及与所述多晶硅层和所述隔离沟槽的侧壁直接接触的第二氧化物层。8.根据权利要求7所述的微机电系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毅家，林志旻，周正三，陈相甫，戴文川，沈靖凯，吴华书，胡凡，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71