MEMS器件封装方法及封装结构

技术领域

本发明涉及MEMS封装技术领域，特别涉及一种MEMS器件封装方法及封装结构。

背景技术

微机电系统(Micro-Electronic-Mechanical-System，MEMS)封装技术是MEMS研究领域中的一个重要研究方向，一方面封装可使MEMS器件避免受到灰尘、潮气等对可动结构的影响，另一方面通过真空或气密封装还可改变MEMS器件内部阻尼情况，提高产品的性能。

晶圆级封装技术是实现MEMS器件高性能、低成本和批量化的主要解决途径，其主要是在各个MEMS器件(Device)片上加装盖(Cap)片并对二者进行键合来完成封装，具体包括以下步骤：

首先，请参考图1A，在将器件晶圆102裸片通过氧化硅等键合层101键合到衬底晶圆100上，并进一步在器件晶圆102裸片上形成氧化硅等层间介质层103，并通过相应的光刻和刻蚀工艺，刻蚀层间介质层103，以在层间介质层103中制作出用于制作Al(铝)电极的电极沟槽103a。

接着，请参考图1B，采用溅射沉积等沉积工艺在电极沟槽103a和层间介质层103的表面上沉积一层Al，并采用用于形成Al电极104的光罩进行光刻并进一步结合刻蚀，以去除电极沟槽103a以外的多余Al，并在电极沟槽103a中形成Al电极104。

然后，请参考图1C，由于在刻蚀Al后，层间介质层103受到损伤，不利于后续下梳齿结构的刻蚀以及后续的晶圆键合，因此通常会去除受损的层间介质层103，并重新沉积一层氧化硅作为键合层103’，该键合层103’不仅覆盖在器件晶圆102上，还覆盖在Al电极104的表面上。

接着，请参考图1D，通过相应的光刻和刻蚀工艺，在键合层103’中形成用于制作下梳齿结构102a的图案，然后以键合层103’为掩膜，刻蚀器件晶圆102裸片，以在器件晶圆102裸片上制作出MEMS器件所需的下梳齿结构102a，此时下梳齿结构102a的顶部上还覆盖有键合层103’。

接着，请参考图1E，提供盖板晶圆105，并通过光刻和刻蚀工艺在盖板晶圆105上形成与Al电极104相对应并允许Al电极104被容纳在其中的电极引出框105a，将盖板晶圆105和器件晶圆102对准并通过键合层103’键合在一起，此时Al电极104插入到电极引出框105a中。

接着，请参考图1F，采用Al电极的制作光罩进行相应的光刻和刻蚀，来从盖板晶圆105背向器件晶圆102的一面打开盖板晶圆105的电极引出框，以形成暴露出Al电极104及其顶面上的键合层103’的开口105b，另外还需要进一步采用上梳齿结构105c所对应的光罩进行相应的光刻和刻蚀，以在盖板晶圆105对应下梳齿结构102a的区域中形成上梳齿结构105c，上梳齿结构105c中存在暴露出下梳齿结构102a顶面上的键合层103’的缝隙。

之后，请继续参考图1F，可以通过向上梳齿结构105c的缝隙中通入VHF(气态氟化氢)来将器件晶圆102的下梳齿结构102a顶部上的键合层103’刻蚀去除。

上述的MEMS器件封装工艺中，请参考图1C，由于在形成Al电极104之后，Al电极104和器件晶圆102裸片的表面存在台阶差，这种台阶差会影响后续重新形成的覆盖在器件晶圆102裸片和Al电极104表面上的键合层103’的覆盖性能，导致键合层103’的表面不平坦，且键合层103’用于键合的表面和Al电极104的顶面之间仍然会存在高度差H1，且因为Al电极104预先形成并要求具有相应的高度，由此造成在覆盖键合层103’后无法对键合层103’进行顶面平坦化。请参考图1D，无法对键合层103’进行顶面平坦化，会导致在刻蚀键合层103’和器件晶圆102来形成下梳齿结构102a之后，键合层103’的键合面上存在凹陷或凸起103b；请参考图1E和图1F，当将盖板晶圆105和器件晶圆102键合后，盖板晶圆105和器件晶圆102的键合界面处会存在空洞，这些空洞会降低盖板晶圆105和器件晶圆102的键合可靠性，而且之后在通过VHF将器件晶圆102的下梳齿结构102a上的键合层103’刻蚀去除时，VHF会对键合界面的空洞处的键合层103’进行侧掏(即侧向刻蚀)，使得空洞增大，进而在键合界面上形成缝隙103c，缝隙103c会造成盖板晶圆105从器件晶圆102上剥离的问题。

此外，请参考图1B，Al电极104的形成需要通过沉积、光刻和刻蚀工艺来实现，且请参考图1E和1F，还需要再次采用Al电极的制作光罩进行相应的光刻和刻蚀，来从盖板晶圆105背向器件晶圆102的一面打开盖板晶圆105的电极引出框，以形成暴露出Al电极104及其顶面上的键合层103’的开口105b，以在后续去除Al电极104顶面上的键合层103’，显然，需要形成被盖板晶圆105暴露出的Al电极104，需要先后两次使用Al电极的制作光罩进行光刻和刻蚀，工艺流程复杂且成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS器件封装方法及封装结构，能够简化工艺，降低成本，提高键合可靠性，并防止盖板晶圆从器件晶圆上剥离的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种MEMS器件封装方法，包括以下步骤：

提供器件晶圆，在所述器件晶圆的表面上覆盖键合介质层，并对所述键合介质层的顶面进行平坦化；

刻蚀所述键合介质层，以在所述键合介质层中形成电极沟槽；

采用剥离工艺在所述电极沟槽中形成电极，所述电极的顶面高于所述键合介质层的顶面；

刻蚀所述器件晶圆，以在所述器件晶圆中形成下梳齿结构；

提供具有电极引出框的盖板晶圆，将所述盖板晶圆键合到所述键合介质层上，且所述电极插入到所述电极引出框中；

刻蚀所述盖板晶圆，以暴露出所述电极的顶面并在所述盖板晶圆中形成上梳齿结构，所述上梳齿结构中的至少一条缝隙暴露出下方的所述键合介质层；

通过所述上梳齿结构中的缝隙，去除所述下梳齿结构上的键合介质层。

可选地，所述键合介质层包括氧化硅；所述电极包括钨、铝、钛、铜、金、镍、铬、钽、钴、钼、多晶硅和掺杂的单晶硅中的至少一种。

可选地，在形成所述电极之后且在将所述盖板晶圆键合到所述键合介质层上之前，还包括：对所述器件晶圆进行湿法清洗。

可选地，向所述缝隙中通入气相刻蚀剂，来去除所述下梳齿结构上的键合介质层。

可选地，所述气相刻蚀剂包括气相氟化氢。

可选地，在所述器件晶圆的表面上覆盖键合介质层之前，或者，在将所述盖板晶圆键合到所述键合介质层上之后，还包括：将所述器件晶圆背向所述盖板晶圆的表面键合到一衬底晶圆上。

可选地，所述衬底晶圆和/或所述盖板晶圆为形成有CMOS器件的晶圆。

基于同一发明构思，本发明还提供一种MEMS器件封装结构，采用本发明所述MEMS器件封装方法形成，所述MEMS器件封装结构包括：

器件晶圆部分，所述器件晶圆部分形成有下梳齿结构，且在所述下梳齿结构外围的所述器件晶圆部分的表面上覆盖有键合介质层，所述键合介质层中形成有电极沟槽，所述电极沟槽中形成有顶面高于所述键合介质层顶面的电极；

盖板晶圆部分，所述盖板晶圆键合在所述键合介质层上，且所述盖帽晶圆部分中具有电极引出框以及上梳齿结构，所述电极插入到所述电极引出框中。

可选地，所述的MEMS器件封装结构，还包括衬底晶圆部分，所述衬底晶圆部分键合在所述器件晶圆部分背向所述盖板晶圆部分的表面上。

可选地，所述下梳齿结构包括MEMS谐振器、MEMS陀螺仪、MEMS红外传感器、MEMS加速度计和MEMS磁力计中的至少一种MEMS器件所需的机械微结构。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、在所述器件晶圆的表面上覆盖键合介质层之后且在形成电极沟槽之前，对所述键合介质层的顶面进行平坦化，由此可以改善键合介质层用于键合的表面的平整度，避免键合后的盖板晶圆和相应的键合界面之间产生空洞而降低键合可靠性的问题。

2、由于键合介质层用于键合的表面的平整度得到改善，键合后的盖板晶圆和相应的键合界面之间不存在空洞，因此在后续将下梳齿结构上的键合介质层刻蚀掉的过程中，可以降低刻蚀剂对相应的键合界面的键合介质层的侧向刻蚀量，由此能保证在去除下梳齿结构上的键合介质层之后，器件晶圆和盖板晶圆之间的键合界面处有足够多的键合介质层，进而保证键合可靠性，防止盖板晶圆从器件晶圆上剥离的问题。

3、由于使用剥离(lift off)工艺来在电极沟槽中形成电极，由此可以在键合前省去电极层刻蚀的步骤，且形成的电极的顶部上不再覆盖有多余的键合介质层，继而在键合后能省去刻蚀去除电极顶部多余的键合介质层来重新暴露出电极的步骤，由此简化了工艺并降低了成本，且还可以保证电极的形成不会影响在先形成的键合介质层的表面平整度，从而进一步可以直接利用在电极之前形成的键合介质层来键合盖板晶圆和器件晶圆，并保证键合可靠性。

附图说明

图1A至图1F是现有的一种MEMS器件封装方法中的器件剖面结构示意图；

图2是本发明具体实施例的MEMS器件封装方法的流程示意图；

图3A至图3H是图2所示的MEMS器件封装方法中的器件剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图2，本发明一实施例提供一种MEMS器件封装方法，包括以下步骤：

S1，提供器件晶圆，在所述器件晶圆的表面上覆盖键合介质层，并对所述键合介质层的顶面进行平坦化；

S2，刻蚀所述键合介质层，以在所述键合介质层中形成电极沟槽；

S3，采用剥离工艺在所述电极沟槽中形成电极，所述电极的顶面高于所述键合介质层的顶面；

S4，刻蚀所述器件晶圆，以在所述器件晶圆中形成下梳齿结构；

S5，提供具有电极引出框的盖板晶圆，将所述盖板晶圆键合到所述键合介质层上，且所述电极插入到所述电极引出框中；

S6，刻蚀所述盖板晶圆，以暴露出所述电极的顶面并在所述盖板晶圆中形成上梳齿结构，所述上梳齿结构中的至少一条缝隙暴露出下方的所述键合介质层；

S7，通过所述上梳齿结构中的缝隙，去除所述下梳齿结构上的键合介质层。

请参考图3A，在步骤S1中，提供器件晶圆202的步骤包括：首先，提供衬底晶圆200与器件晶圆202，两晶圆的选材可以是本领域技术人员所熟知的任意合适的材料，例如硅晶圆、绝缘体上硅(SOI)晶圆等，衬底晶圆200中可以形成有MOS晶体管(未图示)、金属互连结构等，此时衬底晶圆200为CMOS晶圆；然后，通过热氧化或者气相沉积等工艺在衬底晶圆200上形成氧化硅等材质的键合介质层201，并对其顶面平坦化，还可以进一步通过光刻结合刻蚀的工艺将键合介质层201图案化，键合介质层201一方面将衬底晶圆200正面的MOS晶体管(未图示)、金属互连结构等电绝缘，另一方面还用于在后续将衬底晶圆200和器件晶圆202可靠地键合在一起；接着，采用熔融键合等合适的键合工艺，使得器件晶圆202键合到键合层201上。在本发明的其他实施例中，衬底晶圆200面向器件晶圆202的一面上还可以设有下空腔，用于给后续在器件晶圆202中形成的微结构提供向下活动的空间。在本发明的其他实施例中，衬底晶圆200背向器件晶圆202的一面上还可以形成有漏气孔(未图示)，以实现高真空和大气压封装，可满足MEMS陀螺、加速度计等不同真空封装要求的MEMS器件多轴集成的需要。

需要说明的是，本发明的技术方案并不仅仅上述举例，即提供的器件晶圆202足够厚时，也可以不用键合到衬底晶圆200上，即在步骤S1中可以仅仅提供器件晶圆202，此时器件晶圆202例如是绝缘体上硅晶圆等。当仍需要衬底晶圆200时，可以在后续将器件晶圆201和盖板晶圆键合到一起后，再在器件晶圆202的背面上键合衬底晶圆200。

请参考图3A和3B，在步骤S1中，接着可以采用热氧化工艺、化学气相沉积或旋涂等工艺，在器件晶圆202的表面上覆盖一定厚度H0的键合介质层203，并可以采用化学机械抛光(CMP)工艺对所述键合介质层203的顶面进行平坦化，该平坦化工艺不仅提高键合介质层203的顶面平整度，还会将键合介质层203的厚度从H0减薄至H1。平坦化后的键合介质层203在后续至少起到以下几个作用：(1)在步骤S2和步骤S3中相应的刻蚀工艺中作为刻蚀保护层，以保护下方的器件晶圆202；(2)用于步骤S2中形成电极的电极沟槽；(3)用于在步骤S5中将盖板晶圆和器件晶圆202键合在一起。因此本步骤中平坦化后的键合介质层203的厚度需要合理控制，不能过厚，也不能过薄，过厚会不利于后续去除微结构上方的多余键合介质层且会影响最终的产品的盒厚，过薄会影响键合性能。所述键合介质层203可以包括氧化硅。

请参考图3C，在步骤S2中，首先，可以在键合介质层203的表面上涂覆光刻胶，并采用用于制作Al电极的光罩，对光刻胶进行曝光、显影等光刻处理，以图案化所述光刻胶；然后以图案化的光刻胶为掩膜，刻蚀键合介质层203至暴露出器件晶圆202的表面，以在键合介质层203中形成电极沟槽203a，之后去除光刻胶。

请参考图3D，在步骤S3中，采用剥离工艺在电极沟槽203a中形成电极，具体过程包括：首先，在电极沟槽203a和剩余的键合介质层203的表面上涂布光刻胶，并对涂布的光刻胶进行图形化曝光，显影除去多余的光刻胶，形成图形化的光刻胶，该图形化的光刻胶暴露出电极沟槽203a中用于形成电极的区域且保护其他区域。然后，以该图形化的光刻胶为掩膜，带胶蒸镀或溅射所需的电极材料或者气相沉积所需的电极材料，然后在去除图形化的光刻胶的同时，把光刻胶上的电极材料一起剥离干净，在器件晶圆202和键合介质层203上只剩下电极沟槽203b中的电极材料，由此得到形成于电极沟槽203a中的电极。其中，所述电极的材料可以包括钨、铝、钛、铜、金、镍、铬、钽、钴、钼、多晶硅和掺杂的单晶硅中的至少一种。作为一种示例，所述电极包括依次层叠的钛层204和铝层205。钛层204能够增强铝层205和器件晶圆202之间的粘附性。之后，可以对所述器件晶圆202进行湿法清洗，以去除一并剥离光刻胶和多余的电极材料时产生的残留物。作为一种示例，形成的电极的侧壁和电极沟槽203a的侧壁之间具有缝隙203b，以降低电极处的寄生电容等寄生参数，提高器件性能。

请参考图3E，在步骤S4中，首先，可以在键合介质层203、电极以及缝隙203b的表面上涂覆光刻胶，并采用用于制作下梳齿结构202a的光罩，对光刻胶进行曝光、显影等光刻处理，以图案化所述光刻胶；然后以图案化的光刻胶为掩膜，依次刻蚀键合介质层203和器件晶圆202至暴露出键合介质层201的表面，以在器件晶圆202中形成下梳齿结构202a，之后去除光刻胶，此时，下梳齿结构202a的顶面上还覆盖有键合介质层203c。

请参考图3F，在步骤S5中，首先，提供盖板晶圆206，盖板晶圆206的选材可以是本领域技术人员所熟知的任意合适的材料，例如硅晶圆、绝缘体上硅(SOI)晶圆等，盖板晶圆206上形成有电极引出框206a，该电机引出框206a为不穿透盖板晶圆206的开口。此外，盖板晶圆206中可以形成有MOS晶体管(未图示)、金属互连结构等，此时盖板晶圆206为CMOS晶圆。然后，采用熔融键合等合适的键合工艺，使得盖板晶圆206键合到下梳齿结构202a外围的键合介质层203上，此时盖板晶圆206的电极引出框206a也可以看作为梳齿缝，电极看作为梳齿，电极插入到盖板晶圆206的电极引出框206a中，且电极和电极引出框206a的侧壁之间具有缝隙，以保证盖板晶圆206和电极之间相互绝缘，且降低寄生参数。当键合介质层203足够厚时，在键合后，键合介质层203还能起到支撑柱的作用，以增大盖板晶圆206和器件晶圆202之间的空腔的高度。

请参考图3F和3G，在步骤S6中，首先，可以在盖板晶圆206背向器件晶圆202的表面上涂覆光刻胶，并采用用于制作Al电极的光罩，对光刻胶进行曝光、显影等光刻处理，以图案化所述光刻胶；然后以图案化的光刻胶为掩膜，依次刻蚀盖板晶圆206以形成打开电极引出框206a的开口206b，开口206b暴露出Al层205的顶面，之后去除光刻胶；接着，再次在开口206b、电极和盖板晶圆206的表面上涂覆光刻胶，并采用用于制作上梳齿结构206c的光罩对光刻胶进行光刻，以形成具有上梳齿结构206c图案的光刻胶，以具有上梳齿结构206c的光刻胶为掩膜，刻蚀盖板晶圆206至暴露出键合介质层203c的顶面，以在盖板晶圆206中形成上梳齿结构206c，即此时形成的上梳齿结构206c中的缝隙206d对准下梳齿结构202a，以将下梳齿结构202a的顶面上覆盖的键合介质层203c暴露出来。

需要的说明的是，在本发明的其他一些实施例中，在步骤S5中，也可以在盖板晶圆206中形成贯穿盖板晶圆206的电极引出框206a，由此在步骤S6中省略借助用于制作Al电极的光罩对盖板晶圆206进行光刻和刻蚀以重新暴露出电极的工艺。在本发明的其他另一些实施例中，在步骤S5中，在盖板晶圆206中形成的电极引出框206a仍然未贯穿盖板晶圆206，在步骤S6中采用电极沟槽图案和上梳齿结构206c的图案合二为一的光罩，来对盖板晶圆206进行一次光刻和刻蚀，以在形成上梳齿结构206c的同时重新暴露出电极，由此也能简化工艺，降低成本。

请参考图3G和3H，在步骤S7中，可以通过向上梳齿结构206c中的缝隙206d中通入气相刻蚀剂，来去除所述下梳齿结构202a上的键合介质层203a。所述气相刻蚀剂包括气相氟化氢(VHF)，键合介质层203c和气相氟化氢反应能生成气体物质，从而可以通过气体流通而带出空腔外。选择气相刻蚀剂来去除多余的键合介质层203c，可以有利于键合介质层203c刻蚀后的生成物和残留容易被带出空腔，进而保证盖板晶圆206和器件晶圆202之间的空腔的性能。在气相氟化氢(VHF)刻蚀去除多余的键合介质层203c之后，可以采用不与器件晶圆202和盖帽晶圆206反应的惰性气体来冲洗器件晶圆202和盖帽晶圆206之间的空腔，惰性气体可以包括氨气、氮气、氢气、氦气、氩气等中的至少一种。

需要说明的是，上梳齿结构206c和下梳齿结构202a主要是为了说明盖板晶圆206和器件晶圆202被图案化，具有贯穿晶圆上下面的开口，这些开口可以是孔，也可以是沟槽，上梳齿结构206c和下梳齿结构202a可以是常规的梳齿结构，但并不仅仅限定于这一种图案结构。例如具有上梳齿结构206c的盖板晶圆206的结构，除了电极引出框以外，可以仅仅具有一些贯穿盖板晶圆206的圆柱形的释放孔(该释放孔为用于去除键合介质层203c的缝隙)，盖板晶圆206整体上还是呈一片，且可移动性较低，再例如具有上梳齿结构206c的盖板晶圆206的结构，除了电极引出框以外，也可以具有一些盖板晶圆206的沟槽型的长狭缝(该狭缝为用于去除键合介质层203c的缝隙)，这些狭缝将盖板晶圆206划分为多个片体，有的片体的移动性较高，有的片体可移动性较低，此时至少部分上梳齿结构206c可以作为MEMS器件的可移动微结构，这种方案将释放孔和可移动微结构的制作合二为一，简化了工艺。再例如，具有上梳齿结构206c的盖板晶圆206的结构，除了电极引出框以外，还具有贯穿盖帽晶圆206的释放孔以及沟槽(该释放孔和沟槽均为用于去除键合介质层203c的缝隙)。基于同一发明构思，请参考图3H，本实施还提供一种MEMS器件封装结构，采用本实施例所述MEMS器件封装方法形成，所述MEMS器件封装结构包括器件晶圆202部分和盖板晶圆206部分，且器件晶圆202部分和盖板晶圆206部分可以是完整的晶圆，也可以是晶圆键合后进一步切割出来的晶粒。其中，器件晶圆202部分中形成有下梳齿结构202a，且在所述下梳齿结构202a外围的所述器件晶圆202部分的表面上覆盖有键合介质层203，所述键合介质层203中形成有电极沟槽(请参考图3C中的203a)，所述电极沟槽中形成有顶面高于所述键合介质层203顶面的电极(包括依次层叠的Ti层204和Al层205)。盖板晶圆206部分键合在所述键合介质层203上，且所述盖帽晶圆206部分中具有上梳齿结构206c和电极引出框206b，所述电极插入到所述电极引出框206b中，且电极的侧壁与电极引出框206b和电极沟槽203a的侧壁之间均具有间隙。可选地，上梳齿结构206c之间的缝隙206d与相应的下梳齿结构202a一一对准，至少部分上梳齿结构206c可以作为MEMS器件的可移动微结构。

可选地，所述的MEMS器件封装结构还包括衬底晶圆200部分，所述衬底晶圆200部分键合在所述器件晶圆202部分背向所述盖板晶圆206部分的表面上。可选地，所述下梳齿结构202a包括MEMS谐振器、MEMS陀螺仪、MEMS红外传感器、MEMS加速度计和MEMS磁力计中的至少一种MEMS器件所需的机械微结构。

综上所述，本发明的MEMS器件封装方法及封装结构，在所述器件晶圆的表面上覆盖键合介质层之后且在形成电极沟槽之前，对所述键合介质层的顶面进行平坦化，由此可以改善键合介质层用于键合的表面的平整度，避免键合后的盖板晶圆和相应的键合界面之间产生空洞而降低键合可靠性的问题。且由于键合介质层用于键合的表面的平整度得到改善，键合后的盖板晶圆和相应的键合界面之间不存在空洞，因此在后续将下梳齿结构上的键合介质层刻蚀掉的过程中，可以降低刻蚀剂对相应的键合界面的键合介质层的侧向刻蚀，由此能保证在去除下梳齿结构上的键合介质层之后，器件晶圆和盖板晶圆之间的键合界面处有足够多的键合介质层，进而保证键合可靠性，防止盖板晶圆从器件晶圆上剥离的问题。而且由于使用剥离工艺来在电极沟槽中形成电极，由此可以在键合前省去电极层刻蚀的步骤，且形成的电极的顶部上不再覆盖有多余的键合介质层，继而在键合后能省去刻蚀去除电极顶面上多余键合介质层来重新暴露出电极的步骤，由此简化了工艺并降低了成本，且还可以保证电极的形成不会影响在先形成的键合介质层的表面平整度，从而进一步可以直接利用在电极之前形成的键合介质层来键合盖板晶圆和器件晶圆，并保证键合可靠性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。