专利名称：具有侧壁泄露保护的mems器件封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS器件，并且更具体地涉及一种已封装器件的形成。
背景技术：
MEMS技术被越来越多地应用在集成电路中。然而，由于难以提供合适且低成本的封装，许多产品概念没有在实践中执行。由于MEMS器件因活动部件而易损坏并且器件性能受杂质的影响，因此在器件的最终用途以及在晶片划片和键合期间(当单独的器件从其上形成有器件阵列的衬底分离时)利用这种封装来保护所述器件。许多因素导致了 MEMS器件和系统封装中的高成本。三个主要因素如下-对于MEMS系统尺寸小于几毫米、具有复杂几何形状的零部件的合适封装和高效装配需要特殊的工具和夹具。-MEMS器件和系统的高度多样性要求从一个产品到另一个产品显著变化地可靠封装。例如，用于密封的真空封装在许多情况下是必要的。-MEMS器件和系统中的小尺寸零部件在封装和装配中造成了许多独特的问题。有许多用于封装MEMS器件的技术-使用现成的封装并且小心处理的技术；-在已完成的MEMS器件的顶部上附着分离的封帽(s印aratecap)，通常是玻璃或者娃；-集成的晶片级封装。现成部件的选择是昂贵并且费时的过程。使用分离的封帽要求封帽晶片(capping wafer)，所述封帽晶片典型地包括由玻璃或者硅形成的预制腔体。然后使用玻璃浆料键合的阳极，因为后端兼容工艺温度 (4000C )优于在高得多的温度下(1000°C )的熔融键合。如果在真空室中执行所述键合则可以实现腔体内的真空。该方法需要求片键合和倒装芯片对准设备。集成晶片级解决方法包含采用标准表面微机械加工技术制造封帽。与采用独立制造的封帽相比，该方法消耗更小的面积并且芯片高度能够保持更低。如果封装足够强，还可以像常规集成电路一样进一步封装MEMS芯片，这样节省了成本。此外，这样允许了与CMOS 工艺集成的可能性。在晶片级封装工艺中，使用常规工艺步骤在带有封装壳(encapsulation shell) 的腔体内部构建了 MEMS结构。由于较小的空气阻尼，对于大多数MEMS结构，例如谐振器， Q因子在较低的压力下增大。这意味着封装壳的一种规范是它必须是密封的以避免Q因子随时间减小。对于帽层的一种优选沉积工艺应该是PECVD沉积。然而，当用作帽层时，大多数 PECVD层在腔体的侧壁上泄漏。采用低压化学气相沉积(LPCVD)层可以克服该问题，但是可用的不同材料遇到不同的问题。最常用的LPCVD层是TE0S、氮化硅、多晶硅和SiGe。
TEOS的缺点是它在最常用作牺牲层刻蚀剂的HF(蒸汽HF)中刻蚀很快。因此，由于不与用于牺牲层的刻蚀工艺兼容，采用TEOS作为帽层导致了许多额外并且困难的步骤。氮化硅在HF中的刻蚀速率较低，但是如果采用蒸汽HF则会留下刻蚀残留物。因为几乎没有水参与并且水的数量可控，蒸汽HF特别地用于MEMS结构的释放。当后来干燥谐振器时，水会造成静摩擦。当使用液态HF时，需要利用特殊的干燥工艺来克服这种静摩擦。诸如多晶硅和SiGe之类的层几乎不受HF或者蒸汽HF的影响，但是如果帽层与 MEMS器件之间的空间受到限制，则它们是导电的并且干扰MEMS器件性能。此外，如果使用导电层，则需要额外的掩模来隔离不同的键合焊盘。本发明涉及一种用于形成MEMS器件封装的改进的集成方法。
发明内容
根据本发明，提供了一种制造MEMS器件的方法，所述方法包括形成MEMS器件元件；在器件元件上形成已构图牺牲层；在牺牲层上形成分隔层；刻蚀分隔层，以便限定邻近牺牲层外侧壁的分隔部分(spacer portion)以及从牺牲层的顶部完全去除分隔层；在牺牲层和分隔部分上形成封装覆盖层；在封装覆盖层中限定至少一个开口 ；通过至少一个开口(M、38)去除牺牲层，从而在器件元件上形成封装空间；以及密封至少一个开口。该方法提供了一种采用标准制造工艺在MEMS器件元件上形成密闭腔体的方法。 所述分隔层提供了腔体侧壁周围的改进密封，提高了器件的寿命。这意味着可以利用PECVD 沉积帽层，并且可以不考虑任何侧壁泄漏问题来选择材料。例如可以选择覆盖层材料具有非常低的导电性，使得MEMS器件的电性能不受损害。此外，可以选择所述覆盖层在经受期望牺牲层刻蚀工艺时引起最少的问题。利用附加分隔部分解决任何潜在的侧壁泄漏问题。利用LPCVD工艺可以形成分隔层并且分隔层刻蚀可以包括等离子刻蚀。这意味着不需要附加的掩模步骤来构图分隔部分。所述牺牲层可以包括氧化层，例如二氧化硅。它可以利用标准HF工艺去除，优选地采用HF气相刻蚀。所述封装覆盖层可以利用PECVD工艺沉积并且可以例如包括碳氮化硅(SiCN)。它具有低导电性并且因此不影响下面MEMS器件的电性能。本发明还提供了一种已封装的MEMS器件，所述器件包括MEMS器件元件；MEMS器件元件上的腔体，其中所述腔体具有沿其外围的分隔部分；封装覆盖层，设置在腔体和分隔部分上；以及在封装覆盖层中的密封牺牲刻蚀开口。
现在将参考附图描述本发明的示例，其中图1用于阐释晶片级封装工艺的侧壁问题；图2用于阐释本发明的概念；以及图3示出了根据本发明所述的制造工艺示例以及已完成的本发明所述MEMS器件。
具体实施例方式本发明提供了一种制造MEMS器件的方法，其中在MEMS器件元件上形成了密闭腔体。除了封装覆盖层以外所述腔体具有侧壁。图1用于阐释晶片级封装工艺的侧壁问题。图1示出了由衬底10、氧化层11和帽层13组成的示例结构，以利用PECVD形成的 SiCN层的形式。所述氧化层11代表腔体并且用于使能穿透所示出的帽层13。图1的下半部分示出了 2张在暴露于HF蒸汽5分钟后同一叠层的截面SEM(扫描电子显微镜)图片。左侧和右侧图像示出了不同的旋转角度。左侧图像给出了粗糙(多孔)的SiCN侧壁的较好视图。右侧图像给出了通过蒸汽HF去除了侧壁上的氧化物的较好视图。因此可以看出，HF刻蚀严重地侵害了所述结构侧壁上的氧化物。这意味着SiCN在侧壁上不够密封，以阻止HF通过。图2用于阐释本发明的概念。示例结构具有衬底10、氧化层11和帽层13，再次以利用PECVD形成的SiCN层的形式。此外，在由氧化物10限定的腔体的外部周围形成了多晶硅分隔侧壁15。图2的下半部分再次示出了 2张在暴露于HF蒸汽30分钟后同一叠层的截面SEM 图片。可以看出，没有氧化物被去除，因此多晶硅分隔防止了 HF刻蚀氧化物侧壁。本发明基于使用这种附加分隔层来提供改进的腔体侧壁密封。图3示意地示出了本发明的方法。图3a示出了一个已完成的表面微加工器件，在本示例中以谐振器的形式示出。所述器件包括硅衬底10、用于形成谐振器块下面的腔体的氧化硅层12以及形成在硅层16中的谐振器块14。MEMS器件的制造不需要被本发明改变，并且可以使用任何传统技术。所述MEMS器件例如可以是谐振器、电容器或者开关。典型地，所述器件具有需要由封装小心地保护的活动部分，在本示例中所述器件具有悬置谐振器块14。沉积并且构图牺牲层20来在MEMS器件上形成岛(island)，如图Ib所示。这也是由氧化硅构成，使得通过相同的工艺刻蚀所述牺牲层20和层12。所述牺牲层可以是不同的材料，并且可以不被蒸汽HF去除。例如，它可以是被氧等离子体去除的聚合物。图Ic示出了例如由多晶硅、多晶SiGe或者其他LPCVD层构成的分隔层的形成。等离子刻蚀所述分隔以便形成沿牺牲层20外围的分隔部分23，如图Id所示。这些分隔部分 23因而围绕所述牺牲层的外侧壁，并且因此限定了腔体区域(在去除所述牺牲层之后)的外围。从牺牲层的顶部完全去除分隔层，使得没有在MEMS器件(梁14)上并且因此不影响器件的电性能。等离子刻蚀是无掩模步骤，因此附加加工成本很低。沉积多晶硅的封装帽层M用于形成封装壳，并且如图Ie所示构图释放孔 (release hole) 25。使用 PECVD 工艺。通过释放孔25去除牺牲层20配置用于如图If所示释放机械微结构。这样在MEMS 器件的上方限定了腔体26。这样还去除了部分二氧化硅层12来在MEMS器件的下方形成第二腔体观。然而，该第二腔体可以利用分离的工艺形成，所述分离的工艺作为如图Ia所示结构形成的一部分。在这种情况下，层12和20可以是不同的，并且牺牲刻蚀可以仅去除层20。当然，这样需要不同的刻蚀化学试剂用于两层12、20，或者在已经释放的MEMS结构的上方沉积牺牲层。然后通过覆盖密封层30密封所述刻蚀释放孔25，给出如图Ig所示的结构。它可以是诸如铝的PVD(物理气相沉积)层。在低压下应用所述密封层使得在期望的低压下密封所述腔体。本发明引入的附加步骤是无掩模步骤，因此在工艺流程中几乎没有引入附加花费。所述分隔可以由在半导体制造中用作分隔刻蚀的标准材料构成。本发明的一个主要应用是MEMS谐振器。这些谐振器可以用来代替晶体振荡器用于定时基准目的。已经按照SiC讨论了上述帽层。如果使用不同的释放刻蚀，诸如SiN、Si&的其他材料是合适的。也可以使用诸如Al的PVD层。通常PVD层具有较差的台阶覆盖并且也将在侧壁处泄漏，因此本发明有利于这种材料的使用。本领域普通技术人员应该理解诸如陀螺仪和加速度计的各种其他改变。
权利要求
1.一种制造MEMS器件的方法，包括 形成MEMS器件元件(14)；在器件元件(14)上方形成已构图牺牲层00)； 在牺牲层上方形成分隔层(13)；刻蚀分隔层(13)，以限定邻近牺牲层00)外侧壁的分隔部分以及从牺牲层OO) 的顶部完全去除分隔层(13)；在牺牲层OO)和分隔部分上形成封装覆盖层04)； 在封装覆盖层04)中限定至少一个开口 05)；通过所述至少一个开口 05)去除牺牲层(20)，从而在器件元件(14)上形成封装空间；以及密封所述至少一个开口(25)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述分隔层(1 利用LPCVD工艺形成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述分隔层刻蚀包括等离子刻蚀。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述牺牲层OO)包括氧化层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述牺牲层OO)包括二氧化硅。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述封装覆盖层04)利用PECVD工艺沉积。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述封装覆盖层04)包括SiCN。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中去除所述牺牲层OO)包括HF气相工艺。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述MEMS器件元件(14)包括开关、电容器或者谐振器。
10.一种已封装的MEMS器件，包括 MEMS器件元件(14)；MEMS器件元件上的腔体(沈)，其中所述腔体06)具有沿其外围的分隔部分03)； 封装覆盖层(M)，设置在所述腔体06)和分隔部分上；以及在封装覆盖层04)中的密封牺牲刻蚀开口(25)。
11.根据权利要求10所述的器件，其中所述分隔部分包括多晶硅或者多晶硅-锗。
12.根据权利要求10或11所述的器件，其中所述封装覆盖层04)包括SiCN。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的器件，包括在封装覆盖层04)上的密封层 (30)。
全文摘要
一种制造MEMS器件的方法包括形成MEMS器件元件14。在所述器件元件上提供牺牲层20并在牺牲层上提供封装覆盖层24。在牺牲层的上方形成分隔层13，并被刻蚀来限定邻近牺牲层外侧壁的分隔部分。这些改进了覆盖层24侧壁的密封。
文档编号B81C1/00GK102209683SQ200980144743
公开日2011年10月5日 申请日期2009年11月10日 优先权日2008年11月10日
发明者格哈德·库普斯, 格雷亚·J·A·费尔海登 申请人:Nxp股份有限公司