具有除气屏蔽件的mems设备的制造方法
【专利摘要】罩式微机械设备具有位于第一气密室内的可动微机械结构以及在第二气密室内的一个以上的互连，所述第二气密室气密地隔离于所述第一气密室，以及在其罩上的屏障层，其中罩面向第一气密室，使得第一气密室隔离于来自罩的除气。
【专利说明】
具有除气屏蔽件的MEMS设备
技术领域
[0001 ]本发明涉及微机械(“MEMS”)设备，更特别地涉及用于MEMS设备的封装。【背景技术】
[0002]现有技术已知气密地罩住MEMS设备，以及经由气密罩外的丝焊实现MEMS设备与相关集成电路之间的电连接。
[0003]还已知的是将相关集成电路经由密封圈附接到MEMS设备的基板，使得相关集成电路充当罩以将MEMS设备气密地密封在腔室内。这些设备可以通过提供在基板与气密腔室内的相关集成电路之间直接延伸的导电互连来实现MEMS设备与罩式集成电路之间的电连接。
[0004]然而，已知的是典型的后端膜用于集成电路中的金属间隔离和顶部钝化，诸如例如PECVD氧化物和PECVD氮化物，典型的后端膜能够释放(S卩，“除气”)气体到腔室中。这些气体，一旦释放到设备的气密密封的腔室内部，就能够产生比期望的高更多的密封压力，并且不利地影响MEMS设备的性能。例如，这些气体会导致加速度计或陀螺仪不能满足它们相应的规格。甚至对于在腔室内不要求低压腔室环境的设备，该除气能够导致压力达到1个大气压或者大约1个大气压，因此用于气密屏蔽的基本Q测量不是可能的。
【发明内容】
[0005]在第一实施例中，罩式微机械设备包括在MEMS室中的MEMS结构以及罩，罩包括构造为防止来自罩的除气进入MEMS室的除气屏蔽件。特别地，罩式微机械设备包括:基板，其具有从基板悬置的MEMS结构，以及与MEMS结构以及与罩耦合的至少第一电导体。在各个实施例中，MEMS结构可以是加速度计梁、陀螺仪结构和开关臂中的一个，仅列举了几个示例。
[0006]该设备还包括与基板平行地悬置以及与基板隔开封罩间隙的罩。该罩包括至少第二电导体，诸如在罩的表面上或者在罩内的掺杂导电线或金属互连。在一些实施例中，罩是包括多个有源半导体器件的集成电路。事实上，在一些实施例中，罩是配置为处理来自MEMS 结构的输出信号的集成电路。[〇〇〇7]该设备还包括第一隔离壁，该第一隔离壁布置在基板与罩之间且跨越封罩间隙， 第一隔离壁和基板限定了MEMS室，该MEMS室封闭MEMS结构而使得MEMS结构能够在MEMS室内移动。
[0008]另外，屏蔽层布置在罩的面与MEMS室之间(例如，在罩的面上)且构造为提供罩的面与MEMS室之间的完全除气屏障。换言之，屏蔽层布置在罩的面的区域与MEMS室之间，罩的面的区域是罩的面的与MEMS室正相对的部分。在一些实施例中，屏蔽层包括氮化钛和钛与氮化钛组合层叠中的一个。
[0009]第二隔离壁也布置在基板与罩之间，且跨越封罩间隙。第二隔离壁、基板与罩限定了互连室，互连室被气密地密封且气密地隔离于MEMS室。通过这种方式，MEMS室气密地隔离于罩和互连室，并且MEMS结构与第二电导体电耦合。
[0010]在各个实施例中，第一隔离壁，和或第二隔离壁，可以包括焊环、玻璃熔块或金属密封圈。
[0011] 第一隔离壁和第二隔离壁的布置可以用各种构造限定MEMS室和互连室。例如，在一些实施例中，MEMS室邻近互连室，而在其它实施例中，MEMS室由互连室包围。[〇〇12]在一些实施例中，MEMS室和互连室两者封闭等同的初始内部环境。
[0013]在一些实施例中，屏蔽层可以与电压源耦合，电压源配置为向屏蔽层供给固定电位，诸如D.C.电压或地。[〇〇14]最后，该设备包括布置在互连室内且跨越封罩间隙的互连结构，该互连结构将第一电导体与第二电导体电耦合。
[0015]制作罩式微机械设备的方法包括:提供基板，该基板具有从基板悬置的MEMS结构， 以及与MEMS结构耦合的至少第一电导体。该方法还包括提供罩，所述罩具有至少第二电导体以及在罩的面上的屏蔽层。在一些实施例中，罩包括包含多个有源半导体器件的集成电路。事实上，在一些实施例中，该方法提供罩，该罩是配置为处理来自MEMS结构的输出信号的集成电路。在一些实施例中，屏蔽层是氮化钛和钛与氮化钛组合层叠中的一个。
[0016]另外，该方法提供构造为在基板与罩之间延伸的第一隔离壁；以及提供构造为在基板与罩之间延伸的第二隔离壁。在一些实施例中，第一隔离壁和第二隔离壁中的每个均包括金属密封圈。在一些实施例中，第二隔离壁包括焊环或玻璃熔块中的一个。
[0017]而且，该方法提供构造为在基板与罩之间延伸的互连结构。
[0018]该方法还包括:将罩与基板耦合，而使得第一隔离壁、第二隔离壁和互连结构跨越罩与基板之间的封罩间隙。因此，罩和第一隔离壁限定MEMS室，该MEMS室封闭MEMS结构，使得MEMS结构的至少一部分能够在MEMS室内移动，屏蔽层布置成提供罩的面与MEMS室之间的完全气体屏障。类似地，罩和第二隔离壁限定互连室，使得互连室被气密地密封且气密地隔离于MEMS室。互连结构因此布置在互连室内且将第一电导体与第二电导体电耦合。
[0019]在另一实施例中，罩式微机械设备包括:基板部件，该基板部件具有从基板部件悬置的MEMS结构，以及与MEMS结构耦合的至少第一电导体；以及罩部件，其包括至少第二电导体。基板部件和罩部件构造为使得当基板部件与罩部件耦合时，基板部件和罩部件形成 MEMS室，该MEMS室封闭MEMS结构，使得MEMS结构能够在MEMS室内移动，以及互连室。互连室被气密地密封且气密地隔离于MEMS室。罩式微机械设备还包括布置在互连室内的互连部件，该互连结构将第一电导体与第二电导体电耦合。
[0020]在一些实施例中，罩部件包括包含多个有源半导体器件的集成电路部件，至少一个有源半导体器件经由第一电导体、互连部件和第二电导体与MEMS结构电耦合。事实上，在一些实施例中，罩部件是配置为处理来自MEMS结构的输出信号的集成电路部件。
[0021]在一些实施例中，屏蔽层部件包括布置在罩部件上的氮化钛层或TI/TiN组合层。【附图说明】
[0022]通过结合附图参考下面的发明详述，更易于理解实施例的前述特征，在附图中: [〇〇23]图1A和1B和1C示意性地示出了罩式MEMS设备的第一实施例，该罩式MEMS设备具有气密地隔离于互连的MEMS室；[〇〇24]图1D和1E示意性地示出罩式MEMS设备的第二实施例，该罩式MEMS设备具有气密地隔离于互连的MEMS室；
[0025] 图1F和1G和1H示意性地示出了罩式MEMS设备的第三实施例，该罩式MEMS设备具有气密地隔离于互连的MEMS室；
[0026]图2A示意性地示出了罩式MEMS设备的实施例，该罩式MEMS设备具有气密地隔离于互连和硅通孔和焊球的MEMS室；[〇〇27]图2B和2C示意性地示出了罩式MEMS设备的替选实施例，该罩式MEMS设备具有气密地隔离于互连且具有焊球的MEMS室；[〇〇28]图3A是示意性地示出制作罩式MEMS设备的方法的实施例的流程图，该罩式MEMS设备的具有气密地隔离于互连的MEMS室；
[0029]图3B示意性地示出了对应于图3A的流程图的罩式MEMS设备的各部分；
[0030]图4是示意性地示出制作罩的方法的实施例的流程图；
[0031]图5A-5F示意性地示出了根据图4的流程图的各生产阶段的罩的实施例；
[0032]图6A-6F示意性地示出了根据图4的流程图的各生产阶段的罩的替选实施例；[〇〇33]图7A示意性地示出了罩式MEMS设备的示例性实施例，该罩式MEMS设备具有气密地隔离于安装到印刷电路板上的互连的MEMS室；[〇〇34]图7B示意性地示出了罩式MEMS设备的替选实施例，该罩式MEMS设备具有气密地隔离于安装在印刷电路板上的互连的MEMS室。【具体实施方式】[〇〇35]各实施例将罩式MEMS设备中的可动微机械(或“MEMS”)结构隔离于可能来自于罩的除气。例如，罩可以包括除气屏蔽件，用来防止来自罩的气体进入由罩覆盖的MEMS室。如果MEMS设备包括从MEMS结构到罩的电连接，则罩的“裸露”部分不包括除气屏蔽件，使得电连接可以物理地且电气地与罩耦合，但是罩的该裸露部分隔离于MEMS室，使得来自罩的裸露部分的除气不进入MEMS室。换言之，通过将MEMS结构密封在气密密封的腔室或室中来隔开可动的MEMS结构，各个实施例将MEMS传感器中的电连接隔离于可动MEMS结构。事实上，一些实施例将互连和可动MEMS结构隔开成彼此气密地隔离开的单独的腔室或室一被屏蔽于用于容纳MEMS结构的罩的MEMS室，以及用于容纳互连的互连室。这样，互连可以物理地且电气地与罩耦合，而可以保护MEMS结构以免来自罩的除气进入MEMS室。
[0036]定义。如在本说明书和附图中使用的，下面的术语应当具有所指示的含义，除非上下文要求:
[0037]术语“初始内部环境”意思是，关于气密密封的腔室，在制造时腔室内的气体的化学成分、温度和压力。例如，如果在相同的环境中同时密封，则两个气密密封的腔室将具有相同的初始内部环境。然而，两个气密密封的腔室可以具有相同的初始内部环境，即使它们不同时密封，例如如果它们各自的内部环境在它们各自密封时是相同的。
[0038]术语“有源电路”意思是包括一个或多个晶体管(或“有源器件”或“有源半导体器件”)的电路。在各个实施例中，这些有源电路可配置为缓冲器、放大器、模数转换器或数字电路，仅列举了几个实施例。包括有源电路的设备还可以包括无源电路元件(例如，电容器) 以及导电元件(例如，电线)，用于互连电路特征，以及其有源电路。
[0039]术语“气密地隔离”，当与腔室或室相结合使用时，意指来自相邻的结构、腔室或室的气体不能进入腔室或室。术语“气密地隔离”当与腔室或室和罩相结合使用时，意指来自罩的气体不能进入腔室或室。
[0040]术语“钛与氮化钛组合层叠”意指包括由钛和/或氮化钛(“TiN”)构成或者包含钛和/或氮化钛(“TiN”)的部分的结构。例如，在两个半导体构件(例如，MEMS基板和罩)之间的密封圈可以包括钛与氮化钛组合层叠。
[0041]术语“半导体罩”意指具有诸如硅、掺杂硅、锗、或掺杂锗的材料，包含诸如硅、掺杂硅、锗、或掺杂锗的材料或者由诸如硅、掺杂硅、锗、或掺杂锗的材料制成的罩，仅列举了材料的几个示例。[〇〇42] “完全屏障”(或者“完全除气屏障”)，当用于描述罩与MEMS腔室之间的屏蔽时，是这样的屏障:其不能透过可以是从罩除气的气体，并且在罩的表面与MEMS腔室接口的所有点覆盖罩的该表面的区域。如果罩的表面的任何部分暴露于MEMS腔室而使得从罩除气的气体可以直接进入MEMS腔室，则屏障不是完全的。[〇〇43]术语“跨越”，当用于例如描述基板与罩之间的屏障壁时，意指屏障壁延伸整体距离或者基板与罩之间的间隙。
[0044]图1A和图1B示意性地示出了第一实施例，其中微机械设备100包括气密地密封在第一腔室中的MEMS结构102 JEMS结构102的至少一部分能够关于基板移动。MEMS设备的其它部分(其可视为总体MEMS结构的部分)可以不能相对于基板移动，诸如例如电极122。图1B 是设备100的沿线A-A的剖视图，而且示出了基板101的某部分，用于参考。
[0045]微机械结构102从基板101悬置且能够关于基板101移动。微机械结构可以是各种微机械结构中的任一的部分，诸如加速度计、陀螺仪或悬臂式开关或继电器，仅列举了几个示例。虽然微机械结构102示意性地图示为安置在基板101内的阱102内，这仅为了示例，不是任何实施例的限制。
[0046]微机械设备100还包括罩(或“顶板”)130,该罩与基板101耦合且与基板间隔开封罩间隙131。在示例性的实施例中，罩130平行于基板。一般地，罩130包括能够除气的材料。 [〇〇47]在一些实施例中，罩130可以是半导体或者可由半导体材料制成，半导体材料诸如硅或锗，仅列举了几个示例。该罩可称为“半导体罩”。例如，罩可以是集成电路(“1.C.”)或专用集成电路(“ASIC”)，具有配置为缓冲从MEMS结构102输出的处理信号的一个以上的有源电路135。[〇〇48] 在其它实施例中，罩130可以包括硅通孔(每个“TSV”)201和/或其它电导体203,其配置为将来自MEMS结构102的电信号运载到在罩130的与面向基板101的一侧相对的一侧上的焊盘203或焊球202,如图2A中的实施例200所示意性示出。事实上，一些实施例可以具有有源电路和娃通孔(参考例如图2A中的罩130)。[〇〇49] 在另一实施例250中，罩130包括导体203,该导体203构造为将互连121与在罩的与 MEMS结构101相同侧(S卩，表面或侧面130A)的焊球202耦合，如图2B和图2C中示意性示出的。 此处，图2C示意性地示出了图2B中的设备250的沿着表面130A的平面的剖面，并且还示出了与该表面130A耦合的特征，诸如焊盘204、焊球202和屏蔽层132。导体电耦合到罩130的表面 130A处的互连121，并且还在罩130的表面250上的另一地点经由焊盘204与焊球222相接。因此，导体203在两个不同的位置处与表面250会和，并且起到将MEMS结构102经由罩130与一个以上焊球222电耦合的作用。因此，设备250可以经由焊球222安装到基板702上，使得MEMS 结构101从罩130悬置且位于基板702与罩130之间，如例如图7B中的组件720所示意性地示出的。
[0050]因此，罩130中的有源电路，和/或诸如焊盘204和焊球202的其它电接口，可以经由基板1 〇 1中与MEMS结构10 2耦合的导体123，经由跨越基板101与罩130之间的封罩间隙131的接触盘或互连121，以及经由罩130中的导体203,与MEMS结构102或基板中的其它特征(例如，电极122)电耦合。
[0051]基板101和罩130通过内密封圈140和外密封圈141耦合在一起。密封圈140,141 (还可以称为隔离壁)中的任一个或两个可以是金属(例如，金属密封圈，诸如TiN层叠)，或者例如铝铜、焊环或玻璃熔块。[〇〇52] 两个密封圈140，141延伸跨封罩间隙131，使得基板101、罩130和密封圈140，141形成两个气密密封的腔室110和120。更具体地，内密封圈140环绕MEMS结构102,并且连同基板 101和罩130—起形成气密腔室110(MEMS腔室或MEMS室)。外密封圈141环绕内密封圈，并且因此环绕内MEMS腔室110,以形成外腔室120(或其它室120)。外密封圈141环绕连接器121， 使得连接121气密地密封在互连腔室120内。因此，在该实施例中，外腔室120可被描述为具有围绕MEMS腔室110的环形。可替代地，外腔室120可以被认为包围MEMS腔室110,或者MEMS 腔室110由互连腔室120包围。[〇〇53] 在一些实施例中，包括图1A和1B示意性地示出的MEMS设备100，屏蔽层132布置在罩130的表面130A与MEMS腔室110之间(或者与罩130的表面130A物理接触)，例如防止来自罩130的除气进入MEMS腔室110。在优选实施例中，屏蔽层132不可透过除气，并且在该表面 130A与MEMS腔室110相接的所有点覆盖表面130A。例如，屏蔽层132可以延伸跨过表面130A 而形成跨越内密封圈140和/或壁141和142的完整屏障(或者“除气屏障”)。事实上，在一些实施例中，屏蔽层132可以由与内密封圈140相同的材料制成。在一些实施例中，屏蔽层132 可以包括氮化钛、或钛与氮化钛(“Ti/TiN”)组合层叠。在其它实施例中，屏蔽层132可以包括钨(“W”)、钛钨(“TiW”)或者诸如硅化钛(TiSi)等金属硅化物，以及在屏蔽层的周边134处跨越封罩间隙的金属(例如，AlCu; AlGe)密封圈140。一般地，在本文所描述的任意实施例中，屏蔽层132和密封圈140,以及甚至是屏障壁141和142,可以包括相同的金属并且由相同的工艺步骤制作。[〇〇54]图1C示意性地示出了设备100的在线A’-A’处的剖面，并且示出了屏蔽层132,该屏蔽层跨越内密封圈140以完全地屏蔽下方的MEMS腔室110。事实上，在一些实施例中，密封圈 140也不可透过从罩130除气的气体，并且密封圈140和屏蔽层132配合而使得MEMS腔室110 气密地隔离于该气体。
[0055]在图1A的示例性实施例中，设备100可以描述为具有在相同的ASIC罩顶板130下面的两个子腔室110,120以通过金属密封圈140,141将感测结构102与罩/传感器互连盘121隔开，并且描述为将导电的金属屏蔽层132布置成完全覆盖ASIC顶板130下方的子腔室110之一以阻挡来自ASIC 130的除气。因此，MEMS传感器结构102能够停留在由晶片焊接工艺设置的腔室110中的低压环境(或其它期望的初始环境)中，并且同时位于第二腔室121内的互连金属121能够除气，而不会不利地影响MEMS感测结构102。[〇〇56] MEMS设备150的替选实施例示意性地图示在图1D和图1E中。图1E示意性地示出设备150沿着线B-B的剖面，而且示出了基板101的某部分，用于参考。[〇〇57] MEMS设备150包括许多与上文所描述的以及图1A和图1B中示意性示出的设备100相同的特征。然而，在该实施例150中，两个腔室110和120共用共同的分隔壁142。换言之，两个腔室110和120两者均由共同的分隔壁142限定，并且分隔壁142将腔室110与腔室120分开。事实上，分隔壁142可以是密封圈141的部分。因此，MEMS腔室110和互连腔室120彼此紧邻。[〇〇58] MEMS设备170的又一实施例示意性地示出在图1F、图1G和图1H中。图1G示意性地示出了设备170的沿线C-C的剖面，而且示出了基板101的某部分，用于参考。类似地，图1F示意性地示出了设备17的沿线D-D的剖面。图1H示意性地示出了设备170的沿着线E-E的剖面，并且示出了屏蔽层132跨腔室的整个宽度延伸。
[0059]MEMS设备170包括许多与上文所描述的以及如图1A和图1B中示意性地示出的设备 100相同的特征。基板101和罩130通过密封圈140和第二密封圈141耦合在一起。密封圈140， 141中的任一个或两个可以是例如金属或玻璃熔块。两个密封圈140,141延伸跨过封罩间隙 131，使得基板101、罩130和密封圈140,141形成两个气密密封的腔室110和120。更具体地， 内密封圈141环绕互连121，并且连同基板101和罩130—起形成气密腔室120(互连腔室)。外密封圈140环绕内密封圈141，并且因此环绕内互连腔室120,而形成外MEMS腔室110。内密封圈141环绕互连121，使得互连121气密地密封在互连腔室120内。因此，在该实施例中，外腔室110可以被描述为具有围绕互连腔室120的环状形状。
[0060]在各个实施例中，包括但不限于那些上述的实施例，屏蔽层132和/或隔离壁140， 142可以偏置到预定的电位，诸如例如固定(“D.C.”)电压、或地电位。偏置电位可以通过如图2A中示意性示出的间隙130中的电导体139，或者通过MEMS基板101中的电导体129，经由例如图1F中示意性地示出的互连121或屏障壁140或142中的一个而提供给屏蔽层132。因此，在一些实施例中，屏蔽层132执行双重功能:其提供将MEMS腔室隔离于从罩130除气的气体的除气屏蔽件(与其它结构相结合)，并且其提供邻近MEMS腔室110的电偏置板。[〇〇61 ] 在一些实施例中，MEMS基板101可以包括平面，诸如地平面107。例如，具有地平面 107的设备100示意性地图示在图1A中，但是本文所描述的任何实施例可以具有这样的地平面。地平面可以是基板101中的掺杂层，或者可以是基板101上的结构。在这些实施例中，屏蔽层132可以偏置到与地平面107相同的电压(例如，地)。在其它事项中，这可起到通过来自屏蔽层132的平衡静电力来缓解或均等化从地平面107作用在MEMS结构102上的静电力的作用。
[0062]制作MEMS设备的方法300的实施例示意性地图示在图3A中。为示例的目的，来自图 1A的示例性的MEMS 100的各组件示意性地图示在图3B中。然而，方法300基本上与本文描述的其它实施例相同。[〇〇63]方法300开始于步骤301，提供罩130,诸如上述的罩。在该实施例中，罩包括在罩 130的表面130A上的屏蔽层132,但是其它实施例可以单独地提供屏蔽层。事实上，在一些实施例中，屏蔽层132可以连同其它特征一起制作在罩130上，其它特征诸如例如隔离壁140， 141或142。下面描述这些实施例的示例。[〇〇64] 该方法还包括在步骤302中提供隔离壁，以及在步骤303中提供互连。在一些实施例中，诸如隔离壁140，141的隔离壁与互连121同时提供，但是在其它实施例中，它们单独地提供。在一些实施例中，在设备100组装之前，隔离壁140,141制作在罩130上或者在基板101 上。参见例如图5F和图6F。在这些实施例中，可以通过在罩130或基板101上沉积金属以及将金属图案化而形成隔离壁140,141而制成隔离壁。在其它实施例中，隔离壁140,141中的一个或两个可以是在组装期间布置在罩130与基板101之间的玻璃熔块。[〇〇65] 方法300在步骤304中提供基板101。基板包括MEMS结构102,在一些实施例中，MEMS 结构102被分离;也即，MEMS结构102已经关于基板101能移动。MEMS结构102可以通过本领域已知的各种方法和工艺制作在基板101上或者由基板101制成。另外，MEMS结构102可以在关于基板的各方位上移动。例如，在加速度计或陀螺仪中，MEMS结构可以平行于基板101的表面101A移动。在开关或继电器中，或者在一些加速度计或陀螺仪中，MEMS结构102可以沿基板101的表面101A的方向移动。[〇〇66]在步骤305中，方法300然后根据本领域已知的方法将罩130与基板101耦合，使得隔离壁140,141和互连121布置在罩130与基板101之间，并且跨越封罩间隙131(参见如图 1)。在典型的实施例中，罩130的表面130A平行于基板101的表面101A，并且MEMS结构102被气密地密封在MEMS腔室110内。互连121与罩130上的或罩130中的对应的导体(例如，硅通孔或其它导体)物理地且电地耦合。[〇〇67]典型地，耦合步骤305发生在受控环境中。罩环境的受控特性可以包括例如在封罩时腔室(以及因此设备的一个或多个腔室内)的封罩环境的气体(如果有)的化学成分、温度和压力。例如，设备可以在真空中封罩(步骤305 )，使得MEMS腔室110和互连腔室120保持真空。可选地，在一些实施例中，封罩环境包括气体(例如，空气、氮气等)，并且该气体可以处于低压(即，小于1个大气压的气压)、或高压(即，大于1个大气压的气压)、或者甚至处于一个大气压。在任意情况下，当设备在步骤305中被封罩时，该环境中的一些将被圈在MEMS腔室110和互连腔室120中的一个或两者内。在封罩时该腔室内的环境是该腔室的初始内部环境。本领域已知的是，可动的MEMS结构的性能特性会受密封可动MEMS结构的环境所影响。因此，在一些MEMS设备中，重要的通过例如防止气体从该环境逸出，以及防止由于例如气密件的破坏或接受了来自其它设备组件的除气而导致来自环境外的气体的气体进入，来维持该环境。[〇〇68]在此点，多次观察将起到补充方法300的描述的作用。首先，步骤可以按不同于上述的那些次序的次序来执行。例如，步骤301-304可以按任意次序(例如，301-304-303-302; 304-301-303-302;等)来执行。其次，步骤302(提供隔离壁)以及步骤303(提供互连)可以组合，例如如果那些特征形成在罩130或基板101中的一个上。事实上，在该情况下，步骤302和 303可以与步骤301(提供罩)或304(提供基板)组合或者是它们的一部分。第三，虽然图3A和图3B描述为生产单个设备100,但是方法300可以在晶片级进行，其中基板的晶片与罩的晶片耦合，并且组合的晶片随后被切割而产出多个单个的设备100。[〇〇69]图4示意性地示出了制作罩(例如，罩130)的方法400的实施例，并且图5A-5F和图 6A-6F示意性地示出了根据屏蔽层132和隔离壁140，141，142制作在罩130的表面130A上的实施例，在各制造阶段的罩130的实施例。
[0070]方法开始于步骤401，提供罩130。罩可以是硅构件，诸如晶片的部分，或者可以是如上所述的集成电路或者集成电路(例如，ASIC)的晶片的部分。该罩示意性地图示在图5A 和图6A中。[〇〇71] 在步骤402中，方法400将第一金属层501添加到罩130的表面130A。在一些实施例中，第一金属层可以是例如氮化钛。如图5A和图6A不意性地不出的，第一金属层501完全地覆盖罩130的表面130A，在该表面130A的将面向MEMS腔室110的部分中，以及在该表面130A 的将面向互连腔室120的部分中。该表面130A的将面向互连腔室120的部分将在稍后步骤被移除，使得互连121可以与罩130物理地且电地耦合。[〇〇72]接着，在步骤403中，第二金属层511沉积到第一金属层501上，并且同样覆盖第一金属层501，例如，如图5B和图6B中示意性地示出的。在一些实施例中，第二金属层511可以是例如铝铜(“AlCu”)。[〇〇73]该方法随后在步骤404中将第二金属层511图案化，以在一个或多个地点暴露第一金属层501，如图?和图6D中示意性地示出的。如图所示，壁(例如，壁140,141，142)和互连 121已经在该阶段至少部分地形成。[〇〇74]在一些实施例中，如图示意性示出的，第二金属层511图案化而暴露第一金属层 501从而形成随后形成互连腔室121的部分的空隙520,以及留下随后将是互连121的部分的结构521。[〇〇75]在其它实施例中，如图6D中示意性示出的，第二金属层5112类似地图案化以暴露第一金属层501从而形成随后将形成互连腔室121的部分的空隙520,以及留下随后将是互连121的部分的结构521。然而，步骤403也可以将第二金属511层图案化从而在晶片130的一个或两个端部133留下空间530。一个或多个空间530构造为接受玻璃熔块或其它结合剂以将罩130与基板101结合，和/或接受焊球202,例如，如图2B和图2C中示意性地示出。[〇〇76] 在步骤405中，方法400将第一金属层501图案化以通过图案化的第二金属层511暴露罩130的表面130A，如图5E示意性地示出的，和/或暴露罩130的端部133,如图6E中示意性地示出的。罩130的暴露部分130B可以称为罩表面130A的“裸露”部分。图5E和图6E两者展现出，通过步骤405,互连121已经完全形成为罩130的一体部分。[〇〇77] 在步骤406中，方法400第二次图案化第二金属层511，以暴露第一金属层，如图5F 和图6F所示意性地示出的。可选地，在步骤406中描述的图案化可以执行为步骤404的部分。 图5F和图6F展现出，在步骤406之后，屏蔽层132在图5F的隔离壁141和142环绕的区域中以及通过图6F中的隔离壁140来覆盖罩130的整个表面130A。事实上，在两个实施例中，屏蔽层 132和隔离壁(140; 141和142)—体地互连。事实上，屏蔽层132和隔离壁(140; 141和142)可以共用共同的金属层501。因此，将防止任何来自罩130的除气进入MEMS腔室110,因为屏蔽层132不能透过这些除气的成分并且充当屏障。[〇〇78] 一些实施例可以批处理方式制作设备，诸如通过在单个晶片上做出多个设备。在这些实施例中，晶片可以在步骤407中被锯、切割或切块以将单个设备(例如，100，170，200， 250等)与晶片分离。例如，在一些实施例中，每个单个的设备是不物理地连接到来自其晶片的任何其它设备的裸片，并且每个设备具有单个罩130和单个MEMS基板110,以及仅两个腔室110和120。[〇〇79]如图5F中示意性地示出的，第二金属层511的图案化形成了隔离壁141和142的部分(例如，参见图1D，图1E)，露出的第一金属层511形成了屏蔽层132,如上所述。
[0080]在优选的实施例中，第二金属层511被图案化而使得隔离壁141，142在平行于罩 130的表面130A的表面上至少宽5微米。如图6F中示意性地示出的，第二金属层511的图案化形成了隔离壁140的具有在平行于罩130的表面130A的表面中至少宽5微米的表面的部分。
[0081]上述的罩式传感器的各个实施例可在多种应用中使用。例如，传感器200可以与基板702耦合，诸如例如印刷电路板，并且因此可以与诸如无源器件(例如，703)和集成电路 (例如，701)的其它电气元件电互连，全部如例如图7A中的组件700中示意性地图示的。虽然图7A的实施例示意性地图示出与基板702耦合的设备200,本文所描述的任意实施例(例如， 设备100,设备150,设备170)可以类似地使用。例如，图7B示意性地示出了与基板702耦合的传感器250。如图所示，基板702的长度710比罩130的长度136长很多。例如，在一些实施例中，基板702的长度710是罩130的长度136的至少2或3倍。
[0082]上述本发明的实施例仅意在为示范性的;若干变型例和改进方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。全部这样的变型例和改进方案旨在如任何随附权利要求限定的本发明的范围内。
【主权项】
1.罩式微机械设备，包括:基板，其包括从所述基板悬置的MEMS结构，以及与所述MEMS结构耦合的至少第一电导 体；半导体罩，其与所述基板平行地悬置并且与所述基板隔开封罩间隙，所述罩包括至少 第二电导体；第一隔离壁，其布置在所述基板与所述罩之间且跨越所述封罩间隙，所述第一隔离壁 和所述基板限定了MEMS室，所述MEMS室封闭所述MEMS结构，使得所述MEMS结构能够在所述 MHMS室内移动；屏蔽层，其布置在所述罩的面的区域与所述MEMS室之间，所述罩的所述面的所述区域 是所述罩的所述面的与所述MEMS室正相对的部分，并且构造为提供所述罩的所述面的所述 区域与所述MEMS室之间的完全除气屏障；第二隔离壁，其布置在所述基板与所述罩之间且跨越所述封罩间隙，所述第二隔离壁、 所述基板和所述罩限定互连室，所述互连室被气密地密封且气密地隔离于所述MEMS室；以 及互连结构，其布置在所述互连室内并且跨越所述封罩间隙，所述互连结构将所述第一 电导体与所述第二电导体电耦合，使得所述MEMS室气密地隔离于所述互连室，并且所述MEMS结构与所述第二电导体电耦合。2.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述罩包括包含多个有源半导体器件的 集成电路。3.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述MEMS结构包括加速度计梁、陀螺仪结 构和开关臂中的一个。4.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述第二隔离壁包括焊环或玻璃熔块中 的一个。5.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述第一隔离壁和所述第二隔离壁中的 每一个均包括金属密封圈。6.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述MEMS室邻近所述互连室。7.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述MEMS室由所述互连室包围。8.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述MEMS室和所述互连室两者封闭等同 的初始内部环境。9.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述罩是配置为处理来自所述MEMS结构 的输出信号的集成电路。10.如权利要求1所述的罩式微机械设备，其中所述屏蔽层包括氮化钛和钛与氮化钛组 合层叠中的一个并且一体地耦合到所述第一隔离壁，并且被偏置到固定电位。11.制作罩式微机械设备的方法，包括:提供基板，所述基板包括从所述基板悬置的MEMS结构，以及与所述MEMS结构耦合的至 少第一电导体；提供半导体罩，所述罩包括至少第二电导体以及在所述罩的面上的屏蔽层；提供第一隔离壁，所述第一隔离壁构造为在所述基板与所述罩之间延伸；提供第二隔离壁，所述第二隔离壁构造为在所述基板与所述罩之间延伸；提供互连结构，所述互连结构构造为在所述基板与所述罩之间延伸；将所述罩与所述基板耦合而使得所述第一隔离壁、所述第二隔离壁和所述互连结构跨 越所述罩与所述基板之间的封罩间隙，并且使得:所述罩和所述第一隔离壁限定MEMS室，所述MEMS室封闭所述MEMS结构，使得所述MEMS 结构能够在所述MEMS室内移动，所述屏蔽层布置成提供所述罩的面与所述MEMS室之间的完 全屏障，以及所述罩和所述第二隔离壁限定互连室，所述互连室被气密地密封且气密地隔离于所述 MEMS室，所述互连结构布置在所述互连室内并且将所述第一电导体与所述第二电导体电耦 合，使得所述MEMS室气密地隔离于所述互连室，并且所述MEMS结构与所述第二电导体电耦合。12.如权利要求11所述的罩式微机械设备，其中所述罩包括包含多个有源半导体器件 的集成电路。13.如权利要求11所述的罩式微机械设备，其中所述第二隔离壁包括焊环或玻璃熔块 中的一个。14.如权利要求11所述的罩式微机械设备，其中所述第一隔离壁和所述第二隔离壁中 的每一个均包括金属密封圈。15.如权利要求11所述的罩式微机械设备，其中所述罩是配置为处理来自所述MEMS结 构的输出信号的集成电路。16.如权利要求11所述的罩式微机械设备，其中所述屏蔽层包括氮化钛和钛与氮化钛 组合层叠中的一个。17.罩式微机械设备，包括:基板，其包括从所述基板悬置的MEMS结构，以及与所述MEMS结构耦合的至少第一电导 体；半导体罩，其与所述基板平行地悬置并且与所述基板隔开封罩间隙，所述罩包括至少 第二电导体；第一隔离壁，其布置在所述基板与所述罩之间且跨越所述封罩间隙，所述第一隔离壁 和所述基板限定了MEMS室，所述MEMS室封闭所述MEMS结构，使得所述MEMS结构能够在所述 MEMS室内移动；以及屏蔽层，其布置在所述罩的面的区域与所述MEMS室之间，所述罩的所述面的所述区域 是所述罩的所述面的与所述MEMS室正相对的部分，并且构造为提供所述罩的所述面的所述 区域与所述MEMS室之间的完全除气屏障；使得所述MEMS室气密地隔离于所述半导体罩。18.如权利要求17所述的罩式微机械设备，其中所述屏蔽层包括氮化钛、钛与氮化钛组 合层叠、钨、钛钨和金属硅化物中的一个。19.如权利要求17所述的罩式微机械设备，其中所述罩包括包含多个有源半导体器件 的集成电路。20.如权利要求19所述的罩式微机械设备，其中所述罩包括配置为处理来自所述MEMS结构的输出信号的集成电路。
【文档编号】B81B7/00GK105980292SQ201480058060
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年10月20日
【发明人】陈立, T·K·努南, 杨光隆
【申请人】美国亚德诺半导体公司