TWI862281B - 微機電封裝及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種微機電封裝，包含互連結構設置在晶圓上，第一元件基板包含第一微機電元件，第二元件基板包含第二微機電元件，第一元件基板和第二元件基板彼此側向隔開，均設置在晶圓上且鍵合至互連結構。第一蓋板具有第一空腔且鍵合至第一元件基板，第二蓋板具有第二空腔且鍵合至第二元件基板，吸氣劑設置在互連結構上且位於第二微機電元件正下方，第一空腔具有第一壓力，第二空腔具有低於第一壓力的第二壓力。

Description

微機電封裝及其製造方法

本揭露係關於微機電(Micro Electro Mechanical System, MEMS)封裝，特別是關於微機電封裝包含不同的微機電元件，其各自對應的不同空腔中具有不同的壓力，以及微機電封裝的製造方法。

微機電(MEMS)元件是整合機械和電性組件的微型元件，以感測物理量和/或與周圍環境交互作用，MEMS元件例如加速度計(accelerometer)、陀螺儀(gyroscope)、壓力感測器和麥克風等已廣泛應用於許多現代電子產品中，舉例來說，由加速度計和/或陀螺儀組成的慣性測量單元(inertial measurement units，IMU)常見於平板電腦、汽車或智能手機中。對於某些應用而言，需要將各種MEMS元件整合到一個微機電封裝中。然而，針對需要不同壓力的不同MEMS元件，這些MEMS元件需要在不同的環境壓力下分開製造，然後再共同封裝。因此，目前的微機電封裝的封裝製程較複雜，並且需要較大的佔位面積(footprint)。

有鑑於此，本揭露提供微機電(MEMS)封裝及其製造方法，以克服目前的微機電封裝的缺點。本揭露的微機電封裝包含吸氣劑(getter)設置在位於晶圓上的互連結構上，且吸氣劑位於需要相對高真空的MEMS元件正下方，從而降低位於此MEMS元件正上方的空腔中的壓力。微機電封裝包含不同的MEMS元件，其對應的不同空腔中具有不同的壓力，並且對應不同壓力的MEMS元件可在同一晶圓上同時製造和封裝。因此，相較於目前的微機電封裝，本揭露的微機電封裝的整個製造流程較為簡化，且其佔地面積較小。

根據本揭露的一實施例，提供一種微機電封裝，包括晶圓、互連結構、保護層、第一元件基板、第二元件基板、第一蓋板、第二蓋板以及吸氣劑。互連結構設置在晶圓上，保護層設置在互連結構上。第一元件基板包含第一微機電元件，設置在晶圓上並鍵合至互連結構。第二元件基板包含第二微機電元件，與第一元件基板側向隔開，設置在晶圓上並鍵合至互連結構。第一蓋板具有第一空腔，且鍵合至第一元件基板。第二蓋板具有第二空腔，且鍵合至第二元件基板。吸氣劑設置在互連結構上和保護層的開口中，且位於第二微機電元件的正下方。此外，第一空腔具有第一壓力，第二空腔具有低於第一壓力的第二壓力。

根據本揭露的一實施例，提供一種微機電封裝的製造方法，包括以下步驟：提供蓋板晶圓，其中形成有第一空腔和第二空腔；提供元件晶圓，並將元件晶圓鍵合至蓋板晶圓；將元件晶圓圖案化，以形成彼此側向隔開的第一微機電元件和第二微機電元件，其中第一空腔對應於第一微機電元件，第二空腔對應於第二微機電元件；提供晶圓，其上形成有互連結構；在互連結構上形成吸氣劑；在第一壓力下將元件晶圓鍵合至晶圓上的互連結構，其中第一空腔和第二空腔均具有第一壓力，且吸氣劑位於第二微機電元件的正下方；以及將吸氣劑活化，以將第二空腔中的第一壓力降低至第二壓力，其中第一空腔具有第一壓力，第二空腔具有低於第一壓力的第二壓力。

為了讓本揭露之特徵明顯易懂，下文特舉出實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本揭露提供了數個不同的實施例，可用於實現本揭露的不同特徵。為簡化說明起見，本揭露也同時描述了特定構件與佈置的範例。提供這些實施例的目的僅在於示意，而非予以任何限制。舉例而言，下文中針對「第一特徵形成在第二特徵上或上方」的敘述，其可以是指「第一特徵與第二特徵直接接觸」，也可以是指「第一特徵與第二特徵間另存在有其他特徵」，致使第一特徵與第二特徵並不直接接觸。此外，本揭露中的各種實施例可能使用重複的參考符號和/或文字註記。使用這些重複的參考符號與註記是為了使敘述更簡潔和明確，而非用以指示不同的實施例及/或配置之間的關聯性。

另外，針對本揭露中所提及的空間相關的敘述詞彙，例如：「在...之下」，「低」，「下」，「上方」，「之上」，「上」，「頂」，「底」和類似詞彙時，為便於敘述，其用法均在於描述圖式中一個元件或特徵與另一個（或多個）元件或特徵的相對關係。除了圖式中所顯示的擺向外，這些空間相關詞彙也用來描述微機電封裝在使用中以及操作時的可能擺向。隨著微機電封裝的擺向的不同（旋轉90度或其它方位），用以描述其擺向的空間相關敘述亦應透過類似的方式予以解釋。

雖然本揭露使用第一、第二、第三等等用詞，以敘述種種元件、部件、區域、層、及/或區塊，但應了解此等元件、部件、區域、層、及/或區塊不應被此等用詞所限制。此等用詞僅是用以區分某一元件、部件、區域、層、及/或區塊與另一個元件、部件、區域、層、及/或區塊，其本身並不意含及代表該元件有任何之前的序數，也不代表某一元件與另一元件的排列順序、或是製造方法上的順序。因此，在不背離本揭露之具體實施例之範疇下，下列所討論之第一元件、部件、區域、層、或區塊亦可以第二元件、部件、區域、層、或區塊之詞稱之。

本揭露中所提及的「約」或「實質上」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。應注意的是，說明書中所提供的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」或「實質上」的情況下，仍可隱含「約」或「實質上」之含義。

本揭露中所提及的「耦接」、「耦合」、「電連接」一詞包含任何直接及間接的電氣連接手段。舉例而言，若文中描述第一部件耦接於第二部件，則代表第一部件可直接電氣連接於第二部件，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二部件。

雖然下文係藉由具體實施例以描述本揭露的發明，然而本揭露的發明原理亦可應用至其他的實施例。此外，為了不致使本揭露之發明精神晦澀難懂，特定的細節會被予以省略，該些被省略的細節係屬於所屬技術領域中具有通常知識者的知識範圍。

本揭露係關於微機電(MEMS)封裝及其製造方法，微機電封裝包含不同的MEMS元件，其對應的各別空腔中具有不同的壓力，並且這些MEMS元件在同一晶圓上同時製造和封裝。在本揭露的微機電封裝中，吸氣劑設置在位於晶圓上的互連結構上，並且吸氣劑位於需要較高真空度的MEMS元件的正下方，從而降低位於此MEMS元件正上方的空腔中的壓力。在一些實施例中，微機電封裝包含慣性測量單元(IMU)，其包含具有低真空或大氣壓力的加速度計和具有高真空的陀螺儀。相較於目前的微機電封裝，本揭露的微機電封裝的整個製造流程更簡化，且微機電封裝的佔地面積更小。

第1圖是本揭露一實施例之微機電封裝100的剖面示意圖，微機電封裝100包含在同一晶圓上彼此側向隔開並且同時封裝的各種MEMS元件。在一些實施例中，微機電封裝100包含第一元件基板120A和第二元件基板120B，第一元件基板120A包含第一MEMS元件122，位於第一MEMS區100A中，第二元件基板120B包含第二MEMS元件124，位於第二MEMS區100B中，第一MEMS區100A和第二MEMS區100B藉由切割道SL分開。第一元件基板120A和第二元件基板120B彼此側向分開，兩者設置在同一晶圓130上，並且均鍵合至形成在晶圓130上的互連結構132。晶圓130可包含多個互補式金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)電晶體或其他元件形成在其中，互連結構132包含多個金屬層、多個金屬間介電(inter-metal dielectric，IMD)層以及位於IMD層中的多個導通孔(vias)，以連接兩個金屬層。金屬層包含頂部電極層131，IMD層包含設置在頂部電極層131下方的頂部介電層133。另外，保護層(passivation layer)134設置在互連結構132上，保護層134具有多個開口，以分別暴露出導電墊(pads)、鍵合區(bonding area)和互連結構132的頂部電極層131或頂部介電層133的一些部分。

在微機電封裝100中，第一MEMS元件122和第二MEMS元件124需要不同的真空等級，且兩者的MEMS結構不同。第一MEMS元件122和第二MEMS元件124可以各自包含各種部件，例如支座凸塊(standoff bumps)、溝槽、質量塊(proof masses)等，並且這些部件在第一MEMS元件122中的平面佈局不同於在第二MEMS元件中的平面佈局，為了使圖式簡潔易懂，在第1圖中將第一MEMS元件122和第二MEMS元件124的MEMS結構簡化。例如，第一MEMS元件122包含多個溝槽123，第二MEMS元件124包含多個溝槽125，其中溝槽123的平面佈局與溝槽125的平面佈局不同。在一些實施例中，第一MEMS元件122可以是需要低真空或大氣壓力的加速度計，第二MEMS元件124可以是需要高真空的陀螺儀，但不限於此。

此外，第一鍵合密封環126A設置在第一元件基板120A的底面上，第二鍵合密封環126B設置在第二元件基板120B的底面上。第一鍵合密封環126A和第二鍵合密封環126B藉由鍵合材料128鍵合至互連結構132，從而將第一元件基板120A和第二元件基板120B與晶圓130鍵合。第一鍵合密封環126A和第一元件基板120A可以是一體成型結構，並具有相同的組成例如矽。第二鍵合密封環126B和第二元件基板120B也可以是一體成型結構，並具有相同的組成例如矽。鍵合材料128的組成例如是鍺(Ge)，以與互連結構132的頂部電極層131產生共晶鍵合(eutectic bonding)。第一鍵合密封環126A、第二鍵合密封環126B和鍵合材料128均設置在互連結構132的鍵合區。

另外，微機電封裝100包含第一蓋板110A和第二蓋板110B，第一蓋板110A具有位於第一MEMS元件122正上方的第一空腔112，第二蓋板110B具有位於第二MEMS元件124正上方的第二空腔114。第一蓋板110A和第二蓋板110B可具有相同的組成例如矽，第一蓋板110A經由鍵合層111鍵合至第一元件基板120A，第二蓋板110B也經由鍵合層111鍵合至第二元件基板120B，鍵合層111設置在第一元件基板120A和第一蓋板110A之間，鍵合層111也設置在第二元件基板120B和第二蓋板110B之間。在一些實施例中，鍵合層111 還可延伸至第一空腔112和第二空腔114內，且鍵合層111可順向地(conformally)設置在第一空腔112和第二空腔114兩者的側壁和底面上，鍵合層111的組成例如是氧化矽。在一些實施例中，可在第一蓋板110A和第二蓋板110B的表面上設置導電層117，其可以是圖案化導電層，並且電耦接到第一MEMS元件122、第二MEMS元件124和互連結構132，導電層117的組成例如是鋁(Al)。

根據本揭露的一些實施例，微機電封裝100包含設置在互連結構132上，且位於第二MEMS元件124正下方的吸氣劑140B。吸氣劑140B被活化後可以吸收第二空腔114中的氣體，例如H ₂、N ₂、CO、CO ₂或H ₂O等氣體，從而降低第二空腔114中的壓力，使得第一空腔112具有第一壓力P1，而第二空腔114則具有低於第一壓力P1的第二壓力P2。例如，第一壓力P1可以是第一MEMS元件122例如加速度計所需的低真空或大氣壓力，而第二壓力P2可以是第二MEMS元件124例如陀螺儀所需的高真空。另外，當第一元件基板120A和第二元件基板120B被鍵合至互連結構132時，吸氣劑140B可經由鍵合過程的熱處理被活化，例如吸氣劑140B可以在約150℃至約450℃的溫度被活化。在一些實施例中，吸氣劑140B的組成可以是Ti、Ti基合金、Zr基合金、Zr-V基合金、Zr-Co基合金或者可用於吸收微機電封裝的空腔中的氣體之其他合適的材料。其中，Ti基合金例如為Ti-Zr、Ti-Mo或Ti-Zr-V，Zr基合金例如為Zr-Al、Zr-C或Zr-Fe，Zr-V基合金例如為Zr-V-Fe或Zr-V-Mn， Zr-Co基合金例如為Zr-Co、Zr-Co-Ce或Zr-Co-La。此外，吸氣劑140B可以是厚度約1μm至約10μm的薄膜，或是可以是厚度約10μm至約1000μm的厚膜。另外，吸氣劑140B還可以具有與第二MEMS元件124的溝槽125之平面佈局相對應的圖案。

於一實施例中，吸氣劑140B設置在保護層134的開口中，並且吸氣劑140B與頂部電極層131的頂面接觸，吸氣劑140B可經由頂部電極層131電連接到互連結構132。在另一實施例中，吸氣劑140B可設置在與頂部電極層131相同的平面上，並且吸氣劑140B與頂部介電層133的頂面接觸，吸氣劑140B可經由頂部介電層133中的導通孔電連接到互連結構132，或者經由與吸氣劑140B連接之頂部電極層131的一些部分而電連接到互連結構132。在一些實施例中，吸氣劑140B可被配置為第二MEMS元件124之導電的阻擋件(conductive stopper)，並且吸氣劑140B的位置可以對應於第二MEMS元件124的質量塊。此外，吸氣劑140B的垂直投影區域與第二空腔114的垂直投影區域重疊。在一些實施例中，吸氣劑140B的垂直投影面積大於或等於第二空腔114的垂直投影面積，從而有效地吸收第二空腔114中的氣體，以對第二MEMS元件124提供高真空度。在其他實施例中，當第二MEMS元件124需要中真空度時，吸氣劑140B的垂直投影面積可以小於第二空腔114的垂直投影面積。

第2圖是本揭露另一實施例之微機電封裝100的剖面示意圖，第2圖的微機電封裝100包含第三元件基板120C，其包含第三MEMS元件126，且位於第三MEMS區100C。第一MEMS區100A和第三MEMS區100C被切割道SL分開，第一MEMS區100A中的各部件細節可以參考前述第1圖的說明，在此不再重複。第三元件基板120C也設置在同一晶圓130上，並鍵合至互連結構132，第三MEMS元件126需要與第一MEMS元件122不同的真空度，且第三MEMS元件126的MEMS結構與第一MEMS元件122的MEMS結構不同，第三MEMS元件126可包含例如支座凸塊、溝槽、質量塊等部件，並且這些部件在第三MEMS元件126中的平面佈局不同於在第一MEMS元件122中的平面佈局，為了讓圖式簡潔易懂，在第2圖中將第一MEMS元件122和第三MEMS元件126的MEMS結構簡化。例如，第三MEMS元件126包含多個溝槽127，且這些溝槽127的平面佈局不同於第一MEMS元件122中的多個溝槽123的平面佈局。在一些實施例中，第三MEMS元件126可以是需要高真空或中真空度的陀螺儀，或者是需要中真空度的加速度計。

另外，第三鍵合密封環126C設置在第三元件基板120C的底面上，第三鍵合密封環126C也透過鍵合材料128鍵合至互連結構132。第三鍵合密封環126C和第三元件基板120C可以是一體成型結構，並具有相同的組成例如矽。此外，微機電封裝100包含第三蓋板110C，其具有位於第三MEMS元件126正上方的第三空腔116，第三蓋板110C的組成可以是矽。第三蓋板110C透過鍵合層111鍵合至第三元件基板120C，鍵合層111設置在第三元件基板120C和第三蓋板110C之間。此外，鍵合層111還可以延伸到第三空腔116內，以順向地設置在第三空腔116的側壁和底面上。此外，還可以在第三蓋板110C的表面上設置導電層117，其可以是電耦接到第三MEMS元件126的圖案化導電層。

如第2圖所示，在一實施例中，微機電封裝100包含設置在互連結構132上，且位於第三MEMS元件126正下方的吸氣劑140C，吸氣劑140C被活化後可以吸收第三空腔116中的氣體，從而降低第三空腔116中的壓力。此外，吸氣劑140C可以具有與第三MEMS元件126的溝槽127相對應的圖案，從而通過溝槽127和吸氣劑140C的多個小區域，有效地吸收第三空腔116中的氣體，使得第三空腔116的第三壓力P3低於第一空腔112的第一壓力P1。例如，第三壓力P3可以是例如陀螺儀或加速度計之第三MEMS元件126所需的中真空度。另外，當第一元件基板120A和第三元件基板120C鍵合至互連結構132時，吸氣劑140C可經由鍵合過程的熱處理而被活化，例如吸氣劑140C可以在約150℃至約450℃的溫度活化。在一些實施例中，吸氣劑140C的組成包含Ti、Ti基合金、Zr基合金、Zr-V基合金、Zr-Co基合金或可用於吸收微機電封裝的空腔中的氣體之其他合適的材料。

第3圖是本揭露又另一實施例的微機電封裝100的剖面示意圖，第3圖的微機電封裝100包含被切割道SL分開的第二MEMS區100B和第三MEMS區100C，第二MEMS區100B和第三MEMS區100C中的各部件的細節可以參考前述第1圖和第2圖的說明，在此不再重複。位於第二MEMS元件124正下方的吸氣劑140B可以讓第二空腔114具有第二壓力P2，位於第三MEMS元件126正下方的吸氣劑140C可以讓第三空腔116具有第三壓力P3，其中第三壓力P3不同於第二壓力P2。此外，第二MEMS元件124可以是需要高真空的陀螺儀，第三MEMS元件126可以是需要中真空度的陀螺儀或加速度計。

在一些其他實施例中，微機電封裝100可以包含藉由切割道SL彼此分開的第一MEMS區100A、第二MEMS區100B和第三MEMS區100C，其中位於第一MEMS元件122正上方的第一空腔112具有第一壓力P1，位於第二MEMS元件124正上方的第二空腔114具有第二壓力P2，位於第三MEMS元件126正上方的第三空腔116具有第三壓力P3，第三壓力P3不同於第二壓力P2且低於第一壓力P1。根據本揭露的一些實施例，微機電封裝包含不同的MEMS元件，並且這些MEMS元件對應的各別空腔中具有不同的壓力，藉由吸氣劑的設置，這些MEMS元件可同時在同一晶圓上進行封裝。

第4圖、第5圖、第6圖、第7圖和第8圖是根據本揭露一實施例所繪示的微機電封裝100的製造方法之一些階段的剖面示意圖，參閱第4圖，在步驟S101，首先提供蓋晶圓110，例如為矽晶圓，接著經由刻蝕製程在蓋晶圓110的表面上形成第一空腔112和第二空腔114。然後，在蓋晶圓110上以及第一空腔112和第二空腔114內順向地形成鍵合層111，以包裹蓋晶圓110。鍵合層111的組成例如是氧化矽，可以經由熱氧化製程或沉積製程形成鍵合層111。

接著，仍參閱第4圖，在步驟S103，提供元件晶圓120，例如為矽晶圓，並透過熔融鍵合的方式將元件晶圓120與蓋晶圓110鍵合，以覆蓋第一空腔112和第二空腔114。之後，通過研磨或蝕刻方式薄化元件晶圓120，然後透過光微影和蝕刻製程將元件晶圓120圖案化，以在元件晶圓120的表面上形成第一鍵合密封環126A、第二鍵合密封環126B和支座凸塊(未繪示)。之後，仍參閱第4圖，在步驟S105，透過沉積和圖案化製程，在第一鍵合密封環126A和第二鍵合密封環126B上形成鍵合材料128例如Ge。然後，透過光微影和蝕刻製程將元件晶圓120圖案化，以同時形成彼此側向隔開的第一MEMS元件122和第二MEMS元件124，其中第一MEMS元件122位於第一空腔112的正上方，第二MEMS元件124位於第二空腔114的正上方。第一MEMS元件122包含與第一空腔112相連通的多個溝槽123，第二MEMS元件124包含與第二空腔114相連通的多個溝槽125。此外，透過將元件晶圓120圖案化的製程，在第一MEMS區100A和第二MEMS區100B之間的切割道SL形成預切割線121於元件晶圓120中。於步驟S105後得到結構A，其中元件晶圓120包含第一MEMS元件122和第二MEMS元件124，並且元件晶圓120與形成有第一空腔112和第二空腔114的蓋晶圓110鍵合。

參閱第5圖，在步驟S201，提供晶圓130，其上形成有互連結構132。晶圓130例如為CMOS晶圓，互連結構132包含多個金屬層、多個IMD層以及位於IMD層中用於連接兩個金屬層的多個導通孔。此外，金屬層包含頂部電極層131，IMD層包含設置在頂部電極層131下方的頂部介電層133。另外，保護層134沉積在互連結構132上，保護層134的組成例如為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或前述之組合。

接著，仍參閱第5圖，在步驟S203A，透過光微影和蝕刻製程將保護層134圖案化，以形成多個開口135-1、135-2和135-3。在一實施例中，開口135-1暴露出頂部電極層131的一部分，後續可在頂部電極層131的一部分上形成吸氣劑。在另一實施例中，開口135-1暴露出頂部介電層133的一部分，後續可在頂部介電層133的一部分上形成吸氣劑。互連結構132的鍵合區則透過開口135-2暴露出來，後續用於與第一鍵合密封環126A和第二鍵合密封環126B鍵合。另外，互連結構132的導電墊經由開口135-3暴露出來。

之後，仍參閱第5圖，在步驟S205A，於保護層134上形成圖案化犧牲層150。在一實施例中，圖案化犧牲層150可以是透過光微影製程形成的圖案化光阻。在另一實施例中，圖案化犧牲層150的組成可以是對保護層134具有蝕刻選擇性的介電材料，並且可透過光微影和蝕刻製程形成圖案化犧牲層150。圖案化犧牲層150具有開口151，以暴露出互連結構132的一部分，並且圖案化犧牲層150覆蓋保護層134的開口135-2和135-3，其中開口151對應於保護層134的開口135-1。在一些實施例中，開口151暴露出頂部電極層131的一部分或頂部介電層133的一部分，後續可在暴露出來的部份上形成吸氣劑。

接著，參閱第6圖，在步驟S207A，於圖案化犧牲層150上和開口151內沉積吸氣材料層140，位於開口151內之吸氣材料層140的一部分沉積在互連結構132上，以形成吸氣劑140B。吸氣材料層140的組成可以是Ti、Ti基合金、Zr基合金、Zr-V基合金、Zr-Co基合金或其他適當的吸氣材料，例如Ti-Zr、Ti-Mo、Ti-Zr-V、Zr-Al、Zr-C、Zr-Fe、Zr-V-Fe、Zr-V-Mn、Zr-Co、Zr-Co-Ce或Zr-Co-La，但不限於此。此外，吸氣材料層140的厚度可為約1μm至約1000μm。然後，仍參閱第6圖，在步驟S209A，透過浸泡或蝕刻製程剝除圖案化犧牲層150，以將沉積於圖案化犧牲層150上的吸氣材料層140一起去除，從而在互連結構132上留下吸氣劑140B，吸氣劑140B與頂部電極層131或頂部介電層133接觸。此外，吸氣劑140B電連接到互連結構132。吸氣劑140B的垂直投影面積可以與第二空腔114的垂直投影面積相同，當從俯視觀看時，吸氣劑140B的形狀與開口151的形狀相同。在一些實施例中，圖案化犧牲層150可以有對應於第二MEMS元件124的溝槽125的多個開口，以形成如第2圖所示的吸氣劑140C，其具有對應於第二MEMS元件124的溝槽125的圖案。在步驟S209A後得到結構B，其中吸氣劑140B或吸氣劑140C形成在互連結構132上，且互連結構132形成在晶圓130上。在此實施例中，使用剝離(lift-off)製程形成吸氣劑140B或吸氣劑140C。

接著，參閱第7圖，在步驟S301，將第4圖的步驟S105所得到的結構A上下顛倒，並與第6圖的步驟S209A所得到的結構B鍵合。在第一壓力P1將元件晶圓120鍵合至晶圓130上的互連結構132，使得第一空腔112和第二空腔114均先具有第一壓力P1。此外，第一鍵合密封環126A和第二鍵合密封環126B上的鍵合材料128經由共晶鍵合方式鍵合至互連結構132的鍵合區，在鍵合過程中，位於第二MEMS元件124正下方的吸氣劑140B可經由熱處理而被活化，以吸收第二空腔114中的氣體，從而將第二空腔114中的第一壓力P1降低至第二壓力P2。同時，第一空腔112中的壓力仍維持在第一壓力P1，使得第一空腔112具有第一壓力P1，而第二空腔114則具有低於第一壓力P1的第二壓力P2。另外，吸氣劑140B可以在約150℃至約450℃的溫度被活化，其取決於吸氣劑140B的材料。在一些實施例中，吸氣劑140B的活化溫度可低於元件晶圓120和晶圓130的鍵合過程的溫度，使得吸氣劑140B在鍵合過程中被活化。在一些其他實施例中，吸氣劑140B的活化溫度可高於元件晶圓120和晶圓130的鍵合過程的溫度，吸氣劑140B在鍵合過程後可經由其他熱處理而被活化。

參閱第7圖，在步驟S301，蓋晶圓110具有厚度T1，並且鍵合層111順向地形成在蓋晶圓110上以及第一空腔112和第二空腔114內，以包裹蓋晶圓110。然後，仍參考第7圖，在步驟S303，透過背面研磨或乾蝕刻方式來薄化蓋晶圓110，使得位於蓋晶圓110背面上的鍵合層111也被移除，並且蓋晶圓110的厚度從厚度T1減薄至厚度T2。

之後，參閱第8圖，在步驟S305，於蓋晶圓110的背面上沉積導電層117例如鋁層，並且透過光微影和蝕刻製程將導電層117圖案化。接著，仍參閱第8圖，在步驟S307，透過切割製程去除位於切割道SL之蓋晶圓110的一部分和元件晶圓120的一部分，以暴露出互連結構132上的導電墊，從而形成彼此分離且具有第一空腔112的第一蓋板110A和具有第二空腔114的第二蓋板110B。此外，還形成彼此分離且具有第一MEMS元件122的第一元件基板120A和具有第二MEMS元件124的第二元件基板120B。第一元件基板120A和第二元件基板120B同時被封裝在同一晶圓130上，以完成第1圖的微機電封裝100，其中位於第一MEMS元件122正上方的第一空腔112具有第一壓力P1，位於第二MEMS元件124正上方的第二空腔114具有低於第一壓力P1的第二壓力P2。

第9圖和第10圖是根據本揭露另一實施例所繪示的在晶圓130上的互連結構132上形成吸氣劑140B的一些階段的剖面示意圖，在第5圖的步驟S201之後，參閱第9圖，在步驟S203B，透過光微影和第一刻蝕製程將保護層134圖案化，以形成開口135-1，其暴露出互連結構132的一部分。在一實施例中，頂部電極層131的一部分經由開口135-1暴露出來，後續在其上形成吸氣劑。在另一實施例中，頂部介電層133的一部分經由開口135-1暴露出來，後續在其上形成吸氣劑。

接著，仍參閱第9圖，在步驟S205B，於保護層134上沉積吸氣材料層140，且吸氣材料層140的一部分140-1沉積在開口135-1內和互連結構132上。吸氣材料層140的組成及厚度可參考前述第6圖的步驟S207A的說明，在此不再重複。然後，仍參閱第9圖，於步驟S207B，在位於第二MEMS區100B的吸氣材料層140的一部分140-1上形成圖案化光阻160。

之後，參閱第10圖，在步驟S209B，使用圖案化光阻160作為蝕刻遮罩並蝕刻吸氣材料層140，使得吸氣材料層140的一部分140-1被圖案化，以在第二MEMS區100B的互連結構132上形成吸氣劑140B，且吸氣劑140B與頂部電極層131或頂部介電層133接觸。此外，吸氣劑140B電連接到互連結構132。於一實施例中，吸氣劑140B的垂直投影面積可以與第二空腔114的垂直投影面積相同。當從俯視觀看時，吸氣劑140B的形狀與圖案化光阻160的形狀相同。在一些實施例中，圖案化光阻160具有多個開口，並且圖案化光阻160的圖案對應於第二MEMS元件124的溝槽125，以形成如第2圖所示的吸氣劑140C，其具有與第二MEMS元件124的溝槽125相對應的圖案。在本實施例中，使用乾蝕刻製程在互連結構132上形成吸氣劑140B或吸氣劑140C。

接著，仍參閱第10圖，在步驟S211B，透過光微影和第二蝕刻製程將保護層134圖案化，以形成其他開口135-2和135-3，從而暴露出互連結構132的導電墊和鍵合區。在步驟S211B得到結構B，其中吸氣劑140B或吸氣劑140C形成在互連結構132上，而互連結構132形成於晶圓130上。

在一些實施例中，第1圖的微機電封裝100還可透過第4圖的步驟S101至步驟S105、第5圖的步驟S201、第9圖和第10圖的步驟S203B至步驟S211B以及第7圖和第8圖的步驟S301至步驟S307完成。另外，第2圖和第3圖的微機電封裝100以及包含第一MEMS區100A、第二MEMS區100B和第三MEMS區100C的微機電封裝均可以透過前述第4圖至第10圖的步驟來製造。

根據本揭露的一些實施例，微機電封裝包含不同的MEMS元件，其對應的各個空腔中具有不同的壓力，並且這些MEMS元件在同一晶圓上同時製造和封裝。因此，相較於目前的微機電封裝，本揭露的微機電封裝的整個製造流程更簡化，且微機電封裝的佔地面積更小。此外，本揭露的微機電封裝不需要使用引線接合，進而減少了寄生效應。

另外，本揭露的微機電封裝包含設置在CMOS晶圓上之互連結構上的吸氣劑，且吸氣劑位於需要高真空的MEMS元件正下方，吸氣劑可被活化以降低位於需要高真空的MEMS元件正上方的空腔中的壓力。根據本揭露的實施例，形成吸氣劑的製程與CMOS晶圓的製程相容，且吸氣劑的活化可利用微機電封裝的鍵合過程，藉此可以降低微機電封裝的製造成本和時間。此外，本揭露的微機電封裝可適用於一軸、二軸、三軸和六軸的慣性測量單元(IMU)和MEMS元件。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100:微機電封裝 100A:第一MEMS區 100B:第二MEMS區 100C:第三MEMS區 SL:切割道 110:蓋晶圓 110A:第一蓋板 110B:第二蓋板 110C:第三蓋板 111:鍵合層 112:第一空腔 114:第二空腔 116:第三空腔 117:導電層 120:元件晶圓 120A:第一元件基板 120B:第二元件基板 120C:第三元件基板 121:預切割線 122:第一MEMS元件 123、125、127:溝槽 124:第二MEMS元件 126:第三MEMS元件 126A:第一鍵合密封環 126B:第二鍵合密封環 126C:第三鍵合密封環 128:鍵合材料 130:晶圓 131:頂部電極層 132:互連結構 133:頂部介電層 134:保護層 135-1、135-2、135-3:開口 140:吸氣材料層 140-1:吸氣材料層的一部份 140B、140C:吸氣劑 150:圖案化犧牲層 151:開口 160:圖案化光阻 A、B:結構 T1、T2:厚度 S101、S103、S105、S201、S203A、S205A、S207A、S209A、S203B、S205B、S207B、S209B、S211B、S301、S303、S305、S307:步驟

為了使下文更容易被理解，在閱讀本揭露時可同時參考圖式及其詳細文字說明。透過本文中之具體實施例並參考相對應的圖式，俾以詳細解說本揭露之具體實施例，並用以闡述本揭露之具體實施例之作用原理。此外，為了清楚起見，圖式中的各特徵可能未按照實際的比例繪製，因此某些圖式中的部分特徵的尺寸可能被刻意放大或縮小。 第1圖是根據本揭露一實施例所繪示的微機電(MEMS)封裝的剖面示意圖。 第2圖是根據本揭露另一實施例所繪示的MEMS封裝的剖面示意圖。 第3圖是根據本揭露又另一實施例所繪示的MEMS封裝的剖面示意圖。 第4圖、第5圖、第6圖、第7圖和第8圖是根據本揭露一實施例所繪示的MEMS封裝的製造方法的一些階段的剖面示意圖。 第9圖和第10圖是根據本揭露另一實施例所繪示在位於晶圓上的互連結構上形成吸氣劑的一些階段的剖面示意圖。

100:微機電封裝

100A:第一微機電區

100B:第二微機電區

SL:切割道

110A:第一蓋板

110B:第二蓋板

111:鍵合層

112:第一空腔

114:第二空腔

117:導電層

120A:第一元件基板

120B:第二元件基板

122:第一微機電元件

123、125:溝槽

124:第二微機電元件

126A:第一鍵合密封環

126B:第二鍵合密封環

128:鍵合材料

130:晶圓

131:頂部電極層

132:互連結構

133:頂部介電層

134:保護層

140B:吸氣劑

Claims (20)

1. 一種微機電封裝，包括： 一晶圓； 一互連結構，設置於該晶圓上； 一保護層，設置於該互連結構上； 一第一元件基板，包括一第一微機電元件，設置在該晶圓上，且鍵合至該互連結構； 一第二元件基板，包括一第二微機電元件，與該第一元件基板側向隔開，設置在該晶圓上，且鍵合至該互連結構； 一第一蓋板，具有一第一空腔，且鍵合至該第一元件基板； 一第二蓋板，具有一第二空腔，且鍵合至該第二元件基板；以及 一吸氣劑，設置在該保護層的一開口中和該互連結構上，且位於該第二微機電元件的正下方， 其中該第一空腔具有一第一壓力，該第二空腔具有低於該第一壓力的一第二壓力。
2. 如請求項1所述之微機電封裝，其中該第一微機電元件包括加速度計，且該第二微機電元件包括陀螺儀。
3. 如請求項1所述之微機電封裝，其中該互連結構包括一頂部電極層，該保護層設置在該頂部電極層上，且該吸氣劑與該頂部電極層接觸。
4. 如請求項1所述之微機電封裝，其中該互連結構包括設置在一頂部電極層下方的一頂部介電層，且該吸氣劑與該頂部介電層接觸。
5. 如請求項1所述之微機電封裝，其中該吸氣劑電連接至該互連結構。
6. 如請求項1所述之微機電封裝，其中該吸氣劑的垂直投影區域與該第二空腔的垂直投影區域重疊。
7. 如請求項1所述之微機電封裝，其中該第二微機電元件包括複數個溝槽，且該吸氣劑具有與該第二微機電元件的該複數個溝槽相對應的圖案。
8. 如請求項1所述之微機電封裝，其中該吸氣劑包括Ti、Ti基合金、Zr基合金、Zr-V基合金或Zr-Co基合金。
9. 如請求項1所述之微機電封裝，其中該吸氣劑係配置為該第二微機電元件的一導電的阻擋件。
10. 如請求項1所述之微機電封裝，還包括： 一第三元件基板，包括一第三微機電元件，與該第一元件基板和該第二元件基板側向隔開，設置在該晶圓上，且鍵合至該互連結構； 一第三蓋板，具有一第三空腔，且鍵合至該第三元件基板；以及 另一吸氣劑，設置在該互連結構上，且位於該第三微機電元件正下方， 其中該第三空腔具有不同於該第二壓力且低於該第一壓力的一第三壓力。
11. 一種微機電封裝的製造方法，包括： 提供一蓋晶圓，具有一第一空腔和一第二空腔形成於該蓋晶圓中； 提供一元件晶圓； 將該元件晶圓鍵合至該蓋晶圓； 圖案化該元件晶圓，以形成彼此側向隔開的一第一微機電元件和一第二微機電元件，其中該第一微機電元件對應於該第一空腔，該第二微機電元件對應於該第二空腔； 提供一晶圓，具有一互連結構形成於該晶圓上； 在該互連結構上形成一吸氣劑； 於一第一壓力將該元件晶圓鍵合至該晶圓上的該互連結構，其中該第一空腔和該第二空腔均具有該第一壓力，且該吸氣劑位於該第二微機電元件的正下方；以及 活化該吸氣劑，以將該第二空腔中的該第一壓力降低至一第二壓力，其中該第一空腔具有該第一壓力，且該第二空腔具有低於該第一壓力的該第二壓力。
12. 如請求項11所述之微機電封裝的製造方法，其中該互連結構包括形成在一頂部介電層上的一頂部電極層，並且形成該吸氣劑與該頂部電極層或該頂部介電層接觸。
13. 如請求項11所述之微機電封裝的製造方法，其中該吸氣劑電連接至該互連結構。
14. 如請求項11所述之微機電封裝的製造方法，其中該吸氣劑包括Ti、Ti基合金、Zr基合金、Zr-V基合金或Zr-Co基合金。
15. 如請求項11所述之微機電封裝的製造方法，其中形成該吸氣劑包括： 在該互連結構上形成一保護層； 透過一蝕刻製程圖案化該保護層，以形成一開口暴露出該互連結構的一部分； 在該保護層上形成一圖案化犧牲層，以暴露出該互連結構的該部分； 在該圖案化犧牲層和該互連結構的該部分上沉積一吸氣材料層；以及 去除該圖案化犧牲層，以形成該吸氣劑，其中該吸氣劑的垂直投影區域與該第二空腔的垂直投影區域重疊。
16. 如請求項15所述之微機電封裝的製造方法，其中在沉積該吸氣材料層之前，透過該蝕刻製程形成該保護層的另一些開口，以暴露出該互連結構的一導電墊和一鍵合區，並且該圖案化犧牲層覆蓋該保護層的該另一些開口。
17. 如請求項11所述之微機電封裝的製造方法，其中形成該吸氣劑包括： 在該互連結構上形成一保護層； 透過一第一蝕刻製程圖案化該保護層，以形成一開口暴露出該互連結構的一部分； 在該保護層和該互連結構的該部分上沉積一吸氣材料層；以及 圖案化該吸氣材料層，以形成該吸氣劑，其中該吸氣劑的垂直投影區域與該第二空腔的垂直投影區域重疊。
18. 如請求項17所述之微機電封裝的製造方法，其中在形成該吸氣劑之後，透過一第二蝕刻製程將該保護層圖案化，以形成另一些開口暴露出該互連結構的一導電墊和一鍵合區。
19. 如請求項11所述之微機電封裝的製造方法，其中形成該吸氣劑包括： 在該互連結構上沉積一吸氣材料層；以及 圖案化該吸氣材料層，以形成具有一圖案的該吸氣劑， 其中該第二微機電元件包括複數個溝槽，且該吸氣劑的該圖案對應於該第二微機電元件的該複數個溝槽。
20. 如請求項11所述之微機電封裝的製造方法，還包括： 移除位於一切割道的該蓋晶圓的一部分和該元件晶圓的一部分，以形成具有該第一空腔的一第一蓋板、具有該第二空腔的一第二蓋板、包含該第一微機電元件的一第一元件基板以及包含該第二微機電元件的一第二元件基板。

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