專利名稱：圓片級(jí)mems慣性器件tsv堆疊封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種對(duì)應(yīng)MEMS(Micro Electronics Mechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))產(chǎn)品圓片級(jí)功能芯片垂直堆疊的先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，最少涉及兩片功能性芯片的堆疊，特別涉及需要真空封裝的MEMS產(chǎn)品，并且運(yùn)用到兩種不同的TSV技術(shù)(Through SiliconVia,硅通孔技術(shù))，運(yùn)用此TSV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)硅正面及硅背面的垂直電性連接。具體地說(shuō)是圓片級(jí)MEMS慣性器件TSV堆疊封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
MEMS慣性器件從20世紀(jì)90年代開始研制以及生產(chǎn)以來(lái)，一直保持高速增長(zhǎng)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)，開始廣泛運(yùn)用于消費(fèi)電子市場(chǎng)，工業(yè)市場(chǎng)及國(guó)防產(chǎn)業(yè)。慣性器件是利用慣性敏感元件和初始位置來(lái)確定載體的動(dòng)態(tài)位置，姿態(tài)和速度及角速度，是一門涉及精密機(jī)械，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，高頻信號(hào)技術(shù)，微電子，自動(dòng)控制，材料等多種學(xué)科及領(lǐng)域的綜合技 術(shù)。陀螺儀和加速度計(jì)是慣性器件的核心部件，但現(xiàn)在市面上主流的陀螺儀和加速度計(jì)都是由 MEMS 芯片和 ASIC 芯片(Application Specific integrated circuit,是一種專門為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)的目的而專門開發(fā)的集成電路)加上封裝材料組合形成可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)功能的器件，就要求首先在這個(gè)器件中要置入一顆MEMS芯片，再置入一顆ASIC芯片，然后經(jīng)過(guò)封裝的處理，形成一顆完整的器件。現(xiàn)在整個(gè)國(guó)際MEMS產(chǎn)業(yè)界對(duì)應(yīng)MEMS慣性器件的封裝基本上全部是基于器件級(jí)的單顆芯片封裝，采用芯片平行放置或者兩芯片垂直擺放，通過(guò)有一定粘合力的材料固定，然后經(jīng)過(guò)金絲焊，連接芯片間的焊墊及封裝基板上的金手指，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩芯片間的電性互連及與封裝基板的電性互連，互連完成后通過(guò)塑封實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的保護(hù)。但傳統(tǒng)的封裝工藝如引線鍵合及倒裝芯片堆疊一直存在著單顆封裝成本較高，且物料浪費(fèi)較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)，尤其是在金絲焊的過(guò)程中在焊墊和金絲的結(jié)合點(diǎn)易產(chǎn)生較大的寄生電容，影響慣性器件的性能。而且，MEMS大部分產(chǎn)品有真空封裝要求，在晶圓加工的過(guò)程中就需要先做一次圓片級(jí)的真空封裝，然后再做一次塑封封裝，已經(jīng)形成了成本，材料，工時(shí)的浪費(fèi)。
發(fā)明內(nèi)容為了彌補(bǔ)以上不足，本實(shí)用新型提供了對(duì)應(yīng)MEMS產(chǎn)品的一種基于TSV技術(shù)的圓片級(jí)封裝，此封裝TSV取代傳統(tǒng)布線，垂直互連多芯片MEMS器件，縮短了連線距離，使得外形更小的、功能集成度和性能更高的器件成為可能。本實(shí)用新型為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的方案包括以下步驟，將MEMS芯片和ASIC芯片的金屬焊墊及對(duì)應(yīng)密封金屬結(jié)構(gòu)鏡像對(duì)應(yīng)，并且金屬焊墊按照設(shè)計(jì)需求可以部分對(duì)應(yīng)。經(jīng)過(guò)對(duì)位過(guò)程，兩晶圓貼近并且實(shí)現(xiàn)位置對(duì)應(yīng)，然后進(jìn)行真空環(huán)境下的金屬鍵合，兩片晶圓粘合在一起，形成了 MEMS芯片和ASIC芯片金屬焊墊的互連導(dǎo)通及金屬密封環(huán)的緊密鍵合。其中MEMS芯片包括第一娃基板I、沉積在第一娃基板上的第一絕緣層、位于第一絕緣層上的第一金屬層、位于第一金屬層上的孔硅連接點(diǎn)和氧化硅錨點(diǎn)、位于所述孔硅連接點(diǎn)和所述氧化硅錨點(diǎn)上的可動(dòng)硅層、硅錨點(diǎn)、硅懸臂梁、可動(dòng)結(jié)構(gòu)，然后在上述可動(dòng)硅層、硅錨點(diǎn)、硅懸臂梁、可動(dòng)結(jié)構(gòu)上形成第二金屬層和MEMS金屬焊墊。ASIC芯片包括第二硅基板層、位于部分所述第二硅基板層上表面的電路部分、覆蓋所述第二硅基板層以及所述電路部分的第二絕緣層、以及位于所述第二絕緣層上的ASIC金屬焊墊和第三金屬層。后通過(guò)在所述ASIC晶圓的硅基板背面對(duì)應(yīng)需要對(duì)外連接的ASIC金屬焊墊運(yùn)用干法刻蝕開硅通孔，所述孔貫通所述ASIC芯片的硅基板，所述孔可以是垂直孔，也可以是具 有一定斜坡角度的傾斜孔，然后沉積二氧化硅覆蓋整個(gè)所述硅通孔側(cè)壁及硅基板背面，此步驟作用是作為之后沉積的第四金屬層與硅層的絕緣。其后經(jīng)過(guò)光刻、干法刻蝕露出硅通孔底部的ASIC金屬焊墊，然后沉積第四金屬層，所述第四金屬層是鋁銅合金，所述第四金屬層全部覆蓋第二硅基板的背面包括所述硅通孔側(cè)壁及孔底的ASIC金屬焊墊，實(shí)現(xiàn)了孔底金屬焊墊和硅基板背面表面的互連，后經(jīng)光刻、金屬蝕刻、圖形化形成所設(shè)計(jì)線路和錫球印刷區(qū)，所述錫球印刷區(qū)直徑比隨后形成在其上的錫球略大。然后在所述第四金屬層表面旋涂一層深色負(fù)性光刻膠，在對(duì)應(yīng)所述第四金屬層上方留出即將制備的錫球位置處圖形化去除光刻膠，露出所述錫球印刷區(qū)，其余部分作為保護(hù)層留下，用以保護(hù)金屬線路，然后在所述錫球印刷區(qū)上形成錫球，完成整個(gè)芯片的對(duì)外連接部分。其中，由第一娃基板、第二娃基板、第二金屬層、第三金屬層、可動(dòng)娃層、第一絕緣層及第一金屬層等構(gòu)成一個(gè)密封的空腔；第二金屬層、可動(dòng)娃層、MEMS金屬焊墊、ASIC金屬焊墊、第四金屬層、互連孔、表面導(dǎo)線和錫球可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇性的互連，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳導(dǎo)；第四金屬層表面覆蓋一層負(fù)性光刻膠，在對(duì)應(yīng)金屬層上方留出錫球位置去除負(fù)性光刻膠，實(shí)現(xiàn)錫球的定位及與第四金屬層的互連。從上述技術(shù)方案可以看出，在一個(gè)封裝中TSV技術(shù)采用短而垂直結(jié)構(gòu)來(lái)連接多個(gè)垂直堆疊的硅芯片，與引線鍵合或倒裝芯片堆疊相比，TSV技術(shù)可提供更高的空間效率和更高的連線密度，有助于減小MEMS芯片尺寸，提高其穩(wěn)定性和性能，并且可以方便的進(jìn)行圓片級(jí)的測(cè)試及老化實(shí)驗(yàn)。

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型實(shí)用新型的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。圖I為本實(shí)用新型提供一種MEMS芯片的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實(shí)用新型提供一種ASIC的結(jié)構(gòu)示意圖圖3為本實(shí)用新型提供的結(jié)構(gòu)鍵合后的示意圖圖4為本實(shí)用新型提供的結(jié)構(gòu)ASIC結(jié)構(gòu)主視圖[0021]圖5為本實(shí)用新型提供的工藝完成示意圖圖6為本實(shí)用新型提供的封裝后主視圖
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種圓片級(jí)MEMS慣性器件TSV堆疊封裝結(jié)構(gòu)，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。請(qǐng)參考圖I、圖2、圖3，圖4、圖5及圖6，其中圖I、圖2為MEMS芯片和ASIC芯片的結(jié)構(gòu)圖，圖3為本實(shí)用新型提供的鍵合示意圖，圖4、圖6為ASIC及封裝主視圖，圖5為整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的解剖圖。所述圓片級(jí)MEMS慣性器件TSV堆疊封裝結(jié)構(gòu)是運(yùn)用TSV封裝工藝對(duì)MEMS芯片和ASIC芯片的垂直堆疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝得到的封裝結(jié)構(gòu)，其包括MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片包括第一硅基板I、沉積在第一硅基板I上的第一絕緣層2、位于第一絕緣層2上的第一金屬層3、位于第一金屬層3上的孔娃連接點(diǎn)4和氧化娃錨點(diǎn)7、位于所述孔娃連接點(diǎn)4和所述氧化娃錨點(diǎn)7上的可動(dòng)娃層5、娃錨點(diǎn)10、娃懸臂梁8、可動(dòng)結(jié)構(gòu)9,其中所述可動(dòng)娃層5與娃錨點(diǎn)10、娃懸臂梁8、可動(dòng)結(jié)構(gòu)9為同一娃層,材料為重?fù)诫s的多晶娃,本身具有良好的導(dǎo)電性能，且在該同一娃層表面形成第二金屬層6和MEMS金屬焊墊11，第二金屬層6用來(lái)做金屬鍵合及金屬焊墊，材料為銅或金鉻合金，厚度應(yīng)控制在3到10微米。第一絕緣層2作用是隔絕位于該第一絕緣層2上的第一金屬層3與第一硅基板1，防止中間導(dǎo)電。所述的ASIC芯片包括第二硅基板層16、位于部分所述第二硅基板層16上表面的電路部分14、覆蓋所述第二硅基板層以及所述電路部分的第二絕緣層15、以及位于所述第二絕緣層15上的ASIC金屬焊墊12和第三金屬層13，所述ASIC金屬焊墊和第三金屬層13屬于同一材料層。所述優(yōu)選的,ASIC金屬焊墊12及第三金屬層13的材料配合第二金屬層6及MEMS金屬焊墊11選用對(duì)應(yīng)的銅或金鉻合金材料，要保證需對(duì)應(yīng)區(qū)域的鏡像對(duì)應(yīng)位置。所述垂直堆疊結(jié)構(gòu)是以ASIC芯片具有金屬焊墊的表面作為晶圓正面，在其上與所述MEMS芯片具有金屬焊墊的表面相對(duì)的方式進(jìn)行對(duì)位，兩芯片貼近并且實(shí)現(xiàn)位置對(duì)應(yīng)，然后進(jìn)行真空環(huán)境下的金屬鍵合，在一定的壓力，溫度和真空條件下，金屬實(shí)現(xiàn)原子間的擴(kuò)散，形成了具有密封性的鍵合層，由第一娃基板I、第二娃基板16、第二金屬層6、第三金屬層13、可動(dòng)硅層5、第一絕緣層2及第一金屬層3等構(gòu)成具有一定真空度的密封的真空腔體18，從而實(shí)現(xiàn)MEMS芯片和ASIC芯片金屬焊墊的互連導(dǎo)通以及金屬密封環(huán)的緊密鍵合。整個(gè)芯片的對(duì)外連接部分則是通過(guò)在所述ASIC晶圓的硅基板背面對(duì)應(yīng)需要對(duì)外連接的所述ASIC金屬焊墊12運(yùn)用干法刻蝕開硅通孔，所述孔貫通所述ASIC芯片的硅基板，所述孔可以是垂直孔，也可以是具有一定斜坡角度的傾斜孔，然后沉積二氧化硅覆蓋整個(gè)所述硅通孔側(cè)壁及硅基板背面，此步驟作用是作為之后沉積的第四金屬層與硅層的絕緣。其后經(jīng)過(guò)光刻、干法刻蝕露出硅通孔底部的ASIC金屬焊墊，然后沉積第四金屬層23，所述第四金屬層是鋁銅合金，所述第四金屬層全部覆蓋第二硅基板的背面包括所述硅通孔側(cè)壁及孔底的ASIC金屬焊墊，實(shí)現(xiàn)了孔底金屬焊墊和硅基板背面表面的互連，后經(jīng)光刻、金屬蝕刻、圖形化形成所設(shè)計(jì)線路和錫球印刷區(qū)26，所述錫球印刷區(qū)直徑比隨后形成在其上的錫球27略大。然后在所述第四金屬層表面旋涂一層深色負(fù)性光刻膠，在對(duì)應(yīng)所述第四金屬層上方留出即將制備的錫球位置處圖形化去除光刻膠，露出所述錫球印刷區(qū)，其余部分作為保護(hù)層留下，用以保護(hù)金屬線路，然后在所述錫球印刷區(qū)上形成錫球，完成整個(gè)芯片的對(duì)外連接部分。所述第二金屬層6、可動(dòng)娃層5、MEMS金屬焊墊11、ASIC金屬焊墊13、第四金屬層23、互連孔21、表面導(dǎo)線24和錫球27可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇性的互連，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳導(dǎo)。本實(shí)施例提供的光刻圖形化動(dòng)作都是經(jīng)過(guò)涂光刻膠、烘干、曝光、顯影、刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)的。需要說(shuō)明的是，在本文中，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有 的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實(shí)用新型。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實(shí)用新型的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本實(shí)用新型將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求1.一種圓片級(jí)MEMS慣性器件TSV堆疊封裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是對(duì)垂直堆疊的ASIC芯片和MEMS芯片結(jié)構(gòu)通過(guò)硅通孔TSV工藝進(jìn)行互連封裝得到，所述封裝結(jié)構(gòu)包括ASIC芯片、MEMS芯片以及對(duì)外連接部分，其特征在于 MEMS芯片包括 第一硅基板(I)、沉積在第一硅基板(I)上的第一絕緣層(2)、位于第一絕緣層(2)上的第一金屬層(3)、位于第一金屬層(3)上的孔娃連接點(diǎn)(4)和氧化娃錨點(diǎn)(7)、位于所述孔硅連接點(diǎn)(4)和所述氧化硅錨點(diǎn)(7)上的可動(dòng)硅層(5)、硅錨點(diǎn)(10)、硅懸臂梁(8)、可動(dòng)結(jié)構(gòu)(9)，在上述可動(dòng)硅層(5)、硅錨點(diǎn)(10)、硅懸臂梁(8)、可動(dòng)結(jié)構(gòu)(9)上形成的第二金屬層(6)和MEMS金屬焊墊(11)； 所述的ASIC芯片包括第二娃基板層(16)、位于部分所述第二娃基板層(16)上表面的電路部分(14)、覆蓋所述第二硅基板層以及所述電路部分的第二絕緣層(15)、以及位于所述第二絕緣層(15)上的ASIC金屬焊墊(12)和第三金屬層(13)； 由上述第一娃基板、第二娃基板、第二金屬層、第三金屬層、可動(dòng)娃層、第一絕緣層及第一金屬層構(gòu)成一個(gè)密封的空腔； 所述對(duì)外連接部分包括在所述ASIC晶圓的硅基板背面對(duì)應(yīng)需要對(duì)外連接的所述ASIC金屬焊墊的硅通孔(20)，覆蓋整個(gè)所述硅通孔側(cè)壁及硅基板背面的第三絕緣層(22)，全部覆蓋第二硅基板的背面包括所述硅通孔側(cè)壁及孔底的ASIC金屬焊墊來(lái)實(shí)現(xiàn)孔底金屬焊墊和硅基板背面表面的互連的第四金屬層(23)，覆蓋該第四金屬層表面的第四絕緣層(25)以及在對(duì)應(yīng)所述第四金屬層上方留出錫球位置去除第四絕緣層(25)后在其上形成的錫球印刷區(qū)(26)，在該錫球印刷區(qū)上形成的錫球。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二金屬層和第三金屬層為銅或金鉻合金，第一絕緣層和第二絕緣層為氧化硅及氮化硅，第三絕緣層為二氧化硅，第四絕緣層為具有絕緣特性的深色負(fù)性光刻膠，第四金屬層及表面導(dǎo)線層為鋁銅合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，硅通孔可以為垂直孔，也可以為有一定斜坡角度的斜孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二金屬層、可動(dòng)硅層、MEMS金屬焊墊、ASIC金屬焊墊、第四金屬層、互連孔、表面導(dǎo)線和錫球可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇性的互連，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳導(dǎo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，MEMS焊墊和第二金屬層層高一致，ASIC焊墊和第三金屬層的層高一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于MEMS焊墊和第二金屬層的表面，ASIC焊墊和第三金屬層的表面，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的鏡像對(duì)應(yīng)區(qū)域應(yīng)該吻合，并且表面光滑。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，在硅通孔底部的第三絕緣層上開孔，然后沉積第四金屬層，實(shí)現(xiàn)第四金屬層和ASIC焊墊的連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二金屬層及第三金屬層用做密封的區(qū)域?yàn)榄h(huán)形結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬層需經(jīng)過(guò)電鍍處理。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種對(duì)應(yīng)MEMS產(chǎn)品的基于TSV技術(shù)的圓片級(jí)封裝，芯片尺寸和封裝面積比達(dá)到1∶1，此封裝TSV取代傳統(tǒng)布線，垂直互連多芯片MEMS器件，縮短了連線距離，使得外形更小的、功能集成度和性能更高的器件成為可能，并且運(yùn)用其中一個(gè)功能性芯片代替原來(lái)的外加真空蓋板層，在同樣實(shí)現(xiàn)真空封裝的同時(shí)，節(jié)約了真空蓋板層及真空蓋板層加工的加工工序。在一個(gè)封裝中TSV技術(shù)采用短而垂直結(jié)構(gòu)來(lái)連接多個(gè)垂直堆疊的硅芯片，與引線鍵合或倒裝芯片堆疊相比，TSV技術(shù)可提供更高的空間效率和更高的連線密度，有助于減小MEMS芯片尺寸，提高其穩(wěn)定性和性能。
文檔編號(hào)B81B7/00GK202508874SQ201220022670
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者周源, 孫博華, 孫明, 孫雷, 王琳, 田曉丹, 覃昭君, 邵長(zhǎng)治, 郭偉恒 申請(qǐng)人:水木智芯科技(北京)有限公司