集成mems器件的傳感器的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓力傳感器芯片的封裝方法及壓力傳感器，包括步驟：提供一壓力傳感器芯片，在MEMS器件層上形成保護層，所述保護層暴露所述焊墊；在所述保護層上方形成犧牲層，所述犧牲層暴露所述焊墊的位置；在所述焊墊上方形成第一金屬層；在第一金屬層和所述犧牲層上形成第二金屬層；刻蝕所述第二金屬層，形成位于第一金屬層上的焊球。本發(fā)明中在刻蝕犧牲層以及金屬互連層的步驟中，由于有保護層保護了感應(yīng)部件的凹槽對應(yīng)的較薄處，這樣使得感應(yīng)部件不受損傷，大大的提高了器件的可靠性，使得壓力傳感器芯片可以利用BGA封裝，從而降低了封裝尺寸，使得器件的體積縮小，成本較低，產(chǎn)品得到優(yōu)化。
【專利說明】集成MEMS器件的傳感器的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種壓力傳感器的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS傳感器已經(jīng)被應(yīng)用于各個領(lǐng)域當中，由于工作環(huán)境的需要，MEMS傳感器必須采用一種有效的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法，傳統(tǒng)的封裝類型主要是芯片級封裝，通常是將一個裸芯片放入陶瓷管殼中，通過金絲焊球與管腳相連，其上的蓋板由焊料或陶瓷封接與管殼相連，完成裸芯片的封裝過程，由于一個晶圓上可以切割出許多個芯片，這種封裝方法對每個芯片都需要測試并封裝，導(dǎo)致了成本的增加。
[0003]針對上述問題，人們發(fā)展了其他的封裝方法，將ASIC芯片和MEMS芯片分別制造在兩個獨立的襯底上，然后通過鍵合工藝將兩個芯片封裝在一起，以形成MEMS裝置，雖然實現(xiàn)了晶圓級的封裝，但是采用兩個襯底的封裝方法使得集成化程度大大降低，使得襯底的利用率降低，還增加了額外的封裝面積，封裝尺寸也增加，不利于適應(yīng)MEMS器件封裝小型化的發(fā)展趨勢。同時封裝過程中使用的焊料為金錫合金、鉛錫合金等，這些材料與標準的CMOS工藝并不完全兼容。
[0004]因此，如何在一個襯底上實現(xiàn)CMOS器件和MEMS傳感器的晶圓級封裝并與CMOS工藝兼容，減少封裝尺寸，并且保證集成MEMS器件的壓力傳感器的感應(yīng)部件可以感受壓力是目前亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是提供一種壓力傳感器的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法，減小了壓力傳感器的封裝尺寸。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種壓力傳感器晶圓級的封裝方法，包括步驟:
[0007]提供第一基板，其包括襯底，位于襯底上介電質(zhì)層，在所述襯底中具有CMOS電路層，在所述介電質(zhì)層中具有MEMS器件層，所述MEMS器件層上具有與MEMS器件電連接的焊墊；
[0008]提供第二基板，其底面上具有數(shù)個接觸孔；
[0009]對所述第二基板的底面進行刻蝕，在所述接觸孔之間形成凹槽，所述一個凹槽的容積可以容納一個傳感器所包含的MEMS器件；
[0010]將第一基板的MEMS器件層所在表面與第二基板的底面進行鍵合，使得MEMS器件層位于所述凹槽和MEMS器件層表面形成的空腔內(nèi)，并且所述接觸孔的一端與所述焊墊連接；在接觸孔的另一端形成焊球
[0011]另外本發(fā)明還提供了一種壓力傳感器的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)，包括:
[0012]第一基板，所述第一基板包括襯底和位于所述襯底上的介電質(zhì)層，所述襯底中具有CMOS電路層，所述介電質(zhì)層中具有MEMS器件層，所述MEMS層上具有與MEMS器件電連接的焊墊；
[0013]所述MEMS器件層上鍵合有第二基板；
[0014]所述第二基板的底面具有凹槽，所述凹槽和所述第一基板圍成空腔，所述MEMS器件層位于該空腔內(nèi)；
[0015]所述第二基板中具有接觸孔，所述接觸孔的一端與所述焊墊電連接，另一端連接有焊球。
[0016]本發(fā)明的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法與封裝結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有技術(shù)相比:將傳感器的MEMS器件封閉在空腔內(nèi)，保護了其靈敏性，并且實現(xiàn)了 BGA封裝，使得器件的體積縮小，成本較低，產(chǎn)品得到優(yōu)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明一實施例的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法的流程示意圖；
[0018]圖2-圖6為本發(fā)明一實施例的集成MEMS器件的傳感器封裝方法示意圖。
【具體實施方式】
[0019]傳統(tǒng)的集成MEMS器件的傳感器的晶圓級封裝將ASIC芯片和MEMS芯片分別制造在兩個獨立的襯底上，然后通過鍵合工藝將兩個芯片封裝在一起，以形成MEMS裝置，雖然實現(xiàn)了晶圓級的封裝，但是采用兩個襯底的封裝方法使得集成化程度大大降低，使得襯底的利用率降低，還增加了額外的封裝面積，封裝尺寸也增加，不利于適應(yīng)MEMS器件封裝小型化的發(fā)展趨勢。同時封裝過程中使用的焊料為金錫合金、鉛錫合金等，這些材料與標準的CMOS工藝并不完全兼容。
[0020]本發(fā)明中利用了本 申請人:的另一專利技術(shù)的壓力傳感器，傳感器在一個芯片中包括了 CMOS電路層和位于CMOS上方的MEMS器件層，CMOS電路層和MEMS器件層之間利用與CMOS工藝兼容的互連層進行互連。針對這種傳感器芯片，本發(fā)明中利用另一基板作為封裝基板，在其上開槽開孔，從而使得可以將MEMS器件封閉在空腔中。
[0021]針對上述問題，發(fā)明人進行研究后，得到了本發(fā)明的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法，圖1為本發(fā)明一實施例的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法的流程示意圖，如圖1所示，其包括以下步驟:
[0022]SlO:提供第一基板,其包括襯底,位于襯底上介電質(zhì)層,在所述襯底中具有CMOS電路層，在所述介電質(zhì)層中具有MEMS器件層，所述MEMS器件層上具有與MEMS器件電連接的焊墊；
[0023]S20:提供第二基板，其底面上具有數(shù)個接觸孔；
[0024]S30:對所述第二基板的底面進行刻蝕，在所述接觸孔之間形成凹槽，一個凹槽的面積對應(yīng)一個傳感器所包含的MEMS器件的面積；
[0025]S40:將第一基板的MEMS器件層所在表面與第二基板的底面進行鍵合，使得MEMS器件層位于所述凹槽和MEMS器件層表面形成的空腔內(nèi)，并且所述接觸孔的一端與所述焊墊連接；[0026]S50:在接觸孔的另一端形成焊球。
[0027]圖1為本發(fā)明一實施例的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法的流程示意圖；圖2-圖6為本發(fā)明一實施例的集成MEMS器件的傳感器封裝方法示意圖。下面結(jié)合圖1至圖5對本發(fā)明的一具體實施例進行說明，為了便于說明，在本實施例中，具體的以用來測量大氣壓的壓力傳感器為例進行說明，當然本發(fā)明不限于測量大氣壓的壓力傳感器或者壓力傳感器。
[0028]參考圖2，第一基板100包括襯底110，位于襯底上的介電質(zhì)層120，在襯底110中具有CMOS電路層111，在介電質(zhì)層120中具有MEMS器件層121，在MEMS器件層121上具有與MEMS器件電連接的焊墊122。其中，襯底110的材料可以為單晶硅、鍺或者多晶硅及其疊層結(jié)構(gòu)，通過集成電路制備工藝在其上形成CMOS器件，在襯底110表面利用化學(xué)氣相沉積介電質(zhì)層120，在介電質(zhì)層120上形成MEMS器件，并且形成與MEMS器件電連接的焊墊122。
[0029]參考圖3，本實施例中，具體的，如圖6所示，提供一個具有接觸孔210的第二基板，即封裝基板200，封裝基板的厚度是300 AOOOum，例如500um。
[0030]優(yōu)選硅襯底的基板，還可以是二氧化硅其他半導(dǎo)體材料的基板。第二基板200的襯底205可以和第一基板100的襯底的材料相同。接觸孔210可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法形成，例如刻蝕第二基板200的襯底形成開孔，然后沉積金屬層使金屬填充開孔，然后研磨去除空外側(cè)的金屬層，形成填充有金屬的接觸孔210，預(yù)先在第二基板200的接觸孔210中填充金屬可以避免沉積金屬層和研磨金屬層，去除金屬層的步驟給第一基板的MEMS器件層帶來的損傷，提供了器件的精確度。除此之外，也可以在后續(xù)的任何步驟之間進行填充接觸孔，本實施例不對填充接觸孔的步驟做限定。
[0031]圖4為圖3沿a-a’方向的剖視圖，如圖4所示
[0032]在本實施例中，形成第二基板200的方法為:提供一封裝基板，對封裝基板的進行刻蝕形成接觸孔210，然后對封裝基板的底面進行刻蝕，封裝基板的底面也就其鍵合接觸面?？涛g封裝基板200的底面，在表面形成凹槽230，所述一個凹槽的容積可以容納一個傳感器所包含的MEMS器件，即該凹槽的深度和寬度要和第一基板上MEMS器件層的MEMS器件相匹配，使得可以容納一個傳感器的MEMS器件，從而在完成芯片的切割之后，一個傳感器的MEMS器件被容納在該凹槽內(nèi)。具體的刻蝕方法可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的對硅襯底的刻蝕方法，例如預(yù)先形成研磨圖形，保護凹槽外部的部分，對未保護的區(qū)域進行刻蝕形成凹槽，在本實施例中具體為:在第二基板200底面上形成掩膜圖形，暴露接觸孔210之間要形成凹槽230的位置，以及暴露凹槽230與凹槽230之間垂直于凹槽230側(cè)壁的條狀區(qū)域；
[0033]對第二基板200的底面進行刻蝕，形成凹槽230及垂直于凹槽230側(cè)壁的條狀溝槽。在其它實施例中也可以分兩步刻蝕:在第二基板200底面上形成掩膜圖形，暴露接觸孔210之間要形成凹槽230的位置；
[0034]對第二基板200的底面進行刻蝕，形成凹槽230 ；
[0035]在第二基板200底面上形成掩膜圖形，暴露凹槽230與凹槽230之間垂直于凹槽230側(cè)壁的條狀區(qū)域；
[0036]對第二基板200的底面進行刻蝕，形成垂直于凹槽230側(cè)壁的條狀溝槽235。
[0037]在本實施例中，由于是形成壓力傳感器，且是測量氣壓的壓力傳感器，因此需要在第一基板100和第二基板200鍵合之后，MEMS器件層111的MEMS器件被密封在第二基板200的凹槽230和第一基板100構(gòu)成的空腔內(nèi)，該空腔由于測量的要求，要和外部連通。因此在本實施例中優(yōu)選的，在凹槽230的側(cè)壁上刻蝕形成溝槽235。在其他實施例中，如果不需要空腔和外部連通，也可以不形成該溝槽。
[0038]在另一個實施例中，具體的刻蝕方法可以和刻蝕凹槽230的方法相同，方向不同即可，具體的可以形成掩膜圖形保護第二基板的不被刻蝕的區(qū)域，要形成通孔235的區(qū)域不進行保護，然后放到刻蝕溶液中進行橫向刻蝕，形成通孔之后，再去除掩膜圖形，也可以在側(cè)壁上形成掩膜圖形，利用等離子體的刻蝕方法刻蝕側(cè)壁，從而形成通孔后去除側(cè)壁上的掩膜圖形。
[0039]參考圖5，具體的在本實施例中，可以在第一基板100的MEMS器件層111所在表面形成粘結(jié)劑，在第二基板200的底面形成粘結(jié)劑，將第一基板100和第二基板200鍵合。使得MEMS器件層111位于所述凹槽230和MEMS器件層111表面形成的空腔內(nèi)，MEMS器件層111中一個壓力傳感器所包括的MEMS器件位于第二基板200的一個凹槽內(nèi)，也就是被密封在空腔內(nèi)。并且所述凹槽230暴露的接觸孔210的一端與所述焊墊122連接。
[0040]參考圖6，在鍵合之后，研磨所述第二基板200的頂面，暴露接觸孔210的另一端。例如，可以采用化學(xué)機械研磨，或者刻蝕硅襯底的方法，從頂面減薄第二基板200，直到暴露接觸孔210的另一端?？梢詼p薄到50-300um，例如200um。在接觸孔的暴露端形成焊球250具體的可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的BGA的方法，在此不再贅述。
[0041]在另一實施例中也可以在鍵合之前研磨第二基板頂面，暴露接觸孔。
[0042]在本實施例的一個優(yōu)選方案作用，還可以從第一基板的另一面進行研磨，減薄第一基板，從而使得封裝之后的壓力傳感器體積更小。如圖5所示，將襯底100的背面減薄，即將襯底100中遠離CMOS器件101的襯底表面減薄至厚度為200um。其中減薄工藝可以是化學(xué)機械拋光，可以是等離子體刻蝕，也可以是化學(xué)腐蝕減薄，還可以是它們之間的組合減薄工藝。在其他的實施例中，減薄后襯底100的厚度4可以是50um-1000um之間的任意值，例如減薄后襯底100的厚度可以是50um-300um。
[0043]在形成焊球之后，對第一基板和第二基板鍵合后的結(jié)構(gòu)進行切割，切割凹槽側(cè)壁，使得分割為數(shù)個傳感器芯片，并且所述溝槽被切斷，使得切割后的所述凹槽和MEMS器件層表面構(gòu)成的空腔通過所述溝槽和外部貫通。
[0044]上述說明僅僅是針對本發(fā)明的一個實施例進行的說明，在其他實施例中集成MEMS器件的傳感器也可以為其他類型的傳感器，這樣MEMS器件被密封在第一基板和第二基板圍成的空腔內(nèi)，該空腔不用形成和外部連通的通孔，因此也就不需要在空腔的側(cè)壁形成溝槽。
[0045]本發(fā)明的封裝方法，實現(xiàn)了 BGA封裝，從而減小了封裝體積，降低了成本，并且保證了 MEMS器件不受損傷，并被有效的密封在空腔內(nèi)，使得MEMS器件的靈敏性更好。
[0046]在本發(fā)明的另一實施例中，第一基板僅包括襯底，和位于襯底中的接觸孔，在完成第二基板和第一基板的鍵合之后，對第二基板上的接觸孔進行填充金屬，例如利用化學(xué)氣相淀積或者物理氣相淀積的方法形成金屬層，然后刻蝕去掉多余的金屬層，形成填充有金屬的接觸孔，接觸孔的一端連接焊墊，在另一端上形成焊球。其他方法和第一實施例相同，因此不再贅述。[0047]本發(fā)明還提供了一種上述封裝方法得到的封裝結(jié)構(gòu)，如圖6所示，一種集成MEMS器件的傳感器的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)，包括:
[0048]第一基板100,所述第一基板100包括襯底110和位于所述襯底上的介電質(zhì)層120，所述襯底110中具有CMOS電路層111，所述介電質(zhì)層120中具有MEMS器件層121，所述MEMS層121上具有與MEMS器件電連接的焊墊122 ；
[0049]所述MEMS器件層121上鍵合有第二基板200 ；
[0050]所述第二基板200的底面具有凹槽230，所述凹槽230和所述第一基板圍成空腔，所述MEMS器件層121位于該空腔內(nèi)；
[0051]所述第二基板200中具有接觸孔210，所述接觸孔210的一端與所述焊墊122電連接。
[0052]所述第一基板100和第二基板200圍成的空腔的側(cè)壁上具有溝槽(請參考圖4中的235)，所述溝槽235使得所述空腔與其外部通透。
[0053]具體的，可以參考上述封裝方法實施例的說明，在此不再進行詳細說明。
[0054]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法，其特征在于，包括步驟: 提供第一基板，其包括襯底，位于襯底上介電質(zhì)層，在所述襯底中具有CMOS電路層,在所述介電質(zhì)層中具有MEMS器件層，所述MEMS器件層上具有與MEMS器件電連接的焊墊； 提供第二基板，其底面上具有數(shù)個接觸孔； 對所述第二基板的底面進行刻蝕，在所述接觸孔之間形成凹槽，所述一個凹槽的容積可以容納一個傳感器所包含的MEMS器件； 將第一基板的MEMS器件層所在表面與第二基板的底面進行鍵合，使得MEMS器件層位于所述凹槽和MEMS器件層表面形成的空腔內(nèi)，并且所述接觸孔的一端與所述焊墊連接； 在接觸孔的另一端形成焊球。
2.如權(quán)利要求1所述的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法，其特征在于，所述在接觸孔的另一端形成焊球步驟之前包括步驟:研磨所述基板的頂面，暴露接觸孔的另一端。
3.如權(quán)利要求1所述的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法，其特征在于，對所述第二基板的底面進行刻蝕的步驟包括:對第二基板的底面進行刻蝕，在所述第二基板的凹槽的側(cè)壁上形成數(shù)個垂直于所述側(cè)壁的溝槽，所述溝槽貫通相鄰凹槽之間的側(cè)壁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法，其特征在于，還包括研磨第一基板的襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法，其特征在于，在形成焊球之后，對第一 基板和第二基板鍵合后的結(jié)構(gòu)進行切割，切割凹槽側(cè)壁，使得分割為數(shù)個傳感器芯片，并且所述溝槽被切斷，使得切割后的所述凹槽和MEMS器件層表面構(gòu)成的空腔，通過所述溝槽和外部貫通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法，其特征在于，對所述第二基板的底面進行刻蝕的步驟包括:在第二基板底面上形成掩膜圖形，暴露接觸孔之間要形成凹槽的位置，以及暴露凹槽與凹槽之間垂直于凹槽側(cè)壁的條狀區(qū)域； 對第二基板的底面進行刻蝕，形成凹槽及垂直于凹槽側(cè)壁的條狀溝槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成MEMS器件的傳感器晶圓級的封裝方法，其特征在于，對所述第二基板的底面進行刻蝕的步驟包括: 在第二基板底面上形成掩膜圖形，暴露接觸孔之間要形成凹槽的位置； 對第二基板的底面進行刻蝕，形成凹槽； 在第二基板底面上形成掩膜圖形，暴露凹槽與凹槽之間垂直于凹槽側(cè)壁的條狀區(qū)域； 對第二基板的底面進行刻蝕，形成垂直于凹槽側(cè)壁的條狀溝槽。
8.一種集成MEMS器件的傳感器的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)，包括: 第一基板，所述第一基板包括襯底和位于所述襯底上的介電質(zhì)層，所述襯底中具有CMOS電路層，所述介電質(zhì)層中具有MEMS器件層，所述MEMS層上具有與MEMS器件電連接的焊墊； 所述MEMS器件層上鍵合有第二基板； 所述第二基板的底面具有凹槽，所述凹槽和所述第一基板圍成空腔，所述MEMS器件層位于該空腔內(nèi)； 所述第二基板中具有接觸孔，所述接觸孔的一端與所述焊墊電連接，另一端連接有焊球。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成MEMS器件的傳感器的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一基板和第二基板圍成的空腔的側(cè)壁上具有溝槽，所述溝槽使得所述空腔與其外部通透。 ·
【文檔編號】B81B7/02GK103435000SQ201310412718
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】毛劍宏, 金洪 申請人:毛劍宏, 金洪