集成cmos后腔聲學(xué)換能器和生產(chǎn)其的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的各種實(shí)施例一般涉及MEMS器件，且特別是涉及用于制造其的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聲學(xué)換能器(諸如麥克風(fēng)和與CMOS集成的微機(jī)械超聲換能器(MUT))的形式的MEMS器件通常被封裝在比管芯大得多且因此占據(jù)電路板上的大覆蓋區(qū)的外部腔封裝中。創(chuàng)建具有集成后腔(IBC)的芯片級(jí)封裝(CSP)聲學(xué)傳感器是期望的，然而常規(guī)CSP方法(諸如硅穿孔(TSV)) —般與聲學(xué)傳感器制作工藝不兼容。因此，常規(guī)CSP不能被采用且封裝的覆蓋區(qū)是不合意地大的。
[0003]所期望的是在不包括性能情況下的小覆蓋區(qū)聲學(xué)器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]簡(jiǎn)要地，MEMS器件包括具有可移動(dòng)元件的MEMS襯底。還包括具有腔的CMOS襯底，MEMS襯底被設(shè)置在CMOS襯底的頂部上。此外，后腔連接到CMOS襯底，后腔至少部分地通過在CMOS襯底中的腔形成，且可移動(dòng)元件在聲學(xué)上耦合到后腔。
[0005]可通過參考說明書和附圖的其余部分來實(shí)現(xiàn)本文中公開的特別的實(shí)施例的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步理解。
【附圖說明】
[0006]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的MEMS器件。
[0007]圖2示出在被封裝之前的MEMS器件10。
[0008]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的方法的用于制作MEMS器件10的工藝流程300。
[0009]圖4 (a)到4 (f)示出根據(jù)圖3的步驟306到316的制作MEMS器件10的工藝(方法A)，其中操作晶片被采用。
[0010]圖5 (a)到5 (e)示出根據(jù)圖3的步驟318到328的制作MEMS器件10的工藝(方法B)，其中操作晶片未被采用。
[0011]圖6 (a) - (c)示出根據(jù)本發(fā)明的方法的兩步腔蝕刻工藝。
[0012]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的MEMS器件700。
[0013]圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一方法的在制作MEMS器件中執(zhí)行的步驟的流程圖。
[0014]圖9 (a)- (j)示出根據(jù)本發(fā)明的方法和實(shí)施例的在制作具有RF屏蔽和內(nèi)密封的MEMS器件中的根據(jù)圖8的流程圖的制造工藝。
[0015]圖10示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的MEMS器件1000。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在所述實(shí)施例中，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)指的是使用半導(dǎo)體類工藝制作并展示機(jī)械特性(諸如移動(dòng)或變形的能力)的結(jié)構(gòu)或器件的類別。MEMS常常但不總是與電信號(hào)交互作用。MEMS器件包括但不限于陀螺儀、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、壓力傳感器、麥克風(fēng)和射頻部件。包含MEMS結(jié)構(gòu)的硅晶片被稱為MEMS晶片。
[0017]在所述實(shí)施例中，MEMS器件可以指的是被實(shí)現(xiàn)為微機(jī)電系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件。MEMS結(jié)構(gòu)可以指的是可以是較大的MEMS器件的部分的任何特征。所設(shè)計(jì)的絕緣體上硅(ESOI)晶片可以指的是具有在硅器件層或襯底之下的腔的SOI晶片。操作晶片通常指的是較厚的襯底，其用作在絕緣體上硅晶片中的較薄硅器件襯底的載體。操作襯底和操作晶片可互換。
[0018]在所述實(shí)施例中，腔可以指的是在襯底晶片中的開口或凹處，且外殼可以指的是完全圍住的空間。支柱可以是用于機(jī)械支撐的在MEMS器件的腔中的垂直結(jié)構(gòu)。支座絕緣子可以是提供電接觸的垂直結(jié)構(gòu)。
[0019]在所述實(shí)施例中，后腔可以指的是經(jīng)由壓力均衡通道(PEC)與周圍壓力均衡的部分圍住的腔。在一些實(shí)施例中，后腔也被稱為后室。在CM0S-MEMS器件內(nèi)形成的后腔可被稱為集成后腔。也被稱為泄漏通道/路徑的壓力均衡通道是用于后腔與周圍壓力的低頻或靜態(tài)壓力均衡的聲學(xué)通道。
[0020]在所述實(shí)施例中，當(dāng)受到力時(shí)移動(dòng)的在MEMS器件內(nèi)的剛性結(jié)構(gòu)可被稱為板。后板可以是用作電極的穿孔板。
[0021]在所述實(shí)施例中，穿孔指的是用于減小在移動(dòng)板中的空氣阻尼的聲學(xué)開口。聲學(xué)端口(或“端口”)可以是用于感測(cè)聲學(xué)壓力的開口。隔聲層可以是防止或延遲聲學(xué)壓力到達(dá)器件的特定部分的結(jié)構(gòu)。聯(lián)動(dòng)裝置是通過錨向襯底提供順從附接的結(jié)構(gòu)。在平面中，限止塊是板的延伸部分，其與器件密封接觸以限制在板的平面中的移動(dòng)的范圍。旋轉(zhuǎn)限止塊是用來限制旋轉(zhuǎn)的范圍的板的延伸部分。
[0022]現(xiàn)在參考圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的MEMS器件10。MEMS器件10被示為包括接合到MEMS襯底14的CMOS襯底12。在本發(fā)明的實(shí)施例中，MEMS器件10是麥克風(fēng)，而在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，MEMS器件10是聲學(xué)換能器，諸如MUT。在麥克風(fēng)的情況下，MEMS器件10可以是薄膜型的麥克風(fēng)、活塞型的麥克風(fēng)或扭轉(zhuǎn)型的麥克風(fēng)。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法，CMOS襯底12使用低共熔接合而接合到MEMS襯底14，雖然設(shè)想了其它合適的接合方法。
[0023]CMOS襯底被示為在與和CMOS襯底12接合的表面相對(duì)的表面處由保護(hù)層28覆蓋。在MEMS器件10中還包括通過腔(或“端口 ”)16連接到MEMS襯底14的CMOS后腔30。保護(hù)層28覆蓋后腔30。在本發(fā)明的實(shí)施例中，保護(hù)層28由導(dǎo)電材料(諸如金屬)制成，并在本文中被稱為“金屬覆層”。在其它實(shí)施例中，保護(hù)層28由可包括導(dǎo)電材料的非導(dǎo)電材料制成。MEMS襯底14包括響應(yīng)于從襯底22中的聲學(xué)端口 18接收的聲波而移動(dòng)的可移動(dòng)元件34。
[0024]后腔30連接到CMOS襯底12并至少部分地通過在CMOS襯底12中的腔形成?？梢苿?dòng)元件34在聲學(xué)上耦合到后腔30。
[0025]釘頭凸塊20被示為設(shè)置在CMOS襯底12和載體襯底22之間。更具體地，它們被設(shè)置在將CMOS襯底12相應(yīng)地電連接到載體襯底22的CMOS襯底12的金屬焊盤32上。
[0026]在圖1中還示出設(shè)置在CMOS襯底12和載體襯底22之間的可選的未充滿層24。焊球(或“焊料金屬”)26被示為可選地在載體襯底22的頂部上形成。
[0027]在一些實(shí)施例中，載體襯底22由層壓板或陶瓷制成。在本發(fā)明的實(shí)施例中，釘頭凸塊20在未充滿層24內(nèi)部形成。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，釘頭凸塊20由金制成。在其它實(shí)施例中，釘頭凸塊由任何導(dǎo)電材料(諸如鉛和錫)制成。在本發(fā)明的又一些其它實(shí)施例中，釘頭凸塊20是設(shè)置在彼此的頂部上的多個(gè)釘頭凸塊。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，使用球形接合器形成釘頭凸塊。
[0028]MEMS可移動(dòng)元件34有效地在CMOS襯底12的頂部上形成。后腔30在CMOS襯底12中被蝕刻以放大后腔體積。CMOS襯底12的其余部分的厚度在圖1中由“h”標(biāo)記，且在本發(fā)明的實(shí)施例中大約是20-100微米(um)。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，在圖1中由“w”標(biāo)記的后腔30的側(cè)壁的寬度大約是20-200 um。在示例性實(shí)施例中，后腔30的體積被最大化，同時(shí)仍然維持器件的合理的結(jié)構(gòu)整體性。因此，MEMS器件10的性能——特別是在諸如麥克風(fēng)的實(shí)施例中被改進(jìn)了，同時(shí)它的覆蓋區(qū)保持小。
[0029]保護(hù)層28通過環(huán)氧樹脂(導(dǎo)電或非導(dǎo)電)、金屬膏或焊料連接到CMOS襯底12。通過由釘頭凸塊20將在CMOS襯底12上的接合焊盤32連接到襯底22來實(shí)現(xiàn)CSP封裝。管芯的邊緣用未充滿層24密封。在示例性實(shí)施例中，未充滿層24由環(huán)氧樹脂或硅樹脂制成。襯底22通過熱或熱超聲壓縮接合或另一導(dǎo)電接合方法電連接到釘頭凸塊20。
[0030]在本文中所示和所述的各種實(shí)施例和方法的應(yīng)用包括但不限于麥克風(fēng)、壓力傳感器、諧振器、開關(guān)和其它可應(yīng)用的器件。
[0031]如在討論和接下來的圖中變得進(jìn)一步明顯的，兩步蝕刻工藝用來創(chuàng)建后腔30。在一個(gè)實(shí)施例中，端口 16和后腔30通過分開的蝕刻步驟形成。在另一實(shí)施例中，端口 16在第一蝕刻步驟中部分地被蝕刻，第二蝕刻步驟形成后腔30并完成端口 16的蝕刻。在示例性實(shí)施例中，后腔30是大約100 um到2毫米(mm)。此外，后腔可具有任何形狀，包括正方形形狀或圓形形狀。在圖1中還示出可選地被采用的操作晶片36。操作晶片36被示為設(shè)置在襯底22之下。
[0032]圖2示出在被封裝之前的MEMS器件10。如前面提到的，操作晶片36是可選的。操作晶片36在安裝到載體襯底時(shí)可充當(dāng)隔板，并且也可用作可移動(dòng)元件34的越程限止塊。在示例性實(shí)施例中，操作晶片36由硅制成，且是大約1um到200um厚。
[0033]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的方法的用于制作MEMS器件10的工藝流程300。在圖3中，在步驟302，MEMS襯底14被接合到具有在CMOS襯底12中蝕刻的附加端口 16的CMOS襯底12。接著在304，根據(jù)MEMS器件10是否包括操作晶片36，步驟306或318被執(zhí)行。在操作晶片36被使用的情況下，工藝?yán)^續(xù)到步驟306，且在沒有操作晶片被使用的情況下，工藝?yán)^續(xù)到步驟318。
[0034]在步驟3