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1、(10)申请公布号 CN 103435000 A (43)申请公布日 2013.12.11 CN 103435000 A *CN103435000A* (21)申请号 201310412718.7 (22)申请日 2013.09.11 B81B 7/02(2006.01) B81C 1/00(2006.01) (71)申请人 毛剑宏 地址 201203 上海市张江高科技园区龙东大 道 3000 号 5 号楼 501B 室 申请人 金洪 (72)发明人 毛剑宏 金洪 (54) 发明名称 集成 MEMS 器件的传感器的晶圆级封装结构 及封装方法 (57) 摘要 本发明公开了一种压力传感器芯片的封装。
2、方 法及压力传感器， 包括步骤 ： 提供一压力传感器 芯片， 在 MEMS 器件层上形成保护层， 所述保护层 暴露所述焊垫 ； 在所述保护层上方形成牺牲层， 所述牺牲层暴露所述焊垫的位置 ； 在所述焊垫上 方形成第一金属层 ； 在第一金属层和所述牺牲层 上形成第二金属层 ； 刻蚀所述第二金属层， 形成 位于第一金属层上的焊球。本发明中在刻蚀牺牲 层以及金属互连层的步骤中， 由于有保护层保护 了感应部件的凹槽对应的较薄处， 这样使得感应 部件不受损伤， 大大的提高了器件的可靠性， 使得 压力传感器芯片可以利用 BGA 封装， 从而降低了 封装尺寸， 使得器件的体积缩小， 成本较低， 产品 得到优。
3、化。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103435000 A CN 103435000 A *CN103435000A* 1/2 页 2 1. 一种集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法， 其特征在于， 包括步骤 ： 提供第一基板， 其包括衬底， 位于衬底上介电质层， 在所述衬底中具有 CMOS 电路层， 在 所述介电质层中具有 MEMS 器件层， 所述 MEMS 器件层上具有与 MEMS 器件电连接的焊垫 ； 提供第二基板。
4、， 其底面上具有数个接触孔 ； 对所述第二基板的底面进行刻蚀， 在所述接触孔之间形成凹槽， 所述一个凹槽的容积 可以容纳一个传感器所包含的 MEMS 器件 ； 将第一基板的 MEMS 器件层所在表面与第二基板的底面进行键合， 使得 MEMS 器件层位 于所述凹槽和 MEMS 器件层表面形成的空腔内， 并且所述接触孔的一端与所述焊垫连接 ； 在接触孔的另一端形成焊球。 2. 如权利要求 1 所述的集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法， 其特征在于， 所述 在接触孔的另一端形成焊球步骤之前包括步骤 ： 研磨所述基板的顶面， 暴露接触孔的另一 端。 3. 如权利要求 1 所述的集成 MEMS。
5、 器件的传感器晶圆级的封装方法， 其特征在于， 对所 述第二基板的底面进行刻蚀的步骤包括 ： 对第二基板的底面进行刻蚀， 在所述第二基板的 凹槽的侧壁上形成数个垂直于所述侧壁的沟槽， 所述沟槽贯通相邻凹槽之间的侧壁。 4. 根据权利要求 1 所述的集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法， 其特征在于， 还 包括研磨第一基板的衬底。 5. 根据权利要求 1 所述的集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法， 其特征在于， 在 形成焊球之后， 对第一基板和第二基板键合后的结构进行切割， 切割凹槽侧壁， 使得分割为 数个传感器芯片， 并且所述沟槽被切断， 使得切割后的所述凹槽和 MEMS 器。
6、件层表面构成的 空腔， 通过所述沟槽和外部贯通。 6. 根据权利要求 1 所述的集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法， 其特征在于， 对 所述第二基板的底面进行刻蚀的步骤包括 ： 在第二基板底面上形成掩膜图形， 暴露接触孔 之间要形成凹槽的位置， 以及暴露凹槽与凹槽之间垂直于凹槽侧壁的条状区域 ； 对第二基板的底面进行刻蚀， 形成凹槽及垂直于凹槽侧壁的条状沟槽。 7. 根据权利要求 1 所述的集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法， 其特征在于， 对 所述第二基板的底面进行刻蚀的步骤包括 ： 在第二基板底面上形成掩膜图形， 暴露接触孔之间要形成凹槽的位置 ； 对第二基板的底面进行。
7、刻蚀， 形成凹槽 ； 在第二基板底面上形成掩膜图形， 暴露凹槽与凹槽之间垂直于凹槽侧壁的条状区域 ； 对第二基板的底面进行刻蚀， 形成垂直于凹槽侧壁的条状沟槽。 8. 一种集成 MEMS 器件的传感器的晶圆级封装结构， 包括 ： 第一基板， 所述第一基板包括衬底和位于所述衬底上的介电质层， 所述衬底中具有 CMOS 电路层， 所述介电质层中具有 MEMS 器件层， 所述 MEMS 层上具有与 MEMS 器件电连接的 焊垫 ； 所述 MEMS 器件层上键合有第二基板 ； 所述第二基板的底面具有凹槽， 所述凹槽和所述第一基板围成空腔， 所述 MEMS 器件层 位于该空腔内 ； 所述第二基板中具有接。
8、触孔， 所述接触孔的一端与所述焊垫电连接， 另一端连接有焊 权 利 要 求 书 CN 103435000 A 2 2/2 页 3 球。 9. 根据权利要求 8 所述的集成 MEMS 器件的传感器的晶圆级封装结构， 其特征在于， 所 述第一基板和第二基板围成的空腔的侧壁上具有沟槽， 所述沟槽使得所述空腔与其外部通 透。 权 利 要 求 书 CN 103435000 A 3 1/5 页 4 集成 MEMS 器件的传感器的晶圆级封装结构及封装方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体制造领域， 特别涉及一种压力传感器的晶圆级封装结构及封装 方法。 背景技术 0002 MEMS 传感器已经被应用于各个。
9、领域当中， 由于工作环境的需要， MEMS 传感器必须 采用一种有效的封装结构和封装方法， 传统的封装类型主要是芯片级封装， 通常是将一个 裸芯片放入陶瓷管壳中， 通过金丝焊球与管脚相连， 其上的盖板由焊料或陶瓷封接与管壳 相连， 完成裸芯片的封装过程， 由于一个晶圆上可以切割出许多个芯片， 这种封装方法对每 个芯片都需要测试并封装， 导致了成本的增加。 0003 针对上述问题， 人们发展了其他的封装方法， 将ASIC芯片和MEMS芯片分别制造在 两个独立的衬底上， 然后通过键合工艺将两个芯片封装在一起， 以形成 MEMS 装置， 虽然实 现了晶圆级的封装， 但是采用两个衬底的封装方法使得集成。
10、化程度大大降低， 使得衬底的 利用率降低， 还增加了额外的封装面积， 封装尺寸也增加， 不利于适应 MEMS 器件封装小型 化的发展趋势。同时封装过程中使用的焊料为金锡合金、 铅锡合金等， 这些材料与标准的 CMOS 工艺并不完全兼容。 0004 因此， 如何在一个衬底上实现 CMOS 器件和 MEMS 传感器的晶圆级封装并与 CMOS 工 艺兼容， 减少封装尺寸， 并且保证集成 MEMS 器件的压力传感器的感应部件可以感受压力是 目前亟待解决的问题。 发明内容 0005 本发明要解决的技术问题就是提供一种压力传感器的晶圆级封装结构及封装方 法， 减小了压力传感器的封装尺寸。 0006 为了解。
11、决上述技术问题， 本发明提供了一种压力传感器晶圆级的封装方法， 包括 步骤 ： 0007 提供第一基板， 其包括衬底， 位于衬底上介电质层， 在所述衬底中具有 CMOS 电路 层， 在所述介电质层中具有 MEMS 器件层， 所述 MEMS 器件层上具有与 MEMS 器件电连接的焊 垫 ； 0008 提供第二基板， 其底面上具有数个接触孔 ； 0009 对所述第二基板的底面进行刻蚀， 在所述接触孔之间形成凹槽， 所述一个凹槽的 容积可以容纳一个传感器所包含的 MEMS 器件 ； 0010 将第一基板的 MEMS 器件层所在表面与第二基板的底面进行键合， 使得 MEMS 器件 层位于所述凹槽和 M。
12、EMS 器件层表面形成的空腔内， 并且所述接触孔的一端与所述焊垫连 接 ； 在接触孔的另一端形成焊球 0011 另外本发明还提供了一种压力传感器的晶圆级封装结构， 包括 ： 0012 第一基板， 所述第一基板包括衬底和位于所述衬底上的介电质层， 所述衬底中具 说 明 书 CN 103435000 A 4 2/5 页 5 有 CMOS 电路层， 所述介电质层中具有 MEMS 器件层， 所述 MEMS 层上具有与 MEMS 器件电连接 的焊垫 ； 0013 所述 MEMS 器件层上键合有第二基板 ； 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围成空腔， 所述 MEMS 器 件层。
13、位于该空腔内 ； 0015 所述第二基板中具有接触孔， 所述接触孔的一端与所述焊垫电连接， 另一端连接 有焊球。 0016 本发明的集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法与封装结构和现有技术相 比 ： 将传感器的 MEMS 器件封闭在空腔内， 保护了其灵敏性， 并且实现了 BGA 封装， 使得器件 的体积缩小， 成本较低， 产品得到优化。 附图说明 0017 图 1 为本发明一实施例的集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法的流程示意 图 ； 0018 图 2- 图 6 为本发明一实施例的集成 MEMS 器件的传感器封装方法示意图。 具体实施方式 0019 传统的集成 MEMS 器件。
14、的传感器的晶圆级封装将 ASIC 芯片和 MEMS 芯片分别制造 在两个独立的衬底上， 然后通过键合工艺将两个芯片封装在一起， 以形成 MEMS 装置， 虽然 实现了晶圆级的封装， 但是采用两个衬底的封装方法使得集成化程度大大降低， 使得衬底 的利用率降低， 还增加了额外的封装面积， 封装尺寸也增加， 不利于适应 MEMS 器件封装小 型化的发展趋势。 同时封装过程中使用的焊料为金锡合金、 铅锡合金等， 这些材料与标准的 CMOS 工艺并不完全兼容。 0020 本发明中利用了本申请人的另一专利技术的压力传感器， 传感器在一个芯片中包 括了 CMOS 电路层和位于 CMOS 上方的 MEMS 器。
15、件层， CMOS 电路层和 MEMS 器件层之间利用与 CMOS 工艺兼容的互连层进行互连。针对这种传感器芯片， 本发明中利用另一基板作为封装 基板， 在其上开槽开孔， 从而使得可以将 MEMS 器件封闭在空腔中。 0021 针对上述问题， 发明人进行研究后， 得到了本发明的集成 MEMS 器件的传感器晶圆 级的封装方法， 图1为本发明一实施例的集成MEMS器件的传感器晶圆级的封装方法的流程 示意图， 如图 1 所示， 其包括以下步骤 ： 0022 S10 ： 提供第一基板， 其包括衬底， 位于衬底上介电质层， 在所述衬底中具有 CMOS 电路层， 在所述介电质层中具有 MEMS 器件层， 所。
16、述 MEMS 器件层上具有与 MEMS 器件电连接 的焊垫 ； 0023 S20 ： 提供第二基板， 其底面上具有数个接触孔 ； 0024 S30 ： 对所述第二基板的底面进行刻蚀， 在所述接触孔之间形成凹槽， 一个凹槽的 面积对应一个传感器所包含的 MEMS 器件的面积 ； 0025 S40 ： 将第一基板的 MEMS 器件层所在表面与第二基板的底面进行键合， 使得 MEMS 器件层位于所述凹槽和 MEMS 器件层表面形成的空腔内， 并且所述接触孔的一端与所述焊 垫连接 ； 说 明 书 CN 103435000 A 5 3/5 页 6 0026 S50 ： 在接触孔的另一端形成焊球。 002。
17、7 图 1 为本发明一实施例的集成 MEMS 器件的传感器晶圆级的封装方法的流程示意 图 ； 图 2- 图 6 为本发明一实施例的集成 MEMS 器件的传感器封装方法示意图。下面结合图 1 至图 5 对本发明的一具体实施例进行说明， 为了便于说明， 在本实施例中， 具体的以用来 测量大气压的压力传感器为例进行说明， 当然本发明不限于测量大气压的压力传感器或者 压力传感器。 0028 参考图 2， 第一基板 100 包括衬底 110， 位于衬底上的介电质层 120， 在衬底 110 中 具有 CMOS 电路层 111， 在介电质层 120 中具有 MEMS 器件层 121， 在 MEMS 器件层。
18、 121 上具有 与MEMS器件电连接的焊垫122。 其中， 衬底110的材料可以为单晶硅、 锗或者多晶硅及其叠 层结构， 通过集成电路制备工艺在其上形成 CMOS 器件， 在衬底 110 表面利用化学气相沉积 介电质层 120， 在介电质层 120 上形成 MEMS 器件， 并且形成与 MEMS 器件电连接的焊垫 122。 0029 参考图3， 本实施例中， 具体的， 如图6所示， 提供一个具有接触孔210的第二基板， 即封装基板 200， 封装基板的厚度是 300， 例如 500um。 0030 优选硅衬底的基板， 还可以是二氧化硅其他半导体材料的基板。第二基板 200 的 衬底 205 。
19、可以和第一基板 100 的衬底的材料相同。接触孔 210 可以采用本领域技术人员所 熟知的方法形成， 例如刻蚀第二基板 200 的衬底形成开孔， 然后沉积金属层使金属填充开 孔， 然后研磨去除空外侧的金属层， 形成填充有金属的接触孔 210， 预先在第二基板 200 的 接触孔 210 中填充金属可以避免沉积金属层和研磨金属层， 去除金属层的步骤给第一基板 的 MEMS 器件层带来的损伤， 提供了器件的精确度。除此之外， 也可以在后续的任何步骤之 间进行填充接触孔， 本实施例不对填充接触孔的步骤做限定。 0031 图 4 为图 3 沿 a-a 方向的剖视图， 如图 4 所示 0032 在本实施。
20、例中， 形成第二基板 200 的方法为 ： 提供一封装基板， 对封装基板的进行 刻蚀形成接触孔 210， 然后对封装基板的底面进行刻蚀， 封装基板的底面也就其键合接触 面。刻蚀封装基板 200 的底面， 在表面形成凹槽 230， 所述一个凹槽的容积可以容纳一个传 感器所包含的 MEMS 器件， 即该凹槽的深度和宽度要和第一基板上 MEMS 器件层的 MEMS 器件 相匹配， 使得可以容纳一个传感器的 MEMS 器件， 从而在完成芯片的切割之后， 一个传感器 的 MEMS 器件被容纳在该凹槽内。具体的刻蚀方法可以采用本领域技术人员所熟知的对硅 衬底的刻蚀方法， 例如预先形成研磨图形， 保护凹槽外。
21、部的部分， 对未保护的区域进行刻蚀 形成凹槽， 在本实施例中具体为 ： 在第二基板 200 底面上形成掩膜图形， 暴露接触孔 210 之 间要形成凹槽 230 的位置， 以及暴露凹槽 230 与凹槽 230 之间垂直于凹槽 230 侧壁的条状 区域 ； 0033 对第二基板 200 的底面进行刻蚀， 形成凹槽 230 及垂直于凹槽 230 侧壁的条状沟 槽。 在其它实施例中也可以分两步刻蚀 ： 在第二基板200底面上形成掩膜图形， 暴露接触孔 210 之间要形成凹槽 230 的位置 ； 0034 对第二基板 200 的底面进行刻蚀， 形成凹槽 230 ； 0035 在第二基板 200 底面上形。
22、成掩膜图形， 暴露凹槽 230 与凹槽 230 之间垂直于凹槽 230 侧壁的条状区域 ； 0036 对第二基板 200 的底面进行刻蚀， 形成垂直于凹槽 230 侧壁的条状沟槽 235。 0037 在本实施例中， 由于是形成压力传感器， 且是测量气压的压力传感器， 因此需要在 说 明 书 CN 103435000 A 6 4/5 页 7 第一基板 100 和第二基板 200 键合之后， MEMS 器件层 111 的 MEMS 器件被密封在第二基板 200 的凹槽 230 和第一基板 100 构成的空腔内， 该空腔由于测量的要求， 要和外部连通。因 此在本实施例中优选的， 在凹槽 230 的侧。
23、壁上刻蚀形成沟槽 235。在其他实施例中， 如果不 需要空腔和外部连通， 也可以不形成该沟槽。 0038 在另一个实施例中， 具体的刻蚀方法可以和刻蚀凹槽 230 的方法相同， 方向不同 即可， 具体的可以形成掩膜图形保护第二基板的不被刻蚀的区域， 要形成通孔 235 的区域 不进行保护， 然后放到刻蚀溶液中进行横向刻蚀， 形成通孔之后， 再去除掩膜图形， 也可以 在侧壁上形成掩膜图形， 利用等离子体的刻蚀方法刻蚀侧壁， 从而形成通孔后去除侧壁上 的掩膜图形。 0039 参考图5， 具体的在本实施例中， 可以在第一基板100的MEMS器件层111所在表面 形成粘结剂， 在第二基板 200 的底。
24、面形成粘结剂， 将第一基板 100 和第二基板 200 键合。使 得 MEMS 器件层 111 位于所述凹槽 230 和 MEMS 器件层 111 表面形成的空腔内， MEMS 器件层 111 中一个压力传感器所包括的 MEMS 器件位于第二基板 200 的一个凹槽内， 也就是被密封 在空腔内。并且所述凹槽 230 暴露的接触孔 210 的一端与所述焊垫 122 连接。 0040 参考图 6， 在键合之后， 研磨所述第二基板 200 的顶面， 暴露接触孔 210 的另一端。 例如， 可以采用化学机械研磨， 或者刻蚀硅衬底的方法， 从顶面减薄第二基板 200， 直到暴露 接触孔 210 的另一端。
25、。可以减薄到 50-300um， 例如 200um。在接触孔的暴露端形成焊球 250 具体的可以采用本领域技术人员所熟知的 BGA 的方法， 在此不再赘述。 0041 在另一实施例中也可以在键合之前研磨第二基板顶面， 暴露接触孔。 0042 在本实施例的一个优选方案作用， 还可以从第一基板的另一面进行研磨， 减薄第 一基板， 从而使得封装之后的压力传感器体积更小。如图 5 所示， 将衬底 100 的背面减薄， 即将衬底 100 中远离 CMOS 器件 101 的衬底表面减薄至厚度为 200um。其中减薄工艺可以是 化学机械抛光， 可以是等离子体刻蚀， 也可以是化学腐蚀减薄， 还可以是它们之间的。
26、组合减 薄工艺。在其他的实施例中， 减薄后衬底 100 的厚度可以是 50um-1000um 之间的任意值， 例如减薄后衬底 100 的厚度可以是 50um-300um。 0043 在形成焊球之后， 对第一基板和第二基板键合后的结构进行切割， 切割凹槽侧壁， 使得分割为数个传感器芯片， 并且所述沟槽被切断， 使得切割后的所述凹槽和 MEMS 器件层 表面构成的空腔通过所述沟槽和外部贯通。 0044 上述说明仅仅是针对本发明的一个实施例进行的说明， 在其他实施例中集成 MEMS 器件的传感器也可以为其他类型的传感器， 这样 MEMS 器件被密封在第一基板和第二基板 围成的空腔内， 该空腔不用形成。
27、和外部连通的通孔， 因此也就不需要在空腔的侧壁形成沟 槽。 0045 本发明的封装方法， 实现了 BGA 封装， 从而减小了封装体积， 降低了成本， 并且保 证了 MEMS 器件不受损伤， 并被有效的密封在空腔内， 使得 MEMS 器件的灵敏性更好。 0046 在本发明的另一实施例中， 第一基板仅包括衬底， 和位于衬底中的接触孔， 在完成 第二基板和第一基板的键合之后， 对第二基板上的接触孔进行填充金属， 例如利用化学气 相淀积或者物理气相淀积的方法形成金属层， 然后刻蚀去掉多余的金属层， 形成填充有金 属的接触孔， 接触孔的一端连接焊垫， 在另一端上形成焊球。其他方法和第一实施例相同， 因此。
28、不再赘述。 说 明 书 CN 103435000 A 7 5/5 页 8 0047 本发明还提供了一种上述封装方法得到的封装结构， 如图 6 所示， 一种集成 MEMS 器件的传感器的晶圆级封装结构， 包括 ： 0048 第一基板 100， 所述第一基板 100 包括衬底 110 和位于所述衬底上的介电质层 120， 所述衬底 110 中具有 CMOS 电路层 111， 所述介电质层 120 中具有 MEMS 器件层 121， 所 述 MEMS 层 121 上具有与 MEMS 器件电连接的焊垫 122 ； 0049 所述 MEMS 器件层 121 上键合有第二基板 200 ； 0050 所述第。
29、二基板 200 的底面具有凹槽 230， 所述凹槽 230 和所述第一基板围成空腔， 所述 MEMS 器件层 121 位于该空腔内 ； 0051 所述第二基板200中具有接触孔210， 所述接触孔210的一端与所述焊垫122电连 接。 0052 所述第一基板 100 和第二基板 200 围成的空腔的侧壁上具有沟槽 ( 请参考图 4 中 的 235)， 所述沟槽 235 使得所述空腔与其外部通透。 0053 具体的， 可以参考上述封装方法实施例的说明， 在此不再进行详细说明。 0054 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的限制。 任 何熟悉本领域的技术人员， 在不。
30、脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述揭示的方 法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰， 或修改为等同变化的等效实 施例。 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质对以上实施例所做 的任何简单修改、 等同变化及修饰， 均仍属于本发明技术方案保护的范围内。 说 明 书 CN 103435000 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103435000 A 9 2/3 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103435000 A 10 3/3 页 11 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103435000 A 11 。