CN104581586B - 集成cmos后腔声学换能器和生产其的方法 - Google Patents

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Abstract

集成CMOS后腔声学换能器和生产其的方法。MEMS器件包括具有可移动元件的MEMS衬底。还包括具有腔的CMOS衬底,MEMS衬底被布置在CMOS衬底的顶部上。此外,后腔连接到CMOS衬底,后腔至少部分地通过在CMOS衬底中的腔形成,且可移动元件在声学上耦合到后腔。

Description

集成CMOS后腔声学换能器和生产其的方法
技术领域
本发明的各种实施例一般涉及MEMS器件,且特别是涉及用于制造其的方法。
背景技术
声学换能器(诸如麦克风和与CMOS集成的微机械超声换能器(MUT))的形式的MEMS器件通常被封装在比管芯大得多且因此占据电路板上的大覆盖区的外部腔封装中。创建具有集成后腔(IBC)的芯片级封装(CSP)声学传感器是期望的,然而常规CSP方法(诸如硅穿孔(TSV))一般与声学传感器制作工艺不兼容。因此,常规CSP不能被采用且封装的覆盖区是不合意地大的。
所期望的是在不包括性能情况下的小覆盖区声学器件。
发明内容
简要地,MEMS器件包括具有可移动元件的MEMS衬底。还包括具有腔的CMOS衬底,MEMS衬底被设置在CMOS衬底的顶部上。此外,后腔连接到CMOS衬底,后腔至少部分地通过在CMOS衬底中的腔形成,且可移动元件在声学上耦合到后腔。
可通过参考说明书和附图的其余部分来实现本文中公开的特别的实施例的性质和优点的进一步理解。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的MEMS器件。
图2示出在被封装之前的MEMS器件10。
图3示出根据本发明的方法的用于制作MEMS器件10的工艺流程300。
图4(a)到4(f)示出根据图3的步骤306到316的制作MEMS器件10的工艺(方法A),其中操作晶片被采用。
图5(a)到5(e)示出根据图3的步骤318到328的制作MEMS器件10的工艺(方法B),其中操作晶片未被采用。
图6(a)-(c)示出根据本发明的方法的两步腔蚀刻工艺。
图7示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件700。
图8是根据本发明的另一方法的在制作MEMS器件中执行的步骤的流程图。
图9(a)-(j)示出根据本发明的方法和实施例的在制作具有RF屏蔽和内密封的MEMS器件中的根据图8的流程图的制造工艺。
图10示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件1000。
具体实施方式
在所述实施例中,微机电***(MEMS)指的是使用半导体类工艺制作并展示机械特性(诸如移动或变形的能力)的结构或器件的类别。MEMS常常但不总是与电信号交互作用。MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、麦克风和射频部件。包含MEMS结构的硅晶片被称为MEMS晶片。
在所述实施例中,MEMS器件可以指的是被实现为微机电***的半导体器件。MEMS结构可以指的是可以是较大的MEMS器件的部分的任何特征。所设计的绝缘体上硅(ESOI)晶片可以指的是具有在硅器件层或衬底之下的腔的SOI晶片。操作晶片通常指的是较厚的衬底,其用作在绝缘体上硅晶片中的较薄硅器件衬底的载体。操作衬底和操作晶片可互换。
在所述实施例中,腔可以指的是在衬底晶片中的开口或凹处,且外壳可以指的是完全围住的空间。支柱可以是用于机械支撑的在MEMS器件的腔中的垂直结构。支座绝缘子可以是提供电接触的垂直结构。
在所述实施例中,后腔可以指的是经由压力均衡通道(PEC)与周围压力均衡的部分围住的腔。在一些实施例中,后腔也被称为后室。在CMOS-MEMS器件内形成的后腔可被称为集成后腔。也被称为泄漏通道/路径的压力均衡通道是用于后腔与周围压力的低频或静态压力均衡的声学通道。
在所述实施例中,当受到力时移动的在MEMS器件内的刚性结构可被称为板。后板可以是用作电极的穿孔板。
在所述实施例中,穿孔指的是用于减小在移动板中的空气阻尼的声学开口。声学端口(或“端口”)可以是用于感测声学压力的开口。隔声层可以是防止或延迟声学压力到达器件的特定部分的结构。联动装置是通过锚向衬底提供顺从附接的结构。在平面中,限止块是板的延伸部分,其与器件密封接触以限制在板的平面中的移动的范围。旋转限止块是用来限制旋转的范围的板的延伸部分。
现在参考图1,示出根据本发明的实施例的MEMS器件10。MEMS器件10被示为包括接合到MEMS衬底14的CMOS衬底12。在本发明的实施例中,MEMS器件10是麦克风,而在本发明的另一实施例中,MEMS器件10是声学换能器,诸如MUT。在麦克风的情况下,MEMS器件10可以是薄膜型的麦克风、活塞型的麦克风或扭转型的麦克风。此外,根据本发明的方法,CMOS衬底12使用低共熔接合而接合到MEMS衬底14,虽然设想了其它合适的接合方法。
CMOS衬底被示为在与和CMOS衬底12接合的表面相对的表面处由保护层28覆盖。在MEMS器件10中还包括通过腔(或“端口”)16连接到MEMS衬底14的CMOS后腔30。保护层28覆盖后腔30。在本发明的实施例中,保护层28由导电材料(诸如金属)制成,并在本文中被称为“金属覆层”。在其它实施例中,保护层28由可包括导电材料的非导电材料制成。MEMS衬底14包括响应于从衬底22中的声学端口18接收的声波而移动的可移动元件34。
后腔30连接到CMOS衬底12并至少部分地通过在CMOS衬底12中的腔形成。可移动元件34在声学上耦合到后腔30。
钉头凸块20被示为设置在CMOS衬底12和载体衬底22之间。更具体地,它们被设置在将CMOS衬底12相应地电连接到载体衬底22的CMOS衬底12的金属焊盘32上。
在图1中还示出设置在CMOS衬底12和载体衬底22之间的可选的未充满层24。焊球(或“焊料金属”)26被示为可选地在载体衬底22的顶部上形成。
在一些实施例中,载体衬底22由层压板或陶瓷制成。在本发明的实施例中,钉头凸块20在未充满层24内部形成。在本发明的一些实施例中,钉头凸块20由金制成。在其它实施例中,钉头凸块由任何导电材料(诸如铅和锡)制成。在本发明的又一些其它实施例中,钉头凸块20是设置在彼此的顶部上的多个钉头凸块。在本发明的一些实施例中,使用球形接合器形成钉头凸块。
MEMS可移动元件34有效地在CMOS衬底12的顶部上形成。后腔30在CMOS衬底12中被蚀刻以放大后腔体积。CMOS衬底12的其余部分的厚度在图1中由“h”标记,且在本发明的实施例中大约是20-100微米(um)。在本发明的示例性实施例中,在图1中由“w”标记的后腔30的侧壁的宽度大约是20-200 um。在示例性实施例中,后腔30的体积被最大化,同时仍然维持器件的合理的结构整体性。因此,MEMS器件10的性能——特别是在诸如麦克风的实施例中被改进了,同时它的覆盖区保持小。
保护层28通过环氧树脂(导电或非导电)、金属膏或焊料连接到CMOS衬底12。通过由钉头凸块20将在CMOS衬底12上的接合焊盘32连接到衬底22来实现CSP封装。管芯的边缘用未充满层24密封。在示例性实施例中,未充满层24由环氧树脂或硅树脂制成。衬底22通过热或热超声压缩接合或另一导电接合方法电连接到钉头凸块20。
在本文中所示和所述的各种实施例和方法的应用包括但不限于麦克风、压力传感器、谐振器、开关和其它可应用的器件。
如在讨论和接下来的图中变得进一步明显的,两步蚀刻工艺用来创建后腔30。在一个实施例中,端口16和后腔30通过分开的蚀刻步骤形成。在另一实施例中,端口16在第一蚀刻步骤中部分地被蚀刻,第二蚀刻步骤形成后腔30并完成端口16的蚀刻。在示例性实施例中,后腔30是大约100 um到2毫米(mm)。此外,后腔可具有任何形状,包括正方形形状或圆形形状。在图1中还示出可选地被采用的操作晶片36。操作晶片36被示为设置在衬底22之下。
图2示出在被封装之前的MEMS器件10。如前面提到的,操作晶片36是可选的。操作晶片36在安装到载体衬底时可充当隔板,并且也可用作可移动元件34的越程限止块。在示例性实施例中,操作晶片36由硅制成,且是大约10um到200um厚。
图3示出根据本发明的方法的用于制作MEMS器件10的工艺流程300。在图3中,在步骤302,MEMS衬底14被接合到具有在CMOS衬底12中蚀刻的附加端口16的CMOS衬底12。接着在304,根据MEMS器件10是否包括操作晶片36,步骤306或318被执行。在操作晶片36被使用的情况下,工艺继续到步骤306,且在没有操作晶片被使用的情况下,工艺继续到步骤318。
在步骤306,芯片被倒装,且保护层28被设置成覆盖CMOS衬底12和后腔30。接着在步骤308,晶片割锯被执行,且芯片被倒装回。在替换的实施例中,使用激光切片而不是湿晶片割锯来将晶片分割成管芯。
接着在步骤310,钉头凸块20被接合到CMOS衬底12。注意的是,步骤310和308可反转,其中步骤310在步骤308之前被执行。
接着在步骤312,管芯使用热或热超声压缩接合经由钉头凸块20接合到载体衬底。后面是步骤314,其中未充满层被设置成密封MEMS衬底14的边缘。注意的是,步骤312和314可反转,如果未充满层在压缩接合之前被固化到“B台阶”。
在操作晶片未被使用的替换的实施例中,干激光切片而不是湿割锯被执行以将MEMS晶片分割成管芯。在步骤320,钉头凸块20被接合到CMOS衬底12。注意的是,步骤318和320可以按任何次序完成。接着在步骤322,经由在载体衬底22和分割的管芯之间的钉头凸块20执行热或热超声压缩接合。接着在步骤324,未充满层24用于密封MEMS衬底14。注意的是,步骤322和324可反转,如果未充满层在压缩接合之前固化到“B台阶”。接着在步骤326,芯片被倒装,且CMOS衬底12和后腔30用保护层28覆盖。可替换地,步骤326跟随步骤322而不是步骤324。在步骤326之后,在步骤328,芯片被倒装,且焊球26在载体衬底22上形成。
图4(a)到4(f)示出根据图3的步骤306到316的制作MEMS器件10的工艺(方法A),其中操作晶片被采用。在图4(a)中,晶片被倒装并被安装在胶带402上。
接着,如图4(b)所示,粘合剂被分配在CMOS衬底12的顶部上,保护层28被安装在CMOS衬底12和腔30的顶部上,且粘合剂在晶片级上固化。保护层28可以是晶片大小的或个别地放置的盖子,如图4(b)所示。保护层28的形状可以是板形的或u形的(锯齿状的)以进一步增加MEMS器件10的后体积。在示例性实施例中,后腔30的总体积大约是0.3到4 mm3。保护层28到CMOS衬底12的电连接和接合可由导电环氧树脂化合物或金属膏形成。
在图4(c)中,晶片如在404所示的被切片,其中,晶片被切割。可替换地,图4(c)的步骤在图4(b)的步骤之前被执行。如前面提到的,晶片切片可以是切割或激光切片。
在图4(d)中,晶片被倒装并转移到另一胶带,且钉头凸块20被放置在金属焊盘32的顶部上。在实施例中,钉头凸块20在操作晶片36的顶表面之上突出。可替换地,步骤4(c)的晶片切片可在图4(d)的步骤之后完成。
在图4(e)中,未充满层24可选地被分配或丝网印刷在钉头凸块20上以密封MEMS衬底14。未充满层24可替换地被分配或丝网印刷在载体衬底22和管芯的边缘上以密封管芯的边缘,如图4(e)所示。步骤4(e)是可选的。
可替换地,不执行4(c)的步骤,直到在图4(e)的步骤之后。
在图4(f)的步骤,具有端口18的载体衬底22使用热或热超声压缩接合而接合到钉头凸块20以连接信号。热压缩在有或没有分配未充满层的情况下执行,视情况而定。在Kim、Brian等人于2013年7月24日提交的且标题为“Assembly and Package of MEMS Device”的美国专利申请(No.13/950,178)中也公开了制作MEMS器件10的各种方式的进一步的细节,该专利申请的公开通过引用被并入。焊球26被沉积到载体衬底22上或被接合到载体衬底22。钉头凸块20将载体衬底22电连接到CMOS衬底12。钉头凸块20可能包括堆叠在彼此的顶部上的一个或多个钉头凸块。
可替换地,载体衬底22可以是陶瓷或硅***层且不是基于环氧树脂的。
图5(a)到5(e)示出根据图3的步骤318到328的制作MEMS器件10的工艺(方法B),其中操作晶片未被采用。在图5(a)中,激光切片用来分离管芯,且钉头凸块20附接到器件。可替换地,在激光切片之前附接钉头凸块20。管芯在分割以在金属焊盘上形成钉头凸块之后可选地被转移到另一胶带。在实施例中,钉头凸块在MEMS衬底的顶表面之上突出至少几微米。
在图5(b)中,未充满层24被分配或丝网印刷在钉头凸块20和管芯的边缘上以密封封装边缘。接着在图5(c)中,载体衬底22通过热或热超声压缩接合而接合到钉头凸块20。可替换地,在图5(b)所示的步骤之前执行图5(c)中的热或热超声压缩。载体衬底22可以可选地具有沉积在其外表面(与形成钉头凸块的表面相对的表面)上的焊球。接着,管芯被拾取、倒装并接着安装到胶带,以用于CMOS后腔压盖。如图5(d)所示,保护层28使用与关于方法A的图4(b)描述的相同的方法附接到CMOS衬底。如果载体衬底22要求附加的焊球,则管芯被倒装并附接到另一胶带以将焊球沉积在载体衬底上,如图5(e)所示。
方法B使用CMOS衬底蚀刻作为后腔30的附加体积,其合意地在利用MEMS器件10作为麦克风的实施例中改进了麦克风的性能并减小了总封装高度。此外,这种方法解决了基于TSV的集成后腔的工艺容量问题,并要求对集成MEMS和CMOS麦克风工艺的最小改变。
图6(a)-(c)示出根据本发明的方法的两步腔蚀刻工艺。在图6(a)中,MEMS器件10被示为包括设置在MEMS衬底14中的保护或牺牲层604和设置在CMOS衬底12中的硬掩模602。在本发明的实施例中,牺牲层604由氧化硅制成。在接合CMOS衬底12与MEMS衬底14之后,在CMOS衬底12的背面的硬掩模602被形成以限定后腔(30)图案。随后,具有较小开口608的光致抗蚀剂掩模606被示为在图6(b)中形成,从而限定端口开口图案。开口(或“腔”)608被示为使用设置在CMOS衬底12的底表面上的光致抗蚀剂掩模606来部分地蚀刻。在图6(c)中,光致抗蚀剂掩模606被移除,且全蚀刻被执行以形成较大的腔610并完全蚀刻开口608。当开口608暴露牺牲层604时,图6(c)的全蚀刻停止。与图6(c)的全蚀刻的持续时间相组合的在图6(b)中的开口608的部分蚀刻深度确定图1所示的高度“h”。因此,后腔30和将CMOS衬底12连接到MEMS衬底14的端口16被形成。在图6(c)中,如上所述,通过蚀刻来移除层604以释放MEMS器件10。
图7示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件700。在这个实施例中,锯齿状保护层700延伸后腔30的高度,从而提供附加的后腔体积。
MEMS器件10也可具有根据本发明的又另一实施例的内密封环。内密封环在将MEMS衬底14安装到载体衬底时充当声学密封。此外,封装器件10的边缘可包括在封装的外表面上的金属涂层以形成用于射频(RF)屏蔽的法拉第笼。形成这样的器件的方法在接下来的图8和9(a)-(i)中示出。
图8示出根据本发明的另一方法的在制作MEMS器件中执行的步骤的流程图。在步骤802,在晶片制作期间,接合焊盘被暴露。接着在步骤804,形成钉头凸块或焊料喷射凸块。随后在步骤806,内密封环(或“联顶环”)应用于MEMS器件的内声学密封,并且也用于在封装期间吸收应变。根据本发明的实施例,内密封环环绕MEMS可移动元件,并在钉头凸块的顶表面之上突出。在示例性实施例中,内密封环由具有合适的弹性和对衬底的合适粘附的特性的聚合物或硅树脂材料制成。
接着,在步骤808,晶片被倒装且保护层28被施加以压盖在晶片级的后腔30。接着,晶片在步骤810被切片以形成分割的管芯。在那之后,在步骤812,芯片再次被倒装,且载体衬底同时经由钉头凸块通过热或热超声压缩来接合或通过随后的固化被接合,也经由内密封环创建物理或粘附接合。经由钉头凸块提供在芯片和载体衬底之间的电连接。
接着在步骤814,在管芯之间填充硅树脂或模制材料。随后,在步骤816执行宽曲线割锯切片步骤,以切穿模制材料并部分地进入衬底中,后面是步骤818,这时金属(诸如镍(Ni)或另一类型的金属层涂层)被施加以形成封闭MEMS器件的RF屏蔽笼。金属涂层经由到载体衬底的电接触连接到地或另一限定电位。最后在步骤820,执行窄曲线割锯切片步骤以切穿金属和衬底,从而形成最终封装的器件。对法拉第笼形成要求步骤816到820。
图9(a)-9(j)示出根据本发明的方法和实施例的在制作具有RF屏蔽和内密封的MEMS器件中的根据图8的流程图的制造工艺。在图9(a)中,MEMS器件900被示为包括接合到衬底910的钉头凸块904,其使用胶带902保持在适当的位置。MEMS衬底908被示为设置在CMOS衬底910上。接着如图9(b)所示,内密封环912在操作晶片906的顶部上形成。在本发明的实施例中,内密封(或联顶环)由硅树脂制成。
接着在图9(c)中,晶片被压盖有保护层914,所述保护层914覆盖衬底910和腔913。在步骤9(d),执行切片以例如切割管芯,如在916所示的。这后面是在步骤9(e)倒装芯片接合到载体衬底918。接着在步骤9(f),模制材料920(诸如硅树脂)被沉积,且在步骤9(g),载体衬底918使用另一胶带922保持在适当的位置,同时执行宽截口切片切割924。在步骤9(h),通过电镀或无电镀或替换的金属化方法来沉积导电材料926(例如镍)。这后面是在步骤9(i)的分割。
图9(j)示出根据本发明的实施例的在步骤9(a)到9(i)之后的MEMS器件900的最终形式。
图10示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件1000。MEMS器件1000被示为具有设置在CMOS衬底1010的顶部上且更特别地连接到顶部金属层1006的MEMS声学元件1002。顶部金属层1006被示为定位在下部金属层1004的顶部上,并通过电介质1012与其分离。在一些实施例中,顶部金属层1006和下部金属层1004中的每一个由多个金属层制成。类似地,电介质1012由一个或多个电介质层制成。端口1014被示为穿过CMOS衬底1010和在MEMS声学元件之下。凹槽1016被示为在MEMS声学元件1002之下形成并围绕通过一个或多个顶部金属层和电介质层(诸如金属层1006)的移除而形成的端口1014。CMOS电路(半导体电路)被示为位于凹槽1016之下。这种方法通过最小化端口1014的大小来最大化电路可用的CMOS衬底面积,同时使用凹槽1016减小在声学元件之下的阻尼。
虽然本描述已经关于其特别的实施例被描述,但这些特别的实施例仅仅是例证性的而不是限制性的。
如在本文中的描述中和遍及接下来的权利要求中使用的,“一”、“一个”和“该”包括复数参考,除非上下文另外清楚地规定。此外,如在本文中的描述中和遍及接下来的权利要求中使用的,“在…中”的意义包括“在…中”和“在…上”,除非上下文另外清楚地规定。
因此,虽然已经在本文中描述了特别的实施例,但在前述公开中意图修改、各种改变和替换的宽容度,且将认识到,而不脱离如所阐述的范围和精神的情况下,在一些实例中将采用特别的实施例的一些特征而没有其它特征的对应使用。因此,可做出很多修改以使特别的情况或材料适于基本范围和精神。

Claims (30)

1.一种MEMS器件,包括:
MEMS衬底,所述MEMS衬底包括可移动元件;
CMOS衬底,其具有腔,所述MEMS衬底被设置在所述CMOS衬底的顶部上,其中所述MEMS衬底包括操作晶片,以及至少一个钉头凸块突出到所述操作晶片的顶表面之外;
被设置为覆盖所述腔的保护层,该保护层物理地附接到所述CMOS衬底;以及
后腔,其连接到所述CMOS衬底,所述后腔至少部分地由在所述CMOS衬底中的所述腔形成,
其中所述可移动元件在声学上耦合到所述后腔。
2.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述MEMS衬底电耦合到所述CMOS衬底。
3.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述保护层由导电材料制成。
4.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述保护层由包括导电材料的非导电层制成。
5.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述保护层通过导电材料连接到所述CMOS衬底。
6.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述CMOS衬底还包括至少一个接合焊盘和至少一个钉头凸块,其中所述至少一个钉头凸块连接到所述至少一个接合焊盘。
7.如权利要求6所述的MEMS器件,其中所述钉头凸块由金制成。
8.如权利要求6所述的MEMS器件,还包括设置在所述至少一个钉头凸块和所述MEMS衬底之间的硅树脂密封剂。
9.如权利要求6所述的MEMS器件,其中所述CMOS衬底电连接到所述至少一个钉头凸块。
10.如权利要求6所述的MEMS器件,还包括接合到所述至少一个钉头凸块的载体衬底。
11.如权利要求10所述的MEMS器件,还包括设置在所述载体衬底的顶部上的焊料金属。
12.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述保护层基本上是平坦的。
13.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述保护层是锯齿状的。
14.如权利要求10所述的MEMS器件,其中所述载体衬底是层压板。
15.如权利要求10所述的MEMS器件,还包括设置在所述CMOS衬底和所述载体衬底之间的未充满层。
16.如权利要求15所述的MEMS器件,其中所述未充满层在声学上密封所述载体衬底和所述MEMS衬底。
17.如权利要求10所述的MEMS器件,其中所述载体衬底具有声学端口。
18.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述MEMS器件被封闭在RF屏蔽中。
19.如权利要求18所述的MEMS器件,其中所述RF屏蔽是金属。
20.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述CMOS衬底还包括将所述后腔连接到所述可移动元件的端口。
21.如权利要求1所述的MEMS器件,其中所述MEMS器件是麦克风或超声换能器。
22.如权利要求1所述的MEMS器件,还包括围住所述可移动元件的内声学密封环。
23.一种制作MEMS器件的方法,包括:
将MEMS衬底接合到CMOS衬底,所述MEMS衬底包括可移动元件;
在所述CMOS衬底中形成腔,其中所述MEMS衬底被设置在所述CMOS衬底的顶部上;
在所述MEMS衬底上形成至少一个钉头凸块,其中所述MEMS衬底包括操作晶片,以及至少一个钉头凸块突出到所述操作晶片的顶表面之外;
形成覆盖所述腔的保护层,该保护层物理地附接到所述CMOS衬底;
形成后腔,所述后腔连接到所述CMOS衬底,所述后腔至少部分地由在所述CMOS衬底中的所述腔形成,从而在声学上将所述可移动元件耦合到所述后腔。
24.如权利要求23所述的制作MEMS器件的方法,还包括在所述MEMS衬底上形成内密封环。
25.如权利要求23所述的制作MEMS器件的方法,还包括形成封闭所述MEMS器件的RF屏蔽。
26.如权利要求23所述的制作MEMS器件的方法,还包括用保护层覆盖所述后腔。
27.如权利要求23所述的制作MEMS器件的方法,还包括在所述CMOS衬底上形成至少一个钉头凸块。
28.如权利要求23所述的制作MEMS器件的方法,还包括使用未充满层密封所述MEMS衬底的边缘。
29.如权利要求27所述的制作MEMS器件的方法,还包括通过热压缩接合将载体衬底附接到至少一个钉头凸块,所述钉头凸块被设置在所述CMOS衬底上。
30.如权利要求26所述的制作MEMS器件的方法,还包括使用导电材料将所述保护层连接到所述CMOS衬底。
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