密封微機電系統裝置及其製造方法與封裝結構的製作方法

2023-05-25 08:31:06 2

專利名稱：密封微機電系統裝置及其製造方法與封裝結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及微機電系統(microelectromechanical system, MEMS)裝置。更明確 地說，本發明涉及MEMS裝置的結構和製造工藝。
背景技術：
已在各種應用中提議MEMS裝置。然而，MEMS裝置通常處於開放環境中。由於MEMS 裝置的MEMS結構對環境空氣較為敏感，所以在開放環境中操作可能拾取噪聲。於是提議用 於MEMS裝置的密封封裝。密封MEMS封裝具有包含使MEMS結構與外部環境隔離的特性。舉例來說，可通過 對MEMS形成真空環境來避免空氣和熱噪聲的阻尼。另外，密封腔室可保護MEMS裝置以免 受EM幹擾且產生具有高性能和低普及成本的小尺寸MEMS裝置。密封MEMS封裝的應用包 含加速計、陀螺儀、諧振器或RF MEMS組件。對於當前密封MEMS產品，在單獨襯底中製造MEMS結構和感測或驅動電路。MEMS結 構包含傳感器或致動器。MEMS傳感器能夠感測物理信號(例如，加速度和角速度)並轉變 為電信號，且電信號變得可經由感測電路讀取；同時MEMS致動器能夠經由驅動電路創建機 械運動。感測和驅動電路兩者均由眾所周知的CMOS工藝製造。圖1是說明常規密封MEMS 裝置的橫截面圖。在圖1中，常規的密封MEMS裝置包含下部襯底100、中部襯底102和頂 部襯底104。下部襯底100經圖案化以具有凹進空間106和作為感測IC的具有連接墊114 的CMOS電路。中部襯底102經製造為具有排氣孔110的感測元件。頂部襯底104經製造 為如具有凹進空間108的蓋帽。中部襯底102通過粘附環112而與頂部襯底100和頂部襯 底104粘附。因而，凹進空間106和108連同排氣孔110形成密封腔室。然而，此常規工藝具有某些缺點，其中包含高成本、由於將三個元件封裝到裝置中 引起的生產良品率問題以及MEMS與感測IC結合的寄生效應。

發明內容
本發明的一方面提供一種密封裝置，其可至少減少如上文提及的缺點。本發明的實施例提供一種密封MEMS封裝，其包含CMOS MEMS晶片，所述CMOS MEMS 晶片具有第一結構襯底、結構介電層、CMOS電路、MEMS結構和第二襯底。所述結構介電層安 置在所述第一結構襯底的第一側上。結構介電層具有用於電互連的互連結構，且還具有保 護結構層。第一結構襯底具有至少一孔。保護結構層位於所述孔上方以形成至少一腔室。 腔室在第一結構襯底的第二側。MEMS結構暴露在所述腔室中。第二襯底在腔室上方粘附到 第一襯底的第二側以使所述腔室形成密封空間，且MEMS結構位於所述空間內，其中第二襯 底不具有CMOS電路的一部分。本發明的實施例還提供一種用於製造密封微機電系統(MEMS)裝置的方法。所述 方法包含提供第一襯底。接著，在所述第一襯底的第一側上方形成結構介電層，其中CMOS 電路和MEMS結構形成在第一襯底和結構介電層中。從第一襯底的第二側圖案化第一襯底
6和結構介電層以形成腔室，其中MEMS結構暴露在腔室中。將第二襯底粘附在第一襯底的第 二側上方以從第一襯底的第二側密封腔室。本發明的實施例還提供一種MEMS裝置的封裝結構，其包含MEMS裸片、封裝電路襯 底和模製層。所述MEMS裸片包括CMOS MEMS晶片，其具有第一結構襯底、結構介電層、MEMS 結構、CMOS電路和第二襯底。所述結構介電層安置在第一結構襯底的第一側上。結構介電 層具有用於電互連的互連結構，且還具有保護結構層。第一結構襯底具有至少一孔。保護 結構層位於所述孔上方以形成至少一腔室。所述腔室在第一結構襯底的第二側。腔室還包 括MEMS結構。第二襯底在腔室上方粘附到第一襯底的第二側以使所述腔室形成密封空間， 且MEMS結構位於所述空間內，其中第二襯底不具有CMOS電路的一部分。封裝電路襯底固 持MEMS裸片。模製層包封在MEMS裸片和引線框上方。本發明的實施例還提供一種MEMS裝置的封裝結構。所述MEMS裝置的封裝結構包 含CMOS MEMS晶片，其具有第一結構襯底、結構介電層、MEMS結構、CMOS電路、第二襯底和第 三襯底。所述結構介電層沉積在所述第一結構襯底的第一側上。結構電介質包括用於電連 接的互連結構。第一結構襯底和結構介電層包括孔，且MEMS結構位於所述孔內。互連結構 具有位於結構介電層中的輸出墊結構以耦合出所述CMOS MEMS晶片的電信號。第二襯底在 孔上方粘附到第一襯底的第二側以密封所述孔的一側。導電突起位於輸出墊結構上。粘附 層位於輸出墊結構上，且還以環結構的形式位於結構介電層的頂部上。環結構包圍MEMS結 構和輸出墊結構。第三襯底層通過粘附層粘附在結構介電層上方以密封所述孔的另一側， 且形成密封空間。第三襯底層具有位於所述第三襯底層中的延伸性輸出墊結構，所述延伸 性輸出墊結構具有電連接到所述導電突起的底部末端和被暴露的頂部末端。本發明的實施例還提供一種MEMS裝置的封裝結構。所述MEMS裝置的封裝結構包 含CMOS MEMS晶片，其具有第一襯底、結構介電層、MEMS結構、CMOS電路和第二襯底。結構 介電層沉積在第一結構襯底的第一側上。結構介電層包括用於電連接的互連結構。第一襯 底和結構電介質在第一襯底的第一側中包括腔室。腔室抵靠著第一結構襯底在第一結構 層的頂側。腔室包括MEMS結構。互連結構具有位於結構介電層中的輸出墊結構以耦合出 CMOS電路的電信號。導電突起位於輸出墊結構上。粘附層位於所述輸出墊結構上，且還以 環結構的形式位於結構介電層的頂部上。環結構包圍MEMS結構和輸出墊結構。第二襯底 層通過粘附層粘附在結構介電層上方以密封所述腔室，且形成密封空間。MEMS結構位於密 封空間內。第二襯底層具有位於所述第三襯底層中的延伸性輸出墊結構，所述延伸性輸出 墊結構具有電連接到所述導電突起的底部末端和被暴露的頂部末端。應理解，先前概括描述和以下詳細描述兩者均是示範性的，且既定提供對所主張 的本發明的進一步解釋。


包含附圖以提供對本發明的進一步理解，且附圖併入在本說明書中並形成其一部 分。

本發明的實施例，且連同描述內容一起，用以解釋本發明的原理。圖1是說明常規密封MEMS裝置的橫截面圖。圖2A是根據一個實施例示意性說明MEMS封裝的橫截面圖。圖2B是示意性說明圖2A中的MEMS封裝的內部結構的俯視圖。
圖3A是根據一個實施例示意性說明MEMS封裝的橫截面圖。圖;3B是示意性說明圖3A中的MEMS封裝的內部結構的俯視圖。圖4是根據一個實施例示意性說明MEMS封裝的橫截面圖。圖5是根據一個實施例示意性說明MEMS封裝的橫截面圖。圖6到9是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS封裝的製造流程的橫 截面圖。圖10到13是根據本發明的一個實施例示意性說明用於另一 MEMS封裝的製造流 程的橫截面圖。圖14是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖15是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖16是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖17是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖18A是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖18B是示意性說明來自圖18A的俯視圖的經封裝結構的俯視圖。圖19是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖20是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖21是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖22k到22C是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖。圖23是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖24A到24C是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖。圖25A到251是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖。圖2隊到261是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖或俯視圖。圖27到觀是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫 截面圖。圖^A到291是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖或俯視圖。
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具體實施例方式在本發明的公開內容中，已提議若干實施例中的新穎密封MEMS裝置。密封MEMS 封裝至少具有以下特徵。IC與MEMS之間的集成可增加高性能。MEMS與感測IC製造在同 一襯底中以避免MEMS與感測IC結合的寄生效應。密封層可通過已知CMOS技術的互連工 藝而形成在MEMS元件的一側上方。晶片規模封裝(chip scale package, CSP)和晶片級封 裝(wafer levelpackage, WLP)可用於小尺寸和低成本工藝。額外襯底使用晶片-晶片接 合或熔合而附接到MEMS的另一側上以形成密封封裝。提供若干實施例以進行描述。然而，本發明不限於所述實施例的公開內容。另外， 所述實施例還可恰當地彼此組合。圖2A是根據一個實施例示意性說明具有密封封裝的MEMS裝置的橫截面圖。圖2B 是示意性說明圖2A中的MEMS裝置的內部結構的俯視圖。在圖2A和2B中，MEMS裝置可包 含CMOS MEMS晶片和第二襯底200。CM0SMEMS晶片包含第一襯底、結構襯底層、CMOS電路和 MEMS結構。第一襯底202 (例如矽襯底)具有腔室208，且MEMS結構214暴露在所述腔室 中。MEMS結構214(在此實例中形成在襯底202和結構介電層210中)在末端部分處由襯 底202或結構電介質210固持，使得MEMS結構214可感測(例如)MEMS裝置的加速移動。 結構介電層210安置在第一襯底202的第一側上。結構介電層210具有互連結構216。結 構介電層210還具有嵌入在內部的保護層212且服務於位於MEMS結構214上方的密封層 201。保護層可為(例如)導電層。結構介電層210具有位於MEMS結構214上方的凹進部 分。MEMS結構214形成在第一襯底202和結構介電層210中。CMOS電路218已通過CMOS 製造工藝而形成在第一襯底202和結構介電層210中。CMOS電路218具有位於結構介電 層210中的輸出墊結構216。第二襯底200在腔室208上方粘附到第一襯底202的第二側 以形成用於MEMS結構的密封空間。第二襯底200沒有必要具有CMOS電路。換句話說，第 二襯底200可為(例如)還用於形成用於MEMS結構214的密封空間的簡單板。粘附層220 是用以閉合腔室208的閉合環。粘附層220可為常見粘附材料層或熔合層。因而，結構介 電層210和第二襯底200密封腔室208以具有密封空間，其中結構介電層210在CMOS工藝 中但不是通過封裝工藝形成。第二襯底200可為矽、玻璃、石英、陶瓷等。結構介電層(充當密封層)由介電層 和導電層形成。此些層與CMOS電路的互連結構中所使用的層相同。MEMS裝置是導電層、介 電層與襯底的一部分的組合物。密封腔室208可在一個實施例中為真空腔室。所述腔室中 的MEMS結構214可通過(例如)造成電容變化的位置移位來感測MEMS裝置的移動。所述 操作機制可在此項技術中已知，而不作進一步描述。MEMS結構214可在不限於所述實施例 的情況下呈各種其它結構。圖3A是根據一個實施例示意性說明MEMS裝置的橫截面圖。圖是示意性說明 圖3A中的MEMS裝置的內部結構的俯視圖。在圖3A和圖;3B中，MEMS結構214僅形成在結 構介電層210中。結構202具有用以充當腔室208的一部分的開口。結構介電層210還具 有凹進空間205作為腔室230的另一部分。密封層201和輸出墊結構216嵌入在結構介電 層210中。CMOS電路218形成在第一襯底202和結構介電層210中。第二襯底200藉助於 粘附材料或熔合通過粘附層220粘附到第一襯底202。
在圖3A和圖;3B的此實施例中，MEMS結構214為結構介電層210中的導電層和介 電層的組合物。密封腔室208中的MEMS結構214可(例如)感測MEMS裝置的移動。圖4是根據一個實施例示意性說明MEMS裝置的橫截面圖。在圖4中，MEMS裝置 的結構基本上類似於圖2A中的結構。然而，結構介電層210的密封層206中的保護層呈柵 格結構232。柵格結構232具有較大機械強度來在製造期間抵抗外部壓力。另外，周圍金屬 層234還可經實施以遮蔽裝置以免受(例如)電磁波。此外，MEMS結構230還可包含來自 結構介電層210的額外部分236。圖5是根據一個實施例示意性說明MEMS裝置的橫截面圖。在圖5中，其類似於圖 4且根據圖3A修改，其中結構介電層210中的密封層206還包含柵格結構232和周圍金屬 層234。MEMS結構230形成在結構介電層210中。對於MEMS裝置的結構，密封層206基於CMOS製造工藝而形成在結構介電層210 層中。結構介電層210層沒有必要通過包裝工藝來形成。CMOS電路218還可基於兼容性 CMOS工藝而形成在襯底202和結構介電層210層中。襯底200接著簡單地以粘附方式粘附 到襯底202。用於MEMS裝置的製造工藝進一步描述如下。圖6到9是根據本發明的一個實施 例示意性說明用於MEMS裝置的製造流程的橫截面圖。在圖6中，MEMS裝置已形成為在結構介電層210中具有MEMS結構230、CMOS電路 218和密封層206。密封層206具有(例如)嵌入式柵格結構232。周圍金屬層234也形 成在結構介電層210中。在此製造階段處，結構介電層210形成在襯底202(例如矽襯底)上。在圖7中，將形成用於含有MEMS結構230的腔室208，且將暴露MEMS結構230。襯 底202經圖案化以形成排氣孔作為腔室208的一部分。排氣孔暴露結構介電層210。對於 襯底202中的MEMS結構230，將底部移除一部分以使底部表面250凹進。在圖8中，執行各向同性蝕刻工藝以蝕刻結構介電層210中的介電材料以暴露導 電層。換句話說，結構介電層210具有凹進空間252以充當腔室的一部分。在此實例中， MEMS結構230還包含來自結構介電層210的額外部分236。然而，MEMS結構230的大部分 與結構介電層210分離以使MEMS結構感測(例如)加速度。在圖9中，為了具有密封空間， 使用第一襯底200來從第二襯底202的另一側密封所述腔室208。第一襯底200可通過粘 附層220(例如粘附材料層或熔合層)而粘附到第二襯底202。粘附層220為用以封閉腔 室208的環。在將襯底200粘附到第二襯底202之前，可抽空腔室208以具有特定低壓力 水平。圖10到13是根據本發明的一個實施例示意性說明用於另一 MEMS裝置的製造流 程的橫截面圖。在圖10中，對於MEMS裝置的不同結構，製造工藝在細節上可能有所不同， 而設計特徵保持相同。在圖10中，從MEMS裝置已形成為在結構介電層210中具有MEMS結 構230、CMOS電路218和密封層206的階段開始。密封層206具有(例如)嵌入式柵格結 構232。周圍金屬層234也形成在結構介電層210中。在此製造階段處，結構介電層210形 成在襯底202(例如矽襯底)上。然而，此實例中的MEMS結構230經設計以僅在結構介電 層210中，其中襯底202僅用於提供腔室。在圖11中，襯底202經圖案化以形成開口以充當腔室208的主要部分。腔室208暴露結構介電層210。在圖12中，對結構介電層210執行用於介電材料的各向同性蝕刻工 藝，使得MEMS結構230的導電層和密封層206的柵格結構232被暴露。除了結構介電層的 固持部分之外，MEMS結構230的MEMS結構與結構介電層210和襯底202分離。在圖13中，如先前描述，為了具有密封空間，使用第一襯底200來從第二襯底202 的另一側密封所述腔室208。第一襯底200可通過粘附層220 (例如粘附材料層或熔合層) 而粘附到第二襯底202。粘附層220為用以封閉腔室208的環。在將襯底200粘附到第二 襯底202之前，可抽空腔室208以具有特定低壓力水平。在此實例中，襯底202中的腔室 260僅用於充當腔室的主要部分以用於適應MEMS結構230。在以下描述中，描述後續封裝工藝。在MEMS裸片已完成製造之後，接著將MEMS裸 片封裝到MEMS晶片中作為MEMS裝置。密封MEMS封裝可在當前IC封裝技術中以各種方式 實施。其還可與其它晶片封裝在一起以用於多晶片封裝(MCP)應用。圖14是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。在圖14中，使用引線框以用於封裝。引線框具有裸片墊266和引線沈0。MEMS裸片固 持在裸片墊266上。另外，MEMS裸片的I/O端子還通過接合電線262而連接到引線沈0。 舉例來說，CMOS電路的輸出墊結構216還連接到對應引線沈0。接著，使用模製化合物264 來將MEMS裸片模製為MEMS裝置。圖15是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。在圖15中，其類似於圖14中的結構，但包含額外保護層沈8。保護層268可保護MEMS 裸片的密封層以免在封裝工藝期間在形成模製化合物沈4、噴水、取放和各種處置工藝等期 間受到破壞。保護層具有開口以暴露輸出墊結構216以用於與接合電線262接合。圖16是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。在圖16中，封裝結構也基於圖16中的結構，其中保護層具有修改。此實例中的保護層 268為具有蓋帽空間269的蓋帽結構。呈蓋帽結構的保護層268具有相同功能以保護MEMS 裸片的密封層以免在封裝工藝期間在形成模製化合物沈4、噴水、取放和各種處置工藝等期 間受到破壞。圖17是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。在圖17中，MEMS裝置302還可使用板上晶片(chip on board, COB)技術來安裝在系 統印刷電路板(printed circuit board，PCB) 300上。輸出墊結構通過電線262接合到PCB 300的電路墊304。接著，模製層306 (例如包封層，例如環氧樹脂)可包封在MEMS裝置302 上方。圖18A是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。圖18B是示意性說明來自圖18A的俯視圖的經封裝結構的俯視圖。在圖18A和圖18B 中，在替代封裝工藝中，其基於(例如)倒裝晶片工藝。在輸出墊結構上形成突起270。MEMS 裝置的其它結構類似於先前描述，而不作進一步描述。在輸出墊結構(例如CMOS電路218 中的一者)上形成突起270之後，接著以倒裝晶片方式將MEMS晶片接合到所述PCB。圖19是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的應用的橫 截面圖。在圖19中，在圖18A中的步驟之後，通過突起270(例如焊料突起或柱突起)在墊 310處將MEMS裝置接合到系統PCB 300。如果必要的話，可在PCB 300上方形成如模製材 料等包封物。
圖20是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。在圖20中，對於替代封裝工藝，結構介電層210還可包含支撐性墊結構273連同輸出 墊結構216。第三襯底340通過封裝工藝以粘附方式形成在結構介電層210上方。第三襯 底340還具有延伸性輸出墊結構344和保護層342的嵌入式結構。延伸性輸出墊結構344 至少通過突起270而電連接到結構介電層210中的輸出墊結構216。保護層342的末端墊 是包圍密封層206的環結構。接著，第三襯底340通過粘附層271粘附到結構介電層210， 所述粘附層271可為導電型或非導電型的B級環氧樹脂。然而，導電B級環氧樹脂是優選 的，因為其可至少有助於結構介電層210中的輸出墊結構與第三襯底340中的延伸性輸出 墊結構344之間的電連接。圖21是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。在圖21中，在結構介電層210上額外形成第三襯底之後，可使用延伸性輸出墊結構344 來通過倒裝晶片方式用突起312在墊310處接合到系統PCB 300以供應用。圖22A到22C是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖。在圖22A中，對封裝工藝的描述從第二襯底202已被圖案化以 具有腔室空間的階段開始。在此實例中，MEMS結構230由襯底202和結構介電層210形成。 在實際製造工藝中，同時一起形成若干MEMS裝置400。在圖22B中，輸出墊結構216(例如 屬於CMOS電路)保持在沒有突起的結構介電層中。襯底200還從另一側粘附到襯底202。 在圖22C中，保護層268可形成在襯底202上方，但暴露輸出墊結構216。接著，執行切割工 藝402以將MEMS裝置400切割為分離的MEMS裸片。圖23是根據本發明的一個實施例示意性說明MEMS裝置的經封裝結構的橫截面 圖。其類似於圖22C中的工藝，但保護層410呈具有凹進空間412的蓋帽結構而不直接接 觸密封層206。接著，執行切割工藝402。在封裝工藝中，可將腔室抽空到特定真空水平。圖24A到24C是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖。在圖24A中，同樣，對封裝工藝的描述從第二襯底202已被圖案 化以具有腔室空間的階段開始。在此實例中，MEMS結構230由襯底202和結構介電層210 形成。在實際製造工藝中，同時一起形成若干MEMS裝置400。在圖MB中，輸出墊結構216(例如屬於CMOS電路)保持在沒有突起的結構介電 層中。襯底200還從另一側通過粘附層220而粘附到襯底202。腔室現在為密封的。腔室 可具有特定真空水平。在圖24C中，可在輸出墊結構216上形成突起270以用於後續封裝工藝。接著，通 過切割工藝402將MEMS裝置400切割為單獨單元。圖25A到251是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖。在圖25A中，對封裝工藝的描述從第二襯底202已被圖案化以 具有腔室空間的階段開始。在此實例中，MEMS結構230由襯底202和結構介電層210形成。 另外，可在結構介電層210中形成支撐性環221。輸出墊結構216保持在結構介電層210 中。在實際製造工藝中，同時一起形成若干MEMS裝置404。在圖25B中，通過粘附層220將 襯底200粘附到襯底202。在圖25C中，提供蓋帽結構450，如橫截面圖中所示。以俯視圖示出MEMS裝置404。 蓋帽結構450由第三襯底282形成。蓋帽結構450可任選地具有凹進空間觀6。第三襯底282具有包含延伸性輸出墊結構觀0和保護層288的內部結構，其具有閉合環，例如矩形環。 粘附層觀如和塗覆在延伸性輸出墊結構的墊上。因此，粘附層觀如和也形成 在MEMS裝置404上。粘附層可為(例如)B級環氧樹脂。在圖25D中，通過粘附層逐個地將蓋帽結構450粘附到MEMS裝置404上，稱為芯 片規模封裝(chip scale package, CSP) 0延伸性輸出墊結構280通過突起270連接到輸 出墊結構216。如果B級環氧樹脂為導電型，那麼導電B級環氧樹脂可有助於電連接。由 於粘附層為閉合環，那麼粘附環還可改進密封腔室。在圖25E中，對於基於晶片級封 裝(wafer level package, WLP)的替代方式，蓋帽結構450根據襯底202而形成在襯底觀2 中。在圖25F中，在圖25D的步驟之後，在蓋帽結構450之間的間隙處執行切割工藝 402，以便獲得MEMS裸片。延伸性輸出墊結構可替換襯底210中的輸出墊結構。在圖25G 中，在圖25E的步驟之後，在剩餘蓋帽結構450之間的間隙處執行切割工藝402，以便獲得 MEMS裸片。在圖25H中，在切割工藝之後，獲得作為MEMS裸片的個別MEMS裝置。粘附層290 是粘附層觀如、284b、284c、284d的組合，且封閉突起270。然而，此實施例中的MEMS裝置的 MEMS結構230可被暴露，且蓋帽結構450可充當密封層。歸因於粘附層290密封腔室206。在圖251中，此實施例的結構基本上與圖25H中的結構相同。不同之處是額外側 環四2，其連接到粘附層290且可進一步改進密封效應。還提供具有不同MEMS結構的另一替代封裝工藝。圖2隊到261是根據本發明的 一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結構的封裝工藝的橫截面圖或俯視圖。在 圖^A中，封裝工藝從已經形成了一些MEMS結構的階段開始。結構介電層210具有若干導 電層作為用於CMOS電路的互連結構。還在結構介電層中形成支撐環觀0。此實施例中的 MEMS結構230是開放的。結構介電層210不具有密封層。在圖^B中，通過粘附層220將襯底200粘附到襯底202，如先前描述。還在輸出 墊結構216上形成突起四4。在此階段處，MEMS裝置452已完成製造。在圖^C中，示出此 階段處的單個MEMS裝置452的俯視圖。支撐性環280包圍MEMS結構230且突起294形成 在輸出導電結構216上。在圖^D中，以橫截面圖示出蓋帽結構450且以俯視圖示出MEMS裝置452。在 MEMS裝置的支撐性環280和輸出墊結構216上形成粘附層觀如和284d(例如B級環氧樹 脂)。在蓋帽結構450的對應位置上形成粘附層觀如和^4b，如先前描述。在圖^E中，對於CSP工藝，將蓋帽結構450(還充當第三襯底)粘附到MEMS裝置 452的結構介電層210。在圖^F中，對於WLP方式，相應地通過粘附層將具有多個蓋帽結 構450的襯底282在支撐性環280和輸出墊結構216上粘附到結構介電層210。在圖^G中，針對圖^E中的結構在蓋帽結構450之間的間隙處執行切割工藝 402。在圖^H中，針對圖^F中的結構在MEMS裝置452之間的間隙處執行切割工藝402。或者，在圖中，在蓋帽結構450之間的間隙處形成圖251中的側環四2。接著， 執行切割工藝402。MEMS裝置還可呈不同結構。圖27和28是根據本發明的一個實施例示意性說明 MEMS裝置的經封裝結構的橫截面圖。在圖27中，MEMS結構406僅由結構介電層210形成。襯底200可具有凹進空間，使得形成密封腔室406。突起500和粘附層502類似於先前結 構，且省略描述。形成具有第三襯底282的MEMS裝置460。在腔室中暴露MEMS結構406， 所述腔室歸因於第三襯底282而為密封的。同樣，在圖觀中，可針對MEMS裝置460額外包 含側環四2，以便改進密封結構。圖^A到291是根據本發明的一個實施例示意性說明用於MEMS裝置的經封裝結 構的封裝工藝的橫截面圖或俯視圖。在圖^A中，對於替代MEMS裝置，封裝工藝從已經形 成了一些MEMS結構的階段開始。結構介電層210具有若干導電層作為用於CMOS電路的互 連結構。還在結構介電層中形成支撐環觀0。此實施例中的MEMS結構230是開放的，且僅 來自結構介電層210。結構介電層210不具有密封層。在圖^B中，通過粘附層220將襯底200粘附到襯底202，如先前描述。還在輸出 墊結構216上形成突起219。在此階段處，MEMS裝置452已完成製造。在圖^C中，示出此 階段處的單個MEMS裝置452的俯視圖。支撐性環280包圍MEMS結構230且突起219形成 在輸出導電結構216上。在圖^C中，示出此階段處的單個MEMS裝置452的俯視圖。支撐性環280包圍 MEMS結構230且突起219形成在輸出導電結構216上。在圖29D中，以橫截面圖示出蓋帽結構450且以俯視圖示出MEMS裝置452。在MEMS 裝置的支撐性環280和輸出墊結構216上形成粘附層觀如和284d(例如B級環氧樹脂)。 在對應位置上形成粘附層觀如和^4b。在圖^E中，對於CSP工藝，將蓋帽結構450(還充 當具有密封層的第三襯底)粘附到MEMS裝置452的結構介電層210。在圖^F中，針對圖^E中完成的結構在蓋帽結構450之間的間隙處執行切割工 藝402。在圖^G中，還在間隙處形成側環四2，針對圖^F中完成的結構在MEMS裝置452 之間的間隙處執行切割工藝402之間。在圖29H中，襯底觀2已形成有多個蓋帽結構450。還將保護層288嵌入在第三襯 底觀2中。在圖中，通過粘附層將襯底282粘附到結構介電層210。接著，執行切割工 藝402以將MEMS裝置452切割為多個MEMS裸片。所屬領域的技術人員將明白，可在不脫離本發明的範圍或精神的情況下對本發明 的結構做出各種修改和變化。鑑於前述描述內容，希望本發明涵蓋本發明的修改和變化，只 要其屬於所附權利要求書及其等效物的範圍內。
權利要求
1.一種密封微機電系統(MEMQ封裝，其包括CMOS MEMS晶片，其具有為結構性的第一襯底和位於所述第一襯底的第一側上的結構 介電層，其中所述結構介電層包括互連結構和保護結構層，其中所述第一襯底包括至少一孔且 所述保護結構層位於所述孔上方以形成至少一腔室，其中所述腔室在所述第一襯底的第二側處，且MEMS結構位於所述腔室內部，所述互連 結構包括輸出墊結構以耦合出所述CMOS MEMS晶片的電信號；以及第二襯底，其在所述腔室上方粘附到所述第一襯底的第二側以使所述腔室形成密封空 間，其中所述MEMS結構位於所述密封空間內。
2.根據權利要求1所述的密封MEMS封裝，其特徵在於所述MEMS結構包括所述第一襯 底的一部分。
3.根據權利要求1所述的密封MEMS封裝，其特徵在於所述MEMS結構包括所述結構介 電層的一部分。
4.根據權利要求3所述的密封MEMS封裝，其特徵在於所述MEMS結構包括介電層和封 閉所述介電層的金屬層。
5.根據權利要求1所述的密封MEMS封裝，其特徵在於所述保護結構層包括硬掩模層或 結構導電層。
6.根據權利要求5所述的密封MEMS封裝，其特徵在於所述結構導電層包括位於所述腔 室上方的柵格結構以及位於所述MEMS結構和所述CMOS MEMS晶片的CMOS電路上方的遮蔽層。
7.根據權利要求1所述的密封MEMS封裝，其特徵在於CMOS電路還形成在所述第一襯 底和所述結構介電層中，其中所述CMOS電路電耦合到所述MEMS結構。
8.根據權利要求1所述的密封MEMS封裝，其進一步包括位於所述輸出墊結構上的金屬 突起以耦合出所述電信號。
9.根據權利要求1所述的密封MEMS封裝，其進一步包括通過粘附層安置在所述結構介 電層上的第三襯底，其中所述第三襯底還包含與所述CMOS MEMS晶片的所述輸出墊結構電 連接的延伸性輸出墊結構。
10.根據權利要求9所述的密封MEMS封裝，其特徵在於與CM0SMEMS晶片的所述輸出墊 結構電連接的位於所述第三襯底層中的所述延伸性輸出墊結構包括位於所述輸出墊結構 上的導電突起或粘附層。
11.根據權利要求10所述的密封MEMS封裝，其特徵在於所述導電突起包含柱突起或焊 料突起，其中所述粘附層包含焊料膏或者導電或非導電環氧樹脂。
12.根據權利要求1所述的密封MEMS封裝，其特徵在於所述第二襯底為不具有電路的 平坦層。
13.根據權利要求1所述的密封MEMS封裝，其特徵在於粘附到所述第一襯底的所述第 二側的所述第二襯底包括粘附層或熔合層。
14.一種微機電系統(MEMS)裝置的封裝結構，其包括CMOS MEMS裸片，其包括CMOS MEMS晶片，其具有為結構性的第一襯底和位於所述第一襯底的第一側上的結構介電層，其中所述結構介電層包括互連結構和保護結構層，其中所述第一襯底包括至少一 孔，其中所述保護結構層位於所述孔上方以形成至少一腔室，其中所述腔室在所述第一襯 底的第二側處，其中MEMS結構位於所述腔室內，其中所述互連結構包括輸出墊結構以耦合 出所述CMOS MEMS晶片的電信號；以及第二襯底，其在所述腔室上方粘附到所述第一襯底的第二側以使所述腔室形成密封空 間，其中所述MEMS結構位於所述密封空間內；封裝電路襯底，其用於固持所述MEMS裸片；以及模製層，其包封在所述MEMS裸片和引線框上方。
15.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於CMOS電路還形成在所 述第一襯底和所述結構介電層中，其中所述CMOS電路電耦合到所述MEMS結構。
16.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述封裝電路襯底為引 線框，所述引線框具有用於固持所述MEMS裸片的裸片墊和多個引線，所述多個引線經由接 合電線與所述CMOS MEMS晶片中的所述CMOS電路連接。
17.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS裸片進一步 包括位於所述MEMS結構上方的保護層，且所述保護層具有開口以暴露所述輸出墊結構。
18.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS裸片進一步 包括位於所述MEMS結構上方的具有凹進空間的保護蓋帽層，且所述保護蓋帽層具有開口 以暴露所述輸出墊結構。
19.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述封裝電路襯底為印 刷電路板，且所述MEMS裸片通過接合電線而電連接到所述印刷電路板。
20.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述封裝電路襯底為印 刷電路板，且所述MEMS裸片通過焊料突起以倒裝晶片封裝結構電連接到所述印刷電路板。
21.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括所 述第一襯底的一部分。
22.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括所 述結構介電層的一部分。
23.根據權利要求22所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括介 電層和封閉所述介電層的金屬層。
24.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述保護結構層包括硬 掩模層或結構導電層。
25.根據權利要求M所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述結構導電層包括位 於所述腔室上方的柵格結構以及位於所述MEMS結構和所述CMOS電路上方的遮蔽層。
26.根據權利要求14所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於粘附到所述第一襯底的 第二側的第二襯底包括粘附層或熔合層。
27.一種微機電系統(MEMS)裝置的封裝結構，其包括CMOS MEMS晶片，其具有為結構性的第一襯底和位於所述第一襯底的第一側上的結構 介電層，其中所述結構電介質包括互連結構，其中所述第一襯底和所述結構介電層包括至 少一孔且MEMS結構位於所述孔內，其中所述互連結構包括輸出墊結構以耦合出所述CMOS MEMS晶片的電信號；以及第二襯底，其在所述孔上方粘附到所述第一襯底的第二側以密封所述孔的一側；以及第三襯底層，其通過粘附層而粘附在所述結構介電層上方以密封所述孔的另一側以形 成密封空間，其中所述MEMS結構位於所述密封空間內，其中所述第三襯底層具有位於所述第三襯 底層中的延伸性輸出墊結構，所述延伸性輸出墊結構具有電連接到所述CMOS MEMS晶片的 所述輸出墊結構的底部末端和被暴露的頂部末端。
28.根據權利要求27所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於電連接到CMOSMEMS芯 片的所述輸出墊結構的位於所述第三襯底層中的所述延伸性輸出墊結構包括位於所述輸 出墊結構上的導電突起或粘附層。
29.根據權利要求觀所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述導電突起包含柱突 起或焊料突起，其中所述粘附層包含導電或非導電環氧樹脂。
30.根據權利要求27所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述結構介電層包括支 撐性導電環結構。
31.根據權利要求30所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述第三襯底層進一步 包括嵌入式保護層，所述嵌入式保護層具有通過所述粘附層的一部分而與所述支撐性導電 環連接的保護性環。
32.根據權利要求27所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括所 述第一襯底的一部分。
33.根據權利要求27所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括所 述結構介電層的一部分。
34.根據權利要求33所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括介 電層和封閉所述介電層的金屬層。
35.根據權利要求27所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於粘附到所述第一襯底的 第二側的第二襯底包括粘附層或熔合層。
36.一種微機電系統(MEMS)裝置的封裝結構，其包括CMOS MEMS晶片，其具有為結構性的第一襯底和位於所述第一襯底的第一側上的結構 介電層，其中所述結構電介質包括互連結構，且所述互連結構包括輸出墊結構以耦合出所述 CMOS MEMS晶片的電信號，其中所述第一襯底和所述結構電介質在所述第一襯底的所述第一側處包括腔室，其中 所述腔室抵靠著所述第一襯底的所述第一側而在所述結構介電層的頂側，其中MEMS結構 位於所述腔室內；以及第二襯底層，其通過粘附層而粘附在所述結構介電層上方以密封所述腔室且形成密封 空間，其中所述MEMS結構位於所述密封空間內，其中所述第二襯底層具有位於所述第二襯 底層中的延伸性輸出墊結構，所述延伸性輸出墊結構具有電連接到所述CMOS MEMS晶片的 所述輸出墊結構的底部末端和被暴露的頂部末端。
37.根據權利要求36所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於電連接到所述CMOS MEMS晶片的所述輸出墊結構的位於所述第三襯底層中的所述延伸性輸出墊結構包括位於 所述輸出墊結構上的導電突起或粘附層。
38.根據權利要求37所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述導電突起包含柱突 起或焊料突起，其中所述粘附層包含導電或非導電環氧樹脂。
39.根據權利要求36所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述結構介電層包括支 撐性導電環結構。
40.根據權利要求39所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述第二襯底層進一步 包括保護性環，所述保護性環通過所述粘附層的一部分而與位於所述結構介電層中的所述 支撐性環連接。
41.根據權利要求39所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述第二襯底包括與所 述腔室連接的凹進結構，所述凹進結構為用以密封在所述MEMS結構周圍的外部環。
42.根據權利要求36所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括所 述第一襯底的一部分。
43.根據權利要求36所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括所 述結構介電層的一部分。
44.根據權利要求43所述的MEMS裝置的封裝結構，其特徵在於所述MEMS結構包括介 電層和封閉所述介電層的金屬層。
全文摘要
本發明提供一種密封微機電系統(MEMS)封裝，其包含CMOS MEMS晶片和第二襯底。CMOS MEMS晶片具有第一襯底、結構介電層、CMOS電路和MEMS結構。結構介電層安置在第一結構襯底的第一側上。結構介電層具有用於電互連的互連結構，且還具有保護結構層。第一結構襯底具有至少一孔。所述孔位於保護結構層下方以形成至少一腔室。腔室在第一結構襯底的第二側中暴露到環境。腔室還包括MEMS結構。第二襯底在腔室上方粘附到第一襯底的第二側以形成密封空間，且MEMS結構位於所述空間內。
文檔編號B81B7/02GK102107846SQ20101013654
公開日2011年6月29日 申請日期2010年3月12日 優先權日2009年12月28日
發明者劉志成, 李建興, 謝聰敏 申請人:鑫創科技股份有限公司