一種微機電系統器件及其製造方法與流程

2023-08-01 09:19:31

本發明涉及微機電系統領域，具體涉及一種微機電系統器件及其製造方法。

背景技術：

微機電系統技術是近年來高速發展的一項高新技術。與由傳統技術製作的對應器件相比，微機電系統技術製作的器件在體積、功耗、重量及價格方面都有十分明顯的優勢，而且其採用先進半導體製造工藝，可以實現微機電系統器件的批量製造，目前在市場上，微機電系統器件的主要應用實例包括壓力器件、加速度計及矽麥克風等。

微機電系統器件一般通過電容、電阻等來感知器件所受壓力、加速度與角速度等的大小，而電容、電阻的改變主要由器件內部的彈簧等效系統來產生，因此此類微機電系統器件均具有敏感的可動結構，通常通過將器件與一個類似帽子的蓋子密封在一起來形成對器件內部可動結構的保護。

在電子元件製造發展過程中，晶片級封裝(wlp)是一種技術趨勢，微機電系統器件的封裝步驟在切片之前完成。利用傳統的工藝製成的微機電系統結構的真空密封性差，微機電系統器件的封裝體積較大。另外，在傳統的封裝形式中，ic集成電路晶片和微機電系統傳感器晶片通過打線的方式封裝在一起，後續做成lga封裝，佔用空間比較大。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明實施例致力於提供一種微機電系統器件及其製造方法，減小微機電系統器件最終封裝體積。

本發明實施例提供了一種微機電系統器件，包括：第一晶片和第二晶片，第一晶片和第二晶片之間設置有密封腔體，第一晶片為微機電系統傳感器晶片，第二晶片為ic集成電路晶片，第一晶片和第二晶片通過鍵合的方式連接。

在一個實施例中，第一晶片包括第一基底和順序設置在第一基底上的氧化層、引線層、犧牲層、微機電系統器件層、外部電氣連接層和止擋層。

在一個實施例中，第二晶片包括靠近第一晶片的第一表面和遠離第一晶片的第二表面，第二晶片包括第二晶片、設置在第二晶片上的導電通孔、順序設置在第二晶片的第一表面上的第一金屬層和第二金屬層以及順序設置在第二晶片的第二表面上的第二氧化層、第三金屬層、鈍化層和金屬球，第一晶片的外部電氣連接層和第二晶片的第二金屬層連接，第一晶片和第二晶片通過連接鍵合在一起。

在一個實施例中，第一晶片的微機電系統器件層為活動層，包括活動部分和固定部分。

在一個實施例中，第一晶片的外部電氣連接層包括第一電氣連接層和第二電氣連接層，第二晶片的第二金屬層包括第三電氣連接層和第四電氣連接層，第一電氣連接層和第三電氣連對接，形成第一晶片和第二晶片之間的密封腔體，第二電氣連接層和第四連接層對接，完成第一晶片和第二晶片的電氣連接。

在一個實施例中，第一晶片的止擋層設置在第一晶片的電氣連接層的外圍。

本發明實施例還提供了一種微機電系統器件的製造方法，該製造方法包括以下步驟：

形成第一晶片，第一晶片為微機電系統傳感器晶片；

形成第二晶片，第二晶片為ic集成電路晶片；

鍵合第一晶片和第二晶片，在第一晶片和第二晶片之間設置密封腔體。

在一個實施例中，形成第一晶片包括提供第一基底並在第一基底上順序設置氧化層、引線層、犧牲層、微機電系統器件層、外部電氣連接層和止擋層。

在一個實施例中，第二晶片包括靠近第一晶片的第一表面和遠離第一晶片的第二表面，形成第二晶片包括設置在第二晶片中形成導電通孔；在第二晶片中形成導電通孔；在第二晶片的第一表面上順序形成第一金屬層和第二金屬層。

在一個實施例中，微機電系統器件的製造方法還包括：

減薄鍵合後的第二晶片的第二表面；

對減薄後的第二晶片的第二表面進行氧化，通過澱積氧化矽形成第二氧化層；

去除第二氧化層上的部分氧化矽，露出導電通孔，然後澱積第三金屬層，使得第三金屬層和導電通孔相連接；

調整布線，然後澱積一層鈍化層；

光刻鈍化層以暴露第三金屬層中需要與外界對接的部分，在與外界對接的部分上植金屬球。

在一個實施例中，第二氧化層覆蓋導電通孔。

本發明實施例的微機電系統器件兼具了第一晶片傳感器晶片和第二晶片信號處理晶片的功能，但第一晶片和第二晶片通過鍵合的方式連接，與傳統的通過打線等方式連接的微機電系統器件相比，明顯地縮小了微機電系統器件的最終封裝體積。

附圖說明

圖1為本發明實施例的微機電系統器件的鍵合前的結構示意圖。

圖2為本發明實施例的微機電系統器件的結構示意圖。

圖3為本發明實施例的製作微機電系統器件的流程圖。

圖4a為本發明實施例微機電系統器件的第二晶片預埋導電通孔後的示意圖。

圖4b為本發明實施例微機電系統器件的第二晶片完成金屬層電路結構後的示意圖。

圖4c為本發明實施例微機電系統器件的第二晶片形成用來鍵合的金屬層結構的示意圖。

圖5為本發明實施例的微機電系統器件第一晶片和第二晶片鍵合後的示意圖。

圖6為本發明實施例微機電系統器件的第二晶片減薄後的示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1為本發明實施例的微機電系統器件的鍵合前的結構示意圖，圖2為本發明實施例的微機電系統器件結構示意圖。

如圖1和圖2所示，本發明實施例的微機電系統器件包括第一晶片101和第二晶片201，第一晶片101和第二晶片201之間設置有空腔。

第一晶片101為微機電系統傳感器晶片，其目的是感應外界的加速度、角速度的變化量。第二晶片201為微機電系統集成電路晶片，其主要目的是將感應到的第一晶片101的變化轉化為電路可以識別的信號，如電容、電阻的變化等。本發明實施例中第一晶片101將加速度、角速度的變化轉換成電容的變化，第二晶片201對感受到的第一晶片101的電容的變化進行信號處理，將其轉換為電信號輸出。

如圖1所示，第一晶片101包括第一基底102和順序設置在第一基底102上的氧化層103、引線層104、犧牲層105、微機電系統器件層106、外部電氣連接層107和止擋層109。

第一晶片101中的微機電系統器件層106為活動結構，微機電系統器件層106是第一晶片101的核心部分，包括活動部分106b和固定部分106a。微機電系統器件層106可以通過光刻及刻蝕來得到窄槽108，從而得到微機電系統器件，如加速度計、陀螺儀等。外部電氣連接層107包括第一連接層107a、107b和第二連接層107c、107d，外部電氣連接層107的作用是與第二晶片201實現電氣連接，其中第一連接層107a、107b為第一晶片101與第二晶片201實現密封鍵合的封裝環，第二連接層107c、107d為第一晶片101與第二晶片201實現電氣連接的電氣對接點，外部電氣連接層107可以為鍺、金等金屬。

第一晶片101可以通過外延多晶矽的方法再腐蝕掉犧牲層來實現微機電系統器件層106的活動區域，也可以通過矽玻璃鍵合再進行深槽反應離子刻蝕(drie)來實現微機電系統器件層106的活動區域。微機電系統器件層106是可以活動的，在加速度與角速度的作用下，其會產生微小的位移變化。位移變化一般有兩種形成方式，第一種為由活動部分106b與固定部分106a之間的間距發生變化，第二種為活動部分106b與引線層104之間的間隙變化產生。止擋層109為氧化矽，其主要目的是在第一晶片101與第二晶片201進行鍵合的過程中進行限位，從而有效防止合金外溢到微機電系統器件層106。

第二晶片201為ic集成電路晶片，其目的是將微機電系統器件層106感受到的位移變化轉變為電信號。

第二晶片201的主要目的為實現與第一晶片101的電氣連接、與外部電路的電氣對接，同時通過金屬合金形成密閉腔體從而保護第一晶片101中的微機電系統器件層106。這就需要第二晶片201的正反兩面都存在電氣對接點，在本發明實施例中，通過生成一系列的導電通孔來實現此要求，第二晶片201靠近第一晶片101的表面為第一表面212，遠離第一晶片101的表面為第二表面211。第一表面212上順序設置有第一金屬層203、第二金屬層204，其中用於第二金屬層204和第一晶片101的外部電氣連接層107連接，從而完成第一晶片101和第二晶片201的鍵合；第二表面211上順序設置有第二氧化層302、第三金屬層303、鈍化層304和金屬球305，其中金屬球305用於和外部元件進行電氣連接。

圖3為本發明實施例的製作微機電系統器件的流程圖，圖4a為本發明實施例微機電系統器件的第二晶片預埋導電通孔後的示意圖，圖4b為本發明實施例微機電系統器件的第二晶片完成金屬層電路結構後的示意圖，圖4c為本發明實施例微機電系統器件的第二晶片形成用來鍵合的金屬層結構的示意圖，圖5為本發明實施例的微機電系統器件第一晶片和第二晶片鍵合後的示意圖，圖6為本發明實施例微機電系統器件的第二晶片減薄後的示意圖。

微機電系統器件的製造方法如圖3所示，主要製備步驟如下：

s1：形成第一晶片101，第一晶片101為微機電系統傳感器晶片，第一晶片101包括第一基底102和順序設置在第一基底102上的氧化層103、引線層104、犧牲層105、微機電系統器件層106、外部電氣連接層107和止擋層109，外部電氣連接層107包括第一連接層107a、107b和第二連接層107c、107d，外部電氣連接層107的作用是與第二晶片201實現電氣連接，其中第一連接層107a、107b為第一晶片101與第二晶片201實現密封鍵合的封裝環，第二連接層107c、107d為第一晶片101與第二晶片201實現電氣連接的電氣對接點。

s2：形成一第二晶片201，包括第一表面212和第二表面211，如圖4a所示，對第二晶片201的第一表面212預埋導電通孔202，以方便後續將電信號引出去。

s3：預埋完導電通孔202後，如圖4b所示，繼續對第二晶片201的第一表面202按照集成電路的常規工藝完成第一金屬層203。

s4：完成集成電路的布置後，如圖4c所示，需要增加一層與第一晶片101進行金屬鍵合的第二金屬層204，第二金屬層204包括第三連接層204a、204b和第四連接層204c、204d，用於第二金屬層204和外部電氣連接層107對接，以完成第一晶片101和第二晶片201的鍵合。

s5：經過以上步驟後，下一步為對第一晶片101與第二晶片201進行鍵合，其中第一連接層107a、107b和第三連接層204a、204b進行對接，其主要目的是給微機電系統器件層106形成一個密閉的腔體，避免微機電系統活動層受到外界的幹擾。第二連接層107c、107d和第四連接層204c、204d進行對接，其主要目的是將微機電系統信號與ic集成電路相連接，將微機電系統器件層106產生的微小電容變化通過第四連接層204c、204d傳遞到集成電路中去，經過集成電路，輸出可以被外界識別並處理的電信號，完成鍵合後的第一晶片101與第二晶片201如圖5所示。

s6：完成第一晶片101和第二晶片201的鍵合後，需要對對鍵合後的晶片進行減薄，主要對第二晶片201進行減薄，可以通過cmp減薄的方式來實現，其目的為露出導電通孔202，減薄厚的第一晶片101和第二晶片201如圖6所示。

s7：在減薄後的晶片的第二表面211進行氧化，通過澱積氧化矽來實現第二氧化層302，其主要起掩膜作用。其製備方法為採用各種澱積工藝，如：低壓化學氣相澱積(lpcvd)、等離子體化學氣相澱積(pecvd)或者熱氧化等工藝方法，在此過程中，第二氧化層302將導電通孔202覆蓋。

s8：通過光刻、幹法刻蝕或者溼法腐蝕等工藝去除第二氧化層302上的部分氧化矽，露出導電通孔202，然後澱積第三金屬層303，使得第三金屬層303和電通孔202相連接。

s9：採用光刻、金屬腐蝕等工藝得到金屬走線，可以根據不同的設計需要、外部連接晶片的不同結構形式來調整布線形式。其目的為合理排布電氣連接點，實現與外界電路等的優化連接。當形成走線後，澱積一層鈍化層304作為保護，其可採用氧化矽或者氮化矽材料。其製備方法為採用各種澱積工藝，如：低壓化學氣相澱積(lpcvd)、等離子體化學氣相澱積(pecvd)或者熱氧化等工藝方法。其目的為將走線層與外界隔開，起屏蔽的作用。

s10：光刻鈍化層304，使得第三金屬層303中需要與外界對接的部分暴露出來，在與外界對接的部分上植金屬球305，至此，微機電系統器件製造結束，得到如圖2所示的微機電系統器件。

本發明實施例通過將微機電系統傳感器晶片第一晶片101和集成電路晶片第二晶片201鍵合，然後對鍵合後的晶片進行一系列的處理，最終得到具有感應外界的加速度、角速度的變化量的功能，並可以將上述變化量進行信號處理的微機電系統器件，本發明實施例的微機電系統器件通過金屬球和外部元件進行電氣連接，本發明的微機電系統器件和外部元件的連接部不局限於本發明實施例的金屬球，也可以是金屬引腳等其他連接部。

本發明實施例的微機電系統器件兼具了第一晶片101傳感器晶片和第二晶片201信號處理晶片的功能，但第一晶片101和第二晶片201通過鍵合的方式連接，與傳統的通過打線等方式連接的微機電系統器件相比，明顯地縮小了微機電系統器件的最終封裝體積。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換等，均應包含在本發明的保護範圍之內。