CN102223591B - 微机电系统麦克风的晶片级封装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统麦克风的晶片级封装结构，包括基底、多个介电层、微机电振膜、多个支撑环及保护层。介电层堆叠于基底上，微机电振膜配置于其中两相邻的介电层之间，且微机电振膜与基底之间有第一腔室。支撑环分别配置于部分介电层中，且支撑环相互堆叠。位于较下层的支撑环的内径大于位于较上层的支撑环的内径，且最上层的支撑环位于最上层的介电层中。保护层配置于最上层的支撑环上，且遮盖微机电振膜。微机电振膜与保护层之间有第二腔室，保护层具有暴露出微机电振膜的多个第一贯孔。此微机电系统麦克风的晶片级封装结构的生产成本较低。

Description

微机电系统麦克风的晶片级封装结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)麦克风，且特别是涉及一种微机电系统麦克风的晶片级封装结构及其制造方法。

背景技术

微机电系统技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，其已被广泛地应用于各种具有电子与机械双重特性的微电子装置中，例如压力感应器、加速器与微型麦克风等。微机电系统麦克风具有重量轻、体积小以及信号品质佳等特性，故微机电系统麦克风逐渐成为微型麦克风的主流。

图1是已知一种微机电系统麦克风的封装结构的示意图。请参照图1，已知微机电系统麦克风的封装结构100是将MEMS芯片110及互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)芯片120设置于基板130上，并通过固定于基板130的金属盖140遮盖MEMS芯片110及CMOS芯片120，以保护MEMS芯片110及CMOS芯片120。此外，金属盖140设有收音孔142。

已知微机电系统麦克风的封装结构100中，封装工艺所耗费的封装成本约占整个微机电系统麦克风的封装结构100的生产成本的75％，而且在进行封装时将会产生很大的封装应力。为了改善此情形，并降低生产成本，有必要提出一种新的微机电系统麦克风的封装结构。

发明内容

本发明提供一种微机电系统麦克风的晶片级封装结构，以降低生产成本。

本发明另提供一种微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法，以降低生产成本。

为达上述优点，本发明提出一种微机电系统麦克风的晶片级封装结构，其包括基底、多个介电层、微机电振膜、多个支撑环以及保护层。介电层堆叠于基底上，微机电振膜配置于介电层的其中两相邻的介电层之间，且微机电振膜与基底之间有第一腔室。支撑环分别配置于部分介电层中，且支撑环相互堆叠。位于较下层的支撑环的内径大于位于较上层的支撑环的内径，且最上层的支撑环位于最上层的介电层中。保护层配置于最上层的支撑环上，且遮盖微机电振膜。微机电振膜与保护层之间有第二腔室，且保护层具有暴露出微机电振膜的多个第一贯孔。

在本发明的实施例中，上述的支撑环的材料包括金属。

在本发明的实施例中，上述的保护层的材料包括塑料、介电材料或金属。

在本发明的实施例中，上述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构还包括电极层，配置于基底中或基底上。电极层的相对于微机电振膜的部分有多个第二贯孔，且基底的相对于微机电振膜的部分为镂空区。

在本发明的实施例中，上述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构还包括保护环，位于微机电振膜下方的部分介电层中并围绕第一腔室。

在本发明的实施例中，上述的保护环的材料包括金属。

在本发明的实施例中，上述的最下层的支撑环及微机电振膜耦接至保护环。

在本发明的实施例中，上述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构还包括金属氧化物半导体元件、多个导线以及多个介层窗插塞。金属氧化物半导体元件位于基底上，且介电层还覆盖金属氧化物半导体元件。导线、介层窗插塞以及介电层构成内连线结构，且此内连线结构电性连接至金属氧化物半导体元件。介电层与导线交错堆叠，且介层窗插塞形成于介电层中并电性连接对应的相邻两层导线。

为达上述优点，本发明另提出一种微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法，其包括下列步骤：在基底上依序形成多层介电层，并在介电层的其中两相邻的介电层之间形成微机电振膜，且在部分介电层中分别形成支撑环。这些支撑环相互堆叠，其中最上层的支撑环位于最上层的介电层中，且位于较下层的支撑环的内径大于位于较上层的支撑环的内径。接着，在最上层的支撑环上形成保护层，以覆盖微机电振膜，其中保护层具有多个第一贯孔。然后，在微机电振膜与基底之间形成第一腔室，并于保护层与微机电振膜之间形成第二腔室。

在本发明的实施例中，在依序形成介电层之前还包括于基底上或基底中形成电极层。

在本发明的实施例中，上述的形成第一腔室的步骤包括：移除微机电振膜下方的部分基底，以在基底形成暴露出电极层的镂空区；在电极层形成多个第二贯孔；以及以这些第二贯孔为蚀刻通道，移除位于微机电振膜与电极层之间的部分介电层，以形成第一腔室。

在本发明的实施例中，上述的支撑环的材料包括金属。

在本发明的实施例中，上述的保护层的材料包括塑料、介电材料或金属。

在本发明的实施例中，在形成介电层时还包括于部分介电层中形成保护环，且最下层的支撑环位于保护环上并耦接至保护环。

在本发明的实施例中，在形成介电层之前还包括于基底上形成金属氧化物半导体元件，而介电层覆盖金属氧化物半导体元件。

在本发明的实施例中，在形成介电层时还包括形成多层导线及多个介层窗插塞，其中导线、介层窗插塞以及介电层构成内连线结构，且此内连线结构电性连接至金属氧化物半导体元件。介电层与导线交错堆叠，且介层窗插塞形成于介电层中并电性连接对应的相邻两层导线。

本发明的微机电系统麦克风的晶片级封装结构及其制造方法中，由于通过形成于支撑环上的保护层来遮盖微机电振膜，所以不需另外使用金属盖来进行封装，如此能大幅降低生产成本。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是已知一种微机电系统麦克风的封装结构的示意图。

图2A至图2C是本发明实施例的微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法的流程示意图。

附图标记说明

100：微机电系统麦克风的封装结构

110：MEMS芯片

120：CMOS芯片

130：基板

140：金属盖

142：收音孔

200：微机电系统麦克风的晶片级封装结构

202：第一腔室

204：第二腔室

206：微机电系统区

208：逻辑电路区

210：基底

212：镂空区

220：内连线结构

222：介电层

224：导线

226：介层窗插塞

230：微机电振膜

240：支撑环

250：电极层

252：第二贯孔

260：保护环

270：金属氧化物半导体元件

280：保护层

282：第一贯孔

D：内径

具体实施方式

图2A至图2C是本发明实施例的微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法的流程示意图。请先参照图2A，本实施例的微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法是在基底210上依序形成多层介电层222，并在这些介电层222的其中两相邻的介电层222之间形成微机电振膜230，且在部分介电层222中分别形成支撑环240。这些支撑环240相互堆叠，其中最上层的支撑环240位于最上层的介电层222中，而位于较下层的支撑环240的内径大于位于较上层的支撑环240的内径。支撑环240的内径如图2A中标号D所示。

上述的支撑环240的材料例如是金属。在本实施例中，在依序形成介电层222之前可先在基底210中(未图示)或基底上形成电极层250，而后续形成的介电层222覆盖电极层250。此外，在形成介电层222时可在部分介电层222中形成保护环260，且最下层的支撑环240可位于保护环260上并耦接至保护环260。保护环260是由金属层堆叠而成，而金属层的材料可为钨、铝、铜、钛、氮化钛、钽、氮化钽或其他金属的任意组合。另外，在形成介电层222之前还可在基底210上形成金属氧化物半导体元件270，而后续形成的介电层222覆盖金属氧化物半导体元件270。而且，在形成介电层222时，还包括形成多层导线224及多个介层窗插塞226，其中导线224、介层窗插塞226以及介电层222构成内连线结构220，且此内连线结构220电性连接至金属氧化物半导体元件270。介电层222与导线224交错堆叠，且介层窗插塞226形成于介电层222中并电性连接对应的相邻两层导线224。虽然在图中是显示传统的内连线结构，但亦可以金属镶嵌工艺所形成的内连线结构来取代。

接着，如图2B所示，在最上层的支撑环240上形成保护层280，以覆盖微机电振膜230，进而防止微粒子掉落至微机电振膜230。此保护层280具有多个第一贯孔282，而这些第一贯孔282可作为收音孔。保护层280的材料可选用具有高应力的绝缘材料(如氮化硅、非晶硅等)，但不以此为限。保护层280的材料亦可为塑料、介电材料、金属或其他合适的材料。

然后，如图2C所示，在微机电振膜230与基底210之间形成第一腔室202，并在保护层280与微机电振膜230之间形成第二腔室204。更详细地说，本实施例例如是先移除微机电振膜230下方的部分基底210，以在基底210形成暴露出电极层250的镂空区212。接着，在电极层250形成多个第二贯孔252，并以这些第二贯孔252为蚀刻通道，移除位于微机电振膜230与电极层250之间以及微机电振膜230与保护层280之间的部分介电层222，以形成第一腔室202与第二腔室204。在另一实施例中，亦可先在基底210与电极层250中蚀刻出第二贯孔252的形状后再移除位于微机电振膜230下方的部分基底210。

本实施例例如是采用干式蚀刻(如深反应离子蚀刻(Deep Reactive IonEtching，DRIE))来移除位在电极层250下方的部分基底210，然后再令气态或液态的氟化氢通过第二贯孔252，以由此移除微机电振膜230下方及上方的部分介电层222。如此一来，即可在微机电振膜230与电极层250之间形成第一腔室202及在微机电振膜230与保护层280之间形成第二腔室204。此第一腔室202与第二腔室204可作为振动腔。值得一提的是，在利用氟化氢蚀刻微机电振膜230下方的部分介电层222时，保护环260可用以防止对介电层222造成过度蚀刻而损害金属氧化物半导体元件270所在的相邻逻辑电路区域208。

请继续参照图2C，通过上述方法所制造出的微机电系统麦克风的晶片级封装结构200包括基底210、多个介电层222、微机电振膜230、多个支撑环240以及保护层280。介电层222堆叠于基底210上，微机电振膜230配置于这些介电层222的其中两相邻的介电层222之间，且微机电振膜230与基底210之间有第一腔室202。支撑环240分别配置于部分介电层222中，且这些支撑环240相互堆叠。位于较下层的支撑环240的内径大于位于较上层的支撑环240的内径，且最上层的支撑环240位于最上层的介电层222中。保护层280配置于最上层的支撑环240上，且遮盖微机电振膜230。微机电振膜230与保护层280之间有第二腔室204，且保护层280具有暴露出微机电振膜的多个第一贯孔282。

上述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构200可还包括配置于基底210上或基底210中的电极层250。电极层250的相对于微机电振膜230的部分有多个第二贯孔252，且基底210的相对于微机电振膜230的部分为镂空区212。此外，微机电系统麦克风的晶片级封装结构200可还包括保护环260，其位于微机电振膜230下方的部分介电层222中并围绕第一腔室202。另外，最下层的支撑环240及微机电振膜230耦接至保护环260。

上述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构200例如还包括金属氧化物半导体元件270、多个导线224以及多个介层窗插塞226。金属氧化物半导体元件270位于基底210上，且介电层222还覆盖金属氧化物半导体元件270。介电层222与导线224交错堆叠，且介层窗插塞226是形成于介电层222中并电性连接对应的相邻两层导线224。导线224、介层窗插塞226以及介电层222构成内连线结构220，且此内连线结构220电性连接至金属氧化物半导体元件270。

换言之，本实施例的微机电系统麦克风的晶片级封装结构200除了包括微机电系统区206外，还可包括逻辑电路区208，且微机电系统区206与逻辑电路区208透过内连线结构220的导线224(如虚线所示)而电性连接。在本实施例中，外界的声波信号是通过保护层280的第一贯孔282而施予压力至微机电振膜230使其产生振动，而微机电振膜230的电极层(图未示)与电极层250之间的电容值即会随着微机电振膜230的振动而改变，并透过内连线结构220的导线224传送至金属氧化物半导体元件270，以推算出所接收到的声波信号。

上述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构200及其制造方法中，因通过形成于支撑环240上的保护层280来遮盖微机电振膜230，所以在制造完成后，不需再另外使用金属盖来进行额外的封装工艺。如此，不仅能大幅降低微机电系统麦克风的晶片级封装结构200的生产成本，还能避免已知封装工艺所产生的应力造成微机电系统麦克风的晶片级封装结构200受损。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定为准。

Claims (13)

1.一种微机电系统麦克风的晶片级封装结构，包括：

基底；

多个介电层，堆叠于该基底上；

微机电振膜，配置于该多个介电层的其中两相邻的介电层之间，且该微机电振膜与该基底之间有第一腔室；

多个支撑环，分别配置于部分该多个介电层中，且该多个支撑环相互堆叠，位于较下层的该支撑环的内径大于位于较上层的该支撑环的内径，且最上层的该支撑环位于最上层的该介电层中；

保护层，配置于最上层的该支撑环上，且遮盖该微机电振膜，其中该微机电振膜与该保护层之间有第二腔室，且该保护层具有暴露出该微机电振膜的多个第一贯孔；

该微机电系统麦克风的晶片级封装结构，还包括：

金属氧化物半导体元件，位于该基底上，且该多个介电层还覆盖该金属氧化物半导体元件；

多层导线；以及

多个介层窗插塞，其中该多层导线、该多个介层窗插塞以及该多个介电层构成内连线结构，该内连线结构电性连接至该金属氧化物半导体元件，该多个介电层与该多层导线交错堆叠，且该多个介层窗插塞形成于该多个介电层中并电性连接对应的相邻两层导线。

2.如权利要求1所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构，其中该多个支撑环的材料包括金属。

3.如权利要求1所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构，其中该保护层的材料包括塑料、介电材料或金属。

4.如权利要求1所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构，还包括电极层，配置于该基底上或基底中，其中该电极层的相对于该微机电振膜的部分有多个第二贯孔，且该基底的相对于该微机电振膜的部分为镂空区。

5.如权利要求1所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构，还包括保护环，位于该微机电振膜下方的部分该多个介电层中并围绕该第一腔室。

6.如权利要求5所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构，其中该保护环的材料包括金属。

7.如权利要求5所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构，其中最下层的该支撑环及该微机电振膜耦接至该保护环。

8.一种微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法，包括：

在基底上依序形成多层介电层，并在该多层介电层的其中两相邻的介电层之间形成微机电振膜，且在部分该多层介电层中分别形成支撑环，该多个支撑环相互堆叠，其中最上层的该支撑环位于最上层的该介电层中，且位于较下层的该支撑环的内径大于位于较上层的该支撑环的内径；

在最上层的该支撑环上形成保护层，以覆盖该微机电振膜，其中该保护层具有多个第一贯孔；以及

在该微机电振膜与该基底之间形成第一腔室，并在该保护层与该微机电振膜之间形成第二腔室；

其中在形成该多层介电层之前还包括在该基底上形成金属氧化物半导体元件，而该多层介电层覆盖该金属氧化物半导体元件；

在形成该多层介电层时还包括形成多层导线及多个介层窗插塞，该多层导线、该多个介层窗插塞以及该多层介电层构成内连线结构，该内连线结构电性连接至该金属氧化物半导体元件，该多层介电层与该多层导线交错堆叠，且该多个介层窗插塞形成于该多层介电层中并电性连接对应的相邻两层导线。

9.如权利要求8所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法，其中在依序形成该多层介电层之前还包括在该基底上或基底中形成电极层。

10.如权利要求9所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法，其中形成该第一腔室的步骤包括：

移除该微机电振膜下方的部分该基底，以在该基底形成暴露出该电极层的镂空区；

在该电极层形成多个第二贯孔；以及

以所述多个第二贯孔为蚀刻通道，移除位于该微机电振膜与该电极层之间的部分介电层，以形成该第一腔室。

11.如权利要求8所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法，其中该支撑环的材料包括金属。

12.如权利要求8所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法，其中该保护层的材料包括塑料、介电材料或金属。

13.如权利要求8所述的微机电系统麦克风的晶片级封装结构的制造方法，其中在形成该多层介电层时还包括在部分所述多层介电层中形成保护环，且最下层的该支撑环位于该保护环上并耦接至该保护环。