CN103400801A

CN103400801A - 一种真空封装的cmos和mems芯片及其加工方法

Info

Publication number: CN103400801A
Application number: CN2013102856318A
Authority: CN
Inventors: 付世
Original assignee: Senodia Technologies Shanghai Co Ltd
Current assignee: Shendi semiconductor (Shaoxing) Co.,Ltd.
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103400801B

Abstract

本发明公开了一种真空封装的CMOS和MEMS芯片及其加工方法，该方法包括如下步骤：1）选取集成电路衬底层；2）在集成电路衬底层上制作集成电路功能模块；3）选取标准晶圆材料作为MEMS芯片的结构层；4）利用金-金，或者金-锗，金-锡等金属键合方法将上述的集成电路衬底层和结构层进行键合，键合时将集成电路衬底层上的衬底锚点与结构层上的结构锚点电连接；5）将结构层减薄；6）将结构层刻蚀出传感器结构；7）制作封盖层并与衬底封装；9）在预留的划片槽上划片。本发明具有传感器结构层直接与集成电路衬底形成电连接，避免了外界噪声对器件性能的干扰，同时，传感器本身的各个引脚间的耦合干扰也会大幅度降低。

Description

一种真空封装的CMOS和MEMS芯片及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种芯片加工方法，尤其涉及一种真空封装的CMOS和MEMS芯片加工方法。

背景技术

智能手机、平板电脑等智能网络终端已经逐渐成为人们随身携带的必备的沟通工具和处理事务的平台，由此带来的是各种微型传感器开始进入这些智能网络终端，为了在最小空间内实现集成更多的功能，基于MEMS（微机电系统）技术的传感器的微小型化已经成为各大公司及相关科研人员关注的焦点之一。

通常，对于MEMS传感器来讲，主要包括三部分组成：即，衬底层，传感器结构层和封盖层。三层结构直接叠加后的厚度一般在800微米左右，再加上集成电路芯片的厚度，整体尺寸一般会大于1mm，基于此封装后的厚度对于上述提到的便携式产品来说，很难轻易满足要求，同时，传感器与集成电路之间的通讯主要以引线连接为主，这样会带来两个主要的问题：一是，如果引线过多过长，就会给封装带来了一定局限；二是，引线之间以及外部的噪声信号会比较容易混合到芯片当中，为了排除这方面的影响，必然会增大设计人员的工作量，同时也增加了芯片的面积和成本。而且，由于传感器结构可以通过固定锚点直接与集成电路通讯，对传感器的结构设计也提供了更多的灵活性，而不必将用于通讯的锚点和导线布局在结构的外围，可以大幅度地节省面积。

目前已经有些产品，如Invensense公司的Nasiri工艺，就是通过CMOS集成电路与MEMS传感器的工艺集成实现了二者之间的直接通讯；但是，用于面外运动的凹槽是制作在集成电路芯片上的，由此，就会造成芯片面积的浪费，即，凹槽处是无法制作集成电路的；

此外，现有产品基本上至少有上段所述的三层结构形成，因此，至少要有两次封装，为了保证真空的密闭性，两次封装都要保证工艺的稳定，一方面增大了工艺难度，另一方面也增大了失效的风险。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的问题，提供一种真空封装的CMOS和MEMS芯片及其加工方法。

本发明的技术方案是：一种真空封装的CMOS和MEMS芯片，包括：

集成电路衬底层，在所述集成电路衬底层的表面设置有集成电路功能模块，在集成电路功能模块的表面设置有多个衬底锚点、用于增加真空封装稳定性的金属框架、使衬底层接地的电连接通孔以及外接引脚；

结构层，在结构层的表面刻蚀有凹槽，并设置多个用于与衬底锚点电连接的结构锚点以及用于分解外力、划片对准标记的支撑锚点；

以及封盖层，其上刻蚀有封盖凹槽，在所述封盖凹槽内生长有氧化硅材料层，在封盖层的两端设置有图形化的玻璃浆；

结构层通过结构锚点与衬底层的衬底锚点电连接，所述封盖层通过玻璃浆与所述衬底层真空封装一体。

所述结构层的表面刻蚀有0～60um深的凹槽。

所述金属框架上图形化出多个矩形排列的凸起。

所述凸起为矩形或圆形或菱形。

所述凸起的面积为20μ～40m²。

一种真空封装的CMOS和MEMS芯片加工方法，该方法包括如下步骤：

1）选取100～400μm标准晶圆材料作为MEMS芯片的集成电路衬底层；

2）在集成电路衬底层上制作集成电路功能模块，完成集成电路制作后，通常直接利用顶层金属层作为连接MEMS结构层的电连接层和走线层，然后通过沉积工艺制作一层氧化硅材料层，并图形化、沉积金属层制作走线，再根据需要沉积钝化层保护，在集成电路功能模块的表面设置多个衬底锚点、用于增加真空封装稳定性的金属框架、使衬底层接地的电连接通孔以及外接引脚；

3）选取100～400μm标准晶圆材料作为MEMS芯片的结构层，在结构层上沉积金属层并图形化，然后根据设计需要直接刻蚀0～60um深的凹槽，并设置多个用于与衬底锚点电连接的结构锚点、用于分解外力以及划片对准标记的支撑锚点；

4）利用金-金，或者金-锗，金-锡等金属键合方法将上述的集成电路衬底层和结构层进行键合，键合时将集成电路衬底层上的衬底锚点与结构层上的结构锚点电连接；

5）将结构层的另一面通过研磨和CMP（化学机械抛光）将其减薄至10μm～100μm；

6）利用DRIE（深度反应离子）刻蚀工艺将结构层刻蚀出传感器结构；

7）选取厚度为100～400μm的标准晶圆材料作为MEMS芯片的封盖层，利用湿法或DRIE刻蚀制备封盖层0～60um深的凹槽，并在凹槽内通过溅射或热氧化工艺生长氧化硅材料层，再利用丝网印刷的相关技术，将玻璃浆图形化到封盖层；

8）利用稳定的玻璃浆真空封装工艺完成片级封装；

9）通过在预留的划片槽位置划片得到单个芯片。

所述步骤2）和3）中沉积的金属材料为铝或铜或金或锗。

所述金属框架上图形化出多个凸起。

所述凸起为面积相近的矩形或圆形或菱形。

本发明具有如下有益效果：

（1）传感器结构层直接与集成电路衬底形成电连接，避免了外界噪声对器件性能的干扰，同时，传感器本身的各个引脚间的耦合干扰也会大幅度降低；

（2）利用廉价的湿法刻蚀技术制作封盖层，并利用稳定的玻璃浆真空封装工艺，将封盖层直接与衬底层封装在一起，其封装效果只取决于一次封装的效果，大大提高了封装的成功率，同时，由于玻璃浆料只存在于封盖层与集成电路衬底层之间，而结构层与玻璃浆存在30微米的空间，因此，可以避免玻璃浆料在真空封装时溢出，附着在可动的MEMS结构上，导致器件性能失效；

（3）由于整体器件的厚度是由封盖层和集成电路衬底层决定，因此，器件的厚度被大幅度降低，一般来说，总体厚度不会超过600微米，有利于应用于智能手机等超薄设备中。

附图说明

图1为本发明中标准晶圆材料的剖视图；

图2为本发明中集成电路衬底层的剖视图；

图2a为本发明中金属框架的俯视图；

图2b为本发明中集成电路衬底层的剖视图；

图3为本发明中集成电路衬底层和结构层键合后的剖视图；

图4为图3键合后结构层减薄后的剖视图；

图5为本发明中结构层刻蚀出传感器结构后的剖视图；

图6为本发明中封盖层的结构示意图；

图7为本发明中封装后的双芯片剖视图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、技术特征、发明目的与技术效果易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图6：一种真空封装的CMOS和MEMS芯片，包括：

集成电路衬底层100，在集成电路衬底层100的表面设置有设置有集成电路功能模块101，在设置有集成电路功能模块101的表面设置有多个衬底锚点102、用于增加真空封装稳定性的金属框架103、使集成电路衬底层100接地的电连接通孔以及外接引脚104，所述金属框架103上图形化出多个矩形排列的面积为20μm²凸起，根据需要也可将其图形化至40μm²凸起，该凸起也可以为圆形或菱形，如图2、2a所示；

结构层200，在结构层200的表面刻蚀有60um深的凹槽201，并设置多个用于与衬底锚点102电连接的结构锚点202以及用于分解外力、划片对准标记的支撑锚点203；

以及封盖层300，其上刻蚀有封盖60um的凹槽301，在所述封盖凹槽301内生长有氧化硅材料层302，在封盖层300的两端设置有图形化的玻璃浆；

结构层200通过结构锚点202与集成电路衬底层100的衬底锚点102电连接，封盖层300通过玻璃浆与集成电路衬底层200真空封装一体。

本发明中的一种真空封装的超薄MEMS芯片加工方法，该方法包括如下步骤：

1）选取厚度为100μm的标准晶圆材料作为MEMS芯片的集成电路衬底层，如图1所示；

2）在集成电路衬底层100上制作集成电路功能模块101，完成集成电路制作后，通常直接利用顶层金属层作为连接MEMS结构层的电连接层和走线层，然后通过沉积工艺制作一层氧化硅材料层，并图形化、沉积金属层制作走线，再根据需要沉积钝化层保护，在集成电路功能模块的表面设置多个衬底锚点102、用于增加真空封装稳定性的金属框架、使集成电路衬底层100接地的电连接通孔以及外接引脚104。金属框架上图形化出多个矩形排列的面积为20μm²凸起103，该凸起103也可以为圆形或菱形，凸起结构间的空气可以通过凸起间的空隙排出，而小孔结构中的空气是无法顺利排出的，这样会降低气泡在封装材料中的存在几率，提高封装的牢固程度，如图2、2a所示；

3）选取标准晶圆材料作为MEMS芯片的结构层200，在结构层200上沉积金属层并图形化，然后根据设计需要直接刻蚀60um深的凹槽201，并设置多个用于与衬底锚点102电连接的结构锚点202、用于分解外力以及划片对准标记的支撑锚点203，如图2b所示；

4）利用金-金，或者金-锗，金-锡等金属键合方法将上述的集成电路衬底层100和结构层200进行键合，键合时将集成电路衬底层100上的衬底锚点102与结构层200上的结构锚点202电连接，如图3所示；

5）将结构层200的另一面通过研磨和CMP（化学机械抛光）将其减薄至10μm～100μm；典型值为15um或者30um。

6）利用DRIE（深度反应离子）刻蚀将结构层刻蚀工艺出传感器结构；

7）选取厚度为100μm的标准晶圆材料作为MEMS芯片的封盖层300，利用湿法或DRIE刻蚀制备封盖层60um深的凹槽301，并在凹槽301内通过溅射或热氧化工艺生长氧化硅材料层302，再利用丝网印刷的相关技术，将玻璃浆图形化到封盖层300，如图6；

8）利用稳定的玻璃浆真空封装工艺完成片级封装，如图7；

9）通过在预留的划片槽400位置划片得到单个芯片。

以上选取标准晶圆材料的厚度为400μm作为封盖层也能制造成相应的芯片，典型值为400um或者200um，本发明中选取标准晶圆材料作为芯片的集成电路衬底层、结构层以及封盖层可以为相同厚度也可以为不同厚度，根据芯片的需要进行选择，或者通过后续的研磨工艺和CMP工艺来减薄至需要的厚度。

本发明的加工方法是通过对传感器结构层做双面对准加工以替代在衬底上制作凹槽的方式来提供面外运动的足够活动空间；同时，利用集成电路作为整个传感器芯片的衬底，与结构层直接封装，实现结构层与集成电路的通讯。

本发明对封装的要求，只需要实现传感器结构层与集成电路芯片在物理上的电连接即可，而无需考虑是否足够密闭以保证最终器件的真空保持能力，因为，后续会利用相对廉价的湿法刻蚀来制备封盖层，并利用这个封盖通过玻璃浆封装工艺直接与集成电路衬底封装，结合而成高真空封装。由于玻璃浆只是在集成电路衬底和封盖层上来完成，同时，传感器的结构层与集成电路衬底有30μm的高度差，因此，不必担心在真空封装过程中，玻璃浆会溢出导致器件的结构失效，也就不必为此增加相应的防溢槽，在一定程度上，减少了芯片的面积，同时，也降低了结构设计的难度；由于只涉及到一次封装，因此，会大大降低失效的几率，提高产率，降低成本；同时，芯片的厚度也因此降低；另外，结构层直接与衬底电连接，使机电结构的设计和安排更加灵活。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims

1.一种真空封装的CMOS和MEMS芯片，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的真空封装的CMOS和MEMS芯片，其特征在于，所述结构层的表面刻蚀有0～60um深的凹槽。

3.如权利要求1所述的真空封装的CMOS和MEMS芯片，其特征在于，所述金属框架上图形化出多个矩形排列的凸起。

4.如权利要求3所述的真空封装的CMOS和MEMS芯片，其特征在于，所述凸起为矩形或圆形或菱形。

5.如权利要求3或4所述的真空封装的CMOS和MEMS芯片，其特征在于，所述凸起的面积为20～40μm²。

6.一种真空封装的CMOS和MEMS芯片加工方法，该方法包括如下步骤：

2）在集成电路衬底层上制作集成电路功能模块，完成集成电路制作后，通常直接利用集成电路的顶层金属层作为连接MEMS结构层的电连接层和走线层，然后通过沉积工艺制作一层氧化硅材料层，并图形化、沉积金属层制作走线，再根据需要沉积钝化层保护，在集成电路功能模块的表面设置多个衬底锚点、用于增加真空封装稳定性的金属框架、使衬底层接地的电连接通孔以及外接引脚；

7）选取厚度为100μm～400μm的标准晶圆材料作为MEMS芯片的封盖层，利用湿法或DRIE刻蚀制备封盖层0～60um深的凹槽，并在凹槽内通过溅射或热氧化工艺生长氧化硅材料层，再利用丝网印刷的相关技术，将玻璃浆图形化到封盖层；

8）利用稳定的玻璃浆真空封装工艺完成片级封装；

9）通过在预留的划片槽位置划片得到单个芯片。

7.如权利要求6所述的真空封装的CMOS和MEMS芯片加工方法，其特征在于，所述步骤2）和3）中沉积的金属材料为铝或铜或金或锗。

8.如权利要求6所述的真空封装的CMOS和MEMS芯片加工方法，其特征在于，所述金属框架上图形化出多个凸起。

9.如权利要求8所述的真空封装的CMOS和MEMS芯片加工方法，其特征在于，所述凸起为面积相近的矩形或圆形或菱形或者十字形。