CN104900540A - 一种晶圆级真空封装的mems晶振及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构和制备方法，包含：衬底，衬底支撑层，由固定结构、活动结构、金属互连组成的晶振主体结构以及盖帽材料，固定结构位于衬底支撑层上方，活动结构通过桥臂连接至衬底支撑层上的锚点处，能与固定结构发生相对运动，金属互连由金属连线和压焊点组成，金属连线分别将锚点和固定结构连到对应的压焊点，晶振固定和活动结构区域围有围柱，盖帽材料以围柱为键合点实现与衬底整体真空封装；在衬底上定义MEMS晶振固定和活动结构，形成围柱，释放活动结构，最后用盖帽材料与围柱真空键合完成MEMS晶振晶圆级真空封装。本发明的结构和方法与CMOS工艺完全兼容，充分利用全自动化的优势，真空封装工艺简单，有利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路技术领域，且特别涉及一种晶圆级真空封装的MEMS晶振及其制备方法。
背景技术
频率信号对于所有电子产品就像是心跳对所有动物的生命一般重要，所有电子电路的动作都以该高重复性且高稳定性的频率信号作为参考信号源。设计优良的频率信号是系统是否能够达到高效能、持续性稳定工作的重要基础。
产生信号频率的组件可分为无源晶振、有源晶振和多输出时钟发生器三大类产品，被广泛地应用于现代电子产品中。现在主流的晶振技术可分为传统石英晶振和MEMS晶振。
在过去60年中，石英作为时钟市场的主流技术，一直占据着霸主地位。传统石英晶振是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件，其基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(可以是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应面上涂敷银浆层作为电极，在每个电极上焊接引线接出到管脚，再封装上外壳就构成了石英晶振。但由于其受到传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断，因此性价比无法进一步提升。不仅如此，石英产品在温漂、老化、抗震性、稳定性、体积等方面的制约，也越来越不能适应现在的高精度产品，如计算机、程控电话交换机、移动电话发射台、高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等器件向高性能、小体积、超薄发展的要求。
MEMS晶振，则采用自然界最普通的硅作为原材料和全自动化的半导体IC技术的制作工艺，在性能方面弥补了石英振荡器的先天缺陷，而且在低成本方面也成为了可能。随着MEMS技术的发展，其作为传统石英晶振的升级产品得到越来越广泛的应用。MEMS晶振，具有更小的尺寸，无温漂，更好的可靠性和更低的成本等优点，符合现代电子发展方向。
在封装方面，作为传统石英晶振的替代者，一般MEMS晶振采用与传统石英晶振相同的焊接管脚排列和封装，与传统石英晶振完全兼容，便于使用者直接替代而无须更改任何设计；同时，为了满足精度和长期可靠性，较少空气阻尼的影响，较少在后道组装和切割工艺中受到损伤，MEMS晶振需要真空封装。为了满足以上两个要求，业界主流的解决方案为先对MEMS晶振进行晶圆级真空封装，再将其切割成单颗芯片，最后采用与替代目标传统石英晶振相同的封装形式进行封装。
现有技术中晶圆级真空封装是同MEMS晶振制备一起完成的。具体制备MEMS晶振的技术方法如图1a-1d所示，以SOI片(包含硅片101，埋氧层102和器件层103)作为衬底，通过光刻和刻蚀工艺形成释放槽104，将器件活动部分与固定部分分开，如图1a所示；然后依次淀积介质薄膜如SiO2105和第一层多晶硅106，淀积介质薄膜将释放槽完全填满，如图1b所示；接着通过光刻和刻蚀在所述第一层多晶硅上形成释放小孔，然后通过释放小孔进行释放，形成如图1c所示MEMS晶振活动部分；接着通过外延形成多晶硅层106’,在外延的过程中自动封住上述释放小孔并形成真空腔，如图1d所示；最后再形成金属互连线(图中没有画出)，完成晶圆级真空封装的MEMS晶振制备。
众所周知，外延工艺属于高温工艺，无法与CMOS后道工艺兼容，限制了MEMS晶振采用CMOS-MEMS单芯片集成。同时，在CMOS制造工艺中，外延属于前道制程，而MEMS制程开始后一般无法使用前道制程机台，因此需要为其配置专用的外延设备，增加设备成本，从而影响MEMS晶振整体制造成本。
发明内容
本发明要解决由于采用高温多晶硅外延技术进行MEMS晶振的晶圆级真空封装，造成MEMS晶振的晶圆级真空封装工艺限制大，无法与CMOS工艺兼容的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为提供一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构及其制备方法。
本发明提出一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，包含：衬底，衬底支撑层，由固定结构、活动结构、金属互连组成的晶振主体结构以及盖帽材料，固定结构位于衬底支撑层上方，活动结构通过桥臂连接至衬底支撑层上的锚点处，能与固定结构发生相对运动，金属互连由金属连线和压焊点组成，金属连线分别将锚点和固定结构连接到对应的压焊点，其特征在于，所述晶振固定和活动结构区域围绕有围柱，盖帽材料以围柱为键合点实现与衬底整体真空封装。
可选的，所述衬底为无图形的硅片或SOI片，或者完成电路制造后开始MEMS晶振制造的图形硅片；
可选的，所述晶振活动结构的厚度为5-40um；
可选的，所述围柱底部与金属互连的压焊点位于同一个由衬底支撑的平面，围柱的顶部高于晶振结构的其他部分，高度为5-50um；
可选的，所述晶振主体结构的金属互连由单层或多层金属构成；
可选的，所述围柱由单层介质，多层介质或者多层介质与焊料层的组合构成；
优选的，所述介质是SiO2，SiN或者两者的组合；
可选的，所述真空封装键合的盖帽材料为硅片、玻璃片、陶瓷片，金属片或有机塑料片。
本发明提出一种晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法，其特征在于，包括：
步骤S01：在衬底上定义晶振的固定结构和活动结构区域；
步骤S02：形成晶振的金属互连；
步骤S03：形成围柱，释放晶振的活动结构；
步骤S04：将盖帽材料与围柱顶端真空键合；
可选的，所述围柱顶端可以选择性地淀积键合焊料。
由上述描述可知，本发明的晶圆级真空封装的MEMS晶振结构通过在晶振主体结构周围构建比晶振活动部分和金属互连高的围柱，由盖帽材料与围柱顶端接触进行真空键合来实现。本发明的晶振结构厚度为5-40um，厚度随所需频率相关。围柱由CMOS标准工艺中的单层或多层介质构成，其高度在5～50um之间，其作用类似于建筑中的承重墙，能够抬高与盖帽材料的键合点，围绕在晶振活动部分和固定部分的外围，与盖帽材料一起形成MEMS晶振的空腔，同时确保谐振发生时晶振的活动部分的振动不会受到顶部盖帽支撑面的干扰。金属互连的压焊点与围柱位于相同的由衬底支撑的平面上，在围柱的包围圈之外，高度低于围柱，其作用是实现晶振的电信号连接。本发明通过真空键合的方法在实现真空封装的同时，直接解决了现有技术中由于使用外延工艺带来的高温和设备成本等问题。键合工艺在MEMS制造中是常规的封装手段，其设备价格远低于CMOS工艺线中的外延炉。本发明提出的用真空键合替代外延进行晶圆级真空封装，将MEMS晶振的封装移至键合机上完成，在保证取得相同封装质量的前提下，更好的控制MEMS晶振的成本，同时丝毫不影响MEMS晶振在CMOS工艺线的制备，充分地利用其全面自动化的优势，节省了大量的人力和物力。
本发明提出的晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法，针对本发明的结构与现有技术有所不同。现有技术中，MEMS晶振活动部分是在晶振空腔形成之后，通过孔进行释放的。而本发明的MEMS晶振活动部分的释放是在盖帽材料覆盖之前，也就是晶振空腔形成之前完成的。其目的是配合本发明的结构特征，在键合机上覆盖盖帽材料，形成晶振空腔的同时完成真空封装。
进一步的优化方案为，在围柱的顶端选择性地淀积键合焊料。因为围柱是盖帽和衬底键合形成MEMS晶振的接触点，也是键合发生的结合点，有针对性的，选择性的在这些位置淀积键合焊料，一方面可以在维持相同空腔高度的情况下降低围柱高度，降低工艺难度，同时也避免因焊料曝露在晶振空腔内的非键合表面可能发生的脱落对MEMS晶振的影响。
综上所述，本发明提供了一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构及其制造方法，在衬底上形成的MEMS晶振结构，以在该结构周围形成一圈具有支撑作用的围柱作为键合点，用盖帽材料与围柱发生真空键合，完成MEMS晶振晶圆级真空封装。利用本发明，避免了现有技术采用高温外延工艺作为真空封装的手段，使MEMS晶振制程与CMOS工艺完全兼容，采用工艺简单的键合来实现真空封装，封装效果良好，有利于降低MEMS晶振成本。
附图说明
图1a-1d是现有技术晶圆级真空封装MEMS晶振制备步骤的剖面示意图。
图2是本发明的晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法的流程示意图。
图3a-3h是本发明的晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法具体步骤的剖面示意图。
图4是本发明的晶圆级真空封装的MEMS晶振设计版图的示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
下面结合说明书附图对本发明的实施例进一步说明。
附图4为本发明的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的设计版图的示意图。衬底上面淀积有衬底支撑层400。晶振主体部分(即MEMS晶振体)401被围柱402包围，晶振活动部分与衬底支撑层之间有桥臂相连。金属互连压焊点403，实现晶振与外界电信号的连接，位于围柱与划片道404之间，与围柱一起位于衬底支撑层400上。围柱内的包含MEMS晶振体的腔体将完全被盖帽材料覆盖(图中没有显示)，并以围柱为键合点，实现盖帽材料与衬底整体键合，完成MEMS晶振的晶圆级真空封装。因为本发明涉及的是晶圆级真空封装，因此上述所有晶振体，围柱和金属互连压焊点均不可放置在划片道403的位置，避免晶圆切割划片时损伤，破坏真空，造成MEMS晶振失效。
现结合附图2和图3，通过具体实施例对本发明的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振及其制备方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参阅图2，如图所示为本发明的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法的流程示意图。本实施例采用SOI片作为衬底，制备步骤如下：
步骤S01：在衬底上定义MEMS晶振的活动部分和固定部分区域。
具体的步骤剖面图，参阅图3a，提供衬底，包括基底层301，埋氧层302，器件层303。本实施例中，采用一SOI片作为衬底硅片，SOI的埋氧层302厚度为1um，器件层303厚度为20um。
本发明中衬底除了可使用无图形的硅片，SOI片外，还可以是已经完成所需电路制造的图形片从本步骤开始MEMS晶振的制造流程，即采用CMOS-MEMS单芯片集成。而无图形片衬底采用本发明仅仅是制造MEMS晶振芯片，然后通过多芯片封装的形式将MEMS晶振芯片与CMOS处理电路SIP封装集成。
参阅图3b，在所述SOI衬底上光刻和刻蚀器件层303，形成MEMS晶振间隙304。晶振间隙围成不闭合的一圈(图中没有显示)，其内部包围的器件层部分为晶振的活动部分，其外部一边为晶振固定部分，桥臂通过未闭合的晶振间隙连接活动结构和支撑层(图中没有显示)。本实施例中，器件层的材料是硅，采用深硅刻蚀工艺DRIE刻蚀20um的硅器件层至氧化层。所谓晶振间隙是后道工艺中湿法释放的通路，同时也定义出晶振的活动部分、桥臂(图中没有显示)及晶振固定部分。
参阅图3c，CVD淀积介质层间隙填充层305。本实施例中，采用PECVD淀积3000埃SiO2，所淀积的SiO2 305完全填充晶振间隙304。
步骤S02：形成晶振的金属互连。
参阅图3d，形成金属互连线，与常规CMOS工艺后道铝金属制程相同，包括光刻和刻蚀接触孔，淀积金属1，光刻和刻蚀金属1，淀积通孔介质，光刻和刻蚀通孔，填充通孔，再淀积金属2，等等。具体步骤根据所需金属层数的不同决定，最后淀积金属铝，光刻和刻蚀形成铝压焊点。
本实施例采用单层铝工艺，先在间隙填充层305中形成接触孔306，填充金属，然后淀积金属铝，光刻和刻蚀形成金属连线和压焊点308，再淀积介质307并平坦化，暴露出压焊点308。
具体地，本实施例的介质307由双层介质构成：4000A SiO2和4000A SiN，采用常规CMOS工艺铝后道工艺形成金属连线和金属压焊点，实际采用金属Al，厚度为5千埃至2微米。金属连线分别连接晶振固定部分和晶振活动部分的锚点至介质307表面的压焊点308，形成晶振接受外加偏压的I/O口。
步骤S03，形成具有围柱，释放晶振活动结构。
具体地，参阅图3e，完成金属互连的制备后，继续淀积围柱层309。围柱层309可以是单层介质，也可是多层介质组合，还可以是介质层和焊料层组合。本发明中的围柱层厚度为5um-50um。本实施例中介质厚度为12um，采用多层介质组合：PECVD淀积10um SiO2和2um SiN作为围柱层。
参阅图3f，采用光刻和刻蚀工艺图形化围柱层309，通过刻蚀去除金属互连介质层和接触孔介质层，打开MEMS晶振活动部分上部区域以及金属互连的金属压焊点，去除填充MEMS晶振活动部分周边的晶振间隙内的介质，使晶振活动部分除底部与埋氧层302接触外，其余周边没有任何膜质覆盖且不与任何界面接触。本实施例所形成的围柱309位于MEMS晶振主体和划片道中间，围柱底部与金属压焊点持平，其顶端比器件最高处高出至少12um。
参阅图3g，采用释放工艺去除MEMS晶振器件中的牺牲层材料，形成MEMS晶振活动结构。本实施例中，先采用聚酰亚胺光刻胶将裸露的围柱，压焊点分别保护起来，只暴露晶振主体结构，接着采用氢氟酸湿法释放工艺去除MEMS晶振的牺牲层，形成MEMS晶振活动结构，然后去除保护光刻胶，最终完成MEMS晶振器件制备。
步骤S04：将盖帽材料与围柱顶端真空键合。
参阅图3h，提供一盖帽材料311，盖帽材料键合面涂上键合焊料层，将涂有焊料的一面与围柱顶端接触，由键合机实现与衬底硅片的真空键合，完成晶圆级真空封装的MEMS晶振制备。
具体的，盖帽材料可以为硅片、锗片、陶瓷片、金属片或者塑料片。优化方案为，可以在盖帽材料上选择性地淀积键合焊料，仅在与围柱接触点淀积焊料。其优点在于：选择性的在这些位置淀积键合焊料，一方面可以在维持相同空腔高度的情况下降低构成凹槽的围柱高度，降低工艺难度，同时也避免因焊料曝露在晶振空腔内的非键合表面可能发生的脱落对MEMS晶振的影响。本实施例中，盖帽材料为6英寸硅片，盖帽材料上淀积键合焊料锡Sn311，Sn的厚度为5um。然后将盖帽材料硅片放置于键合机的载物台上，再将衬底硅片置于盖帽材料上方，然后在真空环境下进行键合。在真空环境下，加热使键合焊料Sn熔化，再将其冷却即可将盖帽材料和衬底硅片键合在一起，实现晶圆级真空封装。
划片得到封装好的独立的MEMS晶振芯片，由于上述结构均不在划片道范围内，所以划片不会对MEMS晶振造成损坏。最后再采用传统封装工艺封装成与传统石英晶振兼容的管脚及封装形式。
本发明提供了一种晶圆级真空封装的MEMS晶振及制造方法，在MEMS晶振结构周围形成具有围柱的凹槽结构，再利用盖帽材料与具有凹槽的MEMS晶振进行真空键合完成MEMS晶振晶圆级真空封装，避免了现有技术中所采用的高温外延工艺，使得MEMS晶振制程与CMOS工艺完全兼容，有利于实现低成本MEMS晶振制造。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，包含：衬底，衬底支撑层，由固定结构、活动结构、金属互连组成的晶振主体结构以及盖帽材料，固定结构位于衬底支撑层上方，活动结构通过桥臂连接至衬底支撑层上的锚点处，能与固定结构发生相对运动，金属互连由金属连线和压焊点组成，金属连线分别将锚点和固定结构连接到对应的压焊点，其特征在于，所述晶振固定和活动结构区域围绕有围柱，盖帽材料以围柱为键合点实现与衬底整体真空封装。
2.根据权利要求1所述一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，其特征在于，所述衬底为无图形的硅片或SOI片，或者完成电路制造后开始MEMS晶振制造的图形硅片。
3.根据权利要求1所述一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，其特征在于，所述晶振活动结构的厚度为5-40um。
4.根据权利要求1所述一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，其特征在于，所述围柱底部与金属互连的压焊点位于同一个由衬底支撑的平面，围柱的顶部高于晶振结构的其他部分，高度为5-50um。
5.根据权利要求1所述一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，其特征在于，所述金属互连由单层或多层金属构成。
6.根据权利要求1所述一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，其特征在于，所述围柱由单层介质，多层介质或者多层介质与焊料层的组合构成。
7.根据权利要求6所述一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，其特征在于，所述介质是SiO2，SiN或者两者的组合。
8.根据权利要求1所述一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，其特征在于，所述盖帽材料为硅片、玻璃片、陶瓷片，金属片或有机塑料片。
9.一种晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法，其特征在于，包括：
步骤S01：在衬底上定义晶振的固定结构和活动结构区域；
步骤S02：形成晶振的金属互连；
步骤S03：形成围柱，释放晶振的活动结构；
步骤S04：将盖帽材料与围柱顶端真空键合。
10.根据权利要求9所述一种晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法，其
特征在于，所述围柱顶端可以选择性地淀积键合焊料。
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