CN105565256B - 具有机械去耦的微集成封装mems传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

微集成传感器包括由半导体材料的传感器层、半导体材料的盖帽层、以及绝缘层形成的堆叠。传感器层和盖帽层具有围绕中心部分的相应外周部分，以及绝缘层延伸在传感器层和盖帽层的外周部分之间。气隙延伸在传感器层和保护层的中心部分之间。穿通沟槽延伸进入传感器层的中心部分中直至气隙，并且围绕了容纳敏感元件的平台。盖帽层具有在绝缘层中的穿通孔，从气隙延伸并且形成了与气隙和穿通沟槽的流体路径。

Description

具有机械去耦的微集成封装MEMS传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有机械去耦的微集成封装MEMS传感器及其制造方法。

背景技术

如已知的那样，使用MEMS(微机电系统)技术获得的微集成传感器由于它们不断提高的可靠性、低成本和非常小尺寸而广泛用于市场上。例如，美国专利No.6,131,466描述了一种压阻类型的微集成MEMS压力传感器及其制造方法。美国专利No.8,173,513中描述了另一种压阻类型和电容类型的微集成压力传感器。

微集成传感器通常具有设计用于保护传感器内部结构免受外部环境影响的封装，例如用以减少由于温度、适度、颗粒、或防止其工作或恶化其性能的元素引起的干扰，和/或用于提高其机械强度。

另一方面，封装的制造可以引起应力，其可以不利地影响传感器的性能、稳定性和可靠性的特性。

这对于基于硅的压阻特性的传感器是特别正确的，其中在还能机制中直接包含了应力。在这些情形中，随后特别地需要封装的精确设计以便于限制由封装和由组装工艺引起的应力的效果，特别关注涉及所使用的材料以及在传感器和封装之间机械耦合期间引起的效应。

例如，由于其低成本和高产量，可以不简单地采用最普遍用于微电子器件的通过模塑而封装的工艺，因为其在树脂注入和冷却期间产生了高应力。

上述不希望的效应随着裸片和封装尺寸增大变得越来越重要，并且限制了3D封装技术的使用。

在过去，已经提出并采用了各种低应力封装解决方案。在它们的一些中，封装包括设计用于也将传感器从周围环境去耦的机械结构。然而，也可以改进这些解决方案。

发明内容

本发明的一个或多个实施例涉及一种可以克服现有技术中一个或多个缺点的微集成封装MEMS传感器。

根据本发明的一个实施例，提供了一种微集成封装MEMS传感器。微集成封装MEMS传感器包括具有第一主表面和第二主表面的层堆叠。层堆叠包括传感器层、盖帽层和绝缘层。传感器层和盖帽层具有围绕了相应中心部分的相应外周部分。绝缘层延伸在传感器层和盖帽层的外周部分之间。气隙延伸在传感器层和盖帽层的中心部分之间。多个穿通沟槽延伸进入传感器层的中心部分中并且共同地围绕了容纳敏感元件的平台。盖帽层包括多个穿通孔，沿着气隙和多个穿通沟槽形成了去往敏感元件的流体路径。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在纯粹参照附图借由非限定性示例的方式描述其优选实施例，其中：

图1－图4示出了根据本方法的一个实施例的在微集成传感器的后续制造步骤中穿过半导体材料晶片的截面图；

图5示出了图4步骤中使用的掩模的版图；

图6－图8示出了在其他制造步骤中图1－图4的穿过半导体材料晶片的截面图；

图9是图8的晶片的传感器区域的顶视平面图；

图10示出了穿过采用图1－图10方法获得的封装传感器的截面图；

图11示出了穿过采用图1－图8获得的另一封装传感器的截面图；以及

图12示出了包括图10和图11的微集成传感器的电子设备的框图。

具体实施方式

图1示出了在方法的初始步骤中半导体材料的晶片1的截面图。

晶片1是SOI(绝缘体上硅)晶片，包括由氧化硅的绝缘层4分隔的单晶硅的第一结构层2和第二结构层3。结构层2和3具有相应的主表面2A、3A。结构层2和3以及绝缘层4的厚度例如分别是50－100μm，400－600μm，2－3μm，以使得晶片1的总厚度可以被包括大约在450和700μm之间。

在晶片1的敏感部分中，随后形成了例如压阻压力传感器的敏感元件5，如图2示意性所示。为此，在第一结构层2内形成空腔7，并且在底部界定了形成了隔膜8的第一结构层2的一部分。例如，隔膜8可以具有包括在2和20μm之间的厚度。

空腔7可以以各种已知方式形成，除了包含第二结构层3的体加工工艺之外。例如，其可以类似于前述美国专利No.8,173,513中所述而对于单晶硅的标准晶片形成。特别地，可以在敏感元件5的区域中以未示出的方式刻蚀第二结构层3，以用于形成由沟槽围绕的柱体栅格。随后在还原环境中执行外延生长，使得在第二结构层2的主表面2A上生长了外延层10，其封闭了在顶部围绕柱体的沟槽。在生长的结束处，外延层10实际上与第二结构层2不可区分，并且与后者形成了具有表面11A的传感器层11。随后执行退火步骤以便于使得柱体的硅原子完全迁移并且形成空腔7，在顶部空腔由隔膜8封闭。以未示出的本质上已知的方式在隔膜8的外周区域中形成接触，以形成压阻类型的敏感元件5。随后以未示出的已知方式进行其他已知步骤以形成电连接。

在传感器层11的表面11A上形成例如氧化硅、氮氧化硅或氮化硅的介电质材料的钝化层12，并且优选地在钝化层12上形成第一保护层13，第一保护层13是能够抗氢氟酸腐蚀的材料，例如碳化硅或氧化铝。例如，第一保护层13可以具有包括在100和300μm之间的厚度。

如图3中所示，薄化第二结构层3。为此，在第一保护层13的顶部上沉积例如聚合物条带的第二保护层16。通过机械研磨步骤薄化第二结构层，以达到包括大约在300和350μm之间的厚度，因此形成了具有表面20A的盖帽层20。

参照图3，在存在第二保护层16的情况下，抛光盖帽层20的表面20A，第二保护层16保护表面11A并且防止其损坏。然后，如图4中所示移除第二保护层16。经由光刻工艺，如图4中所示在盖帽层20的表面20A上形成了具有一系列开口22的孔洞掩模21。孔洞掩模21的开口22可以具有任何形状，例如方形、六边形、一般多边形、或甚至圆形。例如，图5示出了孔洞掩模21的示例，其中开口22具有圆形形状。开口22具有如下尺寸，该尺寸使得将要形成在盖帽层20中的孔洞具有包括在1:5和1:20之间的最大宽深尺寸比。

对准标记可以存在于传感器层11的表面11A上以使得在晶片1的相对侧边上(盖帽层20的表面20A)对准孔洞掩模21，例如经由红外传输技术。

使用孔洞掩模21，如图6中所示刻蚀盖帽层20。例如，可以在SF₆等离子体中执行深各向异性类型的沟槽刻蚀。刻蚀停止在绝缘层4上，其因此用作刻蚀停止层，在盖帽层20中形成了多个孔洞22。

在如图7中所示移除孔洞掩模21之后，移除了绝缘层4的一部分。例如，可以使用穿过孔洞22的HF蒸汽移除绝缘层4。在该步骤中，传感器层11仍然由钝化层12保护并且因此并未损坏。例如以用于移除其受控部分的定时方式获得了对绝缘层4的移除，在隔膜8之上并且沿着其侧边，在该区域中将要获得用于将传感器区域与晶片1剩余部分去耦的弹簧，如下文中所述。气隙25随后形成在传感器层11和盖帽层20之间，其宽于隔膜8。

参照图8，移除了第一保护层13，并且限定了将平台30从传感器层11剩余部分去耦的弹簧26。为此，使用标准光刻技术，限定了钝化层12，由此形成了硬掩模27。如果对于设计操纵机器有用，可以在盖帽层20的表面20A之上布置例如聚合物条带的第三保护层28，以防止存在穿通开口并且确保在一些类型机器中设计的真空条件。随后，使用硬掩模27，执行硅刻蚀，例如经由时间控制的各向异性干法硅刻蚀。随后在整个厚度上移除传感器层11的暴露部分以形成弹簧26，以及如图9中所示围绕了平台30的沟槽29。以此方式，平台除了通过弹簧26的连接之外由沟槽29与晶片1剩余部分物理分隔，弹簧悬置了平台30并且借由其弹性而与晶片1的剩余部分去耦。在所示的实施例中，沟槽29是多个沟槽29a、29b、29c和29d，形成了弹簧26以及共同地围绕了平台30的多个沟槽。例如，最佳如图9中所示，沿着平台的两个相邻侧边形成多个沟槽29a、29b、29c和29d的每个。在所示的实施例中，多个沟槽完全围绕了平台30，然而可以理解，在一些实施例中，多个沟槽并未完全围绕沟槽，而是相反基本上围绕平台。例如，在一个实施例中，沟槽可以沿着平台的侧边形成，但是并未在相邻侧边之间的角部处连接。

图8的晶片1随后可以划片以获取多个裸片，每个包括平台30，其易于固定至其他裸片或晶片，或者固定至其他晶片并随后切割和提供具有封装。

在任一情形中，在传感器层11的表面11A上的第三保护层28可以留下以便于促进使用后续机器(例如测试机器)操纵或者移除。

例如，根据图10中所示的实施例(倒装芯片封装)，晶片1被划片以获取传感器裸片31，传感器裸片31固定至ASIC 32，移除了第三保护层28，并且使用全模塑技术封装了总体，在传感器裸片31和ASIC 32的侧边上形成了树脂的封装区域34。因此获得了电子传感器50。在合适的模塑腔室中使用全模塑技术执行模塑，使得顶部硅在表面处保持暴露。如此方式，防止了由封装树脂34覆盖具有孔洞23的区域。

特别地，此处传感器裸片31经由微凸块33固定至ASIC 32，其也(通过在传感器层11内和/或顶部上的电连接结构以及钝化层12中的开口)确保了在传感器元件5与集成在ASIC 32中电路之间的电连接。此处，微凸块33进一步形成了ASIC 32和隔膜8之间的间隔体。随后在它们之间形成间隙35，并且与孔洞23一起构成了气隙25和沟槽29，在隔膜8和微集成传感器50外侧之间延伸的流体路径。

在图11中所示的另一实施例中，移除了第三保护层28，晶片1固定至保护本体37，例如硅晶片，并且随后被划片，以及使用全模塑技术封装整体以形成微集成传感器51。如此方式，也在该情形中，在封装树脂34的模塑期间，由形成了第二盖帽的保护本体37保护传感器元件5。此外，在此，用于将晶片1固定至保护本体37的材料38使得在保护本体37和隔膜8之间形成了间隙35。

在任一解决方案中，微集成传感器50或51包括堆叠，具有第一主表面11A和第二主表面20A，并且由朝向第一主表面11A的半导体材料的传感器层11、由朝向第二主表面20A的半导体材料的盖帽层20、以及由绝缘层4形成。传感器层11和盖帽层20具有围绕中心部分的相应外周部分，以及绝缘层4延伸在传感器层与盖帽层的外周部分之间。气隙25延伸在传感器层11和保护层20的中心部分之间。穿通沟槽29在第一主表面11A和气隙25之间延伸进入传感器层11的中心部分中，并且围绕了容纳敏感元件5的平台30。盖帽层20具有穿通孔23，在气隙25和第二主表面20A之间延伸，并且与气隙25、沟槽29和气隙35形成了流体路径。

实际上，在两个所示实施例中，盖帽层20中的孔洞23使得传感器元件5与外部环境连接，并且因此通过气隙25、沟槽29和气隙35例如用于检测在微集成传感器50或51周围环境中的压力。

在以上结构中，经由本体(ASIC 32或保护本体37)在正面保护了隔膜8，无需该本体穿孔或经受特别的加工操作以用于使得隔膜8与外部世界流体连接。

采用所示的解决方案，进一步能够使用具有高本征应力的封装技术，诸如全模塑，而不会损伤敏感部件和/或不会危害其正确工作。

事实上，例如由模塑引诱的在裸片31上的任何可能应力可以通过弹簧26弹性地吸收，弹簧因此将平台30与传感器层11的剩余部分机械地去耦。由此得出结论，敏感元件5以第一近似仅经受了在传感器浸没其中的流体机制(通常是空气)中传递的力，并且因此能够可靠地检测这些力的效应，例如环境压力，而不会被通常作用在裸片31上其他力敏感地干扰。

采用图9中所示的封装解决方案(倒装裸片封装)，进一步能够减缓由于凸块焊接工艺由于封装步骤的任何应力。

执行刻蚀以用于从背面穿过盖帽层20限定平台30和弹簧26，在并未提供用于穿孔传感器层11的操作的情形下，这使得合适的消除应力，该操作因为所考虑中心区域容纳了可以不被穿孔的隔膜8和传感器元件5而成为问题，并且不用穿过沟槽29，该操作因为也将在完全释放平台30之前在传感器外周区域附近、在相对于隔膜8的远端位置中移除绝缘层4而将不会确保良好的移除结果。替代地，从背面移除穿通多个孔洞23，使得最佳地移除了在平台30下方的绝缘层4的一部分并且仅至在后者外侧的较小量。

用于限定平台和弹簧26的步骤是典型的前端加工，诸如各向异性深硅沟槽刻蚀和经由HF蒸汽移除绝缘层，并且因此是已知的和可控的工艺，其具有良好的可靠性和可重复结果。

SOI衬底的使用使其能够已经获得支撑和保护层(盖帽层20)，无需有意设计的固定步骤。

封装可以经由倒装裸片工艺和3D封装而执行，无需使用软粘胶或缓冲层结构，其通常用于减小封装的效果。

图12示出了包括如图10或图11所示至少一个微集成传感器50或51的电子设备100的框图。电子设备100进一步包括耦合至微集成装置50或51的微处理器(CPU)104。电子设备100可以进一步包括耦合至微处理器104的存储器105，以及也耦合至微处理器104的、诸如键盘和屏幕的输入/输出接口106。此外，电子设备100可以包括电源108，诸如电池，或者用于耦合至外部电源的结构。电子设备100可以是包括如图10和图11中所示微集成装置的电子设备100。例如，电子设备100可以是手机，个人数字助理(PDA)，可穿戴装置，录音机，闹钟等。

最终，明显的是，可以对在此所述和所示的传感器以及制造方法做出修改和改变，并未脱离本发明的范围。例如，如果所使用的处理机器允许的话，可以反转用于限定平台30和弹簧26以及用于打开孔洞23的步骤的顺序，或者可以在限定了平台30和弹簧26之后执行对绝缘层4的部分移除。如所述，可以在晶片级或者在切割之后将传感器31固定至保护本体37或者其他裸片，并且可以根据规范改变固定技术。

隔膜8可以经由并未设计加工盖帽层的任何合适的工艺获得；例如，可以在传感器层上沉积或生长层而获得。

如上所述各个实施例可以组合以提供其他实施例。可以在以上详细说明书的教导下对实施例做出这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应构造为将权利要求限定于说明书和权利要求书中所述的具体实施例，而是应该构造为包括所有可能实施例以及这些权利要求请求保护主题等价方式的全部范围。因此，不由本公开限定权利要求。

Claims (24)

1.一种微集成传感器，包括：

堆叠，具有第一表面和第二表面，所述堆叠包括：

传感器层，在所述第一表面处，所述传感器层包括围绕中心部分的外周部分，所述中心部分包括容纳敏感元件的平台；

盖帽层，在所述第二表面处，所述盖帽层包括外周部分和中心部分，所述盖帽层的所述中心部分包括多个穿通孔；以及

绝缘层，位于所述盖帽层和所述传感器层的外周部分之间；以及

气隙，位于所述盖帽层和所述传感器层的中心部分之间；以及

多个穿通沟槽，在所述传感器层的所述中心部分中，所述多个穿通沟槽一起围绕容纳所述传感器层的所述敏感元件的所述平台，所述多个穿通沟槽中的每个穿通沟槽具有在所述多个穿通沟槽中的相邻一个穿通沟槽的相对侧上延伸的部分，其中所述多个穿通孔、所述气隙和所述多个穿通沟槽形成去往所述敏感元件的流体路径。

2.根据权利要求1所述的传感器，包括在所述传感器层中的弹性连接区域，在所述平台和所述传感器层的外周区域之间，所述多个穿通沟槽由所述弹性连接区域限定。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器层具有掩埋的空腔以及布置在所述掩埋的空腔和所述第一表面之间的隔膜，所述隔膜容纳所述敏感元件。

4.根据权利要求3所述的传感器，包括保护区域，固定至所述盖帽层的所述外周部分并且面向所述隔膜。

5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述保护区域是ASIC或辅助盖帽。

6.根据权利要求1所述的传感器，包括树脂的封装区域，围绕所述绝缘层、所述盖帽层和所述传感器层的所述外周部分。

7.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器是压阻式压力传感器。

8.根据权利要求1所述的传感器，其中，多个穿通沟槽完全围绕所述平台。

9.一种用于制造微集成传感器的方法，包括：

形成包括传感器层、盖帽层和绝缘层的堆叠；

在所述盖帽层的中心部分中形成多个穿通孔；

在所述传感器层中的中心部分中形成多个穿通沟槽，所述穿通沟槽界定所述传感器层中的平台，所述平台容纳在所述传感器层中的敏感元件，所述多个穿通沟槽中的至少一个穿通沟槽具有在所述多个穿通沟槽中的相邻一个穿通沟槽的相对侧上延伸的部分；以及

在所述盖帽层和所述传感器层的中心部分之间形成气隙，其中所述平台通过所述气隙和所述多个穿通沟槽而与所述盖帽层中的所述多个孔洞流体连通。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述堆叠是SOI衬底。

11.根据权利要求9所述的方法，包括在所述传感器层中形成掩埋的空腔以及面向所述掩埋的空腔的隔膜，其中所述隔膜是所述敏感元件。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括，将保护区域固定至所述盖帽层的外周部分，所述保护区域面向所述隔膜。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述保护区域是ASIC或辅助盖帽。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，形成所述多个穿通沟槽包括在所述平台和所述传感器层的外周区域之间形成延伸进入所述传感器层中的弹性连接区域。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，形成多个穿通孔包括移除所述盖帽层的选择性部分并且暴露所述绝缘层，以及形成所述气隙包括通过穿过所述多个孔洞刻蚀所述绝缘层的中心部分来部分地移除所述绝缘层。

16.根据权利要求9所述的方法，进一步包括，在所述绝缘层、所述盖帽层和所述传感器层的外周部分周围形成树脂的封装区域。

17.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述盖帽层和所述传感器层的中心部分之间形成气隙包括：通过所述盖帽层的所述多个穿通孔移除所述绝缘层的中心部分。

18.一种电子设备，包括：

微集成传感器，包括：

传感器层，包括外周部分和中心部分，所述中心部分包括配置用于响应于压力改变而移动的隔膜，所述中心部分包括基本上共同围绕所述隔膜并且将所述隔膜从所述外周部分机械地去耦的多个穿通沟槽，所述多个穿通沟槽中的每个穿通沟槽具有在所述多个穿通沟槽中的相邻一个穿通沟槽的部段的相对侧上延伸的部段；以及

盖帽层，耦合至所述传感器层并且包括外周部分和中心部分，所述盖帽层包括在所述盖帽层的所述中心部分中的多个穿通开口；以及

绝缘层，在所述盖帽层和所述传感器层的外周部分之间，所述绝缘层形成在所述盖帽层和所述隔膜的中心部分之间的气隙；

流体路径，包括在所述中心部分中的多个穿通开口、气隙以及在所述传感器层的所述中心部分中的所述多个穿通沟槽，其中所述流体路径使得所述隔膜与所述微集成传感器外部的环境流体连通；以及

导电凸块，耦合至所述微集成传感器；

ASIC，由所述导电凸块耦合至所述微集成传感器；

封装材料，围绕所述ASIC和所述微集成传感器的侧表面以形成电子传感器封装；以及

微处理器，耦合至所述电子传感器封装。

19.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述多个穿通沟槽在所述传感器层中形成弹簧。

20.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述隔膜面向所述ASIC，以及所述隔膜由所述导电凸块与所述ASIC间隔开以形成间隙。

21.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述隔膜由形成在所述传感器层中的掩埋的空腔而悬置。

22.根据权利要求18所述的电子设备，进一步包括，耦合至所述微处理器的存储器，以及耦合至所述微处理器的输入/输出接口。

23.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述传感器层是第一半导体层，其中所述盖帽层是第二半导体层。

24.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述多个穿通沟槽共同地完全围绕所述隔膜。