CN107207245A - 具有高集成密度的mems器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有提高的集成密度的MEMS器件以及一种制造该器件的方法。所述器件包括基底晶片和设于基底晶片之上的顶盖晶片。在基底晶片与顶盖晶片之间设有第一空腔。在顶盖晶片上方，第二空腔设于薄层覆盖部下方。所述空腔包含器件结构。
Description
本发明涉及MEMS器件，特别是电声滤波器，其MEMS结构受保护地设于空腔中，其中每个基面上的MEMS结构的数目有所增加。
MEMS器件包括MEMS结构，一般需要对MEMS结构进行封装，以免其受到有害的环境因素影响。这样的MEMS结构例如是SAW结构、BAW结构或MEMS开关。
MEMS器件存在缩减尺寸和高度以及降低成本的趋势。在尺寸变小的同时，不应损害信号质量。
因此，所采用的壳体技术将会在缩减相应器件的基面、高度和制造成本方面做出决定性贡献。
存在所谓的晶片级封装(WLP)。其中，在晶片上(即在分离未来的器件之前)产生壳体元件。WLP的一个例子是芯片尺寸封装(CSP)，其中成品器件的基面与器件中所包含的芯片的基面之间的差别大体上不超过20％。在所谓的模具尺寸封装(DSP)中，芯片的基面与整个器件的基面大体上相一致。
本发明的目的是提供功能元件的集成密度高于已知器件并且导电性能良好且造价低廉的MEMS器件。
这样一种器件及其制造方法由独立权利要求给出。本发明的有利实施方案参阅从属权利要求。
一种MEMS器件，包括基底晶片和设于基底晶片之上的顶盖晶片。该器件还包括设于基底晶片与顶盖晶片之间的第一空腔以及设于第一空腔中的第一器件结构。该器件还包括设于顶盖晶片之上的第二空腔以及设于第二空腔中的第二器件结构。所述MEMS器件进一步具有侧向包围第一空腔的框架以及覆盖第二空腔的薄层覆盖部。
借此提供一种在顶盖晶片上下方均具有器件结构的MEMS器件。其中，器件结构至少部分地是功能性的MEMS结构，使得结构的集成密度有所提高。器件结构分别设于至少一个空腔中，从而不会受到有害的环境因素影响。
以下是可行的：第一器件结构直接设于基底晶片上，第二器件结构直接设于顶盖晶片上。但也可以是：在器件结构与相应的晶片之间设有其他的层或其他结构。
尤其在SAW结构(SAW＝Surface Acoustic Wave＝表面声波)或GBAW结构(GBAW＝Guided Bulk Acoustic Wave＝引导体声波)的情况下，基底晶片或顶盖晶片可包括压电材料。在此情况下，器件结构可包括直接设于相应晶片的压电材料上的梳状电极结构。
如果器件结构包括BAW结构(BAW＝Bulk Acoustic Wave＝体声波)，则可以在相应的、不需要具有压电特性的晶片与结构之间设置其他的层，例如声反射层或压电层。
基底晶片、顶盖晶片和框架包围下方的第一空腔，其中第一空腔中的第一器件结构可与MEMS器件的周围环境气密隔离。但也可以是：第一器件结构是传感器结构并且应当检测周围环境的特性。在此情况下，第一空腔可至少通过小孔与器件的周围环境连通。
特定而言，在借助金属框架实现结合的情况下，气密空腔是可行的；但是，如果需要侧向引出金属信号线，金属结合框就会产生问题。此时需要在框架与导线之间采取附加的电绝缘措施，例如设置介电层。如果采用这样的绝缘层，就能借助附加的电路组件来补偿寄生电容。纯介电的、例如包含氮化硅的结合框可以是气密的。在不需要绝对气密性的情况下，可将聚合物优选作为结合材料。
覆盖上方的第二空腔的薄层覆盖部防止第二器件结构受到有害影响。第二空腔也可以与器件的周围环境气密隔离，或者例如通过一或数个开孔与周围环境连通。
其中，所述薄层覆盖部与传统覆盖部如盖子、罩子、伸展层压膜等等之间的区别主要在于，其材料的厚度小于传统覆盖部的材料，并且已借助层沉积工艺作为空腔覆盖部被施覆。通过采用如溅射(PVD＝physical vapor deposition，物理气相沉积)、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)、PLD(脉冲激光沉积)、MBE(分子束外延)、ALD(原子层沉积)等层沉积工艺，可用材料的数目几乎是不受限的。相应地，薄层覆盖部的厚度与形状以及如气密性、机械稳定性等其他特性，可加以个别调节。
以下是可行的：薄层覆盖部的薄层已经是第二空腔的完整覆盖部。但也可以是：薄层覆盖部是多层覆盖部的一部分。在此情况下，除薄层覆盖部外，第二空腔的覆盖部还包括至少一个其他材料的层。
以下是可行的：MEMS器件还包括密封层作为第二空腔的覆盖部的一部分。薄层覆盖部具有至少一个孔眼，密封层设于薄层覆盖部上方并密封该孔眼。
薄层覆盖部中的孔眼可能有利于简化相应MEMS器件的制造方法。这就可以将薄层覆盖部的材料施覆于牺牲层上，制成薄层覆盖部后，通过薄层覆盖部中的孔眼再度移除该牺牲层。为实现第二空腔的气密封装，密封层将薄层覆盖部中的该孔眼或所有孔眼都密封。
以下是可行的：MEMS器件具有增强层作为覆盖部的一部分。增强层设于薄层覆盖部上方或者设于薄层覆盖部上并增加薄层覆盖部的机械强度。因此，作为覆盖部的一部分的增强层主要用于实现机械稳定的覆盖部。
以下是可行的：MEMS器件具有平坦化层作为第二空腔的覆盖部的一部分。平坦化层设于薄层覆盖部上方或者直接设于薄层覆盖部上并具有平整顶面。当需要在器件顶面上设置其他结构如信号传导线和/或电路元件和/或用于外部接线的连接面时，第二空腔上方的平整顶面是有益的。
相应地，以下是可行的：MEMS器件具有重新布线层作为覆盖部的一部分。重新布线层设于薄层覆盖部上方或者直接设于薄层覆盖部上并且包括至少一层介电材料以及信号传导线。
以下是可行的：MEMS器件具有钝化层作为覆盖部的一部分。钝化层设于薄层覆盖部上方或者直接设于薄层覆盖部上。钝化层可用于提供化学惰性表面并改善覆盖部的密封性。
密封层、增强层、平坦化层、重新布线层和钝化层可分别单独地形成第二空腔的覆盖部，或者与薄层覆盖部共同形成第二空腔的覆盖部。以下是可行的：薄层覆盖部上方或薄层覆盖部上的一个层承担上述任务中的若干项，因此，这个层例如既是平坦化层，同时又是钝化层。
在重新布线层中可设置电路元件，该电路元件选自无源电路元件、电感元件、电容元件、电阻元件和带状线。
电路元件优选包括导电结构，所述导电结构埋设于重新布线层的介电材料中。
以下是可行的：MEMS器件进一步包括器件顶面上的第一电连接面。为此还存在信号传导线，该信号传导线将第一器件结构与第一连接面连接起来。其中，信号传导线至少分段地在器件的外侧面上延伸。
由此获得一种MEMS器件，其中信号传导线并非穿过顶盖晶片中的穿孔，而是围绕顶盖晶片延伸。已经认识到的是：原则上可以设置穿过晶片的穿孔，但会出现技术问题。因此，在晶片中开孔的成本比较高，且会削弱晶片的机械强度。此外，为实现适合高频的穿孔，需要实现约10mΩ数量级的可接受体积电阻，但合适材料(例如高导金属，如铜、银或金)的选择余地较小。再者，这些材料尤其在热膨胀系数或扩散性能方面并不总是与晶片材料相容。因此，为实现适合高频的穿孔，需要比较大的直径(例如30μm或更大)来达到较小的电阻。特定而言，在例如以铜为穿孔材料并且以硅为晶片材料的情况下，当需要在晶片材料与穿孔材料之间设置扩散阻挡层时，制造方法将会变得非常复杂。另外，完全填充金属的穿孔可能会因不同的热膨胀系数而致使材料体系内产生机械应力，最终也会导致芯片或晶片断裂。作为实心填充的穿孔的替代，仅孔壁上涂布金属的穿孔也是可行的。但是，这就需要更为复杂的沉积工艺。
通过在顶盖晶片的材料外部设置信号传导线，可以回避上述问题。为此，可以从第一空腔中侧向引出来自位于框架与基底晶片材料之间或者位于框架与顶盖晶片材料之间的第一器件结构的信号传导线的材料。
以下是可行的：MEMS器件具有器件顶面上的第二连接面。此外，MEMS器件还包括将第二器件结构与第二连接面连接起来的穿孔。其中，穿孔不需要穿过晶片材料。穿孔穿过薄层覆盖部的材料和/或第二空腔的覆盖部的另一层的材料或者说第二空腔的覆盖部的层叠堆的材料，就够了。
因此，特定而言，MEMS器件可以不包含穿过顶盖晶片的材料的穿孔。
第一和第二器件结构可选自SAW结构、BAW结构、GBAW结构、传声器振膜、传声器背板(Mikrofonrückplatte)和MEMS结构。
如果MEMS器件包括密封层，则该密封层的材料可完全或至少部分地选自介电材料、有机材料、氮化硅如Si3N4、氧化硅如SiO2、氧化铝如Al2O3。
如果MEMS器件包括增强层，则该增强层的材料可完全或至少部分地选自介电材料、有机材料、聚合物、BCB(苯并环丁烯)、无机材料、氮化硅如Si3N4、氧化硅如SiO2、氧化铝如Al2O3。
如果MEMS器件包括平坦化层，则该平坦化层的材料可完全或至少部分地选自介电材料、有机材料、聚合物、BCB、层压材料、无机材料、氮化硅如Si3N4、氧化硅如SiO2、氧化铝如Al2O3。
如果MEMS器件包括钝化层和/或重新布线层，则所述层的材料可完全或至少部分地选自介电材料、有机材料、聚合物、BCB、阻焊剂、无机材料、氮化硅如Si3N4、氧化硅如SiO2、氧化铝如Al2O3。
以下是可行的：MEMS器件在上方空腔的覆盖部中除薄层覆盖部外，还具有密封层、增强层、平坦化层、钝化层和重新布线层。此外，以下是可行的：覆盖部除薄层覆盖部外，还具有上述层中的仅另外一层、另外两层、另外三层或另外四层。
以下是可行的：器件的基底晶片和顶盖晶片由相同材料构成或者由热膨胀系数几乎相同的材料构成。
这能避免或防止制造或操作器件期间产生热诱导应力。如果顶盖晶片的材料或基底晶片的材料在不同空间方向上的膨胀程度不同，则有益的做法是选择能够使得相同方向上的膨胀程度大体相同的材料定向。举例而言，如果上述晶片包括相同材料，则优选使晶片的晶轴平行定向。
MEMS器件的侧面可经斜切处理。也就是说，器件的横截面向上减小。
一种具有提高的集成密度的MEMS器件的制造方法，可包括下列步骤：
-提供基底晶片，
-在基底晶片上产生第一器件结构和框架，
-提供顶盖晶片，
-在顶盖晶片上产生第二器件结构，
-将顶盖晶片布置在框架上并且在基底晶片、顶盖晶片和框架之间形成第一空腔，
-在第二器件结构上方形成薄层覆盖部。
特定而言，用于形成薄层覆盖部的步骤可包括下列分步骤：
-将牺牲材料施覆于第二器件结构上，
-借助层沉积工艺在牺牲材料上沉积薄层形式的薄层覆盖部，
-以结构化方式在薄层覆盖部中形成至少一个孔眼，
-移除薄层覆盖部下方的牺牲材料。
下面借助示意性附图详细阐述关于MEMS器件及其制造方法的基本理念和工作原理以及示例性的技术方案和实施方式。
其中：
图1：MEMS器件的简单实施方式，
图2：器件的另一实施方式，其顶面上提供连接可能性，
图3：制造器件时的第一中间步骤，
图4：制造器件时的第二中间步骤，
图5：制造器件时的另一中间步骤，
图6：另一中间步骤，
图7：另一中间步骤，
图8：另一中间步骤，
图9：另一中间步骤，
图10：制造器件上部时的另一中间步骤，
图11：将器件上部与器件下部接合的另一中间步骤，
图12：另一中间步骤，
图13：另一中间步骤，
图14：成品器件作为制造所得结果，
图15：MEMS器件的另一实施方式。
图1示出器件的一种可行实施方式，其中BAW器件结构作为第一器件结构设于第一空腔H1中，其他BAW器件结构作为第二器件结构设于第二空腔H2中。框架R用作间隔件，并且例如在以金属作为框架材料的情况下，在顶盖晶片DW与基底晶片BW之间起气密密封作用。第一器件结构直接设于基底晶片BW上。在第一空腔H1中的BAW结构与基底晶片BW之间同样可以进一步设置声反射层，但为清楚起见，图中未示出这样的声反射层。在顶盖晶片DW上，同样可以在第二器件结构下方设置声反射层。薄层覆盖部DSA向上限定第二空腔H2并覆盖第二器件结构。在薄层覆盖部DSA上设有具有平整顶面的平坦化层PS。信号传导线SL至少分段地在器件MB外侧延伸。这样一个信号传导线SL能够将各种器件结构相互连接起来，并且视情况将各种器件结构与外侧上(例如器件MB的顶面上)的连接垫连接起来。
特定而言，借助于在器件MB外侧延伸的信号传导线SL，能够避免穿过顶盖晶片DW的穿孔所带来的缺点。
图2示出器件的一种实施方式，其中器件的侧面经斜切处理，并且在斜切侧面上设有将器件结构与器件顶面上的接触面KF连接起来的信号传导线SL。第一器件结构BS1例示性地作为BAW器件结构被示出，第二器件结构BS2例示性地作为BAW器件结构被示出。除第一器件结构BS1外，第一空腔中还包含有其他器件结构。在顶盖晶片DW上方存在着与第二空腔H2并排布置的其他空腔，该其他空腔的构造与第二空腔H2大体相似。在平坦化层PS上方设有重新布线层US。通过穿孔DK与接触面KF连接的信号传导线区段在重新布线层中延伸。借助于重新布线层US可以大体上这样来选择接触面KF的位置，使得器件能够直接与外部电路环境的预设接触面连接，但仍能自由选择器件结构在器件中的位置。
图3示出制造相应的MEMS器件的第一中间步骤，其中第一器件结构BS1(在此例示性地作为BAW器件结构被示出)设于大面积的基底晶片BW上。
图4示出另一中间步骤，其中在基底晶片BW的顶面上设有附加的框架结构R。其中可以多重制作第一器件结构BS1和框架结构，意即，在将基底晶片分离成数个单一的器件区段之前。
图5示出另一中间步骤，其中第二器件结构设于顶盖晶片DW的顶面上。第二器件结构被薄层覆盖部覆盖，因而不需要在顶盖晶片DW的顶面上设置框架结构。作为替代，如图6所示，在第二器件结构上方产生牺牲材料OM并使其成形。其中，牺牲材料OM的形状基本上决定了未来的空腔H2的形状。
如图7所示，在牺牲层OM的材料上沉积薄层覆盖部DSA的材料。
图8示出另一中间步骤，其中在薄层覆盖部DSA中已通过结构化方式形成了孔眼L。
图9示出另一中间步骤，其中已通过薄层覆盖部中的孔眼移除了牺牲材料OM。
图10示出另一中间步骤，其中薄层覆盖部中的孔眼例如被密封层VS密封，薄层覆盖部DSA被增强层VST增强且被平坦化层PS覆盖。在平坦化层PS上方设置了重新布线层US。穿过平坦化层PS的材料的穿孔DK将顶盖晶片DW的顶面上的信号传导线与平坦化层PS的顶面上的信号传导线(即埋设于重新布线层US中的信号传导线)连接起来。借助于穿过重新布线层US的另一穿孔，可将器件结构与器件顶面上的接触面连接起来。器件可具有钝化层PAS。钝化层PAS可以是附加的一个层，并且可以是上述层中的一者。钝化层也可以与其余层中的一者(例如重新布线层US)相一致。
图11示出另一中间步骤，其中器件的上部(参见图5至图10)已经过分离处理并且与基底晶片BW上的框架结构R连接。利用框架R可以例如通过常用的结合方法将顶盖晶片DW与基底晶片BW连接起来。
图12示出另一中间步骤，其中器件的侧面ASF的区段经斜切处理。斜切时，顶盖晶片和平坦化层的材料被移除，使得基底晶片顶面上的信号传导线裸露。
图13相应示出如何通过沉积导电材料来将裸露的信号传导线相互连接起来。
图14示出成品器件，其中基底晶片最终也沿着预设的分离线被割断。器件顶面上的接触面被焊球占据，这样就能通过凸点连接BU实现与外部电路环境的连接。
图15示出MEMS器件的一种实施方式，其中在重新布线层US内部例示性地埋设有电感元件IE。在重新布线层US内部同样可设置其他电路元件，特别是无源电路元件。
所述器件及其制造方法不限于图示实施例。具有更多空腔、更多晶片或更多薄层覆盖部的器件以及相应更复杂的器件的制造方法同样为权利要求书所涵盖。
附图标记说明
ASF：斜切侧面
BS1：第一器件结构
BS2：第二器件结构
BU：凸点连接
BW：基底晶片
DK：穿孔
DSA：薄层覆盖部
DW：顶盖晶片
H1：第一空腔
H2：第二空腔
IE：电感元件
KF：接触面
L：孔眼
MB：MEMS器件
OM：牺牲材料
PAS：钝化层
PS：平坦化层
R：框架
SL：信号传导线
US：重新布线层
VS：密封层
VST：增强层
Claims (15)
1.一种MEMS器件(MB)，包括：
-基底晶片(BW)和设于所述基底晶片之上的顶盖晶片(DW)，
-设于所述基底晶片(BW)与所述顶盖晶片(DW)之间的第一空腔(H1)以及设于所述第一空腔(H1)中的第一器件结构(BS1)，
-设于所述顶盖晶片(DW)之上的第二空腔(H2)以及设于所述第二空腔(H2)中的第二器件结构(BS2)，
-侧向包围所述第一空腔(H1)的框架(R)，及
-覆盖所述第二空腔(H2)的薄层覆盖部(DSA)。
2.根据上一项权利要求所述的MEMS器件，进一步包括密封层(VS)，其中所述薄层覆盖部(DSA)包含孔眼(L)，所述密封层(VS)设于所述薄层覆盖部(DSA)上方并密封所述孔眼(L)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，进一步包括增强层(VST)，所述增强层设于所述薄层覆盖部(DSA)上方并增加所述薄层覆盖部的机械强度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，进一步包括平坦化层(PS)，所述平坦化层设于所述薄层覆盖部(DSA)上方并具有平整顶面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，进一步包括重新布线层(US)，所述重新布线层包含介电材料和信号传导线(SL)并且设于所述薄层覆盖部(DSA)上方。
6.根据上一项权利要求所述的MEMS器件，进一步包括电路元件，所述电路元件设于所述重新布线层中且选自：无源电路元件、电感元件、电容元件、电阻元件和带状线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，进一步包括钝化层(PAS)，所述钝化层设于所述薄层覆盖部(DSA)上方。
8.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，进一步包括所述器件(MB)的顶面上的第一电连接面以及信号传导线(SL)，所述信号传导线将所述第一器件结构(BS1)与所述第一连接面连接起来并且至少分段地在所述器件(MB)的外侧面(ASF)上延伸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，进一步包括所述器件(MB)的顶面上的第二连接面以及将所述第二器件结构(BS2)与所述第二连接面连接起来的穿孔(DK)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，不包含穿过所述顶盖晶片(DW)的穿孔(DK)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，其中所述第一器件结构(BS1)和所述第二器件结构(BS2)选自：SAW结构、BAW结构、GBAW结构、传声器振膜、MEMS结构。
12.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，包括：
-密封层(VS)，其材料选自：介电材料、有机材料、聚合物、BCB、无机材料、氮化硅、氧化硅、氧化铝；
-增强层(VST)，其材料选自：介电材料、有机材料、聚合物、BCB、无机材料、氮化硅、氧化硅、氧化铝；
-平坦化层(PS)，其材料选自：介电材料、有机材料、聚合物、BCB、层压材料、无机材料、氮化硅、氧化硅、氧化铝；
-钝化层(PAS)和/或重新布线层(US)，其材料选自：介电材料、有机材料、聚合物、BCB、阻焊剂、无机材料、氮化硅、氧化硅、氧化铝。
13.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS器件，其中所述基底晶片(BW)和所述顶盖晶片(DW)由相同材料构成或者由热膨胀系数几乎相同的材料构成。
14.一种制造MEMS器件(MB)的方法，包括下列步骤：
-提供基底晶片(BW)，
-在所述基底晶片(BW)上产生第一器件结构(BS1)和框架(R)，
-提供顶盖晶片(DW)，
-在所述顶盖晶片(DW)上产生第二器件结构(BS2)，
-将所述顶盖晶片(DW)布置在所述框架(R)上并且在所述基底晶片(BW)、所述顶盖晶片(DW)和所述框架(R)之间形成第一空腔(H1)，
-在所述第二器件结构(BS2)上方形成薄层覆盖部(DSA)。
15.根据上一项权利要求所述的方法，其中用于形成所述薄层覆盖部(DSA)的步骤包括下列分步骤：
-将牺牲材料(OM)施覆于所述第二器件结构(BS2)上，
-借助层沉积工艺在所述牺牲材料(OM)上沉积薄层形式的薄层覆盖部(DSA)，
-以结构化方式在所述薄层覆盖部(DSA)中形成至少一个孔眼(L)，
-移除所述薄层覆盖部(DSA)下方的所述牺牲材料(OM)。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20200214 Termination date: 20211218 |