CN110002396A - 一种晶圆级三层结构的封装方法 - Google Patents

一种晶圆级三层结构的封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种晶圆级三层结构的封装方法，包括：制备上层晶圆结构、中间层晶圆结构和下层晶圆结构；对中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面进行等离子体活化处理；利用键合机将中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面对准，对中间层晶圆结构和下层晶圆结构进行预键合，实现常温下的硅硅直接键合；利用键合机将中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面对准，对中间层晶圆结构和上层晶圆结构进行热压键合，得到晶圆级三层结构，所述热压键合使得中间层晶圆结构和上层晶圆结构键合在一起，同时为所述预键合提供退火的过程，使所述预键合达到需求的键合强度和键合区域。本发明仅通过一次具有压力和温度的键合过程即可获得晶圆级三层结构。

Description

一种晶圆级三层结构的封装方法
技术领域
本发明涉及半导体制造及微电子器件封装技术领域，更具体地，涉及一种晶圆级三层结构的封装方法。
背景技术
随着高集成度、高性能、微型化的需求越来越大，MEMS器件单颗进行封装的成本越来越大，而晶圆级封装，可以大大地提高效率，降低成本。在封装的同时，通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。
常用的晶元键合技术包括：玻璃浆料键合、聚合物粘合键合、直接键合、阳极键合、热压键合、固液互扩散键合。其中：玻璃浆料键合、聚合物粘合键合以及固液互扩散键合不能满足高集成度、高性能、微型化的需求；阳极键合由于键合过程中静电力过大可能会破坏脆弱结构。所以，对于高集成度、高性能、微型化的脆弱MEMS器件而言，热压键合和直接键合是较为合适的键合方式。
公开号为CN 1817784A的中国专利公开报道了一种凸点连接气密封装微机械系统器件的结构及制作方法，该发明基于一种硅/硅/玻璃的三层结构进行直接键合和阳极键合，将MEMS可动结构包封在中间，从而提高MEMS器件气密封装的气密特性和输出的电性能。公开号为CN 101867080A的中国专利公开报道了一种体硅微机械谐振器及制作方法，该发明是基于三层硅结构图形化黏胶键合，实现晶圆级气密封装。公开号为CN 102122935A的中国专利公开报道了一种具有亚微米间隙微机械谐振器及制作方法，该专利是基于具有中间层的三层硅结构进行晶圆级键合，在器件结构制作完成的同时实现了气密封装。目前的三层结构晶圆级键合都是通过复杂的工艺进行两次分别的键合，两次的键合过程可能会引入热应力问题，例如热应力过大会直接导致样品键合失败，降低成品率，同时较为复杂的封装程序也决定了较高的封装时间和经济成本。暂无相关技术能够通过一次性热压键合获得具有垂向信号引出的晶圆级三层气密结构。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决目前的三层结构晶圆级键合通过两次分别键合实现封装，两次的键合过程可能会引入热应力问题，降低成品率，同时较为复杂的封装需要较高的封装时间和经济成本的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种晶圆级三层结构的封装方法，包括以下步骤：
(1)制备上层晶圆结构、中间层晶圆结构和下层晶圆结构；
(2)对中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面进行等离子体活化处理；
(3)利用键合机将中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面对准，对中间层晶圆结构和下层晶圆结构进行预键合，实现常温下的硅硅直接键合；
(4)利用键合机将中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面对准，对中间层晶圆结构和上层晶圆结构进行热压键合，得到晶圆级三层结构，所述热压键合使得中间层晶圆结构和上层晶圆结构键合在一起，同时为所述预键合提供退火的过程，使所述预键合达到需求的键合强度和键合区域。
具体地，预键合指常温直接键合过程，热压键合是在具有压力和温度条件下的键合过程。常温直接键合的键合强度和键合区域都达不到所需要的要求，需要再进行一步退火工艺来使其达到相关的要求。热压键合的过程中，预键合中没有键合上的区域也已经全部键合上，且键合的强度大大提高。
通过一次具有压力和温度的热压键合既使中间层和上层键合在一起，又能够在这次的热压过程中对之前的预键合提供退火的过程，使得其达到需求的键合强度和键合区域。一次的热压过程可以大大的降低器件封装所引入的热应力问题(热应力过大会直接导致样品键合失败)，提高圆片级键合的成品率，同时能够简化封装的流程，降低封装的成本。
在一个可能的实例中，该方法还包括如下步骤：
(5)在上层晶圆结构中制备垂向信号引出通孔，所述垂向信号引出通孔用于将封装后的三层结构的电信号垂向引出；
(6)划片机对所述晶圆级三层结构划片，获得独立的MEMS器件。
在一个可能的实例中，所述中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面均包括氧化层。
在一个可能的实例中，所述中间层晶圆结构和上层晶圆结构通过金属种子层热压键合。
在一个可能的实例中，所述步骤(5)可提前至步骤(1)之前进行。
在一个可能的实例中，所述下层晶圆结构为裸硅片或带有腔体的硅片结构。
在一个可能的实例中，所述中间层晶圆结构还包括活动开口结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明将传统的多次复杂键合工艺进行改进，使之通过一次具有压力和温度的键合过程即可获得晶圆级三层结构。
2、本发明通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。
3、本发明将MEMS的中间器件层包封在中间，在键合上下层时，可选择制备腔体，能够对器件提供气密封装。
4、本发明与其他的晶圆级三层键合工艺相比较没有增加较复杂的步骤，仅仅通过一次具有压力和温度的键合过程即可获得晶圆级三层结构，制作步骤简单，制备成本低，可实现大规模生产。
5、本发明的各个工艺流程之间并无严格的固定关系，可提供各种灵活的实际使用方案。
附图说明
图1是本发明实施例的晶圆级三层封装结构示意图；
图2(a)是本发明实施例提供的中间层结构的硅基底以及图形化的金属焊盘示意图；
图2(b)是本发明实施例提供的中间层结构的硅基底刻蚀后的结构示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的下层结构为裸硅片的结构的一种加工方法流程示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的下层结构为带腔体结构的硅片结构示意图；
图4(a)是本发明实施例提供的上层结构的硅基底以及图形化的金属焊盘示意图；
图4(b)是本发明实施例提供的上层结构的硅基底刻蚀后示意图；
图4(c)是本发明实施例提供的上层结构的硅基底刻蚀出垂直信号引出通孔的结构示意图；
图5(a)是本发明实施例提供的中间层结构和下层结构之间无压力和温度引入的预键合后的结构示意图；
图5(b)是本发明实施例提供的一种热压键合后的三层结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种热压键合后的三层结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，100为硅基底，101为氧化层，102为金属焊盘，103为中间结构层刻蚀的窗口，200为下层结构刻蚀的腔体，300为上层结构刻蚀的腔体，301为上层结构的信号引出通孔，400为分离器件后的金属引线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的目的在于提供一种能够通过一次性热压键合获得具有垂向信号引出的晶圆级三层气密结构的方法，使得三层结构只经历一次具有压力和温度的键合过程，降低由键合引入的热应力，减少由互联引入的寄生电容和芯片面积。
为实现上述目的，本发明提供一种新型晶圆级三层结构封装的方法，包括以下步骤：
(1)制备上层，中间层和下层结构；
(2)对中间层的背面和下层的正面进行等离子体活化处理；
(3)利用键合机对准将中间层和下层对准，进行预键合；
(4)将预键合的中间层正面和上层背面利用键合机进行热压键合；
(5)对上层进行垂向通孔的制备；
(6)划片机划片，获得独立的MEMS器件。
具体地，预键合先对中间层和下层起到位置固定的作用，为后续的三层一次性具有压力和温度的热压键合做准备。后面的热压键合对预键合提供一个退火的过程，增加其键合强度和键合区域大小。
本发明将垂向信号引出、晶圆级直接键合和热压键合有机结合，不仅能够实现气密封装，节约封装的成本，减小热应力引入的失败率，简化了工艺步骤，而且还与已有的MEMS其他工艺之间相互兼容。
可选地，所述的步骤(5)可提前至步骤(1)进行，即垂向通孔的制备可以在键合之前制备，也可以在键合之后制备。
可选地，所述垂向通孔的制备可以是干法刻蚀制备，也可以是湿法刻蚀制备。
可选地，所述中间层和下层结构均为硅材料，减少了由于不同材料热膨胀系数不匹配引入的应力。
可选地，所述在晶圆级三层结构在键合中只引入一次具有压力和温度的键合过程，大大减少了由于键合引入的时间成本和热应力问题。
可选地，通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。
可选地，下层结构可以是裸硅片，只对中间层器件提供机械保护，也可以是带有腔体的结构，提供气密封装。
本发明公开一种新型晶圆级三层结构封装的方法，属于半导体芯片封装领域。该晶圆级三层结构通过包括以下步骤的方法制备：采用硅硅直接键合，将含有MEMS芯片的中间层结构和下层结构预键合在一起，然后，将已经键合在一起的两层结构通过热压键合和上层结构的MEMS结构键合在一起；在上层键合前或者键合后进行垂向信号引出通孔的制备。所形成的具有垂向信号引出的三层结构，将MEMS的中间器件层包封在中间，在键合上下层时，可选择制备腔体，还能够对器件提供气密封装。通过热压键合的过程给中间MEMS器件层和下层结构之间的直接键合提供退火的过程，使得整个三层结构在键合中只引入一次具有压力和温度的键合过程，大大减少了由于键合引入的时间成本和热应力问题。通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，将垂向信号引出、晶圆级直接键合和热压键合有机结合，不仅能够实现气密封装，节约封装的成本，减小热应力引入的失败率，简化了工艺步骤，而且还与已有的MEMS其他工艺之间相互兼容。
具体地，整个制备过程包括如下步骤：(1)制备上、中、下三层晶圆结构；(2)采用硅硅直接键合，将含有MEMS芯片的中间层结构和下层结构预键合在一起；(3)将键合在一起的两层结构通过热压键合和上层结构键合在一起即可获得具有垂向信号引出的三层结构。
优选地，垂向信号引出通孔的制备可以在键合之前制备，也可以在键合之后制备。
优选地，所述垂向信号引出通孔的制备可以是干法刻蚀制备，也可以是湿法刻蚀制备。
优选地，所述中间层和下层结构均为硅材料，减少了由于不同材料热膨胀系数不匹配引入的应力。
优选地，所述在晶圆级三层结构在键合中只引入一次具有压力和温度的键合过程，大大减少了由于键合引入的时间成本和热应力问题。
优选地，通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。
可选地，下层结构可以是裸硅片，只对中间层器件提供机械保护，也可以是带有腔体的结构，提供气密封装。
所形成的具有垂向信号引出的三层结构，将MEMS的中间器件层包封在中间，在键合上下层时，可选择制备腔体，还能够对器件提供气密封装。通过热压键合的过程给中间MEMS器件层和下层结构之间的直接键合提供退火的过程，使得整个三层结构在键合中只引入一次具有压力和温度的键合过程，大大减少了由于键合引入的时间成本和热应力问题。通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。
本发明通过将垂向信号引出、晶圆级直接键合和热压键合有机结合，实现了具有垂向信号引出的晶圆级三层结构的封装。具体地，中下两层通过直接键合，然后和上层进行热压键合，获得三层键合结构，垂向信号的引出可以在上层键合前，也可以是在上层键合之后，最后的结果都将得到具有垂向信号引出的晶圆级三层结构。
在具体的示例中，本发明提供的具有垂向信号引出的晶圆级三层结构包括：下层结构、中层结构、上层结构、金属焊盘、垂向信号引出的通孔结构。上层结构上有氧化层，在氧化层之上为金属焊盘，为了增强焊盘与硅基底的粘附性，焊盘最底层与硅基底接触的是粘附层金属铬，在粘附层上方是热压键合所用的种子层金属。为了实现一次具有压力和温度的键合过程，先对中层和下层结构进行预键合，然后，对预键合在一起的中下层和上层通过热压键合键合在一起，得到具有垂向信号引出的晶圆级三层结构。
优选地，整个制备步骤包括如下步骤：制备上、中、下三层晶圆结构；采用硅硅直接键合，将中间层结构和下层结构预键合在一起；将键合在一起的两层结构通过热压键合和上层结构键合在一起即可获得具有垂向信号引出的三层结构。
优选地，键合区域的面积与形状可以根据需求任意选择，面积可以从平方微米量级到平方毫米量级。
优选地，热压键合的材料可根据不同情况而定。
优选地，垂向信号引出通孔的制备可以在键合之前制备，也可以在键合之后制备，视具体情况而定。
优选地，垂向信号引出通孔的制备可以是湿法腐蚀制备，也可以采用干法刻蚀的工艺制备，视具体情况而定。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
作为具体的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5以及图6所示，具体如图1所示，本发明实现一种具有垂向信号引出的三层晶圆级结构的封装，包括：硅基底100，氧化层101，金属层102，中间层所需的活动开口103，下层所需腔体200，上层所需腔体300，垂直信号引出的通孔301以及后期的金属引线400。
实施例1
本发明通过将垂向信号引出、晶圆级直接键合和热压键合有机结合，实现了具有垂向信号引出的晶圆级三层结构的封装，包括如下步骤：
(1)中间层结构的制备：
(1-1)利用刻蚀或者剥离的方法在硅基底表面制备零散的金属焊盘(如图2(a))。
例如，铬膜厚度为20nm，金膜厚度为300nm。
(1-2)在所述金膜上制备图形化的光刻胶掩膜，所述光刻胶掩膜的布局与所述金属焊盘102的位置相关，利用深刻蚀出中间层所需的活动开口，去除光刻胶掩膜(如图2(b))。
(2)下层结构的制备：
采用等离子体活化的方式对下层和中间层硅片的背面进行表面处理，使得表面具有较高的亲水性；
需要说明的是，下层的结构可是裸硅片(如图3(a))，也可以是带有腔体结构的硅片(如图3(b))。
(3)上层结构的制备：
(3-1)利用刻蚀或者剥离的方法在硅基底表面制备零散的金属焊盘(如图4(a))。
例如，铬膜厚度为20nm，金膜厚度为300nm。
(3-2)在所述金膜上制备图形化的光刻胶掩膜，所述光刻胶掩膜的布局与所述金属焊盘102的位置相关，利用干法刻蚀或湿法刻蚀出上层所需的腔体，去除光刻胶掩膜(如图4(b))。
(3-3)在制备了腔体和金属层的上层结构上采用湿法腐蚀或是干法刻蚀的方式制备垂直信号引出的通孔(如图4(c))。
需要说明的是，上层的结构制备过程中的3-1、3-2和3-3的制备顺利并不一定是上述所述，可视具体情况而定。
(4)三层结构的键合过程：
先对中层和下层结构进行预键合，如图5(a)，然后，对预键合在一起的中下层和上层通过热压键合键合在一起，如图5(b)和图6所示，其中，图5(b)表示垂向信号引出通孔的制备在键合之前进行，图6表示垂向信号引出通孔的制备在键合之后进行。
需要说明的是，上层的结构中的垂向信号引出的通孔可以在步骤(3)中进行，也可以在步骤(4)之后进行，可视具体情况而定。
(5)将三层键合的圆片进行划片，独立成单个器件进行金属打线，金属打线进行信号的引出，如图1所示。
本发明实现一次具有压力和温度的键合过程，先对中层和下层结构进行预键合，然后，对预键合在一起的中下层和上层通过热压键合键合在一起，得到具有垂向信号引出的晶圆级三层结构，整个三层结构在键合中只引入一次具有压力和温度的键合过程，大大减少了由于键合引入的时间成本和热应力问题。通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。本发明将垂向信号引出、晶圆级直接键合和热压键合有机结合，不仅能够实现气密封装，节约封装的成本，减小热应力引入的失败率，简化了工艺步骤，而且还与已有的MEMS其他工艺之间相互兼容。
本发明公开一种新型晶圆级三层结构封装的方法，属于半导体芯片封装领域。该封装方法具有垂向信号引出的功能；采用硅硅直接键合，将芯片的中间层结构和下层结构预键合在一起，然后，将已将键合在一起的两层结构通过热压键合和上层结构键合在一起；在上层键合前或者键合后进行垂向信号引出通孔的制备。所形成的具有垂向信号引出的三层结构，将中间器件层包封在中间，在键合上下层时，可选择制备腔体，还能够对器件提供气密封装。通过热压键合的过程给中间器件层和下层结构之间的直接键合提供退火的过程，使得整个三层结构在键合中只引入一次具有压力和温度的键合过程，大大减少了由于键合引入的时间成本和热应力问题。通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。本发明将垂向信号引出、晶圆级直接键合和热压键合有机结合，不仅能够实现气密封装，节约封装的成本，减小热应力引入的失败率，简化了工艺步骤，而且还与已有的MEMS其他工艺之间相互兼容。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备上层晶圆结构、中间层晶圆结构和下层晶圆结构；
(2)对中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面进行等离子体活化处理；
(3)利用键合机将中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面对准，对中间层晶圆结构和下层晶圆结构进行预键合，实现常温下的硅硅直接键合；
(4)利用键合机将中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面对准，对中间层晶圆结构和上层晶圆结构进行热压键合，得到晶圆级三层结构，所述热压键合使得中间层晶圆结构和上层晶圆结构键合在一起，同时为所述预键合提供退火的过程，使所述预键合达到需求的键合强度和键合区域。
2.根据权利要求1所述的晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，还包括如下步骤：
(5)在上层晶圆结构中制备垂向信号引出通孔，所述垂向信号引出通孔用于将封装后的三层结构的电信号垂向引出；
(6)划片机对所述晶圆级三层结构划片，获得独立的MEMS器件。
3.根据权利要求1所述的晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，所述中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面均包括氧化层。
4.根据权利要求1所述的晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，所述中间层晶圆结构和上层晶圆结构通过金属种子层热压键合。
5.根据权利要求2所述的晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，所述步骤(5)可提前至步骤(1)之前进行。
6.根据权利要求1所述的晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，所述下层晶圆结构为裸硅片或带有腔体的硅片结构。
7.根据权利要求1所述的晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，所述中间层晶圆结构还包括活动开口结构。
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