CN211004545U

CN211004545U - 一种具有tsv结构的mems芯片

Info

Publication number: CN211004545U
Application number: CN201921987347.4U
Authority: CN
Inventors: 华亚平
Original assignee: Anhui Beifang Xindong Lianke Microsystem Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Xindong Lianke microsystem Co.,Ltd.
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2029-11-18

Abstract

本实用新型属于芯片封装的技术领域，公开了一种具有TSV结构的MEMS芯片，在盖板的深槽内壁上覆盖一层绝缘氧化层，使其成为氧化深槽，并在氧化深槽内充满深槽多晶硅，成为TSV结构，MEMS结构的电信号既可以通过第一键合金属块和TSV导电柱连接到顶层金属图形上，也可以通过第二键合金属块、金属导线和深槽多晶硅连接到顶层金属图形上，达到了一个TSV结构导通二路电信号的目的，MEMS芯片体积小，方便MEMS结构的设计。

Description

一种具有TSV结构的MEMS芯片

技术领域

本实用新型涉及一种MEMS圆片级气密性封装的工艺方法，具体是一种具有TSV结构的MEMS芯片，属于芯片封装的技术领域。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)芯片中通常具有可动结构，非常脆弱，需要通过密封空腔封装的方法保护，传统的封装方法是采用陶瓷管壳，金属管壳，预成型塑料管壳等进行空腔封装，但MEMS可动结构(简称MEMS结构)在封装过程中很容易受到污染或损伤，所以现在大部分MEMS芯片制造过程中，采用圆片级气密性封装的方法为MEMS结构加个盖板，将可动部分(即MEMS结构)保护起来，然后再进行与普通电子元器件类似的封装。圆片级封装技术是对制作有电子芯片的圆片进行整体封装，测试后再切割成单个电子芯片的加工技术。圆片级封装后的芯片后续加工方便，不需要1000级以上的超净环境，圆片切割时也不需要特殊保护，节约了加工成本。

TSV(Through-Silicon-Via)圆片级封装技术是圆片级气密性封装中芯片面积最小的一种，即在电子芯片的盖板圆片上直接制作深孔或深槽，将电信号从电子芯片中引出的方法，TSV结构为密封腔的一个组成部分。对于MEMS加速度计、陀螺仪、时钟等芯片，其结构材料通常为Si，盖板一般是用与MEMS结构相同的Si材料制作，上面制作有上凹腔。盖板的主要作用是与底板(底板上一般制作有下凹腔)一起，形成一个密封的空腔，向被密封于该空腔的MEMS结构提供一个可自由运动的空间，同时，还可保证MEMS结构不受外部环境的干扰。底板可以是集成电路芯片，也可以是不带电路的Si材料。

考虑到应力和后续加工的工艺兼容性问题，MEMS芯片TSV圆片级气密性封装通常在盖板圆片上制作环形深槽，经过氧化工艺形成绝缘深槽壁，再用掺杂多晶Si填埋深槽，形成TSV，真正起到引线作用的是由环形深槽包围的盖板Si部分；这个方法中，由于深槽蚀刻时的深宽比达到(20～30)：1，以及后续加工的要求，TSV的面积不能太小，根据不同的产品，TSV占整个MEMS芯片的面积可达40％，这就降低了TSV的优越性，而且为MEMS可动结构的设计带来诸多不变。

应用于集成电路等电子器件的TSV圆片级封装技术中，深槽中填充的一般是金属，没有空腔，也没有可动结构，专利CN201811494478、CN109461749A、CN109273403A、CN10868194U等专利都是关于集成电路圆片级封装的技术。

专利CN109686722A、CN109599378A描述的是带有TSV的集成电路封装转接载板技术，CN109671692A描述的是TSV露头制造技术，CN109560039A描述的是减少TSV热应力的方法，CN201821708520.8描述的是在盖板内部形成吸气剂和抗反射层的MEMS红外探测器的TSV芯片封装方法。

专利US9362139B2描述的是将MEMS结构密封在TSV盖板和集成电路底板围成的密封腔中，MEMS结构的电信号不是直接通过TSV引出，而是要通过水平方向的金属导线传输到导电柱，导电柱再通过水平方向的金属导线传输到TSV，这种方法面积大，而且一个TSV只能传输一路电信号。

专利US9611137B2描述的是CMOS-MEMS芯片背面制造TSV，在其上倒装集成电路芯片，专利US9422153B2、US9351081B2、US9196752B2描述的是MEMS芯片级封装后盖板上形成TSV引出电信号，TSV本身并不是MEMS气密性封装的构成部分。

US9318376B1描述的是沟槽内淀积重掺杂多晶Si，热扩散掺杂周边衬底Si材料形成低电阻率TSV导电柱的方法。

专利US9355895B2、US7915080B2描述的是电镀填充TSV的重布线方法，用于普通集成电路的圆片级封装。

图1展示的是现有的一种圆片级气密性封装的MEMS芯片，由底板125上表面的上凹腔120和盖板108下表面的下凹腔112构成的密封腔为MEMS结构140提供一个可自由活动的密封空间，MEMS结构层115与底板层125间有键合材料层118提供气密性机械连接，键合材料层118可以是导电材料，如铝，金，铜，金-锡合金等金属，也可以是绝缘材料，如二氧化硅。盖板108上的隔离沟110，将盖板108分隔为盖板区132和导电柱138，隔离沟110中填充有绝缘材料，如二氧化硅，或者二氧化硅与多晶硅的复合层。实际上导电柱138、隔离沟110和盖板区132共同构成了上盖板，导电柱138和隔离沟110构成了硅穿孔(TSV)单元，MEMS结构140的电信号通过键合金属102的导电区145、导电柱138和接触孔148，传输到顶层金属130上，每个TSV单元只能导通一路电信号，每个MEMS结构有多少路信号，就必须有多少个TSV单元。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有TSV结构的MEMS芯片，本实用新型的具有TSV结构的芯片与传统圆片级封装方法相比，每个TSV结构可以引出二路电信号，MEMS芯片面积做得更小，不仅降低成本，还方便MEMS结构的设计。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种具有TSV结构的MEMS芯片，由盖板、MEMS结构层和底板组成，盖板、MEMS结构层和底板的材料都是单晶硅，底板上至少有一个上凹腔，盖板上至少有一个下凹腔，上凹腔与下凹腔共同形成密封腔，MEMS结构层的MEMS结构位于密封腔中，并可在密封腔中自由活动；底板通过底板绝缘层与MEMS结构层机械连接，底板绝缘层的材料是SiO₂，盖板通过键合金属层与MEMS结构层键合；

所述的盖板由盖板密封区、TSV隔离槽、TSV导电柱和下凹腔区组成，TSV隔离槽位于盖板密封区与TSV导电柱以及TSV导电柱与下凹腔区之间，所述的TSV隔离槽由氧化深槽以及氧化深槽内填充的深槽多晶硅组成，所述的氧化深槽由盖板上蚀刻的深槽以及深槽内壁上覆盖的绝缘氧化层组成；

所述的MEMS结构层包括MEMS密封区、第一MEMS键合柱、第二MEMS键合柱和MEMS结构；

所述的键合金属层包括金属密封环、第一键合金属块、第二键合金属块和金属导线，其中密封金属环与MEMS密封区共晶键合，第一键合金属块与第一MEMS键合柱共晶键合，第二键合金属块与第二MEMS键合柱共晶键合，金属导线同时连接第二键合金属块和深槽多晶硅；

盖板上有绝缘层，绝缘层上蚀刻有接触孔，接触孔中露出TSV导电柱和深槽多晶硅；绝缘层及接触孔内淀积有顶层金属图形，MEMS结构的电信号一路通过第一键合金属块、TSV导电柱和接触孔中的顶层金属图形引出，另一路通过第二键合金属块、金属导线、深槽多晶硅和接触孔中的顶层金属图形引出。

本实用新型的具有TSV结构的MEMS芯片中与第一MEMS键合柱相连的MEMS结构的电信号，通过第一金属键合块、TSV导电柱和接触孔连接到顶层金属图形上；与第二MEMS键合柱相连的MEMS结构的电信号，通过第二金属键合块、金属导线、深槽多晶硅和接触孔连接到顶层金属图形上；这样，就达到了一个TSV结构导通二路电信号的目的。

所述的金属密封环、第一键合金属块和第二键合金属块处于同一平面上。

所述的键合金属层的材料是在低于500℃温度下与Si共晶键合的金属。

与现有技术相比，本实用新型的MEMS芯片在深槽内壁覆盖绝缘氧化层形成氧化深槽，并在氧化深槽内充满深槽多晶硅，形成TSV结构，使MEMS结构的电信号不仅能够通过第一金属键合块、TSV导电柱连接到顶层金属图形上，还可以通过第二金属键合块、金属导线和深槽多晶硅连接到顶层金属图形上，达到了一个TSV结构导通二路电信号的目的，MEMS芯片体积小，成本低。

附图说明

图1是现有的圆片级封装的MEMS芯片的剖视图。

图2—图3是底板圆片的制作过程。

图4—图6是MEMS结构圆片的制作过程。

图7—图14是具有TSV结构的盖板圆片的制作过程。

图15是键合圆片的制作过程。

图16是减薄圆片的制作过程。

图17—图20是成品圆片的制作过程。

图21是本实用新型具有TSV结构的MEMS芯片的剖视图。

图22是图21中M部的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

具有TSV结构的MEMS芯片7，如图21所示，包括底板1'、MEMS结构层18、键合金属层45、盖板3'、绝缘层60和顶层金属图形65a、65b、65c、65d；

底板1'的材料是单晶硅，其电阻率为0.001～0.1Ω*CM，厚度为300～500μm，底板1'上刻蚀有五个上凹腔15，上凹腔15的深度为10～100μm，上凹腔15将底板1'隔离为底板密封区16和支撑柱17，底板密封区16和支撑柱17上均有底板绝缘层12，底板绝缘层12的材料是SiO₂，厚度为1～2μm；

MEMS结构层18的材料也是单晶硅，厚度为10～100μm，MEMS结构层18包括MEMS密封区22、第一MEMS键合柱24a、第二MEMS键合柱24b和MEMS结构25，第一MEMS键合柱24a和第二MEMS键合柱24b的高度都为0.5～5μm，

底板1'通过底板绝缘层12与MEMS结构层18机械连接在一起，底板1'与MEMS结构层18之间没有电连接；

盖板3'的材料是单晶硅，盖板3'上有一个下凹腔32、两个TSV隔离槽40a和两个TSV隔离槽40b，TSV隔离槽40a、40b将盖板3'隔离为盖板密封区42、TSV导电柱43和下凹腔区44，所述的TSV隔离槽40a、40b由覆盖有绝缘氧化层36的氧化深槽37和氧化深槽37内填充的深槽多晶硅38a组成；

盖板3'通过键合金属层45与MEMS结构层18键合，键合金属层45的材料为可在低温区(低于500℃)与Si共晶键合的金属，如Au、Al、Au-Sn等，厚度为0.2μm～2μm，所述的键合金属层45包括金属密封环46、第一键合金属块47、第二键合金属块48、金属导线49四个部分，其中，第一键合金属块47与第二键合金属块48处于同一平面上，所述的密封金属环46与MEMS密封区22共晶键合，第一键合金属块47与第一MEMS键合柱24a共晶键合，MEMS结构25中与第一MEMS键合柱24a相连的部分的电信号通过第一键合金属块47连接到TSV导电柱43上；第二键合金属块48与第二MEMS键合柱24b共晶键合，金属导线49同时连接第二键合金属块48和深槽多晶硅38a，MEMS结构25中与第二MEMS键合柱24b相连的部分的电信号通过第二键合金属块48和金属导线49连接到TSV隔离槽40b中的深槽多晶硅38a上；盖板3'、密封金属环46、MEMS密封区22、底板绝缘层12以及底板1'共同围成一个密封腔53，为MEMS结构25提供一个自由活动的密封空间。

盖板3'上还制作有绝缘层60，绝缘层60的厚度微0.5～5μm，材料可以是CVD二氧化硅、CVD氮化硅、SOG、聚酰亚胺或者它们的组合，绝缘层60上蚀刻有接触孔62a、62b、62c和62d，其中接触孔62a和60d中露出TSV导电柱43，接触孔62b和62c中露出深槽多晶硅38a；绝缘层60上有顶层金属图形65a、65b、65c和65d，其中，顶层金属图形65a、65d都与TSV导电柱43相连，顶层金属图形65b、65c都与深槽多晶硅38a相连；顶层金属图形65a、65b、65c、65d起到导线和后续封装中的金属压焊块的作用。

从图21可以看出，MEMS结构25中与第一MEMS键合柱24a相连的第一路信号，通过第一金属键合块47、TSV导电柱43连接到顶层金属图形65a、65d上；相似地，MEMS结构25中与第二MEMS键合柱24b相连的第二路信号，通过第二金属键合块48、金属导线49、TSV隔离槽40b内的深槽多晶硅38a连接到顶层金属图形65b、65c上；这样，就达到了一个TSV结构导通二路电信号的目的。

为了更清楚地说明一个TSV结构引出二路电信号的方法，图22展示了图21中M部分的俯视图，图中未画出绝缘层60，TSV隔离槽40a和40b实际上是圆形或椭圆形环状TSV结构59的隔离槽两侧，深槽多晶硅38a由环形氧化深槽37与TSV导电柱43和盖板3'的其他部分形成电隔离，当然，TSV导电柱43与盖板3'的其他部分也由TSV隔离槽40a、40b形成电绝缘；顶层金属图形65c引出深槽多晶硅38a的电信号，顶层金属图形65d引出TSV导电柱43的电信号。

上述具有TSV结构的MEMS芯片的圆片级气密性封装方法，包括以下步骤：

(1)制作底板圆片1：

采用重掺杂的单晶硅圆片作为底板圆片基板10，底板圆片基板10的电阻率为0.001～0.1Ω*CM，厚度在300～500μm，通过热氧化工序在底板圆片基板10表面生长1～2μmSiO₂作为底板绝缘层12，如图2所示，底板绝缘层12在后续工序中起到绝缘作用；

在生长有底板绝缘层12的底板圆片基板10的表面进行涂胶、曝光、显影、刻蚀SiO₂和Si、去胶、清洗等加工工序，刻蚀出上凹腔15，其深度在10～100μm；如图3所示，同时，刻蚀时被光刻胶保护的地方形成底板密封区16和支撑柱17，它们表面的底板绝缘层12形成绝缘键合面12a，至此，就完成了底板圆片1的制作。

(2)制作MEMS结构圆片2：

在图3所示的底板圆片1上键合一个双面抛光的单晶硅圆片，双面抛光的单晶硅圆片的电阻率为0.001～0.1Ω*CM，导电性能良好，其厚度在300～500μm，经过研磨和抛光工序，将其减薄到10～100μm，形成MEMS结构层18，如图4所示，MEMS结构层18通过绝缘键合面12a与底板密封区16和支撑柱17机械连接在一起，但没有电连接；

在MEMS结构层18上进行涂胶、曝光、显影、刻蚀Si、去胶、清洗等加工工序，形成MEMS键合柱24和MEMS密封区22，如图5所示，MEMS键合柱24的高度在0.5～5μm；

继续在MEMS结构层18上进行涂胶、曝光、显影、刻蚀Si、去胶、清洗等加工工序，形成MEMS结构25，如图6所示，MEMS键合柱24和MEMS密封区22被光刻胶保护，未被刻蚀，MEMS键合柱24对应的区域就成为MEMS结构的锚点27，这样，就制作完成了MEMS结构圆片2。

(3)制作具有TSV结构的盖板圆片3：

采用另一个双面抛光的单晶硅圆片作为盖板圆片基板30，其电阻率为0.001～0.1Ω*CM，导电性能良好，圆片厚度在300～800μm，如图7所示，在其内表面30a上进行涂胶、曝光、显影、刻蚀Si、去胶、清洗等加工工序，形成下凹腔32，其深度在1～2μm；

在制作有下凹腔32的盖板圆片基板30的内表面30a上进行涂胶、曝光、显影、刻蚀Si、去胶、清洗等加工工序，形成深槽34，如图8所示，其宽度为3～15μm，深度为50～300μm，作为硅穿孔(TSV)的电信号隔离沟，下凹腔32在刻蚀时被光刻胶保护，未被蚀刻；

热氧化盖板圆片基板30，在整个盖板圆片基板30的表面形成绝缘氧化层36，绝缘氧化层36的厚度与下凹腔32的深度相等，深槽34表面也被绝缘氧化层36覆盖，形成氧化深槽37，如图9所示；由于热氧化时，每生成1μm SiO₂层，需要消耗大约0.45μmSi，假设下凹腔32的深度为h，绝缘氧化层36的厚度也为h，则下凹腔32内绝缘氧化层表面36a要比热氧化前下凹腔32的表面32a高出0.55h，也就是比热氧化前盖板圆片基板30的内表面30a低0.45h，如图10所示，同时，除下凹腔32外的其它部分上的绝缘氧化层36下面的氧化界面35比热氧化前盖板圆片基板30的内表面30a低0.45h，所以下凹腔32内的绝缘氧化层表面36a与其它部分的氧化界面35处在相同的水平线上；

在热氧化后的盖板圆片基板30的绝缘氧化层36上淀积原位(in-situ)掺杂的多晶硅38，同时，氧化深槽37内也填充满深槽多晶硅38a，如图11所示；重掺杂的多晶硅是良好的导电材料，在现有技术中，常利用重掺杂多晶硅的热流动性填充TSV内的空隙，本实用新型中，除了填充TSV空隙外，还利用它作为导线，将MEMS信号引出密封腔；

回蚀多晶硅38，将绝缘氧化层表面36a的多晶硅38全部除去，此时，只有氧化深槽37内的深槽多晶硅38a被保留下来，如图12所示；所谓回蚀，就是在没有光刻胶作掩模的情况下，将多晶硅整体均匀地刻蚀；

在除去多晶硅38的绝缘氧化层36上进行涂胶、曝光、显影、刻蚀SiO₂、去胶、清洗等加工工序，刻蚀掉部分绝缘氧化层36，形成盖板密封区42、TSV导电柱43和下凹腔区44，光刻胶保护下没有被刻蚀的区域形成TSV隔离槽40a和40b，如图13所示；

继续加工盖板圆片基板30，在其上通过溅射、蒸发、或电镀工序淀积键合金属层45，其材料为可在低温区(低于500℃)与Si共晶键合的金属，如Au、Al、Au-Sn等，厚度为0.2μm～2μm；然后通过涂胶、曝光、显影、刻蚀SiO₂、去胶、清洗等加工工序，将键合金属层45分割为金属密封环46、第一键合金属块47、第二键合金属块48、金属导线49四个部分，如图14所示，金属密封环46位于盖板密封区42上方，第一键合金属块47位于TSV导电柱43上方，第二键合金属块48位于下凹腔32内的绝缘氧化层36上方，金属导线49连接第二键合金属块48，并与TSV内的深槽多晶硅38a形成电接触面49a，第二键合金属块48与深槽多晶硅38a有电连接，第一键合金属块47与第二键合金属块48处于同一平面上，这样就形成了具有TSV结构的盖板圆片3。

(4)制作具有TSV结构的键合圆片4：

将具有TSV结构的盖板圆片3和MEMS结构圆片2对准键合，形成具有TSV结构的键合圆片4，如图15所示，盖板圆片3上的第一键合金属块47与MEMS结构圆片2的第一MEMS键合柱24a上的Si共晶键合，形成第一导电键合面57，MEMS结构25中与第一MEMS键合柱24a相连的部分的电信号就连接到TSV结构的TSV导电柱43上；盖板圆片3上的第二键合金属块48与MEMS结构圆片2的第二MEMS键合柱24b上的Si共晶键合，形成第二导电键合面58，MEMS结构25中与第二MEMS键合柱24b相连的部分的电信号通过第二导电键合面58、金属导线49和电接触面49a，连接到TSV隔离槽40b中的深槽多晶硅38a上；盖板圆片3上的密封金属环46与MEMS密封区22上的Si共晶键合，形成密封键合面55，盖板圆片3、密封金属环46、密封键合面55、MEMS密封区22、底板绝缘层12以及底板圆片1围成一个密封腔53，为MEMS结构25提供一个自由活动的密封空间。

(5)制作减薄圆片5：

研磨和抛光键合圆片4的盖板圆片3，露出深槽多晶硅38a，形成盖板外表面30e，形成减薄圆片5，如图16所示，此时TSV导电柱43与盖板圆片3的其它部分由TSV隔离槽40a、40b电绝缘，形成完整的TSV结构59，起到绝缘作用的是氧化深槽37。

(6)制作成品圆片6：

在减薄圆片5的盖板外表面30e上制作绝缘层60，如图17所示，其厚度通常在0.5～5μm，材料可以有多种选择，如CVD二氧化硅、CVD氮化硅、SOG、聚酰亚胺等，或者它们的组合；

通过涂胶、曝光、显影、刻蚀、去胶、清洗等加工工序，在绝缘层60表面形成接触孔62a、62b、62c和62d，其中接触孔62a和60d中露出TSV导电柱43，接触孔62b和62c中露出深槽多晶硅38a，如图18所示；

在制作有接触孔62a、62b、62c和62d的绝缘层60上淀积顶层金属65，作为金属连线和封装压焊块的材料，如图19所示，接触孔62a、62b、62c和62d都被顶层金属65填充，深槽多晶硅38a和TSV导电柱43都与顶层金属65相连；

通过涂胶、曝光、显影、刻蚀、去胶、清洗等加工工序，将顶层金属65蚀刻成顶层金属图形65a、65b、65c和65d，如图20所示，其中，顶层金属图形65a、65d都与TSV导电柱43相连，顶层金属图形65b、65c都与深槽多晶硅38a相连；顶层金属图形65a、65b、65c、65d起到导线和后续封装中的压焊金属块的作用，这样就制作完成了成品圆片6。

(7)切割形成具有TSV结构的MEMS芯片7：

用普通的圆片切割方法切割成品圆片6，形成具有TSV结构的MEMS芯片7，其中底板圆片1切割成为MEMS芯片7的底板1'，盖板圆片3切割成为MEMS芯片7的盖板3'，如图21所示。

Claims

1.具有TSV结构的MEMS芯片，由盖板、MEMS结构层和底板组成，盖板、MEMS结构层和底板的材料都是单晶硅，底板上至少有一个上凹腔，盖板上至少有一个下凹腔，上凹腔与下凹腔共同形成密封腔，MEMS结构层的MEMS结构位于密封腔中，并可在密封腔中自由活动；底板通过底板绝缘层与MEMS结构层机械连接，底板绝缘层的材料是SiO₂，盖板通过键合金属层与MEMS结构层键合，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的具有TSV结构的MEMS芯片，其特征在于：所述的键合金属层的材料是在低于500℃温度下与Si共晶键合的金属。

3.根据权利要求2所述的具有TSV结构的MEMS芯片，其特征在于：所述的键合金属层的材料是Au、Al或Au-Sn。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有TSV结构的MEMS芯片，其特征在于：盖板的下凹腔表面也覆盖有绝缘氧化层，所述的第二键合金属块位于下凹腔的绝缘氧化层上。

5.根据权利要求4所述的具有TSV结构的MEMS芯片，其特征在于：所述的金属密封环、第一键合金属块和第二键合金属块处于同一平面上。