CN219351696U

CN219351696U - 一种半导体器件及包含其的电子设备

Info

Publication number: CN219351696U
Application number: CN202223593372.9U
Authority: CN
Inventors: 唐滨; 赖志国; 杨清华
Original assignee: Suzhou Huntersun Electronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Zhenxin Microelectronics Co ltd
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2032-12-30

Abstract

本实用新型提供一种半导体器件，包括：衬底，所述衬底中形成有第一凹陷部和第二凹陷部；所述第一凹陷部的深度小于所述第二凹陷部的深度；钝化层，所述钝化层形成在所述衬底的第一表面上；支撑柱，所述支撑柱形成在所述钝化层上；第一密封层，所述第一密封层架设在支撑柱上；所述第一密封层与所述支撑柱配合形成顶部空腔。本实用新型有助于通过第一和第二密封层替代晶圆盖板，避免使用金金键合，降低了封装成本；简化制作工艺，减小器件体积。

Description

一种半导体器件及包含其的电子设备

技术领域

本实用新型涉及电子领域，更具体而言，涉及一种半导体器件。

背景技术

薄膜体声波谐振器作为一种新型的MEMS器件，具有体积小、质量轻、插入损耗低、频带宽以及品质因子高等优点，很好地适应了无线通信系统的更新换代，因此薄膜体声波谐振器技术成为通信领域的研究热点之一。由所述薄膜体声波谐振器组成的滤波器被广泛用于许多装置中。

参阅图1，图1示出了现有技术中包含薄膜体声波谐振器的器件封装结构示意图。如图1所示，现有技术中包含薄膜体声波谐振器的体声波滤波器的晶圆级封装结构主要采用硅(Si)盖板和金-金(Au-Au)键合工艺实现。具体地，提供具有谐振空腔12的高阻单晶硅(Si)衬底11，在所述硅(Si)衬底11顶面上形成谐振器13、与谐振器电连接的呈点状阵列的金(Au)焊盘14、以及在所述金

(Au)焊盘14外围用作保护挡坝的连续或间断的环形金(Au)层；然后在与所述硅(Si)衬底11类似的高阻硅(Si)盖板16下方形成对应的金(Au)键合点/线15、17；通过金-金(Au-Au)键合工艺将硅(Si)盖板16与Si衬底11压合，通过金刚石磨轮研磨的工艺方法减薄所述硅(Si)盖板16的顶面，最后利用穿硅通孔(TSV)工艺形成接触塞18以电连接所述金(Au)焊盘14。然后在减薄的所述硅(Si)盖板16的上方进行重布线(RDL)，然后在所述重布线

(RDL)19上进行植球从而形成所述体声波滤波器的晶圆级封装。

现有技术中在体声波滤波器制作过程中，所述硅(Si)衬底11和所述硅(Si)盖板16都是用高阻硅片进行工艺加工得到。导致现有含有FBAR滤波器/双工器的射频模组集成度差、体积较大，以及采用金-金(Au-Au)键合工艺进行密封导致体声波滤波器的封装成本较高。

发明内容

本实用新型针对上述技术问题，设计出了一种新颖的器件封装，其能克服现有技术中存在的上述技术问题。

在下文中将给出关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本实用新型一方面提供一种半导体器件，包括：衬底，所述衬底中形成有第一凹陷部和第二凹陷部；所述第一凹陷部的深度小于所述第二凹陷部的深度；钝化层，所述钝化层形成在所述衬底的第一表面上；支撑柱，所述支撑柱形成在所述钝化层上；第一密封层，所述第一密封层架设在支撑柱上；所述第一密封层与所述支撑柱配合形成顶部空腔。

进一步的，还具有第二密封层，所述第二密封层覆盖在所述第一密封层上；所述第一密封层和第二密封层构成所述器件的封装盖层。

进一步的，所述第一密封层和第二密封层的厚度比为1:2-1:3。

进一步的，所述第一密封层与所述支撑柱的侧面的第一部分接触。

进一步的，所述支撑柱为圆环形，以使得所述支撑柱的侧面积最大。

进一步的，所述支撑柱为氮化硅支撑柱；所述第一密封层为氮化硅密封层。

进一步的，所述第二密封层为二氧化硅密封层。

进一步的，所述钝化层为氮化硅层或氧化硅层。

进一步的，所述第一凹陷部位于所述衬底的元件区域，所述第二凹陷部贯通所述衬底。

进一步的，所述第二凹陷部中形成导电柱，在所述衬底的第二表面上形成与所述导电柱连接的凸块。

进一步的，所述元件区域形成有体声波谐振器，所述体声波谐振器包括上电极、下电极，以及形成在上电极和下电极之间的压电层。

本实用新型的另一方面提供一种电子设备，其中所述电子设备包括如前任一项所述的半导体器件。

本实用新型的方案至少能有助于实现如下效果之一：通过第一和第二密封层替代晶圆盖板，避免使用金金键合，降低了封装成本；通过第一和第二密封层配合支撑柱构建出顶部空腔，简化制作工艺，减小器件体积。

附图说明

参照附图下面说明本实用新型的具体内容，这将有助于更加容易地理解本实用新型的以上和其他目的、特点和优点。附图只是为了示出本实用新型的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。

图1示出了现有技术中包含薄膜体声波谐振器的器件封装结构示意图；

图2示出了根据本实用新型具体实施方式的器件封装结构；

图3-17示出本实用新型器件封装结构的制作工艺。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本实用新型的示例性公开内容进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实现本实用新型的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实现本实用新型的过程中可以做出很多特定于本实用新型的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着本实用新型的不同而有所改变。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的器件结构，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

一般来说，应理解，图式及其中所描绘的各种元件未按比例绘制。此外，使用相对术语(例如“上面”、“下面”、“顶部”、“底部”、“上部”及“下部”)来描述各种元件彼此的关系应理解，这些相对术语除图式中所描绘的定向之外还涵盖装置和/或元件的不同定向。

应理解的是，本实用新型并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。本实用新型中，在可行的情况下，不同实施方案之间的特征可替换或借用、以及在一个实施方案中可省略一个或多个特征，其中相同的附图标记表示相同的部件。应理解的是，本实用新型的制造步骤在实施例中为示例性的，其顺序步骤可调。

请参考图2，图2示出了根据本实用新型具体实施方式的器件封装结构。该滤波器具有衬底100，衬底100可以是例如高阻硅、砷化镓、磷化铟、玻璃、蓝宝石、氧化铝_、SiC等与半导体工艺兼容的材料形成。尤其应当指出的是，当衬底100采用玻璃材料时，其介电常数较低，电阻效率高，在高频性能中更加有优势。

在所述衬底100上具有元件区，该元件区上形成包括例如体声波谐振器的滤波器或双工器、多工器等元件。在所述衬底100的第一表面形成的第一凹陷部101和第二凹陷部102，第一凹陷部101的高度小于第二凹陷部102的高度。该第一凹陷部101和第二凹陷部102例如可以通过刻蚀形成，本领域技术人员应当理解，作为另一种可选实施方式，所述第一凹陷部101也可以形成在所述衬底100第一表面上的外延层中，或者所述第二凹陷部102也可以部分形成在所述衬底100第一表面上的外延层中；所述第一凹陷部101和第二凹陷部102在所述衬底100的第一表面或外延层的第一表面具有开口轮廓。第二凹陷部102贯穿衬底100的第一表面和第二表面。

第一凹陷部101内可填充空气或布拉格反射层，第二凹陷部102内填充有导电柱1021，在衬底100的第二表面上形成与导电柱1021连接的凸块1022。本领域技术人员可以理解的是，此处在衬底100的第二表面上形成与导电柱1021连接的凸块1022，仅指代凸块1022与衬底100的第二表面的方位关系，不意味着凸块1022只能直接与所述第二衬底100的第二表面直接接触，在本实用新型中凸块1022可以与衬底100的第二表面直接接触，也可以与衬底100的第二表面间接接触。导电柱1021和凸块1022之间可以进一步形成间隔层1023，导电柱1021优选导电性能优异的金属，例如铜，以更好的进行电信号传递，凸块1022可以选取熔点较低的金属材料，例如锡、铅(Pb)或铝等，以便易于熔融成型，间隔层1023根据导电柱材料和凸块材料选择起到间隔保护作用的金属，例如镍。导电柱、间隔层和凸块用于传送信号。

在衬底100的第一表面上形成有至少一个元件，图2中以衬底100的第一表面上形成至少两个谐振器为例进行说明。谐振器包括结构功能层，该结构功能层至少包括下电极200、压电层300和上电极400。

在一实施方式中，如图2所示，下电极200可以为单层或多层，下电极200可以由一种或多种导电材料形成，例如与包括钨、钼、铱、铝、铂、镍、钛、钌、铌或铪等半导体工艺兼容的各种金属。

在下电极200上形成压电层300，压电层300可以由例如氮化铝、掺杂氮化铝或氧化锌、镍酸锂、锆钛酸铅、铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硫化镉、石英等压电材料形成。

在压电层300上形成上电极400，上电极400可以由一种或多种导电材料形成，例如包括钨、钼、铱、铝、铂、镍、钛、钌、铌或铪等半导体工艺兼容的各种金属。上电极400与下电极200的材料可以相同或不同。可以理解的是，该结构功能层还可以进一步包括质量负载层、框架层等结构。该质量负载层、框架层结构可以形成在下电极200上方，或者也可以在上电极400上进一步形成。

进一步形成有钝化层600，钝化层600覆盖上电极400和压电层300，钝化层600具有平齐的上表面，以便于后续支撑柱700的形成。

然后在钝化层600和结构功能层中形成有电连接件500，该电连接部件500可将谐振器与其他的器件结构进行电性连接。如图2中所示，电连接件500将邻近的两个谐振器之间进行电性连接。

在钝化层600上形成有支撑柱700。钝化层600选用与支撑柱700的材料有良好接触生长性的材料即可。示例性的，钝化层600的材料可以为氮化硅、氧化硅等材料。

支撑柱700的横截面的图形不做具体限定，本实用新型中支撑柱700的横截面可为圆形，正方形、长方形、椭圆形等等。最优的，本实用新型中支撑柱700形成为围绕第一凹陷部101的圆环形，以使得圆柱状支撑柱的侧面积最大，进而后续少应力效果最优。支撑柱700的材料可以选用致密性好的介质材料，示例性的，本实用新型中支撑柱700的材料为氮化硅。

在支撑柱700上架设形成有第一密封层800，第一密封层800选用致密性好的介质材料，以防止环境中水汽、氧气、杂质等进入器件内部，以防止环境中水汽和氧气进入器件内部。第一密封层800的材料优选与支撑柱的材料相同，以避免二者材料不同导致的应力问题，进一步的，第一密封层800与支撑柱700的侧面的第一部分进行最大化接触以更好的通过支撑柱700来分散第一密封层800的应力。示例性的，本实用新型中第一密封层800为氮化硅层。

在第一密封层800上形成有第二密封层900，第二密封层900选用能提高结构机械强度，同时防止环境中水汽和氧气进入器件内部的材料。示例性的，本实用新型中第二密封层900为二氧化硅层。

进一步的，第一密封层800和第二密封层900的厚度比在1:2-1:3之间，更优的，第一密封层800和第二密封层900的厚度比设置为约1:2。本实用新型中通过对第一密封层800和第二密封层900的厚度比的设置，协同支撑柱700对第一密封层800的分散作用，能有效减少第一密封层800的自身带来应力。

本实用新型通过第一密封层800和第二密封层900的组合配合支撑柱700同时形成结构功能层的顶部空腔和封装盖层，从而不必引入键合衬底，进而不必通过键合结构将衬底100与键合衬底连接，极大的节省了封装成本且减小了器件体积。

参阅3-17，图3-17示出本实用新型器件封装结构的制作工艺。在制作工艺部分，本实用新型以衬底100上形成的元件为两个谐振器为例进行说明。

步骤1：提供衬底

提供衬底100，衬底100的材料选择如前所述，在此不再赘述；衬底主要起到滤波器器件支撑载体的作用，用以保证滤波器在加工和封装过程中坚固可靠。

步骤2：第一和第二凹陷区域的制作。

参阅图3-4，在一具体实施方式中，第一凹陷区域101和第二凹陷区域102制作包括：通过光刻刻蚀工艺在衬底100中形成第一凹陷区域101和第二凹陷区域102，然后在衬底100上沉积第一牺牲层103、牺牲层103的材料可以为氧化硅、氮化硅、有机物、磷硅酸盐玻璃(PSG)或掺杂氧化硅等，通过平坦化工艺在第一凹陷区域101和第二凹陷区域102中填充满牺牲层103，该牺牲层103的上表面与衬底100的第一表面齐平，以便于支撑衬底100上后续器件薄膜的沉积。

可替代的，可以在第一凹陷区域101中填充布拉格反射层，在第二凹陷区域102中填充牺牲层，布拉格反射层和牺牲层的上表面与衬底的第一表面齐平。

步骤3：元件的制作。

参考图5-7，在形成有第一凹陷区域101和第二凹陷区域102的衬底的第一表面上沉积下电极材料，并对下电极材料进行刻蚀形成下电极200；在下电极200上沉积压电层300，在压电层300上形成上电极材料，并对上电极材料进行刻蚀形成上电极400。下电极200、压电层300和上电极400构成谐振器的结构功能层。

进一步，还可以在形成下电极200上形成质量负载层、框架层等结构。然后再在其上形成压电层300和上电极400。

进一步的，也可以在形成上电极400后，进一步形成质量负载层、框架层、保护层等结构。此时下电极200、压电层300、上电极400和质量负载层、框架层、保护层等构成结构功能层。

步骤4：形成钝化层与电连接件

参阅图8-10，进一步的，形成有钝化层600。钝化层600可以在形成上电极400后沉积钝化层材料，然后通过化学机械研磨的方式平坦化钝化层材料，从而形成具有齐平上表面的钝化层600，该钝化层600覆盖上电极400和压电层300以为支撑柱700的形成提供平齐的上表面。

本领域技术人员可以理解的是，钝化层600的形成还可以分两步形成。首先，在沉积上电极材料层后，沉积钝化层材料，同时图案化钝化层材料和上电极材料层，形成上电极400和仅覆盖上电极400的第一钝化层，然后再进一步沉积钝化层材料，以形成覆盖在谐振器谐振区域外压电层300表面上的第二钝化层，第一钝化层和第二钝化层形成具有齐平上表面的钝化层600，以为支撑柱700的形成提供平齐的上表面。

对钝化层600和结构功能层进行图案化，形成开口，在开口中沉积金属材料形成电连接件500。可替代的，在钝化层600和结构功能层上沉积光刻材料和导电材料，通过剥离的方式形成谐振器的电连接件500。

步骤5：形成支撑柱。

参阅图11-12，沉积支撑材料，图案化支撑材料形成支撑柱700。在支撑柱700限定出的空腔内沉积第二牺牲层701，第二牺牲层701的材料可以为氧化硅、氮化硅、有机物、磷硅酸盐玻璃(PSG)或掺杂氧化硅等。通过平坦化工艺使得支撑柱与第二牺牲层的表面大致齐平。

支撑柱700的高度需设定为满足压电层300振动时的工作要求，以使得产生的声波不传播到第一密封层800，防止声波泄漏。

步骤6：第一密封层和第二密封层的制作。

参阅图13-15，沉积第一密封层材料，形成第一密封层800。然后去除第二牺牲层701和去除第一凹陷区域101内的第一牺牲层103，以释放出结构功能层的顶部空腔和底部空腔102。然后在第一密封层上进一步沉积第二密封层材料，形成第二密封层900。

步骤12：器件输入/输出端的制作。

参阅图16以衬底100的第二表面为起始面，通过机械研磨(grinding)的方式设置研磨量，去除部分衬底100。以露出第二凹陷区域102并去除第二凹陷区域102内的第一牺牲层103

参阅图17将器件放入电镀槽中，在第二凹陷区域102内依次电镀所需要的第一层金属层至第三层金属层。然后进行回流工艺，回流后形成导电柱1021、间隔层1023和凸块1022，从而完成器件输入/输出端的电性引出。

进一步的，本实用新型还提供一种电子设备，该电子设备示例性的，可以是用于手机、个人数字助理、电子游戏设备等便携式通信设备领域。该电子设备中包括具有上述实施方式中的薄膜体声波谐振器中的任一种。

以上结合具体的实施方案对本实用新型进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本实用新型的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本实用新型的精神和原理对本实用新型做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本实用新型的范围内。

Claims

1.一种半导体器件，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底中形成有第一凹陷部和第二凹陷部；

所述第一凹陷部的深度小于所述第二凹陷部的深度；

钝化层，所述钝化层形成在所述衬底的第一表面上；

支撑柱，所述支撑柱形成在所述钝化层上；

第一密封层，所述第一密封层架设在支撑柱上；

所述第一密封层与所述支撑柱配合形成顶部空腔。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：还具有第二密封层，所述第二密封层覆盖在所述第一密封层上；所述第一密封层和第二密封层构成所述器件的封装盖层。

3.如权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于：所述第一密封层和第二密封层的厚度比为1:2-1:3。

4.如权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于：所述第一密封层与所述支撑柱的侧面的第一部分接触。

5.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于：所述支撑柱为圆环形，以使得所述支撑柱的侧面积最大。

6.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于：所述支撑柱为氮化硅支撑柱；所述第一密封层为氮化硅密封层。

7.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于：所述第二密封层为二氧化硅密封层。

8.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述钝化层为氮化硅层或氧化硅层。

9.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一凹陷部位于所述衬底的元件区域，所述第二凹陷部贯通所述衬底。

10.如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于：所述第二凹陷部中形成导电柱，在所述衬底的第二表面上形成与所述导电柱连接的凸块。

11.如权利要求9所述的半导体器件，其特征在于：所述元件区域形成有体声波谐振器，所述体声波谐振器包括上电极、下电极，以及形成在上电极和下电极之间的压电层。

12.一种电子设备，其特征在于：所述电子设备包括权利要求1-11中任一项所述的半导体器件。