KR20150043993A - 집적된 cmos 백 캐비티 음향 변환기 및 그의 제작 방법 - Google Patents

집적된 cmos 백 캐비티 음향 변환기 및 그의 제작 방법 Download PDF

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마이클 줄리안 다네만
브라이언 김
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인벤센스, 인크.
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Abstract

MEMS 디바이스는 가동 소자를 갖는 MEMS 기판을 포함한다. 캐피티를 갖는 CMOS 기판이 추가로 포함되고, MEMS 기판은 CMOS 기판의 상부에 배치된다. 추가로, 백 캐비티는 CMOS 기판에 연결되고 백 캐비티는 CMOS 기판의 캐비티에 의해 적어도 부분적으로 형성되고 가동 소자는 백 캐비티에 음향적으로 결합된다.

Description

집적된 CMOS 백 캐비티 음향 변환기 및 그의 제작 방법{INTEGRATED CMOS BACK CAVITY ACOUSTIC TRANSDUCER AND THE METHOD OF PRODUCING THE SAME}
본 발명의 다수의 실시예들은 일반적으로 MEMS 디바이스에 관한 것이고 특히 그를 제작하는 방법에 관한 것이다.
CMOS에 통합된 마이크들 및 마이크로머신 초음파 변환기들(MUTs)과 같은 음향 변환기들의 형태의 MEMS 디바이스들은 일반적으로 외부 캐비티 패키지들에 패키징되고, 이는 다이보다 훨씬 크고 따라서 회로 기판상의 큰 풋프린트를 점유한다. 통합된 백 캐비티(IBC)를 갖는 칩 스케일 패키지(CSP) 음향 센서들을 생성하는 것이 바람직하지만, 쓰루 실리콘 비아(TSV)와 같은 종래의 CSP 방법들은 일반적으로 음향 센서 제작 프로세스들과 호환가능하지 않다. 따라서, 종래의 CSP가 채용될 수 없고 패키징의 풋프린트는 바람직하지 않게 크다.
요구되는 것은 작업을 포함하지 않는 작은 풋프린트 음향 디바이스이다.
간략하게, MEMS 디바이스는 가동 소자를 갖는 MEMS 기판을 포함한다. 캐비티를 갖는 CMOS 기판이 추가로 포함되고, MEMS 기판은 CMOS 기판의 상부에 배치된다. 추가로, 백 캐비티는 CMOS 기판에 접속되고, 백 캐비티는 CMOS 기판의 캐비티에 의해 적어도 부분적으로 형성되고 가동 소자는 백 캐비티에 음향학적으로 결합된다.
여기에 개시된 특정 실시예들의 특성 및 이점들의 추가의 이해는 명세서 및 첨부된 도면들의 나머지 부분들의 참조에 의해 이해될 수 있다.
기술된 실시예들에서, 마이크로 전자 기계 시스템들(MEMS)은 반도체형 프로세스들을 사용하여 제작된 움직이거나 변형시키기 위한 능력과 같은 기계 특성들을 나타내는 일종의 디바이스들 또는 구조들을 말한다. MEMS는 항상은 아니지만 종종 전기 신호들과 상호 작용한다. MEMS 디바이스들은 자이로스코프들, 가속도계들, 자력계들, 압력 센서들, 마이크들, 및 무선 주파수 성분들을 포함하지만 그로 제한되지 않는다. MEMS 구조들을 포함하는 실리콘 웨이퍼들은 MEMS 웨이퍼들이라고 불린다.
기술된 실시예들에서, MEMS 디바이스는 마이크로 전자 기계 시스템으로 구현된 반도체 디바이스를 말할 수 있다. MEMS 구조는 더 큰 MEMS 디바이스의 부분일 수 있는 임의의 특징을 말할 수 있다. 제조된 실리콘 온 인슐레이터(ESOI) 웨이퍼는 실리콘 디바이스층 또는 기판 아래에 캐비티들을 갖는 SOI 웨이퍼를 말할 수 있다. 핸들 웨이퍼는 일반적으로 실리콘 온 인슐레이터 웨이퍼에서 박막 실리콘 디바이스 기판에 대한 캐리어로서 사용된 더 두꺼운 기판을 말한다. 핸들 기판 및 핸들 웨이퍼는 상호 교환될 수 있다.
기술된 실시예들에서, 캐비티는 기판 웨이퍼에서 개구부 또는 오목부를 말할 수 있고 밀봉체는 완전히 밀봉된 공간을 말할 수 있다. 포스트는 기계 지지부에 대한 MEMS 디바이스의 캐비티에서의 수직 구조일 수 있다. 격리 애자는 전기 접점을 제공하는 수직 구조일 수 있다.
기술된 실시예들에서, 백 캐비티는 압력 등화 채널들(PEC)을 통해 주변 압력에 대해 등화된 부분적 밀봉된 캐비티를 말할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 백 캐비티는 또한 백 챔버라고 불린다. CMOS-MEMS 디바이스내 형성된 백 캐비티는 통합된 백캐비티라고 불릴 수 있다. 누설 채널들/경로들이라고도 또한 불리는 압력 등화 채널은 주위 압력에 대한 낮은 주파수 또는 백 캐비티의 정적 압력 등화를 위한 음향 채널들이다.
기술된 실시예들에서, 힘이 가해질 때 움직이는 MEMS 디바이스내 강체 구조는 플레이트라고 불릴 수 있다. 백 플레이트는 전극으로 사용되는 다공판일 수 있다.
기술된 실시예들에서, 천공들은 움직이는 플레이트들에서 공기 댐핑을 감소시키기 위한 음향 개구들을 말한다. 음향 포트(또는 "포트")는 음향 압력을 감지하기 위한 개구부일 수 있다. 음향 배리어는 음압이 디바이스의 특정 부분들에 도달하는 것을 방지하거나 지연시키는 구조일 수 있다. 연동 장치는 앵커를 통해 기판에 순응 부착을 제공하는 구조이다. 평면에서 범프 스톱들은 플레이트의 평면에서 움직임의 범위를 제한하기 위해 디바이스 밀봉과 접촉하는 플레이트의 연장부들이다. 회전 범프 스톱은 회전들의 제한된 범위까지의 플레이트의 연장부들이다.
본 발명은 집적된 CMOS 백 캐비티 음향 변환기 및 그의 제작 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스를 도시한 도면.
도 2는 패키지되기 전의 MEMS 디바이스(10)를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 방법에 따른 MEMS 디바이스(10)를 제작하는 프로세스 흐름(300)을 도시한 도면.
도 4a 내지 도 4f는 핸들 웨이퍼가 채용되는 도 3의 단계들(306 내지 316)에 따른 MEMS 디바이스(10)를 제작하는 프로세스(방법 A)를 도시하는 도면들.
도 5a 내지 도 5e는 핸들 웨이퍼가 채용되지 않은 도 3의 단계들(318 내지 328)에 따른 MEMS 디바이스(10)를 제작하는 프로세스(방법 B)를 도시하는 도면들.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 방법에 따른 2 단계 캐비티 에칭 프로세스를 도시하는 도면들.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스(700)를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 다른 방법에 따른 MEMS 디바이스를 제작시 수행된 단계들의 플로차트.
도 9a 내지 도 9j는 본 발명의 방법 및 실시예에 따른 RF 차폐 및 내부 밀봉을 갖는 MEMS 디바이스의 제작시 도 8의 플로차트에 따른 제작 프로세스를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스(1000)를 도시하는 도면.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스(10)가 도시된다. MEMS 디바이스(10)는 MEMS 기판(14)에 접합된 CMOS 기판(12)을 포함하는 것으로 도시된다. 본 발명의 일 실시예에서, MEMS 디바이스(10)는 마이크이고, 본 발명의 다른 실시예에서, MEMS 디바이스(10)는 MUT들과 같은 음향 변환기이다. 마이크의 경우에는, MEMS 디바이스(10)는 멤브레인형 마이크, 피스톤형 마이크, 또는 토션형 마이크일 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에 따라, CMOS 기판(12)은 다른 적절한 접합 방법들이 고려되지만 공융 접합을 사용하여 MEMS 기판(14)에 접합된다.
CMOS 기판은 CMOS 기판(12)와 접합되는 표면에 대향하는 표면에서 캡 층(28)에 의해 덮여진 것으로 도시된다. 캐비티(또는 "포트")(16)를 통해 MEMS 기판(14)에 연결되는 CMOS 백 캐비티(30)가 MEMS 디바이스(10)에 추가로 포함된다. 캡 층(28)은 백 캐비티(30)를 덮는다. 본 발명의 일 실시예에서, 캡 층(28)은 금속과 같은 도전 재료로 구성되고 여기서 "금속 커버"라고 불린다. 다른 실시예들에서, 캡 층(28)은 도전 재료를 포함할 수 있는 비도전 재료로 구성된다. MEMS 기판(14)은 기판(22)의 음향 포트(18)로부터 수신된 음파들에 응답하여 움직이는 가동 소자(34)를 포함한다.
백 캐비티(30)는 CMOS 기판(12)에 연결되고 CMOS 기판(12)의 캐비티에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 가동 소자(34)는 백 캐비티(30)에 음향학적으로 결합된다.
CMOS 기판(12)과 캐리어 기판(22) 사이에 배치되는 스터드 범프들(20)이 도시된다. 특히, 이들은 CMOS 기판(12)의 금속 패드들(32)상에 배치되고 따라서 CMOS 기판(12)을 캐리어 기판(22)에 전기적으로 연결한다.
CMOS 기판(12)과 캐리어 기판(22) 사이에 배치된 선택적인 언더필(24)이 도 1에 또한 도시된다. 캐리어 기판(22)의 상부에 선택적으로 형성되는 땜납 볼들(또는 "땜납 금속")(26)이 도시된다.
몇몇 실시예들에서, 캐리어 기판(22)이 라미네이트 또는 세라믹으로 만들어진다. 본 발명의 일 실시예에서, 스터드 범프들(20)은 언더필(24) 내부에 형성된다. 본 발명의 몇몇 실시예들에서, 스터드 범프들(20)은 금으로 구성된다. 다른 실시예들에서, 스터드 범프들은 납 및 주석과 같은 임의의 금속 재료로 구성된다. 본 발명의 또 다른 실시예들에서, 스터드 범프들(20)은 서로의 상부에 배치된 다수의 스터드 범프들이다. 본 발명의 몇몇 실시예들에서, 스터드 범프들은 볼 본더(ball bonder)를 사용하여 형성된다.
MEMS 가동 소자(34)는 CMOS 기판(12)의 상부에 효율적으로 형성된다. 백 캐비티(30)는 백 캐비티 체적을 확대하기 위해 CMOS 기판(12)에 에칭된다. CMOS 기판(12)의 나머지 부분의 두께는 도 1에서 "h"로 마킹되고 본 발명의 일 실시예에서 약 20 내지 100 마이크로 미터(㎛)이다. 도 1에 "w"로 마킹된 백 캐비티(30)의 측벽의 폭은 본 발명의 일 예시적인 실시예에서 약 20 내지 200 ㎛이다. 일 예시적인 실시예에서, 백 캐비티(30)의 체적은 디바이스에 대한 합리적인 구조 무결성을 유지하는 동안 최대화된다. 따라서, 특히 마이크와 같은 실시예들에서 MEMS 디바이스(10)의 성능은 그의 풋프린트가 작게 유지되는 동안 개선된다.
캡 층(28)은 에폭시(도전성 또는 비도전성), 금속 페이스트, 또는 땜납에 의해 CMOS 기판(12)에 연결된다. CSP 패키지는 스터드 범프들(20)에 의해 CMOS 기판(12)상의 접합 패드들(32)을 기판(22)에 연결함으로써 실현된다. 다이의 에지는 언더필(24)로 밀봉된다. 일 예시적인 실시예에서, 언더필(24)은 에폭시 또는 실리콘으로 구성된다. 기판(22)은 열적 또는 열 초음파 압축 접합 또는 다른 도전성 접합 방법에 의해 스터드 범프들(20)에 전기적으로 연결된다.
여기에 도시되고 기술된 다수의 실시예들 및 방법들의 적용들은 마이크들, 압력 감지기들, 공진기들, 스위치들, 및 다른 적용가능한 디바이스들을 포함하지만 그로 제한되지 않는다.
다음의 논의 및 도면들에서 더 명백해질 바와 같이, 2 단계 에칭 프로세스가 백 캐비티(30)를 생성하기 위해 채용된다. 일 실시예에서, 포트(16) 및 백 캐비티(30)는 개별적인 에칭 단계들에 의해 형성된다. 다른 실시예에서, 포트(16)는 제 1 에칭 단계에서 부분적으로 에칭되고, 제 2 에칭 단계에서 백 캐비티(30)를 형성하고, 포트(16)의 에칭을 완료한다. 일 예시적인 실시예에서, 백 캐비티(30)는 약 100 ㎛ 내지 2 밀리미터(㎜)이다. 또한, 백 캐비티(30)는 사각형 또는 원형을 포함하는 임의의 형태일 수 있다. 선택적으로 채용되는 핸들 웨이퍼(36)가 도 1에 또한 도시된다. 핸들 웨이퍼(36)는 기판(22) 아래에 배치된 것으로 도시된다.
도 2는 패키징되기 전의 MEMS 디바이스(10)를 도시한다. 이전에 주지된 바와 같이, 핸들 웨이퍼(36)는 선택적이다. 핸들 웨이퍼(36)는 캐리어 기판에 장착될 때 스페이서의 역할을 할 수 있고 가동 소자(34)에 대해 초과 이동 스톱으로서 또한 사용될 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 핸들 웨이퍼(36)는 실리콘으로 구성되고 약 10 ㎛ 내지 200 ㎛ 두께이다.
도 3은 본 발명의 방법에 따른 MEMS 디바이스(10)를 제작하기 위한 프로세스 흐름(300)을 도시한다. 도 3에서, 단계 302에서, MEMS 기판(14)은 CMOS 기판(12)에서 에칭된 추가적인 포트(16)를 갖는 CMOS 기판(12)과 접합된다. 다음으로, 304에서, MEMS 디바이스(10)가 핸들 웨이퍼(36)를 포함하는지의 여부에 의존하여, 단계들(306 또는 318)이 수행된다. 핸들 웨이퍼(36)가 사용되는 경우, 프로세스는 단계(306)로 계속하고, 핸들 웨이퍼가 사용되지 않는 경우, 프로세스는 단계(318)로 계속한다.
단계 306에서, 칩은 플립되고 캡 층(28)은 CMOS 기판(12) 및 백 캐비티(30)를 덥도록 배치된다. 다음으로, 308에서, 웨이퍼 쏘잉이 수행되고 칩은 플립 백된다. 일 대안적인 실시예에서, 웨이퍼를 다이로 개별화하기 위해 습식 웨이퍼 쏘잉이 아닌 레이저 다이싱이 사용된다.
다음으로, 단계 310에서, 스터드 범프들(20)은 CMOS 기판(12)에 접합된다. 단계들(308, 310)은 단계(310)가 단계(308) 전에 수행되는 것으로 반전될 수 있다는 것이 주의된다.
다음으로, 단계 312에서, 다이는 열적 또는 열 초음파 압축 접합을 사용하여 스터드 범프들(20)을 통해 캐리어 기판에 접합된다. 단계(314)에 이어서, 언더필은 MEMS 기판(14)의 에지들을 밀봉하도록 배치된다. 단계들(312, 314)은 언드필이 압축 접합 전에 "B-스테이지"로 경화되는 경우 반전될 수 있다는 것이 주의된다.
대안적인 실시예에서, 핸들 웨이퍼가 사용되지 않는 경우, 단계(318)에서, MEMS 웨이퍼를 다이로 개별화하기 위해 습식 쏘잉보다 건식 레이저 다이싱이 수행된다. 단계 320에서, 스터드 범프들(20)은 CMOS 기판(12)에 접합된다. 단계들(318, 320)은 임의의 순서로 행해질 수 있다는 것이 주의된다. 다음으로, 단계(322)에서, 열적 또는 열 초음파 압축 접합이 캐리어 기판(22)과 개별화된 다이 사이의 스터드 범프들(20)을 통해 수행된다. 다음으로, 단계(324)에서, 언더필(24)은 MEMS 기판(14)을 밀봉하기 위해 사용된다. 단계들(322, 324)은 언더필이 압축 접합 전에 "B-스테이지"로 경화되는 경우 반전될 수 있다는 것이 주의된다. 다음으로, 단계(326)에서, 칩은 플립되고 CMOS 기판(12) 및 백 캐비티(30)는 캡 층(28)으로 덮인다. 대안적으로, 단계(326)는 단계(324) 대신에 단계(322)에 후속한다. 단계(326)에 후속하여, 단계(328)에서, 칩은 플립되고 땜납 볼들(26)은 캐리어 기판(22)상에 형성된다.
도 4a 내지 도 4f는 핸들 웨이퍼가 채용된 도 3의 단계들(306 내지 316)에 따라 MEMS 디바이스(10)를 제작하는 프로세스(방법 A)를 도시한다. 도 4a에서, 웨이퍼는 테이프(402) 상에 플립되고 장착된다.
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 접착제가 CMOS 기판(12)의 상부에 제공되고, 캡 층(28)은 CMOS 기판(12) 및 캐비티(30)의 상부에 장착되고, 접착제는 웨이퍼 레벨상에서 경화된다. 캡 층(28)은 도 4b에 도시된 바와 같이 웨이퍼 크기일 수 있거나 개별적으로 위치된 피복들일 수 있다. 캡 층(28)의 형태는 MEMS 디바이스(10)의 백 체적을 더욱 증가시키기 위해 판형 또는 u형(만입형)일 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 백 캐비티(30)의 총 체적은 약 0.3 내지 4 ㎣이다. 캡 층(28)의 CMOS 기판(12)으로의 전기 접속 및 접합은 도전성 에폭시 합성물 또는 금속 페이스트에 의해 형성될 수 있다.
단계 4c에서, 웨이퍼는 웨이퍼가 커팅되는 404에 도시된 것과 같이 다이싱된다. 대안적으로, 도 4c의 단계는 도 4b의 단계 전에 수행된다. 이전에 언급된 바와 같이, 웨이퍼 다이싱은 커팅 또는 레이저 다이싱일 수 있다.
도 4d에서, 웨이퍼가 플립되고 다른 테이프에 전달되고 스터드 본드들(20)은 금속 패드들(32)의 상부에 위치된다. 일 실시예에서, 스터드 본드들(20)은 웨이퍼 핸들(36)의 상부면보다 돌출된다. 대안적으로, 단계(4c)의 웨이퍼 다이싱은 도 4d의 단계 후에 행해질 수 있다.
도 4e에서, 언더필(24)은 MEMS 기판(14)을 밀봉하기 위해 스터드 범프들(20)상에 선택적으로 제공되거나 스크린 프린팅된다. 언더필(24)은 도 4e에 도시된 바와 같이 다이의 에지를 밀봉하기 위해 캐리어 기판(22) 및 다이의 에지상에 선택적으로 제공되거나 스크린 프린팅된다. 단계(4e)는 선택적이다.
대안적으로, 단계 4c의 단계는 도 4e의 단계 후까지 수행되지 않는다.
도 4f의 단계에서, 포트(18)를 갖는 캐리어 기판(22)은 신호들을 연결하기 위해 열적 또는 열 초음파 압축 접합을 사용하여 스터드 범프들(20)에 접합된다. 열적 압축은, 경우에 따라, 언더필을 제공하거나 제공하지 않고 수행된다. MEMS 디바이스(10)를 제작하는 다수의 방식들의 더 상세한 사항들은 본 명세서에 참조로서 통합되는 2013년 7월 24일에 김 브라이언 외에 의해 출원된 발명의 명칭이 "Assembly and Package of MEMS Device"인 미국 특허 출원 제 13/950,178 호에 또한 개시된다. 땜납 볼들(26)은 캐리어 기판(22)상에 증착되거나 그에 접합된다. 스터드 범프들(20)은 캐리어 기판(22)을 CMOS 기판(12)에 전기적으로 연결한다. 스터드 범프들(20)은 서로의 상부에 적층된 하나 이상의 스터드 범프들을 포함할 수 있다.
대안적으로, 캐리어 기판(22)은 세라믹 또는 실리콘 인터포저일 수 있고, 에폭시 기반이 아닐 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 핸들 웨이퍼가 채용되지 않는 도 3의 단계들(318 내지 328)에 따른 MEMS 디바이스(10)의 제작 프로세스(방법 B)를 도시한다. 도 5a에서, 레이저 다이싱은 다이들을 분리하기 위해 채용되고 스터드 범프들(20)은 디바이스에 부착된다. 대안적으로, 스터드 범프들(20)은 레이저 다이싱 전에 부착된다. 다이들은 금속 패드들상에 스터드 범프들을 형성하기 위한 개별화 후 다른 테이프로 선택적으로 전달된다. 일 실시예에서, 스터드 범프들은 MEMS 기판의 상부면 위에 적어도 수 미크론 돌출된다.
단계 5b에서, 언더필(24)은 패키징된 에지를 밀봉하기 위해 스터드 범프들(20) 및 다이의 에지에 제공되거나 스크린 프린트된다. 다음으로, 도 5c에서, 캐리어 기판(22)은 열적 또는 열 초음파 압축 접합에 의해 스터드 범프들(20)에 접합된다. 대안적으로, 도 5c에서 열적 또는 열 초음파 압축은 도 5b에 도시된 단계 전에 수행된다. 캐리어 기판(22)은 그의 외부면(스터드 범프들이 형성된 반대면)상에 증착된 땜납 볼들을 선택적으로 가질 수 있다. 다음으로, 다이는 픽 업되고, 플립되고, 이후 CMOS 백 캐비티의 캡핑을 위해 테이프에 장착된다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 캡 층(28)은 방법 A의 도 4a에 관하여 기술된 것과 동일한 방법을 사용하여 CMOS 기판에 부착된다. 캐리어 기판(22)이 추가의 땜납 볼들을 요구할 경우, 다이들은 도 5e에 도시된 바와 같이 캐리어 기판상에 땜납 볼들을 증착하기 위해 플립되고 다른 테이프에 부착된다.
방법 B는 백 캐비티(30)의 추가의 체적으로서 CMOS 기판 에칭들을 사용하고, 이는 마이크의 성능을 바람직하게 개선하고 MEMS 디바이스(10)를 마이크로 이용하는 실시예들에서 총 패키지 높이를 감소시킨다. 추가로, 이러한 방법은 TSV 기반 집적된 백 캐비티의 처리 능력 문제들을 해결하고 집적된 MEMS 및 CMOS 마이크 처리에 대한 최소 변경을 요구한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 방법에 따라 2단계 캐비티 에칭 프로세스들을 도시한다. 도 6a에서, MEMS 디바이스(10)는 MEMS 기판(14)에 배치된 보호 또는 희생층(604) 및 CMOS 기판(12)에 배치된 하드 마스크(602)를 포함하는 것으로 도시된다. 본 발명의 일 실시예에서, 희생층(604)은 산화 실리콘으로 구성된다. CMOS 기판(12)을 MEMS 기판(14)과 접합한 후, CMOS 기판(12)의 후면의 하드 마스크(602)는 백 캐비티(30) 패턴을 규정하도록 형성된다. 후속하여, 포트 개구 패턴을 규정하는 더 작은 개구(608)를 갖는 포토레지스트 마스크(606)가 형성된 것이 도 6b에 도시된다. 개구(또는 "캐비티")(608)는 포토레지스트 마스크(606)을 사용하여 부분적으로 에칭되고 CMOS 기판(12)의 하부면상에 배치되는 것으로 도시된다. 도 6c에서, 포토레지스트 마스크(606)는 제거되고 더 큰 캐비티(610)를 형성하고 개구(608)를 에칭하는 것을 완료하기 위해 전면 식각(blanket etching)이 수행된다. 도 6c의 전면 식각은 개구(608)가 희생층(604)을 노출할 때 중지된다. 도 6c의 전면 식각의 지속 기간과 결합하여 도 6b에서 개구(608)의 부분적인 에칭 깊이는 도 1에 도시된 높이 "h"를 결정한다. 따라서, CMOS 기판(12)을 MEMS 기판(14)에 연결하는 백 캐비티(30) 및 포트(16)가 형성된다. 도 6c에서, 상기에 논의된 바와 같이, 층(604)은 MEMS 디바이스(10)를 방출하기 위해 에칭에 의해 제거된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스(700)를 도시한다. 이러한 실시예에서, 만입형 캡 층(700)은 추가의 백 캐비티 체적을 제공하는 백 캐비티(30)의 높이를 연장한다.
MEMS 디바이스(10)는 또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내부 밀봉 링을 가질 수 있다. 내부 밀봉 링은 MEMS 기판(14)을 캐리어 기판에 장착할 때 음향 밀봉의 역할들이다. 또한, 패키지 디바이스(10)의 에지들은 무선 주파수(RF) 차폐를 위해 패러데이 케이지를 형성하기 위해 패키지 외부 표면상에 금속 코팅을 포함할 수 있다. 이러한 디바이스를 형성하는 방법은 후속하는 도 8 및 도 9a 내지 도 9i에 도시된다.
도 8은 본 발명의 다른 방법에 따른 MEMS 디바이스를 제작할 때 수행된 단계들의 플로차트이다. 단계(802)에서, 웨이퍼 제작 동안, 접합 패드들이 노출된다. 다음으로, 단계(804)에서, 스터드 범프들 또는 땜납 젯 범프들이 형성된다. 후속하여, 단계(806)에서, 내부 밀봉 링(또는 "랜딩 링(landing ring)")이 MEMS 디바이스의 내부 음향 밀봉에 대하여 및 패키징 동안 응력을 흡수하기 위해서 또한 사용되도록 적용된다. 내부 밀봉 링은 본 발명의 일 실시예에 따라 MEMS 가동 소자를 둘러싸고 스터드 범프들의 상부면보다 돌출된다. 일 예시적인 실시예에서, 내부 밀봉 링은 적절한 탄성 및 기판에 적절한 접착력의 특징을 갖는 폴리머 또는 실리콘 재료로 구성된다.
다음으로, 단계 808에서, 웨이퍼가 플립되고 캡 층(28)은 웨이퍼 레벨에서 백 캐비티(30)를 피복하기 위해 적용된다. 다음으로, 개별화된 다이들을 형성하기 위해 단계(810)에서 웨이퍼가 다이싱된다. 그 후, 단계 812에서, 칩이 다시 플립되고 캐리어 기판이 동시에 스터드-범프들을 통해 열적 또는 열 초음파 압축 접합, 또는 후속 경화를 통해, 내부 밀봉 링을 통해 물리적 또는 접착 접합의 생성에 의해 접합된다. 칩과 캐리어 기판 사이의 전기 연결은 스터드 범프들을 통해 제공된다.
다음으로, 단계 814에서, 실리콘 또는 몰딩 재료가 다이들 사이에 채워진다. 후속하여, 니켈(Ni)과 같은 금속 또는 다른 형태의 금속층 코팅이 MEMS 디바이스를 캡슐화하는 RF 차폐 케이지를 형성하기 위해 도포될 때, 넓은 곡선 쏘우 다이싱 단계가 단계(816)에서 수행되어 몰딩 재료를 관통하여 및 부분적으로 기판으로 커팅하고, 단계(818)로 후속된다. 금속 코팅은 전기 접촉을 통해 캐리어 기판에 접지 또는 다른 규정된 전위에 연결된다. 최종적으로, 단계 820에서, 최종 패키징된 디바이스를 형성하기 위해 좁은 곡선 쏘우 다이싱 단계가 금속 및 기판을 관통하여 커팅하도록 수행된다. 단계들(816 내지 820)은 패러데이 케이지 형성에 대해 요구된다.
도 9a 내지 도 9j는 본 발명의 방법 및 실시예에 따라 RF 차폐 및 내부 밀봉을 갖는 MEMS 디바이스의 제작시 도 8의 플로차트에 따른 제작 프로세스를 도시한다. 도 9a에서, MEMS 디바이스(900)는 테이프(902)를 사용하여 고정되는 기판(910)에 접합된 스터드 범프들(904)을 포함하도록 도시된다. MEMS 기판(908)은 CMOS 기판(910)상에 배치된 것으로 도시된다. 다음으로, 도 9b에 도시된 바와 같이, 내부 밀봉 링(912)이 핸들 웨이퍼(906)의 상부에 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 내부 밀봉(또는 랜딩 링)은 실리콘으로 구성된다.
다음으로, 도 9c에서, 웨이퍼는 기판(910) 및 캐비티(913)를 덮는 캡 층(914)으로 덮인다. 단계(9d)에서, 예를 들면, 916에서 도시된 바와 같이, 다이싱은 다이를 커팅하도록 수행된다. 이는 단계(9e)에서 캐리어 기판(918)에 플립 칩 접합으로 후속된다. 다음으로, 단계(9f)에서, 몰딩 재료(920; 예를 들면, 실리콘)가 증착되고, 단계(9g)에서, 캐리어 기판(918)은 다른 테이프(922)를 사용하여 고정되고, 동시에 넓은 절단 다이싱 커트들(924)이 수행된다. 단계(9h)에서, 도전성 재료(926)(예를 들면, 니켈)가 전기 도금 또는 무전해 도금 또는 대안적인 금속화 방법을 통해 증착된다. 이후 단계(9i)에서의 개별화가 후속된다.
도 9j는 본 발명의 일 실시예에 따라 단계들(9a 내지 9j) 후의 MEMS 디바이스(900)의 최종 형태를 도시한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스(1000)를 도시한다. MEMS 디바이스(1000)는 CMOS 기판(1010)의 상부에 배치되고, 특히 상부 금속층(1006)에 접속된 MEMS 음향 소자(1002)를 갖는 것으로 도시된다. 상부 금속층(1006)은 더 낮은 금속층(1004)의 상부에 위치되고 그로부터 유전체(1012)에 의해 분리되는 것으로 도시된다. 몇몇 실시예들에서, 상부 금속층(1006) 및 더 낮은 금속층(1004)의 각각은 다수의 금속층들로 구성된다. 유사하게, 유전체(1012)는 하나 이상의 유전층들로 구성된다. 포트(1014)는 CMOS 기판(1010)을 관통하여 MEMS 음향 소자 아래에 있는 것으로 도시된다. 오목부(1016)는 MEMS 음향 소자(1002) 아래에 형성되고, 금속층(1006)과 같은 하나 이상의 상부 금속 및 유전층들의 제거에 의해 형성된 포트(1014)를 둘러싸는 것으로 도시된다. CMOS 회로들(반도체 회로들)은 오목부(1016) 아래에 위치된 것으로 도시된다. 이러한 방식은 포트(1014)의 크기를 최소화하고, 동시에 오목부(1016)를 사용하여 음향 소자 아래의 댐핑을 감소시킴으로써 회로들에 대해 이용가능한 CMOS 기판 영역을 최대화한다.
상세한 설명이 그의 특정 실시예들에 관하여 개시되었지만, 이들 특정 실시예들은 단순히 예시적이고 제한적인 것이 아니다.
여기의 상세한 설명 및 청구항들을 통해 사용된, 단수형은 문맥이 명확하게 달리 나타내지 않으면 복수 참조들을 포함한다. 또한, 여기의 상세한 설명 및 청구항들을 통해 사용된, "에서"의 의미는 문맥이 명확하게 달리 나타내지 않으면 "에서" 및 "~상에"를 포함한다.
따라서, 특정 실시예들이 여기에 기술되었지만, 변형, 다수의 변경들, 및 대체들의 허용 범위들이 전술한 개시들에서 의도되고 몇몇 예들에서 특정 실시예들의 몇몇 특징들이 설명된 범위 및 정신으로부터 벗어나지 않고 다른 특징들의 대응하는 사용 없이 채용될 것이라는 것이 이해될 것이다. 그러므로, 많은 변형들이 본질적인 범위 및 정신에 대한 특정 상황 또는 재료를 적응하도록 행해질 수 있다.
10 : MEMS 디바이스 12 : CMOS 기판
14 : MEMS 기판 16 : 캐비티
18 : 음향 포트 10 : 스터드 범프들
22 : 캐리어 기판 28 : 캡 층
30 : CMOS 백 캐비티 32 : 금속 패드들
34 : MEMS 가동 소자

Claims (37)

  1. MEMS 디바이스에 있어서,
    가동 소자를 포함하는 MEMS 기판;
    캐비티를 갖는 CMOS 기판으로서, 상기 MEMS 기판이 상기 CMOS 기판의 상부에 배치되는, 상기 CMOS 기판; 및
    상기 CMOS 기판에 접속된 백 캐비티로서, 상기 CMOS 기판에서 상기 캐비티에 의해 적어도 부분적으로 형성되는, 상기 백 캐비티를 포함하고,
    상기 가동 소자는 상기 백 캐비티에 음향학적으로 결합되는, MEMS 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MEMS 기판은 상기 CMOS 기판에 전기적 결합되는, MEMS 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐비티를 덮도록 배치된 캡 층을 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캡 층은 도전 재료로 구성되는, MEMS 디바이스.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 캡 층은 도전 재료를 포함하는 비도전층으로 구성되는, MEMS 디바이스.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 캡 층은 도전 재료에 의해 상기 CMOS 기판에 연결되는, MEMS 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 CMOS 기판은 적어도 하나의 본드 패드 및 적어도 하나의 스터드 범프를 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 스터드 범프는 상기 적어도 하나의 본드 패드에 접속되는, MEMS 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스터드 범프는 금으로 구성되는, MEMS 디바이스.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스터드 범프와 상기 MEMS 기판 사이에 배치된 실리콘 밀봉재를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 CMOS 기판은 상기 적어도 하나의 스터드 범프에 전기적으로 연결되는, MEMS 디바이스.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 MEMS 기판은 핸들 웨이퍼를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스터드 범프는 상기 핸들 웨이퍼의 상부면 너머로 돌출하는, MEMS 디바이스.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스터드 범프에 접합된 캐리어 기판을 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 캐리어 기판의 상부에 배치된 땜납 금속을 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  15. 제 3 항에 있어서,
    상기 캡 층은 실질적으로 평탄한, MEMS 디바이스.
  16. 제 3 항에 있어서,
    상기 캡 층은 만입형인, MEMS 디바이스.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐리어 기판은 적층물인, MEMS 디바이스.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 CMOS 기판과 상기 캐리어 기판 사이에 배치된 언더필을 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 언더필은 상기 캐리어 기판 및 상기 MEMS 기판을 음향학적으로 밀봉하는, MEMS 디바이스.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐리어 기판은 음향학적 포트를 갖는, MEMS 디바이스.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 MEMS 디바이스는 무선 주파수(RF) 차폐물로 캡슐화되는, MEMS 디바이스.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 차폐물은 금속인, MEMS 디바이스.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 CMOS 기판은 상기 백 캐비티를 상기 가동 소자에 연결하는 포트를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 MEMS 디바이스는 마이크 또는 초음파 변환기인, MEMS 디바이스.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동 소자를 둘러싸는 내부 음향학적 밀봉 링을 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  26. MEMS 디바이스를 제작하는 방법에 있어서,
    MEMS 기판을 CMOS 기판에 접합시키는 단계로서, 상기 MEMS 기판은 가동 소자를 포함하는, 상기 접합시키는 단계;
    상기 CMOS 기판에 캐비티를 형성하는 단계;
    백 캐비티를 형성하는 단계로서, 상기 백 캐비티는 상기 CMOS 기판에 접속되고, 상기 백 캐비티는 상기 CMOS 기판에서 상기 캐비티에 의해 적어도 부분적으로 형성되고, 그에 의해 상기 가동 소자를 상기 백 캐비티에 음향학적으로 결합하는, 상기 백 캐비티 형성 단계를 포함하는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 MEMS 기판상에 적어도 하나의 스터드 범프를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 MEMS 기판상에 내부 밀봉 링을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 MEMS 디바이스를 캡슐화하는 RF 차폐를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 CMOS 백 캐비티를 캡 층으로 덮는 단계를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  31. 제 26 항에 있어서,
    상기 CMOS 기판상에 적어도 하나의 스터드 범프를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  32. 제 26 항에 있어서,
    언더필을 사용하여 상기 MEMS 기판의 에지들을 밀봉하는 단계를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    열 압축 접합에 의해 캐리어 기판을 상기 적어도 하나의 스터드 범프에 부착하는 단계를 추가로 포함하고 상기 스터드 범프는 상기 CMOS 기판상에 배치되는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  34. 제 30 항에 있어서,
    도전 재료를 사용하여 상기 캡 층을 상기 CMOS 기판에 연결하는 단계를 추가로 포함하는, MEMS 디바이스를 제작하는 방법.
  35. MEMS 디바이스에 있어서,
    CMOS 기판에 접합된 MEMS 음향 소자로서, 상기 CMOS 기판은,
    하나 이상의 상부 금속층들 및 상기 하나 이상의 상부 금속층들 아래에 위치된 하나 이상의 추가의 금속층들을 포함하는 금속층들과,
    상기 금속층들 사이에 배치된 유전층들을 포함하는, 상기 MEMS 음향 소자; 및
    상기 CMOS 기판을 관통하고 상기 MEMS 음향 소자 아래에 배치된 포트; 및
    상기 MEMS 음향 소자 아래에 위치되고 상기 포트를 둘러싸는 상기 CMOS 기판의 오목부를 포함하는, MEMS 디바이스.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 오목부 아래에 위치된 하나 이상의 반도체 회로들을 추가로 포함하는, MEMS 디바이스.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 오목부는 상기 하나 이상의 상부 금속층들, 상기 상부 금속층들 사이에 배치된 유전층들, 및 상기 상부 금속층들과 추가의 금속층들 사이에 배치된 유전층들을 통하여 확장하는, MEMS 디바이스.
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