TWI468025B - 微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構及其製造方法 - Google Patents

Description

微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構及其製造方法

本發明是有關於一種微機電系統(Micro Electromechanical System,MEMS)麥克風，且特別是有關於一種微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構及其製造方法。

微機電系統技術的發展開闢了一個全新的技術領域和產業，其已被廣泛地應用於各種具有電子與機械雙重特性之微電子裝置中，例如壓力感應器、加速器與微型麥克風等。微機電系統麥克風具有重量輕、體積小以及訊號品質佳等特性，故微機電系統麥克風逐漸成為微型麥克風的主流。

圖1是習知一種微機電系統麥克風的封裝結構的示意圖。請參照圖1，習知微機電系統麥克風的封裝結構100是將MEMS晶片110及互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)晶片120設置於基板130上，並藉由固定於基板130的金屬蓋140遮蓋MEMS晶片110及CMOS晶片120，以保護MEMS晶片110及CMOS晶片120。此外，金屬蓋140設有收音孔142。

習知微機電系統麥克風的封裝結構100中，封裝製程所耗費的封裝成本約佔整個微機電系統麥克風的封裝結構100之生產成本的75%，而且在進行封裝時將會產生很大的封裝應力。為了改善此情形，並降低生產成本，有必要提出一種新的微機電系統麥克風的封裝結構。

本發明提供一種微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，以降低生產成本。

本發明另提供一種微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構的製造方法，以降低生產成本。

為達上述優點，本發明提出一種微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，其包括基底、多個介電層、微機電振膜、多個支撐環以及保護層。介電層堆疊於基底上，微機電振膜配置於介電層的其中兩相鄰的介電層之間，且微機電振膜與基底之間有第一腔室。支撐環分別配置於部分介電層中，且支撐環相互堆疊。位於較下層的支撐環的內徑大於位於較上層的支撐環的內徑，且最上層的支撐環位於最上層的介電層中。保護層配置於最上層的支撐環上，且遮蓋微機電振膜。微機電振膜與保護層之間有第二腔室，且保護層具有暴露出微機電振膜的多個第一貫孔。

在本發明之一實施例中，上述之支撐環的材質包括金屬。

在本發明之一實施例中，上述之保護層的材質包括塑膠、介電材料或金屬。

在本發明之一實施例中，上述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構更包括電極層，配置於基底中或基底上。電極層之相對於微機電振膜的部分有多個第二貫孔，且基底之相對於微機電振膜的部分為鏤空區。

在本發明之一實施例中，上述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構更包括保護環，位於微機電振膜下方的部分介電層中並圍繞第一腔室。

在本發明之一實施例中，上述之保護環的材質包括金屬。

在本發明之一實施例中，上述之最下層的支撐環及微機電振膜耦接至保護環。

在本發明之一實施例中，上述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構更包括金氧半導體元件、多個導線以及多個介層窗插塞。金氧半導體元件位於基底上，且介電層更覆蓋金氧半導體元件。導線、介層窗插塞以及介電層構成內連線結構，且此內連線結構電性連接至金氧半導體元件。介電層與導線交錯堆疊，且介層窗插塞是形成於介電層中並電性連接對應之相鄰兩層導線。

為達上述優點，本發明另提出一種微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法，其包括下列步驟：於基底上依序形成多層介電層，並於介電層之其中兩相鄰的介電層之間形成微機電振膜，且於部分介電層中分別形成支撐環。這些支撐環相互堆疊，其中最上層的支撐環位於最上層的介電層中，且位於較下層的支撐環的內徑大於位於較上層的支撐環的內徑。接著，於最上層的支撐環上形成保護層，以覆蓋微機電振膜，其中保護層具有多個第一貫孔。然後，於微機電振膜與基底之間形成第一腔室，並於保護層與微機電振膜之間形成第二腔室。

在本發明之一實施例中，在依序形成介電層之前更包括於基底上或基底中形成電極層。

在本發明之一實施例中，上述之形成第一腔室的步驟包括：移除微機電振膜下方的部分基底，以於基底形成暴露出電極層的鏤空區；於電極層形成多個第二貫孔；以及以這些第二貫孔為蝕刻通道，移除位於微機電振膜與電極層之間的部分介電層，以形成第一腔室。

在本發明之一實施例中，上述之支撐環的材質包括金屬。

在本發明之一實施例中，上述之保護層的材質包括塑膠、介電材料或金屬。

在本發明之一實施例中，在形成介電層時更包括於部分介電層中形成保護環，且最下層的支撐環位於保護環上並耦接至保護環。

在本發明之一實施例中，在形成介電層之前更包括於基底上形成金氧半導體元件，而介電層覆蓋金氧半導體元件。

在本發明之一實施例中，在形成介電層時更包括形成多層導線及多個介層窗插塞，其中導線、介層窗插塞以及介電層構成內連線結構，且此內連線結構電性連接至金氧半導體元件。介電層與導線交錯堆疊，且介層窗插塞是形成於介電層中並電性連接對應之相鄰兩層導線。

本發明之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構及其製造方法中，由於藉由形成於支撐環上的保護層來遮蓋微機電振膜，所以不需另外使用金屬蓋來進行封裝，如此能大幅降低生產成本。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖2A至圖2C是本發明一實施例之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法的流程示意圖。請先參照圖2A，本實施例之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法是於基底210上依序形成多層介電層222，並於這些介電層222之其中兩相鄰的介電層222之間形成微機電振膜230，且於部分介電層222中分別形成支撐環240。這些支撐環240相互堆疊，其中最上層的支撐環240位於最上層的介電層222中，而位於較下層的支撐環240的內徑大於位於較上層的支撐環240的內徑。支撐環240的內徑如圖2A中標號D所示。

上述之支撐環240的材質例如是金屬。在本實施例中，在依序形成介電層222之前可先於基底210中(未圖示)或基底上形成電極層250，而後續形成的介電層222係覆蓋電極層250。此外，在形成介電層222時可於部分介電層222中形成保護環260，且最下層的支撐環240可位於保護環260上並耦接至保護環260。保護環260是由金屬層堆疊而成，而金屬層的材質可為鎢、鋁、銅、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭或其他金屬的任意組合。另外，在形成介電層222之前還可於基底210上形成金氧半導體元件270，而後續形成的介電層222係覆蓋金氧半導體元件270。而且，在形成介電層222時，更包括形成多層導線224及多個介層窗插塞226，其中導線224、介層窗插塞226以及介電層222構成內連線結構220，且此內連線結構220電性連接至金氧半導體元件270。介電層222與導線224交錯堆疊，且介層窗插塞226是形成於介電層222中並電性連接對應之相鄰兩層導線224。雖然在圖中是顯示傳統的內連線結構，但亦可以金屬鑲嵌製程所形成的內連線結構來取代。

接著，如圖2B所示，於最上層的支撐環240上形成保護層280，以覆蓋微機電振膜230，進而防止微粒子掉落至微機電振膜230。此保護層280具有多個第一貫孔282，而這些第一貫孔282可作為收音孔。保護層280的材質可選用具有高應力的絕緣材質(如氮化矽、非晶矽等)，但不以此為限。保護層280的材質亦可為塑膠、介電材料、金屬或其他合適的材質。

然後，如圖2C所示，於微機電振膜230與基底210之間形成第一腔室202，並於保護層280與微機電振膜230之間形成第二腔室204。更詳細地說，本實施例例如是先移除微機電振膜230下方的部分基底210，以於基底210形成暴露出電極層250的鏤空區212。接著，於電極層250形成多個第二貫孔252，並以這些第二貫孔252為蝕刻通道，移除位於微機電振膜230與電極層250之間以及微機電振膜230與保護層280之間的部分介電層222，以形成第一腔室202與第二腔室204。在另一實施例中，亦可先在基底210與電極層250中蝕刻出第二貫孔252的形狀後再移除位於微機電振膜230下方的部分基底210。

本實施例例如是採用乾式蝕刻(如深反應離子蝕刻(Deep Reactive Ion Etching,DRIE))來移除位在電極層250下方的部分基底210，然後再令氣態或液態的氟化氫通過第二貫孔252，以藉其移除微機電振膜230下方及上方的部分介電層222。如此一來，即可在微機電振膜230與電極層250之間形成第一腔室202及在微機電振膜230與保護層280之間形成第二腔室204。此第一腔室202與第二腔室204可作為振動腔。值得一提的是，在利用氟化氫蝕刻微機電振膜230下方的部分介電層222時，保護環260可用以防止對介電層222造成過度蝕刻而損害金氧半導體元件270所在的相鄰邏輯電路區域208。

請繼續參照圖2C，藉由上述方法所製造出的微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構200包括基底210、多個介電層222、微機電振膜230、多個支撐環240以及保護層280。介電層222堆疊於基底210上，微機電振膜230配置於這些介電層222的其中兩相鄰的介電層222之間，且微機電振膜230與基底210之間有第一腔室202。支撐環240分別配置於部分介電層222中，且這些支撐環240相互堆疊。位於較下層的支撐環240的內徑大於位於較上層的支撐環240的內徑，且最上層的支撐環240位於最上層的介電層222中。保護層280配置於最上層的支撐環240上，且遮蓋微機電振膜230。微機電振膜230與保護層280之間有第二腔室204，且保護層280具有暴露出微機電振膜的多個第一貫孔282。

上述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構200可更包括配置於基底210上或基底210中的電極層250。電極層250之相對於微機電振膜230的部分有多個第二貫孔252，且基底210之相對於微機電振膜230的部分為鏤空區212。此外，微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構200可更包括保護環260，其位於微機電振膜230下方的部分介電層222中並圍繞第一腔室202。另外，最下層的支撐環240及微機電振膜230係耦接至保護環260。

上述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構200例如更包括金氧半導體元件270、多個導線224以及多個介層窗插塞226。金氧半導體元件270位於基底210上，且介電層222更覆蓋金氧半導體元件270。介電層222與導線224交錯堆疊，且介層窗插塞226是形成於介電層222中並電性連接對應之相鄰兩層導線224。導線224、介層窗插塞226以及介電層222構成內連線結構220，且此內連線結構220電性連接至金氧半導體元件270。

換言之，本實施例之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構200除了包括微機電系統區206外，還可包括邏輯電路區208，且微機電系統區206與邏輯電路區208透過內連線結構220的導線224(如虛線所示)而電性連接。在本實施例中，外界的聲波訊號是通過保護層280的第一貫孔282而施予壓力至微機電振膜230使其產生振動，而微機電振膜230之電極層(圖未示)與電極層250之間的電容值即會隨著微機電振膜230的振動而改變，並透過內連線結構220的導線224傳送至金氧半導體元件270，以推算出所接收到的聲波訊號。

上述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構200及其製造方法中，因藉由形成於支撐環240上的保護層280來遮蓋微機電振膜230，所以在製造完成後，不需再另外使用金屬蓋來進行額外的封裝製程。如此，不僅能大幅降低微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構200的生產成本，還能避免習知封裝製程所產生的應力造成微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構200受損。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．微機電系統麥克風的封裝結構

110．．．MEMS晶片

120．．．CMOS晶片

130．．．基板

140．．．金屬蓋

142．．．收音孔

200．．．微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構

202．．．第一腔室

204．．．第二腔室

206．．．微機電系統區

208．．．邏輯電路區

210．．．基底

212．．．鏤空區

220．．．內連線結構

222．．．介電層

224．．．導線

226．．．介層窗插塞

230．．．微機電振膜

240．．．支撐環

250．．．電極層

252．．．第二貫孔

260．．．保護環

270．．．金氧半導體元件

280．．．保護層

282．．．第一貫孔

D．．．內徑

圖1是習知一種微機電系統麥克風的封裝結構的示意圖。

圖2A至圖2C是本發明一實施例之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法的流程示意圖。

200．．．微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構

202．．．第一腔室

204．．．第二腔室

206．．．微機電系統區

208．．．邏輯電路區

210．．．基底

212．．．鏤空區

220．．．內連線結構

222．．．介電層

224．．．導線

226．．．介層窗插塞

230．．．微機電振膜

240．．．支撐環

250．．．電極層

252．．．第二貫孔

260．．．保護環

270．．．金氧半導體元件

280．．．保護層

282．．．第一貫孔

Claims (14)

1. 一種微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，包括：一基底；多個介電層，堆疊於該基底上；一微機電振膜，配置於該些介電層的其中兩相鄰的介電層之間，且該微機電振膜與該基底之間有一第一腔室；多個支撐環，分別配置於部分該些介電層中，且該些支撐環相互堆疊；一保護層，配置於最上層的該支撐環上，且遮蓋該微機電振膜，其中該微機電振膜與該保護層之間有一第二腔室，且該保護層具有暴露出該微機電振膜的多個第一貫孔；以及一保護環，位於該微機電振膜下方的部分該些介電層中並圍繞該第一腔室。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，其中該些支撐環的材質包括金屬。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，其中該保護層的材質包括塑膠、介電材料或金屬。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，更包括一電極層，配置於該基底上或基底中，其中該電極層之相對於該微機電振膜的部分有多個第二貫孔，且該基底之相對於該微機電振膜的部分為一鏤空區。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，其中該保護環的材質包括金屬。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，其中最下層的該支撐環及該微機電振膜耦接至該 保護環。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構，更包括：一金氧半導體元件，位於該基底上，且該些介電層更覆蓋該金氧半導體元件；多層導線；以及多個介層窗插塞，其中該些導線、該些介層窗插塞以及該些介電層構成一內連線結構，該內連線結構電性連接至該金氧半導體元件，該些介電層與該些導線交錯堆疊，且該些介層窗插塞是形成於該些介電層中並電性連接對應之相鄰兩層導線。
8. 一種微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法，包括：於一基底上依序形成多層介電層，並於該些介電層之其中兩相鄰的介電層之間形成一微機電振膜，且於部分該些介電層中分別形成一支撐環，該些支撐環相互堆疊；於最上層的該支撐環上形成一保護層，以覆蓋該微機電振膜，其中該保護層具有多個第一貫孔；於該微機電振膜與該基底之間形成一第一腔室，並於該保護層與該微機電振膜之間形成一第二腔室；以及在形成該些介電層時更包括於部分該些介電層中形成一保護環，且最下層的該支撐環位於該保護環上並耦接至該保護環。
9. 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法，其中在依序形成該些介電層之前更包括於該基底上或基底中形成一電極層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統麥克風的晶 圓級封裝結構之製造方法，其中形成該第一腔室的步驟包括：移除該微機電振膜下方的部分該基底，以於該基底形成暴露出該電極層的一鏤空區；於該電極層形成多個第二貫孔；以及以該些第二貫孔為蝕刻通道，移除位於該微機電振膜與該電極層之間的部分介電層，以形成該第一腔室。
11. 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法，其中該支撐環的材質包括金屬。
12. 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法，其中該保護層的材質包括塑膠、介電材料或金屬。
13. 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法，其中在形成該些介電層之前更包括於該基底上形成一金氧半導體元件，而該些介電層覆蓋該金氧半導體元件。
14. 如申請專利範圍第13項所述之微機電系統麥克風的晶圓級封裝結構之製造方法，其中在形成該些介電層時更包括形成多層導線及多個介層窗插塞，該些導線、該些介層窗插塞以及該些介電層構成一內連線結構，該內連線結構電性連接至該金氧半導體元件，該些介電層與該些導線交錯堆疊，且該些介層窗插塞是形成於該些介電層中並電性連接對應之相鄰兩層導線。