TWI769239B - 單片半導體晶粒、微機電系統（ｍｅｍｓ）裝置、以及ｍｅｍｓ麥克風封裝裝置 - Google Patents

單片半導體晶粒、微機電系統（ｍｅｍｓ）裝置、以及ｍｅｍｓ麥克風封裝裝置 Download PDF

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Abstract

本案揭露一種微機電系統(MEMS)裝置，包括MEMS裝置，其包括包含積體電路的半導體晶粒，安裝在半導體晶粒上並覆蓋至少一部分電路的結構，此結構定義出此結構與至少一部分電路之間的空間，以及包括膜的傳感器，傳感器位於空間的外部。

Description

單片半導體晶粒、微機電系統(MEMS)裝置、以及MEMS麥克風封裝裝 置
本發明係關於一種MEMS裝置，其包括包含MEMS傳感器的裝置。
隨著技術的進步，消費電子裝置不斷變小，性能和功能不斷增加。這在用於消費電子產品的技術中相當明顯，特別是但不限於便攜式產品，例如行動電話、音頻播放器、視頻播放器、個人數位助理(PDA)、各種可穿戴設備，諸如筆記型電腦或平板電腦和/或遊戲設備的移動計算平台。舉例來說，手機工業的需求正推動組件變得更小，功能更強，成本更低。因此，期望將電子電路的功能整合在一起，並將其與諸如麥克風和揚聲器的傳感器裝置結合。因此，微機電系統(MEMS)傳感器，例如MEMS麥克風，在許多這些裝置中找到應用。
使用MEMS製造流程形成的麥克風或壓力感測器裝置通常包括一或多個膜，其具有用於讀出/驅動的電極，電極沉積在膜和/或基板或背板上方或內部。在有MEMS壓力感測器和麥克風的情況下，電輸出信號 的讀出通常是透過測量與電極之間的電容相關的信號來完成。
為了提供保護，MEMS傳感器將被容納在封裝內。此封裝有效地封裝MEMS傳感器並且可以提供環境保護，並且還可以提供電磁干擾(EMI)等屏蔽。此封裝還提供至少一個用於將電信號輸出到下游電路的外部連接。對於麥克風、壓力傳感器等，封裝通常會有一個聲音端口，以允許聲波進出封裝內的傳感器，並且傳感器可以被配置用以使得可撓膜位於第一體積和第二體積之間，亦即可以充滿空氣的空間/空腔，並且其尺寸足夠使得傳感器提供期望的聲學響應。聲音端口聲學耦合到傳感器膜的一側上的第一體積，其有時可以被稱為前體積。第二體積，有時稱為後體積，通常需求在一或多個膜的另一側上，以允許膜響應於入射聲音或壓力波而自由移動，並且此後體積可以大致上被密封。然而，本領域技術人員將會理解，對於MEMS麥克風等，第一和第二體積可以通過一或多個流動路徑(例如膜中的小孔)連接，此一或多個流動路徑被配置在期望的聲頻呈現出相對高的聲阻抗，但是允許兩個體積之間的低頻壓力均衡，以考慮到由於溫度變化等導致的壓力差。
封裝可以包含與膜相同或分離的半導體晶粒上的電路。電路的功能是測量與電極之間的電容相關的傳感器信號，並且電路還可以提供一或多個音頻處理功能，例如濾波、均衡等。積體電路還可以向電極提供偏壓、類比至數位轉換、類比或數位信號調節、類比或數位輸出介面和/或其他功能。
來自正常聲級的電極的電傳感器信號很小，通常只有幾毫伏特。然而電源電壓可能會疊加噪聲或紋波於其上。由於各種原因，麥克風通常可以安裝在主機裝置上遠離電源電壓產生的位置，例如在長撓性電路的末端至裝置的角落，或者可以安裝例如在行動電話的天線之下，其中電 源電壓可以透過發射信號中的RF能量的脈衝來調控。在行動電話中，為了節約能源，主流電流消耗模塊在運作中進行工作循環以降低平均功耗是很常見的，例如在帶有循環射頻發射器的GSM電話中，會引起時變變化，儘管有合理的嘗試來緩解這些問題，但仍需要供電或接地連接。
因此期望改善MEMS麥克風的電源抑制(PSR)性能，使得電源電壓中的變化和噪聲對積體電路的任何輸出信號幾乎沒有影響。然而在實際上，提供良好的電源抑制已被證明是難以實現的。
根據第一態樣，本案提供了一種微機電系統(MEMS)裝置，包括：包含積體電路的半導體晶粒；安裝在所述半導體晶粒上並覆蓋至少一部分所述電路的結構，所述結構定義出所述結構和所述至少一部分的所述電路之間的空間；以及包括膜的傳感器，傳感器位於空間的外部。
在一些實施例中，該結構包括安裝在半導體晶粒上的側壁和第一層，其中側壁和第一層定義該空間。在一些實例中，該結構可以包括形成在第一層上的至少一個附加層。
在一些實施例中，傳感器包括與膜相鄰並間隔開的傳感器背板層，傳感器背板層和膜形成電容傳感器。在一些實例中，傳感器背板層和結構的至少一部分包括相同的材料，包括連續層，和/或在相同的形成步驟中形成。在一些實例中，該結構包括與電路的至少一部分間隔開的背層，並且其中背層比傳感器背板層厚。
在一些實施例中，傳感器整合在半導體晶粒上。該裝置在一些實施例中可以包括該空間內的第二膜。在一些實例中，膜和第二膜可以包含相同的材料，包含連續層，和/或在相同的形成步驟中形成。
在一些實施例中，裝置還包括形成在半導體晶粒上或結構上的金屬層，以及從金屬層延伸至散熱器的至少一個金屬連接器。在一些實例中，金屬層可以至少部分地位於該空間內。在一些情況下，至少部分的金屬層嵌入結構內。在一些實例中，金屬層形成在積體電路或結構的表面上，並且其中金屬層覆蓋面的至少50%。
在一些實施例中，該裝置還包括定義容納積體電路、結構和傳感器的體積的封裝，該封裝包括至少一個用於允許聲音或壓力波與膜相互作用的端口。
在一些實施例中，該結構包括至少一個孔。在一些實施例中，該空間包含空氣、氣體或固體材料。
在一些實施例中，該空間包含真空。
在一些實施例中，該結構的至少一部分由氮化矽形成。
根據第二型態，本案提供了一種MEMS裝置，包括：半導體晶粒；包括膜的傳感器；形成在所述半導體晶粒的表面上的金屬層，其中所述金屬層覆蓋所述表面的至少50%；以及從金屬層延伸至散熱器的至少一個金屬連接器。
在一些實施例中，金屬層覆蓋半導體晶粒的表面的大部分，大致上全部表面或全部表面。
在一些實施例中，傳感器包括與膜相鄰並且間隔開的傳感器層，傳感器層和膜形成電容傳感器。
在一些實施例中，傳感器與積體電路整合在同一半導體晶粒上。
在一些實施例中，該裝置還包括定義容納半導體晶粒並容納膜的體積的封裝，該封裝包括至少一個用於允許聲波或壓力波與膜相互作 用的端口。
根據第三型態，本案提供了一種形成MEMS裝置的方法，所述方法包括：形成包括積體電路的半導體晶粒；形成安裝在所述半導體晶粒上並覆蓋所述電路的至少一部分的結構，所述結構定義所述結構與所述電路的所述至少一部分之間的空間；以及形成包括隔膜的傳感器，傳感器位於空間的外部。
在一些實施例中，該方法還包括在該空間內形成第二膜。在一些實施例中，膜和第二膜在相同的形成步驟中形成。
在一些實施例中，形成傳感器還包括形成與膜相鄰並間隔開的傳感器層，傳感器層和膜形成電容傳感器。在一些實例中，傳感器層與結構的至少一部分在相同的形成步驟中形成。
在一些實施例中，形成結構包括在半導體晶粒上形成側壁以及在側壁上形成第一層，使得側壁和第一層定義空間。
在一些實施例中，該方法還包括在該空間內形成真空。
在一些實施例中，該方法還包括將半導體晶粒安裝在定義容納半導體晶粒、結構和膜的體積的封裝內，該封裝包括至少一個用於允許聲波或壓力波與膜相互作用的端口。
在一些實施例中，該方法還包括在半導體晶粒上或結構上形成金屬層，以及提供從金屬層延伸至散熱器的至少一個金屬連接器。在一些實例中，金屬層至少部分地位於空間內。在一些實例中，金屬層的至少一部分嵌入結構內。在一些實例中，形成金屬層包括在半導體晶粒電路或結構的表面上形成金屬層，使得金屬層覆蓋表面的至少50%。
根據第四型態，本案提供了一種形成MEMS裝置的方法，所述方法包括：形成半導體晶粒；形成傳感器膜；在所述半導體晶粒的表 面上或整合在所述半導體晶粒內的積體電路的表面上形成金屬層，其中所述金屬層覆蓋所述表面的至少50%；以及提供從金屬層延伸至散熱器的至少一個金屬連接器。
在一些實施例中，該方法還包括形成與傳感器膜相鄰並且與傳感器膜間隔開的傳感器層，傳感器層和膜形成電容傳感器。
在一些實施例中，該方法進一步包括將半導體晶粒安裝在定義容納半導體晶粒和膜的體積的封裝內，該封裝包括至少一個用於允許聲波或壓力波與膜相互作用的端口。
根據第五型態，本案提供了一種包括第一方面的MEMS裝置的裝置。在一些實施例中，該裝置是行動電話、平板電腦、筆記型電腦、麥克風、桌上型電腦和數據處理裝置之其中一者。
根據第六型態，本案提供了一種包括半導體晶粒和膜的MEMS裝置，所述MEMS裝置還包括定義空間的結構元件，其中，在使用中，由所述半導體晶粒產生的熱量大致上包含在所述空間內和/或在結構元件內，以減少半導體晶粒和膜之間的熱聲耦合。
根據第七型態，本案提供了一種微機電系統(MEMS)裝置，包括：包括膜的電容式傳感器；積體電路；一結構配置以減少由於提供給積體電路的電源電壓的變化而引起在膜上的積體電路的溫度變化的影響。
根據第八型態，本案提供了一種微機電系統(MEMS)裝置，包括：包括電路的半導體晶粒；圍繞所述電路並在所述結構和所述電路之間定義空間的結構；以及包括膜的傳感器，傳感器位於空間外部並且不接觸空間。
根據第九型態，本案提供了微機電系統(MEMS)裝置，包括：包括膜的電容式傳感器；與膜聲學通信的空氣體積；包括整合在所述 晶粒的一表面中的電路的半導體晶粒；以及位於所述表面和所述空氣體積之間的結構，所述結構包括背板，所述背板位於所述積體電路的至少一部分上方並與其間隔開，以在所述背板和所述電路之間定義空間。
在一些實施例中，所述空間由所述結構界定，從而大致上不與所述膜聲學通信。
根據第十型態，本案提供了一種半導體MEMS晶粒，包括：包括膜的電容式傳感器；整合在晶粒的一表面上的電路；以及包括位於所述表面上的側壁的結構，所述側壁支撐覆蓋所述積體電路的至少一部分並與其間隔開的背板，以定義所述背板和所述電路之間的空間；所述空間大致上由所述側壁和所述背板定義，從而不與所述結構外部的空氣聲學通信。
根據第十一型態，本案提供了一種半導體MEMS晶粒，包括：包括膜的電容式傳感器；整合在晶粒的一表面中的電路，所述電路包括電壓調節器電路；以及覆蓋所述調節器的至少一部分的金屬接合墊。
根據第十二型態，本案提供了一種MEMS麥克風封裝裝置，包括：包括MEMS傳感器和電路的積體MEMS麥克風，所述MEMS傳感器包括膜，其中所述積體MEMS麥克風還包括安裝在電路的至少一部分上方的熱阻抗結構，用於減少在膜上的電路的溫度變化的影響。
根據第十三型態，本案提供了一種MEMS麥克風封裝裝置，包括：包括膜的MEMS傳感器晶粒；以及包括可操作地耦合到MEMS傳感器的積體電路的第二晶粒，其中第二晶粒包括安裝在積體電路的至少一部分上方的熱阻抗結構，用於減少在膜上的積體電路的溫度變化的影響。
根據第十四型態，本案提供了一種微機電系統(MEMS)裝置，包括：包括MEMS傳感器和積體電路的半導體晶粒；以及安裝在所述半導體晶粒上的結構，所述結構至少覆蓋所述積體電路的至少一部分，所 述結構定義所述結構與所述半導體晶粒之間的空腔。
根據第十五型態，本案提供了一種單片半導體晶粒，包括：提供在晶粒的第一電路區域中的電路；提供在晶粒的第二傳感器區域中的MEMS傳感器；以及提供在第一電路區域與傳感器區域之間的熱流路徑上的外殼。
該外殼定義大致上封閉的體積並且可以被提供，以至少部分地覆蓋電路。電路區域或電路的至少一部分可以設置在傳感器區域下方的平面中。外殼可以至少部分地由設置在晶粒上表面上方或者最上層電路層上方的結構定義。外殼可以至少部分地由在模具內形成的空腔定義。外殼可以包括熱低通濾波器。外殼內的體積可以包括空氣、氣體或真空。該體積可以包括具有低導熱率的固態材料。
根據第十六型態，本案提供了一種單片半導體晶粒，包括：提供在晶粒的第一區域中的電路；提供在所述晶粒的第二區域中的MEMS傳感器；提供在覆蓋第一區域的至少一部分的晶粒的第三區域中的熱低通濾波器。
熱低通濾波器可以設置在電路區域和傳感器區域之間的熱流路徑上。
根據一種MEMS傳感器與背部空間聲學通信的配置，電路與低通濾波器熱連通，並且低通濾波器與背部空間熱連通。
根據第十七型態，本案提供了一種包括如在此公開的至少一方面的裝置的電子設備，其中所述設備是以下的至少一者：便攜式設備；電池電力裝置；計算設備；通信設備；遊戲裝置；行動電話；個人媒體播放器；筆記型電腦、平板電腦或筆記型電腦裝置。
100:裝置
102:半導體晶粒
102a:CMOS層
102b:傳感器層
104:封裝基板
106:膜
108:背板
110:蓋
112:體積
114:端口
116:電路
200:電路
202、204:LDO調節器
206:類比電路
208:數位電路
250:接合墊
302、304、306、308、310:曲線
400:裝置
402、404、404a、412:側壁
406:結構
408:空間
410:上表面
414:上層
416:第二膜
418:孔
420:電介質層
422:金屬層
500:裝置
502:金屬層
504、506:接合線
700:裝置
800:裝置
802、804:接合線
900:裝置
I:上表面
現在將僅通過參考附圖的非限制性實例來描述實施例，其中：圖1繪示MEMS裝置的實例的橫截面；圖2繪示積體電路的至少一部分的實例；圖3繪示圖1設備在測試期間的性能圖的實例；圖4A-C繪示MEMS裝置的實施例的橫截面；圖5繪示MEMS裝置的另一個實施例的橫截面；圖6繪示MEMS裝置的一個實施例的平面；圖7繪示MEMS裝置的另一個實施例的橫截面；圖8繪示MEMS裝置的另一個實施例的橫截面；圖9繪示從積體電路的散熱；以及圖10A-C繪示MEMS裝置的實施例的橫截面。
圖1繪示封裝MEMS麥克風裝置100的實例的橫截面。裝置100包括安裝在封裝基板104上的半導體晶粒102。半導體晶粒102包括電路116和共同整合的MEMS傳感器，MEMS傳感器包含膜106和背板108。膜106和背板108被設置成彼此相鄰並且彼此間隔開，並且每一者都包括電極(未示出)或者是導電的，從而形成電極，使得它們形成電容器的板。因此，在此實例中，半導體晶粒102包含積體電路116和MEMS傳感器結構。在其他實例中，MEMS傳感器元件可以在單獨的半導體晶粒上實現。
積體電路116和MEMS傳感器可以以多種方式封裝。例如，如圖1所示，包括MEMS傳感器的半導體晶粒102被安裝在封裝基板104上並且被蓋110覆蓋，以定義可以用作例如MEMS麥克風的背部體積的體積112。在MEMS傳感器被實現在單獨的半導體晶粒的實例中，半導體晶粒102和MEMS傳感器半導體晶粒可以被分開地附接到共同的封裝基板並且被共同的蓋覆蓋以定義共同的體積。但是，也可以使用其他封裝類型。例如，在晶圓級晶片級封裝(WLCSP)實例中，封裝基板104可以不存在，而外部連接可以直接從結合傳感器和電路的單一半導體晶粒的下表面製成，並且蓋結構被直接安裝至模具上以提供背部體積。
一般而言，為了空間原因和結構簡單性，將有一個與MEMS傳感器和相關聯的積體電路兩者通信的共同體積，無論這些積體電路是否整合在單個晶粒或多個晶粒上，以及該裝置是否包括單獨的封裝基板。
封裝基板104包括可包括MEMS麥克風的聲音端口的聲學端口114。背板108包括多個孔，這些孔提供從膜106和背板108之間的體積至體積112的通道。膜106包括一或多個孔，以允許體積112和圍繞裝置100的空氣之間的低頻壓力平衡。
在使用中，聲音或壓力波可以進入MEMS麥克風裝置100的聲學端口114並且與膜106相互作用，導致膜如圖1所示沿垂直方向移動，或傾向於在此方向上移動。換句話說，由於聲音或壓力波，膜可能在朝向或遠離背板108的方向上受力。例如，入射聲壓波可能導致膜106與背板108及其相關電極之間的距離改變，並且因此電極之間的電容改變。此電容變化可以由積體電路116檢測，積體電路116可以輸出代表引起膜100運動的聲音或壓力波的電輸出信號。因此，裝置100可以包括在電極和積體電路116之間的連接(未示出)，例如金屬互連。
圖2繪示可以包括在半導體晶粒102中的至少一些電路200的實例。電路200可以包括一或多個電壓調節器，例如低壓差(LDO)調節器。圖2中繪示兩個LDO調節器202和204。每個LDO調節器接收諸如電源電壓Vdd的電壓，並向電路的其他部分輸出大致上恆定的電壓。例如，LDO調節器202接收電壓Vdd並向類比電路206提供第一調節電壓(VddA)。類似地，LDO調節器204接收電壓Vdd並向數位電路208提供第二調節電壓(VddD)。在一實例實施中，電壓Vdd是1.8V，第一調節電壓是1.6V，第二調節電壓是1.0V，但是在其他實施方式中可以使用其他電壓。
即使在存在電源波動和噪聲的情況下，LDO調節器202和204也向相關聯的類比和數位電路206或208提供相應的大致上恆定的電壓，即大致恆定的電源電壓。因此，在一些實施方式中，即使電源電壓Vdd中的變化△Vdd，積體電路的電流消耗也大致恆定。所以，積體電路電路的功耗是電源電壓Vdd和從電源端流到地的電流的乘積，與電源電壓等級Vdd成正比，因此隨△Vdd線性變化。
在其他實例中，可以在不使用LDO的情況下導出至少一些類比或數位電路的電源電壓，但可能產生在電路中的組件的偏置電壓，以使其仍然導致電路200大致上恆定的電流汲取。例如可以使用諸如帶隙電壓的大致上獨立供電的參考電壓來產生偏置電流。在其他實例中，由電路汲取的電流可能由於電源電壓Vdd中的變化和噪聲而變化，而因此電路200的功耗可能與電源電壓不成比例地變化。
圖2中示出的電路200僅僅是實例，並且積體電路的其他實施方式可以包括更多或更少的組件或不同的組件，如圖2中所示的組件。例如，積體電路可以具有更多或更少的LDO調節器，或者可以不具有LDO 調節器，並且可以適當地包括類比電路和/或數位電路。然而，在至少一些實施方式中，功耗取決於電源電壓等級，並且因此可能隨著電源電壓等級的波動和噪聲而波動。
圖1的裝置100的問題在於，在使用中，積體電路116消耗功率並且產生熱量，其中至少一些消散到背部體積112中的空氣中。這在圖9中簡化地繪示出，其中垂直和水平地散熱，或者換句話說向上和向外散熱。當電力消耗由於電源電壓等級中的波動和噪聲而改變時，背部體積112中的空氣的溫度可因此增加和減少。結果，背部體積112中的空氣的熱膨脹可能導致背部體積中的壓力變化。由於背部體積與隔膜116聲學通信，所以該壓力施加在膜106上，導致膜106的移動。這可以由積體電路116檢測出可能與由聲波或壓力波經由聲學端口114入射在膜上的信號不可區分的信號，特別是如果電源電壓調控包含音頻組件時。
可以理解的是，在膜「後」的體積-即膜的另一側至模腔-其沒有密封在封裝中，膜上的散熱的影響仍可能由於水平或向外散熱而對膜產生熱影響。
圖3繪示在沒有聲刺激存在但疊加在電源電壓上具有可變頻率的正弦波的測試期間類似於圖1的裝置100的實例MEMS麥克風裝置的電源抑制(PSR)性能。圖3顯示了耦合到電輸出上的合成信號的幅度與疊加正弦波的頻率的關係。較低的三條曲線302、304和306代表真空中的裝置，而較高的兩條曲線308和310代表空氣中的裝置。可以看出，耦合的輸出信號幅度相對較低並且大致上與真空中的頻率無關，而在空氣中，耦合的輸出信號幅度開始上升到約1kHz以下，並且隨著頻率降低而顯著增加，在20Hz時達到約-68dBFS，而真空中耦合的剩餘等級低於-90dBFS。
其原因在於由於積體電路116的功耗的增加和減少而導致 背部體積112中的空氣(特別是最靠近電路116的表面的空氣)的反復加熱和冷卻，導致整個背部空間中的空氣壓力的熱量調節，並因此導致膜106在相關頻率下移動。換句話說，在積體電路116和膜106之間存在熱聲耦合，因為膜的移動可以由積體電路116檢測到，其與由於經由聲學端口114接收到的類似的聲學或聲壓波引起的膜的任何移動不可區分。
如本文所公開的實施例可以至少部分地防止來自MEMS裝置中的積體電路的熱散逸加熱背部體積中的空氣，這可以改善PSR性能，特別是在低於約1kHz的頻率下。例如，在一些實施例中，MEMS傳感器可以包括其中整合有電路的半導體晶粒、安裝在半導體晶粒上並覆蓋電路的至少一部分的結構，該結構定義與電路的至少一部分相鄰的空間(或覆蓋電路的至少一部分)，以及位於空間外部的傳感器膜。因此來自半導體晶粒的至少一些熱量可以被包含在空間內，這可以減少積體電路與傳感器的膜之間的熱聲耦合。附加地或替代地，至少一些熱量可以被包含在結構的一部分內，在一些實例中，該結構可以包括與電路間隔開的背板。
圖4A繪示封裝的MEMS裝置400的一實施例的一實例的橫截面，其例如是一個MEMS麥克風。與圖1中所示相似的特徵被賦予相同的附圖標記。裝置400包括其中整合有電路116的半導體晶粒102以及也包含在其中的膜106和背板108的MEMS傳感器。積體電路116和傳感器被整合為例如它們形成在同一矽晶片上並且在相同處理步驟期間同時形成，並且當晶片被單片化(即被分離為單獨的晶粒)時形成單一單片晶粒102。因此積體電路116和傳感器在一些情況下可以彼此相鄰並且可以接合在一起。然而，需注意的是，積體電路116和傳感器的整合不是必需的，並且在其他實施例中，積體電路116和傳感器可以不被共同整合，例如如圖4B所示，它們可以形成在分離的矽晶粒102、102a上，並且被封裝在一 起作為單個MEMS裝置。
在任一情況下，積體電路116和傳感器可以安裝在封裝基板104上，封裝基板104包括端口114，例如允許聲音或壓力波與膜106相互作用的開口或孔。側壁402和404在半導體晶粒102上，以支撐膜106和背板108。膜106和背板108各自包括或形成關聯電極(未示出)，其形成電容式傳感器的電極。
蓋110也安裝在封裝基板104上，並且定義包含積體電路116和傳感器的一個半導體晶粒102(或者當未被共同整合時的多個晶粒)的體積112。然而，在其他實施例中，可以使用不同的封裝類型。
裝置400進一步包括結構406。該結構定義膜與積體電路熱隔離的空間408，該結構或空間與半導體晶粒102相鄰，特別是與電路116相鄰。在實例裝置400如圖所示，結構406安裝在半導體晶粒102上並覆蓋電路116。在該實例中，空間408是位於結構406和半導體晶粒102的上表面410之間的空腔，上表面410是朝向體積112的主要部分的表面。在圖4A所示的實例中，結構406包括側壁404和412以及上層414。在該實例中，側壁404與傳感器共用，在其他實施例中，該側壁可以與支撐傳感器的膜和背板的側壁不同，即，在結構406和傳感器之間可以存在橫向間隙，無論傳感器是否共同整合，或者無論傳感器是否在具有側壁404和404a的分離部分的分離晶粒上，如圖4B所示。
因此，上層414與半導體晶粒102的上表面410間隔開。上層414可以形成在與背板108相同的層中。例如，在一些實施例中，背板108和上層414可以在相同的一或多個處理步驟中形成，因此與如圖1的裝置的製造相比，該結構的形成幾乎不增加處理成本和/或幾乎不增加或不增加處理步驟。側壁404和412可以包括圖3中未示出的其他壁以定義空間 408。例如也可以存在前壁和後壁(未示出)以定義空間408。
在使用中，裝置400的積體電路116可以產生熱量。該熱量可以輻射或傳導入空間408中，而熱量導致空間408中的任何空氣的壓力增加。然而，封閉該空間的結構406的結構元件阻止了從空間中的空氣到體積112或膜106的任何聲學通信。僅在體積112中傳遞到空氣中的熱量將施加聲波至膜106上。
而且，結構406的結構元件可以具有顯著的熱質量，因此可以降低這種熱量傳播到體積112的速率。結果因為膜106位於空間408的外部，後體積112中的空氣的熱膨脹率降低，所以減小了積體電路116與膜106之間的熱聲耦合。因此，裝置110可以具有改進的電源抑制(PSR)性能，特別是例如在頻率低於約1kHz的電源電壓等級的波動和噪聲下。
適當時，可以使用沉積在下層或犧牲層上的材料層來形成結構406。例如，在一些實施例中，結構406的側壁404和412以及上層414(其在某些實例中可以被稱為背板)由氮化矽形成，然而可以使用任何合適的材料來形成裝置的任一部分。可以將上層414沉積在任何適當類型的犧牲層或諸如聚酰亞胺的層上，在空間408內。隨後可以使用任何適當的流程來去除犧牲層，例如使用氧電漿來去除聚酰亞胺。在一些實施例中，上層414包括一或多個孔418以便於去除犧牲層或層。一或多個孔418可以被配置為在期望的聲頻處呈現相對高的聲阻抗，但其允許犧牲層或層被去除。
在一些實施例中，空間408的熱阻的熱時間常數和上層(例如背板)的熱容被佈置為有效地給出低通截止頻率，以將來自電路116的熱波動傳播到例如1kHz以下的體積112，並且在一些情況下為100Hz或者更低。因此，根據需要，在該截止頻率以上的頻率的任何熱波動進入體積 112的流量將被減弱。從這個意義上來說，由結構定義的結構和相關空間可以被認為是熱低通濾波器。熱低通濾波器設置在覆蓋晶粒的至少一部分電路區域的平面的上方。
為了增加熱時間常數並因此改善衰減，結構406的背板元件應當相對較大且因此盡可能厚。然而，覆蓋傳感器膜的背板需要孔108，以將膜正上方的空間聲學耦合到體積112。這些應當優選地呈現低聲阻抗，以避免減弱膜的響應。因此，覆蓋膜的背板部分應該優選盡可能薄，但受到其他限制，例如機械剛性。
因此，如圖4C的實施例所示，覆蓋電路116(或該區域的至少大部分)的背板結構的區域的厚度在此實例中比覆蓋膜的背板的區域厚(或該區域的至少大部分)。
電路116上的較厚的結構背板可藉由向該背板的該區域添加一或多個附加材料層來提供。例如，附加厚度可以由附加的電介質層420提供，例如氮化矽。在一些實施例中，可以提供金屬層422。這些層可以具有比它們排出的空氣更高的熱導率，但是這些層相對較薄，所以它們在更大熱質量級數上的益處在增加結構406的熱時間常數上更為顯著。在其他實施例中，可以進一步存在額外的金屬層和/或電介質層。
如圖4A，4B和4C所示，在一些實施例中，空間408可以包括第二膜416，第二膜416在一些實施例中形成在與膜106相同的層中，並且可以在相同的一或多個處理步驟中形成。第二膜416可以包括用於促進去除任何下層犧牲層的一或多個孔。第二膜416可以在積體電路116和體積112之間的期望聲頻處提供進一步的熱聲阻抗，並且因此可以進一步減小積體電路116和膜106之間的熱聲耦合。
在所示的實例中，一或多個孔418是開放的，因此空間408 被空氣所填充。然而，在其他實施例中，可以在形成結構406之後密封孔418。在這樣的實施例中，空間408可以填充有空氣或一些其他氣體或物質，例如具有低導熱率的氣體，例如氙氣或氬氣。在一些實施例中，部分或全部空間可以填充有固態物質，例如具有低導熱率的固態物質，例如低導熱性氣凝膠，例如二氧化矽氣凝膠。這可以有利地為熱結構406提供額外的結構剛性。在一些實施例中，空間408中的一些或全部可以被抽空，以在空間408內形成真空。這樣的實施例甚至可以進一步減少膜106上的電源波動和噪聲的影響。在其他實施例中，上層414可以形成為沒有孔。在這種情況下，可以以另一種方式去除下面的犧牲層，或者可以留下，或者可以在不使用犧牲層的情況下提供層414。
其他實施例提供了其中由於積體電路的功率消耗的變化而引起的膜的移動的發生或幅度減小的裝置。例如，MEMS傳感器可以包括半導體晶粒，該半導體晶粒包括積體電路、膜、在包括積體電路的半導體晶粒的區域的表面上形成的金屬層，其中金屬層覆蓋至少50%或者至少90%，以及至少一根從半導體晶粒延伸到散熱器的接合線，熱接收器、熱儲存器或熱質量，在此統稱散熱器。因此金屬層捕獲產生的熱量，並且至少一些熱量通過接合線或導線從金屬層傳導至散熱器。
散熱器可以是例如裝置的封裝基板，在一些情況下耦合到外部電路板或諸如主機裝置的設備的主體，以提供更顯著的熱儲存器。然後可能經由設備的其他結構或散熱器將熱量傳導至周圍環境。
圖5因此繪示諸如MEMS麥克風的裝置500的另一個實例的橫截面。與圖1和/或4中類似的特徵被賦予相同的附圖標記。裝置500包括積體電路116、包括膜106和背板108和關聯電極(未示出)的MEMS傳感器、具有聲音端口114和蓋110的封裝基板114。
裝置500包括形成在半導體晶粒102的表面上的金屬層502。例如，金屬層形成在半導體晶粒102的上表面上，如圖5所示。在一些實施例中，金屬層覆蓋在至少50%的表面。例如，在圖5中，金屬層覆蓋表面的大部分。除了為電子電路的組件提供足夠的電連接性所需的任何其他金屬層或圖案之外，可以提供金屬層。金屬層可以在電路的至少75%的表面區域上連續，或者可以被分成單獨的部分。
在一些實施例中，可以存在覆蓋金屬層502的其他層(未示出)，例如用於鈍化或保護金屬表面的諸如氮化矽的電介質層。
裝置500還包括接合線504和506。接合線504和506連接在金屬層502和散熱器之間。在所示的實例中，基板104用作散熱器，因此接合線連接在金屬層502和基板104之間。在其他實施例中，可以使用更多或更少的接合線。在使用兩個或更多個接合線的情況下，每個接合線可以連接到相同的散熱器或不同的散熱器，並且連接到共同的連續金屬圖案或者分離的金屬層或金屬圖案的區域。
在一些實施例中，散熱器可以包括基板104或裝置500的另一部分，諸如接合或焊墊、金屬結構或任何其他合適的散熱器。散熱器可以安裝在基板104或蓋110的外部、在裝置500的外部或在任何合適的位置。然後散熱器接收到的熱量可能經由一或多個其他結構(通常為傳感器裝置外部的外部電路板)散發至周圍環境，所述封裝基板被焊接至或以其他方式機械附接至傳感器裝置。
在使用中，由半導體晶粒102產生的一些熱量被金屬層502吸收。在該實例中，由於金屬層502和接合線504和506的相對高的熱導率，金屬層502所吸收的至少一些熱量將由金屬層502和接合線504和506經由基板104側向傳導至一些外部儲熱器或散熱器。結果，與例如圖1的 裝置100相比，較少的熱傳遞到背部體積112，並因此導致膜106上的半導體晶粒102(或積體電路116)的溫度變化的影響，這是由於電源波動和噪聲減少所致。
在電路由諸如LDO之類的電壓調節器供電並因此以相對恆定的電流和電壓運行的實施例中，大致上與調節器的輸入電壓無關，大部分的功率耗散與電源相關的部件將發生在調節器中，特別是在調節器中的通過設備中。因此可以有利地確保積體電路116中的調節器位於接合線504、506的接合墊的位置附近，在一些情況下至少部分地位於這些接合墊下方，以減少橫向熱阻。換句話說，在一些情況下，至少一個接合墊可以覆蓋至少一個調節器的至少一部分，以提供到散熱器的低熱阻路徑，以將熱流與體積112分離。圖6示出這種實施例的平面圖，其中半導體晶粒102包括包含膜106和傳感器背板108的MEMS傳感器，並且還包含積體電路116，積體電路116包括電壓調節器(諸如LDO)202和其他電路206。接合墊250定位在電路的調節器區域的一部分上方，以有效地將熱量傳遞到與其附接的任何接合線。
圖7繪示例如可以是MEMS麥克風的裝置700的另一個實施例的橫截面。與圖1、4和/或5類似的特徵被賦予相同的附圖標記。裝置700可以被認為是裝置300和500的組合。也就是說，裝置700包括位於包括積體電路的半導體晶粒的區域的表面上的金屬層502，以及定義相鄰金屬層502的一部分的一空間的結構406。在該實例中，金屬層502的一部分露出(即，未被結構406覆蓋)，以允許連接一根或多根接合線，但是在其他實施例中，該結構大致上覆蓋所有的金屬層502，而熱量可以以其他方式從金屬層502傳遞到一或多個散熱器。例如，諸如穿過電介質層或矽通孔(TSV)的金屬通孔的一或多個金屬互連，其可穿過結構406和/或半導體 晶粒102的部分。
在類似於圖4C所示的實施例中，利用附加金屬層422，可以將接合線附著到該金屬層的區域，或者多個金屬通孔(未示出)可以將層422連接到與接合線或其他熱傳導路徑如矽通孔連接的下層。金屬層422能夠以比其他金屬層更厚的層來製造，該金屬層可能須以小的最小尺寸支持圖案化以與物理上小的電路元件連接。這個較厚的層將具有較低的熱阻，因此藉由連接該層而非較薄的較低層可以獲得較低的分路熱阻抗。
在使用中，圖7的裝置700的積體電路116產生熱量，並且由於電源電壓等級上的波動或噪聲而產生的熱量可能改變。金屬層502和接合線504和506可以將這些熱量中的至少一些傳導到諸如封裝基板104的散熱器或者經由封裝基板104。由金屬層502吸收的一些熱量可以加熱任何相鄰的空氣。因此，結構406以類似於上述參照圖3和裝置300所述的方式減小了膜106上的這種影響。
在所示的實例中，一或多個孔418是開放的，因此空間408被空氣填充。然而，在其他實施例中，可以在形成結構406之後密封孔418。在這樣的實施例中，空間408可以填充有空氣或一些其他氣體或物質，優選使用低熱導率的氣體例如氙氣或氬氣或低熱導率的氣凝膠例如二氧化矽氣凝膠，或者可抽空，而在空間408內形成真空。
圖8繪示例如可以是MEMS麥克風的裝置800的另一個實施例的橫截面。與圖1、4和/或5類似的特徵被賦予相同的附圖標記。裝置800可以被認為是裝置300和500的替代組合。也就是說，裝置800包括定義與積體電路116的一部分相鄰的空間408的結構406，以及在結構406的表面上的金屬層502。在一些實施例中，可存在覆蓋金屬層502的其他層(未示出)，例如諸如氮化矽的電介質層，以鈍化或保護金屬表面，或者參考 圖4C討論的原因提供額外的熱質量。
接合線802和804從金屬層502延伸到散熱器，在該實例中，散熱器是封裝基板104。在圖8所示的實例中，形成金屬層502覆蓋結構408的上層414的大部分或至少大部分。因此上表面414中的端口418也延伸穿過金屬層502以便於去除下面的犧牲層。然而，在其他實施例中，端口418可以在犧牲層被去除之後不存在或可以被密封。
在使用中，設備800的積體電路116產生熱量，並且由於電源電壓等級上的波動或噪聲而產生的熱量可能變化。結構406可以包含空間408內和/或結構406內的至少一些熱量。一些熱量可以橫跨結構的多個部分傳導，例如跨上層414傳導。金屬層502和接合線802和804可以將至少一些的這種傳導熱量傳導至諸如基板104的散熱器。由結構406定義的空間408可以包含空氣、真空、另一種氣體或任何其他合適的物質。繪示兩條接合線802和804，但是在其他實施例中，可以在金屬層和一或多個散熱器之間提供更多或更少的接合線和/或金屬互連(即金屬連接)。
在MEMS裝置的一些實施例中，接合線可以替代地由金屬層502和散熱器之間的金屬互連(例如矽通孔)代替。接合線和金屬互連可統稱為金屬連接器。
圖10A繪示MEMS裝置900的另一實施例的實例的橫截面。裝置900包括單片半導體晶粒102，其包含提供於裝置的第一電路區域中的積體電路116以及包含提供在裝置的第二傳感器區域中的膜106。本領域技術人員將會理解，半導體晶粒通常可以包括多個CMOS擴散區域和沉積層，其一起形成電子電路。例如，晶粒可以包括多個CMOS層102a以及可以在形成CMOS層之後形成並且設置在CMOS層頂上的多個傳感器層。將會理解，積體電路116可以由多個CMOS層中的一或多個形成。因此， 在該實例中，積體電路被繪示為位於晶粒的CMOS層102a內。
裝置900進一步包括界定大致上封閉的體積408的外殼。在該實例中，體積408由形成在晶粒的電子電路或電路區域上方的結構406定義。因此，該結構設置在CMOS電路之上，使得體積408大致上被該結構以及可能是電路頂層的晶粒頂部的上表面I所包圍。應該理解，最上面的電路層可以在至少一個區域中形成界面，此界面介於形成裝置的第一區域的電路層102a與形成裝置的第二傳感器區域的傳感器層102b之間。可選地或另外地，最上層的電路可以在一或多個區域中形成半導體晶粒的上表面。結構406和體積408被佈置成提供熱阻以從電路區域向上輻射熱量。因此，體積可以被視為熱阻體積。
體積408設置在覆蓋電路區域的平面中，使得體積408在電路區域的至少一部分上延伸。單獨或與結構406結合的體積408抑制或阻止從電路到後體積的熱量流動，即聲學耦合膜後面區域和覆蓋電路區域的晶粒基板的上表面的空氣體積。空間或體積408可以包括空氣、一些其他氣體或者可以是真空。該空間可以被認為是沒有固態材料的區域。或者，該空間可以設有具有低導熱率的固態材料，例如，導熱率比基板材料低的固態材料。結構406可以包括蓋式結構。
體積408和結構406可以被認為是提供低通截止頻率，以將來自電路116的熱波動傳播到體積212。因此，流入體積212的上述頻率的任何熱波動根據需要，該截止頻率將被衰減。從這個意義上說，由結構定義的結構和相關空間可以被認為是熱低通濾波器。熱低通濾波器設置在覆蓋晶粒的至少一部分電路區域的平面中。
圖10B繪示MEMS裝置900的另一實施例的實例的橫截面。裝置900包含單片半導體晶粒102，所述單片半導體晶粒102包含提供 於裝置的第一電路區域102a中的積體電路(未繪示)以及包括MEMS傳感器，其包括設置在裝置的第二傳感器區域102b中的膜106。在該實例中，大致上封閉的體積408被定義在晶粒102內。具體地，外殼形成在裝置的電路區域102a內。該體積可以包括大致上沒有形成該模具的該部分的材料的空腔或區域。例如，在晶粒包括多個CMOS沉積層的佈置中，可以處理包括一或多個CMOS層的區域，以去除形成CMOS層的材料。例如，這種CMOS沉積層可以是金屬層和介電層。體積可以包括空氣、氣體或者可以是真空。在其他實例中，該體積可以被提供有具有比形成基板材料的其餘部分的材料更低的熱導率的固態材料。該體積對從第一電路區域102a內形成的積體電路散發的熱量提供增加的熱阻抗。
圖10C繪示MEMS裝置900的另一實施例的實例的橫截面。裝置900包含單片半導體晶粒102，所述單片半導體晶粒102包含提供於裝置的電路區域102a中的積體電路116以及MEMS傳感器，其包含提供於裝置的傳感器區域中的膜106。在該實例中，大致上封閉的體積408由形成在晶粒的電路區域上方的結構406以及另外形成在晶粒的上層中的空腔所定義。
在上述每個實例裝置中，可以在膜和背板的電極之間提供合適的電連接，使得積體電路可以測量電極之間的電容。因此，當使用聲音或壓力波與膜106相互作用並且電極之間的電容因此改變時，積體電路可以檢測聲音或壓力信號的電容變化。在一些實施例中，積體電路可以對聲音或壓力信號執行諸如濾波、均衡等的操作。該裝置還可以包括外部連接，使得由適當的積體電路處理的聲音或壓力信號可以從該裝置獲得，並且被提供給另一個(例如，主機)裝置的其他組件，其傳感器裝置被併入於其中。這樣的其他裝置可以包括例如行動電話、平板電腦、筆記型電腦、麥 克風、桌上型電腦、數據處理裝置等。
上面描述的實例裝置顯示與積體電路共同整合的傳感器。然而這並非限制，而其他實施例可以包括未與積體電路整合的MEMS傳感器。例如，傳感器和半導體晶粒可以分別形成在不同的晶片或半導體基板上。傳感器可以被封裝在包括承載組件和蓋的封裝基板的封裝內，但是在其他實施例中可以使用其他封裝類型。
在一些實施例中，例如上述的一些實施例，裝置可以包括具有側壁和形成「盒子」形狀的層的結構。但是，這種形狀不是限制性的，並且可以設想成其他形狀的結構。例如，為了機械強度或其他原因，圖示為垂直的側壁404等可以相對於半導體晶粒的表面以45度或60度的角度傾斜。
該結構的一些實施例，特別是那些包括側壁和另外的層的實施例可以在也形成該裝置的其他部分的流程步驟中形成，例如積體MEMS傳感器，因此可以形成該結構的至少一些部分而不需要任何額外的處理步驟。
在一些實施例中，金屬層設置在表面(諸如半導體晶粒的表面、積體電路的表面或結構的表面)上。在某些情況下，金屬層可覆蓋表面面積的50%至100%。例如，在積體電路的上表面上設置金屬層的情況下，金屬層可以覆蓋上表面的至少50%。或者，例如，在諸如上層的結構的一部分上設置金屬層的情況下，金屬層覆蓋上部的至少50%的表面。然而，在其他情況下，金屬層可以嵌入半導體晶粒或結構的一部分內。在某些情況下，金屬層也可能被其他層覆蓋。
對於一些應用，實施例將被實施，其中積體電路是DSP(數位信號處理器)、ASIC(專用積體電路)或FPGA(現場可編程閘陣列)。 應該注意的是，上述實施例是說明性的而不是限制性的實施例，並且在不脫離所附的請求項的範圍的情況下，本領域技術人員將能夠設計出許多替代實施例，例如，實施例可以適當地包括更多或更少的組件。詞語「包括」不排除請求項中列出的元素或步驟以外的元素或步驟的存在，「一」或「一個」不排除多個，並且在請求項中，單個特徵或其他單元可以履行敘述的若干單元的功能。請求項中的任何附圖標記或標記不應被解釋為限制其範圍。
200:電路
202、204:LDO調節器
206:類比電路
208:數位電路

Claims (20)

  1. 一種單片半導體晶粒，包括：電路，提供在該晶粒的第一區域中；MEMS傳感器，提供在該晶粒的第二區域中；以及外殼，提供在該第一區域和該第二區域之間的熱流路徑上；其中，該外殼至少部分地由在該第一區域內形成的空腔定義。
  2. 如請求項1所述的單片半導體晶粒，其中該外殼被提供而覆蓋該電路的至少一部分。
  3. 如請求項1所述的單片半導體晶粒，其中該外殼至少部分地由形成在該第一區域上方的結構定義。
  4. 如請求項1所述的單片半導體晶粒，其中該外殼包括熱低通濾波器。
  5. 一種微機電系統(MEMS)裝置，包括：包括積體電路的半導體晶粒；安裝在該半導體晶粒上並覆蓋該積體電路的至少一部分的結構，該結構定義該結構和該積體電路的該至少一部分之間的空間；以及包括膜的傳感器，該傳感器位於該空間的外部，其中該MEMS裝置定義包含該結構和該傳感器的封閉的體積，並且其中該空間將該膜與該積體電路的該至少一部分熱絕緣。
  6. 如請求項5所述的MEMS裝置，其中該結構包括安裝在該半導體晶粒上的側壁和第一層，其中該側壁和該第一層定義該空間。
  7. 如請求項6所述的MEMS裝置，其中該結構包括形成在該第一層上的至少一個附加層。
  8. 如請求項5所述的MEMS裝置，其中該傳感器包括與該膜相鄰且與該 膜間隔開的傳感器背板層，該傳感器背板層和該膜形成電容傳感器。
  9. 如請求項8所述的MEMS裝置，其中該傳感器背板層和該結構的至少一部分包括相同的材料、包括連續層和/或在相同的形成步驟中形成。
  10. 如請求項8所述的MEMS裝置，其中該結構包括與該積體電路的該至少一部分間隔開的背層，並且其中該背層比該傳感器背板層厚。
  11. 如請求項5所述的MEMS裝置，其中該傳感器被整合在該半導體晶粒上。
  12. 如請求項11所述的MEMS裝置，還包括該空間內的第二隔膜。
  13. 如請求項12所述的MEMS裝置，其中該膜和該第二膜包括相同的材料、包括連續層和/或在相同的形成步驟中形成。
  14. 如請求項5所述的MEMS裝置，還包括定義包含該積體電路、該結構和該傳感器的體積的封裝，該封裝包括用於允許聲波或壓力波與該膜相互作用的至少一個端口。
  15. 如請求項5所述的MEMS裝置，其中該結構包括至少一個孔。
  16. 如請求項5所述的MEMS裝置，其中該空間包含空氣、氣體、固態材料或真空。
  17. 如請求項5所述的MEMS裝置，其中該結構的至少一部分由氮化矽形成。
  18. 一種MEMS麥克風封裝裝置，包括：包括膜的MEMS傳感器晶粒；以及包括可操作地耦合到該MEMS傳感器的積體電路的第二晶粒，其中該第二晶粒包括安裝在該積體電路的至少一部分上方的熱阻抗結 構，用於減少該積體電路在該膜上的溫度變化的影響，並且其中該MEMS麥克風封裝裝置還包括定義包含該MEMS傳感器晶粒和該熱阻抗結構的體積的蓋。
  19. 如請求項18所述的MEMS麥克風封裝裝置，其中空間由該熱阻抗結構界定，從而大致上不與該膜聲學通信。
  20. 一種MEMS麥克風封裝裝置，包括：包括積體電路的半導體晶粒；安裝在該半導體晶粒上並覆蓋該積體電路的至少一部分的結構，該結構定義該結構和該積體電路的該至少一部分之間的空間；以及包括膜的傳感器，該傳感器位於該空間的外部；其中，該MEMS裝置定義在該膜的第一側的第一體積以及在該膜的第二側的第二體積；以及其中，該空間將該第二體積與該積體電路的該至少一部分熱絕緣。
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