集成MEMS器件的传感器的晶圆级封装结构及封装方法

摘要

本发明公开了一种压力传感器芯片的封装方法及压力传感器，包括步骤：提供一压力传感器芯片，在MEMS器件层上形成保护层，所述保护层暴露所述焊垫；在所述保护层上方形成牺牲层，所述牺牲层暴露所述焊垫的位置；在所述焊垫上方形成第一金属层；在第一金属层和所述牺牲层上形成第二金属层；刻蚀所述第二金属层，形成位于第一金属层上的焊球。本发明中在刻蚀牺牲层以及金属互连层的步骤中，由于有保护层保护了感应部件的凹槽对应的较薄处，这样使得感应部件不受损伤，大大的提高了器件的可靠性，使得压力传感器芯片可以利用BGA封装，从而降低了封装尺寸，使得器件的体积缩小，成本较低，产品得到优化。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种压力传感器的晶圆级封装结构及 封装方法。

背景技术

MEMS传感器已经被应用于各个领域当中，由于工作环境的需要，MEMS传感器 必须采用一种有效的封装结构和封装方法，传统的封装类型主要是芯片级封装， 通常是将一个裸芯片放入陶瓷管壳中，通过金丝焊球与管脚相连，其上的盖板由 焊料或陶瓷封接与管壳相连，完成裸芯片的封装过程，由于一个晶圆上可以切割 出许多个芯片，这种封装方法对每个芯片都需要测试并封装，导致了成本的增加。

针对上述问题，人们发展了其他的封装方法，将ASIC芯片和MEMS芯片分别 制造在两个独立的衬底上，然后通过键合工艺将两个芯片封装在一起，以形成MEMS 装置，虽然实现了晶圆级的封装，但是采用两个衬底的封装方法使得集成化程度 大大降低，使得衬底的利用率降低，还增加了额外的封装面积，封装尺寸也增加， 不利于适应MEMS器件封装小型化的发展趋势。同时封装过程中使用的焊料为金锡 合金、铅锡合金等，这些材料与标准的CMOS工艺并不完全兼容。

因此，如何在一个衬底上实现CMOS器件和MEMS传感器的晶圆级封装并与CMOS 工艺兼容，减少封装尺寸，并且保证集成MEMS器件的压力传感器的感应部件可以 感受压力是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提供一种压力传感器的晶圆级封装结构及封装 方法，减小了压力传感器的封装尺寸。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压力传感器晶圆级的封装方法， 包括步骤：

提供第一基板，其包括衬底，位于衬底上介电质层，在所述衬底中具有CMOS 电路层，在所述介电质层中具有MEMS器件层，所述MEMS器件层上具有与 MEMS器件电连接的焊垫；

提供第二基板，其底面上具有数个接触孔；

对所述第二基板的底面进行刻蚀，在所述接触孔之间形成凹槽，所述一个 凹槽的容积可以容纳一个传感器所包含的MEMS器件；

将第一基板的MEMS器件层所在表面与第二基板的底面进行键合，使得MEMS 器件层位于所述凹槽和MEMS器件层表面形成的空腔内，并且所述接触孔 的一端与所述焊垫连接；在接触孔的另一端形成焊球

另外本发明还提供了一种压力传感器的晶圆级封装结构，包括：

第一基板，所述第一基板包括衬底和位于所述衬底上的介电质层，所述衬底 中具有CMOS电路层，所述介电质层中具有MEMS器件层，所述MEMS层上具有与MEMS 器件电连接的焊垫；

所述MEMS器件层上键合有第二基板；

所述第二基板的底面具有凹槽，所述凹槽和所述第一基板围成空腔，所述MEMS 器件层位于该空腔内；

所述第二基板中具有接触孔，所述接触孔的一端与所述焊垫电连接，另一端 连接有焊球。

本发明的集成MEMS器件的传感器晶圆级的封装方法与封装结构和现有技术相 比：将传感器的MEMS器件封闭在空腔内，保护了其灵敏性，并且实现了BGA封装， 使得器件的体积缩小，成本较低，产品得到优化。

附图说明

图1为本发明一实施例的集成MEMS器件的传感器晶圆级的封装方法的流程示 意图；

图2-图6为本发明一实施例的集成MEMS器件的传感器封装方法示意图。

具体实施方式

传统的集成MEMS器件的传感器的晶圆级封装将ASIC芯片和MEMS芯片分别制 造在两个独立的衬底上，然后通过键合工艺将两个芯片封装在一起，以形成MEMS 装置，虽然实现了晶圆级的封装，但是采用两个衬底的封装方法使得集成化程度 大大降低，使得衬底的利用率降低，还增加了额外的封装面积，封装尺寸也增加， 不利于适应MEMS器件封装小型化的发展趋势。同时封装过程中使用的焊料为金锡 合金、铅锡合金等，这些材料与标准的CMOS工艺并不完全兼容。

本发明中利用了本申请人的另一专利技术的压力传感器，传感器在一个芯片 中包括了CMOS电路层和位于CMOS上方的MEMS器件层，CMOS电路层和 MEMS器件层之间利用与CMOS工艺兼容的互连层进行互连。针对这种传感器芯 片，本发明中利用另一基板作为封装基板，在其上开槽开孔，从而使得可以将 MEMS器件封闭在空腔中。

针对上述问题，发明人进行研究后，得到了本发明的集成MEMS器件的传感器 晶圆级的封装方法，图1为本发明一实施例的集成MEMS器件的传感器晶圆级的封 装方法的流程示意图，如图1所示，其包括以下步骤：

S10：提供第一基板，其包括衬底，位于衬底上介电质层，在所述衬底中具有 CMOS电路层，在所述介电质层中具有MEMS器件层，所述MEMS器件层上具有与MEMS 器件电连接的焊垫；

S20：提供第二基板，其底面上具有数个接触孔；

S30：对所述第二基板的底面进行刻蚀，在所述接触孔之间形成凹槽，一个凹 槽的面积对应一个传感器所包含的MEMS器件的面积；

S40：将第一基板的MEMS器件层所在表面与第二基板的底面进行键合，使得 MEMS器件层位于所述凹槽和MEMS器件层表面形成的空腔内，并且所述接触孔的一 端与所述焊垫连接；

S50：在接触孔的另一端形成焊球。

图1为本发明一实施例的集成MEMS器件的传感器晶圆级的封装方法的流程示 意图；图2-图6为本发明一实施例的集成MEMS器件的传感器封装方法示意图。下 面结合图1至图5对本发明的一具体实施例进行说明，为了便于说明，在本实施 例中，具体的以用来测量大气压的压力传感器为例进行说明，当然本发明不限于 测量大气压的压力传感器或者压力传感器。

参考图2，第一基板100包括衬底110，位于衬底上的介电质层120，在衬底 110中具有CMOS电路层111，在介电质层120中具有MEMS器件层121，在MEMS器 件层121上具有与MEMS器件电连接的焊垫122。其中，衬底110的材料可以为单 晶硅、锗或者多晶硅及其叠层结构，通过集成电路制备工艺在其上形成CMOS器件， 在衬底110表面利用化学气相沉积介电质层120，在介电质层120上形成MEMS器 件，并且形成与MEMS器件电连接的焊垫122。

参考图3，本实施例中，具体的，如图6所示，提供一个具有接触孔210的第 二基板，即封装基板200，封装基板的厚度是300，例如500um。

优选硅衬底的基板，还可以是二氧化硅其他半导体材料的基板。第二基板200 的衬底205可以和第一基板100的衬底的材料相同。接触孔210可以采用本领域 技术人员所熟知的方法形成，例如刻蚀第二基板200的衬底形成开孔，然后沉积 金属层使金属填充开孔，然后研磨去除空外侧的金属层，形成填充有金属的接触孔 210，预先在第二基板200的接触孔210中填充金属可以避免沉积金属层和研磨金 属层，去除金属层的步骤给第一基板的MEMS器件层带来的损伤，提供了器件的精 确度。除此之外，也可以在后续的任何步骤之间进行填充接触孔，本实施例不对 填充接触孔的步骤做限定。

图4为图3沿a-a’方向的剖视图，如图4所示

在本实施例中，形成第二基板200的方法为：提供一封装基板，对封装基板 的进行刻蚀形成接触孔210，然后对封装基板的底面进行刻蚀，封装基板的底面也 就其键合接触面。刻蚀封装基板200的底面，在表面形成凹槽230，所述一个凹槽 的容积可以容纳一个传感器所包含的MEMS器件，即该凹槽的深度和宽度要和第一 基板上MEMS器件层的MEMS器件相匹配，使得可以容纳一个传感器的MEMS器件， 从而在完成芯片的切割之后，一个传感器的MEMS器件被容纳在该凹槽内。具体的 刻蚀方法可以采用本领域技术人员所熟知的对硅衬底的刻蚀方法，例如预先形成 研磨图形，保护凹槽外部的部分，对未保护的区域进行刻蚀形成凹槽，在本实施例 中具体为：在第二基板200底面上形成掩膜图形，暴露接触孔210之间要形成凹 槽230的位置，以及暴露凹槽230与凹槽230之间垂直于凹槽230侧壁的条状区 域；

对第二基板200的底面进行刻蚀，形成凹槽230及垂直于凹槽230侧壁的条 状沟槽。在其它实施例中也可以分两步刻蚀：在第二基板200底面上形成掩膜图 形，暴露接触孔210之间要形成凹槽230的位置；

对第二基板200的底面进行刻蚀，形成凹槽230；

在第二基板200底面上形成掩膜图形，暴露凹槽230与凹槽230之间垂直于 凹槽230侧壁的条状区域；

对第二基板200的底面进行刻蚀，形成垂直于凹槽230侧壁的条状沟槽235。

在本实施例中，由于是形成压力传感器，且是测量气压的压力传感器，因此 需要在第一基板100和第二基板200键合之后，MEMS器件层111的MEMS器件被密 封在第二基板200的凹槽230和第一基板100构成的空腔内，该空腔由于测量的 要求，要和外部连通。因此在本实施例中优选的，在凹槽230的侧壁上刻蚀形成 沟槽235。在其他实施例中，如果不需要空腔和外部连通，也可以不形成该沟槽。

在另一个实施例中，具体的刻蚀方法可以和刻蚀凹槽230的方法相同，方向 不同即可，具体的可以形成掩膜图形保护第二基板的不被刻蚀的区域，要形成通孔 235的区域不进行保护，然后放到刻蚀溶液中进行横向刻蚀，形成通孔之后，再去除 掩膜图形，也可以在侧壁上形成掩膜图形，利用等离子体的刻蚀方法刻蚀侧壁，从 而形成通孔后去除侧壁上的掩膜图形。

参考图5，具体的在本实施例中，可以在第一基板100的MEMS器件层111所 在表面形成粘结剂，在第二基板200的底面形成粘结剂，将第一基板100和第二 基板200键合。使得MEMS器件层111位于所述凹槽230和MEMS器件层111表面 形成的空腔内，MEMS器件层111中一个压力传感器所包括的MEMS器件位于第二基 板200的一个凹槽内，也就是被密封在空腔内。并且所述凹槽230暴露的接触孔 210的一端与所述焊垫122连接。

参考图6，在键合之后，研磨所述第二基板200的顶面，暴露接触孔210的另 一端。例如，可以采用化学机械研磨，或者刻蚀硅衬底的方法，从顶面减薄第二 基板200，直到暴露接触孔210的另一端。可以减薄到50-300um，例如200um。在 接触孔的暴露端形成焊球250具体的可以采用本领域技术人员所熟知的BGA的方 法，在此不再赘述。

在另一实施例中也可以在键合之前研磨第二基板顶面，暴露接触孔。

在本实施例的一个优选方案作用，还可以从第一基板的另一面进行研磨，减 薄第一基板，从而使得封装之后的压力传感器体积更小。如图5所示，将衬底100 的背面减薄，即将衬底100中远离CMOS器件101的衬底表面减薄至厚度为200um。 其中减薄工艺可以是化学机械抛光，可以是等离子体刻蚀，也可以是化学腐蚀减 薄，还可以是它们之间的组合减薄工艺。在其他的实施例中，减薄后衬底100的 厚度可以是50um-1000um之间的任意值，例如减薄后衬底100的厚度可以是50um -300um。

在形成焊球之后，对第一基板和第二基板键合后的结构进行切割，切割凹槽 侧壁，使得分割为数个传感器芯片，并且所述沟槽被切断，使得切割后的所述凹槽 和MEMS器件层表面构成的空腔通过所述沟槽和外部贯通。

上述说明仅仅是针对本发明的一个实施例进行的说明，在其他实施例中集成 MEMS器件的传感器也可以为其他类型的传感器，这样MEMS器件被密封在第一基板 和第二基板围成的空腔内，该空腔不用形成和外部连通的通孔，因此也就不需要 在空腔的侧壁形成沟槽。

本发明的封装方法，实现了BGA封装，从而减小了封装体积，降低了成本， 并且保证了MEMS器件不受损伤，并被有效的密封在空腔内，使得MEMS器件的灵 敏性更好。

在本发明的另一实施例中，第一基板仅包括衬底，和位于衬底中的接触孔， 在完成第二基板和第一基板的键合之后，对第二基板上的接触孔进行填充金属， 例如利用化学气相淀积或者物理气相淀积的方法形成金属层，然后刻蚀去掉多余 的金属层，形成填充有金属的接触孔，接触孔的一端连接焊垫，在另一端上形成 焊球。其他方法和第一实施例相同，因此不再赘述。

本发明还提供了一种上述封装方法得到的封装结构，如图6所示，一种集成 MEMS器件的传感器的晶圆级封装结构，包括：

第一基板100，所述第一基板100包括衬底110和位于所述衬底上的介电质层 120，所述衬底110中具有CMOS电路层111，所述介电质层120中具有MEMS器件 层121，所述MEMS层121上具有与MEMS器件电连接的焊垫122；

所述MEMS器件层121上键合有第二基板200；

所述第二基板200的底面具有凹槽230，所述凹槽230和所述第一基板围成空 腔，所述MEMS器件层121位于该空腔内；

所述第二基板200中具有接触孔210，所述接触孔210的一端与所述焊垫122 电连接。

所述第一基板100和第二基板200围成的空腔的侧壁上具有沟槽(请参考图4 中的235)，所述沟槽235使得所述空腔与其外部通透。

具体的，可以参考上述封装方法实施例的说明，在此不再进行详细说明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限 制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利 用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或 修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据 本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属 于本发明技术方案保护的范围内。