[發明專利]MEMS晶圓級封裝結構及其工藝

在審

• 申請號: 201710512425.4
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107265391A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 靖向萌;陳峰;戴風偉;張文奇
• 申請（專利權）人: 華進半導體封裝先導技術研發中心有限公司
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 上海智晟知識產權代理事務所(特殊普通合伙)31313
• 代理人: 張東梅

技術領域

本發明涉及封裝領域，尤其涉及MEMS晶圓級封裝結構及其工藝。

背景技術

微機電系統MEMS涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微麥克風、微噴墨打印頭、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品，其中MEMS傳感器占相當大的比例。

MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。在消費電子、智能終端和可穿戴產品等領域應用中，要求MEMS傳感器尺寸、成本進一步降低，同時提高集成度和性能，因此以TSV為主的三維封裝集成技術在MEMS領域引起很大關注。采用垂直型通孔相對于斜孔更加適用于小焊盤尺寸，有利于減小芯片的面積。目前有些MEMS器件中采用摻雜硅作為通孔互連結構，但是其電阻率高，成本高，此外有利用電鍍銅填充滿孔內結構，由于電鍍銅與硅熱膨脹系數不同，容易產生很大的應力，對于應力比較敏感的MEMS器件，如壓力傳感器、麥克風等并不適用，此外這種結構還需要使用化學機械拋光(CMP)，提高了工藝成本。

因此，需要一種低成本的應力可調節的直孔TSV MEMS封裝結構和相關工藝來至少部分的解決上述問題。

發明內容

針對上述技術問題，根據本發明的一個方面，提供一種MEMS封裝結構，包括：第一基底，在所述第一基底的第一表面上形成有一個或多個MEMS器件和一個或多個金屬焊盤；與所述金屬焊盤連接并延伸到所述第一基底的第二表面的通孔，所述第二表面與所述第一表面相對；設置在所述通孔側壁以及所述第二表面上的多層結構；設置在所述多層結構以及所述金屬焊盤上的重布線層；設置在所述重布線層上的焊球；以及在所述第一基底的器件上方形成的蓋帽，從而在所述蓋帽和所述第一基底之間形成封裝腔體，其中所述蓋帽上具有一個或多個開孔，使得所述封裝腔體與所述外界連通。

根據本發明的一個方面，多層結構包括：絕緣層，所述絕緣層用于使所述重布線層與所述第一基底電隔離；以及應力調整層，所述應力調整層用于調節施加到所述第一基底材料上的應力大小。

根據本發明的一個方面，多層結構還包括：緩沖層，所述緩沖層用于減少應力調整層與阻擋層之間的不匹配引起的各種缺陷；以及阻擋層，所述阻擋層用于阻止重布線層中的金屬原子擴散進入第一基底材料之中。

根據本發明的一個方面，絕緣層是氧化硅或氮化硅，所述應力調整層是鍺硅合金。

根據本發明的一個方面，蓋帽包括：設置在所述第一基底的第一表面上的框架；以及覆蓋在所述框架上的第二基底，所述第二基底上具有至少一個IC器件，其中所述一個或多個開孔為貫穿所述第二基底的孔洞，所述框架的第一面具有與第一基底上的金屬焊盤連接的結構，所述框架的與所述第一面相對的第二面具有外接焊盤，所述外接焊盤與所述第二基底上的IC器件電連接。

根據本發明的一個方面，該封裝結構還包括填充所述通孔并覆蓋所述重布線層的絕緣保護層。

根據本發明的另一個方面，提供一種制造MEMS封裝結構的方法，包括：在第一基底的MEMS器件上方形成蓋帽，從而在所述蓋帽和所述第一基底之間形成封裝腔體，其中所述蓋帽上具有一個或多個開孔，使得所述封裝腔體與所述外界連通，在所述第一基底的第一表面上具有一個或多個MEMS器件和一個或多個金屬焊盤；在所述蓋帽的表面形成保護膜；將所述第一基底減薄到所需要的厚度；從所述第一基底的第二表面朝向第一表面刻蝕金屬焊盤通孔，以便暴露所述一個或多個金屬焊盤的至少一部分，其中所述第二表面與所述第一表面相對；通過共形沉積在所述通孔和所述第二表面上形成多層結構；選擇性去除所述金屬焊盤表面上的多層結構；在所述通孔和所述第二表面上形成金屬重布線層；在所述通孔和所述第二表面上形成絕緣保護層；在所述絕緣保護層上鉆孔，以便暴露所述重布線層的至少一部分作為焊盤；在所述焊盤上形成焊球；以及去除所述保護膜。

根據本發明的另一個方面，在所述通孔和所述第二表面上形成多層結構包括：在所述通孔和所述第二表面上形成絕緣層，所述絕緣層用于使所述重布線層與所述第一基底電隔離；以及在所述絕緣層上形成應力調整層，所述應力調整層用于調節施加到所述第一基底材料上的應力大小。