在前端中在晶片级沉积保护材料以进行早期颗粒和水分保护的制作方法

本公开总体上涉及半导体器件以及制造该半导体器件的方法，并且更具体地，涉及在前端工艺中在晶片级沉积保护材料以进行早期保护。

背景技术：

在制造半导体器件期间，晶片用作在晶片中以及在晶片上构建的微电子器件的衬底，并且可以经历许多微加工工艺步骤，诸如掺杂或者离子注入、蚀刻、各种材料的沉积和光刻图案化。最后，单独的微电路被分开(划片)并且被封装起来。

微机电系统(mems)是微观器件(特别是具有移动部件的那些微观器件)的技术。一旦可以使用通常被用于制造电子器件的改进的半导体器件制造技术来制造mems，mems就变得实用。因此，mems可以被构建到衬底中作为集成电路的部件，该集成电路被划片成随后被安装在封装体中的半导体芯片。

在组装工艺的末尾，保护材料可以被广泛地分配在半导体芯片和封装体之上各处(即，填充封装体内的空腔)。在一些情况下，经由设置在封装体的开口之上的盖子结构来实现颗粒保护。

当在组装工艺的末尾分配保护材料时，来自预组装工艺(即，在将芯片安装到封装体之前)或者前述组装工艺的颗粒会到达mems元件或者器件的表面。随着mems元件的小型化发展，越来越小的颗粒在起作用，并且同时变得越来越难以检测并且屏蔽。此外，使用盖子来进行颗粒保护并不能提供绝对的防潮保护。

技术实现要素：

提供了一种半导体器件以及制造该半导体器件的方法，使得微机电系统(mems)元件在早期制造阶段受到保护。

各个实施例提供了一种用于保护mems元件的方法，该方法包括：在衬底上提供具有敏感区的至少一个mems元件；在封装体组装工艺之前，在至少一个mems元件的敏感区之上沉积保护材料，使得至少一个mems元件的敏感区被密封而与外部环境隔开，其中保护材料允许至少一个mems元件的传感器功能。

各个实施例还提供了一种半导体器件，该半导体器件包括半导体芯片。该半导体芯片包括：衬底；至少一个mems元件，具有敏感区，设置在衬底上；保护材料，设置在至少一个mems元件的敏感区之上，使得至少一个mems元件的敏感区被密封而与外部环境隔开，其中保护材料被配置为允许至少一个mems元件的传感器功能；以及封装体，半导体芯片被安装至该封装体。

附图说明

本文参照附图描述各个实施例。

图1示出了根据一个或者多个实施例的在芯片制造工艺的前端阶段的晶片的截面图；

图2示出了根据一个或者多个实施例的在芯片制造工艺的预组装阶段期间的另一晶片的截面图；

图3示出了根据一个或者多个实施例的芯片的截面图；

图4示出了根据一个或者多个实施例的另一芯片的截面图；

图5示出了根据一个或者多个实施例的又一芯片的截面图；

图6a示出了根据一个或者多个实施例的又一芯片的截面图；

图6b示出了根据一个或者多个实施例的在图6a中示出的盖子结构的平面图；

图7示出了根据一个或者多个实施例的又一芯片的截面图；

图8示出了根据一个或者多个实施例的封装体的截面图；以及

图9示出了根据一个或者多个实施例的具有密封环的封装体的截面图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述各个实施例，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。应该注意，这些实施例仅用于说明之目的，而不应该被解释为限制性的。例如，虽然各个实施例可以被描述为包括多个特征或者元件，但是这不应该被解释为表示实施各个实施例需要所有这些特征或者元件。相反，在其它实施例中，特征或者元件中的一些可以被省略或者可以被替代特征或者元件代替。此外，可以提供除了明确示出的和描述的特征或者元件之外的其它特征或者元件，例如传感器设备的传统部件。

不同实施例中的特征可以被组合以形成其它实施例，除非另有特别说明。针对各个实施例中的一个实施例描述的变化或者修改还可以适用于其它实施例。在一些实例中，以框图的形式而不是详细地示出众所周知的结构和器件，以避免模糊各个实施例。

在附图中示出的或者在本文描述的元件之间的连接或者耦合可以是基于有线的连接或者无线连接，除非另有说明。此外，这种连接或者耦合可以是无需另外的中间元件的直接连接或者耦合，或者具有一个或者多个附加中间元件的间接连接或者耦合，只要连接或者耦合的一般目的被基本维持，例如用于传输某种信号或者传输某种信息。

各个实施例涉及微机电系统(mems)，并且具体涉及被集成在半导体芯片上并且随后被安装至封装体的mems压力传感器。mems可以被称为mems元件或者mems器件。封装体适用于使mems压力传感器能够检测和/或测量被施加在其上的力。例如，mems压力传感器可以操作为根据被施加的压力来生成电信号的换能器，并且封装体可以具有被形成在mems压力传感器附近的开口，该开口允许介质与mems压力传感器交互。介质可以是任何压力可测量的或者引起压力的实体。

总体上，如本文使用的传感器可以是指将待测量的物理量转换为电信号(例如电流信号或者电压信号)的部件。物理量可以是例如，作为被施加在传感器的敏感区或者区域上的力的表示的压力。碎屑(诸如外来颗粒)会对任何传感器的性能产生负面影响。因此，需要防止碎屑到达传感器的表面，并且具体地，防止碎屑到达传感器的敏感区或者区域。

用于半导体芯片制造的制造工艺可以包括通常被称为前端和后端制程的两个相继的子过程。后端制程还可以包括通常被称为预组装和组装的两个相继的子过程。

前端制程主要是指晶片制造。本文所使用的晶片还可以被称为衬底。前端制程可以从干净的圆片形硅晶片开始，该圆片形硅晶片最终将成为许多硅芯片。首先，可以创建光掩模，光掩模限定电路元件(例如晶体管)的电路图案以及互连层。该掩模然后可以被放置在干净的硅晶片上并且被用于对电路设计进行映射。晶体管和其它电路元件然后可以通过光刻被形成在晶片上。光刻涉及一系列步骤，其中，光敏材料被沉积在晶片上并且被曝光于穿过图案化掩模的光；不想要的被曝光的材料然后被蚀刻掉，从而在晶片上仅留下所需的电路图案。通过堆叠各种图案，可以限定出半导体芯片的单独的元件。mems器件或者mems元件还可以被并入到晶片的表面上和/或表面中，并且被连接至一个或者多个电路元件。在前端制程工艺的最后阶段期间，晶片上的每个单独的芯片被进行电测试，以标识正确运行的芯片用于组装。

后端制程是指对单独的半导体器件或者芯片的组装和测试。组装工艺旨在保护芯片，促进芯片集成到电子系统中，限制电干扰以及实现从器件散热。一旦前端制程工艺完成，晶片就被锯切或者划片成单独的半导体芯片。这种将晶片划片成单独的半导体芯片被称为预组装。

在后端制程的组装阶段中，半导体芯片被并入到封装体中。例如，这些半导体芯片可以借助于合金或者粘合剂被单独地附接至引线框架，引线框架是用于将半导体连接至电路板的金属设备。然后可以通过使用被称为接线接合器的自动化机器，将引线框架上的引线通过铝或者金接线连接至半导体芯片上的输入/输出端子。每个半导体器件然后可以至少部分地被包封在塑料模制用料或者陶瓷外壳中，从而形成封装体。

因此，mems元件可以被构建到衬底中作为集成电路的部件，衬底然后被划片成半导体芯片,半导体芯片随后分别被安装在封装体中。

将理解，虽然预组装(即划片)工艺可以被描述为后端制程的一部分，但是芯片可以在前端制程的最后阶段期间被部分地分割。因此，在一些实例中，预组装可以在前端制程期间开始或者可以在前端制程期间被执行。

根据一个或者多个实施例，在晶片级(即，在前端制程工艺期间)或者在预组装工艺期间或者之后、但是在进行组装(即，封装)之前，在mems元件上沉积保护材料(例如硅凝胶)。保护材料可以被沉积在mems元件的暴露表面上，使得mems元件的整个暴露表面被保护材料覆盖。

mems元件的暴露表面可以包括或者可以被称为敏感区，该敏感区使mems元件能够测量物理量。例如，mems元件可以是mems压力传感器，mems压力传感器被配置为响应于被施加在暴露表面上的力的变化而检测或者测量压力的变化。保护材料被配置成使得当mems元件被保护材料覆盖时，mems元件的传感器功能保持未受损。例如，保护材料可以是硅凝胶，硅凝胶具有允许被施加在其上的力被传递至mems压力传感器的弹性模量和/或泊松比。因此，保护材料是足够柔性的，使得当保护材料被按下时，mems压力传感器的敏感区也被成比例地按下。

更具体地，保护材料允许mems元件的完整的传感器功能，包括机械功能和电功能，同时对mems元件的整个表面进行密封。甚至更具体地，保护材料被配置成使得mems元件的功能不受保护材料的妨碍。

通过确保mems元件的功能保持未受损，保护材料可以在芯片制造工艺的早期阶段被沉积到mems元件上作为永久性材料。因此，在将保护材料沉积到mems元件上时，mems元件可能已经被配置成处于可操作状态(例如最终可操作状态)，并且保护材料可以在进行沉积之后(包括整个组装工艺)保持完全未受损，使得这仍然是最终产品的特征。

由于对保护材料的早期沉积，对mems元件提供了早期颗粒和湿度保护以免受外来物影响，外来物可能在(预)组装工艺期间已经被引入，外来物会影响传感器性能。

虽然本文提供的一些实施例可以将保护性材料称为温度硬化凝胶(例如硅凝胶)，但是其它实施例可以使用紫外线(uv)硬化凝胶。然而，保护材料不限于此，并且可以是在允许mems元件的传感器功能(并且更具体地，在沉积保护材料时允许mems元件的传感器功能)的同时提供保护以免受外来物影响的任何材料。因此，保护材料可以是任何温度硬化凝胶或者uv硬化凝胶。

图1示出了根据一个或者多个实施例的在芯片制造工艺的前端阶段的晶片的截面图。晶片是包括主表面11和设置在其上的mems元件12的衬底10。每个mems元件12可以在衬底10的主表面11上被嵌入到衬底10中，表面(例如如图所示的上表面)被暴露。进一步地，每个mems元件12可以对应于在芯片制造工艺的后续步骤中被形成的单个芯片。然而，将理解，芯片可以包括被集成在其上的多个mems元件。

mems元件12的暴露表面可以是或者可以包括被配置为检测物理量(诸如压力)的敏感区，使得可以测量物理量。在将mems元件12设置在衬底10上之后，例如，保护材料13可以以小液滴的形式被局部沉积在每个mems元件12上，并且然后被固化(例如在大约150℃进行热固化)。保护材料13被局部沉积，使得每个mems元件12的暴露表面被保护材料13覆盖。更具体地，保护材料13被局部沉积，使得每个mems元件12的敏感区被保护材料13覆盖。因此，可以说，保护材料13被沉积为局部限定的液滴，该局部限定的液滴被限制在衬底10的包围每个mems元件12的局部区域。

保护材料13以如下方式被局部沉积，使得与mems元件对应的“待形成的”芯片的接合焊盘未涂覆有保护材料13。一种用于对保护材料13的局部定位的液滴进行沉积的可能方法是通过喷墨打印或者微分配。然而，实施例不限于用于沉积保护材料13的特定方法。

鉴于上述内容，每个mems元件12在其上表面处被密封而与外部环境隔开，这可以保护mems元件12免受会污染mems元件12的颗粒和湿气的影响。此外，保护材料13由允许每个mems元件12的传感器功能的材料(例如温度硬化凝胶或者uv硬化凝胶)构成。更具体地，保护材料13允许mems元件的完整的传感器功能，包括机械功能和电功能，同时对每个mems元件12的整个(上)表面进行密封。

图2示出了根据一个或者多个实施例的在芯片制造工艺的另一阶段期间的另一晶片的截面图。具体地，在预组装工艺之后分配保护材料13(即被局部分配的液滴)。具体地，在单独的芯片14被形成之后，但是在组装工艺(即封装体组装工艺)之前，分配保护材料13。

此处，晶片衬底10可以被附接至箔层15，并且芯片14通过锯切工艺或者划片工艺被分割。在形成单独的芯片14之后，可以将保护材料13以受控的方式分配在每个mems元件12之上。因为箔层15不能承受在固化工艺中使用的热量，所以可以使用uv硬化凝胶作为保护材料13。因此，根据对箔层15的使用，可能需要避免通过热固化而被固化的保护材料。

还将理解，如下面结合其它示例讨论的，单个芯片14可以包括多个mems元件12。

图3示出了根据一个或者多个实施例的芯片34的截面图。芯片34包括具有主表面11的衬底10和设置在其上的多个mems元件12。将理解，虽然示出了多个mems元件12，但是芯片34可以包括单个mems元件12。

芯片34还包括由一个或者多个深沟槽16(即，一个或者多个应力解耦沟槽)以及背面空腔19构成的应力解耦特征，背面空腔19与一个或者多个沟槽16一体形成。沟槽16和背面空腔19可以被形成为建立包围mems元件12的弹簧结构，该弹簧结构将mems元件12与来自封装体或者芯片其余部分的应力解耦。因此，应力解耦特征防止由一个或者多个mems元件12产生的传感器信号由于外部机械影响而偏移。

每个沟槽16与每个外部mems元件12横向间隔开并且延伸到衬底10中。保护材料13以受控的方式被分配，使得mems元件12的暴露表面被保护材料13覆盖。保护材料13可以作为单个液滴或者覆盖局部区域(包括mems元件12)的多个液滴被分配。

此外，保护材料13可以被配置为在每个沟槽16的内边缘处停止，使得保护材料13不进入沟槽16。具体地，保护材料13被限制到在由一个或者多个沟槽16限定的区域内的区。保护材料13可以以90°停止到每个沟槽16的边缘。例如，保护材料13的粘度与对保护材料13的受控放置相结合可以允许保护材料13在进入沟槽16之前停止流动。

还将理解，与结合图2描述的保护材料13相似，在图3中示出的保护材料13在将这些mems元件12密封而与外部环境隔开的同时，还允许每个mems元件12的完整的传感器功能。

图4示出了根据一个或者多个实施例的另一芯片44的截面图。芯片44包括具有主表面11的衬底10和设置在其上的多个mems元件12。将理解，虽然示出了多个mems元件12，但是芯片44可以包括单个mems元件12。

芯片44还包括在包围mems元件12的区域处设置在衬底10上的至少一个止挡框架17，使得止挡框架17配置为将保护材料13限制在该区域内。即，止挡框架17充当保护材料13的阻挡件。

芯片44可以包含超过一个mems区，其中每个mems区包括一个或者多个mems元件12。每个mems区可以至少部分地由止挡框架包围。因此，可以在相同芯片上提供由相应止挡框架17包围的多个mems区。

止挡框架17可以包括适用于被构造和/或局部沉积为框架的任何材料。例如，止挡框架17可以包括酰亚胺、su-8光致抗蚀剂、硅树脂或者其它相似的材料。止挡框架17的材料可以具有比保护材料13更高程度的弹性模量，但是也可以具有等于或者低于保护材料13的弹性模量的弹性模量程度，只要止挡框架17的材料能够被构造成框架并且能够将保护材料13限制到某一区域。

止挡框架17可以被形成为防止保护材料13流到芯片44的旨在保持不具有保护材料13的另一部分。例如，止挡框架17可以被用于防止保护材料13流到芯片44的接合焊盘(未示出)上。在另一个示例中，止挡框架17可以设置在一个或者多个沟槽16的内边缘处或者附近，以防止保护材料13进入一个或者多个沟槽16。

因此，可以在沉积保护材料13之前形成止挡框架17，以将保护材料13包含到芯片44的特定区域。此外，可以在使保护材料13固化之后去除止挡框架17。

另外，背面空腔19可以被形成在衬底10的背面，作为与一个或者多个沟槽16一体形成的附加应力解耦特征。

图5示出了根据一个或者多个实施例的又一芯片54的截面图。芯片54包括具有主表面11的衬底10和设置在其上的多个mems元件12。将理解，虽然示出了多个mems元件12，但是芯片54可以包括单个mems元件12。

芯片54还可以包括涂层18，涂层18在包围mems元件12的区域处被沉积在衬底10的主表面11上。设置有涂层18的区域可以位于外部mems元件12与一个或者多个沟槽16之间，或者位于外部mems元件12与芯片54的另一区域(例如接合焊盘)之间。设置有涂层18的区域可以设置在一个或者多个沟槽16的内边缘处或者附近，以防止保护材料13进入一个或者多个沟槽16。涂层18可以具有排斥保护材料13的选择性涂层性质或者组分(例如疏水性材料)。因此，涂层18可以被配置为将保护材料13限制在该区域内和/或防止保护材料13流到沟槽16或者芯片54的其它部分中。

另外，背面空腔19可以被形成在衬底10的背面，作为与一个或者多个沟槽16一体形成的附加应力解耦特征。

图6a示出了根据一个或者多个实施例的又一芯片64的截面图。芯片64包括具有主表面11的衬底10和设置在其上的多个mems元件12。将理解，虽然示出了多个mems元件12，但是芯片64可以包括单个mems元件12。

芯片64还包括由一个或者多个深沟槽16(即，一个或者多个应力解耦沟槽)构成的应力解耦特征。

在该实施方式中，在完成晶片之后并且在预组装工艺(即，划片工艺)之前，立即分配和固化保护材料13的液滴。为了执行进一步处理(例如在进行预组装时进行层压)，可能需要利用盖子61来覆盖保护材料13，盖子61覆盖芯片64的主表面11以及保护材料13。盖子61可以是被预先构造的硅或者玻璃晶片，或者由su-8光致抗蚀剂或者箔制成的盖子结构。

为了实现mems元件与其周围(例如芯片)之间的压力耦合，盖子61包括经由蚀刻工艺、研磨或者激光而形成的开口62。该开口62允许盖子61经由例如真空密封被压力耦合至芯片64。备选地，对于具有带背面空腔19的应力解耦结构(例如沟槽16)的产品，盖子61中可以不具有开口62，并且盖子61与芯片64之间的压力耦合可以经由沟槽16来实现。盖子61可以保持关闭，直到组装工艺结束。利用保护材料13的集成的凝胶液滴来对mems元件12进行封装可以简化组装工艺中的模制工艺。

图6b示出了根据一个或者多个实施例的在图6a中示出的盖子61的平面图。具体地，如在图6a中描述的，盖子61可以包括开口62，开口62用于将盖子61压力耦合至芯片64。

图7示出了根据一个或者多个实施例的又一芯片74的截面图。除了芯片74不包括应力解耦沟槽16并且显示了被连接至接合接线72的接合焊盘71之外，芯片74的特征与在图4中示出的芯片44的特征相似。

即使在没有沟槽16的情况下，止挡框架17也是有利的，其中保护接合焊盘71免于发生凝胶流出。这不仅对于在进行接线接合之前施加保护材料13而言是重要的，而且对于在进行接线接合之后沉积保护材料13而言也是重要的。对于随后的后端工艺，可以避免由来自芯片主表面11上的保护材料13的凝胶残留物引起的在聚合物包封(例如通过模制用料或者涂层)期间的粘附问题。当包封落在凝胶残留物而不是纯的/干净的芯片上时，可能发生这些问题。

图8示出了根据一个或者多个实施例的封装体80的截面图。封装体80包括由包封材料81(例如模制用料或者涂层)包封的芯片(例如上面描述的芯片中的任何一个芯片)。芯片包括保护材料13和止档框架17作为封装体的永久性特征(即端部封装器件)。封装体80还包括开口82，使得mems元件12能够测量物理量，例如引起压力的实体的压力。

因此，在封装体组装工艺期间，芯片可以被安装到封装体(例如通过包封材料81被局部包封)，其中芯片包括至少一个mems元件12，并且还包括设置在至少一个mems元件12的敏感区之上的保护材料13。如上所述，保护材料13被配置为允许至少一个mems元件12的传感器功能。

图9示出了根据一个或者多个实施例的封装体90的截面图。封装体90与在图8中示出的封装体80相似，增加了密封环91。该密封环91是框架结构，其围绕或者至少部分地围绕止挡框架17和mems元件12。此外，密封环91朝着衬底10的外围与止挡框架17间隔开，并且可以被形成在(一个或多个)深沟槽16(即，一个或者多个应力解耦沟槽)的相对于止挡框架17的相对侧上。例如，密封环91可以在止挡框架17与接合焊盘71之间被布置在衬底10上。在存在深沟槽16的情况下，密封环91可以在深沟槽16与接合焊盘71之间被布置在衬底10上。

密封环91可以利用与止挡框架17的材料相同的材料形成，并且可以与止挡框架在相同的处理步骤期间形成。因此，在处理步骤期间，密封环91和止挡框架可以同时或者基本上同时形成。具体地，在进行组装期间，密封环91在施加包封材料81(例如模制用料或者涂层)之前形成。

密封环91可以促进模制工具的使用，模制工具被配置为施加包封材料81以形成封装体。例如，模制工具(未示出)可以被放置在密封框架上，并且模制工具被附接在密封环91外部的所有部件上。

鉴于上述内容，保护材料13被提供作为永久性保护材料，其在前端工艺与预组装工艺之间或者预组装工艺与封装体组装之间被沉积，使得可以保护一个或者多个mems元件12免受颗粒和湿气的影响。此外，保护材料13由允许mems元件的完整的传感器功能(包括机械功能和电功能)、同时对mems元件的整个表面进行密封的材料制成。

更具体地，保护材料允许mems元件的完整的传感器功能，包括机械功能和电功能，同时对mems元件的整个表面进行密封。甚至更具体地，保护材料被配置成使得mems元件的功能不受保护材料的妨碍。

通过确保mems元件12的功能保持未受损，保护材料13可以在芯片制造工艺的早期阶段被沉积到mems元件12上作为永久性材料。因此，在将保护材料13沉积到mems元件12上时，mems元件12可能已经被配置成处于可操作状态(例如最终可操作状态)，并且保护材料13可以在进行沉积之后(包括整个组装工艺)保持完全未受损，使得这仍然是最终封装产品的特征。

虽然本文描述的实施例涉及mems压力传感器，但是要理解，其它实施方式可以包括其它类型的压力传感器或者其它类型的mems器件或者mems元件。另外，尽管已经在设备的上下文中描述了一些方面，但是很明显，这些方面还表示对对应方法的描述，其中块或者器件与方法步骤或者方法步骤的特征对应。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面还表示对对应设备的对应块或者项或者特征的描述。方法步骤中的一些或者全部可以由硬件设备执行(或者通过使用硬件设备来执行)，例如微处理器、可编程计算机或者电子电路。在一些实施例中，方法步骤中的某一个或者多个方法步骤可以由这种设备执行。

根据某些实现要求，本文提供的实施例可以以硬件或者软件来实现。可以通过使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质(例如软盘、dvd、蓝光光盘、cd、rom、prom、eprom、eeprom或者闪速存储器)来执行实施方式，该数字存储介质与可编程计算机系统协作(或者能够与可编程计算机系统协作)，使得执行相应方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

指令可以由一个或者多个处理器执行，诸如一个或者多个中央处理单元(cpu)、数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)或者其它等效的集成或者分立逻辑电路系统。因此，如本文使用的术语“处理器”是指前述结构中的任何结构或者适用于实施本文所描述的技术的任何其它结构。另外，在一些方面中，可以在专用的硬件模块和/或软件模块内提供本文所描述的功能。而且，该技术可以被充分地实施在一个或者多个电路或者逻辑元件中。

上面描述的示例实施例仅仅是说明性的。应该理解，本文所描述的布置和细节的修改和变化对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，旨在仅受所附专利权利要求书的范围的限制，而不受通过对本文的实施例的描述和解释而呈现的具体细节的限制。