一种三维单片集成传感器系统的制作方法

本发明涉及MEMS系统集成制造技术领域，尤其涉及一种三维单片集成传感器系统。

背景技术：

当前，物联网技术与人工智能技术在给人们生活带来便利的同时，对于传感器系统，在体积、散热、集成化、传输速度和执行功能等方面提出更加严格的要求，如数据在线实时检测，极端环境下精准作业以及高速高质量的通讯服务等，这使得传感器系统所包含的各类传感器的数量也越来越多，同时为便于人们的使用，最终产品化的传感器系统体积不能过大。随着半导体行业的高速发展，系统中的传感器以及电路部件数量的急剧增加，未来传感器系统有着高度集成化、小型化的发展趋势，以满足更加智能化、人性化的要求。例如无线通讯行业，在5G通讯即将全面到来的背景下，射频滤波器芯片作为无线通讯的基本单元，小体积、多频段射频滤波器是未来无线通讯射频前端的重要发展趋势。

针对现有传感器系统，采用传统的封装工艺，用硅片封帽封装传感器，封装后的传感器器件纵向厚度过大。另外，传统工艺集成传感器时，是制作完成多个传感器后，再进行电路布线连接。这类封装及电路连接工艺虽能够满足传感器系统集成需求，但是存在着体积较大、不易高度集成化、成品率低等缺点。因此有必要提供一种新型技术方案来解决传统工艺存在的问题。

技术实现要素：

本申请实施例通过提供一种三维单片集成传感器系统，解决了现有技术中传感器系统体积较大、不易高度集成化、成品率较低的问题。

本申请实施例提供一种三维单片集成传感器系统，包括：集成电路晶圆、传感器层、薄膜封装层；所述传感器层包括多个传感器，所述传感器集成在所述集成电路晶圆上，所述薄膜封装层位于所述传感器层之上；

所述集成电路晶圆包括：衬底、电路模块层、第一绝缘层。

优选的，所述电路模块层中集成有多个电路模块，所述第一绝缘层中布有导电通道，所述电路模块通过所述导电通道与所述传感器相连。

优选的，所述电路模块层中还设有第一端口、第二端口；所述第一端口作为信号输入端，所述第二端口作为信号输出端。

优选的，所述第一端口通过所述导电通道与第一电路模块相连，所述第二端口通过导电通道与第二电路模块相连。

优选的，所述第一绝缘层中设有牺牲层。

优选的，所述薄膜封装层包含第二绝缘层、第一封装层、第二封装层。

优选的，所述薄膜封装层在每个所述传感器之上均形成一个单独的薄膜封帽。

优选的，所述传感器层上刻蚀有用于释放所述第一绝缘层的第一通孔。

优选的，所述第一封装层上刻蚀有用于释放所述第二绝缘层的第二通孔。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，提供的三维单片集成传感器系统包括集成电路晶圆、传感器层、薄膜封装层，其中，传感器层包括多个传感器，传感器集成在集成电路晶圆上，薄膜封装层位于传感器层之上；集成电路晶圆包括衬底、电路模块层、第一绝缘层，因此本发明能够使大量的传感器器件-封装-互连电路三维单片集成，有效缩减了单个集成芯片的体积，能满足未来MEMS系统中传感器数量爆炸式增长的需求；另一方面，本发明所提供的技术方案能让大量传感器在同一集成电路晶圆上集成制造并进行封装，省去后续繁杂的布线以及键合封装，提高制造成品率以及MEMS系统可靠性。本发明满足高度集成化和小型化的传感器系统制作需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种三维单片集成传感器系统中集成电路晶圆的纵向剖面图；

图2为在集成电路晶圆上的第一绝缘层中沉积牺牲层后，集成电路晶圆的纵向剖面图；

图3为在集成电路晶圆上生长制造多个传感器后，未封装的三维单片集成传感器系统的纵向剖面图；

图4为经薄膜封装后，三维单片集成传感器系统的纵向剖面图。

其中，1-集成电路晶圆、2-传感器层、3-薄膜封装层；

101-衬底、102-电路模块层、103-第一绝缘层、104-导电通道、105-牺牲层、106-第一端口、107-第二端口、108-下空腔、109-第一电路模块、110-第二电路模块、111-第三电路模块、112-第四电路模块；

201-上电极、202-压电材料、203-下电极、204-第一通孔、205-第一传感器、206-第二传感器、207-第三传感器；

301-第二绝缘层、302-第一封装层、303-第二封装层、304-上空腔、305-第二通孔。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种三维单片集成传感器系统，如图1-4所示，包括：集成电路晶圆1、传感器层2、薄膜封装层3；所述传感器层2包括多个传感器，所述传感器集成在所述集成电路晶圆1上，所述薄膜封装层3位于所述传感器层2之上。

参考图1，所述集成电路晶圆1包含衬底101、电路模块层102、第一绝缘层103。所述集成电路晶圆1以所述衬底101作为基底，具体的，所述衬底101所采用的材料是高阻硅，能有效减少能量损耗。

其中，所述电路模块层102中集成有多个电路模块，所述第一绝缘层103中布有导电通道104，所述电路模块通过所述导电通道104与所述传感器相连。

所述电路模块层102中还设有第一端口106、第二端口107；所述第一端口106作为信号输入端，所述第二端口107作为信号输出端。

以所述电路模块的数量为四个为例进行说明，四个所述电路模块(即第一电路模块109、第二电路模块110、第三电路模块111、第四电路模块112)集成制造在所述电路模块层102中。通过所述导电通道104，四个所述电路模块均与所述传感器层2相连。所述导电通道104应采用导电性良好的金属，如金、银等。所述第一端口106与所述第二端口107分别作为信号的输入端和输出端。

所述第一端口106通过所述导电通道104与所述第一电路模块109相连接，即所述第一电路模块109作为输入端电路模块。所述第二端口107通过所述导电通道104与所述第二电路模块110相连接，即所述第二电路模块110作为输出端电路模块。

参考图2、图3、图4，在传感器下方设置有空腔，由于电极材料与真空空腔或空气空腔的声阻抗不匹配，可增强声波反射，减少器件的能量损失，增强品质因子(Q值)，能使传感器更好的工作。在所述第一绝缘层103中刻蚀出沟槽，然后在其中生长沉积形成牺牲层105，便于传感器的集成制造，后续所述牺牲层105会通过第一通孔204释放形成下空腔108。在本发明其他实施例中，存在某些传感器不需要在其下方刻蚀出空腔(例如，声学器件中有“增强声波反射以提高Q值”的传感器需要有空腔，其他领域的微型器件可以不设置空腔)也能正常工作，这种情况下，则所述集成电路晶圆1的所述第一绝缘层103不用设置所述牺牲层105。

参考图1、图2、图3，在所述集成电路晶圆1上通过沉积、光刻等MEMS制程工艺，制造出多个传感器，构成所述传感器层2。

参看图2、图3，所述传感器层2由上电极201、压电材料202、下电极203堆叠而成。从所述第一端口106输入电信号到电极(包括所述上电极201、所述下电极203)，由于逆压电效应，所述压电材料202产生振动，此时各传感器中会产生体声波或声表面波，并在传感器层2中传播，由所述第二端口107输出。以传感器的数量为三个为例，包含第一传感器205、第二传感器206、第三传感器207。所述第一传感器205的下电极203通过导电通道104与所述第一电路模块109相连，所述第一传感器205的上电极201通过导电通道104与所述电路模块第三111相连；所述第二传感器206的下电极203与所述电路模块第三111相连，所述第二传感器206的上电极201与所述第四电路模块112相连；所述第三传感器207的下电极203与所述第二电路模块110相连，所述第三传感器207的上电极201与所述第四电路模块112相连。

需要说明的是，在本实施例的示意图图3中，有四个电路模块(即第一电路模块109、第二电路模块110、第三电路模块111、第四电路模块112)和三个传感器(即第一传感器205、第二传感器206、第三传感器207)。在实际生产制造中，电路模块、传感器的数量可以大于或远大于示意图中数量，来集成为满足要求的MEMS系统。

参考图4，所述薄膜封装层3生长制造在所述传感器层2之上，包含第二绝缘层301、第一封装层302、第二封装层303。在本实施例中，所述第二绝缘层301材料采用二氧化硅，所述第一封装层302材料采用氮化铝或碳化硅等，所述第二封装层303材料采用硅基材料或高分子材料等。

参考图3、图4，在生长制造所述薄膜封装层3的过程中，通过第二通孔305来刻蚀释放所述第二绝缘层301部分材料，形成传感器的上空腔304，其中所述第一封装层302起到了上空腔保护墙的作用，同时，通过所述第一通孔204来刻蚀释放所述牺牲层105，形成传感器的下空腔108。所述薄膜封装层3在每个传感器之上形成一个个薄膜封装腔，使得每个传感器的工作不受外接环境干扰，且不受其它传感器的影响。

特别地，本发明提供的技术方案能很好运用在无线通讯射频前端滤波器的集成制造中，在该实施例中，上述传感器就是各类声波谐振器，所述第一传感器205对应的是第一兰姆波谐振器，所述第二传感器206对应的是薄膜体声波谐振器，所述第三传感器207对应的是第二兰姆波谐振器。在同一所述集成电路晶圆1上，制造的声波谐振器通过电路模块连接，构成多频段射频滤波器，以满足5G无线通讯的要求。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。