一种圆片级封装MEMS芯片结构及其加工方法与流程

本发明属于微机电系统(mems)制造技术领域，具体涉及一种圆片级封装mems芯片结构及其加工方法。

背景技术：

圆片级封装技术，通过晶圆键合的方式，一次性实现对整片晶圆上的器件进行气密或真空封装，并完成mems芯片不同结构层次之间机械与电气连接。简化了封装工艺过程，降低封装成本，同时也极大的降低了器件的整体外形尺寸。圆片级真空封装可以最大限度保护mems器件中的可动结构在划切过程中水流及颗粒的污染，有利于降低批量成本，提高产品的一致性、成品率与可靠性。

采用纵向垂直电极引出技术，实现晶圆级封装纵向电学互连引出，可采用倒装焊(flipchip)的方式实现mems器件与ic处理芯片三维堆叠，极大降低整体外形尺寸，使mems产品具有批量化、小体积、低成本的优势，便于应用于各种微小型系统中。

mems谐振器、mems陀螺仪、mems红外传感器等器件需要工作在高真空状态下才能确保其最佳性能，mems谐振器和惯性器件等的微可动结构需要工作在谐振条件下，真空封装能够尽可能的减小空气阻尼，提高谐振的q值，从而获得更高的测试精度；mems红外传感器需要对其进行高真空封装，以减小空气对流散热，从而提高灵敏度。

在采用纵向tsv电极引出方式的mems晶圆级真空封装中，硅通孔等电极引出结构是造成真空密封泄漏的最大风险因素。真空腔内的微结构需要通过硅通孔方式实现与外界的互联。为了满足电学绝缘和密封性的要求，硅通孔中需要填充绝缘介质和导电材料。在高深宽比的深孔中填充材料存在的一个工艺难题是如何保证内部不存在孔隙。如何保证通孔密封，并长期有效，满足高真空度圆片级封装要求是目前制约基于tsv引出方式晶圆级真空封装工艺的关键难题。高性能mems器件需要满足不同温度变化范围内正常工作，而tsv通孔填充中绝缘介质、导电材料和硅材料之间热膨胀系数差别较大，在温度变化过程中界面间容易在应力的作用下产生缝隙，导致真空封装失效。另一方面tsv工艺中材料间热膨胀系数差异大，导致的热应力问题，也会影响mems芯片的特性参数，造成芯片在不同温度条件下芯片特性参数漂移，如mems陀螺和加速度计的全温零位漂移。

技术实现要素：

本发明为了克服现有基于tsv技术的圆片级封装mems芯片存在的真空封装密封性差和不同温度条件下特性参数漂移大的问题，提出了一种圆片级封装mems芯片结构及其加工方法，将横向电极引出和纵向tsv垂直电极引出相结合。该结构既具有传统的纵向tsv垂直电极引出方式圆片级封装可倒装焊、易三维堆叠集成的优点，又具有封装密封性好、温度稳定性好的优点。

本发明的技术方案是：

提供一种圆片级封装mems芯片结构，通过两次晶圆键合的方式将衬底层、器件层和盖帽层三层结构依次键合，形成空腔结构，通过键合密封环密封；沿衬底层表面形成第一金属层，垂直互连结构将第一金属层从衬底层背面引出，形成电学引出通路；垂直互连结构与第一金属层的连接处位于键合密封环密封的空腔结构外侧。

优选的，器件层形成一个梳齿结构；器件层的锚区结构通过金属共晶键合与衬底层锚区结构键合形成覆盖梳齿结构下表面的空腔；

器件层的锚区结构支撑盖帽层，使得器件层与盖帽层键合后形成覆盖梳齿结构上表面的空腔；盖帽层与器件层的键合面上，具有氧化硅层，实现盖帽层与器件层的绝缘。

优选的，所述衬底层上通过腐蚀形成空腔，并在衬底层空腔内部留下于支撑器件层的锚区结构；衬底层空腔的不同位置设置不同的深度，电极引线布置在深度较深的位置，检测电极布置在深度较潜的位置。

优选的，所述衬底层表面第一金属层上下分别布有第二氧化硅层和第一氧化硅层；所述衬底层锚区结构为具有一定坡度的台面，第一金属层从台面下延伸到台面上；所述衬底层锚区结构处第二氧化硅层上布有第二金属层做为键合介质层；所述所述衬底层锚区结构处的第二氧化硅层具有通孔，使得第一金属层与第二金属层相连通。

优选的，所述在衬底层上，芯片结构的四周形成城墙状环型台面，环型台面上布第二金属层作为有键合介质层，形成包围梳齿结构的键合密封环；所述第一金属层，从衬底层空腔中延伸到衬底层空腔外，该处第一金属层与密封环间有第二氧化硅层，使得第一金属层与键合密封环处键合介质层电学隔离。

优选的，所述第二金属层与第一金属层采用不同材质，第二金属层材质电阻率小于第一金属层材质；第二金属层厚度大于第一金属层；第二金属层作为主布线层，第一金属层作为跳线层，减小引线电阻。

优选的，所述第二金属层制备电容极板，实现对器件层结构在纵向方向上运动的检测。

优选的，该圆片级封装结构形成多个封装腔体，在衬底层部分封装腔体的第二氧化硅介质层上布置吸气剂层实现高真空封装，在部分腔体衬底层背面制造漏气孔，实现大气压封装。

优选的，吸气剂层中的吸气剂采用ti、zr、v的一种或几种，厚度为200nm-2000nm；

优选的，在器件层键合密封环外与垂直互连结构对应位置存在支撑结构，支撑结构外围设置纵向空气隔离槽，隔离与垂直互连结构间的应力。

优选的，在衬底层垂直互连结构的周围设置空气隔离槽隔离垂直互连结构的应力。

优选的，垂直互连结构通过tsv通孔内壁填充绝缘介质层，绝缘介质层内填充金属导电材料实现；tsv通孔外部制备金属焊点。

优选的，第一金属层采用是钨、铝、钛、铜、金、镍、铬、钽、钴中的一种或几种；第二金属层包括黏附阻挡层和金属共晶焊料层，黏附阻挡层采用cr、ti、ni、w的一种或几种，金属共晶焊料层采用ausi、ausn、alge、cusn的一种。

优选的，衬底空腔深度为2μm-20μm，第一氧化硅层的厚度为1μm-3μm；第一金属层的厚度为100nm-300nm；第二氧化硅层的厚度为300nm-600nm、第二金属层中黏附阻挡层的厚度为10nm-50nm，金属共晶焊料层的厚度为0.5μm-2μm。

优选的，tsv通孔中导电材料采用cu、au、w、重掺杂多晶硅中的一种实现，绝缘介质层采用氧化硅、掺杂氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种实现。

优选的，所述绝缘介质层生长采用lpcvd的方式实现，导电材料填充采用电镀、cvd、pvd中的一种方式实现。

优选的，所述衬底层采用电阻率硅片；所述的垂直互连结构，通过导电硅柱引出，导电硅柱周围为隔离层，下端为金属焊点。

优选的，隔离层中不填充介质或填充介质；填充介质材料选用氧化硅、掺杂氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、玻璃浆料、有机材料；填充介质形成的介质层仅覆盖硅材料表面，或充满隔离层。

提供一种所述的圆片级封装mems芯片结构的加工方法，包括如下步骤：

1)器件层与盖帽层结构加工；

2)衬底层采用电阻率硅片，上表面图形结构加工；

3)器件层分别与盖帽层和衬底层进行圆片级键合；

4)tsv通孔刻蚀；

5)tsv通孔填充绝缘介质层；

6)绝缘介质层反刻蚀，去除通孔底部绝缘介质层；

7)tsv通孔中填充导电材料；

8)去除衬底层背面多余导电材料层；

9)制备金属焊点；

10)在衬底层垂直互连结构的周围加工刻蚀空气隔离槽和在部分腔体衬底层背面刻蚀漏气孔；

11)对晶片进行划切，实现mems芯片单元结构。

提供一种述的圆片级封装mems芯片结构的加工方法，包括如下步骤：

1)器件层与盖帽层结构加工；

2)衬底层上表面图形结构加工；

3)器件层分别与盖帽层和衬底层进行圆片级键合；

4)制备金属焊点；

5)在衬底层金属焊点周围纵向刻蚀隔离层形成导电硅柱；在部分腔体衬底层背面刻蚀漏气孔；

6)对晶片进行划切，实现mems芯片单元结构。

优选的，步骤1)器件层与盖帽层结构加工包括如下步骤：

1.1器件层的硅片氧化；

1.2光刻腐蚀器件层氧化硅，在键合面上形成与锚区图形一致的氧化硅图形；

1.3器件层的硅片进行光刻及干法刻蚀，形成锚区图形；

1.4器件层硅片与盖帽层硅片进行硅-氧化硅直接键合；

1.5对器件层硅片进行减薄；

1.6器件层进行光刻、干法刻蚀，形成器件层上梳齿结构以及器件层外围的空气隔离槽。

优选的，步骤2)衬底层上表面图形结构加工包括如下步骤：

2.1衬底层硅片进行氧化；

2.2在衬底层硅片上进行单面光刻腐蚀，在键合面上形成氧化硅图形结构；

2.3对衬底层硅片进行硅的湿法腐蚀，形成硅的凸台结构；

2.4腐蚀掉剩余的氧化硅，并进行第二次氧化；

2.5光刻腐蚀氧化硅，在凸台结构上的氧化硅形成接触孔；

2.6在键合面生长第一金属层，并进行光刻腐蚀，形成电极图形；

2.7在衬底层正反两面生长相同厚度的氧化硅；

2.8进行正面氧化硅光刻腐蚀，形成金属电极的接触孔；

2.9生长第二金属层作为键合介质层并进行光刻腐蚀，形成键合介质层图形；

2.10生长吸气剂层并进行图形化。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)相比起基于tsv工艺的圆片级封装结构而言，本发明中给出的基于横向电极与纵向tsv电极结合的引出方式，首先通过横向电极设置将横向电极与纵向tsv电极的连接点引出至密封环外，避免空腔结构漏气，使其有更好封装密封性。避免了基于tsv工艺圆片级封装结构中，由于材料间热膨胀系数不匹配导致，导致受温度变化在tsv通孔中硅-绝缘介质界面和绝缘介质和导电材料界面产生热应力，使界面处材料发生蠕变，最终产生缝隙，导致封装失效。

(2)本发明在衬底电极片上制作不同深度的空腔，并留下一定坡度的台阶结构作为锚区和键合密封环。可于不同位置设置不同的深度，分别满足减小电极引线寄生电容和增大纵向检测电容的需要。

(3)在键合腔内引线由于采用双层金属布线，将极大的降低了布线难度，适用于具有复杂电路结构mems传感器结构。在第二金属层可制备大面积电容极板，实现对质量块在纵向方向上运动的检测，满足z轴加速度计以及面外运动陀螺等传感器的加工。

(4)本发明可同时设置吸气剂实现高真空、无吸气剂实现低真空以及常压封装，可同时满足mems陀螺、mems加速度等不同真空度要求的器件圆片级封装，可实现多轴集成mems惯性传感器。

(5)在键合密封环外采用纵向tsv互连并制备隔离槽，可显著降低倒装焊应力对mems传感器的影响，提高器件温度稳定性。

附图说明

图1a是本发明中采用tsv通孔填充方式纵向互连的圆片级封装mems芯片结构示意图；

图1b是本发明中采用硅柱tsv纵向互连的圆片级封装mems芯片结构示意图；

图2a～图2f是器件层微结构与盖帽层的加工流程图；

图3a～图3j是衬底层的加工流程图；

图4a～图4h是第一实施例中盖帽层和器件层的结合体与衬底层键合后的加工流程图；

图5a～图5d是第二实施例中盖帽层和器件层的结合体与衬底层键合后的加工流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。本发明基于通过横向电极引出与纵向tsv电极引出结合的方式实现电学引出圆片级封装mems芯片结构。芯片包括衬底层1、器件层2、盖帽层3三层结构，三层结构键合在一起，形成一个包含可动梳齿微结构4的空腔结构5。器件层2可动梳齿的锚区结构7通过金属共晶键合与衬底层1锚区结构10实现键合，并通过第一电极引线层12和键合密封环6外侧垂直互连结构16，从衬底层1背面引出，形成电学引出通路，实现可采用倒装焊集成的圆片级封装mems器件结构。

器件层2上形成用于支撑盖帽层3的锚区结构7，使得器件层2与盖帽层3键合后形成覆盖梳齿结构上表面的空腔；盖帽层3与器件层2的键合面上，具有氧化硅层，实现盖帽层3与器件层2的绝缘。衬底层1上形成用于支撑器件层2的锚区结构10，使得器件层2与衬底层1键合后形成覆盖梳齿结构下表面的空腔。所述空腔可于不同位置设置不同的深度，第二金属层11形成电极引线布置在深腔中，检测电极布置在浅的空腔中，分别满足减小电极引线寄生电容和增大纵向检测电容的需要。

衬底层1表面第一金属层12上下布有第一氧化硅层14和第二氧化硅层13。衬底层1锚区结构10为具有一定坡度的台面，第一金属层12从台面下延伸到台面上。锚区结构10处第二氧化硅层13上布有第二金属层11做为键合介质层。锚区位置键合介质层下的第二氧化硅层13具有通孔，使得第一金属层12与锚区位置键合介质层相连通。在衬底层1上，芯片结构的四周形成城墙状环型台面，其上布第二金属层11作为有键合介质层，形成包围梳齿结构4的键合密封环6。第一金属层12，从衬底层空腔中延伸到键合密封环6外，该处第一金属层12与键合介质层间有第二氧化硅层13，使得第一金属层12与键合密封环处6键合介质层电学隔离。

在键合空腔内第二氧化硅层13上表面布有第二金属层11，第二金属层11与第一金属层12通过第二氧化硅层13中的通孔连通，实现两层金属布线。第二金属层11与第一金属层11可采用不同材质，第二金属层材质电阻率小于第一金属层材质，实现低互连电阻率，并通过缩短单层金属引线互连长度，降低金属薄膜应力。第二金属层11可制备大面积电容极板，实现对器件层2形成的质量块在纵向方向上运动的检测，可满足z轴加速度计以及面外运动陀螺等传感器的加工的需要。

圆片级封装结构可形成多个封装腔体，在衬底层1部分空腔的第二氧化硅介质层13上可布置吸气剂层15，在部分腔体衬底层背面可制造漏气孔20，分别实现高真空和大气压封装，可满足mems陀螺、加速度计等不同真空封装要求的器件多轴集成的需要。在器件层键合密封环6外与垂直互连结构16对应位置存在支撑结构，支撑结构周围具有空气隔离槽9，用于mems结构芯片与垂直互连结构16间的应力隔离。

在衬底层1垂直互连结构16的周围设置空气隔离槽19，用于隔离垂直互连结构16的应力。

实施例1

本发明衬底片空腔深度为2μm-20μm，第一氧化硅层14的厚度为1μm-3μm；第一金属电极层15为钨、铝、钛、铜、金、镍、铬、钽、钴中的一种或几种的组合物，厚度为100nm-300nm；第二氧化硅层16的厚度为300nm-600nm、第二金属层11也作为键合介质层包括黏附阻挡层和金属共晶焊料层，黏附阻挡层采用cr、ti、ni、w的一种或几种组合物，金属共晶焊料层采用ausi、ausn、alge、cusn的一种；黏附阻挡层的厚度为10nm-50nm；金属共晶焊料层的厚度为0.5μm-2μm；在衬底层上空腔内，还布有吸气剂层18；吸气剂采用ti、zr、v的一种和几种的组合物。吸气剂的厚度为200nm-2000nm。

本发明中垂直互连结构16，其一种实现形式如图1a中所示，纵向电学引出通过tsv通孔中导电材料实现，金属导电材料周围为绝缘介质层17。tsv通孔中导电材料采用cu、au、w、重掺杂多晶硅的一种实现，绝缘介质层采用氧化硅、掺杂氧化硅、氮化硅、氮氧化硅的一种实现。绝缘介质层生长采用lpcvd的方式实现，导电材料填充采用电镀、cvd、pvd的一种方式实现。

本发明中垂直互连结构16，其另一种实现形式如图1b中所示，纵向电学引线通过导电硅柱21引出，导电硅柱周围为隔离层22。隔离层中可不填充介质，也可填充介质。介质材料可选用氧化硅、掺杂氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、玻璃浆料、有机材料。介质层可仅覆盖硅材料表面，也可将隔离槽填充严实。

本发明中的基于横向电极引出与纵向tsv电极引出结合的圆片级封装mems芯片结构的加工方法，其包括三个大的流程，第一个是器件层微结构和盖帽层的加工，第二个是衬底层的加工；第三个是器件层与盖帽层的结合体与衬底层的键合及纵向电极。

实施例2

第一流程是器件层与盖帽层的加工，加工流程如图2所示，结合图2对详细加工过程说明如下：

1)器件层的硅片氧化，如图2a；

2)光刻腐蚀氧化硅，在键合面上形成与锚区图形一致的氧化硅图形，如图2b；

3)器件层的硅片进行光刻及干法刻蚀，形成锚区图形，如图2c所示；

4)器件层硅片与盖帽层硅片进行硅-氧化硅直接键合，如图2d所示；

5)对器件层硅片进行减薄，如图2e所示；

6)器件层进行光刻、干法刻蚀，实现器件层上微结构的刻蚀，如图2f所示；

第二流程是衬底层的加工，加工流程如图3所示，结合图3对详细加工过程说明如下：

1)衬底层硅片进行氧化，如图3a所示；

2)在衬底层硅片上进行单面光刻腐蚀，在键合面上形成氧化硅图形结构，如图3b所示；

3)对衬底层硅片进行硅的湿法腐蚀，形成硅的凸台结构，如图3c所示；

4)腐蚀掉剩余的氧化硅，并进行第二次氧化，如图3d所示；

5)光刻腐蚀氧化硅，形成接触孔，如图3e所示；

6)在键合面生长金属电极层，并进行光刻腐蚀，形成电极图形，如图3f所示；

7)在衬底层正反两面生长相同厚度的氧化硅，如图3g所示；

8)进行单面光刻腐蚀，形成金属电极的接触孔，如图3h所示；

9)生长键合介质层并进行光刻腐蚀，形成键合介质层图形，如图3i所示；

10)生长吸气剂层并进行图形化，如图3j所示。

第三流程是器件层与盖帽层的结合体与衬底层的键合及后续纵向电极引出加工，对详细加工过程说明如下：

如图1a中所示垂直互连结构的圆片级封装mems芯片结构的加工方法，其第三个流程包括如下步骤：

1)器件层与盖板层和衬底层进行圆片级键合，如图4a所示；

2)tsv通孔刻蚀，如图4b所示；

3)tsv通孔填充绝缘介质层，如图4c所示；

4)绝缘介质层反刻蚀，去除通孔底部绝缘介质层，如图4d所示；

5)tsv通孔中填充导电材料，如图4e所示；

6)去除衬底层背面多余导电材料层，如图4f所示；

7)制备金属焊点，如图4g所示；

8)隔离槽和漏气孔刻蚀，如图4h所示；

9)对晶片进行划切，实现单个mems芯片单元结构。

如图1b中所示垂直互连结构的圆片级封装mems芯片结构的加工方法，其第三个流程包括如下步骤：

1)器件层与盖板层和衬底层进行圆片级键合，如图5a所示；

2)接触孔光刻刻蚀，如图5b所示；

2)溅射金属层，光刻、刻蚀形成金属焊点，如图5c所示；

3)tsv隔离槽和漏气槽刻蚀，如图5d所示；

4)对晶片进行划切，实现单个mems芯片单元结构。

本说明中未详细说明事项，为本领域公知常识。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。