一種圓片級芯片尺寸封裝的微電子機(jī)械系統(tǒng)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圓片級芯片尺寸封裝(WLCSP)的集成電路元件。尤其涉及一種與集成電路相集成的WLCSP的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)。
【背景技術(shù)】
[0002]圓片級芯片尺寸封裝(Wafer-level chip scale packaging簡稱WLCSP)廣泛應(yīng)用于集成電路、互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal - oxide - semiconductor,簡稱CMOS)圖像傳感器，以及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)。由于WLCSP不需要引線框和引線鍵合，從而降低封裝成本，所以得到廣泛應(yīng)用。實(shí)施WLCSP的一個技術(shù)要求是能夠在圓片基片相對的兩個表面上的電觸點(diǎn)之間建立電連接。至今，有兩種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)WLCSP:基于體的采用娃通孔(through silicon vias，簡稱TSV)的技術(shù)，以及基于表面的技術(shù)(Shellcase，美國專利授權(quán)號6972480)。
[0003]基于體的WLCSP:TSV可以使得導(dǎo)線穿過圓片。通常的TSV工藝包括先在圓片上刻蝕出溝槽，然后沉積絕緣層以覆蓋溝槽的底部和側(cè)壁，之后在溝槽里沉積導(dǎo)電材料譬如原位摻雜多晶硅或銅。然而，TSV需要高成本的深硅刻蝕?？涛g成本與刻蝕深度成正比。隨著溝槽深度增加，空隙開始形成且導(dǎo)電材料很難填滿這些空隙，從而引發(fā)器件可靠性問題。溝槽越深，空隙越容易形成。通常TSV可以達(dá)到250 μ m的深度。然而一些MEMS需要更深的TSV，所以需要一種可以在更厚的圓片兩個相對表面之間建立電連接的WLCSP技術(shù)。
[0004]基于表面的WLCSP:以色列Shellcase公司開發(fā)出一種WLCSP技術(shù)使得導(dǎo)線通過傾斜的基片側(cè)壁連接封裝層(通常是硅基片)的兩個表面。如附圖1A-1B所示，Shellcase的封裝技術(shù)里，集成電路基板22包含有工作面24，上方覆蓋有芯片尺寸封裝層42，在其上方有絕緣層18。導(dǎo)線12直接沉積在絕緣層18上，連接封裝層42的水平表面26上的焊盤28，通過封裝層42的傾斜側(cè)壁25，然后連接至工作面24的焊盤16。因?yàn)閷?dǎo)線12直接形成在封裝層表面，所以這種技術(shù)稱為基于表面的WLCSP。Shellcase的這種封裝技術(shù)可以在比較厚的基片側(cè)壁上形成導(dǎo)線連接，但是也存在可靠性問題，例如導(dǎo)線層12，絕緣層18和封裝層42的分層。
[0005]圖2A-2J展示了具體的Shellcase工藝。圓片40上有用劃片槽分割好的晶片22 (見附圖2A)，每個晶片的工作面24上有多個焊盤16，之后通過粘合層32與封裝層42結(jié)合。在劃片槽的位置通過光刻封裝層42和粘合層32，暴露出焊盤16。然后沉積絕緣層18，形成開口 56暴露出焊盤16。之上導(dǎo)電層58覆蓋絕緣層18并延伸至開口 56與焊盤連接，通過光刻形成需要的圖案(見附圖2G)。隨后覆蓋一層保護(hù)層30并在預(yù)定位置形成開口60，在開口 60處制備焊料凸點(diǎn)28與導(dǎo)線焊盤12相連。最終，封裝好的芯片沿64被分開。由于導(dǎo)線12需要通過整個溝槽的傾斜側(cè)壁，圓片40上的工作面積24要遠(yuǎn)大于封裝層上表面42的面積，從而顯著增加了單個晶元的成本。為了減小工作面的面積，導(dǎo)線12的長度需要減小。所以需要一種小尺寸的WLCSP技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]以下的綜述只是本發(fā)明的典型代表，本發(fā)明并不局限于此。通過以下實(shí)施例，上述的問題得到解決。很明顯，在不離開本發(fā)明的范圍和精神的基礎(chǔ)上，可以對現(xiàn)有技術(shù)和工藝修改。在本發(fā)明的所屬技術(shù)領(lǐng)域中，只要掌握通常知識，就可以在本發(fā)明的技術(shù)要旨范圍內(nèi)，進(jìn)行多種多樣的變更。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以所述實(shí)施方式為限，但凡根據(jù)本發(fā)明揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0007]本發(fā)明提供一種封裝的MEMS器件包括:1)硅基片形成第一水平面；2)所述第一水平面上有一個包含有集成電路的工作面；3)所述第一水平面上至少有兩個焊盤，其中一個是閉合環(huán)狀焊盤；4)至少有一個硅蓋板圓片有第二水平面，并在所述第二水平面上至少有兩個焊盤，其中一個閉合環(huán)狀焊盤；所述硅蓋板圓片有第三傾斜平面與第二水平面成夾角；所述硅蓋板圓片有第四水平面；5)至少在所述第一水平面的閉合環(huán)狀焊盤和所述第二水平面的閉合環(huán)狀焊盤之間形成一個閉合氣密鍵合，例如通過共晶鍵合或是金屬擴(kuò)散鍵合；6)在所述硅基片和所述硅蓋板之間形成至少一個空腔，空腔中填充加壓氣體；7)所述第一平面的至少一個焊盤和所述第二平面的至少一個焊盤鍵合形成導(dǎo)電連接，鍵合方式例如共晶鍵合或是金屬擴(kuò)散鍵合；8)在所述硅蓋板上形成至少一個導(dǎo)電連線，其中一部分在第四水平面，第二部分在第三傾斜平面，以及第三部分連接另一個導(dǎo)電觸點(diǎn)；9)在所述硅蓋板與所述導(dǎo)電連線之間有絕緣層。
[0008]至少基片上的兩個焊盤以及至少一個芯片尺寸封裝層可以采用鋁、銅、金、硅、鈦、錫、銦或者鍺?？涨恢袣怏w的壓力可以為I至lObar，也可以為I至5bar或者I至3bar。填充氣體可以是六氟化硫(SF6)、二氧化碳(CO2)、氙氣(Xe)、2，3，3，3-四氟丙烯(HF0-1234yf)或丙烷(C3H8)。絕緣層可以是環(huán)氧樹脂、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、阻焊膜、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚對二甲苯、聚萘、碳氟化合物或丙烯酸酯。
[0009]在一個實(shí)施例中，第三傾斜平面形成于至少一個硅蓋板外部。在另一個實(shí)施例中，第三傾斜平面形成于至少一個硅蓋板內(nèi)部。進(jìn)一步的，基片凹陷處形成空腔。
[0010]本發(fā)明又提供一種封裝MEMS器件的方法包括:1)提供一個硅基片形成第一水平面；2)所述第一水平面有一個包含有集成電路的工作面；3)所述第一水平面上至少有兩個焊盤，其中至少一個是閉合環(huán)狀焊盤；4)至少一個硅蓋板具有第二水平面并至少有兩個焊盤，其中至少一個是閉合環(huán)狀焊盤，此硅蓋板同時有第三傾斜平面并與第二水平面形成夾角，并且有第四水平面；5)在所述第一水平面的至少一個閉合環(huán)狀焊盤和第二水平面的至少一個閉合環(huán)狀焊盤之間形成至少一個氣密鍵合；6)在所述基片和至少一個硅蓋板之間形成至少一個空腔，并在空腔中填充加壓氣體；7)在所述第一水平面的至少一個焊盤和所述第二水平面的至少一個焊盤之間形成至少一個導(dǎo)電連接；8)所述硅蓋板上有至少一個導(dǎo)電連線，其中一部分在第四水平面上，第二部分在第三傾斜平面上，第三部分在至少另一個電觸點(diǎn)上形成導(dǎo)電連接；9)所述硅蓋板和所述導(dǎo)電連線之間有絕緣層。
[0011]本發(fā)明又提供一種封裝MEMS的方法包括:1)提供一個基片形成第一水平面；2)所述第一水平面上有一個含有集成電路的工作面；3)所述第一水平面上至少有兩個焊盤，其中至少一個是閉合環(huán)狀焊盤；4)至少一個芯片尺寸封裝層有第二水平面并至少有兩個焊盤，其中至少一個是閉合環(huán)狀焊盤；此封裝層還有第三傾斜平面并與第二水平面形成夾角，并且有第四水平面；5)在所述第一水平面的至少一個閉合環(huán)狀焊盤和所述第二水平面的至少一個閉合環(huán)狀焊盤之間形成至少一個氣密鍵合；6)在所述基片和至少一個封裝層之間形成至少一個空腔；7)在所述第一水平面的至少一個焊盤和所述第二水平面的至少一個焊盤之間形成至少一個導(dǎo)電連接；8)所述封裝層有至少一個TSV，填充有導(dǎo)電材料；9)所述封裝層有至少一個導(dǎo)電連線，其中一部分位于第四水平面，一部分位于第三傾斜平面，一部分由TSV組成，還有一部分位于至少另一個電觸點(diǎn)之上形成導(dǎo)電連接；10)所述芯片尺寸封裝層與所述導(dǎo)電連線之間有絕緣層。
[0012]基片和至少一個芯片尺寸封裝層可以采用硅。絕緣層可以是環(huán)氧樹脂、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、阻焊膜、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚對二甲苯、聚萘、碳氟化合物或丙烯酸酯?；弦约爸辽僖粋€芯片尺寸封裝層的至少兩個焊盤可以是鋁、銅、金、硅、鈦、錫、銦或者鍺。填充TSV的導(dǎo)電材料可以是原位摻雜多晶硅或者銅?？涨粌?nèi)可以填充氣態(tài)物質(zhì)，空腔壓力可以為I至lObar，或者I至5bar，或者I至3bar，或者0.1至lbar，或者10 5至0.lbar。填充的氣態(tài)物質(zhì)可以為六氟化硫、二氧化碳、氙氣、2，3，3，3-四氟丙烯或丙烷。氣密鍵合工藝可以使用常見的圓片鍵合機(jī)，例如Suss MicroTec SB81或SB8L，或者EV GROUPEVG 520圓片鍵合機(jī)，同時控制鍵合溫度、壓力、力度和時間。鍵合可以是且不局限于金屬擴(kuò)散鍵合例如銅-銅、金-金或硅-鈦，也可以是且不局限于共晶鍵合例如金-錫、銅-錫、金-娃、金-銦、金-鍺或招-鍺。
[0013]在一實(shí)施例中，第三傾斜平面位于至少一個芯片尺寸封裝層的外部。在另一實(shí)施例中，第三傾斜平面位于至少一個芯片尺寸封裝層的內(nèi)部。另一實(shí)施例中，封裝好的MEMS器件包含有一個基片凹陷形成的空腔。
[0014]本發(fā)明提供另一種封裝MEMS器件的方法包含:1) 一個基片包含第一水平面；2)所述第一水平面上有一個含有集成電路的工作面；3)所述第一水平面上至少有兩個焊盤，其中至少有一個是閉合環(huán)狀焊盤；4)至少一個芯片尺寸封裝層有第二水平面并至少有兩個焊盤，其中至少有一個是閉合環(huán)狀焊盤；此封裝層有第三傾斜面并與第二水平面形成夾角；所述封裝層有第四水平面；5)在所述第一水平面的至少一個閉合環(huán)狀焊盤和所述第二水平面的至少一個閉合環(huán)狀焊盤之間形成至少一個氣密鍵合；6)在所述基片和所述封裝層之間形成至少一個空腔；7)在所述第一水平面的至少一個焊盤和所述第二水平面的至少一個焊盤之間形成至少一個導(dǎo)電連接；8)所述封裝層有至少一個TSV，填充有導(dǎo)電材料；9)所述封裝層有至少一個導(dǎo)電連線，其中一部分位于第四水平面，一部分位于第三傾斜平面，一部分由TSV組成，還有一部分位于至少另一