一種圓片級(jí)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(jí)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(jí)芯片尺寸封裝(Wafer-level chip scale packaging簡(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)技術(shù)要求是能夠在圓片基片相對(duì)的兩個(gè)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(jiǎn)稱TSV)的技術(shù)，以及基于表面的技術(shù)(Shellcase，美國(guó)專利授權(quán)號(hào)6972480)。
[0003]基于體的WLCSP:TSV可以使得導(dǎo)線穿過(guò)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(kāi)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(wèn)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(gè)相對(duì)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(kāi)發(fā)出一種WLCSP技術(shù)使得導(dǎo)線通過(guò)傾斜的基片側(cè)壁連接封裝層(通常是硅基片)的兩個(gè)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(pán)28，通過(guò)封裝層42的傾斜側(cè)壁25，然后連接至工作面24的焊盤(pán)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(wèn)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(jiàn)附圖2A)，每個(gè)晶片的工作面24上有多個(gè)焊盤(pán)16，之后通過(guò)粘合層32與封裝層42結(jié)合。在劃片槽的位置通過(guò)光刻封裝層42和粘合層32，暴露出焊盤(pán)16。然后沉積絕緣層18，形成開(kāi)口 56暴露出焊盤(pán)16。之上導(dǎo)電層58覆蓋絕緣層18并延伸至開(kāi)口 56與焊盤(pán)連接，通過(guò)光刻形成需要的圖案(見(jiàn)附圖2G)。隨后覆蓋一層保護(hù)層30并在預(yù)定位置形成開(kāi)口60，在開(kāi)口 60處制備焊料凸點(diǎn)28與導(dǎo)線焊盤(pán)12相連。最終，封裝好的芯片沿64被分開(kāi)。由于導(dǎo)線12需要通過(guò)整個(gè)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(gè)晶元的成本。為了減小工作面的面積，導(dǎo)線12的長(zhǎng)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(guò)以下實(shí)施例，上述的問(wèn)題得到解決。很明顯，在不離開(kāi)本發(fā)明的范圍和精神的基礎(chǔ)上，可以對(duì)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(shí)，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(shū)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(gè)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(gè)焊盤(pán)，其中一個(gè)是閉合環(huán)狀焊盤(pán)；4)至少有一個(gè)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(gè)焊盤(pán)，其中一個(gè)閉合環(huán)狀焊盤(pán)；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(pán)和所述第二水平面的閉合環(huán)狀焊盤(pán)之間形成一個(gè)閉合氣密鍵合，例如通過(guò)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(gè)空腔，空腔中填充加壓氣體；7)所述第一平面的至少一個(gè)焊盤(pán)和所述第二平面的至少一個(gè)焊盤(pán)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(gè)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(gè)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(gè)焊盤(pán)以及至少一個(gè)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(shù)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(duì)二甲苯、聚萘、碳氟化合物或丙烯酸酯。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，第三傾斜平面形成于至少一個(gè)硅蓋板外部。在另一個(gè)實(shí)施例中，第三傾斜平面形成于至少一個(gè)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(gè)硅基片形成第一水平面；2)所述第一水平面有一個(gè)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(gè)焊盤(pán)，其中至少一個(gè)是閉合環(huán)狀焊盤(pán)；4)至少一個(gè)硅蓋板具有第二水平面并至少有兩個(gè)焊盤(pán)，其中至少一個(gè)是閉合環(huán)狀焊盤(pán)，此硅蓋板同時(shí)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(gè)閉合環(huán)狀焊盤(pán)和第二水平面的至少一個(gè)閉合環(huán)狀焊盤(pán)之間形成至少一個(gè)氣密鍵合；6)在所述基片和至少一個(gè)硅蓋板之間形成至少一個(gè)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(gè)焊盤(pán)和所述第二水平面的至少一個(gè)焊盤(pán)之間形成至少一個(gè)導(dǎo)電連接；8)所述硅蓋板上有至少一個(gè)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(gè)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(gè)基片形成第一水平面；2)所述第一水平面上有一個(gè)含有集成電路的工作面；3)所述第一水平面上至少有兩個(gè)焊盤(pán)，其中至少一個(gè)是閉合環(huán)狀焊盤(pán)；4)至少一個(gè)芯片尺寸封裝層有第二水平面并至少有兩個(gè)焊盤(pán)，其中至少一個(gè)是閉合環(huán)狀焊盤(pán)；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(gè)閉合環(huán)狀焊盤(pán)和所述第二水平面的至少一個(gè)閉合環(huán)狀焊盤(pán)之間形成至少一個(gè)氣密鍵合；6)在所述基片和至少一個(gè)封裝層之間形成至少一個(gè)空腔；7)在所述第一水平面的至少一個(gè)焊盤(pán)和所述第二水平面的至少一個(gè)焊盤(pán)之間形成至少一個(gè)導(dǎo)電連接；8)所述封裝層有至少一個(gè)TSV，填充有導(dǎo)電材料；9)所述封裝層有至少一個(gè)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(gè)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(gè)芯片尺寸封裝層可以采用硅。絕緣層可以是環(huán)氧樹(shù)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(duì)二甲苯、聚萘、碳氟化合物或丙烯酸酯?；弦约爸辽僖粋€(gè)芯片尺寸封裝層的至少兩個(gè)焊盤(pán)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(jiàn)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(shí)控制鍵合溫度、壓力、力度和時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)基片包含第一水平面；2)所述第一水平面上有一個(gè)含有集成電路的工作面；3)所述第一水平面上至少有兩個(gè)焊盤(pán)，其中至少有一個(gè)是閉合環(huán)狀焊盤(pán)；4)至少一個(gè)芯片尺寸封裝層有第二水平面并至少有兩個(gè)焊盤(pán)，其中至少有一個(gè)是閉合環(huán)狀焊盤(pán)；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(gè)閉合環(huán)狀焊盤(pán)和所述第二水平面的至少一個(gè)閉合環(huán)狀焊盤(pán)之間形成至少一個(gè)氣密鍵合；6)在所述基片和所述封裝層之間形成至少一個(gè)空腔；7)在所述第一水平面的至少一個(gè)焊盤(pán)和所述第二水平面的至少一個(gè)焊盤(pán)之間形成至少一個(gè)導(dǎo)電連接；8)所述封裝層有至少一個(gè)TSV，填充有導(dǎo)電材料；9)所述封裝層有至少一個(gè)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(gè)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。
【附圖說(shuō)明】
[0015]附圖僅是實(shí)施例的典型代表，本發(fā)明不局限于以下附圖。
[0016]附圖1A-1B，簡(jiǎn)稱附圖1，是Shellcase封裝技術(shù)的簡(jiǎn)化示意圖以及截面圖；
[0017]附圖2A-2J，簡(jiǎn)稱附圖2，是Shellcase封裝技術(shù)的詳細(xì)截面工藝流程圖；
[0018]附圖3A-3L，簡(jiǎn)稱附圖3，是一種利用外表面WLCSP技術(shù)封裝MEMS的實(shí)施例的詳細(xì)工藝流程；
[0019]附圖4A-4K，簡(jiǎn)稱附圖4，是一種利用內(nèi)表面WLCSP技術(shù)封裝MEMS的實(shí)施例的詳細(xì)工藝流程；
[0020]附圖5A-50，簡(jiǎn)稱附圖5，是一種利用表面-體混合型WLCSP技術(shù)封裝MEMS的實(shí)施例的詳細(xì)工藝流程；
[0021]附圖6A-6N，簡(jiǎn)稱附圖6，是另是一種利用表面-體混合型WL