[发明专利]MEMS晶圆级封装结构及其工艺

说明书

技术领域

本发明涉及封装领域，尤其涉及MEMS晶圆级封装结构及其工艺。

背景技术

微机电系统MEMS涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微麦克风、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中MEMS传感器占相当大的比例。

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。在消费电子、智能终端和可穿戴产品等领域应用中，要求MEMS传感器尺寸、成本进一步降低，同时提高集成度和性能，因此以TSV为主的三维封装集成技术在MEMS领域引起很大关注。采用垂直型通孔相对于斜孔更加适用于小焊盘尺寸，有利于减小芯片的面积。目前有些MEMS器件中采用掺杂硅作为通孔互连结构，但是其电阻率高，成本高，此外有利用电镀铜填充满孔内结构，由于电镀铜与硅热膨胀系数不同，容易产生很大的应力，对于应力比较敏感的MEMS器件，如压力传感器、麦克风等并不适用，此外这种结构还需要使用化学机械抛光(CMP)，提高了工艺成本。

因此，需要一种低成本的应力可调节的直孔TSV MEMS封装结构和相关工艺来至少部分的解决上述问题。

发明内容

针对上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种MEMS封装结构，包括：第一基底，在所述第一基底的第一表面上形成有一个或多个MEMS器件和一个或多个金属焊盘；与所述金属焊盘连接并延伸到所述第一基底的第二表面的通孔，所述第二表面与所述第一表面相对；设置在所述通孔侧壁以及所述第二表面上的多层结构；设置在所述多层结构以及所述金属焊盘上的重布线层；设置在所述重布线层上的焊球；以及在所述第一基底的器件上方形成的盖帽。

根据本发明的一个方面，多层结构包括：绝缘层，所述绝缘层用于使所述重布线层与所述第一基底电隔离；以及应力调整层，所述应力调整层用于调节施加到所述第一基底材料上的应力大小。

根据本发明的一个方面，多层结构还包括：缓冲层，所述缓冲层用于减少应力调整层与阻挡层之间的不匹配引起的各种缺陷；以及阻挡层，所述阻挡层用于阻止重布线层中的金属原子扩散进入第一基底材料之中。

根据本发明的一个方面，绝缘层是氧化硅或氮化硅，所述应力调整层是锗硅合金。

根据本发明的一个方面，盖帽包括：设置在所述第一基底的第一表面上的框架；以及覆盖在所述框架上的第二基底，所述第二基底上具有至少一个IC 器件，其中所述框架的第一面具有与第一基底上的金属焊盘连接的结构，所述框架的与所述第一面相对的第二面具有外接焊盘，所述外接焊盘与所述第二基底上的IC器件电连接。

根据本发明的一个方面，该封装结构还包括填充所述通孔并覆盖所述重布线层的绝缘保护层。

根据本发明的另一个方面，提供一种制造MEMS封装结构的方法，包括：在第一基底的MEMS器件上方形成盖帽，在所述第一基底的第一表面上具有一个或多个MEMS器件和一个或多个金属焊盘；将所述第一基底减薄到所需要的厚度；从所述第一基底的第二表面朝向第一表面刻蚀金属焊盘通孔，以便暴露所述一个或多个金属焊盘的至少一部分，其中所述第二表面与所述第一表面相对；通过共形沉积在所述通孔和所述第二表面上形成多层结构；选择性去除所述金属焊盘表面上的多层结构；在所述通孔和所述第二表面上形成金属重布线层；在所述通孔和所述第二表面上形成绝缘保护层；在所述绝缘保护层上钻孔，以便暴露所述重布线层的至少一部分作为焊盘；以及在所述焊盘上形成焊球。

根据本发明的另一个方面，在所述通孔和所述第二表面上形成多层结构包括：在所述通孔和所述第二表面上形成绝缘层，所述绝缘层用于使所述重布线层与所述第一基底电隔离；以及在所述绝缘层上形成应力调整层，所述应力调整层用于调节施加到所述第一基底材料上的应力大小

根据本发明的另一个方面，在所述通孔和所述第二表面上形成多层结构还包括：在所述应力调整层上形成缓冲层，所述缓冲层用于减少应力调整层与阻挡层之间的不匹配引起的各种缺陷；以及在所述缓冲层上形成阻挡层，所述阻挡层用于阻止重布线层中的金属原子扩散进入第一基底材料之中。

根据本发明的另一个方面，绝缘层是氧化硅或氮化硅，所述应力调整层是锗硅合金。