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CN111377395B - Mems封装结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MEMS封装结构及其制作方法。所述MEMS封装结构包括MEMS芯片及器件晶圆，器件晶圆中设置有控制单元和互连结构，并在第一表面设有第一接触垫，MEMS芯片具有微腔、用于连接外部电信号的第二接触垫以及接合面，所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔，MEMS芯片通过接合层排布于第一表面，接合层中具有开口，第一接触垫和第二接触垫电连接，再布线层设置于与第一表面相对的第二表面。所述MEMS封装结构实现了MEMS芯片与器件晶圆的电性互连，相对于现有集成工艺可以缩小尺寸，并且同一器件晶圆上可集成相同或不同的结构和功能的MEMS芯片。本发明另外提供了一种MEMS封装结构的制作方法。

Description

MEMS封装结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种MEMS封装结构及其制作方法。
背景技术
随着超大规模集成电路的发展趋势，集成电路特征尺寸持续减小，人们对集成电路的封装技术的要求相应也不断提高。在传感器类MEMS封装结构的市场上，微机电系统(MEMS)芯片在诸如智能手机、健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR头戴式设备等产品领域得到了广泛的应用。常用的MEMS芯片有压力传感器、加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风、光传感器、催化传感器等等。MEMS芯片与其他芯片通常是利用系统级封装(systeminpackage，SIP)进行集成以形成微机电装置。具体而言，通常是在一个晶圆上制作MEMS芯片，而在另一个晶圆上制作控制电路，然后进行集成。目前常用的集成方法主要有两种：一种是将MEMS芯片晶圆和控制电路晶圆分别接合在同一个封装基底上，并利用引线将MEMS芯片晶圆和控制电路晶圆与封装基底上的焊盘键合，从而将控制电路与MEMS芯片电连接；另一种是直接将制作有MEMS芯片晶圆和控制电路晶圆接合，并使它们对应的焊盘形成电连接，进而实现控制电路与MEMS芯片的电连接。
但是，利用上述前一种集成方法制备得到的微机电装置，封装基底上需要预留出焊盘区，通常尺寸较大，不利于整体装置缩小。此外，由于不同功能(或结构)的MEMS芯片制造工艺差别较大，在同一个晶圆上通常仅能制作一种功能(或结构)的MEMS芯片，利用上述后一种集成方法难以在同一晶圆上利用半导体工艺形成多种功能的MEMS芯片，而如果将不同功能的MEMS芯片晶圆分多次集成在不同的控制晶圆上再进行互连，工序复杂，成本高，并且得到的微机电装置尺寸仍然较大。因此，现有集成MEMS芯片的方法和所得到的MEMS封装结构仍不能满足实际应用中对尺寸和功能集成能力的要求。
发明内容
为了缩小MEMS封装结构的尺寸，本发明提供了一种MEMS封装结构及其制作方法。本发明的另一目的是提高MEMS封装结构的功能集成能力。
根据本发明的一个方面，提供了一种MEMS封装结构，包括：
器件晶圆，具有相对的第一表面和第二表面，所述器件晶圆中设置有控制单元以及与所述控制单元电连接的第一互连结构和第二互连结构；第一接触垫，设置于所述第一表面，所述第一接触垫与所述第一互连结构电连接；MEMS芯片，接合于所述第一表面，所述MEMS芯片具有微腔、用于连接外部电信号的第二接触垫以及与所述第一表面相对的接合面，所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔，所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫电连接；接合层，位于所述第一表面和所述接合面之间以接合所述器件晶圆和所述MEMS芯片，所述接合层中具有开口；以及再布线层，设置于所述第二表面，所述再布线层与所述第二互连结构电连接。
可选的，所述再布线层包括输入输出连接件。
可选的，多个所述MEMS芯片接合于所述第一表面，且多个所述MEMS芯片根据制作工艺区分属于相同或不同的类别。
可选的，多个所述MEMS芯片接合于所述第一表面，且多个所述MEMS芯片的微腔均具有与外部连通的通孔或者至少一个所述MEMS芯片具有封闭的微腔。
可选的，所述封闭的微腔内填充有阻尼气体或者为真空。
可选的，多个所述MEMS芯片接合于所述第一表面，多个所述MEMS芯片包括陀螺仪、加速度计、惯性传感器、压力传感器、位移传感器、湿度传感器、光学传感器、气体传感器、催化传感器、微波滤波器、DNA扩增微系统、MEMS麦克风和微致动器中的至少两种。
可选的，所述控制单元包括一个或多个MOS晶体管。
可选的，所述第一互连结构包括第一导电插塞，所述第一导电插塞至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆并与所述控制单元电连接，所述第一导电插塞的一端暴露于所述第一表面以与对应的所述第一接触垫电连接；所述第二互连结构包括第二导电插塞，所述第二导电插塞至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆并与所述控制单元电连接，所述第二导电插塞的一端暴露于所述第二表面以与所述再布线层电连接。
可选的，所述器件晶圆为减薄晶圆。
可选的，所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫通过电连接块电连接，所述电连接块位于所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫之间的区域，所述开口露出所述电连接块。
可选的，所述MEMS封装结构还包括：
封装层，位于所述第一接合面上，所述封装层覆盖所述多个MEMS芯片并填充所述接合层中的开口，所述封装层露出所述通孔。
可选的，所述接合层包括胶黏材料。
可选的，所述胶黏材料包括干膜。
根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS封装结构的制作方法，包括以下步骤：
提供MEMS芯片和用于控制所述MEMS芯片的器件晶圆，所述器件晶圆具有用于接合MEMS芯片的第一表面，所述器件晶圆中形成有控制单元以及与所述控制单元电连接的第一互连结构；在所述第一表面形成第一接触垫，所述第一接触垫与所述第一互连结构电连接，所述MEMS芯片具有微腔、用于连接外部电信号的第二接触垫以及接合面，所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔；利用接合层接合所述MEMS芯片与所述器件晶圆，所述接合层位于所述第一表面和所述接合面之间，所述接合层中具有开口，所述开口露出所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫；在所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫之间形成电连接；在所述器件晶圆中形成第二互连结构，所述第二互连结构与所述控制单元电连接；以及在所述器件晶圆的与所述第一表面相对的一侧表面形成再布线层，所述再布线层与所述第二互连结构电连接。
可选的，所述第一互连结构包括第一导电插塞，所述第一导电插塞至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆并与所述控制单元电连接，所述第一接触垫与所述第一导电插塞电连接。
可选的，所述第二互连结构包括第二导电插塞，所述第二导电插塞至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆并与所述控制单元电连接，所述再布线层与所述第二导电插塞电连接。
可选的，在所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫之间形成电连接的步骤包括：利用化学镀工艺在所述开口中的所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫之间的区域形成电连接块，所述开口露出所述电连接块。
可选的，在形成所述电连接块之前，所述MEMS封装结构的制作方法还包括：
形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述通孔。
可选的，在形成所述电连接块之后、形成所述第二互连结构之前，所述MEMS封装结构的制作方法还包括：
在所述第一接合面上形成封装层，所述封装层覆盖所述MEMS芯片并填充所述开口，所述封装层露出所述牺牲层；以及去除所述牺牲层，以露出所述通孔。
本发明提供的MEMS封装结构，包括器件晶圆及MEMS芯片，器件晶圆中设置有控制单元以及与所述控制单元电连接的第一互连结构和第二互连结构，与所述第一互连结构电连接的第一接触垫设置于器件晶圆的第一表面用于与MEMS芯片电连接，MEMS芯片具有微腔、用于连接外部电信号的第二接触垫以及与接合面，所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔，再布线层设置于器件晶圆的第二表面与所述第二互连结构电连接，其中第一接触垫在接合层的开口中与MEMS芯片的第二接触垫电连接，所述MEMS封装结构实现了MEMS芯片与器件晶圆的电性互连，相对于现有集成工艺可以缩小封装结构的尺寸。进一步的，所述MEMS封装结构可以包括多个具有相同或不同的功能及结构的MEMS芯片，在缩小尺寸的同时有利于提高所述MEMS封装结构的功能集成能力。此外，将再布线层和MEMS芯片分别设置于器件晶圆的两侧，有利于缩小MEMS封装结构的尺寸，并且可以减小再布线和互连结构的设计难度，提高MEMS封装结构的可靠性。
本发明提供的MEMS封装结构的制作方法，可形成上述MEMS封装结构，因而具有与上述MEMS封装结构相同或类似的优点。
附图说明
图1是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法提供的器件晶圆和多个MEMS芯片的剖面示意图。
图2是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在第一表面形成多个第一接触垫后的剖面示意图。
图3是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法利用接合层接合多个MEMS芯片与器件晶圆后的剖面示意图。
图4是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成牺牲层后的剖面示意图。
图5是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法形成电连接块后的剖面示意图。
图6是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成封装层后的剖面示意图。
图7是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成第二互连结构后的剖面示意图。
图8是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成再布线层后的剖面示意图。
图9是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在暴露出第二微腔的通孔后的剖面示意图。
图10是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的剖面示意图。
图11是依照本发明另一实施例的MEMS封装结构的剖面示意图。
附图标记说明：
100-器件晶圆；100a-第一表面；100b-第二表面；101-衬底；102-隔离结构；103-第一介质层；104-第二介质层；210-第一MEMS芯片；211-第一微腔；220-第二MEMS芯片；221-第二微腔；221a-通孔；410-第一接触垫；201-第二接触垫；220a-接合面；230-牺牲层；300-互连结构；310-第一互连结构；311-第一导电插塞；320-第二互连结构；321-第二导电插塞；500-接合层；510-开口；501-封装层；600-电连接块；700-再布线层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的MEMS封装结构及其制作方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
下文中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
参考图9，本发明实施例的MEMS封装结构包括：
器件晶圆100，具有相对的第一表面100a和第二表面100b，所述器件晶圆100中设置有控制单元以及与所述控制单元电连接的互连结构300；第一接触垫410设置于所述第一表面100a，所述第一接触垫410与所述互连结构300电连接；MEMS芯片(如图9中的第二MEMS芯片220)接合于所述第一表面100a，所述MEMS芯片具有微腔(如图9中第二MEMS芯片220具有第二微腔221)，所述MEMS芯片均具有用于连接外部电信号的第二接触垫201以及与所述第一表面100a相对的接合面200a，所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔(如图9中第二MEMS芯片220的第二微腔221具有通孔221a)，所述第一接触垫410与相应的所述第二接触垫201电连接；接合层500位于所述第一表面100a和所述接合面200a之间以接合所述器件晶圆100和所述MEMS芯片，所述接合层500中具有开口510；以及再布线层700，设置于所述第二表面100b，所述再布线层700与所述互连结构300电连接。
上述MEMS封装结构可包括多个所述MEMS芯片，器件晶圆100用于控制上述多个MEMS芯片，其中设置了对应控制多个MEMS芯片的多个控制单元，以分别驱动接合在其第一表面100a的多个MEMS芯片工作。器件晶圆100可以利用通用的半导体工艺形成，例如，可以在一衬底101(例如是硅衬底)上制作上述多个控制单元以形成器件晶圆100。所述衬底101例如是硅衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底等，所述衬底101的材料还可以包括锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓、镓化铟或其他Ⅲ、Ⅴ族化合物。所述衬底101优选是易于进行半导体工艺处理或集成的衬底。上述多个控制单元可基于衬底101形成。每个所述控制单元可包括一个或多个MOS晶体管，相邻的MOS晶体管可通过在器件晶圆100(或衬底101)中设置的隔离结构102以及在衬底101上覆盖的绝缘材料隔离，所述隔离结构102例如是浅沟槽隔离结构(STI)和/或深沟槽隔离结构(DTI)。作为示例，控制单元通过其中一个MOS晶体管的一个源/漏极将控制电信号输出，以控制对应的MEMS芯片200。本实施例中，器件晶圆100还包括在衬底101的一侧表面上形成的第一介质层103，控制单元的用于输出控制电信号的一个源/漏极(作为电连接端)设置于第一介质层103中，在衬底101的另一侧表面上形成有第二介质层104，第一介质层103和第二介质层104的材料可包括氧化硅、氮化硅、碳化硅和氮氧化硅等绝缘材料中的至少一种。本实施例中，可将第一介质层103远离衬底101的表面作为器件晶圆100的第一表面100a，而将第二介质层104远离衬底101的表面作为器件晶圆100的第二表面100b。
为了将MEMS芯片与器件晶圆100中的控制单元形成电气互连，本实施例中，在器件晶圆100中设置了互连结构300，互连结构300与第一接合面100a上的第一接触垫410、再布线层700和器件晶圆100中的控制单元均电连接。具体的，参照图9，所述互连结构300可包括用于在器件晶圆100中的控制单元和第一表面100a上的第一接触垫410进行互连的第一互连结构310，以及用于在器件晶圆100中的控制单元和第二表面100b上的再布线层700之间进行互连的第二互连结构310。
第一互连结构310和第二互连结构310可包括在器件晶圆100中形成的一个以上的电接触、电连接件以及在它们之间形成的电连接线。参照图9，本实施例中，第一互连结构310可包括第一导电插塞311，所述第一导电插塞311至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆100并与对应的所述控制单元电连接，第一表面100a上的第一接触垫410与相应的所述第一导电插塞311电连接；第二互连结构320可包括第二导电插塞321，所述第二导电插塞321至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆100并与对应的所述控制单元电连接，第二表面100a上的再布线层700的再布线与相应的所述第二导电插塞321电连接。
分别通过第一互连结构310和第二互连结构320将控制单元的电信号引出至第一表面100a和第二表面100b，目的是将器件晶圆100与MEMS芯片的连接和再布线分别设在器件晶圆100的两侧，有利于缩小MEMS封装结构的尺寸，并且可以减小再布线和互连结构的设计难度，提高MEMS封装结构的可靠性。
为了避免对器件晶圆100中控制单元的影响，上述第一导电插塞311和第二导电插塞321优选设计在器件晶圆100中的隔离材料区域，如图9所示，第一导电插塞311优选穿过部分厚度的第一介质层103至第一表面100a，所述第一导电插塞311的一端暴露于所述第一表面100a以与对应的所述第一接触垫410电连接；而第二导电插塞321优选从部分厚度的第一介质层103以及隔离结构102中穿过，所述第二导电插塞321的一端暴露于所述第二表面100b以与所述再布线层700电连接。器件晶圆100优选是减薄晶圆，以方便第二导电插塞321的制作以及减小最终形成的MEMS封装结构的厚度。
在器件晶圆100的第二表面100b设置的再布线层700与第二互连结构320电连接，再布线层700可采用导电材料。具体的，如图9所示，再布线层700可通过覆盖第二导电插塞321的部分与第二互连结构320电连接。
优选的，所述再布线层700可包括再布线以及输入输出连接件，其中再布线用于与第二互连结构320电连接，输入输出连接件用于MEMS封装结构与外部信号或装置连接，以对其连接的电路信号进行处理或控制。进一步的，所述输入输出连接件与所述再布线电连接，从而所述输入输出连接件可通过再布线、第二互连结构320以及控制单元进而对MEMS芯片的输入输出信号进行处理或控制。
多个MEMS芯片可以选自具有相同或不同的功能、用途及结构的MEMS芯片，可以分别利用本领域公知的MEMS芯片的制造工艺在不同的衬底(例如硅晶圆)上制作诸如陀螺仪、加速度计、惯性传感器、压力传感器、湿度传感器、位移传感器、气体传感器、催化传感器、微波滤波器、光学传感器(例如MEMS扫描镜、ToF图像传感器、光电探测器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、衍射光学元件(DOE))、DNA扩增微系统、MEMS麦克风、微致动器(例如微型马达、微型谐振器、微继电器、微型光/RF开关、光投影显示器、灵巧蒙皮、微型泵/阀)等MEMS器件，然后分割出独立的芯片晶粒并选择至少两类作为本实施例中的MEMS芯片。具体实施时，可以根据设计及用途的需要，选择一定数量或多个种类的MEMS芯片设置在器件晶圆100的第一表面100a。例如，可在器件晶圆100的第一表面100a上接合一种或者多种传感性能的MEMS芯片。多个MEMS芯片200可均具有与外部连通的开口，或者至少一个所述MEMS芯片具有封闭的微腔。可以理解，本实施例重点说明的是包括器件晶圆100及在其第一表面100a设置了MEMS芯片的MEMS封装结构，但并不表示本实施例的MEMS封装结构仅包括上述部件，器件晶圆100上也可以设置/接合有其他芯片(例如存储芯片、通讯芯片、处理器芯片等等)，或者设置有其他器件(例如功率器件、双极型器件、电阻、电容等等)，本领域公知的器件和连接关系也可包含在其中。并且，器件晶圆100上所接合的MEMS芯片并不局限于一个，也可以是两个或三个以上，且多个MEMS芯片的结构和/或种类也可以根据需要作相应变化。为了提高MEMS封装结构的功能集成能力，优选的，多个MEMS芯片根据制作工艺区分属于相同或不同的类别，此处两类MEMS芯片的制作工艺不完全相同或者功能(用途)不完全相同。
如图9所示，作为示例，多个MEMS芯片可包括在器件晶圆100的第一表面100a上并列排布的第一MEMS芯片210和第二MEMS芯片220，第一MEMS芯片210具有第一微腔211，第二MEMS芯片220具有第二微腔221，其中，第一MEMS芯片210封闭的第一微腔211，第一微腔211内可填充有阻尼气体(dampinggas)或者为真空状态，第二MEMS芯片220例如是进气型MEMS芯片(airinletMEMS)，其中第二微腔221是非封闭的，其具有与芯片外部连通的通孔221a，可以理解，对于具有通孔的微腔，通常选择通孔221a所在表面以外的表面作为对应的MEMS芯片的接合面220a，例如，图9所示的两个MEMS芯片210可分别是陀螺仪和进气型MEMS芯片，其中通孔210a连通大气，通孔210a可朝向远离器件晶圆100的第一表面100a的方向。在又一实施例中，多个MEMS芯片可包括陀螺仪、加速度计、惯性传感器、压力传感器、位移传感器、湿度传感器、光学传感器、气体传感器、催化传感器、微波滤波器、DNA扩增微系统、MEMS麦克风、微致动器中的至少两种。参照图10和图11，在另外的实施例中，进气型MEMS芯片具体可以是压力传感器(如图10)或者光学传感器(如图11)，其中压力传感器可包括一个封闭的微腔和一个与外部连通的微腔，对于光学传感器，还包括设置于微腔上的透明部件以接收外部的光信号。
可以理解，本实施例重点说明的是包括器件晶圆100及在其第一表面100a设置了MEMS芯片的MEMS封装结构，但并不表示本实施例的MEMS封装结构仅包括上述部件，器件晶圆100上也可以设置/接合有其他芯片(例如存储芯片、通讯芯片、处理器芯片等等)，或者设置有其他器件(例如功率器件、双极型器件、电阻、电容等等)，本领域公知的器件和连接关系也可包含在其中。此外，本实施例所描述的第一接触垫410和第二接触垫220可以是焊垫，也可以是其它起电连接作用的连接部件。
本实施例中，上述MEMS芯片通过接合层500接合于器件晶圆100的第一表面100a上(如果是多个MEMS芯片，则多个MEMS芯片在所述第一接合面100a上并列排布)。具体的，每个所述MEMS芯片还具有用于连接外部电信号的第二接触垫201以及与所述第一表面100a相对的接合面200a，并且器件晶圆100的第一表面100a上的第一接触垫410与相应的MEMS芯片的第二接触垫201电连接，例如通过位于所述第一接触垫410与相应的所述第二接触垫220之间的区域的电连接块600连接。电连接块600可以是多个，以连接每个MEMS芯片的第二接触垫201和器件晶圆100上对应的第一接触垫410。
接合层500用于将上述多个MEMS芯片与器件晶圆100接合固定。具体的，接合层500位于器件晶圆100的第一表面100a和MEMS芯片的接合面200a之间，所述接合层500中具有开口510，所述开口510露出上述多个电连接块600，如图7所示，开口510朝向多个MEMS芯片之间的间隙或两侧，电连接块600的部分侧表面在开口510中被露出。
接合层500的材料可包括氧化物或其他合适的材料。例如，接合层500可以是键合材料，以通过熔融键合(fusingbonding)或真空键合等方式将上述多个MEMS芯片的接合面200a与器件晶圆100的第一表面100a键合在一起。接合层500还可以包括胶黏材料，例如包括粘片膜(DieAttachFilm，DAF)或干膜(dryfilm)，以通过粘接方式将上述MEMS芯片与器件晶圆100接合在一起。本实施例中接合层500优选采用干膜，干膜是一种具有粘性的光致抗蚀膜，通过紫外线的照射后能够发生聚合反应形成一种稳定的物质附着于粘着面上，具有阻挡电镀和蚀刻的优点，通过将干膜先附着在MEMS芯片的接合面200a上，可以将第二接触垫201暴露与干膜之外，便于后续使第二接触垫220与器件晶圆100上相应的第一接触垫410电连接。每个MEMS芯片200的第二接触垫201可以位于对应的MEMS芯片的接合面200a上，例如靠近所述接合面200a的边缘，从而接合层500可在MEMS芯片边缘的区域或者多个MEMS芯片200之间的区域形成开口510将第二接触垫201暴露出来。
本实施例的MEMS封装结构还可包括封装层501，所述封装层501位于器件晶圆100的第一表面100a上，所述封装层501覆盖所述MEMS芯片并填充所述接合层500中的开口510，所述封装层501也可以覆盖在第一表面100a的其余区域。在第二微腔221的通孔221a处，封装层501将通孔221a露出，以便于进气型MEMS芯片的工作。
封装层501可以使所述MEMS芯片在器件晶圆100上更加稳固，并避免所述MEMS芯片受到外部损伤。所述封装层501例如是塑封材料层，例如可通过注塑工艺将多个MEMS芯片之间的间隙填满并将上述MEMS芯片固定在接合层500上。所述封装层501可采用在成型过程中能软化或流动、即具有可塑性的材料，以制成一定形状，所述封装层501的材料还可发生化学反应而交联固化，作为示例，所述封装层501的材料可以包括酚醛树脂、脲醛树脂、甲醛树脂、环氧树脂、聚氨酯等热固性树脂中的至少一种，其中，较佳地使用环氧树脂作为封装层501的材料，其中环氧树脂中可包括填料物质，还可包括各种添加剂(例如固化剂、改性剂、脱模剂、热色剂、阻燃剂等)，例如以酚醛树脂作为固化剂，以硅微粉的固体颗粒作为填料。
上述MEMS封装结构实现了MEMS芯片与器件晶圆100的电性互连，相对于现有集成工艺可以缩小封装结构的尺寸。此外，同一器件晶圆100上可集成多个MEMS芯片，多个MEMS芯片可以对应于相同或不同的功能(用途)及结构，在缩小尺寸的同时有利于提高MEMS封装结构的功能集成能力。
本实施例还包括一种MEMS封装结构的制作方法，可以用于制作上述MEMS封装结构。所述MEMS封装结构的制作方法包括以下步骤：
第一步骤：提供MEMS芯片和用于控制所述MEMS芯片的器件晶圆，所述器件晶圆具有用于接合MEMS芯片的第一表面，所述器件晶圆中形成有控制单元以及与所述控制单元电连接的第一互连结构；
第二步骤：在所述第一表面形成第一接触垫，所述第一接触垫与所述第一互连结构电连接，所述MEMS芯片具有微腔、用于连接外部电信号的第二接触垫以及接合面，述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔；
第三步骤：利用接合层接合所述MEMS芯片与所述器件晶圆，所述接合层位于所述第一表面和所述接合面之间，所述接合层中具有开口，所述开口露出所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫；
第四步骤：在所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫之间形成电连接；
第五步骤：在所述器件晶圆中形成第二互连结构，所述第二互连结构与所述控制单元电连接；
第六步骤：在所述器件晶圆的与所述第一表面相对的一侧表面形成再布线层，所述再布线层与所述第二互连结构电连接。
以下结合图1至图9对本发明实施例的MEMS封装结构的制作方法进行详细说明。
图1是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法提供的器件晶圆和多个MEMS芯片的剖面示意图。参照图1，首先执行第一步骤，提供MEMS芯片和用于控制所述MEMS芯片的器件晶圆100，所述器件晶圆100具有用于接合MEMS芯片的第一表面100a，所述器件晶圆100中形成有控制单元以及与所述控制单元电连接的第一互连结构310。其中，所述MEMS芯片具有微腔、用于连接外部电信号的第二接触垫201以及接合面200a，所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部(指MEMS芯片的外部)连通的通孔。
本实施例中，同一器件晶圆100上要集成的MEMS芯片可以不止一个，而是提供了多个MEMS芯片(如图1中的第一MEMS芯片210和第二MEMS芯片220，其中第二MEMS芯片220具有第二微腔221，第二微腔221具有与外部连通的通孔221a)与器件晶圆100集成。
具体的，本实施例的器件晶圆100可包括衬底101，所述衬底101例如是硅衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底等。本实施例中，器件晶圆100中的控制单元也可不止一个。可以利用成熟的半导体制程，基于衬底101形成多个控制单元，以便于后续控制上述多个MEMS芯片。每个所述控制单元可以是一组CMOS控制电路，例如，每个控制单元可包括一个或多个MOS晶体管，相邻的MOS晶体管可通过在衬底101(或器件晶圆100)中设置的隔离结构102以及在衬底101上沉积的绝缘材料隔离，所述隔离结构102例如是浅沟槽隔离结构(STI)和/或深沟槽隔离结构(DTI)。器件晶圆100还可包括在衬底101的一侧表面上形成的第一介质层103，每个控制单元的用于输出控制电信号的连接端可设置于第一介质层103中，可将第一介质层103的远离所述衬底101的表面作为器件晶圆100用于接合MEMS芯片的面，即第一表面100a，但不限于此，在另一实施例中，也可以将器件晶圆100的其他表面作为接合MEMS芯片的面。器件晶圆100可利用本领域公开的方法制作。
第一互连结构310可包括在器件晶圆100中形成的一个以上的电接触、电连接件以及在它们之间形成的电连接线。本实施例中，器件晶圆100中的第一互连结构310包括第一导电插塞311(在集成多个MEMS芯片时，第一导电插塞311为多个)，每个所述第一导电插塞311至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆100并与器件晶圆100中对应的所述控制单元电连接。第一导电插塞311的材料可选择含有钴、钼、铝、铜、钨等元素的金属或合金，所述导电材料还可以选择金属硅化物(如硅化钛、硅化钨、硅化钴等)、金属氮化物(如氮化钛)或者掺杂多晶硅等等。本实施例中，第一导电插塞311的材料为铜，第一导电插塞311的朝向器件晶圆100的第一表面100a的一端利用铜CMP工艺从而与所述第一表面100a齐平。
多个MEMS芯片可以选自具有相同或不同的功能、用途及结构的MEMS芯片，本实施例中，为了使MEMS封装结构具备多种用途或功能，待集成的多个MEMS芯片优选选自两种或两种以上的类别，并且，例如多个MEMS芯片200可选自陀螺仪、加速度计、惯性传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、湿度传感器、光学传感器、气体传感器、催化传感器、微波滤波器、DNA扩增微系统、MEMS麦克风、微致动器中的至少两种。本实施例中，每个MEMS芯片可以是一独立的芯片(或晶粒)，并具有作为传感部件的微腔以及用于接入外部电信号(用于控制使MEMS芯片工作)的第二接触垫201。MEMS芯片200的微腔210可以全部与外部(如大气)连通，也可以是部分MEMS芯片的微腔与芯片外部连通而部分MEMS芯片的微腔封闭，如图1所示，多个MEMS芯片包括第一MEMS芯片210和第二MEMS芯片220，第一MEMS芯片210具有第一微腔211，第二MEMS芯片220具有第二微腔221，本实施例中，第一微腔211为封闭微腔，第一微腔210内可以是高真空或低真空的环境，或者也可填充有阻尼气体(dampinggas)，而第二微腔221是非封闭微腔，第二微腔221具有与芯片外部连通的通孔221a。第二接触垫201在对应的MEMS芯片表面被暴露出来。所述第二接触垫201可位于多个MEMS芯片的接合面200a，例如靠近所述接合面200a的边缘，以方便后续接合层500在多个MEMS芯片之间的区域形成开口510将第二接触垫220暴露出来，但不限于此，根据MEMS芯片的线路情况，第二接触垫220也可形成在MEMS芯片表面的其它区域。第二微腔221的用于与外部连通的通孔221a可朝向第二MEMS芯片220远离所述接合面200a的一侧，以便于在封装结构制作完成后使第二微腔221与外部连通。MEMS芯片可利用本领域公开的方法制作。
图2是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在第一表面形成多个第一接触垫后的剖面示意图。参照图2，接着执行第二步骤，在所述第一表面100a形成第一接触垫410，所述第一接触垫410与所述第一互连结构310电连接。
在集成多个MEMS芯片时，第一接触垫410可以是多个，并利用同一成膜及图案化工艺形成，其形成过程例如是先在器件晶圆100的第一表面100a沉积金属层，金属层可采用与第一导电插塞311相同的材料，并利用物理气相沉积(PVD)工艺、原子层沉积(ALD)或者化学气相沉积(CVD)工艺形成，然后进行图形化处理以形成第一接触垫410。所述第一接触垫410与所述第一互连结构310电连接以将控制单元的电信号引出。根据设计要求，对于集成多个MEMS芯片的情形，对应的多个第一接触垫410之间在第一表面100a上也可以进行电连接。
图3是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法利用接合层接合所述多个MEMS芯片与所述器件晶圆后的剖面示意图。参照图3，接着执行第三步骤，利用接合层500接合所述MEMS芯片与所述器件晶圆100，所述接合层500位于所述第一表面100a和所述接合面200a之间，所述接合层500中具有开口510，所述开口510露出所述第一接触垫410与相应的所述第二接触垫201。
可选实施方式中，可以采用键合方式诸如熔融键合、真空键合的方法使器件晶圆100与所述多个MEMS芯片键合在一起，此处所述接合层500的材料为键合材料(例如氧化硅)；在另一种实施方式中，可以采用接合且光(或热)固化的方式使器件晶圆100与所述多个MEMS芯片粘接在一起，此处所述接合层500可包括胶黏材料，具体可选用粘片膜或干膜。多个MEMS芯片可以逐个进行接合，也可以通过部分或全部先贴合在一载板上，再分批或同时与器件晶圆100接合。
可选实施方式中，可以通过在接合每个MEMS芯片至器件晶圆100上时仅在部分区域形成接合材料的方法使第一接触垫410与相应的第二接触垫201暴露出来，从而在接合层500中形成开口510。在另一种实施方式中，在接合每个MEMS芯片至器件晶圆100上时，接合材料可以覆盖器件晶圆100的第一表面100a和MEMS芯片的接合面200a，然后再通过例如干法刻蚀工艺形成开口510，以暴露出第一接触垫410与相应的第二接触垫201。在接合层500中形成开口510的目的是将连接至器件晶圆100中的控制单元的第一接触垫410和MEMS芯片的第二接触垫201在第一表面100a和接合面200a之间连接起来。
图4是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成牺牲层后的剖面示意图。参照图4，为了避免后续工艺对与外部连通的第二微腔221的影响，在将所述MEMS芯片接合于器件晶圆100的第一表面100a之后，优选在第二微腔221的通孔221a处形成了牺牲层230，牺牲层230覆盖通孔221a以保护第二微腔221。牺牲层230的材料可包括光刻胶、碳化硅和无定型碳中的一种或多种。牺牲层230可利用化学气相沉积工艺成膜并经过光罩工艺及蚀刻工艺制作。
图5是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法形成电连接块后的剖面示意图。参照图5，接着执行第四步骤，在第一接触垫410与相应的所述第二接触垫220之间形成电连接。
本实施例中，接合层500中的开口510将上述第一接触垫410与相应的第二接触垫220露了出来，从而可以通过在第一接触垫410与相应的第二接触垫220之间的区域形成电连接块600将第一接触垫410与相应的第二接触垫220连接，所述开口510的其它部分仍为未填满状态，所述开口510露出所述电连接块600。
电连接块600可以利用化学镀工艺形成，所述化学镀工艺例如包括以下过程：将接合有多个MEMS芯片并在接合层500中形成有开口510的器件晶圆100放置到含有金属离子的溶液(例如化学镀银、镀镍、镀铜等溶液)中，利用强还原剂使所述金属离子还原成金属而沉积在开口510所暴露的第一接触垫410与相应的所述第二接触垫201上，经过一段反应时间之后，金属材料将第一接触垫410与相应的所述第二接触垫201连接，从而形成电连接块600。电连接块600的材料包括铜、镍、锌、锡、银、金、钨和镁中的一种或多种。上述化学镀工艺也可以包括在放置到含有所述金属离子的溶液之前，先在开口510中要形成电连接块600的区域沉积种子层(seedlayer)的步骤。
通过在第一表面100a和接合面200a之间形成电连接块600的方法将第一接触垫410与相应的所述第二接触垫201电连接，不需要进行引线键合，有利于缩小封装结构的尺寸，并且对器件晶圆100内部不会造成影响，可以提高MEMS封装结构的可靠性。
图6是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成封装层后的剖面示意图。参照图6，为了避免接合在器件晶圆100上的MEMS芯片受到外部因素(例如水汽、氧气、振动和撞击等等)的影响，以及使MEMS芯片更稳固，在形成上述电连接块600之后，本实施例的MEMS封装结构的制作方法还可包括以下步骤：在所述第一接合面上形成封装层501，所述封装层501覆盖所述MEMS芯片并填充所述开口510。
封装层501可包括诸如氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅等无机绝缘材料，也可包括诸如聚碳酸脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚砜、聚苯醚、聚酰胺、聚醚酰亚胺、甲基丙烯酸树脂或环聚烯烃系树脂等热塑性树脂，也可包括诸如环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、甲醛树脂、聚氨酯、亚克力树脂、乙烯酯树脂、酰亚胺类树脂、尿素树脂或三聚氰胺树脂等热固性树脂，也可包括诸如聚苯乙烯、聚丙烯腈等有机绝缘材料。封装层501可通过例如化学气相沉积工艺或者注塑工艺形成。优选地，在制作所述封装层501的过程中，还可包括在器件晶圆100的形成有所述接合层500的一侧进行平坦化处理的步骤，使得覆盖在开口210a上的牺牲层230从封装层501中露出来，以便后续直接去除牺牲层230以打开所覆盖的第二微腔221的通孔221a，并且，经平坦处理之后，可以在后续在与第一表面100a相对的一侧形成第二互连结构以及再布线层的过程中利用封装层501作为支撑面。
图7是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成第二互连结构后的剖面示意图。参照图7，接着执行第五步骤，在所述器件晶圆100中形成第二互连结构320，所述第二互连结构320与所述控制单元电连接。
为了减小MEMS封装结构的尺寸，本实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成第二互连结构之前，可以先在器件晶圆100的与第一表面100a相对的一侧沿厚度方向减薄器件晶圆100。具体可采用背部研磨工艺、湿法刻蚀工艺或氢离子注入等工艺减薄器件晶圆100。本实施例中，可以通过从与第一表面100a相对的一侧减薄衬底101，衬底101减薄的位置可与隔离结构102在衬底101中的底部齐平。
为了优化减薄后的表面，提高后续形成的再布线层的附着力以及减少表面缺陷，在减薄衬底101之后，可在器件晶圆100的减薄后的表面上沉积介质材料，以形成如图6所示的第二介质层104，第二介质层104覆盖器件晶圆100的经减薄后的表面。方便起见，可将第二介质层104远离器件晶圆100的第一表面100a的一侧表面作为器件晶圆100的第二表面100b。可以理解，为了体现与上述步骤的关联，器件晶圆100并没有示意为翻转之后的方位，但本实施例对器件晶圆100进行减薄及后续工艺也可利用封装层501的远离第一表面100a的一侧表面作为支撑面，将器件晶圆100翻转之后进行。
第二互连结构320可包括在器件晶圆100中形成的一个以上的电接触、电连接件以及连接它们中任意两个的电连接线，本实施例中，第二互连结构320包括在所述器件晶圆100中形成的第二导电插塞321(在集成多个MEMS芯片时，第二导电插塞321为多个)。所述第二导电插塞321至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆100并与一个所述控制单元电连接，所述第二导电插塞320的一端露出第二表面100b，以便于后续与再布线层连接。第二互连结构320优选从器件晶圆100中的隔离结构102区域穿过，以避免对控制单元的影响。第一导电插塞310和第二导电插塞320可以依据本领域公开的方法制作，此处不再赘述。器件晶圆100中的互连结构300可包括上述第一互连结构310和第二互连结构320。
图8是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在形成再布线层后的剖面示意图。参照图8，接着执行第六步骤，在所述器件晶圆100的与所述第一表面100a相对的一侧表面(此处即器件晶圆100减薄后形成的第二表面100b)形成再布线层700，所述再布线层700与所述第二互连结构320电连接。
具体的，上述再布线层700可覆盖于所述第二介质层104上，并与上述第二导电插塞320接触，从而与第二互连结构320电连接。再布线层700的形成过程例如是先在器件晶圆100的第二表面100b沉积金属层，金属层可以利用物理气相沉积(PVD)工艺、原子层沉积(ALD)或者化学气相沉积(CVD)工艺形成，然后进行图形化处理以形成再布线层700。根据设计需要，再布线层700可包括再布线，以将每个MEMS芯片的电接触引出，以便于多个MEMS芯片和器件晶圆100之间以及多个MEMS芯片之间形成电气互连。再布线层700还可包括输入输出连接件(未示出)，输入输出连接件用于MEMS封装结构与外部信号或装置连接，以对其连接的电路信号进行处理或控制。
图9是依照本发明一实施例的MEMS封装结构的制作方法在暴露出第二微腔的通孔后的剖面示意图。参照图9，本实施例的MEMS封装结构的制作方法还可包括以下步骤：去除所述牺牲层230，以露出第二微腔221与外部连通的通孔221a。在牺牲层230从封装层501中露出来之后，可以利用例如灰化工艺将其去除，使得第二MEMS芯片220中的第二微腔221上的通孔221a被暴露(或打开)，从而使第二微腔210与芯片外部连通，以便于该芯片的正常工作。
经过上述步骤，所形成MEMS封装结构如图9所示。利用类似的制作方法，也可以在器件晶圆上集成其它MEMS芯片并进行封装，例如可得到如图10和图11所示的MEMS封装结构，此处不再赘述。
本实施例的MEMS封装结构的制作方法，在同一器件晶圆100上集成了多个MEMS芯片(其中至少一个的微腔具有与外部连通的通孔)，在器件晶圆100的与MEMS芯片相对的一侧形成了再布线层700，相对于现有集成方法可以缩小封装结构的尺寸。此外，可将多个具有相同或不同的功能(用途)及结构的所述MEMS芯片与同一器件晶圆进行封装集成，在缩小尺寸的同时有利于提高所述MEMS封装结构的功能集成能力。此外，将再布线层和MEMS芯片分别形成于器件晶圆的两侧，有利于缩小MEMS封装结构的尺寸，并且可以减小再布线和互连结构的设计难度，提高MEMS封装结构的可靠性，从而有助于满足实际应用中对包括MEMS芯片的MEMS封装结构的集成度、便携性和高性能的要求。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (17)

1.一种MEMS封装结构，其特征在于，包括：
器件晶圆，具有相对的第一表面和第二表面，所述器件晶圆中设置有控制单元以及与所述控制单元电连接的第一互连结构和第二互连结构；
第一接触垫，设置于所述第一表面，所述第一接触垫与所述第一互连结构电连接；
至少两个MEMS芯片，接合于所述第一表面，所述MEMS芯片具有微腔、用于连接外部电信号的第二接触垫以及与所述第一表面相对的接合面，至少一个所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔，所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫通过电连接块电连接；
接合层，位于所述第一表面和所述接合面之间以接合所述器件晶圆和所述至少两个MEMS芯片，所述接合层中具有开口，所述开口露出所述电连接块的侧面；以及
再布线层，设置于所述第二表面，所述再布线层与所述第二互连结构电连接。
2.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述再布线层包括输入输出连接件。
3.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，多个所述MEMS芯片接合于所述第一表面，且多个所述MEMS芯片根据制作工艺区分属于相同或不同的类别。
4.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，多个所述MEMS芯片接合于所述第一表面，且多个所述MEMS芯片的微腔均具有与外部连通的通孔或者至少一个所述MEMS芯片具有封闭的微腔。
5.如权利要求4所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述封闭的微腔内填充有阻尼气体或者为真空。
6.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，多个所述MEMS芯片接合于所述第一表面，且多个所述MEMS芯片包括陀螺仪、加速度计、惯性传感器、压力传感器、位移传感器、湿度传感器、光学传感器、气体传感器、催化传感器、微波滤波器、DNA扩增微系统、MEMS麦克风和微致动器中的至少两种。
7.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述控制单元包括一个或多个MOS晶体管。
8.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述第一互连结构包括第一导电插塞，所述第一导电插塞至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆并与所述控制单元电连接，所述第一导电插塞的一端暴露于所述第一表面以与对应的所述第一接触垫电连接；所述第二互连结构包括第二导电插塞，所述第二导电插塞至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆并与所述控制单元电连接，所述第二导电插塞的一端暴露于所述第二表面以与所述再布线层电连接。
9.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述器件晶圆为减薄晶圆。
10.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，还包括：
封装层，位于所述接合面上，所述封装层覆盖所述多个MEMS芯片并填充所述接合层中的开口，所述封装层露出所述通孔。
11.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述接合层包括胶黏材料。
12.如权利要求11所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述胶黏材料包括干膜。
13.一种MEMS封装结构的制作方法，其特征在于，包括：
提供至少两个MEMS芯片和用于控制所述至少两个MEMS芯片的器件晶圆，所述器件晶圆具有用于接合MEMS芯片的第一表面，所述器件晶圆中形成有控制单元以及与所述控制单元电连接的第一互连结构；
在所述第一表面形成第一接触垫，所述第一接触垫与所述第一互连结构电连接，所述MEMS芯片具有微腔、用于连接外部电信号的第二接触垫以及接合面，至少一个所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔；
利用接合层接合所述至少两个MEMS芯片与所述器件晶圆，所述接合层位于所述第一表面和所述接合面之间，所述接合层中具有开口，所述开口露出所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫；
在所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫之间形成电连接，其中，利用化学镀工艺在所述开口中的所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫之间的区域形成电连接块；
在所述器件晶圆中形成第二互连结构，所述第二互连结构与所述控制单元电连接；以及
在所述器件晶圆的与所述第一表面相对的一侧表面形成再布线层，所述再布线层与所述第二互连结构电连接。
14.如权利要求13所述的MEMS封装结构的制作方法，其特征在于，所述第一互连结构包括第一导电插塞，所述第一导电插塞至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆并与所述控制单元电连接，所述第一接触垫与所述第一导电插塞电连接。
15.如权利要求13所述的MEMS封装结构的制作方法，其特征在于，所述第二互连结构包括第二导电插塞，所述第二导电插塞至少贯穿部分厚度的所述器件晶圆并与所述控制单元电连接，所述再布线层与所述第二导电插塞电连接。
16.如权利要求13所述的MEMS封装结构的制作方法，其特征在于，在形成所述电连接块之前，还包括：
形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述通孔。
17.如权利要求16所述的MEMS封装结构的制作方法，其特征在于，在形成所述电连接块之后、形成所述第二互连结构之前，还包括：
在所述接合面上形成封装层，所述封装层覆盖所述MEMS芯片并填充所述开口，所述封装层露出所述牺牲层；以及
去除所述牺牲层，以露出所述通孔。
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