压力传感器的封装方法与流程

本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种压力传感器的封装方法。

背景技术：

微机电系统(microelectromechanicalsystems，简称mems)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，mems器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、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。

压力传感器是一种将压力信号转换为电信号的换能器。根据工作原理的不同分为电阻式压力传感器和电容式压力传感器。其中，电容式压力传感器的原理为通过压力改变顶部电极和底部电极之间的电容，以此来测量压力。

为了实现mems器件与其它器件实现整合，往往需要将mems器件与cmos器件集成，并将集成后的器件进行封装。在现有技术中，先将集成mems器件与cmos器件的芯片(chip)单独进行封装，封装方法复杂，成本高，效率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种压力传感器的封装方法，减小了器件的横向尺寸，实现了晶圆级封装，提高了器件的性能，降低了成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种压力传感器的封装方法，包括：

提供半导体晶圆，所述半导体晶圆包括多个芯片，所述芯片包括感应区以及封装区，所述芯片内设置有控制电路以及位于所述控制电路上的层间介质层，所述层间介质层中形成有第一互连结构，所述封装区的层间介质层暴露出所述第一互连结构的顶部，所述第一互连结构与所述控制电路电连接，所述芯片上形成有一钝化层，所述钝化层和所述感应区的层间介质层之间形成第一空腔，所述第一空腔的顶壁形成有顶部电极，所述第一空腔的底壁形成有底部电极；

选择性刻蚀所述钝化层，在所述钝化层中形成第一开口以及第二开口，所述第二开口位于所述第一开口中，所述第一开口至少位于部分所述第一空腔上，所述第二开口暴露出所述第一空腔上的部分所述顶部电极；

在所述封装区上的钝化层中形成一钝化层通孔，所述钝化层通孔暴露出所述第一互连结构的顶部；

在所述钝化层上键合一基板，所述基板覆盖所述第一开口，形成第二空腔；

在所述封装区上的基板中形成一基板通孔，所述基板通孔和所述钝化层通孔导通；

在所述基板通孔和钝化层通孔中填充导电材料形成通孔结构；

在所述基板上形成垫片，所述垫片导通所述通孔结构。

进一步的，在所述感应区上的基板上形成通气孔，所述通气孔导通所述第二空腔。

进一步的，在所述封装区上的基板中形成一基板通孔的步骤之前，还包括：

对所述基板背离所述钝化层的一面进行减薄。

进一步的，在所述基板上形成垫片的步骤之后，还包括：

在所述基板上形成保护层，所述保护层暴露出所述垫片，并且，所述保护层至少暴露出部分所述感应区上的基板。

进一步的，所述芯片晶圆级封装方法还包括：

将所述垫片通过一焊接部与一电路板键合在一起；

切割所述半导体晶圆、钝化层、基板以及电路板，形成单粒的压力传感器晶圆级封装结构。

进一步的，所述基板为晶圆。

进一步的，通过熔融键合方式在所述钝化层上键合一基板。

进一步的，所述熔融键合的温度为200℃～450℃。

进一步的，所述层间介质层还包括第二互连结构和第三互连结构，所述第二互连结构和第三互连结构分别与所述控制电路电连接，所述第二互连结构与底部电极电连接，所述第三互连结构与所述顶部电极电连接。

进一步的，所述导电材料为铜、钨、钼中的一种或几种的合金。

与现有技术相比，本发明提供的压力传感器的封装方法具有以下优点：

在所述压力传感器的封装方法中，在所述钝化层上键合一基板，所述基板覆盖所述第一开口，形成第二空腔，从而通过所述基板将压力传感器的第二空腔进行密封，通过晶圆级封装的方法，降低封装工艺的复杂度；并且，在所述基板和钝化层中形成通孔结构，可以实现将器件结构的电性引出，实现了将所述芯片(控制电路)与压力传感器在纵向上集成起来，有利于减小封装结构的横向面积。

附图说明

图1为本发明一实施例中压力传感器的封装方法的流程图；

图2至图9为本发明一实施例的压力传感器的封装方法中器件结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的压力传感器的封装方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，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。

本发明提供一种压力传感器的封装方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤s11，提供半导体晶圆，所述半导体晶圆包括多个芯片，所述芯片包括感应区以及封装区，所述芯片内设置有控制电路以及位于所述控制电路上的层间介质层，所述层间介质层中形成有第一互连结构，所述封装区的层间介质层暴露出所述第一互连结构的顶部，所述第一互连结构与所述控制电路电连接，所述芯片上形成有一钝化层，所述钝化层和所述感应区的层间介质层之间形成第一空腔，所述第一空腔的顶壁形成有顶部电极，所述第一空腔的底壁形成有底部电极；

步骤s12，选择性刻蚀所述钝化层，在所述钝化层中形成第一开口以及第二开口，所述第二开口位于所述第一开口中，所述第一开口至少位于部分所述第一空腔上，所述第二开口暴露出所述第一空腔上的部分所述顶部电极；

步骤s13，在所述封装区上的钝化层中形成一钝化层通孔，所述钝化层通孔暴露出所述第一互连结构的顶部；

步骤s14，在所述钝化层上键合一基板，所述基板覆盖所述第一开口，形成第二空腔；

步骤s15，在所述封装区上的基板中形成一基板通孔，所述基板通孔和所述钝化层通孔导通；

步骤s16，在所述基板通孔和钝化层通孔中填充导电材料形成通孔结构；

步骤s17，在所述基板上形成垫片，所述垫片导通所述通孔结构。

在所述压力传感器的封装方法中，在所述钝化层上键合一基板，所述基板覆盖所述第一开口，形成第二空腔，从而通过所述基板将压力传感器的第二空腔进行密封，通过晶圆级封装的方法，降低封装工艺的复杂度；并且，在所述基板和钝化层中形成通孔结构，可以实现将器件结构的电性引出，实现了将所述芯片(控制电路)与压力传感器在纵向上集成起来，有利于减小封装结构的横向面积。

以下结合图2至图9，具体说明本发明的压力传感器的封装方法，图2至图9为本发明一实施例的压力传感器的封装方法中器件结构的示意图。

首先，进行步骤s11，如图2所示，步骤s11，提供半导体晶圆100，所述半导体晶圆100包括多个芯片1a(为了清楚表示本申请的内容，在图2中仅示出了一个所述第一芯片1a，本领域的普通技术人员可以理解所述第一晶圆100上具有多个第一芯片1a，且相邻的所述第一芯片1a之间可以设置划片道，在此不作赘述)。所述芯片1a包括感应区100a以及封装区100b，在本实施例中，所述封装区100b围绕所述感应区100a，在其它实施例中，所述封装区100b和所述感应区100a的排列方式并不限于图2中的方式。

所述芯片1a内设置有控制电路110以及位于所述控制电路110上的层间介质层120，在本实施例中，所述半导体晶圆100用于提供cmos器件，所述控制电路110为cmos电路，cmos电路包括源极、漏极、栅极等结构，此为本领域的技术人员可以理解的，在此不作赘述。另外，在所述半导体晶圆100内还可以形成有其他器件结构，例如放大器、数/模转换器、模拟处理电路和/或数字处理电路、接口电路等，形成这些器件结构的方法均可以为cmos工艺。

所述层间介质层120的材料一般为氧化物，所述层间介质层120中形成有第一互连结构101，所述封装区100b的层间介质层120暴露出所述第一互连结构101的顶部，所述第一互连结构101与所述控制电路110电连接。在本实施例中，所述层间介质层120还包括第二互连结构102和第三互连结构103，所述第二互连结构102和第三互连结构103分别与所述控制电路110电连接。其中，所述第一互连结构101、第二互连结构102、第三互连结构103可以包括栓塞v1、v2和互连线m1、m2等，其具体的结构需要根据实际情况确定，图2中的所述第一互连结构101、第二互连结构102、第三互连结构103仅起示意作用，并不对本发明做出任何限制。

如图2所示，所述芯片1a上形成有一钝化层200，所述钝化层200用于作为mems压力传感器的介质层。所述钝化层200的材料可以为氧化物或氮氧化物等等，所述钝化层200和所述感应区100a的层间介质层120之间形成第一空腔150，所述第一空腔150的顶壁形成有顶部电极140，所述第一空腔150的底壁形成有底部电极130。其中，所述第二互连结构102与底部电极130电连接，以导通所述控制电路110和底部电极130，所述第三互连结构103与所述顶部电极140电连接，以导通所述控制电路110和顶部电极140。

在图2中，所述顶部电极140还位于所述第一空腔150的侧壁以及所述第一空腔150旁的所述层间介质层120上，所述第三互连结构103的顶部连接所述第一空腔150旁的顶部电极140，所述顶部电极140支撑起所述第一空腔150的结构。在本发明的其它实施例中，所述顶部电极140的结构以及所述第一空腔150的形成方式并不限于图2所示的结构，本领域的普通技术人员可以根据需要进行改变，在此不作赘述。

所述顶部电极140的材料一般为多晶硅。在优选实施例中，所述底部电极130的厚度为0.1μm～4μm。所述底部电极130的材料选自铝、钛、锌、银、金、铜、钨、钴、镍、钽、铂这些金属其中之一或者他们的任意组合；或者，选自多晶硅、非晶硅、多晶锗硅、非晶锗硅这些导电非金属或者他们的任意组合；或者，选自所述金属、导电非金属其中之一以及他们的任意组合与绝缘层的组合；但不限于这些材料，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

所述底部电极130的制备过程可以为：先在层间介质层120上制备一底部电极膜层，然后选择性刻蚀所述底部电极膜层，形成所述底部电极130。当所述底部电极130的材料和第三互连结构103顶部的互连层m2的材料性相同时，所述底部电极130和第三互连结构103顶部的互连层m2可以同时形成。

然后，进行步骤s12，如图3所示，选择性刻蚀所述钝化层200，在所述钝化层200中形成第一开口201’以及第二开口202，以用于做mems压力传感器的感应窗口。所述第二开口202位于所述第一开口201’中，所述第一开口201’至少位于部分所述第一空腔150上，所述第二开口202暴露出所述第一空腔150上的部分所述顶部电极140。其中，可以先形成所述第一开口201’，再形成所述第二开口202；或先形成所述第二开口202，再形成所述第一开口201’；或采用一体化工艺(allinone)，同时形成所述第一开口201’以及第二开口202。

接着，进行步骤s13，如图3所示，在所述封装区100b上的钝化层200中形成一钝化层通孔203，所述钝化层通孔203暴露出所述第一互连结构101的顶部。在较佳的实施例中，所述步骤s12和步骤s13可以同时进行。

之后，进行步骤s14，如图4所示，在所述钝化层200上键合一基板300，所述基板300覆盖所述第一开口201’，所述第一开口201’形成第二空腔201。较佳的，所述基板300为晶圆，所述晶圆的机械性能以及电学性能较佳，在其它实施例中，所述基板300还可以为玻璃基板等等。

在本实施例中，通过熔融键合方式在所述钝化层200上键合一基板300。例如，将所述基板300和所述钝化层200进行加热，则所述基板300和所述钝化层200表面的si-h键和h-o键断裂，然后所述基板300和所述钝化层200的表面的贴合在一起，则所述基板300表面的si-键和所述钝化层200的表面-o键形成si-o键，使得所述基板300和所述钝化层200的表面的范德华力变为共价键，从而将所述基板300和所述钝化层200键合，进一步的，所述熔融工艺的温度为200℃～450℃，例如300℃，此温度较低，不会对所述半导体晶圆100造成损伤。

在其它实施例中，所述基板300和所述钝化层200还可以通过粘结层等方式进行键合，在此不作赘述。在必要的时候，还可以对所述基板300背离所述钝化层200的一面进行减薄。

然后，进行步骤s15，如图5所示，在所述封装区100b上的基板300中形成一基板通孔301，所述基板通孔301和所述钝化层通孔203导通。具体的，可以采用深硅刻蚀等工艺制备所述基板通孔301。

接着，进行步骤s16，如图6所示，在所述基板通孔301和钝化层通孔203中填充导电材料形成通孔结构400，其中，所述导电材料为铜、钨、钼中的一种或几种的合金，所述通孔结构400将所述控制电路110从所述基板300的上方电性引出。

之后，进行步骤s17，如图7所示，在所述基板300上形成垫片500，所述垫片500导通所述通孔结构400，用于键合焊接部。具体的，可以先在所述基板300上形成导电膜，然后选择性刻蚀所述导电膜，从而形成所述垫片500。

较佳的，如图8所示，在所述基板上300形成保护层600，所述保护层600暴露出所述垫片500，并且，所述保护层600至少暴露出部分所述感应区100a上的基板300。具体的，可以先在所述基板300上形成保护层膜，然后选择性刻蚀所述保护层膜，从而形成所述保护层600。

随后，如图9所示，在所述感应区100a上的基板300上形成通气孔302，所述通气孔302导通所述第二空腔201。具体的，可以采用深硅刻蚀等工艺制备所述通气孔302。

进一步的，所述芯片晶圆级封装方法还包括：

将所述垫片500通过一焊接部与一电路板键合在一起。具体的，所述焊接部为微凸块，可以想将所述焊接部通过微凸块工艺制备在所述垫片500上，然后再将所述焊接部与所述电路板进行焊接。；

切割所述半导体晶圆100、钝化层200、基板300以及电路板，形成单粒的压力传感器晶圆级封装结构。

本发明的较佳实施例如上所述，但是，本发明并不限于上述公开的范围，例如，还可以先在所述钝化层200上键合一基板300，然后在同时刻蚀所述基板200和钝化层200，同时形成所述基板通孔301和所述钝化层通孔203，亦在本发明的思想范围之内。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。