一种圆片级芯片尺寸封装的微电子机械系统及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及圆片级芯片尺寸封装(WLCSP)的集成电路元件。尤其涉及一种与集成电路相集成的WLCSP的微电子机械系统(MEMS)。
【背景技术】
[0002]圆片级芯片尺寸封装(Wafer-level chip scale packaging简称WLCSP)广泛应用于集成电路、互补式金属氧化物半导体(complementary metal - oxide - semiconductor,简称CMOS)图像传感器，以及微电子机械系统(MEMS)。由于WLCSP不需要引线框和引线键合，从而降低封装成本，所以得到广泛应用。实施WLCSP的一个技术要求是能够在圆片基片相对的两个表面上的电触点之间建立电连接。至今，有两种技术可以实现WLCSP:基于体的采用娃通孔(through silicon vias，简称TSV)的技术，以及基于表面的技术(Shellcase，美国专利授权号6972480)。
[0003]基于体的WLCSP:TSV可以使得导线穿过圆片。通常的TSV工艺包括先在圆片上刻蚀出沟槽，然后沉积绝缘层以覆盖沟槽的底部和侧壁，之后在沟槽里沉积导电材料譬如原位掺杂多晶硅或铜。然而，TSV需要高成本的深硅刻蚀。刻蚀成本与刻蚀深度成正比。随着沟槽深度增加，空隙开始形成且导电材料很难填满这些空隙，从而引发器件可靠性问题。沟槽越深，空隙越容易形成。通常TSV可以达到250 μ m的深度。然而一些MEMS需要更深的TSV，所以需要一种可以在更厚的圆片两个相对表面之间建立电连接的WLCSP技术。
[0004]基于表面的WLCSP:以色列Shellcase公司开发出一种WLCSP技术使得导线通过倾斜的基片侧壁连接封装层(通常是硅基片)的两个表面。如附图1A-1B所示，Shellcase的封装技术里，集成电路基板22包含有工作面24，上方覆盖有芯片尺寸封装层42，在其上方有绝缘层18。导线12直接沉积在绝缘层18上，连接封装层42的水平表面26上的焊盘28，通过封装层42的倾斜侧壁25，然后连接至工作面24的焊盘16。因为导线12直接形成在封装层表面，所以这种技术称为基于表面的WLCSP。Shellcase的这种封装技术可以在比较厚的基片侧壁上形成导线连接，但是也存在可靠性问题，例如导线层12，绝缘层18和封装层42的分层。
[0005]图2A-2J展示了具体的Shellcase工艺。圆片40上有用划片槽分割好的晶片22 (见附图2A)，每个晶片的工作面24上有多个焊盘16，之后通过粘合层32与封装层42结合。在划片槽的位置通过光刻封装层42和粘合层32，暴露出焊盘16。然后沉积绝缘层18，形成开口 56暴露出焊盘16。之上导电层58覆盖绝缘层18并延伸至开口 56与焊盘连接，通过光刻形成需要的图案(见附图2G)。随后覆盖一层保护层30并在预定位置形成开口60，在开口 60处制备焊料凸点28与导线焊盘12相连。最终，封装好的芯片沿64被分开。由于导线12需要通过整个沟槽的倾斜侧壁，圆片40上的工作面积24要远大于封装层上表面42的面积，从而显著增加了单个晶元的成本。为了减小工作面的面积，导线12的长度需要减小。所以需要一种小尺寸的WLCSP技术。
【发明内容】
[0006]以下的综述只是本发明的典型代表，本发明并不局限于此。通过以下实施例，上述的问题得到解决。很明显，在不离开本发明的范围和精神的基础上，可以对现有技术和工艺修改。在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本发明的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。本发明的保护范围并不以所述实施方式为限，但凡根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
[0007]本发明提供一种封装的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个包含有集成电路的工作面；3)所述第一水平面上至少有两个焊盘，其中一个是闭合环状焊盘；4)至少有一个硅盖板圆片有第二水平面，并在所述第二水平面上至少有两个焊盘，其中一个闭合环状焊盘；所述硅盖板圆片有第三倾斜平面与第二水平面成夹角；所述硅盖板圆片有第四水平面；5)至少在所述第一水平面的闭合环状焊盘和所述第二水平面的闭合环状焊盘之间形成一个闭合气密键合，例如通过共晶键合或是金属扩散键合；6)在所述硅基片和所述硅盖板之间形成至少一个空腔，空腔中填充加压气体；7)所述第一平面的至少一个焊盘和所述第二平面的至少一个焊盘键合形成导电连接，键合方式例如共晶键合或是金属扩散键合；8)在所述硅盖板上形成至少一个导电连线，其中一部分在第四水平面，第二部分在第三倾斜平面，以及第三部分连接另一个导电触点；9)在所述硅盖板与所述导电连线之间有绝缘层。
[0008]至少基片上的两个焊盘以及至少一个芯片尺寸封装层可以采用铝、铜、金、硅、钛、锡、铟或者锗。空腔中气体的压力可以为I至lObar，也可以为I至5bar或者I至3bar。填充气体可以是六氟化硫(SF6)、二氧化碳(CO2)、氙气(Xe)、2，3，3，3-四氟丙烯(HF0-1234yf)或丙烷(C3H8)。绝缘层可以是环氧树脂、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、阻焊膜、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚对二甲苯、聚萘、碳氟化合物或丙烯酸酯。
[0009]在一个实施例中，第三倾斜平面形成于至少一个硅盖板外部。在另一个实施例中，第三倾斜平面形成于至少一个硅盖板内部。进一步的，基片凹陷处形成空腔。
[0010]本发明又提供一种封装MEMS器件的方法包括:1)提供一个硅基片形成第一水平面；2)所述第一水平面有一个包含有集成电路的工作面；3)所述第一水平面上至少有两个焊盘，其中至少一个是闭合环状焊盘；4)至少一个硅盖板具有第二水平面并至少有两个焊盘，其中至少一个是闭合环状焊盘，此硅盖板同时有第三倾斜平面并与第二水平面形成夹角，并且有第四水平面；5)在所述第一水平面的至少一个闭合环状焊盘和第二水平面的至少一个闭合环状焊盘之间形成至少一个气密键合；6)在所述基片和至少一个硅盖板之间形成至少一个空腔，并在空腔中填充加压气体；7)在所述第一水平面的至少一个焊盘和所述第二水平面的至少一个焊盘之间形成至少一个导电连接；8)所述硅盖板上有至少一个导电连线，其中一部分在第四水平面上，第二部分在第三倾斜平面上，第三部分在至少另一个电触点上形成导电连接；9)所述硅盖板和所述导电连线之间有绝缘层。
[0011]本发明又提供一种封装MEMS的方法包括:1)提供一个基片形成第一水平面；2)所述第一水平面上有一个含有集成电路的工作面；3)所述第一水平面上至少有两个焊盘，其中至少一个是闭合环状焊盘；4)至少一个芯片尺寸封装层有第二水平面并至少有两个焊盘，其中至少一个是闭合环状焊盘；此封装层还有第三倾斜平面并与第二水平面形成夹角，并且有第四水平面；5)在所述第一水平面的至少一个闭合环状焊盘和所述第二水平面的至少一个闭合环状焊盘之间形成至少一个气密键合；6)在所述基片和至少一个封装层之间形成至少一个空腔；7)在所述第一水平面的至少一个焊盘和所述第二水平面的至少一个焊盘之间形成至少一个导电连接；8)所述封装层有至少一个TSV，填充有导电材料；9)所述封装层有至少一个导电连线，其中一部分位于第四水平面，一部分位于第三倾斜平面，一部分由TSV组成，还有一部分位于至少另一个电触点之上形成导电连接；10)所述芯片尺寸封装层与所述导电连线之间有绝缘层。
[0012]基片和至少一个芯片尺寸封装层可以采用硅。绝缘层可以是环氧树脂、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、阻焊膜、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚对二甲苯、聚萘、碳氟化合物或丙烯酸酯。基片上以及至少一个芯片尺寸封装层的至少两个焊盘可以是铝、铜、金、硅、钛、锡、铟或者锗。填充TSV的导电材料可以是原位掺杂多晶硅或者铜。空腔内可以填充气态物质，空腔压力可以为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。填充的气态物质可以为六氟化硫、二氧化碳、氙气、2，3，3，3-四氟丙烯或丙烷。气密键合工艺可以使用常见的圆片键合机，例如Suss MicroTec SB81或SB8L，或者EV GROUPEVG 520圆片键合机，同时控制键合温度、压力、力度和时间。键合可以是且不局限于金属扩散键合例如铜-铜、金-金或硅-钛，也可以是且不局限于共晶键合例如金-锡、铜-锡、金-娃、金-铟、金-锗或招-锗。
[0013]在一实施例中，第三倾斜平面位于至少一个芯片尺寸封装层的外部。在另一实施例中，第三倾斜平面位于至少一个芯片尺寸封装层的内部。另一实施例中，封装好的MEMS器件包含有一个基片凹陷形成的空腔。
[0014]本发明提供另一种封装MEMS器件的方法包含:1) 一个基片包含第一水平面；2)所述第一水平面上有一个含有集成电路的工作面；3)所述第一水平面上至少有两个焊盘，其中至少有一个是闭合环状焊盘；4)至少一个芯片尺寸封装层有第二水平面并至少有两个焊盘，其中至少有一个是闭合环状焊盘；此封装层有第三倾斜面并与第二水平面形成夹角；所述封装层有第四水平面；5)在所述第一水平面的至少一个闭合环状焊盘和所述第二水平面的至少一个闭合环状焊盘之间形成至少一个气密键合；6)在所述基片和所述封装层之间形成至少一个空腔；7)在所述第一水平面的至少一个焊盘和所述第二水平面的至少一个焊盘之间形成至少一个导电连接；8)所述封装层有至少一个TSV，填充有导电材料；9)所述封装层有至少一个导电连线，其中一部分位于第四水平面，一部分位于第三倾斜平面，一部分由TSV组成，还有一部分位于至少另一