集成cmos后腔声学换能器和生产其的方法
【技术领域】
[0001]本发明的各种实施例一般涉及MEMS器件，且特别是涉及用于制造其的方法。
【背景技术】
[0002]声学换能器(诸如麦克风和与CMOS集成的微机械超声换能器(MUT))的形式的MEMS器件通常被封装在比管芯大得多且因此占据电路板上的大覆盖区的外部腔封装中。创建具有集成后腔(IBC)的芯片级封装(CSP)声学传感器是期望的，然而常规CSP方法(诸如硅穿孔(TSV)) —般与声学传感器制作工艺不兼容。因此，常规CSP不能被采用且封装的覆盖区是不合意地大的。
[0003]所期望的是在不包括性能情况下的小覆盖区声学器件。
【发明内容】
[0004]简要地，MEMS器件包括具有可移动元件的MEMS衬底。还包括具有腔的CMOS衬底，MEMS衬底被设置在CMOS衬底的顶部上。此外，后腔连接到CMOS衬底，后腔至少部分地通过在CMOS衬底中的腔形成，且可移动元件在声学上耦合到后腔。
[0005]可通过参考说明书和附图的其余部分来实现本文中公开的特别的实施例的性质和优点的进一步理解。
【附图说明】
[0006]图1示出根据本发明的实施例的MEMS器件。
[0007]图2示出在被封装之前的MEMS器件10。
[0008]图3示出根据本发明的方法的用于制作MEMS器件10的工艺流程300。
[0009]图4 (a)到4 (f)示出根据图3的步骤306到316的制作MEMS器件10的工艺(方法A)，其中操作晶片被采用。
[0010]图5 (a)到5 (e)示出根据图3的步骤318到328的制作MEMS器件10的工艺(方法B)，其中操作晶片未被采用。
[0011]图6 (a) - (c)示出根据本发明的方法的两步腔蚀刻工艺。
[0012]图7示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件700。
[0013]图8是根据本发明的另一方法的在制作MEMS器件中执行的步骤的流程图。
[0014]图9 (a)- (j)示出根据本发明的方法和实施例的在制作具有RF屏蔽和内密封的MEMS器件中的根据图8的流程图的制造工艺。
[0015]图10示出根据本发明的另一实施例的MEMS器件1000。
【具体实施方式】
[0016]在所述实施例中，微机电系统(MEMS)指的是使用半导体类工艺制作并展示机械特性(诸如移动或变形的能力)的结构或器件的类别。MEMS常常但不总是与电信号交互作用。MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、麦克风和射频部件。包含MEMS结构的硅晶片被称为MEMS晶片。
[0017]在所述实施例中，MEMS器件可以指的是被实现为微机电系统的半导体器件。MEMS结构可以指的是可以是较大的MEMS器件的部分的任何特征。所设计的绝缘体上硅(ESOI)晶片可以指的是具有在硅器件层或衬底之下的腔的SOI晶片。操作晶片通常指的是较厚的衬底，其用作在绝缘体上硅晶片中的较薄硅器件衬底的载体。操作衬底和操作晶片可互换。
[0018]在所述实施例中，腔可以指的是在衬底晶片中的开口或凹处，且外壳可以指的是完全围住的空间。支柱可以是用于机械支撑的在MEMS器件的腔中的垂直结构。支座绝缘子可以是提供电接触的垂直结构。
[0019]在所述实施例中，后腔可以指的是经由压力均衡通道(PEC)与周围压力均衡的部分围住的腔。在一些实施例中，后腔也被称为后室。在CM0S-MEMS器件内形成的后腔可被称为集成后腔。也被称为泄漏通道/路径的压力均衡通道是用于后腔与周围压力的低频或静态压力均衡的声学通道。
[0020]在所述实施例中，当受到力时移动的在MEMS器件内的刚性结构可被称为板。后板可以是用作电极的穿孔板。
[0021]在所述实施例中，穿孔指的是用于减小在移动板中的空气阻尼的声学开口。声学端口(或“端口”)可以是用于感测声学压力的开口。隔声层可以是防止或延迟声学压力到达器件的特定部分的结构。联动装置是通过锚向衬底提供顺从附接的结构。在平面中，限止块是板的延伸部分，其与器件密封接触以限制在板的平面中的移动的范围。旋转限止块是用来限制旋转的范围的板的延伸部分。
[0022]现在参考图1，示出根据本发明的实施例的MEMS器件10。MEMS器件10被示为包括接合到MEMS衬底14的CMOS衬底12。在本发明的实施例中，MEMS器件10是麦克风，而在本发明的另一实施例中，MEMS器件10是声学换能器，诸如MUT。在麦克风的情况下，MEMS器件10可以是薄膜型的麦克风、活塞型的麦克风或扭转型的麦克风。此外，根据本发明的方法，CMOS衬底12使用低共熔接合而接合到MEMS衬底14，虽然设想了其它合适的接合方法。
[0023]CMOS衬底被示为在与和CMOS衬底12接合的表面相对的表面处由保护层28覆盖。在MEMS器件10中还包括通过腔(或“端口 ”)16连接到MEMS衬底14的CMOS后腔30。保护层28覆盖后腔30。在本发明的实施例中，保护层28由导电材料(诸如金属)制成，并在本文中被称为“金属覆层”。在其它实施例中，保护层28由可包括导电材料的非导电材料制成。MEMS衬底14包括响应于从衬底22中的声学端口 18接收的声波而移动的可移动元件34。
[0024]后腔30连接到CMOS衬底12并至少部分地通过在CMOS衬底12中的腔形成。可移动元件34在声学上耦合到后腔30。
[0025]钉头凸块20被示为设置在CMOS衬底12和载体衬底22之间。更具体地，它们被设置在将CMOS衬底12相应地电连接到载体衬底22的CMOS衬底12的金属焊盘32上。
[0026]在图1中还示出设置在CMOS衬底12和载体衬底22之间的可选的未充满层24。焊球(或“焊料金属”)26被示为可选地在载体衬底22的顶部上形成。
[0027]在一些实施例中，载体衬底22由层压板或陶瓷制成。在本发明的实施例中，钉头凸块20在未充满层24内部形成。在本发明的一些实施例中，钉头凸块20由金制成。在其它实施例中，钉头凸块由任何导电材料(诸如铅和锡)制成。在本发明的又一些其它实施例中，钉头凸块20是设置在彼此的顶部上的多个钉头凸块。在本发明的一些实施例中，使用球形接合器形成钉头凸块。
[0028]MEMS可移动元件34有效地在CMOS衬底12的顶部上形成。后腔30在CMOS衬底12中被蚀刻以放大后腔体积。CMOS衬底12的其余部分的厚度在图1中由“h”标记，且在本发明的实施例中大约是20-100微米(um)。在本发明的示例性实施例中，在图1中由“w”标记的后腔30的侧壁的宽度大约是20-200 um。在示例性实施例中，后腔30的体积被最大化，同时仍然维持器件的合理的结构整体性。因此，MEMS器件10的性能——特别是在诸如麦克风的实施例中被改进了，同时它的覆盖区保持小。
[0029]保护层28通过环氧树脂(导电或非导电)、金属膏或焊料连接到CMOS衬底12。通过由钉头凸块20将在CMOS衬底12上的接合焊盘32连接到衬底22来实现CSP封装。管芯的边缘用未充满层24密封。在示例性实施例中，未充满层24由环氧树脂或硅树脂制成。衬底22通过热或热超声压缩接合或另一导电接合方法电连接到钉头凸块20。
[0030]在本文中所示和所述的各种实施例和方法的应用包括但不限于麦克风、压力传感器、谐振器、开关和其它可应用的器件。
[0031]如在讨论和接下来的图中变得进一步明显的，两步蚀刻工艺用来创建后腔30。在一个实施例中，端口 16和后腔30通过分开的蚀刻步骤形成。在另一实施例中，端口 16在第一蚀刻步骤中部分地被蚀刻，第二蚀刻步骤形成后腔30并完成端口 16的蚀刻。在示例性实施例中，后腔30是大约100 um到2毫米(mm)。此外，后腔可具有任何形状，包括正方形形状或圆形形状。在图1中还示出可选地被采用的操作晶片36。操作晶片36被示为设置在衬底22之下。
[0032]图2示出在被封装之前的MEMS器件10。如前面提到的，操作晶片36是可选的。操作晶片36在安装到载体衬底时可充当隔板，并且也可用作可移动元件34的越程限止块。在示例性实施例中，操作晶片36由硅制成，且是大约1um到200um厚。
[0033]图3示出根据本发明的方法的用于制作MEMS器件10的工艺流程300。在图3中，在步骤302，MEMS衬底14被接合到具有在CMOS衬底12中蚀刻的附加端口 16的CMOS衬底12。接着在304，根据MEMS器件10是否包括操作晶片36，步骤306或318被执行。在操作晶片36被使用的情况下，工艺继续到步骤306，且在没有操作晶片被使用的情况下，工艺继续到步骤318。
[0034]在步骤3