CN103508412A

CN103508412A - 压力传感器芯片的封装方法及压力传感器

Info

Publication number: CN103508412A
Application number: CN201310412678.6A
Authority: CN
Inventors: 毛剑宏; 金洪
Original assignee: Lexvu Opto Microelectronics Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Core Microelectronics Co ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: CN103508412B

Abstract

本发明公开了一种压力传感器芯片的封装方法及压力传感器，包括步骤：提供一压力传感器芯片，在MEMS器件层上形成保护层，所述保护层暴露所述焊垫；在所述保护层上方形成牺牲层，所述牺牲层暴露所述焊垫的位置；在所述焊垫上方形成第一金属层；在第一金属层和所述牺牲层上形成第二金属层；刻蚀所述第二金属层，形成位于第一金属层上的焊球。本发明中在刻蚀牺牲层以及金属互连层的步骤中，由于有保护层保护了感应部件的凹槽对应的较薄处，这样使得感应部件不受损伤，大大的提高了器件的可靠性，使得压力传感器芯片可以利用BGA封装，从而降低了封装尺寸，使得器件的体积缩小，成本较低，产品得到优化。

Description

压力传感器芯片的封装方法及压力传感器

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种压力传感器芯片的封装方法及装置。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是一种可集成化生产，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路于一体的微型器件或系统。它是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术发展而发展起来的。采用MEMS技术的微电子器件在航空、航天、环境监控、生物医学以及几乎人们所接触到的所有领域中有着十分广阔的应用前景。相对于传统的机械结构，MEMS器件的尺寸更小，最大不超过一个厘米，甚至仅仅为数个微米，其中的器件层厚度就更加微小，随着半导体技术的引入，利用半导体材料以及和CMOS兼容的工艺制作的MEMS芯片尺寸进一步缩小。其中微机械结构作为传感、传动以及运动机构的最重要的组成部分，因此微机械结构的完整可靠，决定了MEMS的功能的优良。

CMOS芯片或者MEMS芯片完成之后，都要进行封装。也就是把芯片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便与其它器件连接。封装形式是指安装芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。

目前，CMOS芯片常用的封装形式有球形触点阵列(BGA-ball grid array)和金线键合(WB-Wire Bond)。BGA是在基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以代替引脚，在基板的正面装配芯片。引脚可超过200，是多引脚用的一种封装。BGA封装的优点有：输入输出引脚数大大增加，而且引脚间距大，加上它有与电路图形的自动对准功能，从而提高了组装成品率，电热性能从而得到了改善，电路的稳定可靠工作。

WB指用高纯金线把芯片的接口和基板的接口键合。WB封装技术的缺点是封装尺寸比裸芯片尺寸大很多，封装面积大概比裸芯片大10％-100％不等，裸芯片本身面积越小，WB封装造成封装后尺寸增加的比例越大。BGA技术可以实现CSP封装(chip scale package)，即裸芯片面积和封装后面积比例接近1：1。BGA技术是将芯片正面连接焊垫的位置植金属球，再将芯片倒焊在基板上，所以芯片和基板之间的金属连接不增加额外的面积，因此封装后的尺寸和裸芯片尺寸基本相等。

传统的压力传感器由两颗芯片，一颗CMOS芯片和一颗MEMS芯片在同一基板的一个面上进行系统级封装(SIP-System In a Package)而成，两颗芯片之间的信号连接，需要用金线连接，即WB打线连接。因为有两颗芯片，因此也无法使用BGA技术，芯片无法用正面植金属球即和基板焊接，又和另外一颗芯片焊接。另外WB的金线/铜线/铝线需要一定的弧高，所以封装不能做的很薄，封装厚度也最薄也在1mm左右。因此WB封装导致传感器的封装体积比较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提供一种压力传感器芯片的封装方法及压力传感器，减小了压力传感器的封装尺寸。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压力传感器芯片的封装方法，包括步骤：提供一压力传感器芯片，其包括CMOS电路层和位于CMOS电路层上方的MEMS器件层，在MEMS器件层表面具有焊垫；在所述MEMS器件层上形成保护层，所述保护层暴露所述焊垫；在所述保护层上方形成牺牲层，所述牺牲层暴露所述焊垫的位置；在所述焊垫上方形成第一金属层；在第一金属层和所述牺牲层上形成第二金属层；刻蚀所述第二金属层，形成位于第一金属层上的焊球。

另外本发明还提供了一种压力传感器，包括：CMOS电路层；位于所述CMOS电路层上的MEMS器件层；位于所述MEMS器件层上的焊垫；在所述焊垫上具有第一金属层；在所述第一金属层上具有焊球。

本发明的压力传感器芯片的封装方法及压力传感器和现有的压力传感器相比：由于有保护层保护了感应部件的凹槽对应的较薄处，这样使得感应部件不受损伤，大大的提高了器件的可靠性，使得压力传感器芯片可以利用BGA封装，从而降低了封装尺寸，使得器件的体积缩小，成本较低，产品得到优化。

附图说明

图1为本发明一实施例的压力传感器封装方法的流程示意图；

图2～图5为本发明一实施例的压力传感器封装方法示意图。

具体实施方式

本发明中利用了本申请人的另一专利技术的压力传感器，传感器在一个芯片中包括了CMOS电路层和位于CMOS上方的MEMS器件层，CMOS电路层和MEMS器件层之间利用与CMOS工艺兼容的互连层进行互连。针对这种传感器芯片，如果利用W B封装同样存在封装体积较大的问题，利用传统的BGA封装存在对顶层裸露的MEMS器件造成损伤的问题。

针对上述问题，发明人进行研究后，得到了本发明的压力传感器的封装方法，图1为本发明一实施例的压力传感器封装方法的流程示意图，如图1所示，其包括以下步骤：

S10：提供一压力传感器芯片，其包括CMOS电路层和位于CMOS电路层上方的MEMS器件层，在MEMS器件层表面具有焊垫；

S20：在所述MEMS器件层上形成保护层，所述保护层暴露所述焊垫；

S30：在所述保护层上方形成牺牲层，所述牺牲层暴露所述焊垫的位置；

S40：在所述焊垫上方形成第一金属层；

S50：在第一金属层和所述牺牲层上形成第二金属层；

S60：刻蚀所述第二金属层，形成位于第一金属层上的焊球。

图2～图4为本发明一实施例的压力传感器封装方法示意图，下面结合图1至图4对本发明一实施例的压力传感器封装方法进行详细说明。

首先参考图2，提供一压力传感器芯片100，其包括CMOS电路层110和位于CMOS电路层110上方的MEMS器件层120，在MEMS器件层120表面具有焊垫130。

本实施例中，具体的，MEMS器件层120是实现压力感应的作用，因此包括感应部件121，感应部件121悬置在空腔122上，边缘处按压在空腔122侧壁的衬底上，感应部件121悬置在空腔122上的部分具有第一电极123，在空腔122底部的衬底中具有第二电极124，第一电极123和第二电极124对应，构成电容，当感应部件121受到外部压力的作用沿垂直于衬底表面方向运动时，第一电极123和第二电极124相对运动，之间的距离发生变化，从而第一电极123和第二电极124之间的电容发生变化，进一步就可以测量得到外部压力的值。

为了保证压力测试的精确度，感应部件121通常很薄，这样在外力作用下就有很好的延展性，并且对压力的感应更灵敏。为了增加灵敏性感应部件121按压在空腔侧壁的衬底上的部分，也就是感应部件121靠近空腔侧壁的一圈要刻蚀的很薄，从图2上可以看到在感应部件121靠近空腔侧壁的一圈具有凹槽128，这样感应部件121对于压力的感应敏感。在本实施例中，该凹槽128使得感应部件121与衬底连接的位置变得很薄。

传统的压力传感器由CMOS芯片和MEMS器件芯片两个芯片构成，一种方法是排列在基板的同一个表面上，利用WB的封装方式进行封装连接。另一种方法是CMOS芯片和MEMS芯片叠层粘结在一起，利用WB的封装方式进行连接到基板上。但是WB的封装方式使得封装体积很大，而由于压力传感器的感应部件是暴露在空腔外，并且位于空腔上部，与衬底衔接的部分又具有凹槽128，因此如果用BGA的封装方式，会对凹槽的位置造成损伤，从而使得压力传感器的感应部件失效。

接着参考图3，在本实施例中，在MEMS器件层120和焊垫130上形成钝化层135。具体的，形成钝化层135的方法可以为：化学气相淀积。该钝化层135可以对器件的表面进行保护，减少在工艺过程受到的损伤。但是因为钝化层最终不去除，因此很薄，不能填充凹槽128。

继续参考图3，在本发明中为了可以应用BGA封装技术，对原有的BGA封装方法进行了改进，增加了步骤S20，在所述MEMS器件层120上形成保护层140，所述保护层140暴露所述焊垫。保护层140填充沟槽128。对该沟槽128对应的感应部件121较薄的区域进行保护。

在本实施例中，形成保护层140的方法为：旋涂方式，即先将聚酰胺或者光阻材料滴在晶圆表面圆心位置，然后通过高速旋转晶圆方式，将聚酰胺或者光阻均匀的涂在晶圆表面。旋涂材料黏度为0.1毫帕斯卡.秒到500毫帕斯卡.秒，旋涂材料从特定喷嘴喷至晶圆表面，喷嘴的内径可以在1um到2000um，喷嘴的压力可以在1.1Bar～5Bar，旋涂速率为300转/秒到2000转/秒，聚酰胺或者光阻涂胶后，经过一个低温烘烤将胶固化，温度大概在100-160℃，之后再进入光刻机，将聚酰胺或者光阻按设计版图进行曝光，再将曝光后的晶圆放入显影液中浸泡，去除不需要的聚酰胺或者光阻，对于我们的这道工艺，就是去除焊垫表面的聚酰胺或者光阻。最后再进行一次高温烘烤，将图形化的聚酰胺或者光阻稳定，温度大概在250-400℃。由于保护层140是对MEMS器件起到保护作用，其覆盖MEMS器件，因此该保护层140的制作工艺跟MEMS器件的灵敏度直接相关，如果制作工艺选择不当不但起不到保护MEMS器件的作用，反而损伤MEMS器件，并且可能形成的保护层140不易去除，再去除中存在残留，或者去除的成造成MEMS器件损伤，这些都会影响效果，因此在本实施例中发明人经过缜密的实验研究，获得了上述的工艺方法，使得形成的保护层140容易去除，并且不会MEMS器件造成损伤，有效的保护了在BGA制作过程的MEMS器件，使得该MEMS器件形成的传感器精确度大大提高，并且降低了成本。

在本实施例中，在保护层140上形成金属互连层150。具体的形成方法为化学气相淀积或者物理气相淀积的方法，形成金属镍层、金属钛层或者镍钛混合层。

在另一实施例中，也可以不形成金属互连层，这样要求焊垫的位置和BGA焊球的位置相一一对应，例如化学的方式的BGA封装方法就不形成金属互连层。

继续参考图3，在所述保护层140上方形成牺牲层160，所述牺牲层160暴露所述焊垫130的位置。在本实施例中，由于在保护层140上形成有金属互连层150，因此牺牲层160覆盖在金属互连层150上。所述牺牲层160覆盖在金属互连层150上对应所述保护层140的位置。该牺牲层160用于后续去除后形成焊球。

牺牲层材料可以为碳、锗或者聚酰胺(polyamide)。具体的可以为非晶碳(Amorphous Carbon)，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺形成，在温度为350℃～450℃，气压：1torr～20torr，RF功率：800W～1500W，反应气体包括：C3H6和HE，反应气体流量为1000sccm～3000sccm，其中C3H6：HE2：1～5：1。

在本实施例中，所述牺牲层160暴露所述焊垫130外围的金属互连层150，这样便于牺牲层160的开口更充分的暴露焊垫130。

在另一实施例中，可以在保护层140上不形成金属互连层150，因此所述牺牲层160就直接形成在保护层140上。

继续参考图3，在所述焊垫130上方形成第一金属层170。

在本实施例中，由于在焊垫130上形成有金属互连层150，因此第一金属层170形成在金属互连层150上，对应于焊垫130上方的位置。具体的，形成方法为：化学汽相淀积或者物理汽相淀积的方法，利用掩膜遮挡图形，形成金属铅层、金属锌层或者铅锌混合层。

所述第一金属层170覆盖所述牺牲层160暴露的金属互连层150，形成和金属互连层150之间的金属互连。所述第一金属层170用于形成焊垫130/金属互连层150和之后，形成的焊球之间的共熔，使得焊球和芯片结合的更牢固。

在另一实施例中，可以利用化学的方法形成第一金属层，具体可参考传统制作BGA的化学方法，不再赘述。

继续参考图3，在第一金属层170和所述牺牲层160上形成第二金属层180。

在本实施例中，第二金属层180为最终形成焊球阵列的金属层，具体的形成方法为：化学气相淀积或者物理气相淀积的方法，利用掩膜图形，形成金属锡层、金属铅层或者锡铅混合层。也可以在形成第二金属层后进行刻蚀，得到覆盖在焊垫上方及外围的第二金属层180。

在另一实施例中可以利用化学的方法形成第二金属层，具体可参考传统制作BGA的化学方法，不再赘述。

参考图4：刻蚀所述第二金属层180，保留覆盖第一金属层170及其外围的第二金属层180。

在本实施例中，具体的还可以分为三步刻蚀：

第一步刻蚀牺牲层160，方法可以用氧气等离子体灰化去除(Asher)，采用加热温度为100℃～350℃。

第二步刻蚀金属互连层150，方法为：等离子体刻蚀的方法。

刻蚀金属互连层150的步骤中，可以先做掩膜层，保护焊垫130上方的金属互连层150，因为在本实施例中BGA焊球在焊垫上方和焊垫是一一对应的，不需要额外的形成金属互连连接焊垫和焊球，因此刻蚀金属互连层150可以将焊垫上方以外的金属互连层都去除。当然在其他实施例中也可以不形成金属互连层，在本实施例中形成金属互连层好处是和现有的BGA工艺兼容。

第三步刻蚀保护层140，方法为：用有机化学药剂浸泡去除，比如ATMI厂商提供的药剂ST-44等，也可以用氧气等离子体灰化去除(Asher)，采用加热温度为100℃～350℃。

最后参考图5，对第三金属层180进行刻蚀，例如加温使得第三金属层的金属呈熔融态倒流，从而形成覆盖剩余的第一金属层和金属互连层的球型焊球。

在其他实施例中，也可以不对牺牲层，第一金属层，保护层，第二金属层进行逐次刻蚀，而是直接在同一步骤中进行刻蚀，保留第二金属层下方的牺牲层保护层不去除。

除此之外本发明还提供了上述封装方法得到的压力传感器，参考图5，包括：CMOS电路层110；位于所述CMOS电路层110上的MEMS器件层120；位于所述MEMS器件层120上的焊垫130；在所述焊垫130上具有第一金属层170；在所述第一金属层170上具有焊球180。可选的，在所述焊垫130和所述第一金属层170之间有金属互连层150。

本发明中在刻蚀牺牲层以及金属互连层的步骤中，由于有保护层140保护了感应部件121的凹槽128对应的较薄处，使得裸露的MEMS器件顶部不受损伤，即感应部件121不受损伤，大大的提高了器件的可靠性，使得压力传感器芯片可以利用BGA封装，从而降低了封装尺寸，使得器件的体积缩小，成本较低，产品得到优化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种压力传感器芯片的封装方法，其特征于，包括步骤：

提供一压力传感器芯片，其包括CMOS电路层和位于CMOS电路层上方的MEMS器件层，在MEMS器件层表面具有焊垫；

在所述MEMS器件层上形成保护层，所述保护层暴露所述焊垫；

在所述保护层上方形成牺牲层，所述牺牲层暴露所述焊垫的位置；

在所述焊垫上方形成第一金属层；

在第一金属层和所述牺牲层上形成第二金属层；

刻蚀所述第二金属层，形成位于第一金属层上的焊球。

2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述保护层的材料为聚酰胺或者光阻材料。

3.如权利要求2所述的封装方法，其特征在于，所述保护层形成方法为：

先将聚酰胺或者光阻材料进行旋涂；

在100-160℃下第一次烘烤；

将焊垫位置上方的旋涂材料去除；

然后在250-400℃下第二次烘烤。

4.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，在所述保护层上形成牺牲层步骤之前还包括：在所述保护层和焊垫上形成金属互连层；

所述牺牲层位于金属互连层上对应所述保护层的位置；

所述第一金属层位于所述互连金属层上对应所述焊垫的位置。

5.如权利要求4所述的封装方法，其特征在于，所述牺牲层暴露所述焊垫外围的金属互连层，所述第一金属层覆盖所述牺牲层暴露的金属互连层。

6.如权利要求4所述的封装方法，其特征在于，在形成第二金属层步骤和刻蚀所述第二金属层步骤之间还包括：

第一步刻蚀去除牺牲层；

第二步刻蚀去除被去除之前的牺牲层掩盖的金属互连层；

第三步刻蚀去除保护层。

7.如权利要求6所述的封装方法，特征在于，去除所述保护层的方法为：有机化学药剂浸泡去除或者用氧气等离子体灰化去除。

8.一种权利要求1的封装方法得到的压力传感器，其特征于，包括：

CMOS电路层；

位于所述CMOS电路层上的MEMS器件层；

位于所述MEMS器件层上的焊垫；

在所述焊垫上具有第一金属层；

在所述第一金属层上具有焊球。