MEMS封装结构及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种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以及互连结构，器件晶圆的第一接合面设置有第一接触垫和输入输出连接件，MEMS芯片通过接合层在第一接合面上并列排布，MEMS芯片具有微腔和第二接触垫，所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔，其中第一接触垫与相应的第二接触垫电连接，接合层中具有露出输入输出连接件的开口。上述MEMS封装结构相对于现有集成方法可以缩小封装结构的尺寸，并且同一器件晶圆上可集成多种MEMS芯片，因而可同时提高封装结构的功能集成能力。

【技术实现步骤摘要】
MEMS封装结构及其制作方法
本专利技术涉及半导体领域，特别涉及一种MEMS封装结构及其制作方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了缩小MEMS封装结构的尺寸，本专利技术提供了一种MEMS封装结构及其制作方法。本专利技术的另一目的是提高MEMS封装结构的功能集成能力。根据本专利技术的一个方面，提供了一种MEMS封装结构，包括：器件晶圆，具有第一接合面，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互连结构；第一接触垫，设置于所述第一接合面，所述第一接触垫与所述互连结构电连接；MEMS芯片，接合于所述第一接合面，每个所述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接合面相对的第二接合面，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，位于所述第一接合面和所述第二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；以及输入输出连接件，设置于所述第一接合面，所述开口露出所述输入输出连接件。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，所述多个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，所述互连结构包括导电插塞，所述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导电插塞电连接。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MEMS芯片并填充所述开口，所述封装层露出所述输入输出连接件以及所述通孔。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。可选的，所述通孔朝向远离所述第二接合面的方向。可选的，所述输入输出连接件与所述第一接触垫对应并电连接。根据本专利技术的另一方面，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，所述器件晶圆具有第一接合面，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互连结构；在所述第一接合面形成第一接触垫和输入输出连接件，所述第一接触垫与所述互连结构电连接，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封闭的第二接合面，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接合面和所述第二接合面之间，所述接合层中具有开口，所述开口露出所述第一接触垫、与所述第一接触垫相应的所述第二接触垫以及所述输入输出连接件；以及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。可选的，所述互连结构包括导电插塞，所述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，所述第一接触垫与相应的所述导电插塞电连接。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，利用所述接合层接合所述MEMS芯片与所述器件晶圆之后、在所述开口中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，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；以及去除部分封装层以及所述牺牲层，以露出所述通孔和所述输入输出连接件。本专利技术提供的MEMS封装结构，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互连结构，器件晶圆的第一接合面设置有第一接触垫和输入输出连接件，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接合面相对的第二接合面，所述MEMS芯片的微腔具有与芯片外部连通的通孔，接合层位于所述第一接合面和所述第二接合面之间以接合所述器件晶圆和所述MEMS芯片，所述第一接触垫与相应的所述第二接触垫电连接，所述接合层中具有开口，所述开口露出输入输出连接件。上述MEMS封装结构实现了MEMS芯片与器件晶圆的电性互连，相对于现有集成方法可以缩小封装结构的尺寸。其中输入输出连接件可用于与外部信号连接。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所述MEMS芯片，从而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。本专利技术提供的MEMS封装结构的制作方法，在器件晶圆的第一接合面形成第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS封装结构，其特征在于，包括：/n器件晶圆，具有第一接合面，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互连结构；/n第一接触垫，设置于所述第一接合面，所述第一接触垫与所述互连结构电连接；/nMEMS芯片，接合于所述第一接合面，每个所述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接合面相对的第二接合面，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；/n接合层，位于所述第一接合面和所述第二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/n输入输出连接件，设置于所述第一接合面，所述开口露出所述输入输出连接件。/n

【技术特征摘要】
1.一种MEMS封装结构，其特征在于，包括：
器件晶圆，具有第一接合面，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互连结构；
第一接触垫，设置于所述第一接合面，所述第一接触垫与所述互连结构电连接；
MEMS芯片，接合于所述第一接合面，每个所述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接合面相对的第二接合面，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，位于所述第一接合面和所述第二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
输入输出连接件，设置于所述第一接合面，所述开口露出所述输入输出连接件。


2.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。


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。


4.如权利要求3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。


5.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，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。


6.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。


7.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述互连结构包括导电插塞，所述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导电插塞电连接。


8.如权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，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。


9.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，位于所述第一接合面上，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输入输出连...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦晓珊，
申请(专利权)人：中芯集成电路宁波有限公司上海分公司，
类型：发明
国别省市：上海;31