具有高集成密度的MEMS器件的制作方法

本發明涉及mems器件，特別是電聲濾波器，其mems結構受保護地設于空腔中，其中每個基面上的mems結構的數目有所增加。

mems器件包括mems結構，一般需要對mems結構進行封裝，以免其受到有害的環境因素影響。這樣的mems結構例如是saw結構、baw結構或mems開關。

mems器件存在縮減尺寸和高度以及降低成本的趨勢。在尺寸變小的同時，不應損害信號質量。

因此，所采用的殼體技術將會在縮減相應器件的基面、高度和制造成本方面做出決定性貢獻。

存在所謂的晶片級封裝(wlp)。其中，在晶片上(即在分離未來的器件之前)產生殼體元件。wlp的一個例子是芯片尺寸封裝(csp)，其中成品器件的基面與器件中所包含的芯片的基面之間的差別大體上不超過20％。在所謂的模具尺寸封裝(dsp)中，芯片的基面與整個器件的基面大體上相一致。

本發明的目的是提供功能元件的集成密度高于已知器件并且導電性能良好且造價低廉的mems器件。

這樣一種器件及其制造方法由獨立權利要求給出。本發明的有利實施方案參閱從屬權利要求。

一種mems器件，包括基底晶片和設于基底晶片之上的頂蓋晶片。該器件還包括設于基底晶片與頂蓋晶片之間的第一空腔以及設于第一空腔中的第一器件結構。該器件還包括設于頂蓋晶片之上的第二空腔以及設于第二空腔中的第二器件結構。所述mems器件進一步具有側向包圍第一空腔的框架以及覆蓋第二空腔的薄層覆蓋部。

借此提供一種在頂蓋晶片上下方均具有器件結構的mems器件。其中，器件結構至少部分地是功能性的mems結構，使得結構的集成密度有所提高。器件結構分別設于至少一個空腔中，從而不會受到有害的環境因素影響。

以下是可行的：第一器件結構直接設于基底晶片上，第二器件結構直接設于頂蓋晶片上。但也可以是：在器件結構與相應的晶片之間設有其他的層或其他結構。

尤其在saw結構(saw＝surfaceacousticwave＝表面聲波)或gbaw結構(gbaw＝guidedbulkacousticwave＝引導體聲波)的情況下，基底晶片或頂蓋晶片可包括壓電材料。在此情況下，器件結構可包括直接設于相應晶片的壓電材料上的梳狀電極結構。

如果器件結構包括baw結構(baw＝bulkacousticwave＝體聲波)，則可以在相應的、不需要具有壓電特性的晶片與結構之間設置其他的層，例如聲反射層或壓電層。

基底晶片、頂蓋晶片和框架包圍下方的第一空腔，其中第一空腔中的第一器件結構可與mems器件的周圍環境氣密隔離。但也可以是：第一器件結構是傳感器結構并且應當檢測周圍環境的特性。在此情況下，第一空腔可至少通過小孔與器件的周圍環境連通。

特定而言，在借助金屬框架實現結合的情況下，氣密空腔是可行的；但是，如果需要側向引出金屬信號線，金屬結合框就會產生問題。此時需要在框架與導線之間采取附加的電絕緣措施，例如設置介電層。如果采用這樣的絕緣層，就能借助附加的電路組件來補償寄生電容。純介電的、例如包含氮化硅的結合框可以是氣密的。在不需要絕對氣密性的情況下，可將聚合物優選作為結合材料。

覆蓋上方的第二空腔的薄層覆蓋部防止第二器件結構受到有害影響。第二空腔也可以與器件的周圍環境氣密隔離，或者例如通過一或數個開孔與周圍環境連通。

其中，所述薄層覆蓋部與傳統覆蓋部如蓋子、罩子、伸展層壓膜等等之間的區別主要在于，其材料的厚度小于傳統覆蓋部的材料，并且已借助層沉積工藝作為空腔覆蓋部被施覆。通過采用如濺射(pvd＝physicalvapordeposition，物理氣相沉積)、pecvd(等離子體增強化學氣相沉積)、pld(脈沖激光沉積)、mbe(分子束外延)、ald(原子層沉積)等層沉積工藝，可用材料的數目幾乎是不受限的。相應地，薄層覆蓋部的厚度與形狀以及如氣密性、機械穩定性等其他特性，可加以個別調節。

以下是可行的：薄層覆蓋部的薄層已經是第二空腔的完整覆蓋部。但也可以是：薄層覆蓋部是多層覆蓋部的一部分。在此情況下，除薄層覆蓋部外，第二空腔的覆蓋部還包括至少一個其他材料的層。

以下是可行的：mems器件還包括密封層作為第二空腔的覆蓋部的一部分。薄層覆蓋部具有至少一個孔眼，密封層設于薄層覆蓋部上方并密封該孔眼。

薄層覆蓋部中的孔眼可能有利于簡化相應mems器件的制造方法。這就可以將薄層覆蓋部的材料施覆于犧牲層上，制成薄層覆蓋部后，通過薄層覆蓋部中的孔眼再度移除該犧牲層。為實現第二空腔的氣密封裝，密封層將薄層覆蓋部中的該孔眼或所有孔眼都密封。

以下是可行的：mems器件具有增強層作為覆蓋部的一部分。增強層設于薄層覆蓋部上方或者設于薄層覆蓋部上并增加薄層覆蓋部的機械強度。因此，作為覆蓋部的一部分的增強層主要用于實現機械穩定的覆蓋部。

以下是可行的：mems器件具有平坦化層作為第二空腔的覆蓋部的一部分。平坦化層設于薄層覆蓋部上方或者直接設于薄層覆蓋部上并具有平整頂面。當需要在器件頂面上設置其他結構如信號傳導線和/或電路元件和/或用于外部接線的連接面時，第二空腔上方的平整頂面是有益的。

相應地，以下是可行的：mems器件具有重新布線層作為覆蓋部的一部分。重新布線層設于薄層覆蓋部上方或者直接設于薄層覆蓋部上并且包括至少一層介電材料以及信號傳導線。

以下是可行的：mems器件具有鈍化層作為覆蓋部的一部分。鈍化層設于薄層覆蓋部上方或者直接設于薄層覆蓋部上。鈍化層可用于提供化學惰性表面并改善覆蓋部的密封性。

密封層、增強層、平坦化層、重新布線層和鈍化層可分別單獨地形成第二空腔的覆蓋部，或者與薄層覆蓋部共同形成第二空腔的覆蓋部。以下是可行的：薄層覆蓋部上方或薄層覆蓋部上的一個層承擔上述任務中的若干項，因此，這個層例如既是平坦化層，同時又是鈍化層。

在重新布線層中可設置電路元件，該電路元件選自無源電路元件、電感元件、電容元件、電阻元件和帶狀線。

電路元件優選包括導電結構，所述導電結構埋設于重新布線層的介電材料中。

以下是可行的：mems器件進一步包括器件頂面上的第一電連接面。為此還存在信號傳導線，該信號傳導線將第一器件結構與第一連接面連接起來。其中，信號傳導線至少分段地在器件的外側面上延伸。

由此獲得一種mems器件，其中信號傳導線并非穿過頂蓋晶片中的穿孔，而是圍繞頂蓋晶片延伸。已經認識到的是：原則上可以設置穿過晶片的穿孔，但會出現技術問題。因此，在晶片中開孔的成本比較高，且會削弱晶片的機械強度。此外，為實現適合高頻的穿孔，需要實現約10mω數量級的可接受體積電阻，但合適材料(例如高導金屬，如銅、銀或金)的選擇余地較小。再者，這些材料尤其在熱膨脹系數或擴散性能方面并不總是與晶片材料相容。因此，為實現適合高頻的穿孔，需要比較大的直徑(例如30μm或更大)來達到較小的電阻。特定而言，在例如以銅為穿孔材料并且以硅為晶片材料的情況下，當需要在晶片材料與穿孔材料之間設置擴散阻擋層時，制造方法將會變得非常復雜。另外，完全填充金屬的穿孔可能會因不同的熱膨脹系數而致使材料體系內產生機械應力，最終也會導致芯片或晶片斷裂。作為實心填充的穿孔的替代，僅孔壁上涂布金屬的穿孔也是可行的。但是，這就需要更為復雜的沉積工藝。

通過在頂蓋晶片的材料外部設置信號傳導線，可以回避上述問題。為此，可以從第一空腔中側向引出來自位于框架與基底晶片材料之間或者位于框架與頂蓋晶片材料之間的第一器件結構的信號傳導線的材料。

以下是可行的：mems器件具有器件頂面上的第二連接面。此外，mems器件還包括將第二器件結構與第二連接面連接起來的穿孔。其中，穿孔不需要穿過晶片材料。穿孔穿過薄層覆蓋部的材料和/或第二空腔的覆蓋部的另一層的材料或者說第二空腔的覆蓋部的層疊堆的材料，就夠了。

因此，特定而言，mems器件可以不包含穿過頂蓋晶片的材料的穿孔。

第一和第二器件結構可選自saw結構、baw結構、gbaw結構、傳聲器振膜、傳聲器背板(mikrofonrückplatte)和mems結構。

如果mems器件包括密封層，則該密封層的材料可完全或至少部分地選自介電材料、有機材料、氮化硅如si3n4、氧化硅如sio2、氧化鋁如al2o3。

如果mems器件包括增強層，則該增強層的材料可完全或至少部分地選自介電材料、有機材料、聚合物、bcb(苯并環丁烯)、無機材料、氮化硅如si3n4、氧化硅如sio2、氧化鋁如al2o3。

如果mems器件包括平坦化層，則該平坦化層的材料可完全或至少部分地選自介電材料、有機材料、聚合物、bcb、層壓材料、無機材料、氮化硅如si3n4、氧化硅如sio2、氧化鋁如al2o3。

如果mems器件包括鈍化層和/或重新布線層，則所述層的材料可完全或至少部分地選自介電材料、有機材料、聚合物、bcb、阻焊劑、無機材料、氮化硅如si3n4、氧化硅如sio2、氧化鋁如al2o3。

以下是可行的：mems器件在上方空腔的覆蓋部中除薄層覆蓋部外，還具有密封層、增強層、平坦化層、鈍化層和重新布線層。此外，以下是可行的：覆蓋部除薄層覆蓋部外，還具有上述層中的僅另外一層、另外兩層、另外三層或另外四層。

以下是可行的：器件的基底晶片和頂蓋晶片由相同材料構成或者由熱膨脹系數幾乎相同的材料構成。

這能避免或防止制造或操作器件期間產生熱誘導應力。如果頂蓋晶片的材料或基底晶片的材料在不同空間方向上的膨脹程度不同，則有益的做法是選擇能夠使得相同方向上的膨脹程度大體相同的材料定向。舉例而言，如果上述晶片包括相同材料，則優選使晶片的晶軸平行定向。

mems器件的側面可經斜切處理。也就是說，器件的橫截面向上減小。

一種具有提高的集成密度的mems器件的制造方法，可包括下列步驟：

-提供基底晶片，

-在基底晶片上產生第一器件結構和框架，

-提供頂蓋晶片，

-在頂蓋晶片上產生第二器件結構，

-將頂蓋晶片布置在框架上并且在基底晶片、頂蓋晶片和框架之間形成第一空腔，

-在第二器件結構上方形成薄層覆蓋部。

特定而言，用于形成薄層覆蓋部的步驟可包括下列分步驟：

-將犧牲材料施覆于第二器件結構上，

-借助層沉積工藝在犧牲材料上沉積薄層形式的薄層覆蓋部，

-以結構化方式在薄層覆蓋部中形成至少一個孔眼，

-移除薄層覆蓋部下方的犧牲材料。

下面借助示意性附圖詳細闡述關于mems器件及其制造方法的基本理念和工作原理以及示例性的技術方案和實施方式。

其中：

圖1：mems器件的簡單實施方式，

圖2：器件的另一實施方式，其頂面上提供連接可能性，

圖3：制造器件時的第一中間步驟，

圖4：制造器件時的第二中間步驟，

圖5：制造器件時的另一中間步驟，

圖6：另一中間步驟，

圖7：另一中間步驟，

圖8：另一中間步驟，

圖9：另一中間步驟，

圖10：制造器件上部時的另一中間步驟，

圖11：將器件上部與器件下部接合的另一中間步驟，

圖12：另一中間步驟，

圖13：另一中間步驟，

圖14：成品器件作為制造所得結果，

圖15：mems器件的另一實施方式。

圖1示出器件的一種可行實施方式，其中baw器件結構作為第一器件結構設于第一空腔h1中，其他baw器件結構作為第二器件結構設于第二空腔h2中。框架r用作間隔件，并且例如在以金屬作為框架材料的情況下，在頂蓋晶片dw與基底晶片bw之間起氣密密封作用。第一器件結構直接設于基底晶片bw上。在第一空腔h1中的baw結構與基底晶片bw之間同樣可以進一步設置聲反射層，但為清楚起見，圖中未示出這樣的聲反射層。在頂蓋晶片dw上，同樣可以在第二器件結構下方設置聲反射層。薄層覆蓋部dsa向上限定第二空腔h2并覆蓋第二器件結構。在薄層覆蓋部dsa上設有具有平整頂面的平坦化層ps。信號傳導線sl至少分段地在器件mb外側延伸。這樣一個信號傳導線sl能夠將各種器件結構相互連接起來，并且視情況將各種器件結構與外側上(例如器件mb的頂面上)的連接墊連接起來。

特定而言，借助于在器件mb外側延伸的信號傳導線sl，能夠避免穿過頂蓋晶片dw的穿孔所帶來的缺點。

圖2示出器件的一種實施方式，其中器件的側面經斜切處理，并且在斜切側面上設有將器件結構與器件頂面上的接觸面kf連接起來的信號傳導線sl。第一器件結構bs1例示性地作為baw器件結構被示出，第二器件結構bs2例示性地作為baw器件結構被示出。除第一器件結構bs1外，第一空腔中還包含有其他器件結構。在頂蓋晶片dw上方存在著與第二空腔h2并排布置的其他空腔，該其他空腔的構造與第二空腔h2大體相似。在平坦化層ps上方設有重新布線層us。通過穿孔dk與接觸面kf連接的信號傳導線區段在重新布線層中延伸。借助于重新布線層us可以大體上這樣來選擇接觸面kf的位置，使得器件能夠直接與外部電路環境的預設接觸面連接，但仍能自由選擇器件結構在器件中的位置。

圖3示出制造相應的mems器件的第一中間步驟，其中第一器件結構bs1(在此例示性地作為baw器件結構被示出)設于大面積的基底晶片bw上。

圖4示出另一中間步驟，其中在基底晶片bw的頂面上設有附加的框架結構r。其中可以多重制作第一器件結構bs1和框架結構，意即，在將基底晶片分離成數個單一的器件區段之前。

圖5示出另一中間步驟，其中第二器件結構設于頂蓋晶片dw的頂面上。第二器件結構被薄層覆蓋部覆蓋，因而不需要在頂蓋晶片dw的頂面上設置框架結構。作為替代，如圖6所示，在第二器件結構上方產生犧牲材料om并使其成形。其中，犧牲材料om的形狀基本上決定了未來的空腔h2的形狀。

如圖7所示，在犧牲層om的材料上沉積薄層覆蓋部dsa的材料。

圖8示出另一中間步驟，其中在薄層覆蓋部dsa中已通過結構化方式形成了孔眼l。

圖9示出另一中間步驟，其中已通過薄層覆蓋部中的孔眼移除了犧牲材料om。

圖10示出另一中間步驟，其中薄層覆蓋部中的孔眼例如被密封層vs密封，薄層覆蓋部dsa被增強層vst增強且被平坦化層ps覆蓋。在平坦化層ps上方設置了重新布線層us。穿過平坦化層ps的材料的穿孔dk將頂蓋晶片dw的頂面上的信號傳導線與平坦化層ps的頂面上的信號傳導線(即埋設于重新布線層us中的信號傳導線)連接起來。借助于穿過重新布線層us的另一穿孔，可將器件結構與器件頂面上的接觸面連接起來。器件可具有鈍化層pas。鈍化層pas可以是附加的一個層，并且可以是上述層中的一者。鈍化層也可以與其余層中的一者(例如重新布線層us)相一致。

圖11示出另一中間步驟，其中器件的上部(參見圖5至圖10)已經過分離處理并且與基底晶片bw上的框架結構r連接。利用框架r可以例如通過常用的結合方法將頂蓋晶片dw與基底晶片bw連接起來。

圖12示出另一中間步驟，其中器件的側面asf的區段經斜切處理。斜切時，頂蓋晶片和平坦化層的材料被移除，使得基底晶片頂面上的信號傳導線裸露。

圖13相應示出如何通過沉積導電材料來將裸露的信號傳導線相互連接起來。

圖14示出成品器件，其中基底晶片最終也沿著預設的分離線被割斷。器件頂面上的接觸面被焊球占據，這樣就能通過凸點連接bu實現與外部電路環境的連接。

圖15示出mems器件的一種實施方式，其中在重新布線層us內部例示性地埋設有電感元件ie。在重新布線層us內部同樣可設置其他電路元件，特別是無源電路元件。

所述器件及其制造方法不限于圖示實施例。具有更多空腔、更多晶片或更多薄層覆蓋部的器件以及相應更復雜的器件的制造方法同樣為權利要求書所涵蓋。

附圖標記說明

asf：斜切側面

bs1：第一器件結構

bs2：第二器件結構

bu：凸點連接

bw：基底晶片

dk：穿孔

dsa：薄層覆蓋部

dw：頂蓋晶片

h1：第一空腔

h2：第二空腔

ie：電感元件

kf：接觸面

l：孔眼

mb：mems器件

om：犧牲材料

pas：鈍化層

ps：平坦化層

r：框架

sl：信號傳導線

us：重新布線層

vs：密封層

vst：增強層