MEMS气体传感器晶圆级封装微加热板及其制造方法

技术领域

本发明属于MEMS气体传感器技术领域，具体涉及一种MEMS气体传感器晶圆级封装微加热板及其制造方法。

背景技术

气体传感器主要用于针对某种特定气体进行检测，测量该气体在传感器附近是否存在，或在传感器附近空气中的含量。因此，在安全系统中，气体传感器通常都是不可或缺的。按传感器检测原理，通常分为热学式气体传感器、电化学式气体传感器、磁学式气体传感器、光学式气体传感器、半导体式气体传感器等。半导体气体传感器原理是由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量。

金属氧化物半导体的气敏性能往往需要被加热到一定温度才能发挥效果，因此需要在薄膜下制作微加热板，以提供给气敏薄膜足够的温度。微加热板一般采用多层设计，即在绝热层上放置一个加热电极，在加热电极上沉淀一层绝缘层并采用光刻工艺将绝缘层加工成所需要的形状，再在绝缘层上制作一层叉指信号电极，然后进行封装，形成气体传感器成品。传统的封装方式一般采用引线键合的方式，把微加热板粘贴到PCB板上。这种封装方式一般尺寸较大，不适合对传感器大小受限的应用场景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种MEMS气体传感器晶圆级封装微加热板及其制造方法，解决了传统气体传感器封装尺寸大的技术问题，本发明方法简单，能够有效减小气体传感器晶圆级封装微加热板尺寸。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种MEMS气体传感器晶圆级封装微加热板，包括上层硅片和下层硅片；

上层硅片和下层硅片相互键合，上层硅片和下层硅片之间形成气敏反应腔；

上层硅片设有气体通路，气体通路连通外部环境和气敏反应腔；

下层硅片的正面设有微加热板，微加热板位于气敏反应腔中，下层硅片的背面设有背面植球。

进一步的，微加热板为悬臂结构，包括加热电阻、加热电极、测试电阻和测试电极；

加热电阻和测试电阻位于下层硅片中心，加热电阻和测试电阻之间以绝缘层隔开；

两个加热电极位于下层硅片的两个对角处，两个测试电极位于下层硅片的另外两个对角处；

下层硅片中心开设矩形凹槽，加热电阻利用连接于加热电极的悬臂梁支撑于矩形凹槽上方，测试电阻利用连接于测试电极的悬臂梁支撑于矩形凹槽上方；

悬臂梁包括ONO结构层和金属层，其中ONO结构层用于实现支撑作用，金属层用于实现加热电阻与加热电极之间以及测试电阻与测试电极之间的电连接。

上述一种MEMS气体传感器晶圆级封装微加热板的制备方法，包括：

在下层硅晶圆表面制备ONO结构；

加工贯穿下层硅晶圆和ONO结构的第一通孔，第一通孔位于ONO结构的四角处；

在通孔内壁依次制备绝缘层、阻挡层和种子层，后以电镀工艺填充第一通孔，实现电极的引出；

在ONO结构表面制备相互连接的加热电阻和加热电极；加热电阻位于ONO结构的中心区域，加热电极位于ONO结构的两个对角上，两个加热电极分别对齐两个第一通孔；

在加热电阻表面制备绝缘层；

在制备完绝缘层的ONO结构表面制备相互连接的测试电阻和测试电极；测试电阻位于绝缘层表面，测试电极位于另外两个对角上，两个测试电极分别对齐另外两个第一通孔；

在测试电极上涂覆气敏材料；

对硅晶圆进行腐蚀，在加热电阻和加热电极之间以及测试电阻和测试电极之间形成悬臂梁；

在上层硅晶圆上制备作为气体通路的第三通孔；

将上层硅晶圆和下层硅晶圆进行键合；

在下层硅晶圆背面制备与第一通孔电连接的背面植球，实现电信号的引出。

进一步的，在硅晶圆表面制备的ONO结构包括依次制备的氧化硅层、氮化硅层和氧化硅层；

ONO结构的厚度为300nm～2um。

进一步的，第一通孔的孔径为1um～100um，深宽比10:1～80:1。

进一步的，在ONO结构表面的中心区域制备加热电阻的具体方法包括：根据加热电阻和加热电极的期望平面形态涂覆光刻胶；沉积钛或铂金属；剥离多余的光刻胶；

在制备完绝缘层的ONO结构表面制备测试电阻和测试电极的具体方法包括：根据测试电阻和测试电极的期望平面形态涂覆光刻胶；沉积钛或铂金属；剥离多余的光刻胶。

进一步的，ONO结构的中心区域为边长为10um～300um的正方形区域；

制备加热电阻和加热电极过程中沉积的钛或铂金属厚度为100nm～500nm；制备测试电阻和测试电极过程中沉积的钛或铂金属厚度为100nm～500nm。

进一步的，绝缘层为采用PECVD或LPCVD工艺淀积的氮化硅层，厚度为200nm～600nm；

所述制备方法还包括，利用CMP设备对中间绝缘层表面进行平坦化处理。

进一步的，气敏材料包括氧化锌、氧化锡或氧化铟；

涂覆气敏材料的方法包括滴涂、旋涂或刷涂；

涂覆气敏材料时通过光刻的方法实现图形化。

进一步的，上层硅晶圆和下层硅晶圆的键合方法为金属共晶键合、金硅键合或硅硅直接键合。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明创造性的提出一种MEMS气体传感器晶圆级封装微加热板，利用上层硅片和下层硅片的键合实现了微加热板的晶圆级封装，能够最大限度的减小气体传感器的封装尺寸，从厘米级减小到毫米级，适用于对气体传感器尺寸有独特要求的特殊应用场景；

(2)本发明首先制备了ONO结构，作为微加热板的支撑层，然后用MEMS工艺制备了加热电阻和测试电阻，最后用湿法工艺释放悬臂梁，形成悬空的微加热板结构，可以大幅减小气体传感器功耗，延长传感器使用寿命；

(3)本发明创造性的把硅通孔结构引入微加热板的晶圆级封装结构中，和背面植球工艺结合起来，实现了气体传感器晶圆级封装结构。

附图说明

图1是本发明的MEMS气体传感器晶圆级封装微加热板的结构示意图；

图2是带硅通孔的下层硅片衬底剖面图；

图3是加热电极和加热电阻制备工艺示意图；

图4是加热电极和加热电阻结构示意图；

图5是测试电极和测试电阻制备工艺示意图；

图6是测试电极和测试电阻结构示意图；

图7是气敏薄膜制备工艺示意图；

图8是悬臂梁释放制备工艺示意图；

图9是上层硅片制备工艺示意图；

图10是上层硅片和下层硅片键合制备工艺示意图；

图11是背面植球工艺示意图。

附图标记：1—上层硅片，101—气体通路，102—气敏反应腔，2—下层硅片，201—微加热板，202—背面植球，203—加热电极，204—测试电极，301—加热电阻，601—测试电阻。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

对于半导体气体传感器，金属氧化物半导体的气敏性能往往需要被加热到一定温度才能发挥效果，因此需要在薄膜下制作微加热板，以提供给气敏薄膜足够的温度。微加热板一般采用多层设计，即在绝热层上放置一个加热电极，在加热电极上沉淀一层绝缘层，再在绝缘层上制作一层叉指信号电极，然后进行封装，形成气体传感器成品。传统的封装方式一般采用引线键合的方式，把微加热板粘贴到PCB板上。这种封装方式一般尺寸较大，不适合对传感器大小受限的应用场景。

本发明设计的MEMS气体传感器晶圆级封装微加热板由上下两层硅片键合的结构设计，上层硅片开设封装盖帽和气敏反应腔，气敏反应腔通过气体通路和外界联通，气体通路为贯穿上层硅片的通孔；下层硅片为微加热板，通过植球从背面引出电学连接。

进一步的，上层硅片包含通气孔结构，通气孔可以用MEMS工艺加工而成，通气孔可以是圆形、方型或者其他能通气的形状。

进一步的，下层硅片包含微加热板结构，微加热板为包括加热电极和测试电极的悬空结构。

进一步的，下层硅片包含硅通孔TSV结构，硅通孔结构为填铜硅通孔，加热电极和测试电极通过硅通孔TSV结构与背面的焊盘相连通。

进一步的，所述上层硅片开设的封装盖帽便于将气体传感器芯片保护起来，同时和下层硅片通过键合形成气室。

进一步的，所述下层硅片的微加热板，起到加热气体传感器芯片(测试电极和气敏材料)作用，同时电学连接通过硅通孔引到背面，通过植球等工艺实现圆片级封装。

进一步的，所述下层硅片的微加热板，有加热电极、测试电极两层结构，两层电极之间有绝缘层避免电学导通。

综上所述，本发明通过硅基上制备微加热板，并通过键合和封装盖帽形成气室，气室通过气体窗口和外界导通。通过微加热板对气体敏感结构加热以提高传感器响应速度。该微加热板气室具有体积小、易集成、易批量制备的优点，有效提高气体传感器的微型化和全集成应用。

实施例：

图1是本实施例中晶圆级封装微加热板的三维结构图，由上层硅片1和下层硅片2键合而成，所述的上层硅片1为集成气室的上盖板，包含气体通路101和气敏反应腔102，所述下层硅片2包含微加热板201和背面植球202。所述的微加热板201是一个复合膜结构，包括ONO支撑层、加热电阻、绝缘层和测试电阻等结构。

微加热板的具体制备方法包括：制备硅通孔结构、制备加热电极、制备中间绝缘层、制备测试电极、制备悬臂结构、涂覆气敏材料、制备硅盖帽结构、圆片键合和背面植球。

S1：如图2所示，在硅晶圆表面制备ONO介质层：

在基片上通过PECVD或LPCVD工艺制备氧化硅-氮化硅-氧化硅，形成ONO结构(总厚度300nm～2um)。

S2：在ONO介质层表面制备硅通孔(第一通孔)结构(硅通孔直径1um～100um，深宽比10:1～80:1)。硅通孔结构位于如图1所示的加热电极和测试电极底下。

采用DRIE或ICP等干法刻蚀方法制备硅通孔，再通过热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等金属薄膜沉积方法在硅通孔内壁先后制备绝缘层、阻挡层和种子层，之后以电镀工艺填充通孔，实现电极的引出；

第一通孔为4个，其中两个用于与加热电极连通，为加热电极通孔，另外两个用于与测试电极连通，为测试电极通孔。

S3：如图3所示，在ONO介质层表面中心制备加热电阻结构(中心加热区域面积10um～300um)，同时在与硅通孔对应的位置制备两个加热电极，两个加热电极位于对角。

具体方法为：使用光刻工艺定义加热电阻301平面形态，完成后使用磁控溅射等金属沉积方法进行钛/铂金属的淀积(100nm～500nm)，完成后使用剥离工序移除多余光刻胶。所述的加热电阻301和加热电极203的形状如图4所示。

S4：如图5所示，在加热电阻上方制备中间绝缘层(200nm～600nm)。通过PECVD或LPCVD工艺淀积氮化硅绝缘层，并用CMP设备对表面进行平坦化处理。；

S5在绝缘层表面制备测试电阻，在ONO结构表面制备测试电极；

具体方法包括：使用光刻工艺定义叉指测试电阻601的平面形态，完成后使用磁控溅射等金属沉积方法进行钛/铂或金的淀积(100nm～500nm)，完成后使用剥离工序移除多余光刻胶。所述的测试电阻601和测试电极204的形状如图6所示。

S6：如图7所示，在所述测试电极间隙处涂覆气敏材料。气敏材料可以为半导体金属氧化物：氧化锌、氧化锡、氧化铟等，涂覆方式可以为滴涂、旋涂、刷涂等，所述气敏材料通过光刻方式实现图形化。

S8：如图8所示，腐蚀制备悬臂结构。利用KOH或TMAH等腐蚀溶液，对Si基片进行各向异性湿法腐蚀，将加热和测试结构完全释放，形成由悬臂梁支撑的悬浮微加热板结构。

S9：如图9所示，制备上层硅片、利用湿法腐蚀或者ICP刻蚀，对上层硅片进行各向异性腐蚀，在上层硅片形成气体通路。

S10：如图10所示，通过键合方式将上层硅片和下层硅片结合在一起，形成晶圆级微加热板结构。所述键合方式可以是金属共晶键合、金硅键合或是硅硅直接键合。

S11：如图11所示，在晶圆背面通过植球方式实现电信号的引出，完成微加热板的最终制备。

本发明晶圆级封装，尺寸可达毫米量级，远远小于传统封装的其他传感器尺寸。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。