CN102112390A

CN102112390A - 封装mems-晶片的方法和mems-晶片

Info

Publication number: CN102112390A
Application number: CN2009801297116A
Authority: CN
Inventors: J.鲁德哈德; T.米勒
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: CN102112390B; DE102008040851A1; EP2307308B1; US20110127622A1; TW201012743A; WO2010012547A2; US8470630B2; EP2307308A2; WO2010012547A3

Abstract

本发明涉及一种用于封装一种MEMS-晶片（1），特别是一种传感器和/或动作器晶片的方法，它具有至少一个机械功能元件（10）。根据本发明规定，运动的机械功能元件（10）借助消耗层（14）固定了并且将一个盖顶层（19）施加到，特别是外延生长到消耗层（14）上，和/或至少一个施加到消耗层（14）上的中间层（7）上。此外，本发明还涉及一种封装的MEMS-晶片（1）。

Description

封装MEMS-晶片的方法和MEMS-晶片

现有技术

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的MEMS-晶片，特别是传感器和/或动作器晶片的封装方法，以及一种按照权利要求15的前序部分所述的封装的MEMS-晶片，特别是一种传感器和/或动作器晶片。

当今可用不同的工艺方法制造硅技术的传感器。本申请人成功采用的工艺技术是一种所谓的表面微型机械。在这种工艺作业之后脆弱的和敏感的机械功能元件通过对晶片级平面的封装得到保护，防止环境的影响。其中一种成功使用的技术是具有第二个单独的晶片的封装。这个晶片通过一种密封—玻璃连接固定在传感器-晶片上。在使用封装晶片的情况下的已公开的封装技术的缺陷是，由两个晶片构成的系统的结构比较高。此外，还必须在传感器晶片上设置侧面凸起，为的是能在传感器-晶片和盖顶晶片之间实现密封玻璃连接。这增加了晶片-传感器的面积需求。

发明内容

技术任务

本发明的任务是建议一种用于MEMES-晶片的替代的、改进的封装方法。优选地本方法的最终产品的结构应比较低，并且面积需求比较小。此外，本发明的任务还建议一种相应最佳的封装的MEMS-晶片。

技术方案

这个任务在封装方法方面用权利要求1的特征得以完成，在MEMS-晶片方面用权利要求15的特征得以完成。在从属权利要求中对本发明的一些有利的改进方案进行了说明。由至少两个在说明书、权利要求书和/或附图中公开的特征所组成的所有组合都属于本发明的框架之列。为了避免重复，在方法方面公开的特征也应视为在设备方面的公开，并且要求予以保护，同样，在设备方面公开的特征也应视为在方法方面的公开，并且要求予以保护。

本发明的构思是通过消耗层工序(Opferschichtprozess)和盖顶层工序的组合实现MEMS-晶片级平面的封装，其中，盖顶层或者是直接施加到消耗层上，或者是施加到至少一个施加到消耗层上的中间层上，特别是外延生长。在实现外延生长的盖顶层时优选地将一个起始层或者是直接施加到消耗层上，或者是施加到一个设置在消耗层上的中间层上。所述起始层优选地由多晶硅构成，其用作用于优选地由硅形成的盖顶层的基础。其中，这个后来又要去掉的消耗层是用于在施加、优选地在生长盖顶层之前用于暂时地机械固定可运动的、脆弱的至少一个机械的功能元件。换句话说，在施加盖顶层之前暂时借助消耗层固定目前可运动的机械功能元件，其中，那些装满消耗层的区域在拿掉这个消耗层之后形成空腔室。这些功能元件可在这些空腔室中运动。按照本发明的方案形成的用于封装MEMS-晶片的方法能在封装之前，也就是在施加消耗层和盖顶层之前检查特别是除了金属化之外制成的MEMS-晶片，只要为此不需要金属化。当制晶片试件以金属化处理(prozessiert)时可在封装前进行全面的检查。用所建议的方法封装的MEMS-晶片的主要优点除了封装前的可检查性之外还有在竖直方向及在表面延伸方面的空间需求比较小。其原因一方面在于消耗层和盖顶层的组合比单独封装的晶片的结构要低。另一方面较小的表面延伸是由于不必设置用于密封-玻璃连接或者低共熔的连接框架的侧面凸起(Vorhalte)，因为封装直接和MEMS-晶片连接。

有利地在本发明的一个改进方案中规定，MEMS-晶片在施加消耗层和盖顶层之前是没有金属化的。如后面还将说明的，金属化部优选地是在施加了盖顶层之后直接施加到盖顶层上的，和/或施加到设置在盖顶层上的闭锁层上。在以后的金属化中应如此地设置金属，即特别是通过优选的导电的盖顶层MEMS-晶片的希望的区域，如基质平面和/或一种所谓的例如由多晶硅形成的接线平面被接触。

本发明的一个实施形式特别优选。在这个实施形式中所述至少一个可运动的机械功能元件在封装工序之前，也就是在施加消耗层之前对其进行功能能力的检查。因此可在MEMS-晶片封装之前识别出可能的缺陷。

有利地在本发明的一个改进方案中规定，在特别是制成的MEMS-晶片上施加一层由硅-锗层形成的消耗层。为此特别适合使用LPCVD方法，或者PECVD方法。其中，锗的成分是可调节的，并且根据各工序可在少量的和100原子百分比之间。若消耗层，例如借助CMP或者一种类似的平坦化工序，进行平坦化（整平），用于使粗糙度最小化，形貌平坦化（平整），则是特别优选的。

在本发明的一个改进方案中规定，优选地外延生长的盖顶层由硅形成，其中，也可使用替代的特别是可生长的物质。在这种情况中盖顶层特别是根据底部的情况可由单晶硅和/或多晶硅构成。可选地将多晶硅层用作起始层。

有一个实施形式特别有利。在这种实施形式中盖顶层或者盖顶层的起始层不是直接地设置到消耗层上，而是设置到已提到的一个中间层上。特别有利的是所述至少一个中间层是一种扩展阻挡层。优选地这个扩展阻挡层是如此构成的，即它防止在起始层、盖顶层和消耗层之间的硅和锗的无意的相互扩散。其中，这样一种实施形式特别有利，在这种实施形式中将这个扩展阻挡层，也就是所述至少一个中间层用作HTO层（High-Temperature-Oxide-Schicht高温氧化物层）。

在本发明的改进方案中有利地规定，所述至少一个中间层，优选地扩散阻挡层，在盖顶层的施加或者生长之前进行结构化，优选地如此地进行，即露出MEMS-晶片的至少一个以后应电接触的区域。换句话说，在部分区域中拿掉中间层，这样，优选地由硅构成的盖顶层直接和MEMS-晶片的至少一个导电层接触。

在本发明的改进方案中有利地规定，优选地借助CMP，或者类似的工序将盖顶层平坦化。

若优选地在平坦化了以后例如用本申请人的所谓的DRIE工艺对盖顶层进行结构化则是特别优选的。其中优选地如此地进行结构化，即开出一个通往消耗层的通道，为的是紧接着如在后面还将详细说明的特别是用一种ClF₃-气体斜边腐蚀工艺(Gasfasenätzprozess)将这个消耗层拿掉。

正如前面已提到的，优选地如此方式地进行盖顶层的结构化，即在至少一个部分区域露出消耗层，以便能接触到消耗层，为取出消耗层工序创造条件，优选地使用ClF₃。由于对纯硅的高选择性，所以即使没有保护层估计也不会对所述至少一个机械的能自由运动的功能元件（功能结构）造成破坏。

优选地在本方法的一个改进方案中在消耗层去掉步骤之后例如借助一种SIC沉积工序设置一个防粘附层（防静摩擦层/ASC层）。这个防粘附层保护功能元件结构，防止粘附倾向。这个工序可选地同时用于所述至少一个功能元件的闭锁和压力包括。

如已提到的，这个防粘附层可用作闭锁层。其中，这个闭锁层有下述任务，即将特别是为了露出然后要取出的消耗层的设置到盖顶层中的结构而在结束时重新闭锁起来，这样就完全地封装了所述至少一个功能元件（功能结构）。

在至少一个通过取走消耗层形成的，优选地容纳所述至少一个功能元件的空穴中的压力调节可通过在设置闭锁层期间调节系统压力实现。代替地压力调节可通过后面的气体扩散方法进行。

在本发明的改进方案中有利地规定，优选地在先前结构化的闭锁层上，和/或盖顶层上施加至少一个金属化部，其中，这个金属化部优选地通过盖顶层导电地和MEMS-晶片的相应的连接区域导电连接。优选地金属化层结构化地施加，或者单独地结构化。这个金属化部优选地用于接触标的电连接。

本发明也涉及一种优选地用前述的任一种方法制造的封装的MEMS-晶片。这种MEMS-晶片的特征在于具有可运动的机械元件（功能结构）以及封装。根据本发明规定，这种封装包括由特别是由硅构成的生长的盖顶层。

在本发明的改进方案中有利地规定，在盖顶层上，和/或在配属于盖顶层的优选地结构化的闭锁层上设置至少一个金属化部，用于MEMS-晶片的接触。有一种实施形式特别优选，在这种实施形式中原来的MEMS-晶片没有金属化部，这样，金属化部只设置在封装上。

为了避免防静摩擦效应，在本发明的一个改进方案中有利地规定，在所述至少一个功能元件上（功能结构）上设置一个防粘附层。

此外，优选地还有一个实施形式。在这个实施形式中用扩散阻挡层，特别是HTO层给在封装中通过取出消耗层所形成的空穴加内衬，其中，也可以实现这样一种实施形式，即在这个实施形式中又拿走了这个首先选择地设置的扩散阻挡层。

附图说明

从用于封装MEMS-晶片的一种方法的一个优选的实施例的下述说明中以及借助附图产生本发明的其它优点、特征和细节。

图1至图10：在MEMS-晶片封装时的按时间顺序的生产步骤，其中，在图10中示出了完成封装的MEMS-晶片。

具体实施方式

在这些图中相同的结构元件和具有相同功能的元件用相同的附图标记表示。

在图1中示出了除了（铝）金属化外的已制成的MEMS-晶片1，作为下面将要说明的封装方法的基础。这个简图示出的MEMS-晶片1包括一个在图面中的由热氧化物构成的下支承层2。在图面中在支承层2的上面直接在这个支承层2上设置一个由硅构成的基质层3。在基质层3的背离支承层2的一侧，在图面的右边，一个空穴4和这个基质层相邻。在空穴4的左边设置一个结构化的氧化层5。这个氧化层5在一个在图面中的左区域中被一个外延的硅层6穿过，为的以后能接触基质层3。一个所谓的布线平面7（接触中间层）直接和这个氧化层5相邻。这个布线平面将处延的硅层6的一个第一区域8和硅层6的一个第二区域9导电连接，其中，硅层6的第二区域9在侧面和一个自由可运动的机械功能元件10（功能结构）直接相邻。在功能元件10的下方以及在功能元件10的结构件11之间设置有一个由空穴4形成的空腔室。

另一氧化层12直接和由多硅构成的布线平面7相连接。该氧化层将布线平面7在图面上向上和外延的硅层6的另一区域13电绝缘。外延的硅层6的区域8和9穿过这个（上面的）氧化层12，并且接触导电的布线平面7。

从图1中可以看出，这个传感器形式的MEMS-晶片1除了金属化以外完全制成。优选地这个MEMS-晶片是以所谓的消耗层技术制成的。从图中可以看出，功能元件10，或者功能元件10的结构元件11是自由的。在封装方法开始前的这一阶段中可检查除缺少金属化的所有功能。

在图2中示出了封装方法的第一步骤。其中，将一个由硅-锗构成的消耗层14沉积到在图1中示出的已制成的MEMS-晶片1上，并且有选择地例如借助一种CMP工序进行平坦化。从图中可以看到，这个消耗层14延伸到结构化外延的硅层6的沟槽15中，以及伸入到空穴4中，并且将功能元件10或者结构元件11闭锁起来，也就是说这些元件不再自由了。此外，这个消耗层14在这个方法阶段成段地形成最上层。

可有选择地在设置消耗层之前沉积例如由HTO构成的扩散阻挡层。通过这个扩散阻挡层在高温时防止扩展到硅层6中。附加地或者代替地可设置一个耐高温的防附着涂层。此外，这个防附着涂层同时也可用作扩散阻挡层。

按照另一封装步骤可得到了在图3中示出的结果。消耗层14已结构化，这样在调整区域内为以后的校正（Aligment）露出了调整标志16。此外，这些露出的区域还用于MEMS-晶片1的以后的电连接。在这个晶片中后面还将叙述的盖顶层将和结构化区域中的处延的硅层6直接接触。

作为下一个可选择的封装步骤，在图4中示出了其结果，设置和结构化一个设计为HTO-扩散阻挡层的中间层17，使这个中间层17只设置在消耗层14上，而不设置在外延的硅层6上。

在沉积HTO扩散阻挡-中间层17以后在所示出的实施例中沉积一个LPCVD起始多晶硅(Startpoly-Silizium)（起始层18），并且优选地和中间层17一起结构化，这样，起始层18只设置在中间层17上，或者在放弃中间层17时只直接设置在消耗层14上。优选地在结构化时结构离开>30 μm。

在接下来的一个方法步骤中一个由硅构成的盖顶层19生长到起始层18上。在图5中示出了这一结果。从图中可以看出，在中间层17和消耗层14的一些结构化的区域中这个盖顶层19和外延的硅层6直接接触，也就是和这个硅层导电连接。其中，由硅构成的盖顶层19在图面中在中间层17的上部多晶地生长，并且在上部，也就是在和外延的硅层6的接触区域中单晶地生长。

在接下来的步骤中例如借助CMP方法对盖顶层的表面20进行平坦化。图6示出了这个方法步骤的结果。

紧接着通过开槽对盖顶19进行结构化。产生在图7中示出的释放结构21（开槽通道）。通过这些结构使得消耗层14区域地显露出来，也就是说，使得在此图中从图面的上方是可接触的。从图中可以看到在图面的右边在一个大的消耗层段中设置有多个释放结构21。

作为下一方法步骤是拿掉消耗层14，也就是使用ClF₃进行所谓的硅-锗释放。这种释放相对于硅有高的选择性，因此只拿掉消耗层14。通过这一措施形成多个还没有封闭的空穴22，特别是它们也环绕着功能元件10或者结构元件11，这样，这些元件又能自由运动了。

如从图8看出，在本实施例中通过在气体斜边（Gasfase）使用HF也拿掉了在消耗层14上设置的中间层17（扩散阻挡层）。代替地也可以保留HTO扩散阻挡-中间层17。

下一方法步骤是沉积（ASC-沉积）防粘附层23。这个防粘附层给空穴22加内衬，并且也覆盖功能元件10的结构元件11。其中可按照如此的量施加防附着层23，即它同时用作闭锁层24，它既盖住盖顶层19，并且闭锁释放结构21，并且因此密封空穴22。代替地也可以设置一个和防粘附层23分开的闭锁层24，其用于闭锁释放结构21，并且因此用于密封空穴22或者用于密闭包封功能元件10的结构元件11。

这个单独的闭锁层24例如可由多晶硅形成。

在空穴22中的气体压力的压力调节或者是在施加闭锁层时通过调节环境压力进行调节，代替地可在后面的步骤中当温度高时将气体扩散到空穴22中实现。

在另一方法步骤中如此地对形成覆盖层的闭锁层24进行结构化，从而露出生成的盖顶层19（外延层），为的是在紧接着的金属化步骤中能够施加金属化部25。这个金属化部导电地接触盖顶层19。这个在图面中左边的金属化部25用于通过盖顶层19及穿过氧化层5、12的外延的硅层6和基质层3电接触。位于图面右边的金属化部25用于和所谓的布线平面7的电接触，并且因此用于和直接和功能元件10相邻设置的外延的硅层6的区域9电接触。为此，无论是硅层6的区域9，还是在下面与金属化部25（连接区域）有间距设置的区域8都穿过这个上氧化层12，并且直接接触布线平面7（也参见图10）。

将金属化部25首先作为全表面的层施加在闭锁层24上，并且然后进行结构化，这样就得到了在图10中示出的金属化部25（金属化段）。

在结束的，但未示出的步骤中例如通过接触导线可产生和金属化部25的接触区域。

Claims

1.用于封装具有至少一个机械功能元件（10）的MEMS-晶片（1），特别是传感器和/或动作器晶片的方法，其特征在于，可运动的机械功能元件（10）借助消耗层（14）固定；并且将盖顶层（19）施加到，特别是外延生长到消耗层（14）上，和/或至少一个施加到消耗层（14）上的中间层（17）上。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在施加消耗层（14）以及盖顶层（19）之前MEMS-晶片（1）没有金属化。

3.按照权利要求1或2的任一项所述的方法，其特征在于，在封装工序之前检查功能元件（10）的功能能力。

4.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，特别是借助LPCVD或者PECVD方法将消耗层（14）作为硅-锗层施加。

5.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，盖顶层（19）由单晶硅和/或多晶硅构成。

6.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个中间层（17）上形成扩散阻挡层，优选地HTO层。

7.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，在施加盖顶层（19）之前将所述至少一个中间层（17）特别是如此地进行结构化，即显露出MEMS-晶片（1）的至少一个以后应电接触的区域（8、9、13）。

8.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，优选地借助CMP使盖顶层（19）平坦化。

9.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，优选地如此地使盖顶层（19）结构化，优选地开槽，即优选地部段地使消耗层（14）显露出。

10.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，优选地借助ClF₃气体腐蚀工艺优选地如此方式地至少部分地拿掉消耗层（14），即功能元件（10）又能运动。

11.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，优选地借助SIC沉积工艺优选地如此方式地施加防附着层（23），即用防附着层（23）盖住功能元件（10）。

12.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，例如通过ASC-沉积将闭锁层（24）施加到盖顶层（19）上。

13.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，通过将封装方法期间的系统压力或者通过气体扩散进行至少一个通过拿掉消耗层（14）形成的空穴（4、22）中的压力调节。

14.按照前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，为了接触MEMS晶片（1）将至少一个金属化部（25）施加到优选的结构化的闭锁层（24）上和/或盖顶层（19）上。

15.优选地使用按照前述权利要求的任一项所述的方法制成的封装的MEMS-晶片，包括至少一个自由可运动的机械的功能元件（10）和封装，其特征在于，所述封装包括生长的盖顶层（19）。

16.按照权利要求15所述的MEMS-晶片，其特征在于，在盖顶层（19）上和/或在设置在盖顶层（19）上的优选结构化的闭锁层（24）上设置至少一个用于接触MEMS-晶片（1）的金属化部（25）。

17.按照权利要求15或16的任一项所述的MEMS-晶片，其特征在于，在功能元件（10）上设置防粘附层（23）。

18.按照权利要求15至17的任一项所述的MEMS-晶片，其特征在于，用扩散阻挡层给在封装中形成的空穴（4、22）加内衬。