CN103420321B - 混合集成的构件和用于其制造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混合集成的构件和用于其制造的方法。本发明提出一种措施，通过该措施明显提高在实现构件（100）的MEMS结构元件（10）的微机械结构时的设计自由度，所述构件包括用于MEMS结构元件（10）的载体（20）和用于MEMS结构元件（10）的微机械结构的盖（30），其中，所述MEMS结构元件（10）通过托脚结构（21）装配在载体（20）上。根据本发明，所述MEMS结构元件（10）以层结构的形式实现并且所述MEMS结构元件（10）的微机械结构（11）延伸经过该层结构的至少两个功能层（3，5），所述至少两个功能层通过至少一个中间层（4）相互分开。

Description

混合集成的构件和用于其制造的方法

技术领域

本发明涉及一种构件，至少包括一尤其ASIC（专用集成电路）结构元件形式的载体、一MEMS（微电子机械系统）结构元件和一盖。该MEMS结构元件通过一托脚结构（Standoff-Struktur）装配在该载体上并且该盖布置在该MEMS结构元件的微机械结构上方。

此外，本发明涉及一种用于制造这类混合集成的构件的方法，其中，在该载体上制造托脚结构，其中，使作为MEMS衬底起作用的SOI晶片的功能层结构化，并且其中，MEMS衬底面朝下地与该结构化的功能层一起装配在载体的托脚结构上。

背景技术

本发明的出发点是如由欧洲专利文献0 773 443所已知那样的构件。在该出版文献中描述一种微机械加速度传感器，该加速度传感器以由ASIC衬底和MEMS衬底组成的芯片堆叠的形式实现。SOI晶片作为MEMS衬底起作用，在该SOI晶片的功能层中构造有一摇臂形的传感器结构。MEMS衬底以倒装芯片技术通过间距保持件装配在ASIC衬底上，从而传感器结构位于ASIC表面和SOI衬底之间的严密地封闭的空腔中。加速度引起摇臂结构的偏转，该摇臂结构的偏转在此借助传感器结构上的测量电极和在ASIC表面上固定的电极容性地感测。此外，在已知的加速度传感器的情况下，用于测量信号的分析电路集成在ASIC衬底上。

发明内容

通过本发明提出措施，通过该措施明显地提高在已知的构件概念的范围中实现MEMS结构元件的微机械结构时的设计自由度。

根据本发明，这由此实现，即，MEMS结构元件的微机械结构延伸经过MEMS结构元件的层结构的至少两个功能层，其中，这两个功能层通过至少一个中间层彼此分开，从而可以将它们相互独立地结构化。因为以这种方式也可以将第三维度包括进MEMS结构元件的微机械结构的布局中，不仅在实现微机械结构时的设计自由度提高。MEMS结构元件的并且由此构件的芯片面可以整体上更有效地被使用，这与降低制造成本相关。

在本发明的一个优选实施方式中，两个功能层都由单晶硅制成。在这种情况下，在层内——如果有的话——仅仅出现小的机械应力，这有利地影响构件的微机械性能。

因此，相应于根据本发明的第一制造方案，使用简单的SOI晶片作为MEMS衬底。在这种情况下，SOI衬底作为MEMS衬底的第二功能层起作用。然后，在MEMS衬底被装配在载体或ASIC衬底上之后，SOI衬底被结构化为第二功能层，从而形成一微机械结构，该微机械结构延伸经过该功能层和SOI晶片的SOI衬底。此后，盖晶片才被装配在MEMS衬底的微机械机构的上方。因为SOI晶片的载体衬底通常比待产生的微机械结构的所力求达到的结构高度明显更厚，SOI衬底在被装配在载体上之后并且在结构化之前大多还回薄到一确定的厚度。

在根据本发明的第二制造方案中，使用双层的SOI晶片作为用于MEMS结构元件的初始衬底。这类SOI晶片包括两个单晶的功能层，这些功能层通过绝缘层相互分开并且与SOI衬底分开。最上面的功能层还在SOI晶片被装配在载体上之前就被结构化。SOI晶片的第二功能层作为MEMS衬底的第二功能层起作用并且在MEMS衬底被装配在载体上之后，更确切地说，在SOI衬底被去除之后才被结构化。以这种方式形成微机械结构，该微机械结构延伸经过SOI晶片的两个功能层。此后才在MEMS结构元件的微机械结构的上方装配盖晶片。

如果为该微机械结构预先给定的结构高度应该被非常精确地遵守，则要尤其优选第二制造方案。即，双层的SOI晶片的两个功能层的厚度都可非常精确地调整，而在回薄工艺中，如第一制造方案的范围中所实施的那样，出现显著更高的厚度公差。

在两个制造方案中，将MEMS衬底的两个功能层都相互独立地结构化。两个功能层的布局互补并且共同确定MEMS衬底的微机械结构的三维形状。该微机械结构可以、但不必相对于两个功能层之间的中间层对称地设置。非对称例如可以归因于两个功能层不同的层厚度。此外，两个功能层的布局可以不同，从而微机械结构的至少一个区段延伸经过两个功能层，而至少一个另外的区段仅延伸经过两个功能层中的一个。通过该第三布局维度，产生用于MEMS结构元件的微机械结构的多种设计方案。

根据本发明进一步发展的构件构想尤其适用于惯性传感器构件的实现。在该应用中，MEMS结构元件的微机械结构包括至少一个可偏转的震动质量并且设置有用于感测震动质量的偏转的电路器件。这些震动质量布置在盖和具有用于传感器信号的分析电路的ASIC结构元件之间的空腔中。该空腔有利地严密封闭，从而保护微机械的传感器结构免受脏污和侵入性测量环境的影响。此外，在该空腔内部可产生限定的压力情况，以便因此积极地影响传感器的阻尼行为。因为MEMS结构元件的微机械结构根据本发明延伸经过两个功能层，可以在相对小的芯片面上实现大的震动质量。这有助于在小的构件大小的情况下实现高的测量灵敏度。在一些惯性传感器类型中，例如在用于感测垂直于构件结构的层平面的加速度的传感器构件中，震动质量的质量分布相对于其悬挂装置或者支撑装置不对称。由于微机械结构的根据本发明的三维布局的可能性，这类传感器设计也可特别简单地在很小的芯片面上实现，其方式是，该震动质量包括至少一个延伸经过两个功能层的区段和至少一个仅延伸经过两个功能层中的一个的区段。此外，为了提高传感器结构的测量灵敏度，还可以在震动质量中构造通风口，该通风口延伸经过该震动质量的整个厚度，即，延伸经过两个功能层和中间层或者分别根据震动质量在哪些层中构造而定仅延伸经过两个功能层中的一个。

附图说明

如前面已经讨论的，有不同的可能性，以有利的方式构型和进一步改进本发明。为此，一方面参考从属于独立权利要求的权利要求并且另一方面借助附图参考对本发明的一个实施例的以下说明。

图1示出惯性传感器构件100的根据本发明的结构的示意性剖视图，以及

图2a-2d借助该构件结构的各个组件的示意性剖视图阐明该惯性传感器构件100的制造。

具体实施方式

图1中所示的构件100涉及用于感测z加速度、即垂直于构件结构的层平面定向的加速度的惯性传感器。为此，构件100包括一具有微机械的传感器结构的MEMS结构元件10，在该微机械的传感器结构中构造有摇臂式的震动质量11。这接下来还作更详细地解释。此外，MEMS结构元件10设置有用于感测该震动质量11的偏转的器件，但是这些器件在这里未详细示出。此外，构件100包括一具有用于MEMS结构元件10的传感器信号的分析电路的ASIC结构元件20和一盖30。

构件100以晶片堆的形式实现。ASIC结构元件20作为构件100的载体起作用。MEMS结构元件10通过托脚结构21装配在ASIC结构元件20上，从而确保传感器结构11的可运动性。盖30这样布置在MEMS结构元件10的传感器结构11上方并且装配在MEMS结构元件10上，使得传感器结构11布置在ASIC结构元件20和盖30之间的封闭空腔22内。

根据本发明，MEMS结构元件10以层结构的形式实现，其中，微机械的传感器结构和尤其震动质量11延伸经过该层结构的两个功能层3、5。这两个功能层3、5通过绝缘的中间层4相互分开，从而两个功能层3、5在电流关系上分开。

震动质量11在此按摇臂的方式支承在一点上。为此，震动质量通过托脚结构21的唯一支撑位置23与ASIC结构元件20连接。因为震动质量11的质量分布关于该支承装置非对称，与构件结构的层平面垂直的加速度引起震动质量11绕其支承装置的旋转运动，这在图1中通过箭头表示。震动质量11关于其支承装置的非对称质量分布不仅要归因于支撑位置23的偏心布置，还要归因于：震动质量11在支撑位置23的一侧上构造在两个功能层3、5中，而它在支撑位置23的另一侧上仅延伸经过功能层5，因为另一功能层3在该区域中被去除。因此，震动质量11在该一侧上为在该另一侧上的约两倍厚。

在此示出的实施例中，在震动质量11的该一侧上构造有通风口7，该通风口延伸经过震动质量11的整个厚度，即，经过两个功能层3和5以及中间层4。通风口7有助于传感器结构11的去阻尼。

下面借助图2a至2d解释用于制造前述惯性传感器构件100的优选方法方案。该方法从三个首先被相互独立地处理的衬底开始。

如已经提到的，在此描述的实施例中，ASIC结构元件20作为构件结构的载体起作用。因为这类ASIC结构元件通常不单独地而是大量地以晶片集合（Waferverbund）的形式制造，概念“ASIC衬底20”以下用作概念“ASIC结构元件20”的同义词。图2a示出ASIC衬底20，该ASIC衬底已设置有用于构件100的MEMS传感器功能的信号处理和分析处理电路，这在此未详细示出。但是除此之外，ASIC衬底20也可以包括与MEMS无关的电路功能。在此不详细描述ASIC衬底20的CMOS处理，因为该CMOS处理没有通过本发明详细指定。然后，使氧化硅层21在这里所示的ASIC衬底20上沉积和结构化。该结构化的氧化硅层21一方面用作用于ASIC衬底20相对于构件结构的其他部件的电绝缘并且另一方面构成用于MEMS衬底的装配的托脚结构。托脚结构21包括用于传感器结构的震动质量的支撑位置23和用于MEMS衬底的、围绕的键合框架24（Bondrahmen）。

因为晶片集合形式的MEMS结构元件10也在构件100的制造范围内在中制成，以下将概念“MEMS结构元件”和“MEMS衬底”也作为同义词使用。在此所述的制造方案中，双层的SOI晶片被用作MEMS衬底10，该MEMS衬底由SOI衬底1、下氧化层2、下硅功能层3、另一氧化层4和上硅功能层5组成。这类SOI晶片例如可以通过热氧化、硅直接键合（Siliziumdirektbonden）、深反应离子蚀刻（DRIE）步骤和化学机械抛光步骤（CMP）的重复次序来制造。

图2b示出在预处理之后的MEMS衬底10，其中，上硅功能层5已被结构化，以便将用于装配的键合框架51暴露地放置在ASIC衬底20或者托脚结构21的键合框架24上并且将具有通风口7的、微机械的传感器结构的下部暴露地放置在震动质量11中。为此，可以使用结构化方法，如它们在通常在微系统技术中那样，例如光刻法与深反应离子蚀刻法相结合。在此，上氧化层4可以有利地用作蚀刻停止层。

然后，MEMS衬底10面朝下地、即与结构化的上功能层5一起装配在ASIC衬底20的托脚结构21上，这在图2c中示出。

MEMS衬底10和ASIC衬底20之间的连接优选在键合过程中产生，例如通过低温硅直接键合。一方面，这类连接很稳定并且因此持久。另一方面，以这种方式，微机械的传感器结构11可以被简单地、严密地、密封地封闭在ASIC衬底20和盖30之间形成的空腔22中。在MEMS衬底10的后侧上的箭头表示，SOI衬底1在装配之后去除，例如通过深反应离子蚀刻或者KOH蚀刻。在此，氧化层2或者可以同样地去除，或者它可以用作用于下功能层3的接下来的结构化步骤的硬掩膜。

该结构化与上功能层5的结构化无关地进行，因为两个功能层3和5通过作为蚀刻停止层起作用的氧化层4相互分开。与之相应地，下功能层3的布局也可以与上功能层5的布局无关地选择，这通过图2d示出。与功能层5不同，功能层3在支撑位置23的上方和支撑位置23的右边的区域中被完全去除。与之相应地，震动质量11的质量分布相对于支撑位置23明显不对称，该质量分布的确由两个功能层3和5共同构成。此外，从功能层3结构化出用于盖晶片的装配的键合框架31。

图2d示出在氧化层4选择性地打开以通过沉积导电层、例如铝或多晶硅电连接两个功能层3和5之后的构件结构。但是该层在此未示出。

随后，传感器结构和尤其震动质量11最终露出。为此，例如通过HF气相蚀刻去除氧化层2和4的开放区域。该蚀刻过程应该足够短或者在时间控制下，以便不损坏托脚结构21。

在此之后，一以合适的方式预先结构化的盖晶片被作为第三衬底装配在已这样处理的MEMS衬底10上。MEMS衬底10和盖晶片之间的连接例如可以通过共晶的键合或者也可以借助玻璃钎焊料产生。在此之后，各个构件才从晶片集合中脱出。该分离例如通过锯开来实现。先前描述的制造方法的结果是构件100，如它在图1中所示的那样。

最后还要指出，根据本发明的构件构想不局限于传感器应用，而是也可以在促进器构件的实现中转换。

Claims (16)

1.一种混合集成的构件(100)，至少包括一载体(20)、一MEMS结构元件(10)和一盖(30)，

·其中，该MEMS结构元件(10)通过托脚结构(21)装配在该载体(20)上和

·其中，该盖(30)布置在该MEMS结构元件(10)的微机械结构(11)上方；

其特征在于，所述MEMS结构元件(10)以层结构的形式实现并且所述MEMS结构元件(10)的微机械结构(11)延伸经过该层结构的至少两个功能层(3，5)，所述至少两个功能层通过至少一个中间层(4)相互分开，其中，所述MEMS结构元件(10)的所述微机械结构包括至少一个能够偏转的震动质量(11)，所述震动质量通过所述托脚结构(21)的唯一的支撑位置(23)与所述载体(20)连接。

2.根据权利要求1所述的混合集成的构件(100)，其特征在于，所述MEMS结构元件(10)的微机械结构(11)包括至少一个延伸经过所述两个功能层(3，5)的区段和至少一个仅延伸经过所述两个功能层(3，5)中的一个的区段。

3.根据权利要求1或2所述的混合集成的构件(100)，其特征在于，所述MEMS结构元件(10)的两个功能层(3，5)涉及单晶的硅层。

4.根据权利要求1或2所述的混合集成的构件，其特征在于，所述MEMS结构元件的一个功能层通过一SOI晶片的功能层构成并且该MEMS结构元件的另一个功能层通过SOI载体衬底构成。

5.根据权利要求1或2所述的混合集成的构件(100)，其特征在于，所述MEMS结构元件(10)的两个功能层(3，5)通过双层的SOI晶片的两个功能层(3，5)构成。

6.根据权利要求1或2所述的混合集成的构件(100)，其中，所述MEMS结构元件(10)的所述微机械结构设置有用于感测该震动质量(11)的偏转的电路器件，并且所述震动质量布置在所述盖(30)和具有用于传感器信号的分析电路的ASIC结构元件(20)之间的封闭的空腔(22)中。

7.根据权利要求6所述的混合集成的构件(100)，其特征在于，所述震动质量(11)包括至少一个延伸经过两个功能层(3，5)的区段和至少一个仅延伸经过两个功能层(3，5)中的一个的区段，从而该震动质量(11)的质量分布相对于该震动质量的悬挂装置或者支承装置(23)非对称。

8.根据权利要求6所述的混合集成的构件(100)，其特征在于，在所述震动质量(11)中构造有一通风口(7)，该通风口延伸经过该震动质量(11)的整个厚度。

9.根据权利要求1所述的混合集成的构件(100)，其特征在于，所述载体是呈ASIC结构元件(20)形式的载体。

10.用于制造混合集成的构件的方法，该混合集成的构件具有至少一个载体、至少一个MEMS结构元件和一用于该MEMS结构元件的微机械结构的盖，

·其中，在该载体上产生一托脚结构，

·其中，将作为MEMS衬底起作用的SOI晶片的功能层结构化并且

·其中，该MEMS衬底面朝下地与该结构化的功能层一起装配在该载体的托脚结构上，

其特征在于，

·所述SOI晶片的SOI衬底作为所述MEMS衬底的第二功能层起作用并且在该MEMS衬底装配在所述载体上之后被结构化，从而形成一微机械结构，该微机械结构延伸经过所述功能层和所述SOI衬底，并且

·在所述微机械结构上装配一盖晶片。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述SOI衬底在它被作为所述MEMS衬底的第二功能层结构化之前，回薄到一预先给定的厚度。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述载体是呈ASIC结构元件(20)形式的载体。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法用于制造根据权利要求1至9中任一项的混合集成的构件。

14.用于制造混合集成的构件(100)的方法，该混合集成的构件具有至少一个载体(20)、至少一个MEMS结构元件(10)和一用于该MEMS结构元件(10)的微机械结构(11)的盖(30)，

·其中，在该载体(20)上产生一托脚结构(21)，

·其中，使作为MEMS衬底(10)起作用的SOI晶片的最上面的第一功能层(5)结构化并且

·其中，该MEMS衬底(10)面朝下地、与该结构化的功能层(5)一起装配在该载体(20)的托脚结构(21)上，

其特征在于，

·将一具有两个功能层(3，5)的双层SOI晶片在一SOI衬底(1)上作为MEMS衬底(10)使用，其中，所述两个功能层(3，5)通过绝缘层(4)相互分开并且与所述SOI衬底(1)分开，

·所述SOI晶片的第二功能层(3)作为所述MEMS衬底(10)的第二功能层起作用并且在该MEMS衬底(10)装配在所述载体(20)上并且所述SOI衬底(1)被去除之后被结构化，从而形成一微机械结构(11)，该微机械结构延伸经过所述SOI晶片的两个功能层(3，5)，并且

·在所述微机械结构(11)上装配一盖晶片(30)。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述载体是呈ASIC结构元件(20)形式的载体。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法用于制造根据权利要求1至7中任一项的混合集成的构件。