CN103420324A - 混合集成的构件 - Google Patents

Abstract

提出一种具有MEMS构造元件和ASIC构造元件的混合集成构件，其微机械功能基于电容探测原理和激励原理。MEMS构造元件的功能性在半导体衬底上的层结构中实现。MEMS构造元件的层结构包括半印制导线层面和功能层，在该功能层中MEMS构造元件的微机械结构构造有可偏转结构元件。印制导线层面一方面通过绝缘层相对于半导体衬底绝缘、另一方面通过绝缘层相对于功能层绝缘。ASIC构造元件面朝下安装在MEMS构造元件的层结构上并且对于MEMS构造元件的微机械结构起盖的作用。根据本发明，MEMS构造元件的可偏转结构元件构造有电容装置的电极。在MEMS构造元件的印制导线层面中构造有电容装置的固定反电极，ASIC构造元件包括电容装置的另外的反电极。

Description

混合集成的构件

技术领域

本发明涉及一种构件，具有至少一个MEMS（微机电系统）构造元件并且具有至少一个ASIC（专用集成电路）构造元件。MEMS构造元件的功能在半导体衬底上的层结构中实现。该层结构包括至少一个印制导线层面和至少一个功能层，在该功能层中构成具有至少一个可偏转结构元件的MEMS构造元件的微机械结构。印制导线层面一方面通过至少一个绝缘层相对于半导体衬底绝缘，另一方面通过至少一个绝缘层相对于功能层绝缘。ASIC构造元件面朝下安装在MEMS构造元件的层结构上并且对于MEMS构造元件的微机械结构起到盖的作用。

MEMS构造元件可涉及具有用于感测微机械结构元件的偏转的电路器件的传感器元件，或者涉及具有用于控制可偏转结构元件的电路器件的致动器元件。有利地，在ASIC构造元件上集成有用于MEMS构造元件的功能。即，在传感器元件情况下ASIC构造元件包括用于传感器信号的评估电路，而在致动器元件情况下ASIC构造元件包括用于激励微机械结构的控制电路。但当然，ASIC构造元件也可构造有与MEMS无关的电路功能。

背景技术

本发明的出发点是在德国文献DE102007048604A1中描述的构件方案。据此提供了一种具有层结构的MEMS晶片，其中，利用表面微机械方法产生了微机械结构。

为此，在实际中首先将第一绝缘层安装在半导体衬底上。此外将印制导线层面以掺杂的和结构化的多晶硅层的形式产生。最后，在此外用作牺牲层的另一绝缘层上再将一相对厚的Epi多晶硅层作为功能层沉积，在该功能层中实现MEMS构造元件的微机械结构。为此，首先结构化功能层，以限定微机械结构的几何尺寸。然后，在牺牲层过程中释放微机械结构，在该牺牲层过程中，去除微机械结构下方的另外的绝缘层。

在这样处理的MEMS晶片的层结构上安装ASIC晶片，也就是面朝下，使得ASIC晶片的设有电路功能的表面面向MEMS晶片。按这种方式，不仅MEMS构造元件的微机械元件、而且ASIC构造元件的电路功能都被封装。MEMS晶片和ASIC晶片之间的连接在这里以电键合方法制造。在此，除了两个晶片之间的气密密封的连接外，还可制造MEMS晶片和ASIC晶片之间的电连接。

该已公开的构件方案使得能够低成本地批量生产具有微机械传感器功能或致动器功能并且具有评估电路或者控制电路的鲁棒构件，因为在这里不仅各个构件组成部分—MEMS构造元件和ASIC构造元件—在晶片复合中制造，而且也实现了将它们组装成晶片层面上的一个构件。MEMS功能和ASIC功能可在晶片层面上测试，甚至各个构件的调整可在晶片层面上进行。此外，该公知的构件的堆叠结构有助于降低最终仪器的制造成本，因为这些构件在第二级安装中只需要相对小的安装面。

发明内容

通过本发明改进具有一MEMS构造元件和一ASIC构造元件的混合集成构件，其微机械功能基于电容式探测原理或激励原理。尤其提出为用于改善电容式信号感测或者控制的措施。

为此，MEMS构造元件的可偏转结构元件装备有电容装置的至少一个电极。该电容装置的至少一个固定的反电极构造在该MEMS构造元件的印制导线层面中。根据本发明，电容装置包括设置在ASIC构造元件上的至少一个另外的反电极。

因此，根据本发明的构件构造有差分电容装置，所述差值电容装置的固定的“层面外”电极一方面埋设MEMS构造元件的层结构中，另一方面在ASIC构造元件上实现。因此能够在相对小的芯片面积上获得MEMS功能的高灵敏度。这种电容装置使得能够实现具有更高抗振性的微机械回转率传感器。在微机械加速度传感器中可以获得大的偏置稳定性。

在本发明的一个特别有利的实施方式中，在ASIC构造元件的上侧构成一具有多个电路层面的层结构，这些电路层面通过绝缘层相对于ASIC构造元件的半导体衬底电绝缘并且和彼此相对电绝缘。在CMOS晶片的情况下，这些电路层面以后端堆叠（Backendstapel）的结构化的金属层的形式实现。电容装置的所述至少一个另外的反电极则可简单地构造在所述电路层面的一该中。最上面的电路层面适合于此。但也可使用更深的电路层面，如果处于其上的电路层面被相应结构化并且在反电极的区域中被去除。以这种方式能够有针对性地影响电容装置的灵敏度。即灵敏度主要取决于电极间距，但也取决于电容装置的电极之间的电介质，这尤其在一个反电极构造ASIC构造元件的层结构内的下面的电路层面中时是要考虑的。在很多应用中，例如在惯性传感器中，有利的是，电容装置的两个电极开口基本上同样大，也就是MEMS构造元件的层结构中的嵌入的下电极与可偏转结构元件的下侧面之间的距离和ASIC构造元件的上电极与可偏转结构元件的上侧面之间的距离相似。在这种情况下可以实现特别好的抗振性和偏置稳定性。

尤其地对于具有小电极开口的构件构造证实有利的是，ASIC构造元件的最上面的电路层面中的至少一个电极面对于MEMS构造元件的可偏转结构元件用作机械止挡。ASIC构造元件在这种情况下对于MEMS构造元件的微机械结构形成机械过载保护。为了在过载情况下防止在ASIC构造元件的电路功能和MEMS构造元件的微机械结构之间短路，用作机械止挡的所述电极面被这样连线，使得所述电极面处在和MEMS构造元件的微机械结构相同的电位上。这可以基于ASIC构造元件的电路层面的非常灵活的布线可能性而简单地实现。

ASIC构造元件的电路层面的灵活的布线可能性也被用在本发明的另一实施例中，具体说为了通过功能层中的连接区域和ASIC构造元件的至少一个电路层面而将MEMS构造元件的印制导线层面的在空间上分开的区域电连接。这在各种方面证实是有利的。MEMS构造元件的印制导线层面中的印制导线具有30微米至40微米的最小宽度，从而具有大的位置需求和大的寄生电容。与此不同，在ASIC构造元件的电路层面中可无困难地实现1微米数量级的印制导线宽度。因此能够通过利用ASIC构造元件的、用于MEMS构造元件的印制导线层面中的电路元件的布线的布线可能性明显降低寄生电容、连接电阻和用于布线的位置需求。

已经阐明，电容装置的灵敏度主要取决于运动的和固定的电极之间的距离。所述距离越小，灵敏度越高。因此，对尽可能高灵敏度的要求与微机械结构的“层面外”运动性对立。尤其地在结构元件非对称悬挂的情况下并且在MEMS构造元件的可偏转结构元件上和在ASIC构造元件上的电极布置适当时，可考虑两个要求，其方式是，在ASIC构造元件上的上侧面中构造有至少一个用于MEMS构造元件的可偏转结构元件的空隙。

MEMS构造元件的可偏转结构元件上的电极和ASIC构造元件上的固定电极之间的距离基本上取决于ASIC构造元件在MEMS构造元件上的安装方式。如已经阐述的，在这里优选使用键合方法，因为通过这种方法不仅可以产生密封的、机械上很稳定的并且耐久的连接，而且可以产生结构元件之间的电连接。为此经常将金属键合材料施加到连接表面上，所述连接表面则在热处理过程中形成低共熔的连接。产生的连接层的厚度确定MEMS构造元件和ASIC构造元件之间的距离并且因此也确定电极间距。

一种用于缩小由安装引起的电极间距的可能性在于，将连接材料安放在ASIC构造元件的上侧面中的空隙中和/或安放在MEMS构造元件的上侧面中的空隙中。但在确定情况下也可有意义的是，增大由安装引起的电极间距。为此也可使MEMS构造元件的功能层在微机械结构的区域中回薄。

根据本发明的方案尤其适合于实现混合集成的、非接触式工作的传感器构件，如惯性传感器构件，因为传感器结构在此被密封地被围在MEMS衬底和ASIC盖之间并且这样防止污染和侵蚀性测量环境。在惯性传感器构件的情况下，MEMS构造元件的微机械结构包括至少一个弹性悬挂的振动质量作为可偏转的结构元件。所述振动质量的可运动性在这里在衬底侧通过去除牺牲层来确保并且在ASIC侧通过MEMS构造元件和ASIC构造元件之间的连接层来确保。有利的是，用于MEMS构造元件的控制和评估电路被集成在ASIC衬底中。

附图说明

如已经在前面讨论过，存在以有利方式构型或扩展本发明的不同可能性。对此，一方面参阅权利要求1之后的权利要求，另一方面参阅下面借助附图对本发明多个实施例的说明。

图1a，1b和2至6分别示出一个根据本发明的用于感测z加速度的构件的示意性剖面图。

具体实施方式

在图1a和1b中示出的传感器构件100基本上由MEMS构造元件10和ASIC构造元件20组成。

MEMS构造元件10的功能性在半导体衬底1上的层结构中实现。在此例如可以涉及硅衬底。该层结构包括印制导线层面3和功能层5。印制导线层面3在这里以掺杂的多晶硅层的形式实现，该多晶硅层被沉积在半导体衬底1上的、由氧化硅组成的第一绝缘层2上方。通过使多晶硅层3结构化，印制导线层面3的各个区域在空间上彼此分开，以便产生印制导线、用于微机械传感器结构的接头区域31以及测量电容器装置的两个固定电极32。测量电容器装置的两个固定电极32对称地设置在接头区域31的两侧。然后，在这样结构化的印制导线层面3上方，在将一厚的Epi-多晶硅层5作为功能层沉积在层结构上之前，首先产生一个另外的氧化层4并且结构化。氧化层4在这里用作印制导线层面3和功能层5之间的电绝缘，但也可用作牺牲层，该牺牲层在功能层5结构化之后被局部地去除，以释放在功能层5中这样产生的微机械传感器结构11。与此相应地，牺牲层4的厚度确定微机械传感器结构11与印制导线层面3中的电极32之间的距离。微机械传感器结构11和印制导线层面3之间的典型距离是0.5微米至3微米，优选1.0微米至2.0微米。在这里描述的实施例中，微机械传感器结构以不对称地支承的、摇臂状的振动质量11的形式实现，该振动质量机械地并且电地连接在印制导线层面3的接头区域31上。振动质量11起到测量电容器装置的运动电极的作用。图1a示出振动质量11在静止位置中，而在图1b中振动质量11最大地偏转。振动质量11的摇臂运动通过箭头表明。

ASIC构造元件20面朝下安装在MEMS构造元件10的层结构上，使得ASIC构造元件20形成用于MEMS构造元件10的传感器结构的盖并且振动质量11气密密封地被围在MEMS衬底1和ASIC构造元件20之间。两个构造元件10和20之间的机械的或电的连接在这里以键合方法在使用金属连接材料7的情况下制成。由于ASIC侧的键合焊垫构造在ASIC构造元件20的最上面的电路层面61中并且MEMS表面在键合区域中不具有凹部，因而连接层7的厚度确定两个构造元件10和20之间的距离。在这里并且也在其余的附图中省去了对ASIC构造元件20中的过孔和背面接触的描述。

ASIC构造元件20包括输出衬底21，在该输出衬底中在CMOS过程中集成构件100的用于MEMS传感器功能的信号处理和评估电路211的至少一些部分。然后给输出衬底21设置多层金属化，用于电路功能的布线。为此在输出衬底21上产生层结构，该层结构包括多个结构化的金属层作为电路层面61，62，63，…。这些电路层面通过连接导线相互连接和/或与电路元件211连接，但此外在空间上并且在电上通过绝缘层彼此分开并且与输出衬底分开。由于在这里描述的实施例中绝缘层分别是氧化层，在下面不区分各个绝缘层。而是这些层共同构成绝缘层22，在该绝缘层中埋入电路层面61，62，63，…。在这里描述的实施例中，在ASIC构造元件20的最上面的电路层面61中构造有测量电容器装置的两个另外的固定的反电极611。这两个反电极611设置得与印制导线层面3中的固定电极32对置。用于MEMS构造元件10的振动质量11的反电极611的距离通过安装距离、也就是连接层7的厚度确定，该安装距离在传感器构件100情况下基本上相当于印制导线层面3和振动质量11之间的距离。这样的安装距离例如可利用低共熔的键合方法达到，如铝-锗，或者以金属热压缩键合方法，如金-金。

据此，传感器构件100的测量电容器装置包括三个电极层面，即具有固定电极32的印制导线层面3、具有作为可偏转电极的振动质量11的功能层5和具有两个固定反电极611的、ASIC构造元件20的第一电路层面61，其中，具有固定的电极32和611的两个层面相对于振动质量11对称地设置。振动质量11的偏转可利用该测量电容器装置在摇臂结构的两侧分别作为电容差被感测到。该全差测量值感测例如当在构件内部出现由安装引起的或由热引起的、导致摇臂状振动质量11从初始位置偏转出来的机械应力时证实是有利。在具有三个电极层的测量电容器装置中可最大限度地消除该效应对传感器信号的影响，因为振动质量11的一侧的电极开口增大时振动质量11的另一侧的电极开口以等同的量度减小。此外，电容装置的对称性在传感器信号的抗振性和偏置稳定性方面提供性能优越性。

此外，在这里描述的实施例中在ASIC构造元件20的最上面的金属层面61中构成用于振动质量11的机械止挡612，这尤其通过图1b阐明。机械止挡612用作微机械传感器结构的过载保护。它借助于ASIC构造元件20的布线被置于相同的电位上，使得即使在过载情况下也不会在微机械传感器结构和ASIC构造元件20的电路功能之间出现短路。

在图2中示出的传感器构件200的MSME元件10和ASIC构造元件20之间的连接层7明显比前面描述的传感器构件100中的薄，而牺牲层4在这两种情况下大致一样厚。相应地，这两个构造元件10和20之间的距离在传感器构件200的情况下比振动质量11和印制导线层面3之间的距离小。但是为了近似对称的电极布置，图2中示出的传感器构件200的ASIC侧固定反电极621不在ASIC构造元件20的最上面的电路层面61中构成，而是在第二电路层面62中构成。此外，反电极621在这里完全嵌入到绝缘层22中。

由于图2中示出的传感器构件200在其它方面与传感器构件100无区别，因而关于其余组成部分参阅针对图1的说明。

在此还要注意，对于专门用途也有利的是，在一个构件中实现不同的电极开口。在这种情况下也可以将ASIC侧的“层面外”电极简单地在ASIC后端堆叠的更深金属层中实现。为此必须将其上面的金属层在制造过程中局部地去除。如果在该较深的金属层之上还有具有相对高介电常数的氧化层，则对于电容传感器产生具有总是还相当高的总电容的电容器串联电路。因此，这种布置最多导致电容装置灵敏度的适度下降。

图3阐明当MEMS构造元件10和ASIC构造元件20之间的连接层7明显比牺牲层4薄时电容装置的上、下电极开口的另一种平衡可能性。在传感器构件300的情况下，将振动质量11局部回薄（rückdünnen），以增大振动质量11和ASIC构造元件20中的最上面的印制导线层面61中的固定反电极611之间的距离并且适应振动质量11和印制导线层面3中的电极32之间的距离。在晶片键合过程之前进行MEMS构造元件10的功能层5的在这里通过箭头突出的结构化。

在这要注意，在这种用于平衡上面的和下面的电极开口的结构化过程中，替代地也可在键合连接的区域中产生高出部。代替或补充MEMS表面，也可给ASIC表面设置相应的结构。

由于在图3中示出的传感器构件300在其它方面与传感器构件100无区别，关于其余组成部分参阅针对图1的说明。

在图4中示出的传感器元件400的情况下，MSME元件10和ASIC构造元件20之间的连接层7明显比振动质量11和印制导线层面3中的电极32之间的距离更厚。然而为了仍然近似对称的电极布置，将键合连接置于下面的、这里的第二金属层面62上，而ASIC侧的固定反电极621构造在最上面的电路层面61中。补充或替代为此所需的ASIC表面结构化，也可给MEMS表面在键合区域中设置一个凹部或多个凹部，以使上面的电极与下面的电极相适应。

由于在图4中示出的传感器构件400在其它方面与传感器构件100无区别，关于其余组成部分参阅针对图1的说明。

图5说明，ASIC表面的结构化出于其他原因也可以是有意义的。这样，处于在这里示出的传感器构件500的ASIC表面中有一空隙23，由此提高不对称支承的振动质量11的较长端部的运动自由性。信号感测在这里也借助于电容装置进行，该电容装置的固定的电极32和611布置得与振动质量11的扭转轴的距离相对很小。

关于传感器构件500的其余组成部分参阅针对图1的说明。

图6阐明，ASIC构造元件20的电路层面也可用于MEMS构造元件10的印制导线层面3的在电上和空间上彼此分开的区域的布线，这与在印制导线层面3中布线相比明显更节省位置。在传感器构件600的情况下，印制导线层面3的两个用作振动质量11的下止挡面的区域33和34通过ASIC构造元件20的电路层面61，62和63电连接，使得所述两个区域处在相同的电位上。该电连接通过功能层5中的连接区域51制成，该功能层5通过开槽相对于邻接的Epi多晶硅绝缘。连接区域51通过键合连接71电连接在最上面的电路层面61上或第二电路层面62上，并且通过ASIC构造元件20的第三电路层面63电连接。

Claims (7)

1.构件（100），具有至少一个MEMS构造元件（10）并具有至少一个ASIC构造元件（20），

其中，所述MEMS构造元件（10）的功能性在半导体衬底（1）上的层结构中实现，

其中，所述MEMS构造元件（10）的所述层结构包括至少一个半印制导线层面（3）和至少一个功能层（5），在所述功能层中所述MEMS构造元件（10）的微机械结构构造有至少一个可偏转的结构元件（11），

其中，所述印制导线层面（3）一方面通过至少一个绝缘层（2）相对于所述半导体衬底（1）绝缘，另一方面通过至少一个绝缘层（4）相对于所述功能层（5）绝缘，

其中，所述ASIC构造元件（20）面朝下安装在所述MEMS构造元件（10）的所述层结构上并且对于所述MEMS构造元件（10）的微机械结构起到盖的作用；

其特征在于，所述MEMS构造元件（10）的所述可偏转的结构元件构造有一电容装置的至少一个电极，在所述MEMS构造元件（10）的所述印制导线层面（3）中构造有所述电容装置的至少一个固定的反电极（32），所述ASIC构造元件（20）包括所述电容装置的至少一个另外的反电极（611）。

2.根据权利要求1所述的构件（100；200），其特征在于，在所述ASIC构造元件（20）的上侧面上构造有具有多个电路层面（61，62，63，…）的层结构，所述电路层面通过绝缘层（22）相对于所述ASIC构造元件（20）的所述半导体衬底（21）电绝缘并且彼此相对电绝缘，所述电容装置的所述至少一个另外的反电极（611，621）构造在所述电路层面（61，62）之一中。

3.根据权利要求2所述的构件（100），其特征在于，所述ASIC构造元件（20）的一电路层面（61）的至少一个电极面（612）对于所述MEMS构造元件（10）的可偏转的结构元件（11）用作机械止挡，所述电极面（612）这样连线，使得其处于与所述MEMS构造元件（10）的微机械结构相同的电位上。

4.根据权利要求2或3所述的构件（600），其特征在于，所述MEMS构造元件（10）的印制导线层面（3）的在空间上分开的区域（33，34）通过所述功能层（5）中的连接区域（51）和所述ASIC构造元件的至少一个电路层面（61，62，63）电连接。

5.根据权利要求1至4之一所述的构件（500），其特征在于，在所述ASIC构造元件（20）的上侧面中构造有至少一个用于所述MEMS构造元件（10）的所述可偏转的结构元件（11）的空隙（23）。

6.根据权利要求1至5之一所述的构件（400），其中，所述ASIC构造元件（20）通过至少一个连接材料（7）安装在所述MEMS构造元件（10）的层结构上，其特征在于，所述连接材料（7）安放在所述ASIC构造元件（20）的上侧面中的空隙中和/或安放在所述MEMS构造元件（10）的上侧面中的空隙中。

7.根据权利要求1至6之一所述的构件（300），其特征在于，所述MEMS构造元件（10）的所述功能层（5）在所述微机械结构的区域中是回薄的。

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