CN103771334A - 混合集成部件 - Google Patents

Abstract

提出用于具有至少一个MEMS构件(10)并且具有至少一个由半导体材料制成的罩(20)的部件(100)的措施，通过所述措施能够使得所述罩(20)除其作为空腔的封闭和微机械结构的保护的机械功能之外，配备有电功能。这种部件(100)的MEMS构件(10)的微机械结构设置在载体(1)与所述罩(20)之间的空腔中，并且包括至少一个结构元件(11)，所述至少一个结构元件能够在空腔内从构件层面向外偏转。根据本发明，所述罩(20)应包括至少一个在所述罩(20)的整个厚度上延伸的区段(21，22)，所述至少一个区段与相邻的半导体材料电绝缘，使得其能够与所述罩(20)的其余区段无关地电接通。

Description

混合集成部件

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个MEMS(微机电系统)构件和具有至少一个由半导体材料制成的罩的部件，其中，所述MEMS构件的微机械结构设置在载体与罩之间的空腔中，并且包括至少一个结构元件，所述至少一个结构元件能够在空腔内从构件层面向外偏转。

背景技术

具有MEMS构件的部件多年来对于最不同的应用、例如在汽车技术和消费者电子的领域内被批量加工制造。所述MEMS构件可以是一种具有探测装置的用于检测微机械结构元件的偏转的传感器元件，或是一种具有驱动装置的用于控制可偏转的结构元件的执行器元件。罩保护MEMS构件的微机械结构免受如颗粒、潮湿和侵入性环境介质的环境影响。此外，在严密密封地装配罩的情况下可以在空腔内建立所定义的压力比。

US2011／0049652A1提出一种用于垂直混合集成部件的方案，根据该方案，由ASIC、MEMS和罩构成芯片堆叠。在此描述的方法中，将用于MEMS构件的初始衬底键合到已经处理过的ASIC衬底上。然后才在MEMS衬底中产生包括至少一个可偏转的结构元件的微机械结构。与此无关地，由半导体材料制成的罩被结构化并且被预先准备用于在ASIC衬底的微机械结构上和ASIC衬底上的装配。在MEMS衬底的结构化之后将如此经过处理的罩晶片键合到ASIC衬底上，从而以严密密封的方式将微机械结构包围在ASIC衬底和罩之间的空腔中。

在US2011／0049652A1中所述的部件配备有电容器装置，视MEMS功能而定，能够将该电容器装置用于检测外部引起的结构元件偏转，或也用于控制可偏转的结构元件，也就是使其运动。为此，所述电容器装置包括至少一个在MEMS构件的可偏转的结构元件上的可偏转的电极，并且包括一些在ASIC衬底表面上的结构化的金属层中构造的固定电极。

发明内容

借助本发明提出一些措施，通过所述措施能够使得一开始提到的类型的部件的罩除其作为空腔的封闭和微机械结构的保护的机械功能之外，配备有电功能。

这根据本发明通过以下方式实现：罩包括至少一个在该罩的整个厚度上延伸的区段，所述至少一个区段如此与相邻的半导体材料电绝缘，使得其能够与罩的其余区段无关地电接通。

因此根据本发明，在罩的整个厚度上延伸的各个区段电退耦。这开辟了以下可能性：将多个相互无关的电功能集成到罩中，更确切地说，将其分别集成到罩的电绝缘区段中。在最简单的情况下，仅仅将罩的电绝缘区段置于某个所定义的电位上。但也可能的是，使罩的各个区段设有较复杂的电路功能。

原则上有不同的可能性用于实现和使用具有根据本发明电绝缘的区段的罩以及用于实现具有这种罩的部件。

有利地，借助半导体工艺的标准方法在罩的各个区段之间产生电绝缘部。在一种优选的变型方案中，罩首先结构化，用于通过环绕的沟槽结构限定待绝缘的各个区段。然后以电绝缘材料完全地或至少部分地填充这些沟槽结构。通过对罩进行背侧减薄能够实现：如此产生的电绝缘结构在罩晶片的整个厚度上延伸，并且各个区段电隔离。

视根据本发明的部件的MEMS构件的功能而定，可能有利的是，罩的朝向空腔的表面是结构化的，更确切地说，使得MEMS构件的微机械结构在没有偏转的状态中位于相对于罩的至少一个电绝缘区段的定义间距处。借助这种结构化，能够在罩中产生例如止挡结构作为用于可偏转的结构元件的机械的过载保护，所述止挡结构处在一个所定义的电位上。通过这种方式能够避免部件中的短路，或能够通过电的方式探测机械接触。

在本发明的一种特别有利的实施方式中，将罩的电绝缘区段作为电容器装置的固定电极，用于微机械结构的信号检测或控制。MEMS构件的可偏转的结构元件在此作为电容器装置的至少一个可偏转的电极的载体起作用。在这种情况下，能够通过适当地结构化罩的朝向空腔的表面来有针对性地影响电容器装置的电极层面之间的间距。因此，例如为了增大电极间距，可以在可偏转的结构元件上的区域中减小罩的厚度。

如前所述，根据本发明，能够电接通罩的电绝缘区段。有利地，在MEMS构件的微机械结构上装配罩时建立与罩的电绝缘区段的电连接，使得通过MEMS构件和／或载体实现电接通。这简化了整个部件的外部电接通。

在第一种部件变型方案中，MEMS构件的功能以层结构在半导体衬底上实现，所述半导体衬底作为载体起作用。MEMS构件的层结构包括至少一个印制导线层面和至少一个功能层，在所述至少一个功能层中构造具有至少一个可偏转的结构元件的MEMS构件的微机械结构。印制导线层面一方面通过至少一个绝缘层与半导体衬底绝缘，另一方面通过至少一个绝缘层与功能层绝缘。在这种情况下，罩的电绝缘区段以及功能层中的MEMS功能有利地通过MEMS构件的印制导线层面电接通。罩与印制导线层面之间的电连接例如可以通过罩与功能层之间的键合连接以及功能层面与印制导线层面之间的接触孔来建立。

但根据本发明的部件方案也可以通过有利的方式以3层晶片堆叠形式实现，所述3层晶片堆叠具有：作为载体的ASIC构件、其微机械结构在其整个厚度上延伸的MEMS构件、根据本发明配置的罩。在此，如此将MEMS构件装配在ASIC构件上，使得在可偏转的结构元件与ASIC构件的表面之间存在间隙。在这种部件变型方案中，有利地通过ASIC构件电接通罩的电绝缘区段。在此，也可以简单地通过键合连接以及必要时MEMS构件中的覆镀通孔建立罩与ASIC构件之间的电连接。

如前所述，其微机械功能基于电容式探测原理或激励原理的部件是用于根据本发明的部件方案的优选应用。就此而言，证明为特别有利的是，罩的电功能能够实现具有三个电极层面的差分电容器装置。为此，给可偏转的结构元件配备至少一个电极，所述至少一个电极构成这种差分电容器装置的中间电极。然后一方面在载体上、另一方面在罩上实现固定的“平面外”电极。借助这类电容器装置能够实现MEMS功能的相对较高的灵敏性，因为在给定的结构空间上增大探测装置的面积。附加地，在微机械加速度传感器的情况下，可以通过更过空间隔离的探测装置实现改善的偏移稳定性。在微机械转速传感器、尤其是平面外探测传感器的情况下，通过将电极设置在可运动的结构的上方和下方，可以减小干扰效应如弯曲和振动的影响。

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两个实施例的以下描述。

附图1示出根据本发明的以2层晶片堆叠形式的传感器部件100的示意剖视图，以及

附图2示出根据本发明的以3层晶片堆叠形式的惯性传感器部件200的示意剖视图。

具体实施方式

附图1所示的传感器部件100基本上由一个MEMS构件10和一个罩20组成。

在半导体衬底1上以层结构实现MEMS构件10的功能。在此，所述衬底例如可以是硅衬底。层结构包括印制导线层面3和功能层5。在此，以掺杂多晶硅层的形式实现印制导线层面3，所述多晶硅层例如沉积在半导体衬底1上的由例如氧化硅或氮化硅制成的第一绝缘层2上。但也能以例如由铝、铜、金或铂制成的金属层的形式实现印制导线层面。已经通过多晶硅层3的结构化使得印制导线层面3的各个区域相互空间隔离，以便因此产生一些印制导线、一个用于微机械传感器结构的连接区31、以及测量电容器装置的一个固定电极32。然后，在将例如由多晶硅制成的厚的功能层5沉积在层结构上之前，在如此结构化的印制导线层面3上首先产生和结构化另一绝缘层4。绝缘层4在此用作印制导线层面3与功能层5之间的电绝缘部，但也可以用作牺牲层，在结构化功能层5之后局部地去除牺牲层，以便在功能层5中暴露因此产生的微机械传感器结构。与此相应地，牺牲层4的厚度确定微机械传感器结构与印制导线层面3中的电极32之间的间距。微机械传感器结构与印制导线层面3之间的典型的间距为0.5μm至3μm，优选为1.0μm至2.0μm。在此所述的实施例中，微机械传感器结构包括一个振动质量(seismische Masse)11，所述振动质量以机械和电的方式连接到印制导线层面3的连接区31上。振动质量11作为测量电容器装置的可运动的电极起作用。

与MEMS构件10无关地结构化和预处理罩20。在此，根据本发明产生电绝缘区段21、22，其通过在罩20的整个厚度上延伸的电绝缘部23隔开。

为此，在第一蚀刻步骤中，在罩20的表面中产生凹部24和25。蚀刻方法确定最终的沟槽结构的形状。由于在本实施例中在第一蚀刻步骤中应用了各向同性的氢氧化钾蚀刻法，因此凹部24和25在此呈V形。凹部24限定电绝缘区段21和22以及一个框架区域26，而通过凹部25限定用于电绝缘区段21、22的接触区27。在第二各向异性蚀刻步骤中继续对凹部24开槽，直至确定的深度。然后以电绝缘材料——例如氧化物填充这些绝缘沟槽23。随后在背侧以如此程度研磨(zurückschleifen)罩20，使得填充后的绝缘沟槽23现在在罩20的整个剩余厚度上延伸。

然后将经如此处理的罩20面朝下、即借助结构化的表面装配在MEMS构件10的层结构上。在此以一种键合方法在使用导电的连接材料7的情况下建立罩20与MEMS构件10之间的机械连接和电连接。例如导电金属如铝、金、铜，掺杂的半金属如硅或锗，或金属合金、优选共晶成分的合金例如硅／金或者铝／锗适合于此。通过共晶成分，与纯合金组分相比降低了熔化温度，这在建立键合连接时带来优点。借助框架区域26中的环绕的键合连接7保证具有振动质量11的传感器结构以严密密封方式包围在MEMS衬底1与罩20之间。接触区27中的键合连接7主要用于与电绝缘区段21和22的电接通，所述电绝缘区段用作测量电容器装置的另外的固定电极。这些电极21和22通过键合连接7和MEMS构件10连接到印制导线层面3上。

相应地，传感器部件100的测量电容器装置因此包括三个电极层面，即具有固定电极32的印制导线层面3、具有作为可偏转的电极的振动质量11的功能层5、以及具有作为电容器装置的另外的固定电极起作用的电绝缘区段21和22的罩晶片20。可以借助该测量电容器装置检测振动质量11的偏转作为电容变化。

在这类电容器装置中特别有意义和有效的是，具有固定电极32和21、22的这两个层面相对于振动质量11对称地设置，即罩20的区段21、22和振动质量11的上侧之间的间距与印制导线层面3和振动质量11的下侧之间的间距大致同样大。因此键合连接7的厚度与绝缘层或者牺牲层4的厚度有利地协调。这尤其在惯性传感器中提供性能优点。此外，这有助于振动稳健性和改善的偏移稳定性，因为尤其在离开层面运动的传感器的情况下，可以实现电容变化的全差分分析处理。在此，在运动时增大其中一个电容，降低另一个电容，使得在现有的构造面上总共实现更多的信号。

与先前描述的传感器部件100不同，附图2所示的传感器部件200是一个3层晶片堆叠，其具有作为载体的ASIC构件201、其微机械结构在构件的整个厚度上延伸的MEMS构件210、以及罩220。

ASIC构件201包括初始衬底202，电路功能204集成到所述初始衬底中。这些电路功能通过初始衬底202上的背端堆叠203的电路层面205相互连接。以结构化的金属层的形式实现这些电路层面205，所述结构化的金属层通过绝缘层相互空间隔离和电隔离，并且与初始衬底202空间隔离和电隔离。有利地，至少一部分用于所分配的MEMS构件210的信号处理与分析处理电路集成在ASIC构件201中。但此外，也可以实现与MEMS无关的电路功能。在此，在ASIC构件201的最上面的电路层面中构造用于MEMS构件210的振动质量211的连接区206、测量电容器装置的两个电极207、用于罩220的电绝缘区段221、222的连接区208、用于罩220的环绕的装配区209、以及用于外部接通传感器部件200的键合盘区40。

MEMS构件210装配在ASIC构件201的背端堆叠203上，更确切地说，如此装配在ASIC构件201的背端堆叠203上，使得在振动质量211与背端堆叠203之间存在一间距。为此，在此所示的实施例中，通过连接区206中的覆镀通孔212以机械和电的方式将MEMS构件210与ASIC构件201连接。在此，所述MEMS构件210是一种摇杆设计的z加速度传感器。微机械传感器结构在MEMS构件210的整个厚度上延伸，并且呈摇杆状地弹性支承在偏心设置的覆镀通孔212上，如附图2中的箭头所示。在传感器元件200中，摇杆结构211也作为测量电容器装置的可偏转的电极起作用。

在此，罩220装配在MEMS构件210上同样也装配在ASIC构件201的背端堆叠203上。如传感器部件100的罩20那样，罩220也经过结构化。在此应注意，罩220也能够以层结构形式实现，和／或作为多个半导体衬底的复合体实现。根据本发明，罩220包括电绝缘区段221和222，所述电绝缘区段以及区段221和222之间的电绝缘沟槽223在罩220的整个厚度上延伸。这两个电绝缘区段221和222分别设置在ASIC构件201的背端堆叠203上的电极207的对面，并且同样可用作测量电容器装置的固定电极。这些区段221和222的电接通通过罩220的朝向ASIC构件201的表面中支柱状的扩展部224和这些区段在ASIC背端堆叠203的最上面的电路层面中的连接区208中的导电键合连接实现。罩220的区段221和222不仅仅相互电绝缘，而且也与环绕的边缘区域226电绝缘，罩220通过所述边缘区域以严密密封方式与装配区209连接。因此，在这里所示的部件200中，整个MEMS构件210设置在ASIC构件201和罩220之间的空腔227中。

在z方向的加速度的情况下，使得摇杆结构211偏转或者倾斜。在此，在覆镀通孔212、摇杆结构211的支承装置的两侧，或者摇杆结构211和相对置固定的电极之间的上面的电极间隙或者下面的电极间隙变大，而摇杆结构211和另一个相对置的固定电极之间的另一电极间隙变小，这分别引起相应的电容变化。摇杆结构211与ASIC背端堆叠203的最上面的电路层面中的固定电极207和罩220的固定电极221和222共同构成用于检测摇杆结构211的偏转的全差分测量电容器装置。

在构造和连接技术的范畴内将传感器部件200在ASIC侧置于载体例如印刷电路板上，然后以机械方式固定在那。在此，通过ASIC背端堆叠203的最上面的电路层面中的、即ASIC构件201的上侧上的暴露的键合盘区40以及通过引线键合41实现传感器部件200的电接通。

Claims (9)

1.一种具有至少一个MEMS构件(10)并且具有至少一个由半导体材料制成的罩(20)的部件(100)，其中，所述MEMS构件(10)的微机械结构设置在载体(1)与所述罩(20)之间的空腔中并且包括至少一个结构元件(11)，所述至少一个结构元件能够在空腔内从构件层面向外偏转，其特征在于，所述罩(20)包括至少一个在所述罩(20)的整个厚度上延伸的区段(21，22)，所述至少一个区段如此与相邻的半导体材料电绝缘，使得其能够与所述罩(20)的其余区段无关地电接通。

2.根据权利要求1所述的部件(100)，其特征在于，所述罩(20)的各个区段(21，22)与所述相邻的半导体材料之间的电绝缘部(23)在半导体材料中以沟槽结构形式实现，所述电绝缘部在所述罩(20)的整个厚度上延伸并且至少部分地以电绝缘材料填充。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的部件(100)，其特征在于，所述罩(20)的朝向所述空腔的表面是结构化的，使得所述MEMS构件(10)的微机械结构(11)在没有偏转的状态中位于相对于所述罩(20)的至少一个电绝缘区段(21，22)的定义间距处。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的部件，其特征在于，所述罩的至少一个电绝缘区段作为所述可偏转的结构元件的机械止挡起作用。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的部件(100)，其特征在于，所述罩(20)的至少一个电绝缘区段(21，22)作为电极起作用，尤其用于电容式检测所述可偏转的结构元件(11)的偏转，和／或用于电容式激励所述可偏转的结构元件(11)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的部件(100)，其特征在于，在所述罩(20)的至少一个电绝缘区段(21，22)与所述MEMS构件(10)和／或所述载体之间存在电连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的部件(100)，

其中，所述MEMS构件(10)的功能以层结构在所述载体(1)上实现，

其中，所述MEMS构件(10)的层结构包括至少一个印制导线层面(3)和至少一个功能层(5)，在所述至少一个功能层中构造有具有至少一个可偏转的结构元件(11)的MEMS构件(10)的微机械结构，

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

其特征在于，所述罩(20)的至少一个电绝缘区段(21，22)能够通过所述MEMS构件(10)的印制导线层面(3)电接通。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的部件(200)，

其中，具有所述至少一个可偏转的结构元件(211)的微机械结构在所述MEMS构件(210)的整个厚度上延伸，

其中，ASIC构件(201)作为载体起作用，所述MEMS构件(210)装配在所述载体上，使得在所述可偏转的结构元件(211)与所述ASIC构件(201)的表面之间存在间隙，

其特征在于，所述罩(220)的至少一个电绝缘区段(221，222)能够通过所述ASIC构件(201)电接通。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的部件(100)，所述部件具有用于所述至少一个可偏转的结构元件(11)的信号检测和／或激励的电容器装置，尤其具有作为可偏转的结构元件的振动质量的惯性传感器部件，

其中，所述可偏转的结构元件(11)配备有所述电容器装置的至少一个电极，

其中，在所述载体(1)上构造有所述电容器装置的至少一个固定的对应电极(32)，

其中，在所述罩(20)上在至少一个电绝缘区段(21，22)中构造有所述电容器装置的至少一个另外的固定的对应电极。

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