CN106744666A - 微机械结构元件 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造微机械结构元件(100)的方法，该方法具有以下步骤：‑提供MEMS晶片(10)；‑从MEMS晶片(10)的第二衬底层(13)的表面开始结构化MEMS晶片(10)，其中，在MEMS晶片(10)的第一衬底层(11)与第二衬底层(13)之间构造至少一个导电连接部；‑提供罩晶片(30)；‑将MEMS晶片(10)与罩晶片(30)连接；‑从MEMS晶片(10)的第一衬底层(11)的表面开始结构化MEMS晶片(10)；‑提供ASIC晶片(20)；以及‑将ASIC晶片(20)与由MEMS晶片(10)和罩晶片(30)构成的复合结构连接。

Description

微机械结构元件
技术领域
本发明涉及一种微机械结构元件和一种用于制造该微机械结构元件的方法。
背景技术
用于测量例如加速度、转速、磁场和压力的微机械结构元件是已知的并且对于汽车领域和消费领域的不同应用以批量生产的方式来制造。
DE 10 2009 000 167 A1公开了一种惯性传感器，其具有两个微机械平面。因此，可以实现如下传感器拓扑结构：所述传感器拓扑结构能够实现极大的性能提升例如在加速度传感器的偏置稳定性方面的性能提升。在此，实现了一种z加速度传感器，在该z加速度传感器中可运动的质量由两个微机械层(第一和第二MEMS功能层)构成并且在该z加速度传感器中不仅在可运动的结构之下而且在可运动的结构之上——即在衬底晶片上的接线层中和在第二MEMS功能层中——都布置有电容性分析处理电极。
借助所谓的全差分(volldifferentiell)的电极装置一方面可以提高电容性负载(电容/面积)而另一方面也可以实现在(例如由安装应力造成的)衬底形变方面的稳健性。提到的第一个方面导致信噪比改善，提到的第二个方面此外导致传感器的偏置稳定性改善。
此外还已知的方案是：将MEMS晶片和分析处理ASIC晶片通过晶片接合方法彼此机械连接且电连接，这被称作“竖直集成”或“混合集成”或“3D集成”并且例如由US 7 250 353B2、US 7 442 570 B2已知。由此，可以实现用于具有垂直于芯片平面的运动的惯性传感器的传感器拓扑结构。可运动的MEMS结构布置在分析处理ASIC上，优选布置在CMOS晶片上，其中，ASIC的最上部的金属层充当固定的对应电极。
所述的技术的扩展方案设置为：除了CMOS晶片中的分析处理电极之外还在MEMS晶片中提供分析处理电极，例如由DE 10 2012 208 032 A1已知的那样。由此，可以提高集成密度，在此情况下提高结构元件的单位面积的电容，这会导致噪声减小和/或结构元件的面积需求更小。
由DE 10 2012 208 032 A已知具有两个微机械层的装置，所述微机械层借助竖直集成工艺来联接。MEMS晶片在此以表面微机械方式制造并且借助晶片接合方法与ASIC机械连接且电连接。MEMS晶片在此除了衬底之外具有三个多晶硅层(一个接线平面和两个微机械层)，它们可以很大程度上彼此独立地被结构化。结果，MEMS晶片由此包括两个微机械功能层和一个印制导线平面。这两个微机械功能层彼此连接并且形成一体式的或者说整体的质量元件。借助在ASIC晶片中构造的敷镀通孔(英语through silicon via，TSV)可以从外部实现与ASIC晶片的接线平面的电连接。
DE 10 2009 029 202 A1公开了由多个MEMS层构成的微机械结构元件的堆叠式装置，其中第一MEMS结构布置在功能层中而至少一个另外的MEMS结构至少部分布置在至少一个另外的功能层中。同样提高集成密度的这种结构可以借助由DE 10 2009 000 167 A1已知的工艺来实现。
此外，已知竖直集成的结构元件，在所述竖直集成的结构元件中将两个晶片堆叠彼此接合，其中，由MEMS晶片和CMOS晶片构成两个晶片复合结构，例如由DE 10 2012 206875 A1已知的那样，其中，首先通过晶片接合方法将MEMS晶片施加到CMOS晶片上并且因此共同构成四重晶片堆叠。借助这种装置也可以提高结构元件的集成密度。该装置在对于MEMS功能结构的面积需求和电子分析处理电路大致等大时会是有利的。
由US 2013/0001710 A1已知用于微机械惯性传感器的晶片复合结构，其中，为了构造用于电容性压力传感器的传感器膜片的目的，将盲孔引入到第一MEMS功能层中和布置在其下的第二MEMS功能层中。以此方式可以适当地设计传感器膜片的厚度。
发明内容
本发明的任务是提供一种改善的微机械结构元件和一种用于制造该微机械结构元件的方法。
根据第一方面，该任务借助用于制造微机械结构元件的方法来解决，该方法具有以下步骤：
-提供MEMS晶片；
-从MEMS晶片的第二衬底层的表面开始结构化MEMS晶片，其中，在MEMS晶片的第一衬底层与第二衬底层之间构造至少一个导电连接部；
-提供罩晶片(Kappenwafer)；
-将MEMS晶片与罩晶片连接；
-从MEMS晶片的第一衬底层的表面开始结构化MEMS晶片；
-提供ASIC晶片；以及
-将ASIC晶片与由MEMS晶片和罩晶片构成的复合结构连接。
以此方式可以以至少区段式地相叠布置的MEMS功能层提供两个MEMS结构，所述MEMS功能层选择性地要么彼此电连接且机械连接，要么仅彼此机械连接。由此可以提供如下有利的选择可能性：选择性地电操控作为电极的可运动的MEMS结构。
根据第二方面，该任务借助微机械结构元件来解决，该微机械结构元件具有：
-MEMS晶片，其具有两个至少区段式地相叠布置的可运动的MEMS结构，其中，MEMS晶片的第一衬底层和第二衬底层构造成能够至少区段式地彼此导电连接；以及
-ASIC晶片，其中，MEMS晶片在功能上与ASIC晶片连接，其中，晶片借助罩晶片罩住。
该方法和该微机械结构元件的优选的实施方式是从属权利要求的主题。
该方法的有利的扩展方案设置为：借助机械接合工艺实施ASIC晶片与由MEMS晶片和罩晶片构成的复合结构的连接。以此方式，可以使用行之有效的连接技术用以连接两个晶片。
该方法的另一有利的扩展方案设置为：金属接合工艺构造为共晶铝锗接合工艺或铜锡固-液相互扩散(Cu-Sn-SLID)接合工艺或金属直接接合工艺。由此，不同的接合方法可以有利地用于在功能上连接晶片。
该方法的另一有利的扩展方案设置为：在由多晶硅或金属尤其钨构成的MEMS晶片的第一衬底层和第二衬底层之间构造导电连接部。以此方式可以使用已知的工艺过程来提供在这两个衬底层之间的导电连接部。
该方法的另一优选的实施方式设置为：将至少一个用于电接通微机械结构元件的接通元件构造为ASIC晶片中的敷镀通孔或构造为引线接合元件。由此有利地提供用于电接通结构元件的不同可能性。
该方法的另一有利的扩展方案设置为：借助SOI(绝缘体上硅)晶片构造MEMS晶片。以此方式可以有利地提供高纯度的单晶硅材料。此外，可以很大程度上彼此独立地构造衬底的层厚度。
附图说明
以下参照多个附图详细地描述具有其他特征和优点的本发明。在此，所有所公开的特征与其在权利要求中的引用关系无关地以及与其在说明书中和在附图中的展示无关地构成本发明的主题。相同的或功能相同的结构元件具有相同的附图标记。附图尤其是视为阐明本发明实质的原理而并不一定是符合比例地示出。
在附图中示出：
图1示出传统的微机械传感器拓扑结构；
图2至15示出用于制造根据本发明的微机械结构元件的各个工艺步骤的结果；
图16示出微机械结构元件的MEMS结构的机械可运动性的显示；
图17示出微机械结构元件的替代的实施方式；
图18至21示出用于提供用于微机械结构元件的MEMS晶片的各个工艺步骤的结果；以及
图22示出根据本发明的方法的一种实施方式的原理性流程图。
具体实施方式
图1示出传统的微机械结构元件100的横截面，该微机械结构元件具有MEMS晶片10和ASIC晶片20。可运动的微机械MEMS结构14、15构造在MEMS晶片10中。借助具有呈分布层(英语redistribution-layer，RDL)形式的附加布线的敷镀通孔50，可以与呈焊料凸块形式的接通元件40组合地实现ASIC晶片20的电路元件的电接通。
在后续的图中示出用于制造根据本发明的微机械结构元件100的实施方式的工艺步骤的结果。在图2至图8中示出预备两层的MEMS晶片10用于到罩晶片30上的晶片接合，该两层MEMS晶片具有第一硅层和第二硅层。优选地，罩晶片30已经具有预安置的空腔，所述空腔例如通过沟槽工艺制造(替代方案是：KOH刻蚀或各向同性六氟化硫(SF6)刻蚀)。接合方法优选是在MEMS晶片的第二硅层与罩晶片上的氧化物层之间的高温熔融接合。其他接合方法如密封玻璃接合(英语glass frit)或金属接合方法(共晶或固-液相互扩散(英语：solidliguid interdiffusion))或直接接合同样替代地是可能的。
图2示出MEMS晶片10的横截面，该MEMS晶片具有第一衬底层11(优选硅衬底)、布置在第一衬底上的绝缘层12(优选氧化物材料)和布置在绝缘层12上的第二衬底层13(优选硅衬底)。MEMS晶片10因此在其基本结构上由SOI晶片构成。
图3示出图2的装置的横截面，其中，现在实施了第二衬底层13的第一沟槽。
从图4的横截面视图中可看到的是，借助气相刻蚀步骤刻蚀掉第二衬底层13的材料和在第二衬底层13的由此构成的结构之下的绝缘层12的材料。
图5表示，以导电材料16——优选多晶硅材料——实施了对开口的通过孔的填充。替代地可考虑金属填充例如以钨填充。以此方式，将第一衬底层11位置受限地与第二衬底层13导电连接。
从图6的横截面视图中看到的是，借助化学机械抛光(CMP)工艺步骤(英语：chemical mechanical polishing)提供第二衬底层13的用于后续的晶片接合的尽可能平滑的表面。
从图7的横截面视图中可看到的是，实施了第二衬底层13的第二沟槽，由此实现了第二衬底层13的结构化。此外，实施了绝缘层12的第二气相刻蚀步骤，由此局部释放绝缘层12。气相刻蚀步骤优选时间上受控地进行。
图8示出图7的在与罩晶片30晶片接合工艺之后的MEMS晶片10，其中，优选以高温熔融接合形式实施了晶片接合。替代的接合方法是等离子体激活的直接接合、密封玻璃接合或金属接合方法。
图9示出MEMS晶片10的第一衬底层11的背面薄化或背面研磨和必要时CMP步骤到目标厚度的结果。
图10示出施加到第一衬底层11上的具有接合材料17——优选用于后续与ASIC晶片20接合的锗层——的区域。
从图11的横截面视图中可看到的是，去除了在具有接合材料17的区域之间的第一衬底材料11，优选借助时间上受控的刻蚀，以便后续提供一种间距保持部(英语stand-off)用于设定在后续与ASIC晶片20接合时所限定的最小间距。
从图12的横截面视图中可看到的是，现在从MEMS晶片10的第一衬底层11的表面开始实施了第二功能沟槽。以此方式可以区段式地在ASIC晶片20中在已不存在绝缘层12的区域中提供通孔。结果，由此在两个衬底层11、13中可以限定地释放至少区段式地彼此独立地可运动的MEMS结构14、15。在此，也可以刻蚀第二衬底层13的可到达的子区域。
图13示出衬底晶片的简化的横截面，衬底晶片优选呈CMOS分析处理ASIC晶片20的形式，该CMOS分析处理ASIC晶片具有衬底层21、电路层22和晶体管层23。ASIC晶片20还具有两个盲孔，所述盲孔设置用于后续待构造的电敷镀通孔50并且所述盲孔为此目的用导电材料优选用铜或多晶硅以中间过孔工艺(via-middle-Prozess)来填充，其中首先安置晶体管层，随后安置TSV盲孔并且最后安置CMOS后端的金属氧化物堆叠。
接下来，如在图14中所示的那样，将组合式MEMS/罩晶片与ASIC晶片20金属接合，优选通过共晶铝锗接合方法或替代地通过铜锡固-液相互扩散接合方法来接合。图14示出具有接合到由罩晶片30和MEMS晶片10构成的复合结构上的ASIC晶片20的横截面视图。
最后，如在图15中所示的那样，从ASIC晶片20的背面研磨金属填充的盲孔，将电连接部通过与ASIC衬底层21绝缘的接线层(英文：redistribution layer)分布到ASIC背面上，并且施加焊料凸块40用于微机械结构元件100的以后的印制电路板安装。
从图15的横截面视图中看到的是，现在将ASIC晶片20的衬底层21从背面薄化到了目标厚度，由此释放了敷镀通孔50。焊料凸块40布置在了ASIC的背面上并且与释放的敷镀通孔50通过接线层连接。以此方式能够实现整个装置的电接通。
图16示出借助所提出的工艺流程将MEMS区域构造为在整个装置之内可自由运动。该图尤其用于描述，与图1中所示类似地，可以实现可运动的MEMS结构14、15，其具有全差分的电极装置，所述全差分的电极装置具有第一衬底层11中的上部固定电极和ASIC晶片20的最上部金属化平面中的下部固定电极。有利地也可能的是，实现释放的可运动的MEMS区域，其中第一和第二衬底层彼此机械连接，但彼此电隔离。
图17示出微机械结构元件100的替代的方式，该微机械结构元件具有接合到MEMS晶片10上的罩晶片30，其中，实施引线接合(Drahtbonden)用以使微机械结构元件100外部接通。可看到的是，呈接合线元件形式的外部接通元件40，所述外部接通元件构造为ASIC晶片20上的正面接通部。所述接通部通过组合式MEMS/罩晶片的打开部而安置在接合垫(Bondpad)区域中，优选通过沟槽或锯割工艺。在图17中，接合线布置在ASIC晶片20的两侧上，当然也可能的是，垫仅在ASIC晶片20的一侧上引出或在彼此以90度角度取向的(未示出)两侧上引出。
图18至21示出MEMS晶片10的对于图2至图6替代的实现方案，该MEMS晶片具有第一衬底层11和第二衬底层13。在此情况下，使用表面微机械的标准方法。起始点在此是第一衬底层11，优选通过热氧化将绝缘层12——优选氧化物层——施加到第一衬底层上。该方法由于较低的原材料价格更简单且成本更有利。所生长的第二衬底层13在此情况下主要是多晶的。
在所有前面的附图中所示的第一衬底层11与第二衬底层13的层厚度关系视为仅仅示例性的。借助所提出的方法在工艺流程没有根本改变的情况下，也可以将两个层厚度构造为相同的或第二衬底层比第一衬底层厚。
图19示出用于构造接通孔的打开部的绝缘层12。
图20示出第二衬底层13——要么作为多晶硅要么通过共晶生长(在氧化物层12上以多晶起始层生长，未示出)——在绝缘层12上的沉积。在接通孔的区域中形成第二衬底层13的表面的分明的拓扑结构。这可选地可以通过多个小的接通孔最小化，其中沟槽宽度小于第二衬底13的层厚度。
图21示出第二衬底层13的用于预备随后的晶片接合的CMP步骤的结果。MEMS晶片10的状态因此具有第二衬底层13的大的区域，所述区域多晶地构造。其他工艺顺序类似于图3至7地进行。
图22示出用于制造微机械结构元件100的方法的原理性流程图。
在步骤200中提供MEMS晶片10。
在步骤210中从MEMS晶片10的第二衬底层13的表面开始实施MEMS晶片10的结构化，其中，在MEMS晶片10的第一衬底层11和第二衬底层13之间构造至少一个导电连接部。
在步骤220中提供罩晶片30。
在步骤230中，实施MEMS晶片10与罩晶片30的连接。
在步骤240中，从MEMS晶片10的第一衬底层11的表面开始实施MEMS晶片10的结构化。
在步骤250中提供ASIC晶片20。
最后，在步骤260中，实施ASIC晶片20与由MEMS晶片10和罩晶片30构成的复合结构的连接。
总之，借助本发明提出一种微机械结构元件和一种用于制造该微机械结构元件的方法。特别有利地，可以使用微机械结构元件来实现用于可垂直于芯片平面偏转的MEMS结构元件的、全差分的电容性电极装置。在此，由ASIC晶片20的(优选)最上部的金属平面构成固定的底部电极，其中，在第一衬底层11中构造固定的顶部电极。可运动的电极于是处于底部电极与顶部电极之间并且由第二衬底层的区域构成。
有利地，在使用由单晶材料构成的SOI晶片的情况下，可以构造MEMS层。由此，较小的内在应力是可能的，其中多晶硅的晶体结构中的不均匀性会导致内在应力。这不利地例如在传感器机构的略微预偏转时会变得明显，所述预偏转在加速度传感器中导致不期望的偏置信号。
MEMS结构的层厚度可以以简单方式标定，其中，与在表面微机械方法情况下相比可以更容易地增加第一和第二衬底层的厚度。此外简单可行的是，展现具有机械连接但电隔离的区域的可运动的MEMS结构，其中，这在表面微机械的方案情况下仅借助提高的开销才能实现。该选择方案可以有利地减小在传感器的功能元件之间的串扰(例如转速传感器的驱动回路和检测回路)，或者用于加速度传感器的所谓的全差分分析处理方法，在所述加速度传感器中共同的传感器质量划分成两个电隔离的部段，所述部段由ASIC差模地(gegentaktig)操控并且差分地分析处理。因此可以有效地抑制例如由EMV(电磁兼容性)干扰或PSSR(电源电压抑制比)干扰(英语power supply rejection ratio)引起的差模地起作用的寄生信号。
特别有利地，所述微机械结构元件可以用于微机械惯性传感器，例如用于加速度传感器和/或转速传感器。
尽管本发明在上文中参照具体应用实例予以描述，但本领域技术人员也可以在不脱离本发明的核心的情况下实现未公开或仅部分公开的实施方式。

Claims (12)

1.一种用于制造微机械结构元件(100)的方法，该方法具有以下步骤：
-提供MEMS晶片(10)；
-从所述MEMS晶片(10)的第二衬底层(13)的表面开始结构化所述MEMS晶片(10)，其中，在所述MEMS晶片(10)的第一衬底层(11)与所述第二衬底层(13)之间构造至少一个导电连接部；
-提供罩晶片(30)；
-将所述MEMS晶片(10)与所述罩晶片(30)连接；
-从所述MEMS晶片(10)的所述第一衬底层(11)的表面开始结构化所述MEMS晶片(10)；
-提供ASIC晶片(20)；并且
-将所述ASIC晶片(20)与由所述MEMS晶片(10)和所述罩晶片(30)构成的复合结构连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助金属接合工艺实施所述ASIC晶片(20)与由MEMS晶片(15)和罩晶片(30)构成的所述复合结构的连接。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，金属接合工艺构造为共晶铝锗接合工艺或铜锡固-液相互扩散接合工艺或金属直接接合工艺。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，由多晶硅或者由金属尤其钨构造所述MEMS晶片(10)的所述第一衬底层和所述第二衬底层之间的连接部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，将用于电接通所述微机械结构元件(100)的至少一个接通元件(40)构造为所述ASIC晶片(20)中的敷镀通孔(50)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，将用于电接通所述微机械结构元件(100)的至少一个接通元件(40)构造为引线接合元件。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助SOI晶片(10)构造所述MEMS晶片(10)。
8.一种微机械结构元件(100)，该微机械结构元件具有：
-MEMS晶片(10)，其具有两个至少区段式地相叠布置的可运动的MEMS结构(14，15)，其中，所述MEMS晶片(10)的第一衬底层(11)和第二衬底层(13)构造成能够至少区段式地彼此导电连接；以及
-ASIC晶片(20)，其中，所述MEMS晶片(10)在功能上与所述ASIC晶片(20)连接，其中，所述晶片(10，20)借助罩晶片(30)罩住。
9.根据权利要求8所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述MEMS晶片(10)的至少一个可运动的结构(14)具有单晶硅。
10.根据权利要求8或9所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，这两个MEMS结构(14，15)彼此导电连接或彼此电绝缘。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，用于电接通所述结构元件(100)的接通元件(40)构造在所述ASIC晶片(20)上和/或具有所述ASIC晶片(20)的敷镀通孔(50)。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的微机械结构元件(100)，其特征在于，所述微机械结构元件(100)是惯性传感器。
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