CN108083224B - 具有低电阻布线的mems构件和用于制造这种mems构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS构件，具有第一衬底和第二衬底，该第一衬底具有在第一侧上的至少一个第一绝缘层和至少一个第一金属化部，该第二衬底具有在第二侧上的至少一个第二绝缘层和至少一个第二金属化部，其中，第二衬底具有微机械功能元件，该微机械功能元件与第二金属化部导电连接。本发明的核心在于，第一侧和第二侧彼此贴靠地布置，其中，第一绝缘和第二绝缘层相互连接，其中，第一金属化部和第二金属化部相互连接。本发明也涉及一种用于制造MEMS构件的方法。

Description

具有低电阻布线的MEMS构件和用于制造这种MEMS构件的方法

技术领域

本发明涉及一种具有第一衬底和第二衬底的MEMS构件，该第一衬底具有在第一侧上的至少一个第一绝缘层和第一金属化部，该第二衬底具有在第二侧上的至少一个第二绝缘层和第二金属化部，其中，第二衬底具有微机械功能元件，该微机械功能元件与第二金属化部导电连接。

背景技术

这样的MEMS构件由现有技术已知。在此，MEMS衬底例如粘接到ASIC衬底上。MEMS衬底的露出的接触面与ASIC衬底的露出的接触面借助于线键合导电地连接。

传统的微机械传感器、例如具有电容转换装置的惯性传感器需要布线平面来接通不同的转换元件。

离散MEMS传感器的微机械功能层基于微机械结构的结构化和露出的必要性大部分在工艺顺序中在布线平面之后制备。微机械功能层大部分由硅组成，所述硅出于经济原因在高的温度时沉积并且在超过所述温度时松弛地存在。用于硅的沉积所需要的大于1000℃的高温妨碍了高传导性材料、例如铜用于布线层(渗出、装置污染)。代替地使用较高电阻的聚硅层，这导致较高的RC常数。

在消费品领域中的MEMS传感器经常混合地集成到ASIC上或与ASIC集成。现代的ASIC工艺使用自大约180nm起的节点尺寸

并且在这种情况下仅使用铜-金属化部。为了将MEMS构件直接集成到电路衬底上，在现有技术中已知多种方案

例如文献W02006101769A2和US8710638B2公开的那样。

然而这些方案显示出下列缺点：(i)这些方案与现代的布线工艺中的铜布线平面不兼容或要求附加的加工步骤和/或(ii)这些方案具有垂直的电极间距，该电极间距具有大的公差和/或(iii)这些方案为了衬底键合需要大于400℃的工艺温度和局部的高机械挤压力，这对于现代的ASIC层是成问题的。

发明内容

本发明的任务在于，实现一种具有低RC常数的微机械构件和一种用于制造该微机械构件的成本有利的方法，该方法与现代的ASIC工艺也兼容。

本发明涉及一种具有第一衬底和第二衬底的MEMS构件，该第一衬底具有在第一侧上的至少一个第一绝缘层和第一金属化部，该第二衬底具有在第二侧上的至少一个第二绝缘层和第二金属化部，其中，第二衬底具有微机械功能元件，该微机械功能元件与第二金属化部导电连接。

本发明的核心在于，第一侧和第二侧彼此贴靠地布置，其中，第一绝缘层和第二绝缘层相互连接，并且，第一金属化部和第二金属化部相互连接。有利地，第一金属化部和第二金属化部共同形成MEMS构件的低电阻布线。

根据本发明的MEMS构件的有利构型设置为，第一金属化部和第二金属化部材料锁合地相互连接。

根据本发明的MEMS构件的有利构型设置为，第一金属化部和第二金属化部形成尤其气密密封的第一键合框。

根据本发明的MEMS构件的有利构型设置为，第一金属化部或者第二金属化部具有铜。

根据本发明的MEMS构件的有利构型设置为，在第二金属化部中构造有电极、尤其是垂直电极，该电极与功能元件带有电极间距地相对置地布置，并且所述电极可以借助于第一金属化部从外部电接触。

根据本发明的MEMS构件的有利构型设置为，在第二衬底中局部地引入了掺杂物或者也引入了压电电阻。

根据本发明的MEMS构件的有利构型设置为，第二衬底与第三衬底尤其借助于第二键合框这样连接，使得第二衬底布置在第一衬底和第三衬底之间。

根据本发明的MEMS构件的有利构型设置为，第一衬底或者第三衬底是硅衬底或玻璃衬底。

根据本发明的MEMS构件的有利构型设置为，第一衬底或者第三衬底是电路衬底、尤其是ASIC。

本发明也涉及一种用于制造MEMS构件的方法，所述方法具有以下步骤：

a)提供第一衬底，该第一衬底具有在第一侧上的至少一个第一绝缘层和至少部分地在第一侧上露出的至少一个第一金属化部，并且提供第二衬底，该第二衬底具有在第二侧上的至少一个第二绝缘层和至少部分地在第二侧上露出的至少一个第二金属化部；

b)通过以下方式实现第一衬底和第二衬底的混合式晶片键合：使第一侧和第二侧彼此贴紧，在典型的T1<200℃的第一工艺温度情况下以例如小于1小时的第一持续时间t1接合并停留以使第一和第二绝缘层连接，然后加热至典型的200℃<T2<400℃的第二工艺温度持续例如小于1小时的第二持续时间t2以使第一和第二金属化部连接；

c)使第二衬底结构化以制造微机械功能元件。

所述方法的有利构型设置为，在步骤(b)之前通过蚀刻步骤去除第一绝缘层的或第二绝缘层的部分区域。

所述方法的有利构型设置为，在步骤(b)之后附加地使第二衬底减薄。

所述方法的有利构型设置为，在步骤(c)之后通过蚀刻第二绝缘层使微机械功能元件至少部分地露出。

所述方法的有利构型设置为，第二衬底与第三衬底尤其借助于第二键合框连接，其中，第二衬底布置在第一衬底和第三衬底之间。

根据本发明的工艺和尤其用于连接第一和第二衬底的混合式键合方法(在所述键合方法中既使介电面相互连接，也使金属面相互连接)的使用具有以下优点：

-与现代的布线工艺中常用的铜布线工艺(所谓的Cu-Damaszen-Prozesse)兼容，由此允许在分析处理ASIC上直接地附加集成并且能够由此实现芯片尺度的包装。

-通过键合边界面同时实现机械的和电的连接。

-可以实现非常小的调整公差并且由此实现在所述两个衬底之间的精细间距接触(Fine-Pitch-Kontaktierungen)，因为，(i)混合式键合工艺不像例如文献W02006101769A2那样通过液相进行或(ii)不像例如文献US8710638B2那样需要以在光刻和蚀刻中相应大的公差来进行在键合方法之后的接触。

-不需要附加结构例如沟来接收共晶体或者间隔结构来调节间距，这允许较小的设计和较少的工艺步骤。

-同时可能的是，相比于现有技术中的文献产生气密密封的、环绕的金属键合框。(金属层比介电层如SiO₂更不透气。)

-在微机械功能元件和第二金属化部之间的垂直的电极间距可相对精确地调节，因为该电极间距仅由第二绝缘层所沉积的层厚度得出并且不由多个层沉积和键合材料挤压组成的工艺链得出(参见W02006101769A2，图1)

-不包含真空，所述真空要么在第二衬底减薄之后导致第二衬底在之后的工艺步骤期间的弯曲并且由此在之后的光刻步骤中导致较大的公差，要么需要额外的工艺步骤来打开后通风孔用于避免真空夹杂物。

-需要的工艺温度不超过400℃的极限阀值，并且机械挤压力均匀地分布在整个边界面上，这避免了在ASIC层结构中局部的机械应力峰值(参见W02006101769A2和US8710638B2)。

-根据本发明的方法避免了需要蚀刻和填充具有大的长宽比的接触孔的工艺步骤(US8710638B2)。

-根据本发明的方法能够实现具有特别明确限定的机械特性的单晶功能层的制备(Darstellung)。

附图说明

图1示出在第一实施例中的、根据本发明的具有低电阻布线的MEMS构件。

图2示出在第二实施例中的、根据本发明的具有低电阻布线的MEMS构件。

图3示出在第三实施例中的、根据本发明的具有低电阻布线的MEMS构件。

图4示出在第四实施例中的、根据本发明的具有低电阻布线的MEMS构件。

图5A至E示出根据本发明的用于制造具有低电阻布线的MEMS构件的方法。

具体实施方式

精确的和成本有利的MEMS构件需要具有小公差和小生产偏差的明确限定的功能层的制备。这能够最好地通过单晶机械功能材料实现。同时期望尽可能小的RC常数，以便实现小的寄生效应(例如测量电容与寄生电容的比例)和小的信号失真(例如操控信号和探测信号)。这能够最好地通过金属输入引线并且可能通过附加集成(Huckepack-Integration)到分析处理ASIC上来实现。

根据本发明，在金属导线上的、具有连接到该金属引线上的电接头的单晶微机械功能层能够通过与该功能层的随后的结构化和下部蚀刻的混合式直接键合方法来制备。此外，产生附加的选项：在施加绝缘层和金属化部之前将用于例如压电电阻的掺杂物引入到单晶功能层中。多晶功能层中的压电电阻会发出过大的噪声，因此通常不使用。

图1示出在第一实施例中的、根据本发明的具有低电阻布线的离散MEMS构件。示意性示出的是离散惯性构件的横截面。该微机械构件由具有在第一侧110上的第一金属化部120的第一衬底100和掺杂的、减薄的、结构化的并且部分下部蚀刻的第二衬底200组成，该第二衬底作为机械功能层使用，该第二衬底具有在第二侧210上的第二金属化部220。第一金属化部120和第二金属化部220相互机械和电连接。

第一和第二金属化部120、220基本上是铜(Cu)。在第二金属化部220中构造有垂直电极230，该垂直电极通过第一金属化部120向外连接。垂直电极230与微机械功能元件240带有电极间距235地相对置。在此，电极间距235由在这里局部去除的第二绝缘层215的层厚度限定。第二绝缘层在该区域中通过下蚀刻部260去除，该下蚀刻部也使得能够实现微机械功能元件240的可运动性。

所述两个金属化部120、220形成一个完整围绕所述构件的第一键合框150，该键合框使微机械功能元件240相对于外界气密密封。第二衬底200的一部分、尤其是微机械功能元件240气密地封装在第一衬底100和呈罩晶片形式的第三衬底300之间。在此，第三衬底300借助于第二键合框250键合到第二衬底200上。可以将掺杂物或者也将压电电阻局部地引入到第二衬底200中。第一衬底100或者可选的第三衬底可以由半导体材料或者玻璃组成。所述构件可以穿过可能高掺杂的第三衬底向外接触。那么模拟传感器信号通过第三金属化部320、尤其是底垫(Bodpad)金属化部和键合线连接装置引向分析处理电路。

图2示出在第二实施例中的、根据本发明的具有低电阻布线的离散MEMS构件。示意性示出的是可贯通接触的离散惯性构件。相比于通过硅晶片的贯通接触部、即所谓的硅通孔(TSVs)，玻璃晶片的优点是贯通接触部、即所谓的玻璃通孔(TGVs)可实现低的寄生电容。由TGVs产生以下优点：惯性构件可以芯片倒装地(Flipchip)安装在载体上。不再需要线键合。第一衬底100在这里是具有呈玻璃通孔形式的第一贯通接触部170的玻璃衬底。第三衬底300在这里同样是具有呈玻璃通孔形式的第二贯通接触部370的玻璃衬底。该微机械构件具有多个第一绝缘层115和第二绝缘层215。由此能够实现多个布线平面和实现第一金属化部120和第二金属化部220的三维构型。外部的、呈焊球400形式的接触可能性借助于第一贯通接触部170与第一金属化部120导电地连接。

图3示出在第三实施例中的、根据本发明的具有低电阻布线的CSP-MEMS构件。示意性示出的是混合集成的惯性构件的横截面。在此，与图1和2中的离散惯性构件不同，为处理原始测量值所需要的分析处理电路直接集成到第一衬底中。因此，该惯性构件能够直接输出已分析处理的测量信号。由该混合集成的结构得出以下优点：所述两个部件MEMS和分析处理电路可以成本有利地在晶片级上相互集成，而不需要封装步骤例如以模塑物注塑包封。结果是，同时得到可想到的最小的惯性构件。而在图1和2中的离散解决方案中还需要明显成本更高的、在芯片级上的构造、连接和封装技术。

图4示出在第四实施例中的、根据本发明的具有低电阻布线的另一CSP-MEMS构件。示意性示出的是混合集成的惯性构件的横截面。所述构件的特征尤其在于，所述构件具有从第一衬底的外置的第二侧通过第二和第三衬底直到第三衬底的外置侧的电贯通接触。通过该结构能简单地将其他功能、例如磁场传感器附加地集成到所述构件中。

图5A到E示出根据本发明的用于制造具有低电阻布线的MEMS构件的方法。示意性示出的分别是示例性的CSP构件(CSP：chipscalepackage，芯片级封装)在制造工艺的不同阶段之后的横截面。

图5A示出，在步骤a)中提供平面化的第一(ASIC)衬底，该第一衬底具有绝缘层和至少部分露出的至少一个第一金属化部。在第一衬底中已经在之前的布线工艺(Schaltungsprozess)期间设置了TSVs。同样提供了平面化的第二衬底，该第二衬底具有绝缘层和至少部分露出的至少一个第二金属化部。可选地，为了之后要从机械功能层结构化出来的、可自由运动的微机械功能元件而在规定的区域中进行的绝缘层的局部去除可通过蚀刻步骤实现。

图5B示出，在步骤b)中，所述两个衬底通过以下方式相互间实现混合的晶片键合：在机械挤压力下接合，并且在第一工艺温度T1<200℃情况下以小于1小时的持续时间t1停留以连接绝缘层，然后加热到第二工艺温度200℃<T2<400℃持续小于1小时的持续时间t2以连接金属化部。可选地，也可以附加地使第二衬底减薄到微机械功能层的期望厚度。以该方式制备单晶微机械功能层。

图5C示出，在步骤c)中可选地沉积用于第三衬底300、尤其是罩的例如共晶的晶片键合的键合材料。接着将第二衬底200结构化直到最接近的第二绝缘层215。在该示例中，所述结构化通过深反应离子蚀刻

实现。在此，第二绝缘层215作为蚀刻截止层使用。通过所述结构化设立微机械功能元件240。

图5D示出，在步骤d)中进行可运动的微机械功能元件的下部蚀刻或露出。这例如可以借助于HF气相蚀刻发生。

图5E示出，在步骤e)中使由第一和第二衬底组成的复合结构与所提供的第三(罩)衬底可选地连接，第二键合材料可能位于该第三衬底上。罩衬底的连接通过晶片级键合方法、例如共晶的铝锗晶片键合在设定的期望气压和限定的气体环境下实现。围绕所述微机械功能元件的键合框确保，所述气压在使用寿命内保持气密地被围住。然后可以通过去除衬底材料实现设置在第一(ASIC)衬底中的TSVs的露出(“TSV Reveal，硅通孔露出”)。然后使能焊接的RDL布线平面(re-distributionlayer，重新分布层)例如设置有镍并且连接到TSVs上。最后，施加钝化部并且完成通向RDL布线的开口并且施加焊球。

附图标记列表

100 第一衬底

110 第一侧

115 第一绝缘层

120 第一金属化部

150 第一键合框

170 第一贯通接触部(例如玻璃通孔，TGV)

200 第二衬底

210 第二侧

215 第二绝缘层

220 第二金属化部

230 垂直电极

235 电极间距

240 微机械功能元件

250 第二键合框

260 下蚀刻部

300 第三衬底

320 第三金属化部(例如底垫金属化部)

370 第二贯通接触部(例如玻璃通孔，TGV)

400 焊球

TI 第一工艺温度

T2 第二工艺温度

t1 第一持续时间

t2 第二持续时间

Claims (11)

1.MEMS构件，具有第一衬底(100)和第二衬底(200)，所述第一衬底具有在第一侧(110)上的至少一个第一绝缘层(115)和至少一个第一金属化部(120)，所述第二衬底具有在第二侧(210)上的至少一个第二绝缘层(215)和至少一个第二金属化部(220)，其中，所述第二衬底(200)具有微机械功能元件(240)，所述微机械功能元件与所述第二金属化部(220)导电连接，

其特征在于，所述MEMS构件还具有所述第一衬底(100)和所述第二衬底(200)之间的混合式键合连接部，其中，所述第一侧(110)和所述第二侧(210)彼此贴靠地布置，其中，所述第一绝缘层(115)和所述第二绝缘层(215)相互连接，其中，所述第一金属化部(120)和所述第二金属化部(220)相互连接，

在所述第二金属化部(220)中构造有垂直电极(230)，所述垂直电极与所述微机械功能元件(240)以电极间距(235)相对置地布置，并且所述垂直电极(230)能够借助于所述第一金属化部(120)从外部电接触，其中，所述电极间距(235)仅仅由在所述垂直电极(230)与所述微机械功能元件(240)之间局部去除的第二绝缘层(215)的层厚度限定。

2.根据权利要求1所述的MEMS构件，其特征在于，所述第一金属化部(120)和所述第二金属化部(220)材料锁合地相互连接。

3.根据权利要求2所述的MEMS构件，其特征在于，所述第一金属化部(120)和所述第二金属化部(220)形成第一键合框(150)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS构件，其特征在于，所述第一金属化部(120)和/或所述第二金属化部(220)具有铜。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS构件，其特征在于，在所述第二衬底(200)中局部地引入了掺杂物和/或压电电阻。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS构件，其特征在于，所述第二衬底(200)与第三衬底(300)这样连接，使得所述第二衬底(200)布置在所述第一衬底(100)和所述第三衬底(300)之间。

7.根据权利要求6所述的MEMS构件，其特征在于，所述第一衬底(100)和/或所述第三衬底(300)是电路衬底。

8.根据权利要求6所述的MEMS构件，其特征在于，所述第一衬底(100)和/或所述第三衬底(300)是硅衬底或玻璃衬底。

9.根据权利要求3所述的MEMS构件，其特征在于，所述第一键合框(150)是气密密封的。

10.根据权利要求6所述的MEMS构件，其特征在于，所述第二衬底(200)借助于第二键合框(250)与第三衬底(300)连接。

11.根据权利要求7所述的MEMS构件，其特征在于，所述第一衬底(100)和/或所述第三衬底(300)是ASIC。

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