CN111825054A - 应力解耦和粒子过滤器集成 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及应力解耦和粒子过滤器集成。提供一种半导体器件及其制造方法。半导体器件包括：衬底，具有第一表面和与第一表面相对布置的第二表面；应力敏感传感器，设置在衬底的第一表面处，其中应力敏感传感器对机械应力敏感；应力解耦沟槽，具有从第一表面延伸到衬底中的竖直延伸，其中应力解耦沟槽朝向第二表面竖直地部分延伸至衬底中，但未完全延伸到第二表面；以及多个粒子过滤器沟槽，从第二表面竖直地延伸至衬底中，其中多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽具有与应力解耦沟槽的竖直延伸正交延伸的纵向延伸。

Description

应力解耦和粒子过滤器集成
技术领域
本公开大体上涉及半导体器件及其制造方法，并且更特别地涉及具有应力缓解机制的应力敏感传感器。
背景技术
微机电系统(MEMS)是微观器件，特别是那些具有移动部件的器件。一旦可以使用通常被用于制造电子产品的改进半导体器件制造技术来制造MEMS，MEMS就变得实用。因此，MEMS可以作为集成电路的部件被内置在衬底中，衬底被切成半导体芯片，随后被安装在封装中。
包括由芯片封装生成的应力的机械应力以及被引入到封装的外部机械影响，可能会无意中通过封装传递给集成的MEMS元件，诸如传感器，并且更特别地，传递给压力传感器。该传递的机械应力可能会影响MEMS元件的操作或引起传感器信号的移位(例如偏移)，从而可能导致错误的测量。
例如，半导体压力传感器具有被布置为测量绝对压力或相对压力(例如，两个压力之间的差)的压力敏感元件。许多压力传感器的问题在于：即使没有待测量的压力(或压力差)，该传感器也会测量(或输出、或给出)信号。该偏移可能是传感器外壳(例如，封装)的机械应力和/或变形的结果。外壳应力/变形通常还会在敏感元件(例如，压电电阻器)所处的传感器表面上引起应力分量，并且从而引起输出信号的偏移误差、线性误差甚至迟滞误差。
因此，可以期望能够将机械应力与集成的MEMS元件解耦的改进的器件。
发明内容
实施例提供半导体器件及其制造方法，并且更特别地，提供具有应力缓解机制的应力敏感传感器。
一个或多个实施例提供一种半导体器件，半导体器件包括：衬底，该衬底具有第一表面和与该第一表面相对布置的第二表面；第一应力敏感传感器，设置在衬底的第一表面处，其中第一应力敏感传感器对机械应力敏感；第一应力解耦沟槽，具有从第一表面延伸至衬底中的竖直延伸，其中第一应力解耦沟槽朝向第二表面竖直地部分延伸至衬底中，但未完全延伸到第二表面；以及多个粒子过滤器沟槽，从第二表面竖直延伸至衬底中，其中多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽具有与第一应力解耦沟槽的竖直延伸正交延伸的纵向延伸，并且其中多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽通过从第二表面延伸到第一应力解耦沟槽的底部的衬底的背侧部分而与多个粒子过滤器沟槽中邻近的粒子过滤器沟槽分离。
一个或多个另外的实施例提供一种制造半导体器件的方法。该方法包括：执行半导体衬底的前端制造，半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对布置的第二表面，前端制造包括集成设置在衬底的第一表面处的第一应力敏感传感器，并且在第一衬底中形成应力解耦沟槽，其中第一应力解耦沟槽具有从第一表面延伸至衬底中的竖直延伸，其中第一应力解耦沟槽朝向第二表面竖直地部分延伸至衬底中，但未完全延伸到第二表面；以及在衬底的第二表面处形成多个粒子过滤器沟槽，其中多个粒子过滤器沟槽从第二表面竖直地延伸至衬底中，其中多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽具有与第一应力解耦沟槽的竖直延伸正交延伸的纵向延伸，并且其中多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽通过从第二表面延伸到第一应力解耦沟槽的底部的衬底的背侧部分而与多个粒子过滤器沟槽中邻近的粒子过滤器沟槽分离。
附图说明
本文参考附图描述实施例。
图1A示出了根据一个或多个实施例的的沿图1B和图1C中的线A-A截取的芯片的竖直截面图；
图1B和1C分别图示了根据一个或多个实施例的图1A中所示的芯片的俯视图和仰视图；
图1D示出了根据一个或多个实施例的沿图1B和图1C中的线B-B截取的芯片的竖直截面图；
图2示出了根据一个或多个实施例的芯片的截面图；
图3A示出了根据一个或多个实施例的芯片的俯视图；
图3B示出了芯片沿图3A中的线C-C截取的截面图；
图4A至图4D示出了图示根据一个或多个实施例的集成应力敏感传感器的制造过程的截面图；
图5A至图5G示出了图示根据一个或多个实施例的包括晶片级球(WLB)栅格阵列集成的集成应力敏感传感器的制造过程的截面图；和
图6A和图6B示出了图示根据一个或多个实施例的包括WLB栅格阵列集成的集成应力敏感传感器的备选制造过程的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述各种实施例，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。应当注意，这些实施例仅用于说明性目的，而不应被解释为限制性的。例如，尽管实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但是这不应被解释为指示实现实施例所需的全部的这些特征或元件。相反，在其他实施例中，一些特征或元件可以被省略，或者可以由备选的特征或元件代替。另外，可以提供除了明确示出和描述的特征或元件之外的其他特征或元件，例如传感器器件的常规组件。
除非另外明确指出，否则可以组合来自不同实施例的特征以形成其他实施例。相对于一个实施例所描述的变化或修改也可以适用于其他实施例。在一些实例中，以框图的形式而不是详细地示出公知的结构和器件，以避免使实施例模糊。
除非另有说明，否则附图所示或本文所述的元件之间的连接或耦合可以是基于有线的连接或无线连接。此外，只要连接或耦合的通用目的基本保持不变，例如是传输某种信号或传输某种信息，那么这种连接或耦合可以是直接连接或耦合，而无需附加的中间元件，或者可以是利用一个或多个附加中间元件的间接连接或耦合。
一个或多个实施例涉及集成在半导体芯片中并且随后被安装到封装的应力敏感传感器。应力敏感传感器包括具有微机电系统(MEMS)压力传感器的MEMS应力传感器。MEMS可以被称为MEMS元件或MEMS器件，并且可以包括例如电容性MEMS传感器器件或压电电阻性MEMS传感器器件。
封装可以适用于使MEMS压力传感器能够检测和/或测量施加在其上的力。例如，MEMS压力传感器可以作为根据所施加的压力生成电信号的换能器进行操作，并且封装可以具有在MEMS压力传感器附近形成的、允许介质与MEMS压力传感器交互的开口。介质可以是任何可测量压力或引起压力的实体。
通常，本文所用的传感器可以指代将待测量的物理量转换为电信号(例如电流信号或电压信号)的组件。物理量可以例如包括磁场、电场、压力、力、温度、电流或电压、但不限于此。如本文所述，传感器器件可以是电压传感器、电流传感器、温度传感器、磁性传感器等。物理量可以例如是压力，表示为被施加在传感器的敏感区域或敏感区上的力。因此，传感器可以直接测量和/或检测应力，并且基于所检测的应力生成传感器信号。
备选地，传感器可以基于其他一些物理量生成传感器信号(例如，对磁场敏感的霍尔传感器)。在这种情况下。传递给传感器的机械应力可能会对传感器信号产生不利影响(例如，基于纯粹的寄生效应)。因此，传感器可能被说成是具有间接测量和/或检测的应力。
因此，应力敏感传感器是对机械应力敏感的任何传感器，机械应力以直接或间接地方式影响传感器信号。应力敏感传感器包括MEMS传感器和非MEMS传感器两者。尽管一些示例涉及用于应力敏感传感器的MEMS传感器，但是应当理解，MEMS传感器和非MEMS传感器可以被认为是可互换的。
诸如外来粒子之类的碎屑可能会对任何传感器的性能产生负面的影响。因此，可以期望防止碎屑到达传感器的表面，并且特别是防止碎屑到达传感器的敏感区域或敏感区，并且防止粒子到达(并且阻塞)应力解耦沟槽。
用于半导体芯片制造的制造过程可以包括通常被称为前端生产和后端生产的两个连续的子过程。后端生产还可以包括通常被称为预组装和组装的两个连续的子过程。
前端生产主要是指晶片制造。如本文所使用的晶片也可以被称为衬底。前端生产可以从干净的盘形硅晶片开始，该盘形硅晶片最终将变成许多硅芯片。首先，可以创建限定用于电路元件(例如，晶体管)和互连层的电路图案的光掩模。接着可以将该掩模铺设在干净的硅晶片上，并且将其用于绘制电路设计。接着可以通过光刻法在晶片上形成晶体管和其他电路元件。光刻法涉及一系列步骤：在晶片上沉积光敏材料并且通过图案化掩模进行曝光；接着蚀刻掉不需要的暴露材料，仅在晶片上留下期望的电路图案。通过堆叠各种图案，可以限定半导体芯片的个体元件。可以是MEMS器件或MEMS元件的应力敏感传感器也可以被合并到晶片的表面上和/或表面中，并且与一个或多个的电路元件连接。在前端生产过程的最后阶段期间，对晶片上的每个个体芯片进行电测试，以标识适当运行的芯片用于组装。
后端生产是指个体半导体器件或芯片的组装和测试。组装过程旨在保护芯片、便于其集成到电子系统中、限制电气干扰并使热量能够从器件中消散。一旦前端生产过程完成，就将晶片锯或切成个体半导体芯片。将晶片这样切成个体半导体芯片被称为预组装。
在后端生产的组装阶段中，半导体芯片被合并到封装中。例如，可以借助于合金或粘合剂将这些半导体芯片个体地附接到引线框，引线框是用于将半导体连接到电路板的金属器件。接着，可以通过使用被称为引线键合机的自动化机器，由铝或金线将引线框上的引线连接至半导体芯片上的输入/输出端子。接着可以将每个半导体器件至少部分地包封在塑料模塑混合物或陶瓷壳中，以形成封装。
因此，MEMS元件或其他应力敏感传感器可以作为集成电路的组件被内置在衬底中，接着衬底被切成半导体芯片，每个半导体芯片随后被安装在封装中。
应当理解，尽管可以将预组装(即，切割)过程描述为后端生产流程的一部分，但是可以在前端生产的最后阶段期间将芯片部分地分割。因此，在一些实例中，预组装可以在前端生产期间开始或被执行。
根据一个或多个实施例，将机械应力解耦作为应力缓解机制提供给应力敏感传感器。可以提供诸如一个或多个沟槽(即，一个或多个应力解耦沟槽)的应力解耦特征。另外，每个应力解耦沟槽可以填充有凝胶(例如硅凝胶)，并且该凝胶可以在晶片级(即，在前端生产过程期间)或在预组装过程期间或之后(包括封装之前或之后)附加地沉积应力敏感传感器上。可以在应力敏感传感器的暴露表面上沉积防护材料，使得应力敏感传感器的整个暴露表面被防护材料覆盖。
应力敏感传感器的暴露表面可以包括或可以被称作使应力敏感传感器能够测量物理量的敏感区域。例如，应力敏感传感器可以是MEMS压力传感器，其被配置为响应于施加在暴露表面上的力的变化来检测或测量压力的变化。防护材料被配置为，使得当应力敏感传感器被防护材料覆盖时，应力敏感传感器的传感器功能保持完整。例如，防护材料可以是硅凝胶，硅凝胶具有弹性模量和/或泊松比(Poisson’s ratio)，其允许施加在其上的力传递至MEMS压力传感器。因此，防护材料具有足够的柔性，使得当防护材料被下压时，MEMS压力传感器的敏感区域也被成比例地下压。
更特别地，尽管防护材料密封了应力敏感传感器的整个表面，但它允许应力敏感传感器的全部传感器功能，包括机械功能和电气功能。甚至更特别地，防护材料被配置为使得应力敏感传感器的功能不被防护材料阻碍。
通过确保应力敏感传感器的功能保持完整，可以在芯片制造过程的早期阶段将防护材料作为永久性材料沉积到应力敏感传感器上。因此，在将防护材料沉积到应力敏感传感器上时，应力敏感传感器可能已经被配置为可操作的状态(例如，最终的可操作状态)，并且在沉积之后(包括整个组装过程)，防护材料可以保持完全地完整，使得它保持最终产品中的特征。
作为防护材料的早期沉积的结果，为应力敏感传感器提供了早期的粒子和湿度防护，阻止在(预)组装过程期间可能引入的异物，该异物可能影响传感器的性能。
虽然本文提供的一些实施例可以将防护材料称为是温度硬化凝胶(例如，硅凝胶)，但是其他实施例可以使用紫外线(UV)硬化凝胶。然而，防护材料不限于此，并且可以是在允许应力敏感传感器的传感器功能的同时提供异物防护的任何材料，并且更特别地，在沉积防护材料时允许应力敏感传感器的传感器功能的任何材料。因此，防护材料可以是任何防护凝胶。
图1A示出了根据一个或多个实施例的芯片100的竖直截面图。具体地，图1A是沿图1B和图1C中所示的线A-A截取的截面。图1B和图1C分别图示了根据一个或多个实施例的图1A所示芯片100的俯视图和仰视图。图1D是沿着图1B和1C中所示的线B-B截取的芯片100的竖直截面图。
芯片100包括半导体衬底10(例如，硅衬底)，该半导体衬底10具有在芯片100正侧处的第一主表面11和在芯片100的与正侧相对的背侧处的第二主表面1221。该芯片还包括集成在主表面11处的MEMS元件12。
在该示例中，MEMS元件12可以是电容性MEMS元件12，其包括两个平行的导电板：顶部电极13和底部电极14，由介电材料15分离。例如，介电材料15可以是在顶部电极13和底部电极14之间形成腔体的真空。真空用作压力传感器的参考压力。介电层(未图示)也可以设置在电极13和14之间(例如，在底部电极14的上表面上)。
当没有压力施加到MEMS元件12上时，电极13和14形成具有基线或参考电容的电容性元件。顶部电极13是柔性的并且是压力敏感的，其中由于底部电极是刚性且固定的因此位于刚性衬底10上，刚性衬底10在底部电极下方和/或周围。顶部电极13可以是敏感的膜片或薄膜，并且在固定的底部电极板14和可移动的电极13之间形成腔体以允许膜片或薄膜的偏转。当压力被施加到敏感的膜片上时，两个平行电极13和14之间封闭的腔体体积随着敏感膜片偏转且接近静止电极而减小，从而产生电极13和14之间可检测的、与所施加压力相对应的电容变化。电容变化是可通过电信号读取的值。
备选地，MEMS元件12可以是另一种类型的集成压力传感器或另一种应力敏感传感器。相应地，每个MEMS元件12可以占据衬底10的MEMS区域并且包括至少一个敏感区域，该敏感区域对应力敏感并且可操作以检测应力。一般而言，MEMS区域可以被称为衬底10的传感器区域或应力敏感区域，应力敏感传感器被集成在衬底10的传感器区域或应力敏感区域处。
芯片100还包括由一个或多个应力解耦沟槽20制成的应力解耦特征。每个应力解耦沟槽16与MEMS元件12横向地间隔，从衬底10的主表面11延伸到衬底10中，并且部分地延伸穿过衬底10。换言之，沟槽20没有完全延伸穿过衬底10。沟槽20可以例如通过正侧蚀刻技术形成。
沟槽20在设置MEMS元件12的芯片100的内部或第一区域22与芯片100的外围或第二区域23之间限定竖直边界。沟槽20被配置为解耦来自例如芯片100的封装的任何机械应力而免于被传递给MEMS元件12。即，沟槽20被配置为减小存在于芯片100的外围区域22中的任何机械应力，而免于被传递给芯片100的内部区域21，并且最终免于被传递给MEMS元件12。因此，应力解耦特征保护MEMS元件12免受外部机械影响，并且从而防止由于这些影响而由MEMS元件12或应力敏感传感器产生的传感器信号的移位。
在该示例中，沟槽20可以是单个连续沟槽20，沟槽20部分地或全部地围绕在集成MEMS元件12的衬底10的第一区域22的外围。该第一区域22也可以被称为衬底10的MEMS区域或应力敏感区域。例如，图1B所示的应力敏感区域10b，由周围的沟槽20所限定。应力敏感区域。
因此，不论沟槽20是否由一个或多个沟槽形成，沟槽20都围绕着应力敏感区域的至少一部分，以便将对该区域的应力解耦作为目标。
芯片100还包括形成在衬底10的第二主表面21(即，背侧)处的多个粒子过滤器沟槽27。因此，应力解耦结构20和粒子过滤器沟槽27都被集成到单个衬底(即单个半导体晶片)中。粒子过滤器沟槽27保护解耦沟槽20以及应力敏感传感器12免受外来粒子的侵害。特别地，粒子过滤器沟槽27防止粒子到达(并且阻塞)应力解耦沟槽。粒子过滤器沟槽的宽度和它们被布置的角度限定了从其穿过的粒子的允许尺寸。粒子过滤器沟槽27还提供背侧压力耦合。
粒子过滤器沟槽27是沿着第二主表面21部分横向延伸(即，具有在x方向上纵向的轴)的横向沟槽或腔。每个粒子过滤器沟槽27都横向于相应沟槽20的相交部分。具体地，在图1A所示的截面图中，如果说沟槽20具有沿y轴的竖直延伸，沿z轴的纵向延伸以及在x轴上的横向延伸，则每个粒子过滤器沟槽27的纵向延伸与其相应沟槽20的竖直延伸正交地延伸。每个粒子过滤器沟槽27的纵向延伸也可以与其相应沟槽的纵向延伸正交地、或以大于零度的其他角度延伸。即，如图1B所示，每个粒子过滤器沟槽27可以倾斜地布置，使得其纵向延伸在x轴和z轴之间成一定角度，而不是仅沿着x轴或z轴布置。粒子过滤器沟槽的该纵向延伸的角度有助于限定从其穿过粒子的允许尺寸。
粒子过滤器沟槽27可以例如通过背侧光刻和蚀刻技术来形成。
每个粒子过滤器沟槽27与相应沟槽20的端部相交，使得由沟槽20形成的来自正侧的开口与由粒子过滤器沟槽27形成的来自背侧的开口相交。从俯视图的视角看，粒子过滤器沟槽27及其相应的沟槽20根据穿越的角度形成交叉图案或X图案。粒子过滤器沟槽27及其相应沟槽20的相交部分是两个开口结合的部分，形成从第一主表面11完全延伸到第二主表面21的压力耦合开口28。压力耦合开口28形成提供背侧压力耦合的开放路径。
另外，沿着相应沟槽20的纵向延伸(即，沿z轴)，彼此间隔地设置多个粒子过滤器沟槽27。即，多个粒子过滤器沟槽27沿z轴彼此平行地形成，并通过完全延伸到第二主表面21的部分衬底彼此间隔。因此，衬底10是一件式的整体构件，其整体结构贯穿整个芯片保持不变。换言之，既不使用两个或多个衬底，也不使用被沟槽或腔体分成多个部分的单个衬底。
此外，应当注意，衬底10的一部分的下侧21a被粒子过滤器沟槽27暴露。图1A和图1C示出了该特征。该下侧部分21a表示粒子过滤器沟槽27与衬底10接触的区域。
图2示出了根据一个或多个实施例的芯片200(例如，传感器芯片)的截面图。类似于芯片100，芯片200包括半导体衬底10(例如，硅衬底)，该半导体衬底10具有在芯片100正侧的第一主表面11和在与正侧相对的芯片100背侧的第二主表面21。芯片还包括集成在主表面11处的MEMS元件12。
芯片200还包括由一个或多个应力解耦沟槽20a、20b和20c(被统称为应力解耦沟槽20)制成的应力解耦特征。每个应力解耦沟槽20均与MEMS元件12横向间隔，从衬底10的主表面11延伸到衬底10中，并且部分地延伸穿过衬底10。换言之，沟槽20没有完全延伸穿过衬底10。因此，沟槽20终止于包括MEMS元件12的单个晶片的硅中。
沟槽20在设置MEMS元件12的芯片200的内部或第一区域22与芯片200的外围或第二区域23之间限定竖直边界。沟槽20被配置为解耦来自例如芯片200的封装的任何机械应力而免于被传递给MEMS元件12。即，沟槽20被配置为减小存在于芯片200的外围区域23中的任何机械应力，而免于被传递给芯片200的内部区域22，并且最终免于被传递给MEMS元件12。因此，应力解耦特征保护MEMS元件12免受外部机械影响，并且从而防止由于这些影响而由MEMS元件12或应力敏感传感器产生的传感器信号的移位。
如上所述，每个沟槽20部分但不完全延伸穿过衬底10。例如，沟槽20的深度可以约为325-375μm。特别地，沟槽20的深度大约为包围MEMS元件12的邻近沟槽之间的距离或更深。这样，在衬底10中沟槽20的形成是正侧沟槽所独有的。背侧部分10a是从芯片10的背侧处的主表面21延伸到最深沟槽20的底部的衬底10的一部分。
作为背侧部分10a作为单个构件保持完整的结果，并且与芯片100中的衬底10一样，芯片200中的衬底10是一件式整体构件，其整体结构贯穿整个芯片保持不变。换言之，既不使用两个或多个衬底，也不使用被沟槽或腔体分成多个部分的单个衬底。
布置有MEMS元件12的衬底10的应力敏感区域22从主表面11竖直延伸，并且与衬底10的背侧部分一体形成。
一个或多个沟槽可以包围MEMS元件12。例如，沟槽20a可以是环绕MEMS元件12的单个的连续沟槽。类似地，与沟槽20a邻近的每个沟槽20b和20c可以一起形成环绕MEMS元件12的单个的连续沟槽。
备选地，沟槽20b可以包围不同的MEMS元件(未示出)，该不同的MEMS元件在芯片200的不同MEMS区域中从MEMS元件12横向设置。类似地，沟槽20c可以包围另外的不同的MEMS元件(未示出)，该另外的不同的MEMS元件在芯片200的另外的不同MEMS区域中从MEMS元件12横向设置。因此，芯片200可以包括一个或多个不同的MEMS区域，每个区域包括与衬底10集成的不同的MEMS元件12，其中每个MEMS元件12包括可操作用于检测压力和/或应力的一个或多个敏感区域。
附加地或备选地，沟槽20b和20c中的一个或两个可以从衬底10的第一横向侧延伸到与第一横向侧相对的衬底10的第二横向侧。
另外，弹簧结构25(例如，弹簧结构25a或25b)形成在两个邻近的沟槽分段之间，并且被配置为吸收来自环境的外部应力，使得被传递到内部区域22(即，到MEMS元件12)的外部应力量被减少或被阻止。外部应力可能由封装本身引起(例如，由于热失配)。邻近地布置在MEMS元件12的相同横向侧上以便在其间形成弹簧结构25的两个沟槽或沟槽分段可以被称为“邻近”或“相邻”沟槽。因此，在一对邻近的沟槽20之间形成弹簧结构25。
弹簧结构25被限定为衬底10的一部分，其被布置在两个邻近沟槽20之间或同一沟槽20的两个横向分离的部分之间，该弹簧从背侧部分21a的上部朝向芯片200的正侧处的第一主表面11延伸。换言之，弹簧结构25形成两个邻近沟槽20或邻近沟槽分段的侧壁。在一些实施例中，弹簧结构25可以延伸到芯片200的正侧处的第一主表面11。两个邻近的沟槽20或同一沟槽20的两个横向间隔的部分彼此平行延伸，使得在它们之间形成弹簧结构25。
在该示例中，在沟槽20a和20b之间形成弹簧结构25a，并且在沟槽20a和20c之间形成弹簧结构25b。例如，如果沟槽20b和20c形成与沟槽20a同心的单个沟槽，则弹簧结构25a和25b可以是单独构件或可以是整体结构的单个构件。
此外，每个弹簧结构25可以电耦合到相应的MEMS元件12，并且被配置为接收由相应MEMS元件12的至少一个敏感区域生成的传感器信号(例如，电信号)，并且向传感器电路提供电气路径，传感器电路被配置为读出传感器信号。
芯片的所有弹簧结构25由一件式整体结构的衬底10的背侧部分接合。
芯片200还包括在衬底10的第二主表面21(即，背侧)处形成的多个粒子过滤器沟槽27(例如，粒子过滤器沟槽27a和27b)，使得它们与背侧部分10a一体形成。粒子过滤器沟槽27与参考图1A至图1C所描述的粒子过滤器沟槽类似地布置，不同之处在于每个粒子过滤器沟槽27的纵向延伸可以跨越两个或多个沟槽20。例如，粒子过滤器沟槽27a横向地跨越沟槽20a和20b，而粒子过滤器沟槽27b横向地跨越沟槽20a和20c。
具体地，每个粒子过滤器沟槽27与一个或多个相应沟槽20或沟槽20的相应沟槽分段的端部(即，底部)相交，使得由沟槽20形成的来自正侧的开口与由粒子过滤器沟槽27形成的来自背侧的开口相交。从俯视图的视角看，每个粒子过滤器沟槽27及其相应的沟槽20根据穿越的角度形成交叉图案或X图案。粒子过滤器沟槽27及其相应沟槽20的相交部分是两个开口结合的部分，形成了从第一主表面11完全延伸到第二主表面21的压力耦合开口28。压力耦合开口28形成提供背侧压力耦合的路径。
另外，沿着相应沟槽20的纵向延伸(即，沿z轴)，彼此间隔地设置多个粒子过滤器沟槽27。即，多个粒子过滤器沟槽27沿z轴彼此平行地形成，通过完全延伸到第二主表面21的衬底的一部分彼此间隔。因此，衬底10是一件式的整体构件，其整体结构贯穿整个芯片保持不变。换言之，既不使用两个或多个衬底，也不使用被沟槽或腔体分成多个部分的单个衬底。
此外，应当注意，衬底10的一部分的下侧21a被粒子过滤器沟槽27暴露。该下侧部分21a表示粒子过滤器沟槽27与衬底10接触的区域。
图3A示出了根据一个或多个实施例的芯片300的俯视图。提供阴影以指示衬底的第一主表面11，并且阴影仅用于帮助区分第一主表面11与沟槽20。附加地，图3B示出了沿着图3A中的线C-C截取的芯片300的截面图。特别地，衬底10包括四个MEMS区域10b、10c、10d和10e，在第一主表面11的这四个MEMS区域10b、10c、10d和10e处集成了不同的MEMS元件。在该示例中，每个MEMS元件包括彼此横向分离并以栅格形式布置的四个敏感区域。每个敏感区域被配置为响应于所检测的压力和/或应力来生成电信号。由MEMS元件的敏感区域生成的电信号可以由传感器电路相加或求平均。
如图3A中可以看出的，MEMS区域10b包括包含敏感区域12b的MEMS元件，MEMS区域10c包括包含敏感区域12c的MEMS元件，MEMS区域10d包括包含敏感区域12d的MEMS元件，以及MEMS区域10e包括包含敏感区域12e的MEMS元件。每个MEMS区域可以具有矩形形状。
另外，多个沟槽20被形成在邻近或相邻的MEMS区域10b至10e之间。而且，沟槽20或沟槽20的分段还形成在MEMS区域10b至10e的外围区域的周围、在MEMS区域与芯片300的横向边缘之间。此外，一个或多个沟槽20可以被结合以形成单个的连续沟槽。
弹簧结构25(例如，弹簧结构25a和25b)被形成在两个邻近的沟槽20之间或同一沟槽20的两个横向分离的部分之间。
多个沟槽20包括环绕MEMS区域10b的沟槽20b。特别地，沟槽20b包括第一端B和第二端B’。因此，在该示例中，沟槽20b围绕MEMS区域10b包裹1.5次，使得一个沟槽分段由沟槽20b在MEMS区域的外部外围边缘(即，与芯片300的边缘相邻的那些边缘)处形成，并且两个沟槽分段由沟槽20b在内部外围边缘(即，与芯片300边缘不相邻的那些边缘，或者与邻近的MEMS区域10c和10d最接近的那些边缘)处形成。
因此，一对邻近的应力解耦沟槽或沟槽分段由环绕MEMS区域10b的单个连续沟槽20b从MEMS区域10b的一个横向侧形成，使得单个的连续沟槽的至少一部分在横向方向上与其自身重叠。当单个连续沟槽20b具有围绕MEMS区域10b缠绕的螺旋图案、其中在沟槽20b的横向重叠分段之间形成弹簧结构25时，可以出现这种布置。当然，弹簧结构25也可以具有与单个连续沟槽20b的螺旋图案一致的螺旋图案。
与沟槽20b类似，沟槽20c包括第一端C和第二端C’。因此，在该示例中，沟槽20c围绕MEMS区域10c包裹1.5次，使得一个沟槽分段由沟槽20c在MEMS区域的外部外围边缘(即，与芯片300的边缘邻近的那些边缘)处形成，并且两个沟槽分段由沟槽20c在内部外围边缘(即，与芯片300的边缘不邻近的那些边缘，或者与邻近的MEMS区域10b和10e最接近的那些边缘)处形成。
与沟槽20b类似，沟槽20d包括第一端D和第二端D’。因此，在该示例中，沟槽20d围绕MEMS区域10d包裹1.5次，使得一个沟槽分段由沟槽20d在MEMS区域的外部外围边缘(即，与芯片300的边缘邻近的那些边缘)处形成并且两个沟槽段由沟槽20d在内部外围边缘(即，与芯片300的边缘不邻近的那些边缘，更准确地说是与邻近的MEMS区域10b和10e最接近的那些边缘)。处形成
类似于沟槽20b，沟槽20e包括第一端E和第二端E’。因此，在该示例中，沟槽20e围绕MEMS区域10e包裹1.5次，使得一个沟槽分段由沟槽20e在MEMS区域的外部外围边缘(即，与芯片300的边缘邻近的那些边缘)处形成，并且两个沟槽分段由沟槽20e在内部外围边缘(即，与芯片300的边缘不邻近的那些边缘，更准确地说是与邻近的MEMS区域10c和10d最接近的那些边缘)处形成。
沟槽20f包括第一端F和第二端F’，使得沟槽20f从芯片300的一个边缘横向延伸到与芯片第一边缘相对的芯片300的第二边缘。沟槽20f也可以形成为与沟槽20b至20d结合，从而形成单个的连续沟槽。
这样，在MEMS区域10b和10c之间横向地形成五个沟槽20，五个沟槽20具有在它们之间横向形成的四个弹簧结构25。在这种情况下，在MEMS区域10b和10c之间存在横向布置的五对邻近的沟槽，这产生了四个弹簧结构25(即，每对之间具有布置在其之间的对应的弹簧结构25)。
另外，在MEMS区域10d和10e之间横向地形成五个沟槽20，五个沟槽20具有在它们之间横向形成的四个弹簧结构25；在MEMS区域10b和10d之间横向形成四个沟槽20，四个沟槽20具有在它们之间横向形成的三个弹簧结构25；以及在MEMS区域10c和10e之间横向地形成四个沟槽20，四个沟槽20具有在它们之间横向形成的三个弹簧结构25。弹簧结构25被配置为吸收来自环境的外部应力，使得每个MEMS区域10b至10e并且因此MEMS元件的每个敏感区域与外部应力隔离。
芯片300还包括形成在衬底10的第二主表面21(即，背侧)处的多个粒子过滤器沟槽27，使得它们与背侧部分10a一体地形成。粒子过滤器沟槽27与参考图1A至图1C所描述的那些粒子过滤器沟槽类似地布置，不同之处在于每个粒子过滤器沟槽27的纵向延伸可以跨越一个或多个沟槽20。
具体地，每个粒子过滤器沟槽27与一个或多个相应沟槽20的端部相交，使得由沟槽20形成的来自前侧的开口与由粒子过滤器沟槽27形成的来自背侧的开口相交。可以看出，多个粒子过滤器沟槽27也可以在MEMS区域10b至10e之间延伸，横向地跨越形成在它们之间的沟槽20。
从俯视图的视角看，每个粒子过滤器沟槽27及其相应的沟槽20根据穿越的角度形成交叉图案或X图案。粒子过滤器沟槽27及其相应沟槽20的相交部分是两个开口结合的部分，形成从第一主表面11完全延伸到第二主表面21的压力耦合开口28。压力耦合开口28形成了提供背侧压力耦合的路径。
图4A至图4D图示根据一个或多个实施例的集成应力敏感传感器的制造过程的截面图。特别地，图4A图示了前端制造步骤，包括：将多个应力敏感传感器12集成在衬底10(即，半导体晶片)中，形成应力解耦沟槽20以及形成接触焊盘40。如上所述，应力敏感传感器12可以是MEMS压力传感器或其他一些应力敏感传感器。
接触焊盘40在第一主表面11上与沟槽20横向地间隔，并且还与接触焊盘被电连接到的相应应力敏感传感器12横向地间隔。
另外，可选的防护材料41可以设置在每个应力敏感传感器12的上方。防护材料41可以用于粒子防护。
接下来，图4B图示了盖的附接步骤，在该步骤期间，在相应的应力敏感传感器12的上方设置防护盖42。防护盖42可以包括焊接至衬底10的第一主表面11的框架、以及在相应应力敏感传感器12上方延伸且包封相应应力敏感传感器12的盖。防护盖42的框架可以被焊接至应力解耦沟槽20和接触焊盘40之间的区域中的衬底10。防护盖42的框架可以由SU8和/或玻璃制成。例如，框架部分可以由SU8制成，而盖部分可以由SU8或玻璃制成。
接下来，图4C图示了研磨或晶片减薄过程，其被应用于衬底10的背侧以降低芯片高度(即，减小衬底的厚度)。限制衬底10的减薄，使得应力解耦沟槽20保持在距衬底的第二主表面21(即，背侧)的竖直距离处。
接下来，图4D图示了用于粒子过滤器沟槽形成的背侧光刻和硅蚀刻过程。换言之，在这里形成粒子过滤器沟槽27。粒子过滤器沟槽27保护解耦沟槽20以及应力敏感传感器12免受外来粒子的侵害。粒子过滤器沟槽27还提供背侧压力耦合。
在粒子过滤器沟槽形成之后，可以通过切割来形成个体传感器芯片(未图示)。
图5A至图5G图示了根据一个或多个实施例的包括晶片级球(WLB)栅格阵列集成的集成应力敏感传感器的制造过程的截面图。特别地，图5A图示了前端制造步骤，包括：将多个应力敏感传感器12集成在衬底10(即半导体晶片)中，形成应力解耦沟槽20以及形成接触焊盘40。如上所述，应力敏感传感器12可以是MEMS压力传感器或其他一些应力敏感传感器。
接触焊盘40在第一主表面11上与沟槽20横向地间隔，并且还与接触焊盘电连接到的相应应力敏感传感器12横向地间隔。
另外，可选的防护材料41可以设置在每个应力敏感传感器12的上方。防护材料41可以被用于粒子防护。
接下来，图5B图示了盖附接步骤，在该步骤期间，防护盖52可以设置在所有应力敏感传感器12的上方并且被附接到衬底10的主表面11上。防护盖52可以是预构造的中介层，并且更具体地，是预构造的玻璃或硅晶片。如果是玻璃，则UV胶可以用作用于将该结构附接到衬底的粘合剂。
防护盖52可以包括设置在第一主表面11的不同部分上方的腔体或沟槽53(例如，沟槽53a和53)。例如，沟槽53a可以在每个接触焊盘40上方延伸。附加地，可以在传感器芯片或传感器区域之间的区域中提供沟槽53b。
接下来，图5C图示了被施加到防护盖52顶侧的研磨，以暴露沟槽53来形成延伸穿过防护盖的通孔54a和54b。
接下来，图5D图示了硅通孔(TSV)过程，在该过程期间，将导电填充材料55设置在通孔54a中以形成导通孔以便与接触焊盘40进行电连接。
接下来，图5E图示了研磨或晶片减薄过程，其被应用于衬底10的背侧以降低芯片高度(即，减小衬底的厚度)。限制衬底10的减薄，使得应力解耦沟槽20保持在距衬底的第二主表面21(即，背侧)的竖直距离处。
接下来，图5F图示了用于粒子过滤器沟槽形成的背侧光刻和硅蚀刻过程。换言之，在这里形成粒子过滤器沟槽27。粒子过滤器沟槽27保护解耦沟槽20以及应力敏感传感器12免受外来粒子的侵害。粒子过滤器沟槽27还提供背侧压力耦合。
接下来，图5G图示了在填充材料55(即，导通孔)的顶部上施加导电互连结构56(例如，焊球)，使得互连结构56分别连接至接触焊盘40。另外，也可以在形成互连结构56之前形成重新分布层(RDL)。
图6A和图6B图示了根据一个或多个实施例的包括晶片级球(WLB)栅格阵列集成的集成应力敏感传感器的备选制造过程的截面图。
为了限制防护材料41的温度预算，人们还可以分别准备半导体晶片10和玻璃中介层62，然后将两个晶片利用用于胶合的短加热或经由对UV光敏感的胶而附接在一起，无需附加的高温步骤。再分布层65可以被引入并且可以与玻璃中介层62集成，以有效地使用芯片尺寸和/或以接触焊盘40和互连结构56。
特别地，玻璃中介层62可以包括在将半导体晶片10和玻璃中介层62附接在一起之前形成的导通孔55和再分布层65。类似地，在将半导体晶片10和玻璃中介层62附接在一起之前，半导体晶片10可以包括前端组件以及与其集成的粒子过滤器沟槽27。在将半导体晶片10和玻璃中介层62附接在一起之后，可以在导通孔55和/或重新分布层65上提供互连结构56。
尽管本文描述的实施例涉及MEMS压力传感器，并且在某些情况下涉及电容性压力传感器，但是应当理解，其他实现可以包括其他类型的应力敏感传感器或其他类型的MEMS器件或MEMS元件。另外，尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但显然，这些方面也表示对应方法的描述，其中框或器件对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应框或项目或特征的描述。方法步骤中的一些或全部可以由(或使用)硬件装置(例如，微处理器、可编程计算机或电子电路)来执行。在一些实施例中，某一个或多个的方法步骤可以由这种装置来执行。
进一步地，应当理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开可以不被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开将不会将它们限于特定的顺序，除非这些动作或功能出于技术原因不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以被分解成多个子动作。除非明确排除，否则这种子动作可以被包括并且是单个动作公开的一部分。
此外，描述和附图仅图示了本公开的原理。因此，应当理解，本领域技术人员将能够设计出尽管未在本文中明确描述或示出的、但体现本公开原理并且被包括在其精神和范围内的各种布置。此外，本文中记载的所有示例原则上明确旨在仅用于教学目的，以帮助理解本公开的原理以及有助于进一步发展本领域的概念，并且应被解释为不限于这种明确记载的示例和条件。而且，本文中记载的本公开的原理、方面和实施例及其具体示例的所有表述旨在涵盖其等同形式。因此，应当理解，对本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员将是明显的。
此外，所述权利要求由此被并入详细描述中，其中每个权利要求可以基于自身作为单独的示例实施例。尽管每个权利要求可以基于自身作为单独的示例实施例，但是应当注意，尽管在权利要求中的从属权利要求可以指代与一个或多个其他权利要求的具体组合，但是其他示例实施例也可以包括该从属权利要求与彼此从属或独立的权利要求的主题的组合。除非指出不旨在具体的组合，否则本文提出这种组合。此外，旨在将权利要求的特征也包括到其他任何独立权利要求中，即使该权利要求没有直接引用该独立权利要求。

Claims (20)

1.一种半导体器件，包括：
衬底，具有第一表面和与所述第一表面相对布置的第二表面；
第一应力敏感传感器，设置在所述衬底的所述第一表面处，其中所述第一应力敏感传感器对机械应力敏感；
第一应力解耦沟槽，具有从所述第一表面延伸到所述衬底中的竖直延伸，其中所述第一应力解耦沟槽朝向所述第二表面竖直地部分延伸至所述衬底中，但未完全延伸到所述第二表面；以及
多个粒子过滤器沟槽，从所述第二表面竖直地延伸至所述衬底中，其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽具有与所述第一应力解耦沟槽的所述竖直延伸正交延伸的纵向延伸，以及
其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽通过从所述第二表面延伸到所述第一应力解耦沟槽的底部的所述衬底的背侧部分而与所述多个粒子过滤器沟槽中邻近的粒子过滤器沟槽分离。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述多个粒子过滤器沟槽中的所述每个粒子过滤器沟槽以交叉图案与所述第一应力解耦沟槽相交。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一应力解耦沟槽包括沿第一轴的所述竖直延伸、沿与所述第一轴正交的第二轴的纵向延伸、以及沿与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的横向延伸，并且所述多个粒子过滤器沟槽的所述纵向延伸以与所述第三轴平行的角度或以在所述第二轴与所述第三轴之间的角度而被布置。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述多个粒子过滤器沟槽沿所述第二轴彼此分离。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述衬底是一件式整体构造。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽与所述第一应力解耦沟槽的所述底部相交，使得所述多个粒子过滤器沟槽与所述第一应力解耦沟槽结合以形成从所述第一表面延伸到所述第二表面的多个开口。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中所述多个粒子过滤器沟槽中的所述每个粒子过滤器沟槽与所述第一应力解耦沟槽形成交叉图案或X图案。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：
第二应力解耦沟槽，与所述第一应力解耦沟槽邻近，所述第二应力解耦沟槽具有从所述第一表面延伸到所述衬底中的竖直延伸，其中所述第二应力解耦沟槽朝向所述第二表面竖直地部分延伸至所述衬底中，但未完全延伸到所述第二表面，
其中，所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽的所述纵向延伸横向跨越所述第一应力解耦沟槽和所述第二应力解耦沟槽。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽以交叉图案与所述第一应力解耦沟槽相交，并且以交叉图案与所述第二应力解耦沟槽相交。
10.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：
所述第一应力解耦沟槽围绕所述衬底的应力敏感区域的外围，所述第一应力敏感传感器设置在所述应力敏感区域中，
所述多个粒子过滤器沟槽沿所述第一应力解耦沟槽布置在应力敏感区域的所述外围的不同侧处，并且
所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽以交叉图案与所述第一应力解耦沟槽相交。
11.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：
所述衬底的第一应力敏感区域，所述第一应力敏感传感器被设置在所述第一应力敏感区域；
第二应力敏感传感器，设置在所述衬底的第二应力敏感区域中的所述衬底的所述第一表面处，其中所述第二应力敏感传感器对机械应力敏感；以及
多个应力解耦沟槽，包括设置在所述第一应力敏感区域和所述第二应力敏感区域之间的所述第一应力解耦沟槽，
其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽的所述纵向延伸横向地跨越所述第一应力解耦沟槽和所述第二应力解耦沟槽，使得所述多个粒子过滤器沟槽与所述第一应力解耦沟槽和所述第二应力解耦沟槽中的每个应力解耦沟槽的底部相交。
12.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：
所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽的所述纵向延伸从所述第一应力敏感区域延伸到所述第二应力敏感区域。
13.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：
执行半导体衬底的前端制造，所述半导体衬底具有第一表面和与所述第一表面相对布置的第二表面，所述前端制造包括集成设置在所述衬底的所述第一表面处的第一应力敏感传感器，以及在所述衬底中形成所述第一应力解耦沟槽，其中所述第一应力解耦沟槽具有从所述第一表面延伸到所述衬底中的竖直延伸，其中所述第一应力解耦沟槽朝向所述第二表面竖直地部分延伸至所述衬底中，但未完全延伸到所述第二表面；以及
在所述衬底的所述第二表面处形成多个粒子过滤器沟槽，其中所述多个粒子过滤器沟槽从所述第二表面竖直延伸至所述衬底中，其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽具有与所述第一应力解耦沟槽的所述竖直延伸正交延伸的纵向延伸，以及
其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽通过从所述第二表面延伸到所述第一应力解耦沟槽的底部的所述衬底的背侧部分而与所述多个粒子过滤器沟槽中邻近的粒子过滤器沟槽分离。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将盖附接到所述第一表面，其中所述盖包封所述第一应力敏感传感器和所述第一应力解耦沟槽。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述前端制造包括在所述第一表面上形成接触焊盘，并且所述盖、所述第一应力敏感传感器、和所述第一应力解耦沟槽被设置在所述接触焊盘之间。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述盖是包括与所述接触焊盘对准的导电导通孔的中介层。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一应力解耦沟槽包括沿第一轴的所述竖直延伸、沿与所述第一轴正交的第二轴的纵向延伸、以及沿与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的横向延伸，并且所述多个粒子过滤器沟槽的所述纵向延伸以与所述第三轴平行的角度或以所述第二轴与所述第三轴之间的角度而被布置。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个粒子过滤器沟槽着所述第二轴彼此分离。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽与所述第一应力解耦沟槽形成交叉图案或X图案。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个粒子过滤器沟槽中的每个粒子过滤器沟槽与所述第一应力解耦沟槽的所述底部相交，使得所述多个粒子过滤器沟槽与所述第一应力解耦沟槽结合以形成从所述第一表面延伸到所述第二表面的多个开口。
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