CN112789240A - 用于建立晶片连接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在第一晶片和第二晶片之间建立晶片连接的方法，所述方法包括以下步骤：‑提供第一材料和第二材料以形成共晶合金，‑提供第一晶片，该第一晶片具有用于凸模结构的接收结构，‑用所述第一材料填充所述接收结构，‑提供具有凸模结构的第二晶片，其中，在所述凸模结构上布置所述第二材料，‑提供在第一晶片和/或第二晶片上的止挡结构，使得在这两个晶片接合时提供限定的止挡，‑至少将所述第一材料和第二材料至少加热到所述共晶合金的共晶温度，‑将所述第一晶片和第二晶片接合，使得所述凸模结构至少部分地插入到所述接收结构中，其中，确定所述止挡结构、所述接收结构、所述凸模结构的尺寸以及第一材料和第二材料的量，使得在这两个晶片接合之后，这两个材料的共晶合金保留在所述接收结构内并且所述凸模结构至少部分被所述共晶合金包围。
Description
技术领域
本发明涉及一种在第一晶片和第二晶片之间建立晶片连接的方法。
本发明还涉及一种MEMS传感器。
背景技术
虽然本发明一般能应用在任意MEMS传感器上，但本发明针对MEMS压力传感器来说明。
已知的封装技术需要使压力传感器的压力敏感部分、即压力传感器膜片借助专门的弹簧结构与传感器的其余部分机械脱耦并由此使其不受安装和连接技术的影响。此外，使压力传感器承受机械应力、例如弯曲的外部影响例如是基于成型过程的机械张力、具有不同热膨胀系数的材料混合的结构和由于在电路板上安装的传感器的焊接连接而引起的应力。
在已知的MEMS过程中，对于应力脱耦需要MEMS传感器的相对较薄的晶片，尤其是具有小于300μm厚度的晶片。这些晶片厚度是不可加工的并且该晶片因此被施加在载体晶片上，该载体晶片能够以分析评价ASIC的形式提供。
对于MEMS传感器和分析评价ASIC之间的电连接已知的是，使用具有合适的芯片对芯片接触(chip to chip Kontakt)的共晶键合。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供一种在第一晶片和第二晶片之间建立晶片连接的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供第一材料和第二材料以形成共晶合金；
-提供第一晶片，该第一晶片具有用于凸模结构的接收结构；
-以第一材料填充该接收结构；
-提供具有凸模结构的第二晶片，其中，在该凸模结构上布置第二材料；
-提供在第一晶片和/或第二晶片上的止挡结构，使得在两个晶片接合时提供限定的止挡；
-将至少第一材料和第二材料至少加热到共晶合金的共晶温度；
-将第一晶片和第二晶片接合，使得凸模结构至少部分地插入到接收结构中，其中，确定止挡结构、接收结构、凸模结构的尺寸以及第一材料和第二材料的量，使得在两个晶片接合之后，由两个材料组成的共晶合金保留在接收结构内并且凸模结构至少部分地被共晶合金包围。
在另一实施方式中，本发明提供一种利用根据权利要求1-11中任一项的方法制造的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括：
-具有用于凸模结构的接收结构的第一晶片；
-具有凸模结构的第二晶片，其中，止挡结构布置在第一晶片和/或第二晶片上，以在这两个晶片之间提供限定的间距，其中，在接收结构中布置共晶合金的材料，凸模结构至少部分地沉入到该共晶合金中。
由此实现的优点中的一个优点是，在两个构件之间、在此在晶片之间能够实现可靠的机械连接。
下面说明或由此公开本发明的另外的特征、优点和另外的实施方式。
根据一个有利的扩展方案，两个材料中的至少一个材料仅部分地熔化。这使得第一晶片和第二晶片能快速且能量高效地接合，因为例如仅能够通过压紧压力“挤压”所述至少一个材料。
根据另一有利扩展方案，将凸模结构的厚度制造得大于止挡结构的厚度。由此的优点是，由此能够将凸模结构可靠地接收在接收结构中。
根据另一有利扩展方案，确定止挡结构、接收结构、凸模结构的尺寸以及第一材料和第二材料的量，使得在两个晶片接合之后，凸模结构至少部分地布置在第一材料位于接收结构中的在接合之前的体积表面的下方。这引起可靠且稳定的键合。
根据另一有利扩展方案，在接合之后，在第一晶片和第二晶片之间保留接受容积。以这种方式，一方面避免共晶合金的材料在第一晶片和第二晶片接合时从接收结构中出来。此外，可以补偿在制造凸模结构以及第一材料和第二材料的量时的过程公差。这也适用于凸模结构沉入到由第一材料和第二材料组成的共晶合金中。
根据另一有利扩展方案，在第一晶片处，接收结构和止挡结构相对彼此间隔开。由此的优点是，通过附加的间距降低了接收结构的断裂可能性，并且因此不会有材料进入到止挡结构的子结构中。
根据另一有利扩展方案，第一材料设置有至少两个缺口，其中，这些缺口布置为，使得在两个晶片接合时这些缺口与凸模结构的边缘相对应，从而使这些缺口之间的间距等于或大于边缘之间的间距。在此，缺口尤其可以具有处于微米范围内的大小。在凸模结构下方，这些缺口简化了第一材料和第二材料之间的共晶比的形成。
根据另一有利扩展方案，具有至少为10:1、有利地至少为100:1、尤其至少为1000:1的宽度-厚度比的第二材料布置在凸模结构上。由此的优点是，因此使第二材料的体积构造得尽可能地宽和薄，使得第一晶片和第二晶片可以可靠地相互固定，以提供牢固的机械连接。
根据另一有利扩展方案，凸模结构的宽度构造得比第二材料的宽度宽。因此，使得能够特别可靠地固定两个晶片。
根据另一有利扩展方案，在凸模结构下方的第二晶片不导电地构造。由此的优点是，提高了机械稳定性，因为通常导电的材料在相应的键合温度下较软。因此，避免了在两个晶片接合时在凸模结构区域中的压入。
根据另一有利扩展方案，凸模结构和/或接收结构由介电材料、尤其SiO2和/或SiN制成。由此，一方面实现了机械上稳定的连接，另一方面实现了钝化。
根据另一有利扩展方案，提供第一材料和第二材料作为导电材料。因此，除了机械连接外，也可以建立两个晶片的电连接。
由从属权利要求、附图并且由属于这些附图的附图说明中得出本发明的进一步重要特征和优点。
显然，在不偏离本发明的范畴下，上述特征和下面仍要阐明的特征不仅能在分别说明的组合中使用，而且也能以其他组合方式使用或单独地使用。
在附图中示出并且在下面的说明中详细阐述优选实施方式和本发明的实施方式，其中，相同的附图标记涉及相同的或相似的或功能相同的构件或元件。
附图说明
在此，以示意图形式并且以横截面示出：
图1根据本发明的一个实施方式的在接合之前的两个晶片；
图2根据图1的在它们按照本发明的一个实施方式接合之后的已连接的两个晶片；
图3根据本发明的一个实施方式的在接合之前的两个晶片；
图4根据本发明的一个实施方式的方法的步骤。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一个实施方式在接合之前的两个晶片并且图2示出根据图1的在它们根据本发明的一个实施方式接合之后的已连接的两个晶片。
在下面的图1和图2中，分别示出呈ASIC形式的第一晶片2。在此，第一晶片2具有硅层作为最下层2a。在硅层2a的上侧布置ASIC后端层2b，在该ASIC后端层上又区域式地布置铝层2d。铝层2d和ASIC后端层2b的其余部分一样被例如由二氧化硅组成的非导电层2c包围或覆盖。在非导电层2c和铝层2d的上侧布置钝化层2e，该钝化层由介电材料组成。在此，介电材料可以具有二氧化硅SiO2或氮化硅SiN或二氧化硅和氮化硅的组合。在此，所提及的层2a-2d的竖直层厚度可以在0.1μm和3μm之间，优选在0.2μm至2μm之间。
钝化层2e具有在横截面中呈盆状部5形式的接收结构。在盆状部5的侧边缘8布置间距保持部8a，该间距保持部构成用于第二晶片3的止挡部8a。盆形部5被铝4a填充直至水平面4a'，也就是说，在盆形部5中布置铝层。在此，铝层4a在其表面上具有缺口10a、10b，这些缺口相对彼此具有间距103。该间距103大于第二晶片3的凸模6的宽度104。
在图1和2中从上往下看，第二晶片3具有以下结构。作为第一层，层3a呈硅层的形式布置。在该层上布置电钝化层3b，该电钝化层可以由二氧化硅组成。在此，钝化层3b的厚度在0.05μm和2μm之间，尤其在0.1μm至1μm之间。此外，在该钝化层上在部分区域中布置导电层3c，例如包含导体电路在内的导电层，该导电层被电钝化层3d朝下方完全包围。在此，两个层3c和3d的厚度在0.05μm至2μm之间，尤其在0.1μm至1μm之间。现在，在钝化层3d上布置上面提到的、在横截面中矩形构造的凸模6，在该凸模上又施加第二导电材料4b，所述第二导电材料在这里是呈锗形式。
因此，详细来说，在第一和第二导电材料4a、4b键合之后，凸模6建立在两个晶片2、3之间的机械连接。在键合期间和之后，凸模6不变形。凸模6呈现出针对机械连接的参考参量。凸模6将锗4b的布置足够远地推入到对置的呈盆形部5形式的钝化开口或者说接收结构中，使得在两个晶片2、3被压紧时，锗4b最先与对置的铝4a接触。
呈盆形部5形式的接收结构限定以下区域，在键合过程时在该区域中存在“液体的”铝锗合金(简称Al-Ge)4c。所述铝锗合金接收层厚102、105、101的和结构宽度103、104、106的可能的过程公差，使得铝锗合金4c从盆形部5被压出并且凸模6可靠地位于盆形部5内。
间距保持部8封闭键合框架、即封闭参与键合过程的结构和层，限定盆形部5的高度并且接收在键合过程期间或在铝锗合金4c的共晶体熔化之后由于压紧压力而产生的力。
共晶体的尺寸、换言之包含两个导电材料4a、4b的铝锗合金4c和各区域的量和布置形状由凸模6、盆形部5和间距保持部8的尺寸得出。
详细地，凸模6具有与机械负载能力成线性比例的宽度104并且可以具有约10-100μm的大小。尤其，这样选择凸模6的高度101，使得该凸模高度大于ASIC 3的最上方钝化层2e的厚度102。有利地，凸模6在键合之后位于起初的铝表面4a'的下方。这导致了更可靠的稳定键合。为了可靠地实现这个目标，根据限定凸模高度101的层厚101、102、105和钝化层2e的过程公差来确定高度101。尤其，凸模6沉入到起初的铝表面4a'的下方优选0.001μm至100μm之间。
在键合之前，由凸模宽度104和凸模6左侧和右侧的键合偏移来限定盆形部5的宽度。盆形部5的高度由铝4a的层厚和钝化层2e的厚度限定。
盆形部5在键合之后以如下方式限定：
-在竖直方向上，关于第二晶片3由钝化层2e的厚度和凸模的高度101限定，和/或
-在竖直方向上，关于第一晶片2由邻接的(最后的)贯通平面(Via-Ebene)限定，和/或
-在水平方向上由布置在盆形部5两侧的间距保持部8之间的间距限定。
必要时，在键合过程之后存在的、在左侧和右侧布置在凸模6旁边的接受容积9由凸模6和间距保持部8之间的水平间距和钝化层2e的高度102来限定。在键合过程之后，铝锗合金4c布置在接受容积9中。在此，这样确定接受容积9的尺寸，使得考虑凸模6的过程公差和钝化层2e的过程公差以及锗4b和铝4a的布置的过程公差并且考虑由于凸模6沉入到起始的铝表面4a1下方而挤出的体积。
一旦锗4b和铝4a在键合过程中充分软化并且相互合金化并且被挤压，则凸模6不会再接收由于压紧压力而产生的力。因此，全部的压紧压力加载在间距保持部8上。尤其，这些间距保持部这样设计，使得在间距保持部8下方的结构没有被损坏。因此，得出用于这些间距保持部的布置在凸模6上的锗4b的宽度106的数量级中的宽度。
在另一实施方式中，在盆形部5与间距保持部8之间设置有1μm和10μm之间的间距。该间距附加地保护盆形部边缘以防断裂，使得没有锗4a能够到达各间距保持部8的子结构中。
在锗4b和铝4a之间的体积比尤其选择为尽可能接近共晶比。体积比尽可能这样选择，使得在层2a-2e、3a-3d的厚度相应的情况下，接受容积9被填充了一半。
锗4b的体积选择为尽可能宽和薄，例如具有在10-100μm之间的宽度并且具有在100nm-1μm之间的厚度。尤其，所施加的锗4b处于凸模的宽度104内。
铝层4a的布置的宽度由盆形部5的宽度限定。铝4a的布置的高度可以处于0.5μm和2μm之间的数量级中。
有利地，铝层4a可以在与凸模6的尺寸相应在左侧和右侧对称地、换句话说在凸模6的侧边缘6’、6"旁边具有深度数量级在0.5μm和1.5μm之间的小中断、小缺口或小凹陷10a、10b。这在将凸模6插入到盆形部5中时简化了用于铝锗合金4c的共晶比的形成。
有利地，凸模6可以由电介质例如SiO2或SiN组成或者也由铝组成，其中，该电介质被合适的锗扩散屏障、例如TiN或TaN覆盖。
图3示出按照本发明的一个实施方式在接合之前的两个晶片。
在图3中示出与根据图1的两个晶片2、3基本上相同的结构。与图1的实施方式不同，在图3的实施方式中，第二晶片3不具有在凸模6下方的导体电路，也就是说，在图1中示出的在凸模6下方的连续层3c现在由于凸模6基本上中断并且被划分为两个子区域3c1、3c2。这提高了整个组件的机械稳定性，因为在层3c中的导体电路通常具有铝铜合金，该铝铜合金在相应的键合温度下相对较软。
图4示出根据本发明的一个实施方式的方法的步骤。
图4示出在第一晶片和第二晶片之间建立晶片连接的方法的步骤。
在此，该方法包括以下步骤：
在第一步骤S1中，提供第一材料和第二材料以形成共晶合金。
在另外的步骤S2中，提供第一晶片，该第一晶片具有用于凸模结构的接收结构。
在另外的步骤S3中，以第一材料填充接收结构。
在另外的步骤S4中，提供具有凸模结构的第二晶片，其中，在凸模结构上布置有第二材料。
在另外的步骤S5中，提供在第一晶片和/或第二晶片上的止挡结构，使得在两个晶片接合时提供限定的止挡。
在另外的步骤S6中，将第一材料和第二材料至少加热到共晶合金的共晶温度。
在另外的步骤S7中，这样进行第一和第二晶片的接合，使得凸模结构至少部分地插入到接收结构中，其中，确定止挡结构、接收结构、凸模结构的尺寸以及第一材料和第二材料的量，使得在两个晶片接合之后，由两个材料组成的共晶合金保留在接收结构内并且凸模结构至少部分地被共晶合金包围。
总结而言，这些实施方式中的至少一个实施方式具有以下优点中的至少一个优点：
-在两个晶片之间的机械连接和尤其附加的电气连接；
-低成本的制造；
-简单的制造；
-简单的处置。
尽管已经根据优选实施例对本发明进行了说明，但本发明不限于此，而是能以多种方式进行修改。
Claims (13)
1.一种用于在第一晶片和第二晶片(2，3)之间建立晶片连接的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供(S1)第一材料和第二材料(4a，4b)以形成共晶合金(4c)；
-提供(S2)第一晶片(2)，该第一晶片具有用于凸模结构(6)的接收结构(5)；
-用所述第一材料(4a)填充(S3)所述接收结构(5)；
-提供(S4)具有凸模结构(6)的第二晶片(3)，其中，在所述凸模结构(6)上布置所述第二材料(4b)；
-提供(S5)在第一晶片和/或第二晶片(2，3)上的止挡结构(8)，使得在这两个晶片(2，3)接合时提供限定的止挡(8a)；
-至少将所述第一材料和第二材料(4a、4b)至少加热(S6)到所述共晶合金(4c)的共晶温度；
-将所述第一晶片和第二晶片(2，3)接合(S7)，使得所述凸模结构(6)至少部分地插入到所述接收结构(5)中，其中，确定所述止挡结构、所述接收结构(5)、所述凸模结构(6)的尺寸以及第一材料和第二材料的量，使得在这两个晶片(2，3)接合之后，由这两个材料(4a，4b)组成的共晶合金保留在所述接收结构(5)内并且所述凸模结构(5)至少部分被所述共晶合金包围。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，这两个材料(4a，4b)的至少一个材料仅部分地熔化。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述凸模结构(5)的厚度(101)制造得比所述止挡结构(8)的厚度(102)大。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，确定所述止挡结构(8)、所述接收结构(5)、所述凸模结构(6)的尺寸以及第一材料和第二材料(4a，4b)的量，使得在这两个晶片(2，3)接合之后，所述凸模结构(6)至少部分地布置在所述第一材料(4a)在接合之前在所述接收结构(5)中的体积的表面(4a')的下方。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，在所述接合之后，在所述第一晶片和第二晶片(2，3)之间保留接受容积(9)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，在所述第一晶片(3)上，所述接收结构和止挡结构(8)相对彼此间隔开。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述第一材料(4a)设置有至少两个缺口(10a，10b)，其中，这些缺口布置为，使得在这两个晶片(2，3)接合时，所述缺口对应于所述凸模结构(6)的边缘(6’，6")，使得所述缺口(10a，10b)之间的间距(103)等于或大于所述边缘(61，6")之间的间距。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，将具有至少为10:1、有利地至少为100:1、尤其至少为1000:1的宽度(106)-厚度(107)比的所述第二材料(4b)布置在所述凸模结构(6)上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述凸模结构(6)的宽度(104)构造为大于所述第二材料(4b)的宽度(106)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，在所述凸模结构(6)下方的第二晶片(3)不导电地构造。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述凸模结构(6)和/或所述接收结构(5)由介电材料、尤其是SiO2和/或SiN制成。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，提供所述第一材料和第二材料(4a，4b)作为导电材料。
13.一种MEMS传感器(1)，所述MEMS传感器通过根据权利要求1-11中任一项所述的方法制造，所述MEMS传感器包括：
-第一晶片(2)，所述第一晶片具有用于凸模结构(6)的接收结构(5)，
-具有凸模结构(6)的第二晶片(3)，
其中，止挡结构(8)布置在所述第一晶片和/或所述第二晶片(2，3)上，以在这两个晶片(2，3)之间提供限定的间距，其中，在所述接收结构(5)中布置共晶合金的材料(4c)，其中，所述凸模结构(6)至少部分地沉入到该共晶合金中。
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