CN1677705A - 电子元件、电子元件模块以及制造电子元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电子元件，包括半导体衬底，具有第一表面和与第一表面相反的第二表面，腔，从半导体衬底的第一表面穿透到第二表面，以及机电组件，具有可动部分，在半导体衬底的第一表面上形成机电组件以便将可动部分设置在腔上。该电子元件还包括导电塞，从半导体衬底的第一表面穿透到第二表面，并电连接到机电组件。

Description

电子元件、电子元件模块以及制造电子元件的方法
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求申请日为2004年3月31日的在先日本专利申请2004-106204的优先权，在此引入其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及包括MEMS(微电子机械系统)的电子元件和电子元件模块，以及制造电子元件的方法，MEMS是具有电子功能和机械功能的微型器件。
背景技术
具有微机电组件的电子元件已经获得了发展。(此后，电子元件和微机电组件分别被称作“MEMS电子元件”和“MEMS组件”)。近来活跃的研究是使用形成集成电路的硅芯片的制造工艺的MEMS电子元件。通常，由于器件包括机械移动，MEMS元件具有可动部分。因此，当在如硅芯片的半导体衬底上形成MEMS组件时，有必要形成用于在MEMS组件的可动部分周围移动的空间以便不阻碍机械移动。
已知制造MEMS组件的两种工艺。一种工艺是在Si衬底上形成牺牲层如多晶硅、二氧化硅、金属、以及有机层，并在牺牲层中形成可动空间。此工艺被称作“表面MEMS工艺”。另一种工艺被称作“体MEMS工艺”，其中在硅衬底自身中形成可动空间。
关于“表面MEMS工艺”，在牺牲层上形成MEMS组件之后，通过蚀刻除去与MEMS组件的可动部分对应的区域中的牺牲层以形成用于移动的空间。在此工艺中，由于牺牲层的厚度限制了用于MEMS组件的移动的空间大小，因此几乎没有设计的自由度。另一方面，在“体MEMS工艺”中，由于通过蚀刻从硅衬底的下表面除去与可动部分对应的区域中的硅衬底，以在硅衬底上形成MEMS组件之后获得腔，因此可制备用于MEMS的移动的更大空间。
但是，当蚀刻单晶硅衬底时，根据其晶面蚀刻率有所不同。当蚀刻(100)晶面的通常使用的硅衬底时，将形成相对于衬底表面具有54.7度蚀刻斜度的腔(即，斜度表面具有(111)晶面)。因此，为在衬底的上表面(或主表面)中形成具有预定尺寸的开口，必然在衬底的下表面中形成相当大的开口。因此，关于从其下表面蚀刻硅衬底的“体MEMS工艺”，很难在衬底的上表面中的预定位置处精确地形成预定尺寸的开口。此外，由于在硅衬底中形成大于需要的腔，因此很难保持硅衬底的机械强度。
此外，在具有MEMS组件的常规电子元件模块中，引线接合通常被用作将芯片安装到印刷电路板的引线。但是，当使用用于通信领域(开关、滤波器、可变电感器、可变电容器、天线等)的称为RF-MEMS的元件时，存在由引线接合导致寄生电容和电感的情况，并因此不能获得预定的性能。
此外，当封装MEMS电子元件时，需要在MEMS上方另外提供可动空间。因此，不同于常规通用的封装，不能采用树脂铸型。因此，主要采用安装陶瓷封装的工艺，其中采用昂贵的真空密封并且其不同于安装元件的工艺，如包括LSI等的其它电路芯片。由于安装工艺之间的不一致性，很难制造SIP(系统封装)，其中MEMS元件和其它电路芯片被集成在一个封装中，并如此通常在板上安装作为分离器件的MEMS组件。
发明内容
根据本发明的第一实施例的电子元件，包括：半导体衬底，具有第一表面和与第一表面相反的第二表面，腔，从半导体衬底的第一表面穿透到第二表面，以及机电组件，具有可动部分，在半导体衬底的第一表面上形成以便将可动部分设置在腔上。该电子元件进一步包括导电塞，从半导体衬底的第一表面穿透到第二表面，并电连接到机电组件。
根据本发明的第二实施例的电子元件模块，包括根据第一实施例的电子元件以及在电子元件上层叠的电路芯片，并在电子元件和电路芯片之间插入隔板。
根据本发明的第三实施例的电子元件模块，包括：包括布线图的电路板、根据第一实施例的电子元件以及导电凸起，该导电凸起将电子元件的导电塞电连接到电路板的布线图，并在电子元件和电路板之间设置导电凸起。
根据本发明的第四实施例制造电子元件的方法，包括：在半导体衬底的第一表面侧形成沟槽，在沟槽中掩埋牺牲膜，在半导体衬底的第一表面上形成具有可动部分的机电组件以便将可动部分设置在主沟槽上。该方法进一步包括从半导体衬底的第二表面侧研磨半导体衬底，以暴露牺牲膜，并通过从第二表面除去牺牲膜在沟槽中形成腔，该第二表面与第一表面相反。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施例的MEMS电子元件的结构的截面图；
图2A至图2F示出了根据本发明的第一实施例制造MEMS电子元件的方法的每个步骤的截面图；
图3示出了根据本发明的第一实施例的MEMS电子元件的修改实例的截面图；
图4A至图4B示出了根据本发明的第一实施例层叠了MEMS电子元件和LSI芯片的模块的截面图；
图5示出了根据本发明的第二实施例的MEMS电子元件的结构的截面图；
图6A至图6D示出了根据本发明的第二实施例制造MEMS电子元件的方法的每个步骤的截面图；
图7A和7B示出了根据本发明的第三实施例在MEMS电子元件中形成沟槽的步骤的截面图，以及图7C是图7B的平面图；
图8示出了根据本发明的第三实施例在制造MEMS电子元件的方法的修改实例中形成沟槽的步骤的平面图；
图9A示出了根本发明的第三实施例在制造MEMS电子元件的方法的另一修改实例中形成沟槽的步骤的平面图，以及图9B示出了在形成图9A所示的沟槽的步骤中的MEMS电子元件的截面图；
图10A示出了根据本发明的第四实施例的MEMS电子元件的透视图，以及图10B和10C示出了MEMS组件移动的示意图；
图11A至11C示出了根据本发明的第四实施例制造MEMS电子元件的方法的每个步骤的截面图。
具体实施方式
下面将参考附图说明根据本发明的实施例的MEMS电子元件及其制造方法。
第一实施例
图1A示出了根据第一实施例的MEMS电子元件1的结构。如图1A所示，根据第一实施例的MEMS电子元件包括MEMS组件(机电组件)A1，该MEMS组件具有在硅衬底10的上表面(或第一电极)中的可动部分。第一实施例示出了作为MEMS组件A1的压电器件，其可用作薄膜体声波谐振器(FBAR)、各种传感器等。压电器件具有将压电膜90夹在上电极100和下电极(或第二电极)80之间的结构。压电膜90沿虚线箭头所示的垂直方向移动，并在衬底平面的平面方向上移动。
根据第一实施例的MEMS电子元件具有腔30C，其从硅衬底10的上表面(或第一表面)穿透到下表面(或第二表面)。在硅衬底10的上表面中形成MEMS组件A1以在腔30C上面设置可动部分。此外，MEMS电子元件1具有导电塞60B，其从硅衬底10的上表面穿透到下表面。
导电塞60B可被用作在MEMS组件A1中的下电极80和上电极100的电极引线。因此，对于根据第一实施例的MEMS电子元件1，MEMS器件A1的电极引线能够形成不需要常规引线接合的模块。
此外，可以使用形成导电塞60B的工艺形成腔30B，如下所述。腔30C具有如此宽的开口面积以便特别在衬底的上表面确保用于MEMS组件A1的可动空间，而腔30C在衬底的下表面侧具有较窄的开口面积。因此，在硅衬底10中没有形成尺寸不必要大的腔。出于此原因，该硅衬底比常规“体MEMS工艺”制造的硅衬底具有更高的强度。注意“开口面积”被限定为由腔或沟槽的开口的截面表示的面积，其平行于衬底的上表面或下表面。当仅仅指“开口面积”时，其表示腔或沟槽的开口的最大面积。
更具体地，在MEMS电子元件1中，在硅衬底10的上表面上层叠下电极80、压电膜90以及上电极100，在硅衬底10和下电极80之间插入如SiO2的绝缘膜70。可用于下电极80和上电极100的材料包括：Pt、Sr、Ru、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Al、Cu、Ni；其中之一的氮化物，以及其中之一的导电氧化物(例如，SrRuO)；选自这些材料的化合物；以及选自这些材料的叠层。每个电极的端部被引出，并与导电塞60B相连。可用作压电膜90的材料包括陶瓷压电晶体材料，如PZT(Pb(Zr，Ti)O3)、BOT(BaTiO3)、AlN、ZnO等以及PVDF(聚偏氟乙烯)。
此外，腔30C具有在衬底的上表面侧上在靠近MEMS组件的可动部分的位置处的大开口面积的浅腔20B(第一腔区)。此外，腔30C具有窄开口面积的腔30B(第二腔区)，其从腔20B的底部穿透到硅衬底10的下表面。腔20B具有几微米到10μm的深度，优选约5μm或更大，并且腔20B具有足以确保MEMS组件A1的移动的空间的深度和开口面积。换句话说，在靠近MEMS组件A1的腔部分中，确保用于MEMS组件A1的移动所需的空间，而把其它部分形成相对窄的腔。此外，如后所述，在共同的步骤中形成腔30C以及导电塞60B。出于此原因，由于从衬底的上表面进行的各向异性蚀刻的影响，在衬底的下表面中的开口面积比衬底的上表面中的开口面积窄。因此，限制了在硅衬底10中形成的腔的大小，由此保持了硅衬底10的机械强度。
导电塞60B在硅衬底10的上表面和下表面之间穿透硅衬底10，并通过用如铜(Cu)的导电材料掩埋通孔40B形成，用氧化膜50涂敷通孔40B的内壁表面。此外，用氧化膜50涂敷腔30C的内壁表面。在暴露于硅衬底10的下表面的每个导电塞60B上形成电极焊盘120。此外，除电极焊盘120和导电塞60B外，用绝缘膜110涂敷硅衬底10的下表面。
在根据第一实施例的MEMS电子元件1中，把MEMS组件A1的电极连接到导电塞60B，并进一步在衬底的下表面上形成电极焊盘120。出于此原因，凸起等可被用作与外部元件的电连接。因此，可防止当使用引线接合时在引线布线中引起的寄生电容和电感的产生。
下面将参考图2A到图2F说明根据第一实施例制造MEMS电子元件的方法。
首先，如图2A所示，制备例如约750μm厚的硅衬底10。然后，通过使用反应离子蚀刻(RIF)等在上表面上进行各向异性蚀刻，并形成浅沟槽20。在形成MEMS组件的可动部分的区域中形成沟槽20。关于沟槽的大小，沟槽具有用于MEMS组件的可动部分的足够大的面积。尽管对其形状没有限制，但可对沟槽构形，例如，一边长度为约150μm的矩形。沟槽20的深度被设定为不小于几微米，优选不小于5μm，以确保足够的可动距离而不会阻碍MEMS组件A1的移动。
接着，如图2B所示，通过使用具有如SF6的氟系统气体的RIE的各向异性蚀刻，分别在前面形成的浅沟槽20的底部以及形成导电塞的位置形成沟槽30A和40A。不必限制沟槽30A的大小。但是，沟槽30A的尺寸优选很大以便在后面的步骤中，当蚀刻在沟槽中掩埋的导电膜时，容易进行蚀刻。沟槽30A的大小可几乎与用于导电塞而形成的沟槽40A的大小一样。在此情况下，可获得几乎相同的沟槽40A和沟槽30A的蚀刻深度。例如，在衬底上表面中的沟槽的开口被设置为约30μmφ，并进行蚀刻到约50μm-200μm的深度，更优选为约70μm-100μm。此外，由于该深度为最终获得的MEMS芯片的衬底的厚度，因此优选确定该深度以获得所需的机械强度。
然后，使用热氧化方法在沟槽20、30A以及40A的内壁表面上形成氧化膜。随后，用导电膜60掩埋每个沟槽20、30A和40A。导电膜60可使用例如，铜(Cu)、银(Ag)、铝(Al)、或它们的合金。当使用Cu时，通过溅射等首先在每个沟槽的内壁表面上形成很薄的阻挡金属和Cu膜以防止扩散和提高粘附力。然后，把通过溅射形成的Cu膜作为种子层，并通过电镀方法在每个沟槽中掩埋Cu。接着，使用CMP(化学机械抛光)方法平面化硅衬底10的上表面，并进一步使用CVD等在衬底的上表面上形成绝缘膜70。由此，获得图2C所示的结构。
然后，如图2D所示，在硅衬底10的上表面上形成MEMS组件A1。具体地，使用RIE等首先选择性地蚀刻在硅衬底10上形成的绝缘膜70，并将在每个沟槽40A中掩埋的导电膜60暴露为导电塞。接着，通过溅射等在衬底的上表面上形成如钨(W)和钼(Mo)的金属膜。随后，通过光刻工艺进行所需的构图以形成连接到导电膜60的下电极80，导电膜60被掩埋在一个沟槽40A中。接着，形成压电膜90。可用作压电膜的材料包括显示各种压电特性的氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)以及氧化锌(ZnO)。当形成PZT膜时，例如，使用溅射方法等形成约200nm厚的膜。然后，使用光刻工艺在浅沟槽20上形成器件图形。例如，使用采用氯、氧、氩、氮、氯化硼等混合气体作为蚀刻气体的RIE进行PZT膜的蚀刻。然后，在形成下电极80的相同条件下形成连接到导电膜60的上电极100，导电膜60被掩埋在其它沟槽40A中。
接着，如图2E所示，从下表面研磨硅衬底10以暴露掩埋在每个沟槽30A和40A中的导电膜60。以此方式，将每个沟槽形成在衬底的上表面和下表面之间穿透衬底的通孔。
然后，在衬底的下表面上形成绝缘膜110。随后，通过选择性蚀刻仅暴露沟槽30A中的导电膜60。然后，通过湿蚀刻，通过蚀刻掩埋在通孔20B和30B中的导电膜60来形成图2F所示的腔30C。当Cu被用作导电膜60时，用盐酸和过氧化氢水的混合溶液、或用硫酸等进行蚀刻。然后选择性地蚀刻在衬底的下表面上形成的绝缘膜110以便暴露在每个通孔40B中的导电膜60。此外，在衬底的下表面上形成金(Au)等的导电膜，并且通过光刻工艺形成电连接到每个通孔40B中的导电膜60的电极图形120。因此，在每个通孔40B中的导电膜60成为连接到MEMS器件A1的每个电极的导电塞60B。最终，完成根据图1所示的第一实施例的MEMS电子元件1。
此外，当从下表面研磨衬底10时，优选预先在硅衬底的上表面形成沟槽，当完成研磨时通过切割分割该晶片。这是由于可以避免随后的问题。如果在形成腔30C之后进行切割，在切割工艺中产生的切屑很容易进入腔，这将导致成品率降低。如果在形成腔30C之前进行切割，则可避免该问题。
此外，在蚀刻导电膜以形成腔30C中，使用金属预先形成每个导电塞的电极焊盘，并在此后通过包括硫酸等的溶液蚀刻电极焊盘，所述金属为与Cu的蚀刻剂相比具有高抗蚀特性的金属，如Au。
根据上述第一实施例制造MEMS电子元件1的方法，由于在硅衬底10的上表面侧上形成沟槽20，所述沟槽20成为用于MEMS组件A1的移动的空间，因此很容易确定用于移动的空间的大小和位置。此外，与用于移动的空间相比可以形成足够小的沟槽30A的开口面积，沟槽30A最终穿透到衬底的下表面。此外，通过各向异性蚀刻形成在衬底上表面侧较宽而在衬底的下表面侧较窄的腔30C。因此，由于限制了腔30C的大小，可保持硅衬底10的机械强度。此外，由于可以同时进行制造导电塞60B的工艺，工艺负担较轻，导电塞60B将成为MEMS组件A1的引线电极。
图3是根据第一实施例的MEMS电子元件的修改实例的截面图。图1和图2A至图2F示出了具有导电塞的MEMS电子元件。但是，根据工作条件，存在不需要导电塞的情况。在此情况下，如图3所示，可采用省略导电塞的结构。在此情况下，当形成腔30C时，如上述制造方法所述，首先形成浅沟槽20和深沟槽30A，然后用不限于导电膜的牺牲膜掩埋沟槽。随后，在沟槽20上形成MEMS组件。然后，从下表面研磨硅衬底10以暴露牺牲膜，然后通过蚀刻牺牲膜形成由浅腔20B和深腔30B构成的腔30C。由于可使用相对于氧化膜或硅衬底10具有高蚀刻选择比的任何膜，因此牺牲膜不限于导电膜。在此情况下，由于腔30C的大小可被整体限定，因此也可保持硅衬底10的机械强度。
图4A示出了叠层模块的实例，其中将根据第一实施例的MEMS电子元件(MEMS芯片)1与其它电路芯片一起安装在印刷电路板上。注意，在该图中，方便地省略了除MEMS组件的其它电布线。如该图所示，由于根据第一实施例的MEMS电子元件1具有导电塞60B，其把MEMS组件A1的电极引到衬底的下表面，因此可以使用导电凸起400形成电路板300的电路图形的电连接。此外，由于通过导电凸起400形成直接连接而不使用用于电路板300的连接的引线接合，因此可缩短电布线的距离。如果MEMS组件A1是使用高频信号的RF-MEMS组件，则可抑止噪音影响并由此提高组件的性能。
此外，由于可以容易地层叠并用插入其间的隔板500等集成MEMS芯片1和另一LSI芯片2，如基带LSI和RF电路LSI，可以获得小型化并降低模块的重量。
此外，如图4A所示，如果在两个芯片周围的区域设置环形隔板500，并且如果层叠MEMS芯片1和LSI芯片2，以便MEMS芯片1的面向MEMS组件A1的表面与形成于LSI芯片2的硅衬底210上的组件形成层220彼此相对，并在其间插入隔板500，可以通过隔板500密封用于MEMS组件A1的移动的空间周围的区域。当进行树脂密封时，阻止树脂进入在MEMS组件A1上的空间，根据可动部分确定该空间。因此，在两个芯片之间形成的空间可作为用于移动的空间。因此，由于不必使用常规的、昂贵的真空密封，可显著降低产品成本。此外，具有密封特性的材料可被用作隔板500。优选使用的金属材料特别包括如焊锡的低熔点金属，以及如聚合物、苯并环丁烷(BCB)和环氧的树脂材料。
图4B示出了MEMS芯片1和LSI芯片2的另一叠层模块的实例，具体为如下的叠层模块的实例：其中将LSI芯片2设置为下层，在LSI芯片2上安放作为上层的MEMS芯片1，在MEMS芯片1上安放另一LSI芯片2，并在各芯片之间分别插入隔板500。在此情况下，可以通过隔板500在周围区域密封在作为下层的LSI芯片2和安放在其上的MEMS芯片1之间的空间。由此，可阻止密封树脂进入到腔30C，根据MEMS组件A1的可动部分确定该腔30C。因此，完全可确保用于MEMS组件A1的移动到腔30C侧的空间。对于在MEMS组件A1上的可动部分，在如图4A所示的情况，在进行树脂密封时，可以通过在MEMS芯片1上安放另一LSI芯片2，来阻止树脂进入MEMS芯片1和LSI芯片2之间的空间。因此，也可将MEMS组件A1的可动部分上的空间确保为用于移动的空间。
由此，根据第一实施例的MEMS芯片1可与如LSI芯片2的其它电路芯片层叠。由于隔板500可以阻止密封树脂穿透，因此由芯片之间的层叠产生的空间可被确保为用于MEMS组件移动的空间。注意，对叠层结构的MEMS芯片1和其它电路芯片的顺序没有具体的限制。此外，即使层叠多个MEMS芯片1也可获得相同的效果。
此外，尽管在图4B的实例中将LSI芯片2安放在MEMS芯片1上，也可用真空密封替换叠层模块的最上层或一部分。此外，对于MEMS芯片1，也可使用图3中所示的没有导电塞的MEMS芯片。
此外，对于每个芯片的电布线，通过在隔板500中形成的导电塞510连接上面芯片和下面芯片的电布线，如在图4B中作为下层的隔板500中所示。因此，通过在LSI芯片2中形成的导电塞也可获得在MEMS芯片1和电路板300之间的电连接。也可适当采用其它电布线方法代替。
根据上述叠层模块结构，由于不必使用常规、昂贵的真空密封或不限制其使用，可显著降低成本。
注意，尽管在图1到图4B所示的MEMS电子元件中只说明了MEMS组件，但是当提供多个MEMS组件时也可采用上述结构和制造方法。此外，当安放多个MEMS组件时，两个相邻MEMS组件中的一个的电极可作为与其它的MEMS组件共用的公共电极。
第二实施例
图5示出了根据第二实施例的MEMS电子元件3的结构。
如此图所示，与根据第一实施例的MEMS电子元件1相同，根据第二实施例的MEMS电子元件3包括具有在硅衬底11的上表面上的可动部分的MEMS组件A2。在与MEMS组件A2的机械可动部分相应的区域中，该MEMS电子元件3也包括腔31B，其在硅衬底11的上表面和下表面之间穿透硅衬底11。该MEMS电子元件3还包括在硅衬底11的上表面和下表面之间穿透硅衬底11的导电塞61B，将其确定为MEMS组件A2的引线电极。在结构上与第一实施例的MEMS电子元件1的变化如下。首先，不同于第一实施例，不形成具有开口面积彼此不同的两个腔的腔31B，而是形成没有台阶的腔31B。第二，腔31B的开口面积大于用于导电塞61B的通孔41B的开口面积，在两侧形成导电塞61B。因此，如后所述，通过使用由直径大小差异引起的衬底深度方向上的沟槽的蚀刻率差异，可以在更简化的工艺中制造MEMS元件。
此外，与第一实施例相同，通过在硅衬底11的上表面层叠下电极81、压电膜91、以及上电极101，并在硅衬底11和下电极81之间插入绝缘膜71，来形成根据第二实施例的MEMS电子元件3。下电极81和上电极101使用导电材料，引出电极的每个端部以连接到导电塞61B。此外，对于每个膜的具体材料，可使用与第一实施例的MEMS电子元件相同的材料。
用氧化膜51涂敷腔31B的内壁表面。导电塞61B在硅衬底11的上侧和下侧之间穿透硅衬底11，并由导电材料形成，在通孔41B中掩埋导电塞61B，用氧化膜51涂敷通孔41B的内壁表面。在每个导电塞61B上形成电极焊盘121，在硅衬底11的下表面上暴露电极焊盘121。此外，除了电极焊盘121和导电塞61B外，用绝缘膜111涂敷硅衬底11的下表面。
接着将参考图6A到6D说明根据第二实施例制造MEMS电子元件3的方法。此外，对于与制造第一实施例的方法相同的步骤的具体条件，可使用与第一实施例相同的条件。
首先，如图6A所示，制备硅衬底11，并通过使用SF6的氟系统气体等的RIE等，在通过各向异性蚀刻将要形成MEMS组件的可动部分的区域的上表面侧，形成沟槽31A，沟槽31A具有足够大的面积，如具有一边为约150μm的矩形开口，并与MEMS组件的可动部分相对。同时，在形成导电塞的每个位置形成具有约30μmφ的开口的沟槽41A。每个沟槽31A和41A显示蚀刻形状，其中开口面积在深度方向上变小。此为，尽管同时蚀刻各个沟槽41A和31A，由于开口面积明显不同，由于所谓的“负载作用”，在具有大开口面积的沟槽31A中的蚀刻率快于具有小开口面积的沟槽41A中的蚀刻率。结果，对于相同的蚀刻时间，形成的沟槽31A比沟槽41A深，如图6A所示。将形成的沟槽41A的深度设置在约50μm-200μm，优选在约70μm-100μm。此外，通过“负载作用”获得的蚀刻深度的差异优选设置在5μm或更大。例如，如果用于MEMS组件的可动部分的沟槽31A的开口设置为100μm2，则用于导电塞的沟槽41A的开口设置为30μm2。此时，两个沟槽31A和41A的沟槽深度的差异为5μm-10μm。
接着，使用热氧化方法在沟槽41A和沟槽31A的内壁表面上形成氧化膜51。然后，用如Cu的导电膜61掩埋各个沟槽31A和41A。然后使用CMP方法平面化衬底的上表面，并进一步使用CVD等在衬底的上表面上形成绝缘膜71。因此，获得图6B所示的结构。
然后，如图6C所示，通过与第一实施例相同的步骤在硅衬底11的上表面上形成MEMS组件A2。压电膜91被夹于下电极81和上电极101之间，并把下电极81电连接到在一个沟槽41A中掩埋的导电膜61，同时把上电极101电连接到在另一沟槽41A中掩埋的导电膜61。
接着，从下表面侧研磨硅衬底11，直到暴露在沟槽31A中掩埋的导电膜61。由于因为上述的“负载作用”沟槽31A比沟槽41A深，只选择性地暴露在沟槽31A中掩埋的导电膜61。
接着，通过湿蚀刻除去在沟槽31A中掩埋的导电膜61以形成腔31B，由此获得图6D所示的结构。此外，没有暴露在每个沟槽41A中掩埋的导电膜61并将保留在衬底11中。因此，用根据第二实施例的制造方法，由于沟槽直径的差异，使用“负载作用”形成比沟槽41A深的沟槽31A，因此通过研磨衬底选择性地只暴露在沟槽31A中掩埋的导电膜61。因此，不需要仅蚀刻在沟槽31A中的导电膜61的特别构图步骤，由此可简化工艺。
然后，进一步，从下表面的侧面研磨硅衬底11以暴露导电膜61，导电膜61被掩埋在沟槽41A中并使每个沟槽41A成为穿透衬底上表面和下表面的通孔41B。接着，通过与第一实施例相同的步骤，在衬底的下表面上形成绝缘膜的同时，通过构图暴露导电膜61，并进一步通过在导电膜61上形成电极焊盘121来获得图5所示的MEMS电子元件3。
对于上述根据第二实施例的MEMS电子元件3，由于通过蚀刻在衬底的上表面侧形成用于MEMS移动的空间所需的沟槽，因此与根据第一实施例的MEMS电子元件的情况相同。因此，可更精确地确保用于MEMS组件的机械移动的空间而不会形成超过需要的大腔，因此保持了硅衬底11的机械强度。此外，由于在同一步骤中形成导电塞61B，可使用凸起代替引线接合形成电路板的电连接。因此，当使用压电器件作为使用RF信号的RF-MEMS组件时，可抑止噪音的影响并提高组件的性能，同时可以制造更紧凑的叠层模块。此外，在根据第二实施例制造MEMS电子元件3的方法中，如上所述，当从衬底的下表面选择性除去掩埋的Cu时，只暴露需要被除去的区域而不用构图。因此，比第一实施例的工艺更简化。
此外，即使在第一实施例中，如果预先形成5μm或更大深度的浅沟槽20，将增加在蚀刻底部的位置中的差异，即使当沟槽30A的直径与沟槽40A的直径相同。因此，通过从衬底的下表面研磨的工艺只暴露在沟槽30A中的导电膜60，与根据第二实施例中的制造方法相同。
此外，在根据第二实施例的MEMS电子元件3中，需要时也可采用省略导电塞61B的结构，与根据第一实施例的MEMS电子元件1中相同，同时可以采用如图4A和图4B所示的与其它电路芯片层叠并集成的模块结构。
第三实施例
第三实施例是第二实施例的修改。尽管MEMS电子元件的结构与图5所示的结构基本相同，但用于MEMS组件的移动的空间以及随后形成腔部分的沟槽的形成步骤不同。
图7A和图7B示出了制造根据第三实施例的特征部分的沟槽31A的步骤。此外，图7A和图7B示出了沿图7C所示平面图的7B-7B线的截面图。
如图7A所示，在硅衬底11中形成确保用于MEMS组件的移动的空间的浅沟槽21。接着，构图抗蚀剂200以形成蚀刻掩膜，并使用该蚀刻掩膜在沟槽31A中形成凸形的蚀刻剩余图形210，如图7B所示。具有凸形的该蚀刻剩余图形210，在用导电膜掩埋沟槽31A的随后步骤中，可以显著减少掩埋所需的导电膜的量。此外，也可以减少掩埋所需的时间，由此能够减少工艺成本。
图8是在沟槽中蚀刻剩余图形的修改实例的平面图，该实例具有与图7A-7C所示的制造工艺相同的效果。在图8中，形成作为蚀刻剩余图形的四个柱形图形212。在此情况下，与蚀刻剩余图形210相同，也可显著减少掩埋所需的导电膜的量以及掩埋所需的时间，由此能够减少工艺成本。
此外，在蚀刻掩埋于沟槽31A中的导电膜的同时，除去这些蚀刻剩余图形。
此外，在沟槽31A中形成的蚀刻剩余图形不限于这些图形，可以采用各种图形只要能有效限制沟槽31A中的掩埋量。
图9A和图9B示出了在沟槽31A中形成另一蚀刻剩余图形的实例。此外，图9B示出了在图9A所示的平面图的9B-9B线处的截面图。
这里，如图9A所示，形成具有交叉形平面图的图形作为蚀刻剩余图形。因此，通过形成部分连接到硅衬底11的沟槽的内壁部分的图形，在蚀刻掩埋于沟槽31A中的导电膜后可留下蚀刻剩余图形214。由于作为支撑材料的剩余图形具有增强腔的功能，因此可更加增强硅衬底11的强度。
第四实施例
根据第四实施例的MEMS电子元件可被用作探测如加速、倾斜、撞击、扭转和移动的各种动态环境的惯性传感器。图10A示出了根据第四实施例的MEMS电子元件的透视图。
在芯片上形成的具有例如矩形平面形状的四个MEMS组件A3分别被设置在从芯片的四边的每一边的中心到中点的轴上，并形成从芯片的下表面观察为框架形状的腔35B，芯片的下表面具有矩形平面形状。形成每个MEMS组件A3以便其可动部分被设置在腔35B上。因此，当在单个芯片上设置多个MEMS组件A3时，通过多个MEMS组件A3形成连续的腔。然而，为保持更高的芯片强度，腔体积优选尽可能小，并且形成用于每个MEMS组件的独立分离的腔。
此外，图10A所示的MEMS电子元件是代替形成导电塞而在硅衬底15的上表面上形成电极焊盘的实例，然而，也可通过形成导电塞在硅衬底的下表面上形成电极端子，作为MEMS组件的电极的引线，与根据第一和第二实施例的MEMS电子元件中的一样。
图10B和图10C示出了惯性力的方向与MEMS组件A3的变形的关系的示意图。在MEMS组件A3中，当惯性力作用在XY方向或Z方向时，如图10B和图10C所示，由于该力压电器件将产生变形，并且该变形量被转换为电势差。基于从四个MEMS组件A3获得的测量值，图10A所示的惯性传感器探测作用在XYZ的每个方向上的力(Fx，Fy，Fz)。
此外，尽管图10A示出了在芯片上设置四个MEMS组件的实例，但是不具体限定在单个芯片上设置的MEMS组件的数量。
图11A到图11C示出了根据第四实施例制造MEMS电子元件的方法的工艺图。基本的制造方法与根据第一实施例的制造方法相同。首先，在硅衬底15中形成沟槽35A。接着，使用热氧化在沟槽35A的内壁表面上形成氧化膜55。然后，用如Cu的牺牲膜65掩埋沟槽35A，然后在平面化衬底的硅表面后，通过CVD等在衬底的上表面上形成绝缘膜75。然后，在绝缘膜75上从下面开始依序形成下电极85、压电膜95、以及上电极105的图形。
接着，如图11B所示，通过从硅衬底15的下表面研磨而暴露在每个沟槽35A中掩埋的牺牲膜65，并进一步通过蚀刻除去暴露的牺牲膜65以形成腔35B。此外，在此情况下，用于掩埋沟槽35A的牺牲膜不限于导电膜，而可以是绝缘膜只要该材料相对于硅衬底具有高蚀刻选择性并易于蚀刻。对于其它具体的制造条件，可使用与第一实施例相同的条件。
此外，当在电路板305等上安装时，使用如树脂或具有粘附性的金属胶的固定材料505可在电路板305上有效地固定。
如上述方法所示，在形成导电塞的同时，不必形成用于MEMS组件移动的空间的腔，并且可独立进行该形成。在此情况下，由于通过从硅衬底上表面进行蚀刻形成的沟槽最终被用作腔，也可以把腔精确地设置在MEMS组件的可动部分。此外，对于腔，在衬底的上表面侧的开口大于在衬底的下表面侧的开口。因此，可保持硅衬底的强度而不形成超过需要的大腔。
从外，通过在芯片上形成多个MEMS组件，图10A所示的MEMS电子元件可被用作具有高精度的惯性传感器。
其它实施例
在第四个实施例中，示出了可用作惯性传感器的MEMS电子元件的实例。第一至第三实施例所示的MEMS电子元件也被可用作其它传感器。
例如，使用压电器件的MEMS电子元件可被用作气体、液体等的流率传感器。这是因为由于来自流体的力使压电膜变形而产生扭曲，因此对应于扭曲量产生了电压变化。在此情况下，MEMS电子元件被设置在与流体接触的位置。对于流体和电子元件之间的位置关系，例如可通过图1所示的下降流从硅衬底10的上面到压电器件的表面，或图3所示的通过腔30C从硅衬底10的下表面到压电器件的下表面，来提供液体。
此外，使用压电器件的MEMS电子元件也可被用作红外传感器，这是因为如PZT的压电材料具有热电效应。当用作红外传感器时，安放红外传感器以使红外线可辐射到压电器件。如同流率传感器的情况，红外线从与形成压电器件的衬底的硅表面几乎垂直的上面辐射压电器件。相反，红外线也可通过腔从硅衬底的下表面的侧面从下向上辐射压电器件。
此外，当把根据第一至第三实施例的MEMS电子元件用作红外传感器时，用于压电器件移动的空间并穿透衬底的腔的存在减少了压电器件的热容并使压电器件对温度变化敏感，由此获得了具有高灵敏度的传感器。
此外，如果以二维阵列设置压电器件，也可制造红外图像传感器。此外，对于提供图1所示的导电塞的情况，由于将电极引到硅衬底的下表面并如此硅衬底的表面可更有效地用于设置压电器件，因此MEMS电子元件可用作具有高传感精度的红外传感器。
此外，根据第一至第三实施例的使用压电器件的MEMS电子元件也可用作声学传感器、振荡器、共振器、表面声波滤波器、超声波变频器。当用作声学传感器时，对于声波的提供方向没有具体限制。对于音频范围的频率，它可用作麦克风、听诊器、以及人造耳。此外，当用作振荡源时，它可用作小扩音器。此外，当在超声范围内进行振荡并接收声音时，如果二维设置压电器件，它也可用作超声诊断探针。此外，当用作FBAR时，它可作精频滤波器，也可应用到蜂窝电话等。
在第一至第四实施例中已经说明了使用主要作为MEMS组件的压电器件的实例，但是根据这些实施例的MEMS组件至少包括机械可动部分，并不仅可应用到压电器件而且可应用到需要用于移动的空间的任何器件。例如，除了压电器件，它可应用到利用静电操作原理的微驱动器、形状记忆合金、热膨胀、电磁力等。因此，根据本发明的电子元件不仅可用作上述的各种传感器、共振器、以及滤波器，而且可用作开关、可变电容器等。
如上所述，尽管根据本发明的实施例的说明了根据本发明的电子元件、电子元件模块、以及它们的制造方法，但是根据本发明的电子元件和制造方法并不限于上面的说明，并且很显然对于本领域的技术人员，可进行各种修改。
在根据本发明的第一实施例的电子元件中，由于提供导电塞和用于机电组件移动的空间的腔，可形成不使用接合线的模块，同时简化了与其它电路的层叠。此外，由于使用常规的沟槽形成工艺制造腔和导电塞，可更精确地控制腔的大小，且可进一步限制腔的大小，并如此保持半导体衬底的强度。
此外，根据本发明的第二实施例的电子元件模块，获得了与其它电路的层叠，同时由于通过设置在其它电路芯片和MEMS元件之间的隔板产生的空间可被用作MEMS组件移动的空间，可以通过避免或限制昂贵的真空密封而获得便宜的叠层模块。
此外，根据本发明的第三实施例的电子元件的制造方法，在半导体衬底中从衬底的上表面侧形成沟槽，然后在沟槽中形成腔。因此，腔可用作用于机电组件的可动部分的空间。此外，由于在衬底的上表面侧的开口面积可以小于在衬底的下表面侧的开口面积，因此可限制腔的大小并由此保持半导体衬底的机械强度。

Claims (20)

1、一种电子元件，包括：
半导体衬底，具有第一表面和与第一表面相反的第二表面；
腔，具有从半导体衬底的第一表面穿透到第二表面的开口；
机电组件，具有可动部分，在半导体衬底的第一表面上形成以便将可动部分设置在腔上；以及
导电塞，从半导体衬底的第一表面穿透到第二表面并电连接到机电组件。
2、根据权利要求1的电子元件，其中在腔中，在半导体衬底的第一表面处的开口面积大于在半导体衬底的第二表面处的开口面积。
3、根据权利要求2的电子元件，其中腔包括在半导体衬底的第一表面侧上的第一腔区，以及在半导体衬底的第二表面侧上的第二腔区，并且第一腔区具有至少大于可动部分的最大开口面积，以及第二腔区具有至少小于第一腔区的最大开口面积的最大开口面积。
4、根据权利要求1的电子元件，其中腔具有连接到半导体衬底的支撑材料。
5、根据权利要求1的电子元件，其中电子元件选自共振器、滤波器、开关、可变电容器、可变电感器、压力传感器、加速度传感器、和制动器。
6、根据权利要求1的电子元件，其中机电组件是压电器件。
7、根据权利要求6的电子元件，其中机电组件包括第一电极、第二电极、和夹在第一和第二电极之间的压电膜。
8、根据权利要求6的电子元件，其中压电器件选自惯性传感器、压力传感器、流率传感器、红外传感器、以及声学传感器。
9、一种电子元件模块，包括：
如权利要求1所述的电子元件；以及
在电子元件上层叠的电路芯片，并在电子元件和电路芯片之间插入隔板。
10、一种电子元件模块，包括：
包括布线图形的电路板；
如权利要求1所述的电子元件；以及
导电凸起，将电子元件的导电塞电连接到电路板的布线图形，并被设置在电子元件和电路板之间。
11、根据权利要求10的电子元件模块，进一步包括：
隔板，设置在形成电子元件的机电组件的半导体衬底的第一表面上；以及
电路芯片，层叠在电子元件上，并在电子元件和电路芯片之间插入隔板。
12、一种制造电子元件的方法，包括：
在半导体衬底的第一表面侧形成主沟槽，
在主沟槽中掩埋牺牲膜，
在半导体衬底的第一表面上形成包括可动部分的机电组件以便将可动部分设置在主沟槽上面；以及
从半导体衬底的与第一表面相反的第二表面侧研磨半导体衬底，直到暴露牺牲膜；以及
通过从第二表面侧除去主沟槽中的牺牲膜形成腔。
13、根据权利要求12的制造电子元件的方法，其中主沟槽的形成包括形成用于半导体衬底中的导电塞的另一沟槽，并牺牲膜的掩埋包括通过将导电膜用作牺牲膜在用于导电塞的沟槽中掩埋导电膜。
14、根据权利要求12的制造电子元件的方法，其中主沟槽的形成包括：形成具有至少包括机电组件的可动部分的开口面积的第一沟槽；以及在第一沟槽的底部，形成开口面积小于第一沟槽的第二沟槽。
15、根据权利要求13的制造电子元件的方法，其中在形成主沟槽时，用于导电塞的沟槽的开口面积小于主沟槽的开口面积。
16、根据权利要求13的制造电子元件的方法，其中在研磨半导体衬底时，不暴露用于导电塞的沟槽中的导电膜，而是有选择地暴露主沟槽中的导电膜。
17、根据权利要求16的制造电子元件的方法，进一步包括：在主沟槽中形成腔之后通过从第二表面侧除去半导体衬底来暴露用于导电塞的沟槽中的导电膜。
18、根据权利要求14的制造电子元件的方法，其中第二沟槽的形成包括在第二沟槽中有选择地形成蚀刻剩余图形。
19、根据权利要求12的制造电子元件的方法，其中将压电组件形成为机电组件。
20、根据权利要求19的制造电子元件的方法，其中将第一电极、第二电极、以及夹在第一和第二电极之间的压电膜形成为压电组件。
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