CN1747891A - 制造电子器件的方法和电子器件 - Google Patents

Abstract

一种制造电子器件尤其是一种加速传感器的方法，包括提供具有第一和第二半导体层(12，16)的晶片(10)，在其之间具有埋入氧化物层(14)，并在第一半导体层(16)中的晶片(10)的一侧上形成半导体器件(如检测电路)，并在第二半导体层(12)中的晶片(10)的相反面上形成微电子机械系统(MEMS)器件。

Description

制造电子器件的方法和电子器件

技术领域

本发明涉及一种电子器件的制造方法，包括步骤：

-提供具有第一和相对的第二侧的晶片，具有第一和第二半导体层，在其间具有至少一个绝缘材料层，在该第一侧提供半导体电路，其包括限定于第一半导体层中的半导体元件，和

-通过根据基本上垂直于晶片中的平面延伸的希望的图案来蚀刻沟槽，和通过释放可移动的电极，来在所述晶片中形成包括可移动的电极和参考电极的微电子机械系统(MEMS)器件，其中沟槽延伸到被选择性移除的绝缘材料层。

本发明还涉及一种电子器件，包括具有第一和相对的第二侧的衬底，具有第一和第二半导体层，在其之间具有至少一个绝缘材料层，在该第一侧处存在包括限定在第一半导体层中的半导体元件的半导体电路，且还包括微电子机械系统(MEMS)器件，所述的MEMS器件具有参考电极和可移动的电极，所述的MEMS器件电耦合到所述的半导体电路，所述的绝缘层被局部移除以允许可移动的电极可移动。

背景技术

例如从美国专利No.6,232,140可以得知这样的方法和这样的器件。该专利公开了包括半导体主体的集成电容加速传感器，该半导体主体限定了面向至少一个参考电极的可移动电极。该参考电极通常为机械固定的。半导体器件限定在单晶硅的第一半导体层中。MEMS器件也形成在该第一半导体层中。通过在该层中蚀刻沟槽来限定电极。同时，释放可移动电极，其中晶片的绝缘层包括在可移动电极的区域处的气隙。因此使可移动电极可移动，但是仍然机械地连接到MEMS器件的其它部分。而且其在特定方向可移动。

这里将第二半导体层用于操作目的，并用作传感器的封装部分。如此在形成指定的SOI衬底部分的单晶硅层中形成加速传感器，其中由晶片的第一侧形成沟槽。得到的电容器电极相互面对，使得多个面包括具有衬底平面的法线角。

公知器件的缺点在于该器件较另一公知方法不节约成本，其中传感器和半导体器件分开制造且然后装配。这样的高成本由附加的掩模步骤的高数量(与两芯片方法比较)和限制的产量导致。在组合的单芯片管芯中，该区域通常较大，因此总产量较低。然而一个芯片方法与从两个芯片系统中的接合焊盘和芯片至芯片接合线的相对大的寄生电容比较具有寄生电容相对小的缺点。难以在存在该大寄生电容时检测由于加速度产生的相对小的电容变化。

发明内容

因此，本发明的第一个目的是提供在开头段中描述的类型的方法，其节约了成本并产生了具有相对小的寄生电容的器件。

实现该目的在于，在所述第二半导体层中形成所述的MEMS器件，其中从晶片的第二侧向下蚀刻沟槽至绝缘材料层。

由于在第二半导体层中提供MEMS器件，所以可从晶片的第二侧制造沟槽。结果，MEMS和半导体电路可出现在晶片同一侧向部分。这能使每个晶片上电子器件的数目最大化。结果，实现了本发明的目的。

观察到，用于形成公知的完全集成的加速计的最通常使用的技术是表面显微机械加工，其中灵敏元件例如由多晶硅形成，通过淀积并随后移除牺牲层来形成悬挂结构。使用表面显微机械加工，在淀积在芯片上的相对厚(2-10μm)的多晶硅层中蚀刻MEMS。这需要特定的(也就是昂贵的)空腔封装以确保该质量块(mass)仍可移动，或是第二晶片焊接到第一晶片顶部上的晶片级封装。该第二晶片具有设置了MEMS结构的空腔，且还需要蚀刻的通孔以使与第一晶片的接合焊盘接触。清楚的是，该技术不提供节约成本的方法，且需要很多附加的掩模步骤。还需要特定的且因此昂贵的封装，并且与用于制造半导体电路的先进半导体工艺的组合产生了问题。

能够将第一半导体层设计得相对薄，至少比在其中限定了MEMS器件的情况薄很多是具有优势的。在外延生长第一半导体层的情况下，这尤其节约成本。在这种情况下提供封装层没有问题的，由于其能够提供于芯片级上。可以用胶水将封装层附着到晶片上。然而如果希望得到完全气密的封装，优选使用焊料。

第二个优势在于，与在亚微米范围内的增长相对，能够将结构的尺寸制作得大几微米，结果使得产量逐渐增加，致命缺陷更少。

另一优势在于，MEMS器件的电极能具有更大的表面面积。与在第一半导体层中提供MEMS器件相比这具有的优势在于，能通过只使用单个板状电极实现电容的很大变化。另一相关的优势在于，尤其当将MEMS器件用作传感器时，由于可移动电极的较大质量，传感器的灵敏度提高。通过设定该第二半导体层的厚度，可以调整第二半导体层的厚度及因此的电极表面面积。

在优选实施例中，电路包括经绝缘层延伸的导电接触，通过其能使参考电极耦合至电路，并在其第二侧处晶片提供有封装层，从而封装MEMS器件。通过该实施例，允许在第二半导体层中有效地制造MEMS器件。而且其确保MEMS器件和半导体电路之间的距离非常短。为了保持信噪比尽可能小，该距离尤其是电极和电路之间的路径的电阻很重要。因此，通过将该距离制造得较小，增加了或能够增加MEMS器件的有效灵敏度。

在有利的实施例中，该方法还包括在晶片的第二侧蚀刻空腔的步骤，该空腔位于可移动的电极的区域处。通过选择性削薄可移动的电极，能够使用平坦的封装层并在晶片的第二侧处将其直接接合。可选地，封装层可提供有空腔。例如当封装层是玻璃板时，这能通过蚀刻或通过粉药爆破空腔轻易实现。

在另一实施例中，绝缘层的选择性移除包括选择性欠蚀刻的步骤，其中绝缘层暴露于从晶片的第二侧经由沟槽提供的蚀刻剂。使用欠蚀刻证明是一种用于选择性移除绝缘层的可行工艺。其在使用包括气隙的晶片上具有优势，该使用能够由标准SOI晶片制得。

优选使用用于蚀刻沟槽和欠蚀刻的干法蚀刻工艺。其优势在于可易于更新蚀刻剂。而且，防止了作为留在沟槽中的液体毛细作用的结果而导致的可移动电极粘附着到参考电极的风险。为了允许各向同性蚀刻，有利地使用氮化物制得绝缘层，且使用氟化学试剂用于干法蚀刻处理。

在再一实施例中，通过在提供沟槽之前的一系列步骤来提供包括接触的半导体电路。尽管能够由制造MEMS器件之外的另一公司来完成半导体电路的制造，但是也适合于在同一工厂中或由同一公司制造它们。这减少了生产线和因此的制造成本。在其改进中，绝缘层的选择性移除是在晶片第一侧处的部分处理。无论如何，对于导电接触，必须要在绝缘层中提供孔。在同一步骤中提供的附加孔能使绝缘层选择性地蚀刻掉。孔可以做得很小，例如能保持第一半导体层的稳定性。而且，可以在晶片的第一侧处提供材料，以关闭这些孔并使得MEMS器件的封装是气密的。

然而，如果通过组装室等进行MEMS器件的制造和封装，那么在将晶片转移到这样的室之前已经提供了用于限定沟槽的掩模，这看起来是适合的。通常不希望在这样的组装室中进行光刻步骤。尽管提供了蚀刻掩模，但是仅有的步骤是蚀刻、封装和分离。

为了保护晶片的第一侧，临时的处理晶片可附着到其上。这样的晶片可以是玻璃晶片，其允许使用UV可释放粘合剂。可选地，可在第一侧处施加晶片尺度的涂层，其可在第一侧处使任意的接合焊盘暴露。用于这样的保护层的合适层包括钝化层、陶瓷层和有机层。尤其优选陶瓷层。这些可以通过类似溶胶凝胶的工艺来涂覆，并且很坚硬以防止损坏。这里的一个例子是基于单正磷酸铝(MAP)的系统。

第二半导体层可以是任一种半导体材料，包括单晶和多晶硅。这种材料的质量不需要非常高。如果导电率不够，那么沟槽可以用导电材料层来涂覆。

在再一实施例中，在进行蚀刻沟槽的同一步骤中，从第二侧蚀刻环状结构。该结构限定在所述的MEMS器件周围，经由绝缘层连接到接触并能作为屏蔽。这样的屏蔽可防止MEMS器件和/或提供的信号受到外界的电干扰。如尤其在传感器中，将要测量的电容变化可能非常小，任何干扰都可能引起不希望的差错。环状结构例如可以屏蔽MEMS器件和/或在相对高的电压下用于传感器的从驱动信号到检测电路的信号。该环状结构可以以最有效和最希望的方式电连接在第一半导体层的顶部之中和之上的电路中。

再一目的在于，提供一种在开头段中提到的可以节约成本制造的具有很小寄生电容的电子器件。

实现该目的在于将MEMS器件限定在第二半导体层中。该器件具有如上参考该方法所解释的优势。除此之外，可以增加数字电路的密度。由于这样的多晶硅层必须在限定数字电路之后在高温下淀积，所以对比于检测电路和传感器的常规组合这尤其有利，其中在与检测电路晶片的相同侧上和相同的多晶硅层中提供传感器。这限制了用在数字电路中的晶体管的密度(和分辨率)。其也因此降低了数字电路的速度。

在第一实施例中，存在导电接触，其经由绝缘层延伸，以将MEMS器件耦合到半导体电路，且在衬底的第二侧处存在封装层，从而封装MEMS器件。该结构允许使用芯片级封装。这减小了电子器件的尺寸，并且保护了MEMS器件不受制造工艺的初级阶段的影响。而且，这样的封装方法非常节约成本。

在优选实施例中，在半导体电路垂直投影到第二半导体层上，在半导体电路和MEMS器件之间存在相当大的重叠。由于适当的小型化和非常低的封装成本，所以以这种方式可获得非常节约成本的器件。

在再一实施例中，将MEMS器件设计成用作传感器并能提供输出电子信号，所述的半导体电路包括电路装置，用于检测所述的输出信号。本发明的器件尤其适合于该实施例。

MEMS器件广泛地用在很多应用中。优势包括低成本、高的性能和可靠性、较优的信/噪比、与用于形成智能传感器的存储电路和在线自检测系统的集成、以及较高的再现性和灵敏度。重要的应用包括加速计和压力传感器，用于汽车工业中的安全气囊、ABS、主动悬挂、引擎控制和ASR(防滑旋转)。现有系统的大多数状态都基于通过弹簧悬挂的小质量块。在硅或多晶硅中蚀刻该质量块和弹簧。移动部分形成具有静态部分的电容器。当系统经受加速时，可通过读出电路检测小的电容变化。在一个特定配置中，加速引起震动质量块的位移，形成单个电容器的可移动电极(电容的绝对变化)。在可选配置中，加速引起了两个电连接的电容器所共用电极的位移，以在相反方向上改变两个电容(电容的差分变化)。

在适合的实施例中，半导体电路还包括用于驱动传感器的装置。该实施例的优势在于，该器件包括完整的子系统而没有任何实质上的装配。

在特定实施例中，子系统是集成的加速计。其可通过仅一个附加的掩模步骤(相对于现有的两芯片解决方案)来制得，且特征在于高灵敏度和低封装成本。这对于安全气囊安全传感器总线尤其重要。传感器总线由Philips For Safe By Wire(SBW)开发。这是用于安全传感器和点燃用在汽车中的点火器的安全气囊的协议。目前，几个冲击的传感器用于将碰撞信息发送到中央控制单元。为了在发生碰撞时最大化地保护车内部的乘客，该中央控制单元使用加速信息来计算应该如何和何时使用安全气囊。通过SBW也可多路复用慢速传感器(乘客检测、儿童座位识别、安全带扣开关)，以及主动可逆的安全带预紧装置。

如果加速计可与信号处理电路和SBW协议控制器和收发信器集成在一起，则其是另一优势。目前可获得的SBW传感器节点在ABCD3工艺技术中制得。这是允许集成具有相当密集的CMOS数字电路的高电压DMOS晶体管的绝缘体上硅(SOI)工艺。

在再一实施例中，为了保护传感器和检测电路不受来自总线的高频辐射的影响，优选在传感器附近提供环状保护区域。该环状区域应提供有使得其上能提供电流或电压的接触。该区域优选轻微地较高掺杂。甚至可能该区域的侧壁覆盖有导电层，例如多晶硅或金属。具有金属颗粒的溶液(散布的或溶胶凝胶系统)本身是公知的。

附图说明

从下文描述的实施例，本发明的这些或其它方面将显而易见，并参考下文描述的实施例说明本发明的这些或其它方面。现在将仅通过例子或参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1A-1E是说明包括在根据本发明示意性实施例的方法中工艺步骤的示意性截面图；

图2是根据本发明示意性实施例的电子器件的示意性平面图；和

图3是说明根据本发明示意性实施例的方法的处理流程的框图。

具体实施方式

如上面解释的，由于与传统的微观惯性机械开关相比较提供了众多的优势，因此加速度传感器广泛地用在汽车工业中，并且在近代，已经提出将使用微电子技术制造的电机械硅微结构用作加速传感器。

参考附图的图1和3，根据本发明的示意性实施例，在基底硅的情况下，通过本领域技术人员公知的工艺提供接合的SOI晶片10，晶片10具有第二半导体层12。该层也将称为处理晶片。SOI晶片还包括中间的埋入氧化物层14，和在其第一侧上的第一半导体层16(图1A)。还为在处理晶片12处提供明确的电势而提供处理晶片接触18。首先从第二侧削薄晶片10并抛光(步骤100)。如果必要的话，可以通过由例如UV胶水将透明支撑晶片可移除地附着到晶片10的第一侧来提供附加的支撑。

进行单掩模步骤102，以在晶片10的第二侧(在第二半导体层12中)上蚀刻小空腔20，空腔20处于质量块(proof mass)将处在的位置(图1B)。

进行另一个单掩模步骤104，以从晶片的第二侧向下蚀刻深沟槽22至埋入氧化物层14。用于蚀刻垂直沟槽的工艺对于本领域技术人员是公知的，如F.Roozeboom、R.J.G.Elfrink、Th.G.S.M.Rijks、J.F.C.M.Verhoeven、A.Kemmeren和J.E.A.M.van den Meerakker在Int.J.Microcircuits and Electronic Packaging，24(3)(2001)第182-196页的“High-Density，Low Loss Capacitorsfor Integrated RF Decoupling”中所描述的。在该文献中描述了两种不同类型的蚀刻技术：湿法蚀刻和干法蚀刻。湿法蚀刻是在含水的HF中在蚀刻凹陷区域中基于优选的n-型Si阳极溶解的各向异性蚀刻技术，其中凹陷区域是由于在空间电荷层中增强的电场而更有效地收集空穴的区域。当通过空穴的数量来控制用于熔解的速率确定步骤时，通过白光照射晶片背面产生的，孔壁变成驱使溶解及因此钝化的少数载流子(空穴)的耗尽。

可选的干法蚀刻工艺是反应离子蚀刻(RIE)，其中以时分复用的方式，通过交替地引入SF₆/O₂和C₄F₈气体到等离子体中，来各向异性地蚀刻孔。前一气体蚀刻孔且后者在孔壁上形成钝化层。

如在图1D中说明的，蚀刻步骤104包括选择性蚀刻氧化物层14。这释放了质量块23、移动电容器板24和弹簧26(见图2)。

最后，将封装层28接合在晶片的第二侧上(步骤106)，提供了更大的稳定性且气密密封的MEMS器件。

因此，参考附图的图2，制造了根据本发明的示意性实施例的电子器件，包括其中蚀刻了沟槽的硅芯片200、质量块23(其中提供了孔洞29以允许蚀刻埋入氧化物)、弹簧26和移动电容器板24(具有固定点30)、和固定或参考电容器板(具有固定和电接触点32)，其中弹簧26在一侧上与固定点30连接且在另一侧上连接到质量块23，且移动电容器板24附着到质量块23。

在上述的实施例中传感的原理是电容性的：可移动的部分提供有一个或更多个电极。在某一方向上部分的移动导致电极的位移。该位移使电极更接近传感电极中的一个，并进一步远离另一个传感电极。测量得到的电容差和/或其随时间的变化。

在前侧的电路具体包括用于传感器的检测电路。除此之外，可以存在其它的功能。尤其是，其涉及到以两线式总线为特征的系统。电压源取自该总线，然后变压并使用，以驱动传感器和检测电路。根据本示意性实施例，为了实现上述目的，在前侧处存在高电压DMOS和低电压数字CMOS晶体管。

将理解关于上述的示意性实施例，事实上实现了在第二半导体层处提供传感器，其中存在有接触以便从晶片的第一侧接触第二半导体层中的结构。这些接触本身是公知的，且还在用于在处理晶片处提供确定的电势的公知工艺中执行。如本领域技术人员将理解的，通过在埋入的氧化物层中制造限定的孔洞来接触处理晶片，其中经由埋入的氧化物层建立了欧姆接触。

首先，在顶部硅层中蚀刻孔洞，移除了大部分的硅。这可以通过湿法蚀刻或干法蚀刻来进行。在两种情况下，氧化残留的硅直到到达埋入的氧化物层。其后，可以在单一的湿法蚀刻操作中可连续地蚀刻热生长氧化硅和埋入的氧化物层。

在图2中说明的结构示出了七列。向其提供接触的列是传感器电极。如在图2中可见，这些列或多或少是L形的。在中间的列是传感器的可移动部分。其形状从图2中更明显。其中的部分30是支撑，部分26是弹簧状结构。其他的4列是围绕传感器的处理晶片部分。

本领域技术人员将理解，由于处理晶片的较大厚度，所以可移动的电极可体现为单个的板，而在现有技术中，这一般为梳状结构。然而，本发明并不意指限制在这一方面。

用作压盖(capping)的封装层可包括可在晶片的第二侧施加的任一主体。例子包括玻璃板、聚合物板和半导体晶片。在半导体晶片的情况下，需要氧化物层，以提供单独的接触区域之间的电绝缘。第三晶片可通过适合的胶水附着到处理晶片上。

为了提高电容板的导电率，这些可用导电材料涂覆。

为了保护传感器和检测电路不受来自总线的高频辐射的影响，优选在传感器周围提供环状保护区域。该环状区域应提供有接触，以使电流或电压可提供于其上。优选地，该区域是稍微多掺杂的。甚至可能该区域的侧壁覆有导电层，例如多晶硅或金属。具有金属颗粒(散布或如溶胶凝胶系统)的溶液对于本领域技术人员是显而易见的。

尽管优选在完成集成电路之后提供MEMS结构，但是逆序(也就是，首先制造MEMS，然后是集成电路)也是可设想的。

也可以理解衬底一般不是重掺杂的，但是其传感器部分当然可以更重地掺杂，以提高材料的导电率。

本发明应用的主要领域是用于Safe By Wire(线控安全)(安全气囊传感器总线系统)的集成碰撞传感器。然而，描述的技术当然也可应用到其它的集成MEMS器件，例如压力传感器。

上述设置的两个显著的优势是相对低的掩模数量和简化的晶片规模封装。该两者导致了较现有方法明显较低的成本。这通过在处理晶片(可对比于批量MEMS)中制造加速计传感器得以实现。这通过从晶片的背面蚀刻非常深的沟槽，直到到达埋入氧化物来完成。蚀刻埋入氧化物以释放质量块。这是用作牺牲层的现有的埋入氧化物。现有的处理晶片接触提供电连接。

由于晶片相对厚(100-200μm)，所以可仅通过单个板实现大电容变化(对比于用在表面MEMS中的薄很多的多晶硅层)。而且，质量块较大，这增加了灵敏度。

移动部分未从顶侧暴露出。后端工艺的大部分金属和介电层可应用于MEMS结构的顶部以提高坚硬度。为了密封结构的底部，可接合具有预限定空腔的晶片，或在沟槽蚀刻之前蚀刻空腔。在后者的情况下，平的晶片可用于密封。该方法的优势在于没有特别的需要就可提供用于接合引线的电接触。

应当注意到，上述的实施例起说明作用而不是限定本发明，且在不脱离如附加的权利要求所限定的本发明范围的前提下，本领域技术人员能够设计很多可选的实施例。在权利要求中，位于括号中的所有参考标记不应解释为限定权利要求。词“包括”等并不排除存在不同于任一权利要求或说明书中作为一个整体列出的元件或步骤。元件的单个参考不排除这样的元件的多个参考，反之亦然。本发明可通过包括几个分立元件的硬件和通过适合地编程的计算机来执行。在器件的权利要求中列举了几种手段，很多这些手段可通过硬件的一项和同一项来体现。例举某些测量的仅存的事实，其中相互不同的从属权利要求不表示这些测量的组合不能便利地使用。

Claims (16)

1.一种制造电子器件的方法，包括：

-提供具有第一和相对的第二侧的晶片(10)，具有第一和第二半导体层(12，16)，在其之间具有至少一个绝缘材料层(14)，在该第一侧处提供包括限定在第一半导体层中的半导体元件的半导体电路；

-通过根据基本上垂直于晶片中的平面而延伸的希望的图案来蚀刻沟槽，并通过释放可移动的电极，来在所述晶片中形成包括可移动的电极和参考电极的微电子机械系统(MEMS)器件，其中沟槽延伸至被选择性移除的绝缘材料层，

其特征在于，所述的MEMS器件形成于所述的第二半导体层(12)中，其中从晶片的第二侧向下蚀刻沟槽至绝缘材料层。

2.如权利要求1中的方法，其中电路包括导电接触，其经绝缘层(14)延伸，通过其能使参考电极耦合至电路，且晶片在其第二侧处提供有封装层，由此封装MEMS器件。

3.如权利要求1中的方法，还包括在第二半导体层中蚀刻空腔的步骤，该空腔位于可移动电极的区域处。

4.根据权利要求1的方法，其中选择性的移除包括选择性欠蚀刻的步骤(104)，其中该层暴露于蚀刻剂，其是从晶片的第二侧经沟槽提供的。

5.如权利要求1中的方法，其中包括接触的半导体电路通过在提供沟槽之前的一系列步骤提供。

6.如权利要求1中的方法，其中用导电材料覆盖电极。

7.如权利要求1中的方法，其中进一步在蚀刻沟槽期间蚀刻环状结构，所述的结构限定在所述的MEMS器件周围、经绝缘层连接到接触，并能用作屏蔽。

8.如权利要求1中的方法，其中在提供封装层之后，将晶片细分成多个单独的器件。

9.一种电子器件，包括具有第一和相对的第二侧的衬底(10)，具有第一和第二半导体层(12，16)，在其之间具有至少一个绝缘材料层(14)，在该第一侧处存在包括限定在第一半导体层中的半导体元件的半导体电路，且还包括微电子机械系统(MEMS)器件，所述的MEMS器件具有参考电极和可移动的电极，所述的MEMS器件电耦合到所述的半导体电路，局部地移除所述的绝缘层以允许可移动的电极可移动，

其特征在于，MEMS器件限定在第二半导体层中。

10.如权利要求9中要求的电子器件，其中

-存在导电接触，其经绝缘层延伸以将MEMS器件耦合到半导体电路上，和

-在衬底的第二侧处存在封装层，从而封装MEMS器件。

11.如权利要求9中的器件，其特征在于，在半导体电路垂直投影到第二半导体层上，存在与MEMS器件的相当大的重叠。

12.如权利要求9中的器件，其中可移动的电极具有在垂直于衬底平面的方向上、比第二半导体层的厚度更短的长度。

13.如权利要求9中的器件，特征在于将所述的MEMS器件设计成用作传感器并能提供输出电信号，所述的半导体电路包括用于检测所述输出电信号的电路装置。

14.如权利要求9或13中的器件，特征在于半导体电路还包括用于驱动MEMS器件的装置。

15.如权利要求14中的器件，特征在于用于驱动的装置包括DMOS晶体管，用于检测的装置包括CMOS晶体管。

16.如权利要求9-14的任一项中的器件，其还提供有存在于所述的MEMS器件周围的环状结构，所述的结构经绝缘层连接到接触，并能用作屏蔽。

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