CN1953933B - 具有通过衬底的导电路径的mems器件 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS器件，具有至少一个从其衬底的顶面侧(具有MEMS结构)延伸至所述衬底的底面侧的导电路径。该至少一个导电路径贯穿所述衬底，以将底面侧与MEMS结构电连接。
Description
技术领域
本发明主要涉及MEMS器件，更具体地，本发明涉及MEMS器件的电通信。
背景技术
高度小型化的微机电系统(即“MEMS”)可备配置用来执行多种功能。例如，MEMS器件可以实现为加速度计，测量运动物体的加速度。例如，一种MEMS加速度计使用悬浮物，响应于加速度，该悬浮物相对于下面的衬底运动。从而可以作为悬浮物相对其下面衬底的运动的函数来计算加速度。
电路控制MEMS操作的多个方面。例如，上述悬浮物可与检测物体运动的片外电路进行电通信。根据这样检测到的运动量，该电路能够计算加速度值。
一种广为实现的MEMS器件结构与电路进行电通信的方法包括使用接合焊盘。具体地，MEMS器件具有与接合焊盘连接的引线，该引线在衬底上与MEMS结构横向间隔。然而，这样的布置具有许多不利之处。其中，接合焊盘使用衬底上相对较多的宝贵的表面积。此外，接合焊盘及其引线经常可产生破坏由MEMS器件产生的基本电信号的寄生电容。
发明内容
根据本发明的一个方面，MEMS器件具有至少一个从其衬底(具有MEMS结构)顶面侧延伸至所述衬底底面侧的导电路径。该至少一个导电路径延伸穿过衬底，电连接底面侧和MEMS结构。
一些实施例包括MEMS结构的至少一部分的封盖。该封盖和衬底直观地形成至少部分包含该MEMS结构的空腔。在一些实施例中，至少一个导电路径基本上从衬底的底面侧伸出或者延伸。为了实现电子连接，可将焊球固定至该至少一个导电路径。
该导电路径可由多种不同材料形成，例如多晶硅。MEMS结构直观地具有可移动物，例如那些在陀螺仪和加速度计中所用的物体。此外，MEMS器件还可具有由衬底支撑的电路。该电路直观地与至少一个导电路径进行电通信。在这种情况下，衬底可包括硅锗。
根据本发明的另一方面，MEMS系统具有：1)带有电路和电路接口端口的第一衬底，以及2)具有第二衬底的MEMS器件，该第二衬底带有顶面侧和顶面侧。顶面侧包括MEMS结构。MEMS器件还具有从MEMS结构到底面侧贯穿第二衬底的导电路径。该导电路径与第一衬底上的接口端口耦合，以使电路与MEMS结构电通信。
在示意实施例中，MEMS器件没有电路。此外，MEMS器件具有位于导电路径和第二衬底的至少一部分间的隔离器。在一些实施例中，MEMS结构在第二衬底上限定设计边界(即，第二衬底上的区域)。导电路径可处于该设计边界内。
本发明提供了一种MEMS器件，包括：衬底，其具有顶面侧和底面侧，所述顶面侧包括MEMS结构；至少一个导电路径，其从所述MEMS结构至所述底面侧贯穿所述衬底，所述至少一个导电路径由与所述MEMS结构基本相同的材料形成，并且所述至少一个导电路径与所述MEMS结构的至少一部分一样形成为相同淀积层的一部分；由所述衬底支撑的第一电路，所述第一电路与所述至少一个导电路径电通信；以及包括所述MEMS结构的至少一部分的封盖，其中所述封盖包括第二电路，所述第二电路共享或者补充处理所述第一电路。
本发明还提供了一种MEMS器件，包括：衬底，其具有顶面侧和底面侧，所述顶面侧包括MEMS结构；用于在所述MEMS结构和所述底面侧之间传导电信号的装置，所述传导装置从所述MEMS结构至所述底面侧贯穿所述衬底，所述传导装置与所述MEMS结构的至少一部分一样形成为相同淀积层的一部分；由所述衬底支撑的第一电路；以及用于包含所述MEMS结构的至少一部分的装置，其中所述用于包含所述MEMS结构的至少一部分的装置包括第二电路，所述第二电路共享或者补充处理所述第一电路。
本发明还提供了一种MEMS系统，包括：第一衬底，其具有第一电路和所述第一电路的接口端口；MEMS器件，其具有第二衬底，该第二衬底具有顶面侧和底面侧，所述顶面侧包括MEMS结构，所述MEMS器件还具有从所述MEMS器件至所述底面侧贯穿所述第二衬底的导电路径，所述导电路径与所述MEMS结构的至少一部分一样形成为相同淀积层的一部分；以及固定至所述第二衬底的封盖，所述封盖包含所述MEMS结构的至少一部分；其中，所述导电路径与所述第一衬底上的所述接口端口耦合，以使所述第一电路与所述MEMS结构电通信，其中，所述第二衬底支撑第二电路，并且其中所述封盖包括第三电路，所述第三电路共享或者补充处理所述第二电路。
附图说明
通过下面的进一步说明并参考附图可以更加充分地理解本发明的前面所述和其它优势，其中：
图1根据本发明示意性地表示可封盖的电子器件的透视图。
图2示意性地表示图1中所示器件沿线X-X的透视图，其中根据本发明的一个实施例配置该器件。
图3表示根据本发明实施例的形成图2中所示电子器件的工艺。
图4表示形成穿过图3中所示器件的衬底的孔的工艺。
图5示意性地表示在MEMS器件上实现的本发明替换实施例的剖视图，该MEMS器件在相同的管芯上具有电路和结构。
图6示意性地表示在MEMS器件上实现的本发明另一替换实施例的剖视图，该MEMS器件在相同的管芯上具有电路和结构并在封盖上具有电路。
图7示意性地表示在MEMS器件上实现的本发明另一替换实施例的剖视图，其中封盖实际上形成另一MEMS器件。
具体实施方式
在解释性实施例中，贯穿MEMS器件衬底的导电路径(即，孔)将衬底上MEMS结构与对应的电路电耦合。此电路，其可以控制并且/或者检测MEMS结构的运动，可以处于另一衬底上或者与MEMS结构处于同一衬底上。如果孔直接位于MEMS结构的下方(例如，在平面图中)，那么它并不需要附加的衬底实体。此外，可以预测，这样的布置比使用接合焊盘的现有布置产生更少的寄生电容。下面讨论各种实施例的细节。
图1示意性地表示可根据本发明配置的通用MEMS器件10。所示的MEMS器件10包括与电路管芯14耦合的封盖MEMS管芯12。因此，所示MEMS管芯12具有受到电路管芯14上电路控制和/或检测的结构。电路管芯14具有接合焊盘16或者其它连线，以与诸如计算机的外部设计进行电子通信。为了进一步保护MEMS器件10免受环境的侵害，常规的工艺可将整个MEMS器件10安装至封装中。
MEMS器件10可以是任何常规公知的MEMS器件10，例如惯性传感器。例如，MEMS器件10可以是陀螺仪或者加速度计。示例MEMS陀螺仪在美国专利No.6,505,511中详细讨论，该专利转让至AnalogDevice，Inc.of Norwood，Massachusetts。示例MEMS加速度计在美国专利No.5,939,633中详细讨论，该专利同样转让至Analog Device，Inc.ofNorwood，Massachusetts。此处整体引用美国专利No.5,939,633和No.6,505,511的公开内容作为参考。
图2示意性地示出了图1所示器件沿线X-X的剖视图。具体地，MEMS器件10包括上述MEMS管芯12(例如，包括硅基材料，如硅)，该管芯具有安装至其顶侧的硅基封盖18，并且包括上述电路管芯14，该管芯安装至MEMS管芯12的底侧。封盖18示例地由多晶硅(或者单晶硅)形成，并且被刻蚀具有由从其内侧延伸的盖缘22形成的腔体20。腔体20覆盖MEMS管芯12的中央部分，该部分包括使MEMS功能生效的主结构24。例如，如果MEMS管芯12是加速度计，那么结构24可包括在衬底26上悬浮的可移动物。
认为MEMS器件10形成导电缘28，该导电缘在MEMS管芯12上限制MEMS结构24。其中，导电缘28形成保护MEMS结构24免受环境侵害的密封环。例如，该密封环可保护结构24防止灰尘、潮湿以及污垢。在替换实施例中，导电缘28向MEMS器件24提供非密封环。如本领域技术人员所知，非密封环可保护MEMS结构24防止灰尘和污垢，但是不能防止潮湿。除了密封MEMS结构24之外，导电缘28还通过MEMS管芯12电连接封盖18和电路管芯14。电路管芯14上的电路30将封盖18的电位设置为地或者任何希望的电压电平。
根据本发明的示意实施例，MEMS管芯12包括孔32和接触34(例如，球栅阵列的球)，它们从导电缘28延伸，通过MEMS管芯12/衬底26(此后简称为“管芯12”)，到达电路管芯14。还可以在不接触导电缘28的位置通过管芯12形成孔32。孔32示意性地在管芯12上由导电缘28限定的区域内形成。例如，在一些实施例中，考虑MEMS结构24在管芯12的表面上形成正投影。因此，在该区域中形成通过管芯12的孔32。从而，没有必要放大管芯12来适应接合焊盘或者其它电接口。但是在替换实施例中，可在导电缘28的外部形成通过管芯12的孔32。
为了形成导电缘28，MEMS管芯12具有多晶硅材料的凸缘(从衬底26延伸并且此处称为“MEMS缘36”)，该凸缘与从封盖18延伸的盖缘22集成耦合。或者，该凸缘包括硅、金属或者其它材料。在示例实施例中，盖缘22和MEMS缘36在松散限定的连线区38汇合，该区域具有较高的硅化物浓度(下面参考图3讨论)。该硅化物浓度可在连线区38的中心最高，而在其松散限定的端部降低至约零。此外，导电缘28(通过连线区38、MEMS缘36以及盖缘22形成)优选地与MEMES结构24电子隔离，确保施加至封盖18的电压被仔细地控制。
在示例实施例中，MEMS缘36还起到传感器元件的作用。或者其中，MEMS缘36起到接地平面元件、电路元件或者虚机械结构的作用。
图3示意性地表示形成图2中所示MEMS器件10的示例工艺。应当注意，此工艺的各个步骤可以按照不同于所述的顺序执行。此外，本领域的技术人员应当理解，可以执行附加的步骤，同时忽略其它。
该工艺开始于步骤300，其中通过常规工艺形成MEMS管芯12(例如，利用表面微机械加工工艺来实现新的工艺步骤)。如果在绝缘体上硅(“SOI”)管芯12上使用，那么可以使用常规SOI工艺。如上所述，可以通过硅基材料，例如多晶硅来形成管芯。然而在替换实施例中，还可以使用其它类型的材料。例如，可将单晶硅、金属或者硅锗用于MEMS管芯12的所有或者所选部分。在任何情况下，孔32、凸缘36以及其它导电部件的导电性应当被控制在令人满意的水平。如果有必要，需要一些掺杂来确保适当的导电特性。
可以至少部分地通过常规方法形成MEMS管芯12。例如参见上述并且包含的专利申请中讨论的方法。参考图4更加详细地讨论形成孔32的示例工艺。
然后在步骤302形成封盖18。以类似于MEMS器件管芯12的方式，可通过多晶硅或者根据常规工艺(例如表面微机械加工工艺)的其它材料形成封盖18。示意性地将腔体20和盖缘22的尺寸选择为确保与MEMS管芯12的足够间距。具体地，腔体20应当大到足以不与MEMS管芯12上结构24的运动发生干扰。
该工艺然后继续至步骤304，其中常规的工艺形成电路管芯14。可以使用任何被设计用于执行希望功能的常规电路。例如，可以使用上述被包含的专利中所示的电路。具体地，如果MEMS器件10是加速度计，那么可以使用美国专利No.5,939,633中所示的电路来感应MEMS管芯12中的静电变化。应当注意，在示例实施例中，MEMS管芯12、封盖18以及电路管芯14均被形成为单个晶片上相同元件阵列中的一个。
常规工艺然后可金属化封盖18的底层(步骤306)。例如，可以在封盖18的底侧上溅射淀积铂层40。然后将金属化封盖18置于MEMS管芯12上，使得MEMS缘36直接接触盖缘22。
在此工艺的此时，MEMS管芯12和封盖18并未固定在一起。因此，为了将它们熔合在一起，使此中间装置经受足以在连线区38中形成硅化物接合的较高温度和压力(在步骤308)。本领域的技术应当能够选择适当的温度和压力。仅作为示例，将该中间装置经受约280-450摄氏度之间的温度和约两个大气压的压力持续四十至五十分钟将提供令人满意的结果。
由此，该工艺的这一步骤在连线区38中形成铂硅化物。如本领域技术人员公知，由于铂与多晶硅的相互扩散，两个凸缘的外部和这两个凸缘之间的铂共同形成非常完整的和导电的连接器。铂的浓度在连线区38的中心最高(例如百分之五十的铂和百分之五十的多晶硅)，而它作为距离中心的距离的函数降低至零。
可以使用除过铂之外的其它材料形成硅化物接合。例如，可以使用钨或者钛。然而使用这些材料通常需要比使用铂所需的更高温度来形成它们各自的硅化物接合。因此，并不推荐对于在中间装置(参见下面讨论的图5-7)上具有电路30的实施例使用钨或者钛，因为那样的高温可能负面地影响电路30。换言之，用于形成硅化物接合的所选材料应当在低于可负面影响电路30或者MEMS器件10的温度敏感部分的温度下互扩散(并且/或者熔化)。
可以使用其它类型的接合。例如，除了形成硅化物接合外，可以使用基于焊接的接合。但是使用这类接合需要附加的工艺步骤。具体地，除了至少金属化盖缘22(如上所述)之外，还要金属化MEMS缘36。继续上述示例，以类似于盖缘22的方式，可以利用铂或者其它可焊接材料溅射淀积MEMS缘36。可在较低的温度下施加或者固化焊料。
如上所述，导电缘28示意性地完整包围MEMS结构24，以在封盖18和电路30之间提供密封环和导电路径。在一些实施例中，导电缘28在结构24周围形成环形套。在其它实施例中，导电缘28在MEMS结构24周围形成一些其它形状(例如，椭圆、矩形或者不规则形状)。
形成硅化物接合后，工艺继续至步骤310，其中MEMS管芯12(或者如此示例的晶片)的底部经历暴露管芯32的薄化工艺(例如，背向研磨(backgrind)或者回刻工艺)。当暴露时，孔32直观地与管芯12的底面表面齐平或者轻微地从管芯12的底面表面向外延伸。
然后可将导电接触34(例如，焊球)安装至孔32的底部(步骤312)，然后将导电接触34安装至电路管芯14顶表面上的对应接触。除过焊球之外，一些实施例可以采用镀块、焊球、淀积的接合焊盘或者其它导电接口。然后可对晶片进行划片，从而完成工艺。如上所述，在其完全形成后，形成的MEMS器件10可安装至封装、电路板(在一侧上形成接触之后)上安装的反转芯片中，或者以任何常规方式使用。
因此，如图2所示和上面的讨论，封盖18通过导电缘28、对应的孔32以及MEMS衬底26底部上的球接触34电子连接至电路管芯14。由于每一接触球34和孔32之间接触的表面积较小，因而最小化寄生电容。电路管芯14上的电路30可将封盖18的电位设置为地或者任何希望的电压电平。或者，通过MEMS管芯12到达导电缘28的导电路径可终止于外部引脚，该外部引脚可外部接地或者被设置为任何希望的电位，例如0.2伏。
除了使用被封盖的管芯12之外，替换实施例可以使用被封装的管芯12。具体地，在步骤300，孔32完全贯穿管芯12，并且整个MEMS器件12固定在常规的集成电路封装内(未示出)。因此，在此实施例中，封盖18不是必需的。本领域的技术人员应当知道，封装连线可以常规方式与电路板14耦合。类似地，孔32还可在该封装内耦合至连线。
图4表示根据本发明示例实施例的形成任何孔32的工艺。该工艺开始于步骤400，其中常规微机械加工工艺在管芯12中形成沉孔(bore)。该沉孔在管芯12的顶表面开放而在管芯12内闭合。因此，该沉孔并不贯穿整个管芯12。根据多种因素选择该沉孔的宽度、形状以及深度，其中，这些因素可包括将要形成的最终孔32的希望阻抗以及最终孔32的结构完整性。
在其形成之后，该沉孔与电绝缘材料对齐，例如热氧化物或者氮化物(步骤402)。在工艺的此时，可以通过管芯12形成导电孔32。此时，在一些实施例中，可向排列的沉孔填充导电材料(例如，掺杂的硅、导电环氧树脂、CVD金属、例如钨或钛，或者其它导电材料)。在填充沉孔(即形成孔32)之后，可在管芯12上形成其余的MEMS部件和/或电路。
或者如图2所示，下一淀积层可形成孔32和其它MEMS部件(例如，可移动元件)。在这样的实施例中，从而认为孔32和MEMS部件是集成的。此时，可以淀积延伸至沉孔中的多晶硅层(步骤404)。可以刻蚀并且另外处理该多晶硅层，以形成MEMS结构24的一部分。如上所述，可以掺杂添加的多晶硅以确保适当的导通。在这种情况下使用多晶硅具有多种优势。其中，它减少了制造工艺的步骤，同时降低了寄生电容。
在向沉孔添加淀积的材料之后，该工艺继续至步骤406，其中形成其余的MEMS结构24和管芯12的其它部分。如图3工艺中的步骤310所示，管芯12接着经历背向研磨工艺，从而暴露孔32。
同样如上所述，可以执行类似的工艺来形成穿过绝缘体上硅管芯12的孔32。在这些方法中，可以按照与上面讨论的类似方式形成穿过三个SOI层的孔32。或者，在这三层被固定在一起之前形成孔32。
图5表示MEMS器件10的替换实施例。除了具有单独的电路管芯14之外，MEMS管芯12可包括结构24和电路30。按照类似于图2中所示MEMS管芯12的方式，可以通过常规工艺形成此实施例的MEMS管芯12，例如通过利用执行独特工艺步骤的表面微机械加工或者SOI工艺。
图6表示另一实施例，其中使用“智能封盖”。具体地，封盖18可具有电路30，该电路共享或者补充处理MEMS管芯12中的电路30。代替或者除了偏置电压之外，封盖18与MEMS管芯12之间的导电路径还可传送数据消息。图7表示又一实施例，其中将两个MEMS管芯12安装在一起。应当注意，可以组合图1-7所示各个实施例的部件来形成另一实施例。例如，代替具有集成电路30的MEMS管芯12，图6中的电路30可位于图2中一个或者多个分离的电路管芯14上。
通常来讲，本发明的各个实施例具有至少一个孔32，从MEMS结构24(在管芯12的顶侧上)延伸，穿过管芯12，并且终止于管芯12底侧上的电接口。如上所述，与目前的管芯附连焊盘解决方案相比，此布置最小化了寄生电容，并且降低了形成MEMS器件必需的管芯/衬底实体数量。
还可以使用不同于所讨论的材料。此外，一些实施例可应用于除MEMS器件之外的器件。例如，集成电路和其它类型的器件可实现本发明的各个方面。因此，MEMS器件的讨论是示例性的，而不是要限制本发明的所有实施例。
尽管上面的讨论公开了本发明的各种示例实施例，但是本领域技术人员显然可以进行可实现本发明一些优势的修改，而不脱离本发明的真实范围。
Claims (18)
1.一种MEMS器件，包括：
衬底，具有顶面侧和底面侧，所述顶面侧包括MEMS结构；
至少一个导电路径，从所述MEMS结构至所述底面侧贯穿所述衬底，所述至少一个导电路径由与所述MEMS结构基本相同的材料形成，并且所述至少一个导电路径与所述MEMS结构的至少一部分一样形成为相同淀积层的一部分；
由所述衬底支撑的第一电路，所述第一电路与所述至少一个导电路径电通信；以及
包括所述MEMS结构的至少一部分的封盖，其中所述封盖包括第二电路，所述第二电路共享或者补充处理所述第一电路。
2.权利要求1所述的MEMS器件，其中所述封盖和衬底形成至少部分包含所述MEMS结构的空腔。
3.权利要求1所述的MEMS器件，其中所述至少一个导电路径基本与所述衬底的所述底面侧齐平或者从所述衬底的所述底面侧向外延伸。
4.权利要求1所述的MEMS器件，进一步包括固定至所述至少一个导电路径的镀块、淀积的接合焊盘以及焊球中的至少一个。
5.权利要求1所述的MEMS器件，其中所述导电路径包括多晶硅。
6.权利要求1所述的MEMS器件，其中所述MEMS结构包括可移动物。
7.权利要求1所述的MEMS器件，其中所述衬底包括硅锗。
8.权利要求1所述的MEMS器件，其中所述至少一个导电路径由硅基材料形成。
9.一种MEMS器件，包括：
衬底，具有顶面侧和底面侧，所述顶面侧包括MEMS结构；用于在所述MEMS结构和所述底面侧之间传导电信号的装置，所述传导装置从所述MEMS结构至所述底面侧贯穿所述衬底，所述传导装置与所述MEMS结构的至少一部分一样形成为相同淀积层的一部分；
由所述衬底支撑的第一电路；以及
用于包含所述MEMS结构的至少一部分的装置，其中所述用于包含所述MEMS结构的至少一部分的装置包括第二电路，所述第二电路共享或者补充处理所述第一电路。
10.权利要求9所述的MEMS器件，其中所述传导装置包括掺杂的多晶硅。
11.权利要求9所述的MEMS器件，进一步包括在所述底面表面固定至所述传导装置的镀块、淀积的接合焊盘以及焊球中的至少一个。
12.权利要求9所述的MEMS器件，其中所述传导装置基本与所述衬底的所述底面侧齐平或者从所述衬底的所述底面侧向外延伸。
13.权利要求9所述的MEMS器件，其中所述MEMS结构包括用于检测所述衬底的运动的装置。
14.一种MEMS系统，包括：
第一衬底，具有第一电路和所述第一电路的接口端口；
MEMS器件，具有第二衬底，该第二衬底具有顶面侧和底面侧，所述顶面侧包括MEMS结构，所述MEMS器件还具有从所述MEMS器件至所述底面侧贯穿所述第二衬底的导电路径，所述导电路径与所述MEMS结构的至少一部分一样形成为相同淀积层的一部分；以及
固定至所述第二衬底的封盖，所述封盖包含所述MEMS结构的至少一部分；其中，所述导电路径与所述第一衬底上的所述接口端口耦合，以使所述第一电路与所述MEMS结构电通信，
其中，所述第二衬底支撑第二电路，并且其中所述封盖包括第三电路，所述第三电路共享或者补充处理所述第二电路。
15.权利要求14所述的MEMS器件，其中所述导电路径和MEMS结构通过相同的材料形成。
16.权利要求14所述的MEMS器件，其中所述MEMS结构包括可移动物。
17.权利要求14所述的MEMS器件，进一步包括位于所述导电路径和所述第二衬底的至少一部分之间的绝缘体。
18.权利要求14所述的MEMS系统，其中所述MEMS结构在所述第二衬底上限定设计边界，所述导电路径处于所述设计边界内。
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