IT201800002049A1

IT201800002049A1 - Metodo di fabbricazione di una piastrina a semiconduttore provvista di un modulo filtrante sottile, piastrina a semiconduttore includente il modulo filtrante, package alloggiante la piastrina a semiconduttore, e sistema elettronico

Info

Publication number: IT201800002049A1
Application number: IT201800002049A
Authority: IT
Inventors: Giorgio Allegato; Federico Vercesi; Laura Maria Castoldi; Laura Oggioni; Matteo Perletti
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2019-07-26
Also published as: US20190239000A1; CN210030037U; CN110422820A; US11128958B2

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“METODO DI FABBRICAZIONE DI UNA PIASTRINA A SEMICONDUTTORE PROVVISTA DI UN MODULO FILTRANTE SOTTILE, PIASTRINA A SEMICONDUTTORE INCLUDENTE IL MODULO FILTRANTE, PACKAGE ALLOGGIANTE LA PIASTRINA A SEMICONDUTTORE, E SISTEMA ELETTRONICO”

La presente invenzione è relativa ad un metodo di fabbricazione di una piastrina a semiconduttore includente un modulo filtrante, ad una piastrina a semiconduttore includente un modulo filtrante, ad un package alloggiante la piastrina a semiconduttore e ad un sistema elettronico alloggiante il package. In particolare, il modulo filtrante è di tipo integrato. Secondo un aspetto della presente divulgazione, la piastrina a semiconduttore è un dispositivo trasduttore acustico (e.g., microfono).

In modo noto, un trasduttore acustico (in particolare un microfono) di tipo MEMS (sistema micro-elettro-meccanico, o “micro-electro-mechanical system”) comprende una struttura sensibile a membrana atta a trasdurre onde di pressione acustica (onde sonore) in una grandezza elettrica (ad esempio una variazione capacitiva), ed un’elettronica di lettura atta ad effettuare opportune operazioni di elaborazione (tra cui operazioni di amplificazione e filtraggio) di tale grandezza elettrica in modo da fornire un segnale elettrico di uscita (ad esempio una tensione elettrica) rappresentativo dell’onda di pressione acustica ricevuta. Nel caso utilizzi un principio di rilevamento capacitivo, la struttura sensibile microelettromeccanica comprende in generale un elettrodo mobile, realizzato come diaframma o membrana, disposto affacciato ad un elettrodo fisso, per realizzare i piatti di un condensatore di rilevamento a capacità variabile. L’elettrodo mobile è ancorato mediante una sua prima porzione, generalmente perimetrale, ad uno strato strutturale, mentre una sua seconda porzione, generalmente centrale, è libera di muoversi o flettersi in risposta alla pressione esercitata dalle onde di pressione acustica incidenti. L’elettrodo mobile e l’elettrodo fisso realizzano dunque un condensatore, e la flessione della membrana che costituisce l’elettrodo mobile causa una variazione di capacità, in funzione del segnale acustico da rilevare.

Con riferimento alla figura 1, è mostrato un dispositivo trasduttore acustico 19, rappresentato in un sistema di coordinate triassiale x, y, z. Il dispositivo trasduttore acustico 19 comprende una prima piastrina (“die”) 21 che integra una struttura MEMS 1, in particolare un trasduttore acustico MEMS (microfono), provvista di una membrana 2, mobile e di materiale conduttivo, affacciata ad un piatto rigido 3 (con questo termine si intende qui un elemento relativamente rigido rispetto alla membrana 2, che è invece flessibile). Il piatto rigido 3 include almeno uno strato conduttivo affacciato alla membrana 2, così che la membrana 2 ed il piatto rigido 3 formano piatti affacciati di un condensatore. Il piatto rigido 3 e la membrana 2 formano una struttura di trasduzione, in particolare trasduzione acustica, per convertire un’onda sonora in un segnale elettrico.

In alternativa, la struttura di trasduzione (in forma di membrana sospesa sulla cavità 6) può essere realizzata con una diversa tecnologia, ad esempio mediante l’uso di elementi piezoelettrici o piezoresistivi.

La membrana 2, che in uso si deforma in funzione di onde di pressione acustica incidenti, è almeno parzialmente sospesa al di sopra di uno strato strutturale 5 e direttamente affacciata ad una cavità 6, realizzata formando uno scavo in corrispondenza di una superficie posteriore 5b dello strato strutturale 5 (la porzione posteriore 5b è opposta ad una superficie anteriore 5a dello stesso strato strutturale 5, posta in prossimità della membrana 2).

La struttura MEMS 1 è alloggiata in una cavità interna 8 di un package 20, insieme con una ulteriore piastrina (“die”) 22, di materiale semiconduttore, integrante un circuito di elaborazione, o circuito ASIC (“Application Specific Integrated Circuit”) 22’. Il circuito ASIC 22’ è accoppiato elettricamente alla struttura MEMS 1 mediante un conduttore elettrico 25’, che collega rispettive piazzole 26’ del primo e del secondo die 21, 22. Il primo ed il secondo die 21, 22 sono accoppiati affiancati (“side-byside”) su un substrato 23 del package 20. Il primo die 21 è accoppiato al substrato 23 in corrispondenza della superficie posteriore 5b dello strato strutturale 5, ad esempio mediante uno strato adesivo; analogamente, anche il secondo die 22 è accoppiato al substrato 23 in corrispondenza di una sua superficie posteriore 22b. In corrispondenza di una superficie anteriore 22a del secondo die 22, opposta alla superficie posteriore 22b, è realizzato il circuito integrato ASIC 22'.

Opportuni strati di metallizzazione e vias (non mostrati in dettaglio) sono previsti nel substrato 23 per l’instradamento (“routing”) dei segnali elettrici verso l’esterno del package 20. Ulteriori connessioni elettriche 25'', realizzate con la tecnica del wire-bonding, sono previste tra piazzole 26'' del secondo die 22 e rispettive piazzole 26'' del substrato 23.

Al substrato 23 è inoltre accoppiata una copertura 27 del package 20, che racchiude al suo interno il primo ed il secondo die 21, 22; tale copertura 27 può essere metallica o plastica pre-stampata (“pre-molded”).

Elementi di connessione elettrica 29, ad esempio sotto forma di piazzole (“land”) conduttive, sono previsti in corrispondenza del lato inferiore del substrato 23 (il lato esposto verso l’esterno), per la saldatura e la connessione elettrica ad un circuito stampato.

Il substrato 23 presenta inoltre un’apertura passante, o foro, 28, che mette in comunicazione fluidica la cavità 6 del primo die 21 con l’ambiente esterno al package 20. L’apertura passante 28 (nel seguito detta “porta acustica” – “sound port”) consente l’introduzione di un flusso d’aria dall’esterno dal package 20 e delle onde di pressione acustica che, impattando sulla membrana 2, la deflettono.

In modo noto, la sensibilità del trasduttore acustico dipende dalle caratteristiche meccaniche della membrana 2 della struttura microelettromeccanica 1, ed inoltre dall’assemblaggio della membrana 2 e del piatto rigido 3. Inoltre, il volume della camera acustica realizzata dalla cavità 6 influisce direttamente sulle prestazioni acustiche, determinando la frequenza di risonanza del trasduttore acustico.

Svariati sono dunque i vincoli imposti all’assemblaggio di un trasduttore acustico MEMS, che ne rendono particolarmente problematica la progettazione, in particolar modo ove siano richieste dimensioni estremamente compatte, come ad esempio nel caso di applicazioni portatili.

Al fine di proteggere almeno parzialmente la cavità 6 e la membrana 2 da polveri e/o acqua e/o altri detriti che potrebbero penetrare attraverso l’apertura passante 28 riducendo le dimensioni utili della cavità 6 e/o formando un percorso di perdite elettriche, quindi compromettendo le prestazioni del trasduttore acustico, è noto disporre un filtro (illustrato solo schematicamente in figura 1, ed indicato con il riferimento 30) esternamente al package 20 e affacciato alla porta acustica 28 (a distanza da essa). Tale filtro 30 è, ad esempio, accoppiato ad un guscio protettivo di un dispositivo portatile (es., telefono cellulare) che alloggia il package 20.

In particolare, nel caso di applicazioni portatili, il package 20 è alloggiato all’interno del guscio protettivo del dispositivo portatile stesso, in modo tale per cui la porta acustica 28 sia a sua volta affacciata ad una rispettiva apertura passante, o foro, praticata attraverso il guscio protettivo del dispositivo portatile mediante l’intermezzo del filtro 30 stesso. I filtri attualmente utilizzati sono montati manualmente sul guscio protettivo del dispositivo portatile ed hanno pertanto dimensioni eccessive rispetto alla reale necessità operativa, che è quella di proteggere esclusivamente la cavità 6, oltre che, ovviamente, la membrana 2 ed il piatto rigido 3.

Inoltre, il filtro 30 impedisce l’ingresso di particelle contaminanti attraverso il foro praticato attraverso il guscio protettivo del dispositivo portatile, ma non risolve il problema della contaminazione derivante da particelle di polvere o altri detriti provenienti da differenti sorgenti (ad esempio a causa di una chiusura non perfettamente ermetica del guscio protettivo).

È altresì noto, come mostrato in figura 2 e descritto nel documento EP3065416, l’uso di un filtro in silicio 32 o di un modulo filtrante includente un tessuto di fili che formano una trama con aperture passanti, interposto tra il substrato 23 e il primo die 21. Queste ultime soluzioni garantiscono la protezione da contaminanti durante fasi di fabbricazione e assemblaggio intermedie, ovvero durante fasi di montaggio del package nel dispositivo portatile. Tuttavia, in entrambi i casi ed in generale per i filtri di tipo noto, lo spessore del filtro influisce sulle prestazioni acustiche del trasduttore acustico 19, impattando sul rapporto segnale rumore (SNR). D’altra parte, lo spessore minimo del filtro non è imposto unicamente da limiti tecnologici, ma anche dalla necessità di solidità strutturale del filtro che non deve danneggiarsi o rompersi durante le fasi di accoppiamento fisico dello stesso al substrato e/o al die che alloggia la struttura MEMS. Il filtro, in altre parole, deve avere uno spessore tale da poter essere maneggiato in sicurezza.

Ulteriori problemi associati alla tecnica nota sono relativi al fatto che il modulo filtrante viene accoppiato alla struttura MEMS in fasi di fabbricazione avanzate del dispositivo, cosicché la struttura MEMS è soggetta a possibili particelle contaminanti per tutto il tempo precedente al posizionamento del filtro.

Risulta quindi desiderabile fornire un metodo di fabbricazione in cui lo spessore del filtro non sia limitato dai requisiti di spessore richiesti dagli strumenti utilizzati per il maneggiamento (“handling”) del filtro stesso, cosicché il filtro abbia spessore limitato unicamente dalla tecnologia utilizzata per la sua effettiva fabbricazione. È così possibile minimizzare l’impatto sul rapporto segnale rumore (SNR) del trasduttore acustico che include tale filtro.

Inoltre, è desiderabile fornire un metodo di fabbricazione che consenta di proteggere la struttura MEMS del trasduttore sin dalle prime fasi di fabbricazione di quest’ultima, cosicché eventuali particelle contaminanti non impattino sulla funzionalità della struttura MEMS stessa. Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un metodo di fabbricazione di una piastrina a semiconduttore includente un modulo filtrante, una piastrina a semiconduttore includente un modulo filtrante, un package alloggiante la piastrina a semiconduttore e un sistema elettronico alloggiante il package, atti a superare gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un metodo di fabbricazione di una piastrina a semiconduttore, una piastrina a semiconduttore, un package e un sistema elettronico, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- le figure 1 e 2 mostrano sono viste in sezione laterale di rispettivi package alloggianti un rispettivo trasduttore acustico MEMS provvisti di filtri antiparticelle, secondo forme di realizzazione di tipo noto;

- la figura 3 mostra, in vista in sezione laterale, un package alloggiante un trasduttore acustico MEMS provvisto di un filtro antiparticelle integrato, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 4A e 4B sono viste in pianta di una porzione del package di figura 3;

- le figure 5A-5D illustrano, in vista in sezione laterale, fasi di fabbricazione del trasduttore acustico MEMS provvisto del filtro antiparticelle integrato, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 6A-6E illustrano, in vista in sezione laterale, fasi di fabbricazione del trasduttore acustico MEMS provvisto del filtro antiparticelle integrato, secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 7 mostra un sistema elettronico includente un dispositivo trasduttore acustico secondo la presente invenzione; e

- le figure 8-10 mostrano, secondo rispettive forme di realizzazione, rispettive fasi del processo di fabbricazione alternative tra loro e alla fase di figura 5B.

La figura 3 mostra, in vista in sezione, un dispositivo trasduttore acustico 51 secondo un aspetto della presente invenzione. Elementi comuni del dispositivo trasduttore acustico 51 di figura 3 e del dispositivo trasduttore acustico 19 delle figure 1 e 2 sono indicati con gli stessi numeri di riferimento, e non sono ulteriormente descritti.

In maggiore dettaglio, il dispositivo trasduttore acustico 51 di figura 3 include un package 50, formato dal substrato di base 23 e dall’elemento di copertura 27.

Quest’ultimo ha conformazione sostanzialmente a tazza, ed è accoppiato al substrato di base 23 a formare la cavità, o spazio interno, 8 del package 50; attraverso l’intero spessore del substrato di base 23 è realizzata l’apertura passante 28, atta a mettere in comunicazione acustica la cavità 6 del primo die 21 con l’ambiente esterno al package 50. Nel seguito, ci si riferirà all’apertura passante 28 anche con il termine “porta acustica” (“sound port”), e alla cavità 6 del primo die 21 con il termine “camera acustica”. Inoltre, il termine “comunicazione acustica” è qui usato con il significato di “comunicazione acustica diretta”, nel senso che generiche onde sonore, o onde di pressione acustica, si propagano nell’ambiente considerato utilizzando come unico mezzo di propagazione l’aria (o un eventuale gas, o miscela di gas, equivalente dal punto di vista della propagazione acustica).

L’estensione (nel piano orizzontale xy) della camera acustica 6 è maggiore della corrispondente estensione (sempre nel piano orizzontale xy) della porta acustica 28, in modo tale che la porta acustica 28 comunichi interamente con la camera acustica 6 senza avere uno sbocco diretto allo spazio interno 8 del package 50.

Secondo un aspetto della presente invenzione, la camera acustica 6 del primo die 21 è in comunicazione acustica con la porta acustica 28 esclusivamente attraverso un modulo filtrante 52, che si estende tra la porta acustica 28 e la camera acustica 6 del primo die 21. Più in particolare, il modulo filtrante 52 si estende tra il substrato 23 e lo strato strutturale 5. Ancora più in particolare, il modulo filtrante 52 si estende in continuità dello strato strutturale 5 senza alcuno strato intermedio addizionale interposto tra lo strato strutturale 5 e il modulo filtrante 52. In altre parole, il modulo filtrante 52 si estende senza soluzione di continuità (“seamlessly”) in prolungamento dello strato strutturale 5. Vale a dire, il modulo filtrante 52 e lo strato strutturale 5 formano un blocco monolitico.

Per chiarezza di descrizione, il modulo filtrante 52 può essere funzionalmente suddiviso in una porzione di supporto 54 e in una porzione filtrante 56, tra loro complanari ed estendentisi l’una in continuazione dell’altra senza interruzioni. La porzione di supporto 54 è in contatto con il substrato 23 da un lato e con lo strato strutturale 5 dall’altro lato, mentre la porzione filtrante 56 si estende in corrispondenza della porta acustica 28 e forma una interfaccia filtrante per particelle contaminanti provenienti dall’ambiente esterno al dispositivo trasduttore acustico 51 e dirette verso la camera acustica 6. In questo contesto, è la porzione di supporto 54 ad essere in contatto diretto, senza interruzioni, con lo strato strutturale 5.

L’estensione (nel piano orizzontale xy) del modulo filtrante 52 è maggiore della corrispondente estensione (sempre nel piano orizzontale xy) della porta acustica 28, in modo tale che la porta acustica 28 sia interamente circondata (sempre in vista nel piano orizzontale xy) dal modulo filtrante 52.

Secondo un aspetto della presente invenzione, il modulo filtrante 52, ed in particolare lo porzione filtrante 56, ha spessore uniforme compreso ad esempio tra 1 µm e 100 µm, in particolare 5 µm, e presenta una pluralità di aperture passanti tali per cui le onde sonore dirette verso la camera acustica 6 non sono interrotte, o non sono sensibilmente degradate, dalla presenza del modulo filtrante 52.

Il modulo filtrante 52 può essere di un qualsiasi materiale compatibile con i processi di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore; in particolare, di materiale isolante, quale diossido di silicio o nitruro di silicio, o semiconduttore, quale silicio monocristallino o polisilicio, o alternativamente un qualsiasi altro materiale compatibile con i processi di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore.

Il substrato di base 23 è, in una forma di realizzazione non limitativa, formato da una struttura multistrato, composta da uno o più strati di materiale conduttivo (generalmente metallo) separati da uno o più strati dielettrici (ad esempio costituiti da un laminato BT – Bismaleide Triazina); percorsi elettrici 49 sono previsti attraverso il substrato di base 23 per connettere una sua superficie interna 23a, rivolta verso lo spazio interno 8, ad una sua superficie esterna 23b, rivolta verso l’ambiente esterno, che supporta gli elementi di connessione elettrica 29. Questi ultimi sono realizzati, in particolare, sotto forma di "piazzole" o “land” (nel caso di contenitori cosiddetti LGA – Land Grid Array - come è il caso illustrato in Figura 2). Alternativamente, le piazzole 29 possono essere sostituite da una schiera di "sfere" o "protuberanze", realizzando un package cosiddetto BGA o “Ball Grid Array”.

Secondo una diversa forma di realizzazione, il substrato di base 23 non comprende strati metallici o materiale conduttivo in genere e, ad esempio, è di materiale plastico.

L’elemento di copertura 27 può anch’esso essere formato da un multistrato, ad esempio includente uno o più strati plastici e/o metallici, e può presentare un rivestimento metallico (non illustrato) su una sua superficie interna 27a, rivolta verso lo spazio interno 8, al fine della realizzazione di uno schermo elettromagnetico. Alternativamente, l’elemento di copertura 27 è realizzato completamente in metallo.

L’elemento di copertura 27 è inoltre accoppiato al substrato di base 23 in modo da sigillare ermeticamente lo spazio interno 8.

In modo non illustrato nelle figure, un primo strato di accoppiamento si estende tra la superficie interna 23a del substrato di base 23 e il primo die 21; un secondo strato di accoppiamento si estende tra la superficie interna 23a del substrato di base 23 e il modulo filtrante 52. In una forma di realizzazione, il primo e il secondo strato di accoppiamento coincidono e formano un unico strato di accoppiamento, ottenuto ad esempio applicando colla preferibilmente non conduttiva. Un ulteriore rispettivo strato di accoppiamento (es., di colla preferibilmente non conduttiva o nastro biadesivo) si estende, in modo non illustrato in figura, tra la superficie interna 23a del substrato di base 23 e il secondo die 22.

La figura 4A mostra schematicamente una vista dall’alto, sul piano xy, di una porzione del dispositivo trasduttore acustico 51. In particolare, la figura 4A illustra la disposizione del modulo filtrante 52 rispetto allo strato strutturale 5. Il modulo filtrante 52 ha qui forma di parallelepipedo. Inoltre, come detto, la porzione filtrante 56 presenta una pluralità di aperture filtranti 58, ad esempio a sezione circolare avente diametro compreso tra 1 µm e 10 µm, in particolare 5 µm. Di conseguenza, particelle contaminanti (es., polvere) aventi almeno una dimensione (lunghezza, larghezza o spessore) maggiore del diametro scelto per le aperture filtranti 58 sono ostacolate nel passaggio da un ambiente esterno alla cavità 6 verso l’interno della cavità 6 (o comunque trovano questo passaggio difficoltoso). Particelle contaminanti aventi tutte le dimensioni (lunghezza, larghezza e spessore) maggiore del diametro scelto per le aperture filtranti 58 sono completamente filtrate dalle aperture filtranti 58.

In altre forme di realizzazione, non illustrate, le aperture filtranti 58 possono avere sezione poligonale di dimensioni tali per cui una circonferenza inscritta nel poligono abbia diametro compreso nello stesso intervallo specificato per la summenzionata sezione circolare. Di conseguenza, la porzione filtrante 56 impedisce il passaggio di particelle contaminanti aventi dimensioni maggiori del suddetto diametro.

Le aperture filtranti 58 possono essere disposte in una configurazione a matrice, in cui aperture filtranti 58 tra loro adiacenti hanno una distanza reciproca (misurata sul piano orizzontale xy tra i rispettivi baricentri) compresa tra 3 µm e 15 µm, in particolare 7 µm. In altre forme di realizzazione, le aperture filtranti 58 possono essere disposte in maniera irregolare.

Le aperture filtranti 58 si estendono, in particolare, in una regione centrale del modulo filtrante 52 / porzione filtrante 56, sostanzialmente allineata in vista dall’alto all’apertura passante 28.

In generale, il numero di aperture filtranti 58 è selezionato in modo da massimizzare il rapporto tra la somma delle aree (misurate sul piano orizzontale xy) delle aperture filtranti 58 e l’area della porzione sospesa del modulo filtrante 52 (misurata sul piano orizzontale xy limitatamente alle regioni del modulo filtrante 52 estendentisi attorno alle aperture filtranti 58, cioè alle parti solide della porzione filtrante 56). Ad esempio, il rapporto tra la somma delle aree delle aperture filtranti 58 e l’area della porzione sospesa del modulo filtrante 52 è compreso tra 0.3 e 0.7, in particolare 0.45. Tale rapporto coincide con il rapporto tra la somma dei volumi delle aperture filtranti 58 ed il volume delle restanti porzioni sospese del modulo filtrante 52.

La figura 4B mostra schematicamente una vista dall’alto (sul piano xy) di una porzione del dispositivo trasduttore acustico 51 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione che è alternativa a quella di figura 4A.

Nella forma di realizzazione di figura 4B, il modulo filtrante 52 ha forma di prisma a base poligonale, ad esempio ottagonale.

Le figure 5A-5D mostrano un procedimento di fabbricazione del trasduttore acustico 51, con particolare riferimento a fasi di fabbricazione del modulo filtrante 52 direttamente accoppiato, o aderente (“bonded”), allo strato strutturale 5, in modo tale per cui il modulo filtrante 52 si estenda in continuità dello strato strutturale 5 senza alcuno strato intermedio addizionale interposto tra essi (ovvero, formanti un blocco monolitico).

Con riferimento alla figura 5A, si dispone una fetta (“wafer”) 100, includente la struttura MEMS 1, quando essa si trova in una fase intermedia di lavorazione (di per sé nota). Qui, la struttura MEMS 1 è semilavorata per fabbricare un microfono MEMS del tipo descritto con riferimento alla figura 1, ovvero in una fase in cui la membrana 2 ed il piatto rigido 3 sono “affogati” in, e vincolati tra loro da, uno o più strati sacrificali 60, ad esempio di ossido di silicio. Inoltre, in questa fase di fabbricazione intermedia, lo strato strutturale 5 è già stato lavorato in modo da rimuovere porzioni selettive di esso per formare, almeno in parte, la cavità acustica 6.

Quindi, figura 5B, si esegue una fase di accoppiamento della fetta 100 con una ulteriore fetta 110 (in particolare di materiale semiconduttore, qui silicio) mediante tecniche di accoppiamento fetta-su-fetta (“wafer-to-wafer bonding”) di tipo di per sé noto. In particolare, la fetta 100 viene accoppiata alla fetta 110 in modo tale per cui una superficie 110a della fetta 110 si trovi direttamente affacciata alla superficie posteriore 5b dello strato strutturale 5 della struttura MEMS 1. Questa fase di accoppiamento è eseguita secondo un metodo di unione diretta (“direct bonding”) o unione per fusione (“fusion bonding”).

A questo fine, la fetta 110 viene disposta in contatto diretto con la fetta 100, in assenza di strati addizionali intermedi. Il processo di unione è basato su legami chimici tra le due superfici a contatto. A questo fine, è opportuno che entrambe le superfici siano pulite, piatte e non presentino rugosità superficiali.

Più in dettaglio, si esegue una fase di pre-trattamento della fetta 110, che include una riduzione della spessore della fetta 110 per portarla ad uno spessore, lungo la direzione z, compreso tra 10 e 100 µm, ad esempio mediante una fase di molatura (“grinding”) seguita da una fase opzionale di politura (“polishing”) per ridurre la rugosità superficiale. Una analoga fase di politura può essere eseguita, opzionalmente, sulla fetta 100, in corrispondenza dello strato strutturale 5.

Quindi, la fetta 100 e la fetta 110 vengono poste a contatto tra loro, per eseguire una fase di pre-bonding a temperatura ambiente, eventualmente con applicazione di forza nell’ordine di alcuni kNewton, ad esempio tra 1 kN e 10 kN. Questa fase può essere omessa.

In seguito, si esegue un trattamento termico a elevata temperatura, con la fetta 100 e la fetta 110 a contatto tra loro (eventualmente applicando ad esse una pressione dell’ordine di alcuni kNewton, ad esempio tra 1 kN e 10 kN) ed in presenza di una temperatura compresa tra 300°C e 500°C.

Il summenzionato pre-trattamento della fetta 110 e/o della fetta 100 può includere fasi di attivazione superficiale (es., trattamento al plasma, o CMP), utili a favorire una unione stabile tra le fette 100, 110.

Quindi, figura 5C, si prosegue con un attacco mascherato della fetta 110, in corrispondenza di una sua superficie 110b opposta alla superficie 110a, utilizzando una opportuna maschera fotolitografica sagomata in modo tale da esporre porzioni selettive della fetta 110 in corrispondenza delle quali si desiderano formare le aperture filtranti 58 dello porzione filtrante 56.

L’attacco mascherato della fetta 100 viene effettuato tramite tecniche di microlavorazione superficiale (“surface micromachining”) di tipo noto, utilizzando chimiche di attacco che rimuovono selettivamente il materiale del substrato 101 (qui, silicio) ma non il materiale dello strato sacrificale 60 (qui, ossido di silicio) e dello strato strutturale 5. Di conseguenza, alla fine dell’attacco mascherato della fetta 110 si ottiene il modulo filtrante 52 provvisto di aperture passanti che corrispondono alle aperture filtranti 58 descritte precedentemente. Lo spessore della porzione filtrante 56 è dato dallo spessore della fetta 110.

Si può quindi procedere, figura 5D, con una fase di rilascio degli elementi sospesi della struttura MEMS 1, rimuovendo lo strato sacrificale 60, ad esempio mediante un attacco umido (in bagno di HF nel caso in cui tale strato sacrificale 60 sia di ossido di silicio).

Una successiva fase, non illustrata, di taglio (“sawing”) della pila formata dalla fette 100 e dal modulo filtrante 52 (fase di singolazione o “singulation”) consente di isolare il primo die 21 da altri elementi (in particolare altri “die” dello stesso tipo) formati durante le precedenti fasi.

Le figure 6A-6E mostrano, secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, un procedimento di fabbricazione del trasduttore acustico 51 alternativo a quello delle figure 5A-5D. Il procedimento di fabbricazione qui descritto fa particolare riferimento a fasi di fabbricazione del modulo filtrante 52 che viene direttamente accoppiato, o reso aderente (“bonded”), allo strato strutturale 5, in modo tale per cui il modulo filtrante 52 si estende in continuità dello strato strutturale 5 senza alcuno strato intermedio addizionale interposto tra essi (ovvero, formanti un blocco monolitico).

Con riferimento alla figura 6A, si dispone (“provide”) una fetta (“wafer”) 200, includente la struttura MEMS 1, quando essa si trova in una fase intermedia di lavorazione (di per sé nota). Qui, la struttura MEMS 1 è semilavorata per fabbricare un microfono MEMS del tipo descritto con riferimento alla figura 1, ovvero in una fase in cui la membrana 2 ed il piatto rigido 3 sono “affogati” in, e vincolati tra loro da, uno o più strati sacrificali 60, ad esempio di ossido di silicio. Inoltre, in questa fase di fabbricazione intermedia, lo strato strutturale 5 è già stato lavorato in modo da rimuovere porzioni selettive di esso per formare, almeno in parte, la cavità 6.

Con riferimento alla figura 6B, viene disposto (“provided”) uno stack SOI (silicio su isolante, o “Silicon-Over-Insulator”) 210, includente, in modo di per sé noto, uno strato intermedio 211, in particolare ossido di silicio, interposto tra un primo substrato 212 ed un secondo substrato 213 (es., entrambi di silicio).

Secondo un aspetto della presente invenzione, il secondo substrato 213 dello stack SOI 210 ha spessore compreso tra 1 µm e 100 µm, in particolare 5 µm, in particolare pari allo spessore richiesto per il modulo filtrante 52 (più in particolare, per la porzione filtrante 56). Inoltre, il secondo substrato 213 dello stack SOI 210 viene lavorato mediante fasi di litografia e attacco mascherato, per formare una pluralità di aperture passanti 216. Tali aperture hanno forma e dimensioni scelte secondo necessità ed in particolare corrispondenti alle dimensioni richieste per le aperture filtranti 58. Infatti, in fasi successive di fabbricazione, le aperture passanti 216 formeranno le aperture filtranti 58.

Quindi, figura 6C, lo stack SOI 210 viene accoppiato alla fetta 200 in modo tale per cui il secondo substrato 213 sia in contatto diretto con lo strato strutturale 5 e le aperture passanti 216 precedentemente formate siano direttamente affacciate alla cavità 6. Lo stack SOI 210 viene meccanicamente accoppiato alla fetta 200 in assenza di ulteriori strati di accoppiamento intermedi. Ad esempio, può essere utilizzata una tecnica di accoppiamento diretto (“direct bonding”) o “fusion bonding”, analogamente a quanto precedentemente descritto con riferimento alla figura 5B.

Quindi, figura 6D, il primo substrato 212 viene rimosso (ad esempio mediante un processo di grinding abbinato ad un processo di attacco del silicio, utilizzando lo strato intermedio 211 come strato di interruzione attacco - “etch stopping layer”), esponendo lo strato intermedio 211.

In seguito, figura 66E, si esegue un attacco umido, in particolare in bagno di HF, per rimuovere contestualmente lo strato intermedio 211 e lo strato sacrificale 60, liberando gli elementi sospesi della struttura MEMS 1 e formando così il modulo filtrante 52.

Infine, in modo non mostrato nelle figure, si esegue una fase di taglio (“sawing”) o singolazione (“singulation”) della pila formata dalla fetta 200 e dal modulo filtrante 52 appena formato, in modo da ottenere il primo die 21.

La figura 7 mostra un sistema elettronico 400 che utilizza il dispositivo trasduttore acustico 51 secondo la presente invenzione.

Il sistema elettronico 400 comprende, oltre al dispositivo trasduttore acustico 51, un microprocessore (CPU) 401, un blocco di memoria 402, collegato al microprocessore 401, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 403, ad esempio una tastiera e/o un video, anch’essa collegata con il microprocessore 401.

Il dispositivo trasduttore acustico 51 comunica con il microprocessore 401, ed in particolare trasmette i segnali elettrici elaborati dal circuito integrato ASIC 22’ del secondo die 22 associato alle strutture di rilevamento MEMS del primo die 21.

Il sistema elettronico 400 è ad esempio un dispositivo di comunicazione mobile, un cellulare, uno smartphone, un computer, un tablet, un PDA, un notebook, ma anche un registratore vocale, un lettore di file audio con capacità di registrazione vocale, una consolle per videogiochi, o un dispositivo elettronico di altro tipo.

Da un esame delle caratteristiche del trovato qui descritto ed illustrato sono evidenti i vantaggi che esso consente di ottenere.

Ad esempio, la minimizzazione dello spessore del modulo filtrante 52, e la sua completa integrazione con la struttura MEMS 1, fa sì che l’impatto del modulo filtrante 52 sul rapporto segnale rumore del dispositivo trasduttore acustico sia trascurabile.

Inoltre, il ridotto spessore del modulo filtrante 52 consente di ridurre l’impatto del modulo filtrante 52 sulle prestazioni acustiche del dispositivo trasduttore acustico.

Inoltre, è possibile integrare il modulo filtrante 52 nel dispositivo trasduttore acustico con maggiore flessibilità rispetto all’arte nota.

Inoltre, il modulo filtrante, dopo essere stato accoppiato in maniera solidale alla struttura MEMS, protegge immediatamente la struttura MEMS da particelle contaminanti, prima che il dispositivo esca dall’impianto produttivo di front-end. La struttura MEMS viene quindi protetta anche nelle fasi di trasporto e assemblaggio.

Inoltre, non sono necessarie addizionali lavorazioni, in fase di assemblaggio, rispetto a quelle già previste per l’assemblaggio della sola struttura MEMS nel suo package.

Risulta infine chiaro che al trovato qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, la fase di figura 5B, in cui si esegue la fase di accoppiamento della fetta 100 con una ulteriore fetta 110 mediante “direct bonding” o “fusion bonding, può prevedere la presenza di uno o più strati di ossido di silicio (SiO2) tra la fetta 100 e la fetta 110.

A questo proposito, la figura 8 mostra, nella stessa fase di fabbricazione della figura 5B e secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, la fetta 110 presentante uno strato di ossido di silicio 70 che si estende in corrispondenza della superficie 110a (ovvero, la superficie 110a è la superficie dello strato di ossido 70). La fetta 110 viene accoppiata alla fetta 100 in modo che tale strato di ossido di silicio 70 si trovi direttamente affacciato e a contatto con la superficie posteriore 5b dello strato strutturale 5 della struttura MEMS 1. Una fase di “direct bonding” o “fusion bonding” di tipo di per sé noto, o secondo quanto precedentemente descritto con riferimento alla figura 5B, garantisce l’accoppiamento stabile tra le fette 100 e 110 o, più precisamente, tra lo strato di ossido di silicio 70 ed il silicio della superficie 5b. Nella successiva fase di creazione delle aperture filtranti 58 di figura 5C, lo strato di ossido di silicio opera come strato di interruzione attacco (“etch stop layer”), e viene rimosso durante lo stesso attacco umido (es., in HF) già descritto con riferimento alla figura 5D.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, illustrata in figura 9, la fetta 100 presenta uno strato di ossido di silicio 71 che si estende in corrispondenza della superficie 5b (ovvero, la superficie 5b è la superficie dello strato di ossido di silicio 71). La fetta 110 viene accoppiata alla fetta 100 in modo che tale che strato di ossido di silicio 71 si trovi direttamente affacciato e a contatto con la superficie 110a della fetta 110. Una fase di “direct bonding” o “fusion bonding” di tipo di per sé noto, o secondo quanto precedentemente descritto con riferimento alla figura 5B, garantisce l’accoppiamento stabile tra le fette 100 e 110 o, più precisamente, tra lo strato di ossido di silicio 71 ed il silicio della superficie 110a.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, illustrata in figura 10, sia la fetta 100 che la fetta 110 presentano un rispettivo strato di ossido di silicio 71, 70 che forma la superficie 5b e 110a, rispettivamente. La fetta 110 viene accoppiata alla fetta 100 in modo che tale che i rispettivi strati di ossido di silicio 70, 71 si trovino direttamente affacciati e a contatto tra loro. Una fase di “direct bonding” o “fusion bonding” di tipo di per sé noto, o secondo quanto precedentemente descritto con riferimento alla figura 5B, garantisce l’accoppiamento stabile tra le fette 100 e 110 o, più precisamente, tra gli strati di ossido di silicio 70 e 71. Nella successiva fase di creazione delle aperture filtranti 58 di figura 5C, lo strato di ossido di silicio portato dalla fetta 110 opera come strato di interruzione attacco (“etch stop layer”), e viene rimosso durante lo stesso attacco umido (es., in HF) già descritto con riferimento alla figura 5D.

Le varianti qui sopra descritte si applicano, analogamente, alla forma di realizzazione delle figure 6A-6E, in cui il filtro è realizzato a partire da una fetta SOI.

Secondo ulteriori varianti della presente invenzione, il modulo filtrante 52 può avere diverse forme in vista in pianta sul piano xy, ad esempio circolare o ellittica o genericamente poligonale, o poligonale con angoli smussati.

Inoltre, è possibile effettuare fasi aggiuntive nel procedimento di fabbricazione delle figure 5A-5D e in quello delle figure 6A-6E, per formare uno strato di materiale idrofobico (ad esempio SiO2) in corrispondenza della superficie della porzione filtrante 56 affacciata, in uso, alla porta acustica 28. Ad esempio, con riferimento alla figura 6D, lo strato intermedio 211, se di materiale idrofobico, può non essere completamente rimosso.

Inoltre, con riferimento a tutte le forme di realizzazione precedentemente descritte, è possibile prevedere l’integrazione di piste conduttive in corrispondenza della superficie della porzione filtrante 56 affacciata, in uso, alla porta acustica 28. Opportune piste di collegamento a mezzi di polarizzazione esterni al modulo filtrante 52 possono essere integrate nel substrato di base 23 ed utilizzate per polarizzare elettrostaticamente la porzione filtrante 56, al fine di conferire caratteristiche di idrofobicità al modulo filtrante 52. A tal fine, il substrato di base 23 può essere un substrato di tipo LGA (“Land Grid Array”), comprendente un’anima (“core”) interna ed uno o più strati metallici che si estendono su facce opposte dell’anima. L’anima è ad esempio definita da una piastrina di materiale dielettrico rigido, ad esempio FR4.

Inoltre, è possibile disporre il primo die 21 provvisto del modulo filtrante 52 in un recesso del substrato di base 23, per ridurre ulteriormente l’occupazione di spazio lungo Z all’interno del package.

Infine, per ciascuna delle forme di realizzazione precedentemente descritte, può essere prevista una differente configurazione del dispositivo trasduttore acustico MEMS, in particolare per quanto riguarda la forma geometrica degli elementi costitutivi. Nel caso lo spazio interno al package lo consenta, possono eventualmente essere alloggiati all’interno dello stesso package anche più sensori MEMS in aggiunta al trasduttore acustico MEMS, ciascuno eventualmente dotato di un elemento sensibile che richieda una comunicazione verso l’ambiente esterno. Ulteriori circuiti integrati (es., ASIC) possono essere inoltre previsti ed alloggiati all’interno dello stesso package.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di fabbricazione di una piastrina (“die”) a semiconduttore (21), comprendente le fasi di: - disporre un dispositivo MEMS (1) provvisto di un corpo strutturale (5) avente una cavità (6) e di un trasduttore a membrana (2, 3) sospeso sulla cavità (6) in corrispondenza di un primo lato (5a) del corpo strutturale (5); - eseguire una fase di accoppiamento diretto (“direct bonding”), o accoppiamento per fusione (“fusion bonding”), di detto corpo strutturale (5) ad un modulo filtrante (52; 110; 210) in corrispondenza di un secondo lato (5b) del corpo strutturale (5), opposto al primo lato (5a), in modo tale per cui una prima porzione (56) del modulo filtrante si estenda in corrispondenza della cavità (6) ed una seconda porzione (54) del modulo filtrante si estenda in prolungamento del corpo strutturale (5); e - rimuovere porzioni selettive del modulo filtrante (52; 110; 210) in corrispondenza della prima porzione (56), formando aperture filtranti (58) atte a mettere in comunicazione fluidica la cavità (6) con un ambiente esterno alla piastrina a semiconduttore (21).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di eseguire un accoppiamento diretto o un accoppiamento per fusione include accoppiare direttamente il corpo strutturale (5) al modulo filtrante (52; 110; 210) in assenza di uno strato intermedio tra il corpo strutturale (5) e il modulo filtrante (52; 110; 210).
3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di eseguire un accoppiamento diretto o un accoppiamento per fusione include accoppiare il corpo strutturale (5) al modulo filtrante (52; 110; 210) in presenza di almeno uno strato intermedio di ossido di silicio tra il corpo strutturale (5) e il modulo filtrante (52; 110; 210).
4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di attaccare porzioni selettive del modulo filtrante (52; 110; 210) comprende formare una pluralità di fori passanti (58; 216) attraverso l’elemento di filtraggio in corrispondenza della prima porzione (56), detti fori (58; 216) avendo forma e dimensioni tali da ostacolare il passaggio di particelle aventi almeno una dimensione maggiore di 5 µm.
5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre la fase di regolare lo spessore di detto modulo filtrante (52; 110; 210) nell’intervallo tra 1 µm e 100 µm.
6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui detto modulo filtrante (52; 110; 210) è una pila (“stack”) (210) includente uno strato intermedio (211) interposto tra un primo (212) ed un secondo (213) substrato, il metodo comprendendo inoltre la fase di rimuovere porzioni selettive del secondo substrato (213) formando aperture passanti (216) attraverso il secondo substrato (213), in cui la fase di accoppiare il corpo strutturale (5) al modulo filtrante comprende accoppiare tra loro il corpo strutturale (5) al secondo substrato (213) in modo tale per cui le aperture passanti (216) siano direttamente affacciate alla cavità (6), e in cui la fase di attaccare porzioni selettive del modulo filtrante (52; 110; 210) include rimuovere completamente il primo substrato (212) e almeno parzialmente lo strato intermedio (211) in corrispondenza delle aperture passanti (216).
7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui detta pila (“stack”) (210) è una pila SOI (“SOI stack”) in cui lo strato intermedio (211) è di ossido di silicio, il primo (212) ed un secondo (213) substrato sono di silicio.
8. Metodo secondo la rivendicazione 6 o 7, comprendente inoltre la fase di regolare lo spessore del secondo substrato (213) nell’intervallo tra 1 µm e 100 µm.
9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo MEMS (1) è un dispositivo trasduttore acustico e detta cavità (6) è una camera acustica del dispositivo trasduttore acustico, e in cui le fasi di accoppiare detto corpo strutturale (5) al modulo filtrante (52; 110; 210) e attaccare porzioni selettive del modulo filtrante portano alla formazione di una membrana filtrante (56) atta a consentire il passaggio di onde acustiche, e contestualmente ad ostacolare il passaggio di particelle contaminanti, dall’ambiente esterno verso la camera acustica (6).
10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre la fase di formare uno strato idrofobico in corrispondenza di un lato del modulo filtrante (52; 110; 210) opposto rispetto al lato del modulo filtrante che è direttamente affacciato alla cavità (6).
11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto trasduttore a membrana (2, 3) include un piatto rigido (3) capacitivamente accoppiato ad un piatto mobile (2), detto piatto rigido (3) e detto piatto mobile (2) essendo annegati in uno strato sacrificale (60), il metodo comprendendo inoltre, dopo la fase di formare le aperture filtranti (58), la fase di liberare il piatto rigido ed il piatto mobile rimuovendo detto strato sacrificale (60).
12. Piastrina (“die”) a semiconduttore (21), comprendente: - un dispositivo MEMS (1) provvisto di un corpo strutturale (5) avente una cavità passante (6), e di un trasduttore a membrana sospeso sulla cavità (6) in corrispondenza di un primo lato (5a) del corpo strutturale (5); e - un modulo filtrante (52) direttamente accoppiato a detto corpo strutturale (5) in corrispondenza di un secondo lato (5b) opposto al primo lato (5a), in modo tale per cui una prima porzione (56) del modulo filtrante si estenda sulla cavità (6) ed una seconda porzione (54) del modulo filtrante si estenda in prolungamento del corpo strutturale (5) senza soluzione di continuità, la prima porzione (56) di detto modulo filtrante (52) essendo provvista di aperture filtranti (58) configurate per mettere in comunicazione fluidica la cavità (6) con un ambiente esterno alla piastrina a semiconduttore (21) e, contestualmente, ostacolare il passaggio di particelle contaminanti dall’ambiente esterno verso la camera acustica (6).
13. Piastrina a semiconduttore secondo la rivendicazione 12, in cui ciascuna apertura filtrante (58) ha forma e dimensioni tali da ostacolare il passaggio di particelle contaminanti aventi almeno una dimensione maggiore di 5 µm.
14. Piastrina a semiconduttore secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui il modulo filtrante (52) si estende su detto corpo strutturale (5) in assenza di uno strato intermedio tra il corpo strutturale (5) e il modulo filtrante (52).
15. Piastrina a semiconduttore secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui il modulo filtrante (52) si estende su detto corpo strutturale (5) in presenza esclusivamente di uno o più strati intermedi di ossido di silicio tra il corpo strutturale (5) e il modulo filtrante (52).
16. Piastrina a semiconduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-15, in cui il modulo filtrante (52) è di materiale semiconduttore e ha spessore, misurato lungo una direzione di propagazione dell’onda sonora, tra 1 µm e 100 µm.
17. Piastrina a semiconduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-16, in cui il modulo filtrante (52) comprende uno strato di materiale idrofobico in corrispondenza di un lato opposto allato direttamente affacciato alla cavità (6).
18. Piastrina a semiconduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-17, in cui detto dispositivo MEMS (1) è un dispositivo trasduttore acustico e detta cavità (6) è una camera acustica del dispositivo trasduttore acustico.
19. Package (50), comprendente: - un substrato di base (23) avente una porta acustica (28) in comunicazione acustica con un ambiente esterno al package (50); - un elemento di copertura (27) definente, insieme con il substrato di base (23), uno spazio interno (8) del package (50); - una piastrina a semiconduttore (21) secondo la rivendicazione 18, alloggiata nello spazio interno (8) di detto package (50), in cui la prima porzione (56) di detto modulo filtrante (52) è affacciata alla porta acustica (28) per consentire il passaggio di onde acustiche, e contestualmente ad ostacolare il passaggio di particelle contaminanti, dall’ambiente esterno verso la camera acustica (6).
20. Sistema elettronico (400), comprendente un package (50) secondo la rivendicazione 19.