TW201402449A

TW201402449A - 混合整合構件

Info

Publication number: TW201402449A
Application number: TW102116811A
Authority: TW
Inventors: Johannes Classen; Jens Frey
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2014-01-16
Also published as: DE102012208032A1; DE102012208032B4; CN103420324B; US8759927B2; CN103420324A; TWI567023B; US20130307096A1

Abstract

本發明對一種包含一MEMS元件及一ASIC元件的混合整合構件進行進一步研發，該構件之微機械功能建立在電容式偵測或激發原理的基礎上。特定言之，本發明提出若干改良電容式信號偵測或信號控制的措施。該MEMS元件(10)的功能在位於該半導體基板(1)上的一層結構中實現。該MEMS元件(10)的層結構包括至少一導電通路平面(3)及至少一功能層(5)，該功能層中設有該MEMS元件(10)之包含至少一可偏轉結構元件(11)的微機械結構。該導電通路平面(3)的一面被至少一隔離層(2)與該半導體基板(1)隔開，另一面被至少一隔離層(4)與該功能層(5)隔開。該ASIC元件(20)面朝下地安裝於該MEMS元件(10)的該層結構上且用作該MEMS元件(10)之微機械結構的罩蓋。該MEMS元件(10)的可偏轉結構元件(11)配設一電容器機構的至少一電極。該電容器機構的至少一靜止對立電極(32)構建於該MEMS元件(10)的導電通路平面(3)內，該ASIC元件(20)包括該電容器機構的至少另一個對立電極(611)。

Description

混合整合構件

本發明係有關於一種構件，包括至少一MEMS(微機電系統)元件及至少一ASIC(特定應用積體電路)元件。該MEMS元件的功能在位於一半導體基板上的一層結構中實現。該層結構包括至少一導電通路平面及至少一功能層，該功能層中設有該MEMS元件之包含至少一可偏轉結構元件的微機械結構。該導電通路平面的一面被至少一隔離層與該半導體基板隔開，另一面被至少一隔離層與該功能層隔開。該ASIC元件面朝下地安裝於該MEMS元件的該層結構上且用作該MEMS元件之微機械結構的罩蓋。

該MEMS元件可指設有偵測該微機械結構之偏轉用電路元件的感測器元件，亦可指設有控制該可偏轉結構元件用電路元件的致動器元件。有利者係在該ASIC元件上整合有用於該MEMS元件之電路功能。亦即，若是感測器元件，則該ASIC元件包括一用於感測器信號之評價電路，若是致動器元件，則該ASIC元件包括一用於激發該微機械結構之控制電路。當然，該ASIC元件亦可配設MEMS無關的電路功能。

本發明之出發點為德國公開案DE 10 2007 048 604 A1所描述的構件方案。該案係提供一包含一層結構的MEMS晶圓，藉由表面微加工工藝在該層結構中製成一微機械結構。

實際操作中，首先將第一隔離層鍍覆至半導體基板。在該第一隔離層上製成一導電通路平面，其實施為結構化之摻雜多晶矽層。最後，在另一亦用作犧牲層之隔離層上沈積一相對較厚且用作功能層之磊晶多晶矽層，並在其中實現MEMS元件之微機械結構。為此，首先對功能層實施結構化以定義微機械結構的幾何形狀。再用一犧牲層工藝將位於微機械結構下方的該另一隔離層去除。從而將此微機械結構曝露。

將一ASIC晶圓面朝下地安裝於經過上述處理之MEMS晶圓的層結構上，使得ASIC晶圓之設有電路功能的表面朝向MEMS晶圓。從而達到將MEMS元件之微機械結構以及ASIC元件之電路功能封裝的效果。該案採用共晶接合工藝為MEMS晶圓與ASIC晶圓建立連接。此舉除為此二晶圓實現密封式連接外亦為二者建立電連接。

該習知構件方案能夠對具微機械感測器或致動器功能以及評價或控制電路之堅固構件進行低成本量產，因為除在晶圓複合體中製造各構件組成部分-MEMS元件及ASIC元件-外，還能將此等組成部分安裝為一晶圓級構件。可對MEMS功能及ASIC功能進行晶圓級測試，甚至能對各構件進行晶圓級補償。此外，此等習知構件採用堆疊結構，其於二級安裝過程中所需的安裝面相對較小，故能降低終端設備之製造成本。

本發明對一種包含一MEMS元件及一ASIC元件的混合整合構件進行進一步研發，該構件之微機械功能建立在電容式偵測或激發原理的基礎上。特定言之，本發明提出若干改良電容式信號偵測或信號控制的措施。

為此，本發明為該MEMS元件的可偏轉結構元件配設一電容器機構的至少一電極。該電容器機構的至少一靜止對立電極構建於該MEMS元件的導電通路平面內。根據本發明，該電容器機構包括至少另一佈置於該ASIC元件上的對立電極。

因此，本發明之構件配設一差分電容器機構，其靜止式“out of plane”(平面外)電極一方面埋入該MEMS元件之層結構，另一方面實施於該ASIC元件上。此舉以相對較小的晶片面積達到MEMS功能的高敏感度。此種電容器機構能實現高抗振強度的微機械轉速感測器。以及提高微機械慣量感測器的偏移穩定性。

根據本發明的一種特別有利的實施方式，在該ASIC元件的頂面設有一具多個電路平面之層結構，該等電路平面間與該ASIC元件之半導體基板間以及該等電路平面間被隔離層絕緣。涉及CMOS晶圓時，該等電路平面實施為後端疊層(Backendstapel)之結構化金屬層。此時，可簡單地將該電容器機構的該至少另一對立電極構建於其中一電路平面內。可採用上電路平面。亦可使用一較低之電路平面，前提是位於其上方的電路平面經過結構化處理且在該對立電極之區域內已被去除。透過上述方式便能影響電容器機構的敏感度。亦即，敏感度主要取決於電極間距，但亦與電極與電容器機構之間的介電相關，將該一對立電極構建於ASIC元件之層結構的一下電路平面內時，尤其需要對此點加以考慮。涉及慣量感測器等許多應用場合時，有利者係使得電容器機構的兩電極間隙大致相等，亦即，埋入MEMS元件之層結構的下電極與可偏轉結構元件之底面的間距與ASIC元件之上電極與可偏轉結構元件之頂面的間距相似。在此情況下能獲得極佳的抗振強度及偏移穩定性。

特別是在採用具較小電極間隙之構件結構時，有利者係將位於該ASIC元件之上電路平面內的至少一電極面用作該MEMS元件之可偏轉結構元件的機械止動件。此時，該ASIC元件構成該MEMS元件之微機械結構的機械過載保護裝置。為防止該ASIC元件之電路功能與該MEMS元件之微機械結構間在出現過載的情況下發生短路，對該用作機械止動件的電極面以使其與該MEMS元件之微機械結構處於同一電位的方式進行佈線。該ASIC元件之電路平面的佈線方式極為靈活，故易於實現上述之佈線。

本發明的另一實施方式亦對該ASIC元件之電路平面的靈活佈線方式加以利用，以便藉由該功能層中的連接區以及該ASIC元件的至少一電路平面來使該MEMS元件之導電通路平面的各空間分離的區域導電相連。此舉具有多項優點。MEMS元件之導電通路平面內的導電通路的最小寬度為30μm-40μm，該等導電通路所需空間較大且寄生電容較高。與此不同，在ASIC元件之電路平面內可順利地實現範圍為1μm的導電通路寬度。因此，採用ASIC元件之佈線方式來佈置MEMS元件之導電通路平面內的電路元件能大幅減小寄生電容、連接電阻以及佈線所需空間。

如前所述，電容器機構之敏感度主要取決於活動電極與靜止電極的間距。間距愈小，敏感度愈大。因此，最大敏感度方面的要求與微機械結構的“平面外”可動性方面的要求存在對立。特別是在採用不對稱懸掛之結構元件且將電極相應佈置於MEMS元件之可偏轉結構元件上及ASIC元件上的情況下，可透過在ASIC元件的頂面上構建至少一用於MEMS元件之可偏轉結構元件的凹口來將該二要求相結合。

位於該MEMS元件之可偏轉結構元件上的電極與位於該ASIC元件上的靜止電極的間距主要取決於將該ASIC元件安裝於該MEMS元件上的安裝類型。如前所述，此處較佳採用接合工藝，因為該工藝除能建立密封式機械穩定之永久性連接外，還能為該等元件建立電連接。為此，通常將金屬接合材料鍍覆至連接表面，再利用一熱處理工藝使該連接表面形成共晶連接。該連接層的厚度決定了MEMS元件與ASIC元件的厚度，亦決定了電極間距。

根據一種減小此安裝相關之電極間距的方案，將該連接材料放入位於該ASIC元件之頂面內的一凹口以及/或者放入位於該MEMS元件之頂面內的一凹口。在某些場合下亦可增大該安裝相關之電極間距。為此，亦可對該MEMS元件之功能層的該微機械結構所在區域進行背面薄化處理。

本發明之方案尤其適用於實現混合整合之非接觸式工作的感測器構件(如慣量感測器構件)，因為本發明之感測器構件被密封於MEMS基板與ASIC罩蓋之間從而免受雜質及腐蝕性測量環境的影響。應用為慣量感測器構件時，MEMS元件的微機械結構包括至少一用作可偏轉結構元件之彈性懸掛的感震質量。本發明透過在基板側去除該犧牲層以及在ASIC側為MEMS元件與ASIC元件設置連接層來確保該感震質量的可動性。用於該MEMS元件之控制或評價電路較佳整合於該ASIC基板中。

1‧‧‧半導體基板

2‧‧‧第一隔離層

3‧‧‧導電通路平面，多晶矽層

4‧‧‧氧化層，犧牲層

5‧‧‧功能層，磊晶多晶矽層

7‧‧‧連接層，連接材料

10‧‧‧MEMS元件

11‧‧‧感測器結構，感震質量

20‧‧‧ASIC元件

21‧‧‧基礎基板

22‧‧‧隔離層

23‧‧‧凹口

31‧‧‧連接區

32‧‧‧電極，靜止電極

33‧‧‧區域

34‧‧‧區域

51‧‧‧連接區

61‧‧‧電路平面，上電路平面，上金屬平面

62‧‧‧電路平面，第二電路平面，金屬平面

63‧‧‧電路平面，第三電路平面

71‧‧‧接合連接部

100‧‧‧感測器構件，構件

200‧‧‧感測器構件，構件

211‧‧‧電路元件

300‧‧‧感測器構件，構件

400‧‧‧感測器構件，構件

500‧‧‧感測器構件，構件

600‧‧‧感測器構件，構件

611‧‧‧靜止電極，對立電極

612‧‧‧機械止動件，電極面

621‧‧‧對立電極

圖1a、1b以及圖2至6分別為本發明之用於偵測Z加速度之構件的剖視圖。

如前所述，本發明具有多種較佳設計方案及改良方案。該等方案一方面可參閱附屬項，另一方面可參閱下文中利用附圖對本發明之多個實施例所作的說明。

圖1a及1b所示感測器構件100主要由一MEMS元件10及一ASIC元件20構成。

MEMS元件10的功能在位於半導體基板1上的一層結構中實現。該半導體基板例如可指矽基板。該層結構包括一導電通路平面3及一功能層5。導電通路平面3在此實施為摻雜多晶矽層，其沈積於半導體基板1上的一由氧化矽構成的第一隔離層2上。透過對該多晶矽層3實施結構化來將導電通路平面3的各區域隔開，從而製成導電通路、用於該微機械感測器結構的連接區31，以及一測量用電容器機構的兩個靜止電極32。該測量用電容器機構的該二靜止電極相對該連接區的兩側對稱佈置。隨後在經過上述結構化處理之導電通路平面3上製成另一氧化層4並實施結構化，再將一較厚的用作功能層的磊晶多晶矽層5沈積於該層結構上。此處之氧化層4用作導電通路平面3與功能層5之間的絕緣層，亦用作犧牲層，該犧牲層於功能層5之結構化完畢後被局部地去除從而將功能層5中所製成的微機械感測器結構11曝露出來。因此，犧牲層4的厚度決定了微機械感測器結構11與位於導電通路平面3內之電極32的間距。微機械感測器結構11與導電通路平面3的間距通常為0.5μm至3μm，較佳為1.0μm至2.0μm。本實施例中的微機械感測器結構實施為不對稱佈置之搖桿狀感震質量11，該感震質量與導電通路平面3之連接區31機械連接且電連接。感震質量11用作該測量用電容器機構的活動電極。圖1a所示感震質量11處於死點位置，圖1b中的感震質量11處於最大偏轉狀態。該感震質量11的搖動運動用箭頭表示。

ASIC元件20係面朝下地安裝於MEMS元件10的該層結構上，使得ASIC元件20形成MEMS元件10之感測器結構的罩蓋，且感震質量11被封閉於MEMS基板1與ASIC元件20之間。此處係採用金屬連接材料7並透過一接合工藝為該二元件10與20建立機械連接及電連接。ASIC側接合墊係設置於ASIC元件20的上電路平面61內，且MEMS表面上的接合區域內不具有凹槽，因此，連接層7的厚度決定該二元件10與20的間距。該圖及其他視圖未對ASIC元件20中的Via(貫穿接點)及背面接點加以繪示。

ASIC元件20包括一基礎基板21，藉由CMOS工藝為該基礎基板整合用於構件100之MEMS感測器功能的一信號處理及評價電路的至少部分211。隨後，為該基礎基板21設置一用於對相應電路功能進行重新佈線的多層金屬化層。為此，在基礎基板21上製成一層結構，該層結構包括多個用作電路平面61、62、63之結構化金屬層。該等金屬層間以及/或者該等金屬層與該等電路元件211間用連接線相連，除此之外，該等金屬層間以及該等金屬層與該基礎基板21間被相應隔離層隔開且絕緣。本實施例中的隔離層皆為氧化層，故下文中不對各隔離層加以區分。確切言之，該等隔離層共同構成一隔離層22，該等電路平面61、62、63皆嵌入該隔離層。本實施例中，ASIC元件20的上電路平面61內設有該測量用電容器機構的另兩個靜止電極611。該二對立電極611相對於位於導電通路平面3內的該等靜止電極32佈置。對立電極611與MEMS元件10之感震質量11的間距由安裝間距、即連接層7的厚度決定，涉及感測器構件100時，該安裝間距大致相當於導電通路平面3與感震質量11的間距。例如可採用共晶接合工藝(如Al-Ge)或者金屬熱壓接合工藝(如Au-Au)來實現此種安裝間距。

因此，該感測器構件100之測量用電容器機構包括三個電極平面：設有靜止電極32的導電通路平面3、設有用作可偏轉電極之感震質量11的功能層5，以及ASIC元件20之設有該二靜止對立電極611的第一電路平面61，其中，該二設有靜止電極32及611的平面關於感震質量11對稱佈置。可用該測量用電容器機構以電容差的形式在該搖桿結構的兩側對感震質量11的偏轉進行偵測。例如當構件內出現安裝相關或熱相關之機械應力且此等機械應力會造成搖桿狀感震質量11偏出其原始之死點位置時，此種全差分測量值偵測方案較為有利。採用具三個電極平面的測量用電容器機構時，可基本消除此種效應對感測器信號的影響，因為電極間隙在感震質量11的其中一側上擴大的程度等於電極間隙在感震質量11的另一側上縮小的程度。對稱式電容器機構還能提高感測器信號的抗振強度及偏移穩定性。

如圖1b所示，本實施例中的ASIC元件20之上金屬平面61 內還設有一機械止動件612。該機械止動件612用作該微機械感測器結構之過載保護裝置。利用對ASIC元件20進行佈線來將該機械止動件設置在與感震質量11相同的電位上，此時，該微機械感測器結構與ASIC元件20之電路功能間即使在出現過載的情況下也不會發生短路。

與該感測器構件100相比，圖2所示感測器構件200之位於MEMS元件10與ASIC元件20之間的連接層7的厚度小得多，但二者之犧牲層4的厚度大致相同。因此，感測器構件200之兩元件10與20的間距小於感震質量11與導電通路平面3的間距。為在此情況下獲得近似的對稱式電極佈置方案，圖2所示感測器構件200之ASIC側靜止對立電極621並非構建於ASIC元件20之上電路平面61，而是構建於第二電路平面62。且此處之對立電極621完全嵌入隔離層22。

除此以外，圖2所示感測器構件200與感測器構件100並無區別，因此，其他組件皆沿用圖1之相關說明。

此處需要進一步指出，特殊場合下亦可較佳在一構件內採用不同的電極間距。此時，亦可簡單地將ASIC側之“out of plane”(平面外)電極設置在ASIC後端疊層(Backendstapel)的一較低金屬平面內。為此就必須透過製造工藝將位於其上方的金屬平面就地去除。若該較低金屬平面上方還設有介電常數相對較大的氧化層，則對電容式感測器而言，會出現電容串聯及總電容過高的情況。因此，此種佈置方案或許會從一定程度上降低電容器機構的敏感度。

在位於MEMS元件10與ASIC元件20之間的連接層7的厚度遠小於犧牲層4的情況下，圖3示出另一對電容器機構的上電極間隙與下電極間隙進行匹配的方案。感測器構件300中對感震質量11進行局部之背面薄化處理，從而擴大感震質量11與位於ASIC元件20之上電路平面61內的該等靜止對立電極611的間距，使該間距與感震質量11與位於導電通路平面3內的電極32的間距相匹配。對MEMS元件10之功能層5的此種結構化處理在圖中用箭頭示出，係在實施晶圓接合工藝前實施。

此處需要進一步指出，亦可替代地透過增高接合連接之區域來實施此種結構化工藝以對上電極間隙與下電極間隙進行匹配。作為MEMS表面之替代或補充方案，亦可為ASIC表面配設一相應之結構。

除此以外，圖3所示感測器構件300與感測器構件100並無區別，因此，其他組件皆沿用圖1之相關說明。

圖4所示感測器構件400中，位於MEMS元件10與ASIC元件20之間的連接層7的厚度遠大於感震質量11與位於導電通路平面3內的靜止電極32的間距。為在此情況下獲得近似的對稱式電極佈置方案，在一更低的(此處係第二)金屬平面62上設置接合連接，而ASIC側靜止對立電極621則構建於上電路平面61內。為此而需要對ASIC表面實施結構化，作為該結構化處理之補充或替代方案，亦可在MEMS表面之接合區域內設置相應凹槽以使上電極間隙與下電極間隙相匹配。

除此以外，圖43所示感測器構件400與感測器構件100並無區別，因此，其他組件皆沿用圖1之相關說明。

圖5表明，亦可出於其他理由對ASIC基板實施結構化。例如，圖5所示感測器構件500的ASIC表面中設有一凹口23，此舉可提高不對稱佈置之感震質量11的較長末端的運動自由度。此處亦可利用一電容器機構實施信號偵測，該電容器機構的靜止電極32及611與感震質量11之扭轉軸的間距相對較小。

感測器構件500的其他組件皆沿用圖1之相關說明。

圖6表明，ASIC元件20的電路平面亦可用來對MEMS元件10之導電通路平面3之彼此絕緣且空間分離的區域進行佈線，與在導電通路平面3內實施佈線相比，此舉大幅節省空間。採用感測器構件600時，導電通路平面3之用作感震質量11之止動面的兩區域33與34透過ASIC元件20的電路平面61、62及63導電相連，使得該等區域處於同一電位。透過功能層5中的連接區51建立電連接，該等連接區被相應溝槽與相鄰的磊晶多晶矽絕緣。該等連接區51透過接合連接部71電連接上電路平面61及第二電路平面62且透過ASIC元件20之第三電路平面63導電相連。