TW201602582A

TW201602582A - 微機械感測器裝置

Info

Publication number: TW201602582A
Application number: TW104120295A
Authority: TW
Inventors: 約翰尼斯克拉森
Original assignee: 羅伯特博斯奇股份有限公司
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2016-01-16
Also published as: CN105217562B; TWI675205B; CN105217562A; US20150375990A1; US9650236B2; DE102014212314A1

Abstract

一種微機械感測器裝置(300)，具有MEMS元件(100)，以及ASIC元件(200)，其中在該MEMS元件(100)與該ASIC元件(200)之間構建有接合構造(70)，該MEMS元件(100)具有：層機構，其包含若干交替疊置的絕緣層(11，21)及功能層(10，20，30)，其中在該等功能層(10，20，30)中的至少一個中構建有可沿偵測方向(z)運動的偵測元件(22)；其中透過另一功能層(40)構建有間隔元件，以便使該MEMS元件(100)與該ASIC元件(200)間隔規定的距離；其特徵在於，在該偵測元件(22)上佈置有包含該間隔元件及第一接合層(50)的抵靠元件(40，50)，其中在該抵靠元件(40，50)之位於該ASIC元件(200)上的抵靠區域內佈置有絕緣層(IMD5)。

Description

微機械感測器裝置

本發明係有關於一種微機械感測器裝置。本發明亦有關於一種製造微機械感測器裝置的方法。

針對汽車及消費領域中之不同應用，例如用於測量加速度及轉速的微機械感測器裝置已普遍為人所知並被投入量產。特定言之，先前技術中已公開過若干用表面微機械方法製造的MEMS元件。在採用此類方法時，在矽基板上沈積多個氧化物層及多晶矽層，並對此等層進行構造化。隨後藉由罩形晶圓將MEMS晶圓密閉。

圖1為傳統的表面微機械感測器的橫截面圖。在此示例中，MEMS晶圓100包括三個實施為多晶矽層10、20、30的功能層，其可採用相互獨立的構造化方案。分別位於此等多晶矽層之間的氧化物層11、21可在某些位置上斷開，從而在多晶矽層10、20、30間構建貫穿接點。第一多晶矽層10較佳用作電配線平面，第二多晶矽層20及第三多晶矽層30既可用於配線，亦可用於實現可動的MEMS構造。為將MEMS構造曝露出來，例如用氣態的HF實施蝕刻操作，從而針對性地將位於多晶矽層10、20、30下方的氧化物層11、21移除。

MEMS元件(例如加速度感測器或轉速感測器)具有至少一機械懸掛件33、至少一彈性機構31以及若干可動的質量塊元件及電極元件22、32，在圖1所示示例中，在第二多晶矽層20及第三多晶矽層30中皆設有此等質量塊元件及電極元件。透過位於第一多晶矽層10中的下固定電極12及位於第三多晶矽層30中的上固定電極32，構建於第二多晶矽層20中的可動質量塊22的分區在間隙13及23的範圍內構成電容器機構。

舉例而言，DE 10 2009 000 167 A1(z向加速度感測器)以及DE 10 2009 000 345 A1(包含z向偵測偏移裝置的轉速感測器)公開過具體用於此類機構的設計拓撲。作為上電極的替代方案，第三多晶矽層30之元件亦可為機械抵靠件，其較佳具有與可動MEMS構造相同的電位。

就此類MEMS構造而言，在使得構造向上偏移並抵靠在上方的第三多晶矽層32的元件上的情況下，構建於第二多晶矽層20中的質量塊元件或電極元件的機械堅固性可能會出現問題。特別是在第二多晶矽層20之平面相對較薄(例如厚度為約1μm至約3μm)的情況下，MEMS構造在高過載(“跌落試驗”)條件下發生機械斷裂的危險相當大。在第二多晶矽層20與第三多晶矽層30間的間隙小於位三多晶矽層30之頂面與罩形抵靠件81之底面間的間隙61的情況下，構建於罩形晶圓81中的z向抵靠件81不起作用。

為防止第二多晶矽層20之構造發生斷裂，DE 10 2011 080 982 A1例如公開過第三多晶矽層30的彈性支承式構造，其能夠在發生抵靠時吸收機械能量，從而對第二多晶矽層20的機械應力加以限制。但此類構造較為複雜，且需要佔用額外的空間。

此外，US 7250353 B2、US 7442570 B2、US 2010 0109102 A1、 US 2011 0049652 A1、US 2011 012247 A1、US 2012 0049299 A1以及DE 10 2007 048604 A1例如公開過豎直整合或混合式整合或3D整合的方法，其中透過晶圓接合法為至少一MEMS晶圓與至少一分析ASIC晶圓建立機械連接及電連接。

此類豎直整合方法尤其適合與矽穿孔(TSV)及覆晶工藝相結合，從而例如如US 2012 0049299 A1及US 2012 0235251 A1所揭示的那般，將結構及接觸實施為晶片尺度封裝。

本發明之目的在於，改善微機械感測器裝置的機械堅固性，特別是改善豎直整合的微機械感測器裝置的機械堅固性。

根據第一態樣，本發明用以達成上述目的之解決方案為一種微機械感測器裝置，其具有：- MEMS元件，以及- ASIC元件，其中在該MEMS元件與該ASIC元件之間構建有接合構造，該MEMS元件具有：- 層機構，其包含若干交替疊置的絕緣層及功能層，其中在該等功能層中的至少一個中構建有可沿偵測方向運動的偵測元件；- 其中透過另一功能層構建有間隔元件，以便使該MEMS元件與該ASIC元件間隔規定的距離；其特徵在於，在該偵測元件上佈置有包含該間隔元件及第一接合層的抵靠元件，其中在該抵靠元件之位於該ASIC元件上的抵靠區域內佈置有絕緣層。

藉此便能用現有之層機構來構建抵靠元件，並將其佈置在該可動的偵測元件上。如此便能在附加成本較小的情況下實現有效的向上抵靠保護，從而沿z向實現規定的抵靠特性。故在發生抵靠的情形下，首先以規定的方式抵靠在該ASIC晶圓上。為此僅需對佈局進行些微調整，且毋需對整個過程進行修改。

根據另一態樣，本發明用以達成上述目的之解決方案為一種製造微機械感測器裝置的方法，包括以下步驟：- 提供MEMS元件；- 提供ASIC元件；- 在該MEMS元件中構建偵測元件，其中將抵靠元件佈置在該偵測元件上，其中在該ASIC元件上之針對該抵靠元件的抵靠區域內構建絕緣層；以及- 在該MEMS元件與該ASIC元件之間構建接合構造。

該感測器裝置及該方法之較佳實施方式參閱附屬項。

根據該感測器裝置的一種較佳實施方式，該偵測元件具有一正交於該偵測方向的區段。在採用該感測器裝置的此種設計方案時，能夠防止該正交區段在抵靠情形下發生斷裂。

該微機械感測器裝置的另一實施方式的特徵在於，該微機械感測器裝置具有至少一與該偵測元件共同起作用的電極。藉此便能順利地實現該偵測元件與該電極的協同作用。

該感測器裝置的另一實施方式的特徵在於，該抵靠元件與該ASIC元件的距離大於相對該電極的偵測間隙。如此一來，視情況發生抵靠時儘管仍向上抵靠，但不會抵靠在該抵靠元件與該電極之間。

該感測器裝置的另一實施方式的特徵在於，該間隔元件具有多晶矽層。故可使用製造過程中已有的層來構建該間隔元件。其中，較佳以某種方式來對該抵靠元件進行定尺寸，使得該MEMS晶圓與該ASIC晶圓間隔規定的最小距離。

該感測器裝置的另一實施方式的特徵在於，該間隔元件之第一接合層係由以下材料中的一個構成：鍺、鋁、金屬。如此便能實現用於將該MEMS晶圓與該ASIC晶圓接合的金屬接合構造。

該感測器裝置的另一實施方式的特徵在於，以沿抵靠方向與該抵靠元件相對的方式，在該ASIC上佈置有氧化物材料。此方案能夠在該可動元件抵靠至該ASIC時防止短路。如此便能避免該感測器裝置內的損壞。

該感測器裝置的另一實施方式的特徵在於，該偵測元件係構建在單獨一個功能層中。如此便能提昇該感測器裝置的設計多樣性。

10‧‧‧第一多晶矽層

11‧‧‧氧化物層

12‧‧‧下固定電極

13‧‧‧間隙

20‧‧‧第二多晶矽層

21‧‧‧氧化物層

22‧‧‧偵測元件，可動質量塊

22a‧‧‧區段

23‧‧‧間隙

30‧‧‧第三多晶矽層

31‧‧‧彈性機構

32‧‧‧電極元件，上固定電極

33‧‧‧機械懸掛件

40‧‧‧第四多晶矽層，抵靠元件

50‧‧‧第一接合層，鍺層，抵靠元件

61‧‧‧間隙

70‧‧‧鋁-鍺接合

80‧‧‧罩形晶圓

81‧‧‧z向抵靠件

100‧‧‧MEMS晶圓，MEMS元件

200‧‧‧ASIC晶圓，ASIC元件

300‧‧‧微機械感測器裝置

400‧‧‧焊珠

IMD5‧‧‧絕緣層

M6‧‧‧金屬平面

S1‧‧‧步驟

S2‧‧‧步驟

S3‧‧‧步驟

S4‧‧‧步驟

圖1為傳統微機械感測器裝置的橫截面圖；圖2為採用傳統豎直整合方案的微機械感測器裝置的橫截面圖；圖3為圖2所示感測器裝置的局部視圖；圖4為本發明之感測器裝置的一種實施方式的橫截面圖；圖5為圖4所示感測器裝置在抵靠情形下的橫截面圖；圖6及7為本發明之感測器裝置的其他實施方式；及圖8為本發明之方法的一種實施方式的流程示意圖。

下面結合多個附圖對本發明的其他特徵及優點進行詳細說明。凡本文述及之特徵，不論說明書中對其如何描述，附圖如何示之，亦不論申請專利範圍如何對其進行回溯引用，皆屬發明項目。相同或功能相同的元件用相同的元件符號表示。

下文中的“規定的基本距離”概念係指該MEMS元件與該ASIC元件間的距離，其用於防止晶圓間的串擾。

圖2示出一種習知的針對微機械構件的豎直整合方案，此微機械構件包括由MEMS矽基板構成的MEMS元件100、至少一配線平面、至少一MEMS功能層，以及多個成長或沈積於其上的氧化物層。亦可透過晶圓接合法及隨後的研磨操作來鍍覆此等功能層。較佳透過CMOS製程製造的ASIC元件200由矽基板、若干經摻雜的半導體層(用於實現電路)以及金屬-氧化物疊堆(特別是用於配線及實現電容)構成。

透過金屬晶圓接合法，例如透過鋁與鍺的共晶接合來為MEMS元件100與ASIC元件200建立連接。其中，在ASIC元件200上例如將最上面的鋁配線平面用作接合表面，以及，在MEMS元件100上沈積鍺以作為最上面的層。隨後，在超過約430℃的溫度下以足夠的壓力將兩個晶圓100、200壓在一起，從而產生共晶的液相。此鋁-鍺連接既藉由環繞式的接合框實現對MEMS構造的密閉封裝，亦實現MEMS元件100與ASIC元件200的電接觸。原則上亦可採用其他金屬接合法，如銅-鋅接合或熱壓縮方法。ASIC 200較佳透過若干金屬矽穿孔(TSV)與外界進行通信，此等矽穿孔係設於ASIC 200之底面上，並穿過絕緣層上方的重配線平面及焊珠 400通向(未繪示的，例如位於行動電話中的)應用印刷電路板。

ASIC元件200具有多個配線層及絕緣層。為更加清晰地進行簡化展示，圖3僅示出相關層的一部分，特定言之，就MEMS元件100而言自第一多晶矽層10開始顯示。此外，在隨後的所有附圖中，該晶圓疊堆皆經過重新旋轉，故MEMS元件100位於下方，而ASIC元件200位於上方。圖3所截取之部分大體與圖2中被虛線包圍的區域B對應。

與圖1所示MEMS元件100不同，圖3所示MEMS元件100具有另一實施為第四多晶矽層40的矽層，其係佈置在第三多晶矽層30上並用作MEMS晶圓與ASIC晶圓間的隔片。在第四多晶矽層40上，在待共晶接合的區域內還佈置有例如實施為鍺層50的第一接合層，其與ASIC元件200之最上面的金屬平面M6中的對應(即拓撲及面積相似的)構造相對。

在實施共晶接合後，在接合框之區域內產生共晶的鋁-鍺接合70。但在接合完畢後，上文述及的在MEMS元件100之機械堅固性方面的問題近乎毫無變化，因為第二多晶矽層20與第三多晶矽層30間的間隙23小於第三多晶矽層30與ASIC元件200之M6平面間的間隙。相應地，在此情形下，MEMS元件200亦可能不利地抵靠在第二與第三多晶矽層20、30之間。

因此，根據本發明，在MEMS晶圓100上局部地應用第四多晶矽層40及第一接合層50，從而在可動偵測元件22上實現若干規定的機械式z向抵靠件。在該等抵靠件的區域內，在ASIC側將最上面的金屬層M6移除。如此便能在MEMS元件100與ASIC元件200間實現較小的剩餘間隙，其小於MEMS元件100中的功能性多晶矽層(第一至第三多晶矽層 10、20、30)間的間隙。

在抵靠情形下，基於MEMS元件100與ASIC元件200間的較小剩餘間隙，該可動MEMS構造有利地抵靠在ASIC元件200上，而不再抵靠在易於斷裂的多晶矽層上。如此便能增強整個MEMS構造的機械堅固性。

由於以規定的方式抵靠至絕緣層IMD5，亦不會發生短路。因此，視具體情況，有時毋需在MEMS元件100中對z向抵靠件(其需要具備與該等可動質量塊相同的電位，以防止短路)進行複雜的配線。

圖4示出本發明之佈置方案，其中在可動的第三多晶矽層30的分區上，在第四多晶矽層40上及第一接合層50上佈置有z向抵靠件。在此，鍺層50與位於ASIC元件200之一側上之絕緣層IMD5間的剩餘間隙61小於第二與第三多晶矽層20、30間的間隙23。因此，在豎直偏移較大的情況下，如圖5所示，在抵靠構造40、50上，而非在多晶矽層20、30之間發生第一機械式抵靠。可以看出，儘管已發生抵靠，偵測元件22之正交於z抵靠方向的區段22a仍與電極32間隔一定距離。

該感測器裝置的另一實施方式的特徵在於，該位於ASIC元件200之抵靠區域內的無傳導性的材料IMD5為氧化物材料。採用此方案時，該MEMS構造在向上抵靠後處於規定的電位，故不會發生短路。而在抵靠至金屬的情況下，該金屬之電位必須與該MEMS構造之電位相同，從而可靠地避免受損。

本發明不僅限於第二與第三多晶矽層20、30部分重疊的MEMS元件100，亦可應用於其他佈置方案。

圖6示出MEMS元件100，其亦由第二及第三多晶矽層20、30之元件構成，但不具有位於第三多晶矽層30中的相對電極或z向抵靠件。該MEMS元件之相對電極係位於ASIC元件200之最上面的金屬平面M6中。在此情形下，本發明的抵靠件佈置方案，包括第四多晶矽層40及鍺層50之佈置方案較為有利，其有助於在機械過載較高的情況下，防止該可動MEMS構造與該ASIC相對電極間的短路。

圖7所示佈置方案與圖6相似，唯一區別在於，可動MEMS元件100在此僅實施於第三多晶矽層30中。此方案的優點與上文結合圖6描述的優點相同。

圖8為該製造微機械感測器裝置300的方法的一種實施方式的流程示意圖。

在第一步驟S1中，提供MEMS元件100。

在第二步驟S2中，提供ASIC元件200。

在第三步驟S3中，在MEMS元件100中構建偵測元件22，其中將抵靠元件40、50佈置在偵測元件22上，其中在ASIC元件200上的針對抵靠元件40、50的抵靠區域內構建絕緣層IMD5。

最後，在第四步驟S4中，在MEMS元件100與ASIC元件200間構建接合構造70。

綜上所述，本發明提出一種微機械感測器裝置以及一種製造微機械感測器裝置的方法，藉由該方法便能提供規定的、針對該感測器裝置的抵靠件。特別是在電子設備墜向地面，使得加速力急劇增大的情況下，上述方案尤為有利。如此便能防止敏感的MEMS構造受損。所述作用力亦可能因晶片單體化過程中的劇烈振動而產生，以及藉由本發明得到緩解。

儘管上文結合若干具體實施例對本發明進行了描述，但本發明不僅侷限於此。因此，在不違背本發明之核心的前提下，本領域通常知識者可對本文述及之特徵進行適宜的更改，或將其組合應用。