用于制造混合集成的构件的方法与流程

本发明涉及一种用于制造具有至少两个MEMS(microelectromechanicalsystems：微电子机械系统)结构元件的、混合集成的构件的方法，所述至少两个MEMS结构元件分别配置有至少一个ASIC结构元件。

背景技术：
具有MEMS结构元件的构件多年来例如在汽车技术和消费电子的领域中，在批量生产中被制造用于不同的应用。在此，构件的微型化正赢得了越来越重要的意义。一方面，构件的微型化大大地有助于制造成本的降低。另一方面，尤其是在消费电子领域中，越来越多的功能进而构件应当被接收在一最终设备内，而所述最终设备本身则总是变得越来越小。结果，在应用电路板上提供给单个构件的空间越来越少。由实践中已知用于传感器构件的各种不同的微型化方案，这些微型化方案设置了以微机械方式实现的传感器功能和传感器信号的电路技术上的加工和评价在一个构件内的集成。除了MEMS功能和ASIC功能横向集成在一共同的芯片上以外，还存在用于所谓的竖直混合集成的方案，按照所述方案形成了一由ASIC、MEMS和一罩晶圆构成的芯片堆叠。这类竖直集成的构件以及用于其制造的方法在US2011/0049652A1中被描述。这种已知的方法设置：将用于MEMS结构元件的初始基底键合到一已经被处理过和必要时也已结构化的ASIC基底上。然后，才在MEMS基底上产生一微机械的结构。与此无关地，将一罩晶圆结构化并且准备用于装配在MEMS基底的微机械结构上以及ASIC基底上。在MEMS基底的结构化之后，将这样被处理的罩晶圆键合到ASIC基底上，从而使得所述微机械结构在ASIC基底与罩晶圆之间气密密封地被围住。该已知的方法能够实现具有微机械的传感器功能和评价电路的耐用的结构元件的成本低廉的批量生产，这是因为这里不仅各个构件部件、即MEMS结构元件、罩和ASIC在所述晶圆复合物中产生，而且实现了使它们装配成一在晶圆级(Waferebene)上的传感器构件。可在晶圆级上对MEMS功能和ASIC功能进行测试，并且甚至可在晶圆级上进行各个传感器构件的校准。已知构件的经堆叠的构型同样有助于缩减制造成本，这是因为这些构件在第二级装配时仅需要相对少的装配面。

技术实现要素：
由从US2011/0049652A1已知的构件构型出发，通过本发明提出了用于实现混合集成的构件的措施，通过这些措施能够简单且成本低廉地达到还要更高的微型化程度。通过根据本发明的方法来制造混合集成的、具有至少两个MEMS结构元件的构件，所述至少两个MEMS结构元件分别配置有至少一个ASIC结构元件。为此，首先彼此无关地产生两个MEMS/ASIC晶片堆叠，其方式是，彼此无关地对两个ASIC基底进行处理，在所述两个ASIC基底中的每个ASIC基底的经处理的表面上装配有一半导体基底，并且然后，在这两个半导体基底中的每个半导体基底上产生一微机械结构。然后，将所述两个MEMS/ASIC晶片堆叠叠置地进行装配，更确切地说是以MEMS对MEMS的方式。然后才由晶圆复合物中分解和分离多个所述构件。根据本发明，相应地产生一包括至少四个结构元件的晶圆堆叠。仅仅由此，根据本发明所制造的构件在每个装配面上配备有非常高的功能性。有利地，各一个MEMS结构元件和一个ASIC结构元件形成了一功能单元，例如以微机械传感器元件的形式，该传感器元件的信号处理和评价电路集成在所配置的ASIC结构元件上。当这些结构元件应当满足类似功能时，一构件的两个MEMS结构元件的微机械结构可以是相同或者相似的。然而，在根据本发明的方法的范畴中，也可以在一个构件内组合具有完全不同功能的多个MEMS结构元件并且相应地也组合完全不同的多个微机械结构。根据本发明的构型尤其适用于实现非接触式工作的传感器，例如加速度传感器、偏转率传感器(Drehratensensoren)和其他惯性传感器。在一惯性传感器的情况下，所述微机械结构包括至少一个弹性悬挂的、振动的质量，所述振动质量基于加速被偏转。也可通过离心力或者旋转运动来引起这些加速。所述振动质量的偏转被检测和评价。这类传感器元件的微机械结构应当被封罩，以便最小化对测量信号的环境影响并且防止传感器结构受到污染、湿度和颗粒的影响。此外，通过这种方式能为传感器结构提供受限定的压力关系，这些压力关系显著地连带确定了传感器的阻尼性能。根据本发明，这类封罩或者封装通过MEMS结构元件在所配置的ASIC结构元件之间的三明治式的布置来实现，为此将不需要单独的罩结构。根据本发明的制造方法能够以多种多样的方式进行改动，这尤其是涉及到四重晶圆堆叠的各个部件之间的机械连接和电连接以及所形成的构件的外部电接触。在此，必须要考虑到待完成的构件的功能、规定和装配地点。如已提到的那样，在所述ASIC结构元件上，优选集成了用于所配置的MEMS结构元件的信号处理和评价电路。然而，ASIC结构元件当然也可配备有其他的电路功能。此外，在ASIC基底的处理的范畴中可进行表面的结构化，在所述表面上应当装配所述MEMS基底。在此，不仅可在ASIC表面中产生凹陷部，而且可以产生用于装配MEMS基底的插座结构(Sockelstruktur)。由此例如能够确保结构元件在所配置的MEMS结构元件内的可运动性。优选在一键合过程中建立MEMS基底与ASIC基底之间的连接，这是因为通过这种方式不仅能够在MEMS结构元件与ASIC结构元件之间实现气密密封的机械连接，而且能够实现可靠的电连接。对此，有一系列已知的且已经过实践检验的过程变型以供使用。微机械惯性传感器的灵敏度主要依赖于振动质量的尺寸。根据本发明的制造方法的一变型方案特别适用于实现具有相对大的振动质量的MEMS结构元件。在此，所述振动质量在一个结构化过程中被限定并露出，所述振动质量在所述MEMS基底的整个厚度上延伸。在此，可制造具有最大厚度、即具有MEMS基底厚度的振动质量。为此，首先将所述MEMS基底减薄直至一预先给定的结构高度。在该减薄和抛光过程的范畴中，MEMS结构元件产生的表面能够已经为与其他MEMS结构元件的连接做好准备，至少这涉及它们的粗糙度。优选在一开槽过程(Trenchprozess)中产生所述MEMS结构，这是因为通过该工艺能够产生出具有特别高的高宽比的沟结构。在尽可能紧凑的构件构型和所述构件的各个部件之间的可靠的内部电接触方面已证实为有利的是，在所述两个MEMS基底中的至少一个MEMS基底内产生过孔(Durchkontakte)，该过孔在所配置的ASIC基底和MEMS基底的背离该ASIC基底的表面之间建立电连接。如MEMS基底在所配置的ASIC基底上的装配那样，也优选在一键合过程中进行多个MEMS/ASIC晶圆堆叠的装配，这是因为通过这种方式可以在两个MEMS/ASIC晶圆堆叠之间建立起简单可靠的且持久的机械连接和电连接。在任何情况下，根据本发明的方法的最终产品都是一种具有至少两个MEMS结构元件的构件，所述至少两个MEMS结构元件分别配置有至少一个ASIC结构元件，其中，所述两个MEMS结构元件相叠地并且三明治式地装配在所述两个ASIC结构元件之间，从而使得通过所述两个ASIC结构元件封罩所述两个MEMS结构元件的微机械结构。有利地，微机械结构分别在所述两个MEMS结构元件中的一个MEMS结构元件的整个厚度上延伸。在任何情况下，通过两个ASIC中的一个ASIC来进行这类构件在第二级装配的范畴中的机械固定。有利地，在所述ASIC结构元件内构造有过孔，所述过孔可以实现所述构件在一电路板上的直接装配。在此，除了所述构件在所述电路板上的机械式固定以外，也建立与电路板上的导体轨迹的电连接。但是，当在ASIC中的至少一个ASIC上构造有相应的、露出的联接垫时，一这类构件的外部电接触也可通过引线键合来进行。如上所述，存在各种不同的、以有利的方式来设计并改进本发明的可能性。对此，参照借助附图对本发明的多个实施例进行的随后说明。附图说明图1至7借助示意性截面图示出了MEMS/ASIC晶圆堆叠相应于根据本发明的方法的制造；图8、9借助示意性截面图示出了一种基于两个MEMS/ASIC晶圆堆叠的构件的根据本发明的结构；图10、11借助示意性截面图示出了两个不同的、用于根据本发明完成的构件的外部电接触的可能性。具体实施方式在根据本发明的、用于制造具有两个MEMS结构元件的混合集成式构件的方法的范畴内，其中，所述两个MEMS结构元件分别配置有至少一个ASIC结构元件，首先彼此独立地产生所述两个MEMS/ASIC晶圆堆叠。下面结合图1至图7对此予以进一步阐述。用于这样的MEMS/ASIC晶圆堆叠的产生的出发点是各一个经处理的ASIC基底10，如图1中所示。在ASIC基底10上的氧化物层11内构造有多个电路平面12。有利地，这里集成了用于所配置的MEMS结构元件的信号处理和评价电路的至少部分。但除此之外，还可实现与MEMS无关的电路功能。在此并未详细描述ASIC基底10的CMOS处理，因为本发明并未进一步指定该CMOS处理。基底表面设有氮化物钝化部13。将钝化层13结构化，以便能够实现ASIC基底10的最上面的电路平面12的电接触。在本实施例中，然后为装配MEMS基底而产生托脚结构(Standoff-Struktur)14。为此，在结构化的钝化层13上，在ASIC基底10的表面上沉积一氧化物层14并且以适当的方式进行结构化。图2示出了该结构化过程的结果。结构化的氧化物层14形成了用于未结构化的MEMS基底20的装配面。在此，MEMS基底20与ASIC基底10之间的连接是在一等离子激活的直接键合工艺中建立起来的并且是气密密封的。现将相对厚的MEMS基底20减薄，直到其厚度大致相应于MEMS结构元件所追求的结构高度。该结构高度典型地在10μm和150μm之间的范围内。为此，首先将MEMS基底20磨削并且然后抛光，以便去除硅晶体的划痕和受损处。所述抛光过程此外用于使基底表面设有适用于MEMS对MEMS装配的粗糙度。图3示出了带有已经被减薄、但还是未结构化的MEMS基底20的ASIC基底10，其中，托脚结构14作为ASIC基底10的闭合表面与MEMS基底20之间的间隔保持件起作用。只有与ASIC基底10连接，MEMS基底20才被结构化。在本实施例中，该结构化以两个步骤进行。第一个蚀刻步骤用于产生过孔、所谓的穿孔22。在此，在MEMS基底20和被结构化的氧化物层14内产生具有基本为圆形横断面的贯穿开口21，更确切地说，是在钝化层13被开口用于电接触ASIC基底10的位置上。贯通开口21的布置在图4中示出。所述贯通开口21优选具有5:1至20:1的高宽比，并且在MEMS基底20的整个厚度上延伸穿过被结构化的氧化物层14，直到ASIC基底10的第一电路平面12。所述贯通开口21在一沉积过程中被填充以一导电的材料、例如铜或者钨。图5示出了具有MEMS基底20的ASIC基底10，在填充了贯通开口21之后并且在可传导的材料又被去除之后，所述可传导的材料在此沉积在MEMS基底20的表面上。之后，MEMS基底20的表面、尤其是在其中一些穿孔22上的区域内设有结构化的键合层31，这在图6中示出。下面结合图8和图9更详细地探讨结构化的键合层31。在第二蚀刻步骤中产生MEMS结构元件的微机械结构，所述微机械结构在此同样在MEMS基底20的整个厚度上延伸，如图7中所示那样。无论是对第一蚀刻步骤，还是对第二蚀刻步骤均优选选择开槽过程，因为通过该工艺能够产生具有特别高的高宽比的结构。在当前情况下，微机械结构包括了多个有弹性地悬挂着的、振动的质量23，所述振动质量通过MEMS基底20内的开槽沟24来限定并且露出。ASIC基底10上的托脚结构14确保了振动质量23的可运动性。根据本发明，现在将两个这样的如图7中所示的MEMS/ASIC晶圆堆叠以MEMS对MEMS的方式叠置地进行装配。在这里要再次明确地指出，在此并不必涉及两个相同的MEMS/ASIC晶圆堆叠，而是也可以将两个在结构和功能上各不相同的MEMS/ASIC晶圆堆叠进行组合。该变型方案通过图8和图9示出。图8示出了两个混合集成的MEMS/ASIC晶圆堆叠100和200，所述晶圆堆叠以MEMS对MEMS定向的方式彼此相叠地布置。两个MEMS基底120和220的微机械结构并不相同。两个MEMS/ASIC晶圆堆叠100和200仅在穿孔122和222的布置上以及在键合层31和32的结构化上在MEMS基底120和220的表面上相互协调。在键合过程中，现在在键合层31、32的区域中建立起两个MEMS/ASIC晶圆堆叠100和200之间的持久的机械式连接。在此，两个MEMS结构元件120和220的微机械结构有利被气密式密封，其中，可预先给定两个ASIC基底110与210之间的产生的空腔内所存在的内压。除了机械式连接以外，还通过键合层31和32，在两个MEMS/ASIC晶圆堆叠100与200之间建立起电连接，这通过图9示出。因此，键合层31和32连同穿孔122和222一起形成了两个ASIC基底110与210之间的电连接。只有在两个MEMS/ASIC晶圆堆叠100、200的前面所述的装配之后，由晶圆复合物构成的各个构件才被分解。例如可通过锯割来进行所述构件的分离。这样完成的构件能够在第二级装配的范畴中简单地通过两个ASIC中的一个ASIC而被装配在一载体、例如电路板上，并且进行电接触，这是因为所述构件的所有其他部件通过穿孔和键合连接而与该ASIC电连接并且因此可通过该ASIC电接触。用于根据本发明的构件的外部接触的一实现可能性在图10中示出，该实现可能性特别良好地适用于直接装配在电路板上。在这里通过ASIC110内的过孔41、所谓的TSV(ThroughSiliconVias：直通硅晶穿孔)将构件40的电信号向外引导。该TSV41由ASIC110的最下方的电路平面延伸直到其背侧面，在该处构造有联接垫42并且所述联接垫作为用于所述构件40的装配面起作用。在这里，可简单地借助焊凸点43建立起与电路板之间的电连接，构件40通过这些焊凸点也被机械式地固定在所述电路板上。然而，根据本发明的构件也可在第二级装配的范畴内通过引线键合来电接触。为此，在图11中所示的构件50中，在ASIC110的上侧面上构造有电的联接垫51。在一锯割或者蚀刻过程中，去除所配置的MEMS结构元件120在该联接垫51上的材料，正如第二MEMS/ASIC晶圆堆叠200的材料，以便露出联接垫51并且因此可以实现所述构件50通过引线键合52的外部接触。