堆叠裸片间具有电触点的半导体集成器件及相应制造工艺的制作方法

本发明涉及一种在堆叠裸片之间具有电触点的半导体集成器件并且涉及一种相应的制造工艺。

背景技术：

众所周知，在集成器件制造领域，经常需要从机械和电气角度将从对对应晶片的划片中获得的采用半导体材料(例如，包括硅)的裸片耦合在一起。

具体地，传感器器件是已知的，包括至少部分地由半导体材料制成并且使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的微机械感测结构。这些传感器器件用于诸如便携式计算机、膝上型计算机或超级本、PDA、平板计算机、蜂窝电话、智能电话、数字音频播放器、照相机或摄像机、以及视屏游戏操纵器等便携式电子装置，从而允许实现关于面积和厚度方面的空间占用的重要优点。

MEMS传感器器件通常包括：微机械感测结构，该微机械感测结构被设计成用于将待检测的机械量(例如，压力、加速度或角速度)转换成电气量(例如，电容变化)；以及电子电路，该电子电路通常被提供为ASIC(专用集成电路)，被设计成用于对这种电气量执行适当处理操作(其中包括放大和滤波操作)以便供应模拟电输出信号(例如，电压)或数字电输出信号(例如，PDM(脉冲密度调制)信号)。然后，使可能由电子接口电路进一步处理的这种电信号可用于外部电子系统，例如，结合了传感器器件的电子装置的微处理器控制电路。

因此，用于制造MEMS传感器器件的工艺通常设想在第一晶片内提供微机械感测结构并在第二晶片内提供ASIC，并且然后从机械和电气角度将第一晶片和第二晶片耦合在一起(以便保证相同晶片之间的电信号传输)。接下来，对晶片进行划片以便限定堆叠裸片(可替代地，对晶片的划片可以在对其进行耦合之前执行)。

针对以上耦合操作，已知的技术设想了对在采用半导体材料的两个晶片(裸片)之间使用借助于采用金属材料(例如铜、金或铝)的区域来进行的金属键合，这些区域形成在这两个晶片的表面上，将这些区域对准并且然后通过例如热压键合来使其粘附以便引起期望的耦合。

ASIC的电路元件以及微机械感测结构的接触焊盘电连接至这些金属区域，从而使得这两个晶片之间的键合不仅确定机械耦合，而且确定ASIC与微机械感测结构之间的电耦合。

尽管以上耦合技术是有利的，但是该耦合技术例如由于难以对形成于晶片表面上的金属区域进行对准和耦合而可能证明难以实施并且实施成本高。由于金属区域之间的耦合缺陷，在耦合的晶片中的电路和/或微机械结构之间的电连接中可能会出现问题和缺陷。

因此，在使用金属键合技术不可取的情况下，不同的解决方案可以设想通过使用非导电材料(例如，玻璃料)的键合技术来对晶片进行机械耦合，以及以有区别且单独的方式通过欧姆型电触点来形成电连接(例如，经由由晶片的耦合面承载的接触元件之间的焊接)。

尽管以上解决方案确实成本更低并且总体上具有更低的复杂性，但是其并不是没有问题。

具体地，本申请人已经认识到，键合区域可能在晶片的耦合表面之间具有厚度不均匀性，连同随之发生的在耦合晶片的表面之间形成的间隙的不均匀性(例如，此间隙可以在包括在5与10μm之间的范围内变化)。此外，相同的晶片可以具有厚度不均匀性，例如，包括在1与4μm之间的值的不均匀性。对于晶片中的电路和/或微机械结构之间的电接触，这些不均匀性可能危及设置在耦合表面上的接触元件之间的适当电接触。

技术实现要素：

本发明的目的是至少部分地解决之前突显的问题，以便为采用半导体材料的晶片之间的机械耦合和电耦合提供更容易实现并且同时将具有高可靠性的解决方案。

因此，根据本发明，如在所附权利要求书中所限定的，提供了一种集成器件以及一种相应的制造工艺。

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式，参照所附附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

-图1示出了根据本解决方案的一个实施例的具有耦合裸片的集成器件的示意性横截面视图；

-图2是图1的集成器件的示意性俯视图；

-图3A至图3F是图1的集成器件在相应制造工艺的连续步骤中的示意性横截面视图；

-图4示出了根据本解决方案的进一步实施例的具有耦合裸片的集成器件的示意性横截面视图；

-图5是图4的集成器件的示意性俯视图；

-图6A至图6D是图4的集成器件在相应制造工艺的连续步骤中的示意性横截面视图；

-图7示出了根据本解决方案的集成器件中的弹性支撑元件的示意性透视图；

-图8示出了表示图7的支撑元件的灵活性特性的曲线图；并且

-图9是根据本解决方案的结合了集成器件的电子装置的总体框图。

具体实施方式

如下文中将详细讨论的，本解决方案的方面总体上设想在两个待耦合晶片(或裸片)中的至少一者的耦合表面上提供具有灵活性特性的电接触元件，以便适应键合区域的厚度的可能变化以及耦合晶片的面对表面之间的间隙的相应变化。

详细地，图1示出了根据本解决方案的整体上由1标示的集成器件。具体地，集成器件1是传感器器件(在示例中，为压力传感器)，即，被设计成用于检测来自外部环境的压力波并且用于生成相应的电检测信号的传感器。

集成器件1包括：包括半导体材料的第一裸片(或总体上，主体)2，在该第一裸片中例如设置了微机械感测结构4；以及包括半导体材料的第二裸片6，在该第二裸片中例如设置了ASIC 7(图1中示意性展示的)。

具体地，第一裸片2具有：第一表面2a，该第一表面在水平平面xy内延伸并且被设计成用于耦合至第二裸片6；以及第二表面2b，该第二表面沿着与前述水平平面xy正交的竖直轴z与第一表面2a相反并且被设计成用于接触外部环境。

微机械感测结构4包括薄膜10，该薄膜设置在第一裸片2的有源部分2’内的第一表面2a处并且悬置在第一传感器空腔11上方，该第一传感器空腔掩埋在第一裸片2内(如将在下文中详细描述的)。

第一裸片2的前述有源部分2’被进一步安排成悬置在处于第一传感器空腔11下面的第二传感器空腔13上方(该第一传感器空腔因此沿着竖直轴z被安排在第二传感器空腔13与薄膜10之间)，并且通过弹性悬置元件14电连接至第一裸片2的块体部分。

具体地，有源部分2’(以及因此薄膜10)被从第一裸片2的第一表面2a延伸远至第二传感器空腔13的沟槽15外部地围绕。

例如，在所示出的实施例中，沟槽15具有方形螺旋形状。以此方式，如在图2的俯视图中所示出的，沟槽15由界定了第一裸片2的有源部分2’以及弹性悬置元件14(在这种情况下，该弹性悬置元件具有线性的臂状构造并且将有源部分2’连接至第一裸片2的块体部分)的五条边构成。

第二传感器空腔13在第一裸片的第二表面2b处通过接入沟道15’与外部环境流体连通，该接入沟道沿着竖直轴z从前述第二表面2b延伸远至第二传感器空腔13。

第二裸片6具有在水平平面xy内延伸并且被设计成用于耦合至第一裸片2的对应第一表面6a以及沿着竖直轴z与第一表面6a相反的第二表面6b。

在第二裸片6的表面部分中在其第一表面6a处以本身已知的方式来获得本文中未详细讨论的ASIC 7。

集成器件1进一步包括耦合区域16，该耦合区域安排在第一裸片的第一表面2a与第二裸片6的对应第一表面6a之间并且具有在示例中为基本上方形环的环形构造(如图2中所示出的)。

具体地，在此实施例中，耦合区域16由包括玻璃料的并且因此被定义为“虚设”的非导电材料制成，此区域外部地围绕第一裸片2的有源部分2’以及沟槽15。

以本身已知的方式，通过耦合区域16来对第一和第二裸片2、6进行的耦合设想了：在第一和第二裸片2、6的第一表面2a、6a中的一者或两者上方以期望构造形成并限定玻璃料；并且然后堆叠第一和第二裸片2、6并在高温(例如包括在300℃与400℃之间)下在相同的主体之间施加例如值为大约10kN的热压合，以便限定耦合区域16。

有利地，并且如在于2015年11月19日以本申请人的名义提交的意大利专利申请号102015000074520中详细描述的，在对第一和第二裸片2、6的耦合步骤期间，有源部分2’相对于第一裸片2的块体部分的悬置安排以及弹性耦合允许弹性地解耦相同的有源部分2’(以及相应的薄膜10)，该有源部分因此不受可能修改其机械特性和电气特性(例如，在静止状态下生成电输出量的值的偏移，即，不存在作用在薄膜10上的压力的情况下)的应力或变形的影响。

集成器件1进一步包括由采用导电材料(例如，锡、金或铜)的多个接触焊盘17，该多个接触焊盘由第一和第二裸片2、6的对应第一表面2a、6a承载，沿着竖直轴z成对地对准并且通过由例如由焊膏(该焊膏由例如金和锡合金制成)构成的导电区域18机械地且电气地连接。

接触焊盘17相对于耦合区域16被内部地安排。具体地，由第一裸片2的第一表面2a承载的接触焊盘17安排在耦合区域16与第一裸片2的有源部分2’之间。

此外，在此实施例中，集成器件1包括通孔19，这些通孔包括导电材料，这些通孔沿着竖直轴z贯穿其厚度从设置在对应第一表面6a上的接触焊盘17横跨第二裸片6远至第二表面6b，其中，可以以本身已知的方式提供诸如导电焊区或凸块等电接触元件(本文中未展示)，这些电接触元件被设计成用于例如与结合了集成器件1的电子装置的PCB(印刷电路板)电耦合。

因此，在此实施例中，集成器件1具有所谓的“晶片级”封装体，即，由集成了ASIC 7和微机械感测结构4的半导体材料组成的相同裸片提供的封装体。

如在下文中将详细讨论的，用于制造集成器件1的工艺因此设想了在第一和第二裸片2、6的第一表面2a、6a上形成接触焊盘17并且然后经由通过热键合工艺来形成导电区域18而成对地耦合接触焊盘17。有利地，可以与利用热压工艺通过耦合区域16来对第一和第二裸片2、6进行机械耦合同时地执行此热工艺。

根据本解决方案的特定方面，集成器件1进一步包括具有灵活性特性(具体地，能够经历沿着竖直轴z的变形)的多个支撑元件20，该多个支撑元件中的每个支撑元件被设计成用于支撑由第一裸片2的第一表面2a承载的接触焊盘17中的对应接触焊盘。

每个支撑元件20以悬臂方式悬置在对应悬置空腔21上方，该悬置空腔在第一表面2a处横向地相对于微机械感测结构4的薄膜10并且与其相距某个距离地设置在第一裸片2的块体部分中。

详细地，每个支撑元件20包括：基底22，该基底在水平平面xy内具有例如基本上方形的形状，在该基底上设置对应接触焊盘17；以及柔性臂23，该柔性臂将基底22连接至第一裸片2的块体部分，从而使得基底22以悬臂方式悬置在悬置空腔21上方。悬置沟槽24围绕基底22以及对应柔性臂23，并且从第一裸片2的第一表面2a延伸远至悬置空腔21。

如图2中所示出的，支撑元件20可以以基本上沿着水平平面xy的第一水平轴y对准的方式来安排，具有成对的柔性臂23，这些柔性臂相对于水平平面xy的第二水平轴x安排在相对侧上，从而实现有效面积占用。

有利地，并且如在前述图1中示意性地展示的，在第一与第二裸片2，6之间进行耦合以及在由相应第一表面2a，6a承载的接触焊盘17之间进行电接触时，支撑元件20可能在竖直轴z的方向上经历弹性变形，以便适应耦合区域16的厚度的可能可变性和/或适应相同裸片3，6的或设置在相应第一表面2a，6a上的材料层的厚度的不均匀性、或再次适应相应翘曲或变形。

具体地，柔性臂23可以经历沿着竖直轴z的变形，从而使得基底22接近对应悬置空腔21的底(或基底)表面。

电接触路径29与由支撑元件20承载的接触焊盘17以及微机械机构4(具体地，相应薄膜10以及设置在相同薄膜10中的可能电子组件(如下文中所讨论的))相接触。如图2中示意性地示出的(针对接触焊盘17中的仅一个接触焊盘)，这些电接触路径29在柔性臂23上以及在弹性悬置元件14上延伸以便到达薄膜10以及可能电子部件。

根据本解决方案的特定方面，有利地，可以以在所展示的实施例中导致形成微机械感测结构4的第一传感器空腔11和薄膜10的相同工艺步骤来获得悬置空腔21(以及所限定的支撑元件20)。

就此而言，现在简要描述用于制造集成器件1的工艺。

最初地(图3A)，在采用半导体材料(具体地，硅)的第一晶片30中形成掩埋空腔。例如，为了此目的，可以使用在欧洲专利EP1 577 656中(以及在相应专利US 8,173,513中)详细描述的制造工艺。

应当指出的是，在第一晶片30内获得多个类似的微机械结构(如对于本领域的技术人员将明显的)，并且在制造工艺结束时，对第一晶片30的锯切(或划片)导致限定第一裸片2(以及采用半导体材料的类似主体)。

总之，在第一晶片30上设置具有晶格安排(例如，具有蜂窝安排)的孔的抗蚀剂掩模31。使用掩模31，执行对第一晶片30的各向异性化学蚀刻，以便形成多个沟槽32，该多个沟槽彼此连通并界定多个硅柱33。

接下来(图3B)，移除掩膜31并在还原环境中执行外延生长。因此，外延层在柱33之上生长，在顶部封闭沟槽32。

然后，例如在1190℃下、优选地在氢气气氛中或者可替代地在氮气气氛中执行退火步骤30分钟。如在上述专利中讨论的，退火步骤造成硅原子的迁移，硅原子倾向于移动到更低能量的位置中。因此，并且还由于柱33之间的短距离，这些柱的硅原子完全迁移，并且形成了掩埋空腔，该掩埋空腔被设计成用于构成(从下述内容中将明显的)第二传感器空腔13。

硅层保持于此第二传感器空腔13上方，该硅层部分地由外延生长的硅原子并且部分地由迁移的硅原子构成并且形成封闭层35。

接下来(图3C)，从封闭层35开始执行厚度为数十微米(例如，50μm)的进一步外延生长。因此，形成了厚硅区域，该厚硅区域覆盖第二传感器空腔13并且被设计成用于形成第一裸片2的有源部分2’。

然后(图3D)，在此有源部分2’中，提供了进一步掩埋空腔，该掩埋空腔被设计成用于例如通过重复与如在上述欧洲专利EP 1577 656(之前参照图3A和图3B所描述的)中公开的制造工艺相同的制造工艺来限定第一传感器空腔11。

以上方法进一步限定了第一晶片30的第一和第二表面2a、2b(应当注意的是，通过与第一裸片2的表面的参考标号相同的参考标号来标示这些表面，条件是如已经提到的，第一裸片2是对第一晶片30进行划片的结果)。

进一步形成了薄膜10，该薄膜悬置在第一传感器空腔11上方；薄膜10因此被第一传感器空腔11界定在底部并且面向第一表面2a。如果应用如此要求，则电子部件37(例如，压敏电阻器)可以以已知的并且本文中未示出的方式经由扩散或植入掺杂剂离子种类的步骤被设置在薄膜10中。此外，以本身已知的方式，可以在第一晶片30的第一表面2a上方提供同样未展示的电互连。

根据本解决方案的特定方面，在导致形成第一传感器空腔11的工艺步骤期间，同样再次使用之前描述的同一方法来横向地相对于薄膜10形成支撑元件20的悬置空腔21。

接下来，在第一表面2a上在对应于悬置空腔(以及对应于然后将构成支撑元件20的基底22的部分)的位置中例如通过沉积材料(例如，诸如锡、金或者铜等金属)来形成接触焊盘17。

然后(图3E)，使用此处未示出的掩模层来执行对硅的深蚀刻，直到到达第二传感器空腔13，从而形成沟槽15，该沟槽在薄膜10的外部并围绕该薄膜。

有利地，在该工艺的此步骤中，从第一表面2a开始远至支撑元件20的悬置空腔21执行进一步蚀刻，以便形成悬置沟槽24，该悬置沟槽限定了对应基底22以及对应柔性臂23。

接下来(图3F)，在接触焊盘17上形成由例如焊膏制成的导电区域18。此外，在有源部分2’的旁边形成由聚合材料或如在示例中的玻璃料材料制成的耦合区域16。

在此步骤(或者可能地，在该工艺的前一步骤)中，还提供了接入沟道15’，该接入沟道从第一晶片30的第二表面2b开始，直到到达第二传感器空腔13。

接下来，例如通过在高操作温度下施加适当的压力来将采用半导体材料(具体地，硅)的第二晶片39机械地且电气地耦合至第一晶片30。

在划片操作之后，在被设计成用于限定集成器件1的第二裸片6的第二晶片39中，之前已经在对应第一表面6a处形成了ASIC 7，该第一表面被设计成与第一晶片30耦合。还已经在同一第一表面6a上设置了被设计成用于与由支撑元件20承载的接触焊盘17耦合的对应接触焊盘17。

具体地，上述耦合操作设想：在同一步骤中，将耦合区域16粘附至第一和第二晶片30、39的面对表面，并且还将导电区域18粘附至由第一和第二晶片30、39承载的接触焊盘17。

如之前所讨论的，有利地，在此工艺的此步骤中，支撑元件20的弹性特性使得能够以更准确且更可靠的方式获得机械连接和电连接。

因此，第二晶片39构成了微机械感测结构4的保护帽，并且进一步限定了微机械感测结构4与ASIC 7之间的电连接。

应当指出的是，耦合区域16进一步构成了第一晶片30的第一表面2a与第二晶片39的第一面对表面6a之间的间隔物，从而界定了面对耦合表面之间的空白空间(此空白空间使压力波能够引起微机械感测结构4的薄膜10的变形)。

现在参照图4描述集成器件的进一步实施例，该进一步实施例再次由1标示。

在这种情况下，微机械感测结构4在第一裸片2中设置包括惯性质量块42的惯性传感器(例如，加速度计或陀螺仪)，该惯性质量块悬置在再次由11标示的第一传感器空腔上方。

惯性质量块42具有多个通孔43，这些通孔在制造工艺期间用于通过移除牺牲层而从底层衬底44释放。

以未详细展示的方式，惯性质量块42在侧面锚定至衬底44，并且进一步在其与衬底44的锚固件处提供了耦合至惯性质量块42的电接触元件。

在第一裸片2的顶面2a上横向地相对于惯性质量块42并与其相距某个距离地存在接触焊盘17，并且进一步地，外部地相对于惯性质量块42并且相对于接触焊盘17而存在耦合区域16，该耦合区域在这种情况下也具有环构造(例如，方形环)。

具体地，在此实施例中，在相应第一表面6a处，支撑元件20设置在第二裸片6(该第二裸片再次集成了ASIC 7)中，而不是设置在第一裸片2中。

具体地，在这种情况下，支撑元件20的悬置空腔21被设置在第二裸片6的第一表面6a处，并且围绕基底22和对应柔性臂23的悬置沟槽24从第二裸片6的第一表面6a延伸远至悬置空腔21。

如在图5的俯视图中所示出的，在这种情况下，支撑元件20横向地相对于惯性质量块42以沿着水平平面xy的第一水平轴y对准的方式被安排。

同样，在此实施例中，由支撑元件20承载的接触焊盘17全部相对于耦合区域16内部地安排，该耦合区域被安排成用于形成围绕惯性质量块42的环。

在这种情况下，制造工艺设想(图6A)，首先例如使用之前所讨论的(以及如在前述专利EP 1 577 656中详细描述的)相同步骤来在第二晶片39(从对该第二晶片的划片获得第二裸片6)的表面部分内提供悬置空腔21。

然后(图6B)，设想适当的工艺步骤(属于本身已知的类型并且在本文中并未详细描述)以在第二晶片39的第一表面6a处形成ASIC 7。

还例如通过沉积材料(例如，诸如锡、金或者铜等金属)在第一表面6a上形成了接触焊盘17，这些接触焊盘被竖直地安排成对应于悬置空腔21(并且对应于将构成支撑元件20的基底22的部分)。

接下来(图6C)，从第一表面6a开始远至悬置空腔21执行蚀刻，以便形成悬置沟槽24，该悬置沟槽限定了支撑元件20的基底22和柔性臂23。

接下来(图6D)，在接触焊盘17上形成由例如焊膏制成的导电区域18。进一步形成了采用聚合材料或如在本示例中采用玻璃料材料的耦合区域16。

接下来，如前所述，第一晶片30(已经以本身已知的方式在其中提供了微机械感测结构4)机械地且电气地耦合至第二晶片39(具体地，通过经由耦合区域16的与通过接触焊盘17和导电区域18进行的电耦合基本上同时执行的机械耦合)。同样，在这种情况下，有利地，支撑元件20的柔性使对耦合区域16的可能缺乏的厚度均匀性的适应成为可能。

以未展示的方式，该工艺以对晶片30、39的划片而结束，以便限定集成器件1的第一和第二裸片2、6。

本申请人已经执行了若干测试和模拟以便验证所描述的解决方案的有效性。

具体地，图7示出了支撑元件20的示意性表示，其中，L是柔性臂23的长度(水平平面xy中的主延伸)；在同一图7中，进一步示出了基底22以及设置在基底22上的接触焊盘17。

图8示出了在沿着竖直轴z施加的变形为5μm(实线)或者10μm(虚线)的假设下表示作用于柔性臂23上的作为长度L的函数的最大应力的曲线图。

考虑到硅通常能够承受约4000MPa的应力，明显的是，所提出的结构能够在上述曲线图所示出的所有操作范围内安全地进行操作。具体地，在所展示的示例中，可能有利的是，对柔性臂23进行大小设定，从而使得其长度L包括在100与150μm之间。

所提出的解决方案的优点从前面的描述中清楚地显现。

在任何情况下，再次强调的是，已经描述的耦合解决方案总体上使得能够利用对经由例如采用玻璃料的非导电耦合区域(所谓的虚设区域)来进行的机械耦合的简单性和低成本，同时经由承载电接触焊盘的柔性支撑元件来提供同样有利的电耦合解决方案。

具体地，这些支撑元件的弹性有利地使得能够补偿机械耦合区域的厚度的可能变化、设置在其表面上的耦合裸片或层的厚度的不均匀性、或者任何翘曲或变形，从而保证每种情形下的适当电接触。

总体上，所描述的解决方案使得能够节省面积占用并且减小制造成本。

如图9中示意性地展示的，集成器件1可以有利地用于电子装置50。

除集成器件1之外，电子装置50还包括微处理器单元51、耦合至微处理器单元51的存储器块52、以及同样耦合至微处理器单元51的输入/输入接口53。此外，可以存在扬声器54，以用于在电子装置50的音频输出端(未示出)上生成声音。

电子装置50是例如移动通信设备(智能电话、平板计算机、蜂窝电话、PDA(个人数字助理)、笔记本计算机等)或者可以用于汽车领域或者工业领域的测量装置。

最后，清楚的是，可以对本文中所描述和展示的内容做作出修改和变化，而不会由此脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。

具体地，不同的实施例可以设想第一裸片2(其中再次设置了微机械感测结构)与虚设型第二裸片6的耦合，即，在没有电路元件或功能/结构元件的情况下。此第二裸片6可以具有将来自微机械感测结构4的电信号路由至集成器件1外部的简单功能。

可替代地，第一裸片2和第二裸片6两者可以集成对应的MEMS型微机械结构，或者它们都可以集成对应的ASIC。

如之前所强调的，耦合区域16可以由不同的非导电型材料(除了玻璃料之外)制成。

根据进一步实施例，第一裸片2和第二裸片6都可以设置有对应柔性型接触元件，以便确保对耦合区域16的厚度变化的甚至更大的适应性。