具有脱耦结构的传感器单元及其制造方法
【专利摘要】本发明提出一种传感器单元，其具有第一半导体器件和第二半导体器件，其中，所述第一半导体器件具有第一衬底和传感器结构，其中，所述第二半导体器件具有第二衬底，其中，所述第一和第二半导体器件通过晶圆连接部彼此连接，其中，所述传感器单元具有脱耦结构，该脱耦结构配置为，使得所述传感器结构热机械地和/或机械地与所述第二半导体器件脱耦。
【专利说明】
具有脱耦结构的传感器单元及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的传感器单元。
【背景技术】
[0002] 这种传感器单元已普遍公知。例如已知在晶圆键合工艺中将两个由不同晶圆形成 的半导体器件组合成一个传感器单元。例如，一个半导体器件包括传感器结构，而另一个半 导体器件包括集成电路。然而，在这种已知的传感器单元中，探测比较强烈地受外部干扰影 响。
【发明内容】
[0003] 本发明的任务在于，提出一种传感器单元，在该传感器单元中，减小外部干扰影响 例如热机械应力和/或机械应力对所述传感器单元的传感器结构的影响。
[0004] 根据本发明的传感器单元和根据本发明的用于制造根据并列权利要求的传感器 单元的方法相对于现有技术具有以下优点：提供一种传感器单元，在该传感器单元中，如此 减小热机械应力和/或机械应力从第二半导体器件到所述传感器结构上的传递，使得所述 传感器单元的探测特性被改善。所述传感器结构尤其关于热机械应力和/或机械应力方面 与所述第二半导体器件脱耦。在此，尤其减少了通过由晶圆键合工艺建立的在两个半导体 器件之间的晶圆连接部传递的干扰。根据本发明，所述脱耦结构这样配置，使得所述传感器 结构热机械地和/或机械地与所述第二半导体器件脱耦。脱耦尤其意味着，机械应力和/或 热机械应力例如基于所述第二半导体器件的温度变化或形变不被传递到所述传感器结构 上，或者仅仅以可忽略的方式(也就是说在由所述传感器单元的探测看来可忽略的方式)被 传递到所述传感器结构上。优选地，所述传感器单元包括通过器件连接部与所述第一或第 二半导体器件连接的第三半导体器件，例如印制电路板，其中，所述脱耦结构在这种情形下 这样配置，使得所述传感器结构热学地和/或机械地也与所述第三半导体器件脱耦。
[0005] 所述传感器单元尤其以晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)-一也就是说用于半导体器 件、尤其用于传感器的封装一一集成，也就是说以例如通过锯开或折断从晶圆分离的半导 体芯片（Die，晶粒）的数量级的芯片封装（Chipgeliuse)来集成。以有利的方式在根据本 发明的WLCSP中降低应力敏感度，也就是说所述传感器单元对外部干扰例如热学应力和/或 机械应力的敏感度。
[0006] 所述传感器单元尤其是惯性传感器单元和/或压力传感器单元。所述传感器单元 例如是用于在移动通讯终端设备、智能电话、平板电脑中使用的气压计、高度计、加速度传 感器、转速传感器或其组合。
[0007] 本发明的有利的构型和扩展方案可由从属权利要求以及参照附图的说明中获知。
[0008] 根据一种优选扩展方案设置:所述脱耦结构具有沟槽结构，其中，所述沟槽结构沿 与第一衬底的主延伸平面垂直的法线方向延伸进入第一衬底中也就是说尤其不完全穿过 第一衬底，或者完全穿过所述第一衬底。
[0009] 由此，能够有利地以特别有效的方式由以下方式实现所述脱耦：能够通过匹配沟 道高度和/或沟道深度有针对性地调节所述第一衬底的刚度，以便关于所述外部干扰方面 实现所述传感器结构与所述第二和/或第三半导体器件的脱耦。特别优选地，所述脱耦结构 具有沟槽结构，该沟槽结构包含一个或多个围绕所述传感器结构的、在所述第一衬底中的 沟槽。优选地，所述传感器单元具有微机电系统(MEMS)，所述传感器结构尤其是具有MEMS传 感器元件(MEMS核）的MEMS传感器结构。在此产生的更薄的区域--也就是所述第一衬底 (MEMS衬底）沿所述法线方向更小延伸的区域一一可以接收或吸收例如具有集成电路 (ASIC)的第二半导体器件的形变和/或例如具有应用印制电路板的第三半导体器件的形 变，而所述传感器结构的传感器元件由于其比较大的厚度和高的刚度保持几乎不变形。因 此，相对于现有技术显著改善了偏置、敏感度和其他(MEMS)传感器参数的稳定性。
[0010] 根据另一优选的扩展方案设置:所述脱耦结构具有用于使所述传感器结构耦合到 所述第一衬底的主体结构(Fes t lands truktur)上的親合元件。
[0011] 由此，能够有利地使所述传感器结构尤其仅仅间接地通过耦合元件接合到所述主 体结构上，从而实现所述脱耦。
[0012] 根据另一优选的扩展方案设置:所述沟槽结构主要平行于所述第一衬底的主延伸 平面延伸，其中，所述沟槽结构包围所述传感器结构，其中，所述沟槽结构尤其是回曲形或 框形，尤其是环形。
[0013] 由此，能够有利地实现所述传感器结构的有效脱耦。所述脱耦结构附加地尤其具 有另一沟槽结构。所述另一沟槽结构或根据一种替代的实施方式的所述沟槽结构关于平行 于所述法线方向的投影方向尤其包括所述晶圆连接部的接触区域和/或所述器件连接部的 另一接触区域。所述另一沟槽结构尤其是回曲形的。所述接触区域尤其是焊料凸块 (Lotbumps)或键合垫(Bondpads) 〇
[0014] 如已提到的那样，所述根据本发明的传感器单元的所述脱耦结构这样配置，使得 所述传感器结构热机械地和/或机械地与所述第二半导体器件脱耦。这种脱耦被证明不仅 对于所述第一半导体器件的微机械传感器功能是有利的，而且对于所述第二半导体器件的 功能是有利的，尤其当所述第二半导体器件在此涉及ASIC器件时。
[0015] 这里所说的类型的传感器单元的所述半导体器件之间的晶圆连接部优选地通过 硅直接键合或共晶键合来制造。在这些键合方法中，两个待连接的晶圆在升高的温度下被 彼此相对挤压。在此，通过相对高的压合力来平衡晶圆弯曲度和表面粗糙度。因为这个压合 力仅仅通过键合接触部位被引导到待连接的器件中，所以所述键合工艺导致单个芯片区域 的不均匀的压力负荷。这被证明尤其对于ASIC器件是成问题的。在ASIC处理中，ASIC层结构 的介电绝缘层的材料在尽可能低的介电常数方面被优化，以便在接线平面的印制导线中使 RC延迟最小化。因为所述介电常数越小，则所述介电材料越多孔，所以机械易碎材料更多地 被用于ASIC层结构的绝缘层。因此存在以下危险:所述ASIC器件的功能元件由于所述ASIC 层结构的单个层的低机械稳定性而在所述键合工艺中出现损伤。
[0016] 在本发明的一种特别有利的实施方式中，所述脱耦结构因此包括至少一个膜片元 件，该膜片元件覆盖(iiberspannen)所述第一半导体器件的层结构中的空洞(Kaverne)，并 且构造在所述晶圆连接部上方的区域中。在所述膜片元件下方的空洞可以是闭合的，但所 述空洞也可以通过压力平衡开口连接到周围上。
[0017] 借助这样的在所述MEMS半导体器件的层结构中的空洞上方的膜片元件可以将用 于键合工艺必需的高的压合力局部地限界到键合框、也就是说连接区域上，而由此不损害 ASIC器件的敏感的电路元件。所述膜片元件在所述键合工艺期间的偏移或形变即阻止所述 压合力传递到所述键合框的周围。通过这种方式，膜片元件和空洞有助于所述连接区域与 根据本发明的传感器单元的邻接的芯片区域的机械脱耦。
[0018] 在所述连接区域中的所述膜片元件还能够实现在所述键合工艺期间所述压合力 的均勾分布，并且用于拓扑平衡(Topographieausgleich)，使得避免出现局部力过大。 [0019]根据另一优选的扩展方案设置:所述传感器结构具有由所述第一衬底包含的结构 元件以及由所述第一半导体器件的功能层包含的传感器元件，其中，所述传感器元件通过 所述耦合元件与所述第一衬底仅仅间接地连接，其中，所述耦合元件尤其由所述第一衬底 和/或由所述功能层形成。
[0020] 根据另一优选的扩展方式设置:所述传感器单元具有空腔（I<avi也t)和/或另一独 立的空腔，其中，所述空腔和/或所述另一空腔布置在所述第一和第二半导体器件之间，其 中，所述晶圆连接部具有包围所述空腔和/或所述另一空腔的键合框结构，该键合框结构这 样配置，使得所述空腔和/或所述另一独立的空腔可气密地密封或已经气密地密封，其中， 尤其通风道延伸穿过所述第一衬底直至所述空腔或所述另一空腔中。
[0021] 由此，能够有利地使具有布置在空腔中的传感器元件的传感器结构与外部干扰脱 耦。尤其也能够实现，以特别有效的方式在所述传感器单元中实现两个脱耦的传感器结构， 其中，每一个传感器结构配备有一个空腔。
[0022] 根据另一优选的扩展方式设置:所述传感器结构是压力传感器结构，其中，在所述 第一衬底中布置有压力传感器通道，其中，所述压力传感器通道延伸进入所述传感器单元 中直至所述压力传感器结构的膜片。
[0023] 由此，能够有利地提供压力传感器，其中，所述压力传感器的传感器结构与所述第 二和/或第三半导体器件的机械应力和/或热机械应力脱耦。
[0024] 根据另一优选的扩展方式设置:所述传感器单元具有构造在所述第一衬底中的覆 镀通孔、尤其硅覆镀通孔，以用于所述传感器结构的所述传感器元件的电接触。
[0025] 由此，能够有利地提供比较紧凑的传感器单元，然而在该比较紧凑的传感器单元 中，热学应力和/或机械应力对所述探测的影响比较小。
[0026] 根据另一优选的扩展方式设置:所述脱耦结构是填充以填充材料的沟槽结构，其 中，所述填充材料尤其是聚合物材料，其中，所述填充材料具有的抗剪模数比所述第一衬底 的衬底材料、尤其硅材料小至少一个数量级。
[0027] 由此，能够有利地保护所述传感器结构免受污染。
[0028] 根据本发明的方法的另一优选的扩展方式设置:在第三制造步骤中，通过时间控 制的蚀刻，尤其通过反应离子深度蚀刻，和/或借助激光射束在所述第一半导体器件中，尤 其在所述第一衬底中结构化出：
[0029] _所述脱耦结构，和/或
[0030]-压力传感器通道，和/或 [0031] _覆镀通孔孔洞，和/或
[0032]-通风道，和/或
[0033] -绝缘结构。
[0034] 由此，能够有利地通过比较简单的方式和方法在所述第一衬底中构造脱耦结构 和/或压力传感器通道和/或覆镀通孔孔洞和/或通风道和/或绝缘结构。
[0035]根据本发明的方法的另一优选的扩展方式设置:在第三制造步骤中，在所述第一 半导体器件中，尤其在所述第一衬底中同时形成：
[0036] _所述脱耦结构，和/或
[0037] _所述压力传感器通道，和/或
[0038]-所述覆镀通孔孔洞，和/或 [0039]-所述通风道，和/或
[0040] -所述绝缘结构。
[0041] 由此，能够有利地在相对低额外耗费的情况下制造具有脱耦的传感器结构的所述 传感器单元。通过同时构造不同装置的不同结构，几乎无附加工艺成本地实现对应力敏感 度的改善。
[0042] 根据本发明的一种实施方式，所述传感器单元配置用于压力测量，其中，所述传感 器结构是压力传感器结构并且所述第二半导体器件具有尤其构造为集成电路(ASIC)的分 析处理结构。所述第一半导体器件(传感器芯片)尤其借助倒装芯片(FC)技术被组装到所述 第二半导体器件(分析处理ASIC)上。与所述第一半导体器件连接的第二半导体器件尤其借 助FC技术组装到所述第三半导体器件（印制电路板)上。优选地，所述脱耦结构具有沟槽结 构，该沟槽结构具有一个或多个沟槽，所述一个或多个沟槽例如是用于应力脱耦的槽。附加 地，所述脱耦结构尤其具有双桥元件和/或膜片元件，尤其具有多孔硅(PorSi)膜片元件。所 述膜片元件尤其沿平行于所述第一衬底的法线方向的投影方向布置在所述接触区域下方。
【附图说明】
[0043] 在附图中示出了本发明的实施例，并且在后续说明中对其进行更详细地阐述。
[0044] 图1至22示出根据本发明的不同实施方式的传感器单元。
【具体实施方式】
[0045] 在图1中示出传感器单元1，该传感器单元1构造为压力传感器，其中，传感器单元1 具有第一半导体器件10,该第一半导体器件10借助倒装芯片技术固定在第二半导体器件20 上。在此，第一半导体器件10具有传感器结构12,第二半导体器件20具有分析处理结构22、 尤其是集成电路(ASIC)。在此，第一和第二半导体器件10、20有机械传导性地且有电传导性 地通过接触区域41彼此连接。在此，分析处理结构22具有敷镀通孔23,该敷镀通孔23也被称 为贯通接触部或硅贯通接触部。敷镀通孔23尤其这样配置，使得传感器结构12的输出信号 被引导到传感器单元1的背侧(在图中的下侧)上。通过另一接触区域41人与第一半导体器 件10连接的第二半导体器件20可以被焊接在第三半导体器件30上（例如焊接到如在图3中 示出的电路的印制电路板上）。
[0046] 在图2中示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1。在此示出的实施方式尤 其基本上相应于在图1中示出的实施方式。在此，第一半导体器件10为了应力脱耦附加地具 有根据本发明的脱耦结构50。在此，脱耦结构50具有沟槽结构51，该沟槽结构51尤其是槽。 在此，沟槽结构51在与第一半导体器件10的第一衬底11的主延伸平面100平行的平面中包 围传感器结构12。平行于主延伸平面100的第一方向101在此被称为X方向，平行于主延伸平 面100且垂直于X方向的第二方向102在此被称为Y方向。在此，脱耦结构50尤其这样配置，使 得热机械表面应力和/或机械表面应力不直接被传递至传感器结构12,所述表面应力例如 通过另外的接触区域41'从第三半导体器件30(参见图3)传递到第二半导体器件20上和/或 通过接触区域41从第二半导体器件20传递到第一半导体器件10上。这意味着，传感器结构 12与第二和/或第三半导体器件20、30关于热机械应力和/或机械应力方面在很大程度上脱 耦。可选地，沟槽结构51的槽沿法线方向103延伸进入第一半导体器件10中，也就是说不完 全穿过第一半导体器件10,或者完全穿过第一半导体器件10的第一衬底11和/或功能层13。
[0047] 在图3中示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1，其中，第二半导体器件 20固定在第三半导体器件30上，尤其是印制电路板30。在此，印制电路板30尤其具有比硅的 热膨胀系数更大的热膨胀系数，尤其是大一个或多个数量级。通过温度变化例如可以在另 外的接触区域41'(在此是键合垫)上产生剪力（参见箭头200)，所述剪力导致在第一和/或 第二半导体器件1〇、20中的机械应力。沟槽结构51的沟槽在此延伸穿过整个第一半导体器 件10,所述沟槽也被称为应力脱耦沟槽51。在图5和6中示例性地以俯视图示出所述传感器 单元1的相应的实施方式。
[0048] 在图4中示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1，该实施方式基本上相应 于在图2和3中示出的实施方式，其中，传感器单元1的脱耦结构50在此具有附加的膜片元件 55,尤其是由多孔硅(PorSi)组成的膜片。膜片元件55尤其部分地或完全地沿与法线方向 103平行的投影方向与接触区域41和/或另外的接触区域4V重叠，使得热感应的和/或机械 感应的应力可以在传感器结构12外缓解，尤其在传感器结构12的压力传感器膜片123外缓 解。膜片元件55尤其沿与第一衬底11的主延伸平面100平行的第一方向101超出接触区域41 的延伸部。
[0049] 在图5中以示意性俯视图示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1，该实施 方式基本上相应于在图2至4中示出的实施方式，其中，在此，沟槽结构51围绕传感器结构 12。在此，传感器结构12是具有压力传感器膜片18和压电电阻19的压力传感器结构12。在 此，沟槽结构51具有回曲形的形状并且尤其不沿闭合轨迹围绕传感器结构12。传感器单元1 还具有印制导线结构17'，该印制导线结构17'设置用于传感器结构12的电接触。印制导线 结构17'的印制导线尤其在沟槽结构51的槽或者说沟槽之间。在此，压力传感器膜片18尤其 被弹簧弹性地悬挂在第一半导体器件10的主体结构If上。由此，能够有利地使传感器结构 12相对于外部施加的机械应力脱耦，使得没有或几乎没有机械应力被传递到传感器结构12 上。沟槽结构12特别优选地与主延伸平面100平行地沿整个第一衬底11延伸。
[0050] 在图6中以示意性俯视图示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1，该实施 方式基本上相应于在图2至5中示出的实施方式，其中，传感器结构12在此不是同中心地而 是在错位的位置上连接在主体结构IV上。在此，通过这种方式在第一衬底11中产生有效的 固定弹簧，在所述有效的固定弹簧上引导出印制导线17'并且所述印制导线17'抑制组装应 力。
[0051] 在图7中以示意性俯视图示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1，该实施 方式基本上相应于在图2至5中示出的实施方式，其中，沟槽结构51在此包围接触区域41。在 接触区域41的区域中，由此在第一和第二半导体器件10、20之间产生弹簧弹性连接，使得传 感器结构12脱耦。
[0052]在图8中以示意性侧视图示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1。传感器 单元1具有第一半导体器件10和第二半导体器件20。第一半导体器件10包括第一衬底11和 功能层13,尤其多晶硅功能层。功能层13包括传感器元件123,尤其微机电传感器元件123 (MEMS传感器元件或MEMS芯片）。传感器元件123通过悬挂元件121与第一衬底11尤其仅仅间 接地连接。再者，尤其在第一衬底11与功能层13之间布置有具有电极结构122的另一层13'， 该另一层13'例如配置用于电容式探测传感器元件123的可运动结构的偏移。第二半导体器 件20包括第二衬底21。第一和第二半导体器件10、20通过晶圆连接部40彼此连接。晶圆连接 部40包括接触区域41和键合框结构42。第二半导体器件20还通过另外的接触区域41'尤其 有电传导性地与第三半导体器件30(例如印制电路板)连接。第二半导体器件20尤其具有分 析处理结构22,尤其是集成电路。优选地，通过第二半导体器件的第二衬底21敷镀通孔23延 伸至分析处理结构22的有电传导性的接触部，在此在另外的接触区域41'和接触元件23'上 方。
[0053]第一衬底11尤其是硅衬底并且在此具有氧化层结构13'并且尤其具有布置在印制 导线平面中的电极结构122。在此，由功能层13例如构造具有可运动的MEMS结构的传感器元 件123,所述传感器元件例如用于加速度传感器、转速传感器或磁性传感器。第一半导体器 件10尤其具有另外的硅功能层和氧化绝缘层，所述硅功能层和氧化绝缘层例如通过晶圆键 合方法和随后的背面磨削来施加(未示出）。
[0054]第二半导体器件20尤其包括互补金属氧化物半导体(CMOS)，所述互补金属氧化物 半导体包括第二衬底21，该第二衬底21具有用于实现电路的掺杂半导体层24和具有分析处 理结构22的金属氧化物堆叠，该金属氧化物堆叠尤其用于布线和用于实现性能。例如通过 金属晶圆键合方法、尤其通过铝与锗的共晶键合使第一和第二半导体器件10、20彼此连接。 在此，例如在分析处理结构22上将最上面的铝布线平面用作键合表面，并且将锗作为最上 层沉积在第一半导体器件10上。然后将所述两个晶圆在430度以上的温度下以足够的压力 挤压在一起，从而产生共晶液相。于是，晶圆连接部40包括铝锗连接部，该铝锗连接部引起： 借助环绕的键合框结构42实现传感器元件123的气密性封装，尤其是在第一与第二半导体 器件10、20之间构造出有电传导性的接触区域41。其他金属键合方法如铜锡键合或热压缩 方法能够以相似的方式来实现。
[0055]在图9中畸变地示出不具有脱耦结构50的传感器单元1，以便图示传感器单元1的 弯曲或形变，当第一和第二半导体器件10、20为了与第三半导体器件30连接而被挤压在一 起时，则产生所述弯曲或形变。在此，使传感器单元1在传感器元件123的无支撑的MEMS元件 的区域中以与在电极结构122的区域中不同的方式变形。由此，在电容性的分析处理部的情 况下，可运动的MEMS元件与电极结构122之间的距离改变。通过根据本发明的脱耦结构，以 有利的方式通过传感器结构12的脱耦(参见图10)在很大程度上避免例如敏感度、偏置和其 他探测量的由弯曲导致的漂移。
[0056]在图10中以示意性俯视图示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1，该实 施方式基本上相应于在图8至9中示出的实施方式。在此，第一衬底11具有脱耦结构50,其 中，脱耦结构50包括沟槽结构51。沟槽结构51在此沿与法线方向103平行的投影方向完全穿 过第一衬底11地延伸。所述沟槽结构尤其主要沿与主延伸平面100平行的平面延伸。在此， 沟槽结构51具有环绕的矩形或环形的形状(参见例如在图11中示出的俯视图）。第一半导体 器件10在功能层13中尤其包括用于连接传感器结构12与第一衬底11的主体结构11'的耦合 元件52。优选地，第一衬底11在耦合元件52的区域中的抗弯刚度相对于第一衬底11在主体 结构If的区域中的抗弯刚度降低。脱耦结构50尤其这样配置，使得传感器单元1的由外部 施加的弯曲或形变在很大程度上被吸收，并且使传感器结构12的由沟槽结构51包围的结构 元件120基本上不弯曲，也就是说使结构元件120脱耦。在图12中示例性地示出这样的弯曲。 由此，极大降低了机械应力和/或热机械应力对所述结构元件的影响和对传感器元件123的 影响，因此极大降低了对连同悬挂元件121的整个传感器结构12以及对布置在所述印制导 线平面中的电极结构122的影响，使得借助传感器单元1进行的探测不受外部干扰或者至少 与现有技术相比仅受极小的干扰。根据沟槽结构51的环绕沟槽的沟槽宽度以及耦合元件52 的宽度和/或高度能够有针对性地匹配或调节所述脱耦结构的刚度。
[0057]在图11中以示意性俯视图示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1。第一 衬底11在此具有在与主延伸平面100平行的平面中包围传感器结构12的沟槽结构51。在此， 所述沟槽结构布置在键合框结构42内。键合框结构42尤其具有共晶材料。根据在此示出的 实施方式，沟槽结构51与器件连接部40'的一个或多个另外的接触区域41'重叠。
[0058]在图13中示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1。在图13示出的实施方 式中，沟槽结构51沿平行于法线方向103的投影方向延伸进入第一半导体器件10的第一衬 底11中，但是尤其不穿过第一衬底11。优选地，沟槽结构51的平行于法线方向103延伸的沟 槽深度处在第一衬底11的平行于法线方向103延伸的衬底厚度的60%至100%之间，特别优 选地在70 %至90 %之间，完全特别优选地是大约80 %。在这种情形下，耦合元件52仅仅在第 一衬底11中延伸，也就是说在这里示出的实施方式中未设置在功能层中附加的耦合元件， 例如在图10中示出的那样。
[0059] 在图14至20中示出根据本发明的不同实施方式的传感器单元1。在图14中示出传 感器单元1，其中，第一半导体器件10在此具有传感器结构12和另一独立的传感器结构12'， 其中，脱耦结构50在此包括部分结构50'和另一部分结构50〃，其中，部分结构5(T这样配置， 使得传感器结构12热机械地和/或机械地与第二半导体器件20脱耦，其中，另一部分结构 50〃这样配置，使得另一传感器结构12'热机械和/或机械地与第二半导体器件20脱耦。
[0060] 再者，在此另一传感器结构12'尤其包括另一传感器元件123'。传感器结构12的传 感器元件123和另一传感器结构12'的另一传感器元件123'在此布置在两个彼此气密分隔 的空腔60、6(/中，其中，传感器结构12分配给两个空腔60、6(/中的空腔60而另一传感器结 构12'分配给两个空腔60、6(/中的另一空腔6(/。传感器结构12例如配置用于加速度探测， 并且另一传感器结构12'配置用于转速探测。在此借助键合框结构42的键合桥接部42'实现 两个空腔60、6(/的气密分隔。
[0061] 两个空腔尤其具有不同的内压力，其中，借助重新封装工艺（Reseal-Prozess)调节另一空腔60'的内压力。为了这个目的，另一空腔6(T具有平行于法线方向103 穿过第一衬底11延伸的通气孔16,该通气孔16在制造完成的传感器单元中借助封闭部162 密封。在封闭部162上尤其布置有金属膜161。所述传感器单元还具有第一和第二贯通区域 61、62。在图15中以俯视图示出在图14中示出的实施方式。
[0062] 在图16中示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1，该实施方式基本上相 应于在图10中示出的实施方式。在此，传感器单元1构造为压力传感器单元并且具有压力传 感器通道14。压力传感器通道14沿平行于法线方向103的投影方向穿过第一衬底11延伸直 至传感器结构12的膜片18。
[0063] 在图17中示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1，该实施方式基本上相 应于在图10中示出的实施方式。在此，第一半导体器件10具有用于与第三半导体器件30连 接的另外的接触区域41'。在此，另外的接触区域41'与第一衬底11连接。在此，分析处理结 构22电传导性地尤其通过布置在层23〃中的接触元件23'、布置在敷镀通孔孔洞15'中的敷 镀通孔15以及接触区域41与另外的接触区域41'连接。在此，敷镀通孔孔洞15'延伸穿过第 一衬底11。在图18中示出根据图17的传感器单元1，其中，传感器单元1在此包括第一、第二 和第三半导体器件10、20、30。在此，第一半导体器件10与第三半导体器件30电传导性地通 过另外的接触区域41'连接。
[0064] 在图19中示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1。在此示出的实施方式 基本上相应于其他实施方式，其中，在此，第二半导体器件构造为传感器单元1的罩或壳体。 [0065]在图20中示出根据本发明的一种实施方式的传感器单元1。在此示出的实施方式 基本上相应于其他实施方式，其中，在此，脱耦结构50的沟槽结构51具有填充材料，其中，填 充材料54尤其是聚合物材料，其中，填充材料54具有弹性模量，所述弹性模量比第一衬底11 的衬底材料、尤其硅材料的弹性模量小至少一个数量级。
[0066]在图21中以示意性侧视图示出根据本发明的另一实施方式的传感器单元1。传感 器单元1包括具有传感器结构的MEMS器件10以及具有用于MEMS器件10的传感器功能的分析 处理电路22的ASIC器件20。
[0067]在MEMS器件10的衬底11上方的功能层13中构造有可偏移的传感器元件12 3，该传 感器元件123通过悬挂元件121与MEMS衬底11连接。借助电极结构122电容性地检测传感器 元件123的偏移，该电极结构122构造在MEMS衬底11与功能层13之间的另一层1中。
[0068] MEMS器件10和ASIC器件20通过晶圆连接部40彼此连接。晶圆连接部40包括用于 MEMS传感器功能的电接触的接触区域41以及键合框结构42。
[0069] ASIC分析处理电路22的电信号通过ASIC衬底21中的敷镀通孔23被引导到ASIC器 件20的背侧，在那里ASIC器件20通过焊球41'与印制电路板30连接。
[0070] MEMS器件10与ASIC器件20之间的晶圆连接部40例如涉及铝与锗的共晶键合连接 部。为此，例如可以将ASIC器件20的最上面的铝布线平面用作键合表面，并且将锗层沉积在 MEMS器件10上。然后，将所述两个晶圆在430度以上的温度下以相对高的压力挤压在一起， 从而产生共晶液相。以这种方式在环绕的键合框结构42的区域中产生气密性密封的铝锗连 接部，使得气密地罩住传感器元件123。其他金属键合方法如铜锡键合或热压缩方法能够以 相似的方式来实现。
[0071] 根据本发明，在图21中示出的传感器单元的脱耦结构包括膜片元件55,该膜片元 件55覆盖MEMS器件10的层结构中的空洞56并且构造在晶圆连接部40上方亦即在键合框42 上方的区域中。在真正的MEMS加工之前就在MEMS衬底11中产生空洞56。为了定义空洞56的 位置、形状和尺寸，首先MEMS衬底11设有掺杂部57,该掺杂部57用于APSM工艺的限界。然后 借助该工艺产生空洞56并且揭开膜片元件55。在这样预加工的MEMS衬底11上，最后产生具 有微机械传感器结构的层结构。
[0072]借助膜片元件55或被掩藏的空洞56可以将对于晶圆键合工艺所需的压合力局部 地限界到键合框42的区域上，以便保护ASIC器件20的敏感的电路元件。这通过在键合工艺 期间的压合力使膜片55偏移来实现，直至回复力相应于所施加的外力。由此也实现所述压 合力在整个键合区域上非常好的分布。
[0073]在这一点上应注意的是：可以这样选择膜片元件55或空洞56的的位置和尺寸，使 得空洞56在分拆工艺中被侧向地打开且因此产生更灵活的悬垂。但是，空洞56的打开也可 以在MEMS器件10的结构化的范围中、例如在沟道工艺中进行。
[0074]图22示出对于膜片元件55的替代的实现可能性，该膜片元件55覆盖MEMS器件10的 层结构中的空洞56并且构造在晶圆连接部40上方的区域中亦即在键合框42上方的区域中。
[0075] 在此，空洞56处于MEMS衬底11与功能层13之间。空洞56在牺牲层蚀刻工艺中施加 在MEMS衬底11上的层结构中并且随后在沟道工艺中被打开，在该沟道工艺中，在功能层13 中产生压力平衡开口 58。
[0076] 在不同示图中，相同的部分始终配有相同的附图标记并且因此通常也分别仅仅提 到或提及一次。
【主权项】
1. 一种传感器单元（1)，其具有第一半导体器件（10)和第二半导体器件（20)，其中，所 述第一半导体器件（10)具有第一衬底（11)和传感器结构（12)，其中，所述第二半导体器件 (20)具有第二衬底(21)，其中，所述第一和第二半导体器件（10,20)通过晶圆连接部(40)彼 此连接，其特征在于，所述传感器单元(1)具有脱耦结构(50)，该脱耦结构(50)配置为，使得 所述传感器结构（12)热机械地和/或机械地与所述第二半导体器件(20)脱耦。2. 根据权利要求1所述的传感器单元（1)，其特征在于，所述脱耦结构（50)具有沟槽结 构(51)，其中，所述沟槽结构(51)沿与所述第一衬底（11)的主延伸平面(100)垂直的法线方 向（103)延伸进入所述第一衬底(11)中或者完全延伸穿过所述第一衬底(11)。3. 根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元（1)，其特征在于，所述脱耦结构(50) 具有耦合元件（52)，所述耦合元件（52)用于将所述传感器结构（12)耦合到所述第一衬底 (11) 的主体结构（IV )上。4. 根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元（1)，其特征在于，所述沟槽结构(51) 主要平行于所述第一衬底（11)的所述主延伸平面(100)延伸，其中，所述沟槽结构(51)包围 所述传感器结构（12)，其中，所述沟槽结构(51)尤其是回曲形或框形的，尤其是环形的。5. 根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元，其特征在于，所述脱耦结构包括至 少一个膜片元件(55)，所述至少一个膜片元件(55)覆盖所述第一半导体器件（10)的层结构 中的空洞(56)并且构造在所述晶圆连接部(40)上方的区域中。6. 根据权利要求5所述的传感器单元，其特征在于，在所述至少一个膜片元件(55)下方 的所述空洞(56)是封闭的或者具有至少一个压力平衡开口（58)。7. 根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元（1)，其特征在于，所述传感器结构 (12) 具有由所述第一衬底（11)包含的结构元件（120)以及由所述第一半导体器件（10)的功 能层（13)包含的传感器元件（123 )，其中，所述传感器元件（123)通过所述耦合元件(52)与 所述第一衬底（11)仅仅间接地连接，其中，所述耦合元件(52)尤其由所述第一衬底（1)和/ 或由所述功能层（13)形成。8. 根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元（1)，其特征在于，所述传感器单元 (1)具有空腔（60)和/或独立的另一空腔(60')，其中，所述空腔（60)和/或所述另一空腔 (6(T)布置在所述第一和第二半导体器件（10,20)之间，其中，所述晶圆连接部(40)具有包 围所述空腔(60)和/或所述另一空腔(6(Τ)的键合框结构(42)，该键合框结构(42)配置为， 使得所述空腔(60)和/或独立的所述另一空腔(6(Τ)能够气密地密封或已经气密地密封，其 中，通风道（16)尤其延伸穿过所述第一衬底（11)直至所述空腔(60)或所述另一空腔(6(Τ) 中。9. 根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元（1)，其特征在于，所述传感器结构 (12)是压力传感器结构，其中，在所述第一衬底（11)中布置有压力传感器通道（14)，其中， 所述压力传感器通道（14)延伸进入所述传感器单元（1)中直至所述压力传感器结构的膜片 (18) 〇10. 根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元（1)，其特征在于，所述传感器单元 (1)具有构造在所述第一衬底(11)中的敷镀通孔(15)，尤其是硅敷镀通孔，该敷镀通孔用于 所述传感器结构（12)的所述传感器元件(123)的电接触。11. 根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元（1)，其特征在于，所述脱耦结构 (50)是填充以填充材料(54)的沟槽结构(51)，其中，所述填充材料(54)尤其是聚合物材料， 其中，所述填充材料(54)具有的弹性模数比所述第一衬底（11)的衬底材料、尤其硅材料小 至少一个数量级。12. -种用于制造根据以上权利要求中任一项所述的传感器单元（1)的方法，其特征在 于，在第一制造步骤中，提供具有第一衬底（11)和传感器结构（12)的第一半导体器件（10)， 其中，提供具有第二衬底(21)的第二半导体器件(20)，其中，在第二制造步骤中，将所述第 一和第二半导体器件（1〇,20)通过晶圆连接部(40)彼此连接成所述传感器单元（1)，其中， 在第三制造步骤中，形成脱耦结构（50)，该脱耦结构用于使所述传感器结构（12)热机械地 和/或机械地与所述第二半导体器件(20)脱耦。13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述第三制造步骤中，通过时间控制 的蚀刻，尤其通过反应离子深度蚀刻，和/或借助激光射束在所述第一半导体器件（10)中， 尤其在所述第一衬底(11)中，结构化出： -所述脱耦结构(50)，和/或 -压力传感器通道（14)，和/或 -覆镀通孔孔洞（15')，和/或 -通风道（16)，和/或 -绝缘结构。14. 根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在所述第三制造步骤中，在所述第 一半导体器件(10)中，尤其在所述第一衬底(11)中，同时形成： -所述脱耦结构(50)，和/或 -所述压力传感器通道（14)，和/或 -所述覆镀通孔孔洞（15')，和/或 -所述通风道（16)，和/或 -所述绝缘结构。
【文档编号】B81C3/00GK106029554SQ201580009172
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月5日
【发明人】J·克拉森, T·克拉默, D·C·迈泽尔, H·本泽尔, J·弗莱, C·舍林
【申请人】罗伯特·博世有限公司