专利名称：具有导电沿的半导体组件及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及电子器件，特别涉及加帽(capped)的电子器件。
背景技术：
微电机系统(即“MEMS”)是能够被构造为执行多种功能的高度小型化的器件。例如，MEMS器件可被实现作为加速度计，用于测量运动物体的加速度。例如，一种类型的MEMS加速度计具有响应于加速度相对于下方的衬底运动的悬挂质量块。由此可以计算出作为悬挂质量块相对于其下方衬底运动的函数的加速度。
由于其具有相对小型的尺寸，因此MEMS器件的机械结构(例如上述加速度计中的悬挂质量块)通常既易损又敏感。因此，许多看似无害的情况会损害MEMS的性能，例如灰尘、湿气和静电。技术人员通过使敏感的MEMS机械结构与环境隔离来解决这一问题。例如，一种隔离方法是在机械部件上结合帽。
虽然对MEMS结构进行隔离通常是令人满意的，但是这种解决方案产生了其他的问题。特别地，所述帽会积累相对大量的静电荷，该静电荷会不利地影响器件性能和/或损坏MEMS器件。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种装置具有第一和第二晶片以及在第一和第二晶片之间的导电沿(rim)。导电沿电气地且机械地连接第一晶片和第二晶片。另外，导电沿和第二晶片至少部分地密封第一晶片表面上的一区域。
在一些实施例中，导电沿和第二晶片气密地密封第一晶片的表面上的所述区域。尤其是，导电沿可以是硅化物。
第一晶片上的该密封区域可以包括多种构造，诸如MEMS结构。在这种情况下，导电沿示例性地与MEMS结构电气隔离。此外，第二晶片可以包括帽，其可以部分地保护MEMS结构不受环境的影响。
在一些实施例中，第一晶片包括能够通过导电沿向第二晶片传递偏置电压的电路。所述电路可以具有最高温度，其中所述电路能够暴露在该最高温度下。在这种情况下，导电沿示例性地由这样的材料制成，即所述材料在低于所述电路能够暴露的最高温度的温度下可以互扩散和/或熔融。
第一晶片和第二晶片中的至少一个晶片可以由硅基材料制成。例如，第一晶片和第二晶片中的至少一个晶片可以由多晶硅、单晶硅或硅锗构成。
根据本发明的另一个方面，一种形成MEMS器件的方法，其在第一和第二晶片之间放置沿材料，以形成中间装置。沿材料被这样放置，使得其形成限定第一晶片上的一区域的闭合环。该方法对中间装置加热并加压。在加热和加压之后，沿材料与第一和第二晶片共同作用，以密封第一晶片上的所述区域，并且电气地且机械地连接第一晶片和第二晶片。
在示例性实施例中，第二晶片与第一晶片基本上平行。沿材料可以通过将第一和第二晶片结合为一体来与第一和第二晶片共同作用，以形成包括沿材料的复合材料。例如，沿材料扩散到第一和第二晶片内以形成硅化物材料。
该方法可以在第一晶片上的所述区域内形成MEMS结构。还可以在第一晶片上形成电路。尤其是，所述电路能够通过该沿材料向第二晶片施加偏置电压。
通过以下结合附图进行的进一步描述，本发明的以上特征和优点将会更加清楚，其中图1示意性地示出了可根据本发明的示例性实施例加帽的电子器件的立体图；图2示意性地示出了图1中所示的器件沿X-X线的剖视图，其中所述器件是根据本发明的一个实施例构造的；图3示出了根据本发明的各实施例形成图2中所示的电子器件的工艺；图4示意性地示出了对MEMS器件实施本发明的可选实施例的剖视图，其中所述MEMS器件具有在同一管芯上的电路和结构；图5示意性地示出了对MEMS器件实施本发明的另一个可选实施例的剖视图，其中所述MEMS器件具有在同一管芯上的电路和结构以及在帽上的电路；图6示意性地示出了对MEMS器件实施本发明的又一个可选实施例的剖视图，其中帽有效地形成了另一个MEMS器件。
具体实施例方式
在示例性实施例中，MEMS器件具有将帽固定在MEMS管芯上的导电沿(conductive rim)。该导电沿既将MEMS结构密封在MEMS管芯上，又将该帽电气地与地或固定的偏压连接。其中，导电沿可以至少部分地由硅化物形成，所述硅化物将帽和MEMS管芯一体地耦合。以下将对各种实施例进行详细描述。
图1示意性地示出了可根据本发明的示例性实施例构造的一种普通的MEMS器件10。所示的MEMS器件10包括与电路管芯14耦合的加有帽的MEMS管芯12。由此，所示的MEMS管芯12具有由电路管芯14上的电路控制和/或监控的结构。电路管芯14具有与外部设备(诸如计算机)进行电通信的焊盘16或者其他互连。为了进一步保护MEMS器件10免受环境影响，传统的工艺可以将整个MEMS器件10安装在封装内。
MEMS器件10可以是任何现有的公知的MEMS器件10，诸如惯性传感器。例如，MEMS器件10可以是陀螺仪或加速度计。在转让给马萨诸塞州(Massachusetts)诺伍德(Norwood)的模拟器件公司(AnalogDevices，Inc)的第6,505,511号专利中很详细地描述了示例性的MEMS陀螺仪。而且，在转让给马萨诸塞州诺伍德的模拟器件公司的第5,939,633号美国专利中很详细地描述了示例性的MEMS加速度计。在此，通过参考，将第5,939,633号和第6,505,511号美国专利中所公开的全部内容并入本文。
图2示例性地示出了图1中所示的器件沿着X-X线的剖视图。具体地，MEMS器件10包括上述的MEMS管芯12(例如由诸如硅的硅基材料构成)，MEMS管芯12具有安装在其顶部的硅基的帽18以及安装在其底部的上述电路管芯14。帽18示例性地由多晶硅形成，并且被蚀刻为具有由帽沿22限定的腔20，该腔20自帽沿22的内侧延伸。腔20位于MEMS管芯12的中部的上方，所述MEMS管芯12包括用于实现MEMS功能的主结构24。例如，如果MEMS管芯12为加速度计，则结构24可包括悬挂在衬底26上方的可移动质量块。
根据示例性实施例，考虑使MEMS器件10形成导电沿28，该导电沿28围绕MEMS管芯12上的MEMS结构24。尤其是，导电沿28形成保护MEMS结构24免受环境影响的气密密封。例如，气密密封可以保护结构24免受尘埃、湿气和灰尘的影响。在可选实施例中，导电沿28为MEMS结构24提供了非气密密封。正如本领域技术人员所公知的，非气密密封可以保护MEMS结构24免受尘埃和污垢的影响，但是不能防止湿气。
除了密封MEMS结构24之外，导电沿28还使帽18通过MEMS管芯12与电路管芯14电气连接。因而，MEMS管芯12包括从导电沿28穿过MEMS管芯12延伸到电路管芯14的通路32和接触部34(例如球栅阵列的焊球)。电路管芯14上的电路30将帽18的电位设定为地电平或任何所需的电平。
对于这些端部，MEMS管芯12具有与从帽18延伸出的帽沿22一体地耦合的多晶硅材料的沿(从衬底26延伸，在此称为“MEMS的沿36”)。在示例性实施例中，帽沿22和MEMS的沿36在具有相对较高的硅化物浓度的、非严格限定的相交区域38处相遇(以下将参照图3进行说明)。所述硅化物的浓度可以在相交区域38的中部最高，并且在其非严格限定的端部基本上降为零。此外，导电沿28(由相交区域38、MEMS的沿36和帽沿22形成)优选地与MEMS结构24电气隔离，以确保能够精确地控制施加在帽18上的电位。
在示例性实施例中，MEMS的沿36还起到传感器元件的作用。此外，可选地，MEMS的沿36可作为接地元件、电路元件、或者虚拟机械结构。
图3示意性地示出了形成图2中所示的MEMS器件10的工艺。应该注意到可以以不同于所讨论的顺序的顺序来执行该工艺中的各步骤。另外，本领域技术人员应该理解，可以执行附加的步骤，同时可以省略其他一些步骤。
工艺开始于步骤300，其中根据传统工艺形成MEMS管芯12。在其他工艺中，还可以使用传统的表面微机械加工工艺来形成MEMS管芯12。可选地，可以使用绝缘体上硅(“SOI”)工艺。如上所述，管芯可由诸如多晶硅的硅基材料形成。然而，在可选实施例中，也可以使用其他类型的材料。例如，MEMS管芯12的全部或选定部分可以使用单晶硅或者硅锗。在任何情况下，MEMS的沿36的导电率应该被控制在满意的水平。如果需要的话，可能需要进行一些掺杂来确保合适的导电特性。
然后在步骤302中形成帽18。与MEMS管芯12的方式类似，可以根据传统工艺(例如表面微机械加工工艺)由多晶硅晶片(或者其他材料)形成帽18。示例性地选择腔20和帽沿22的尺寸，以确保与MEMS管芯12具有足够的间隙(clearance)。特别地，腔20应足够大，以便不会影响MEMS管芯12上的结构24的运动。
接下来继续到步骤304，其中利用传统工艺来形成电路管芯14。可以使用任何设计成能够实现所需功能的传统电路。例如，可以使用上述引入的专利中所示的电路。特别地，如果MEMS器件10为加速度计，则可以使用第5,939,633号美国专利中所示的电路，来感测MEMS管芯12中的静电变化。应该注意到，在示例性的实施例中，MEMS管芯12、帽18和电路管芯14中的每一个都被形成为在单个晶片上的相同元件阵列中的一个。
然后，可以利用传统工艺来使帽18的底部金属化(步骤306)。例如，可以在帽18的底部上溅射淀积铂层40。然后，将金属化的帽18放置在MEMS管芯12上，使得MEMS的沿36与帽沿22直接接触。
在该工艺中的这一步骤，MEMS管芯12和帽18未被固定在一起。因此，为了将它们熔合在一起，该中间装置需要经受足以在相交区域38中形成硅化物结合的相对较高的温度和压力(在步骤308中)。本领域技术人员能够选择该适当的温度和压力。仅作为示例，使上述中间装置经受约280-450摄氏度之间的温度和约两个大气压的压力，持续大约四十到五十分钟，可以提供令人满意的结果。
由此，该工艺中的这一步骤可以在相交区域38中产生铂-硅化物。正如本领域技术人员所公知的，由于铂向多晶硅中的互扩散，因此两个沿的外部以及两个沿之间的铂共同形成了基本上为一体的且导电的连接体。由此，铂的浓度在相交区域38的中部最高(例如百分之五十的铂和百分之五十的多晶硅)，同时以距该中部的距离为函数，铂的浓度降低至零。
可以使用除了铂以外的其他材料来产生硅化物结合。例如，可以使用钨或钛。然而，使用这种所述材料通常需要比铂所需的温度更高的温度来形成它们各自的硅化物结合。因此，对于在中间装置(例如，参见将在以下描述的图4-6)上具有电路30的实施例，不推荐使用钨或钛，因为这样的高温可能会对电路30产生不利的影响。换言之，选作形成硅化物结合的材料应该是在低于会对MEMS器件10的电路30或其它对温度敏感的部件产生不利影响的温度以下可以互扩散(和/或熔融)的(材料)。
也可以使用其他类型的结合。例如，除了形成硅化物结合外，也可以使用基于焊料的结合。然而，采用这种结合需要额外的工艺步骤。特别地，除了至少金属化帽沿22外(如上所述)，MEMS的沿36也被金属化。继续上述示例，以与帽沿22类似的方式，MEMS的沿36也可以用铂或其他可焊接的材料来溅射淀积。然后在相对较低的温度下涂布和固化焊料。
如上所述，导电沿28示例性地完全环绕MEMS结构24，以在帽18和电路30之间提供气密密封和导电路径。在一些实施例中，导电沿28形成环绕结构24的圆环。在其它实施例中，导电沿28形成为环绕MEMS结构24的其他一些形状(例如椭圆形、矩形或不规则形状)。
在形成了硅化物结合之后，工艺继续到步骤310，其中MEMS管芯12(或者晶片，在可能的情况下)的底部经受暴露通路32的减薄工艺(例如，背面研磨或回刻蚀工艺)。然后，可以将导电接触部34安装在通路32的底部(步骤312)，其随后被安装在电路管芯14的上表面上的相应的接触部上(步骤314)。然后对晶片进行划片，从而完成该工艺。如上所述，在全部形成之后，得到的MEMS器件10可以安装在封装内、倒装在电路板上(在一侧形成了接触部后)、或者以任何传统的方式使用。
因此，如图2所示以及如上所述，帽18通过导电沿28、相应的通路32以及MEMS衬底26的底部上的焊球接触部34与电路管芯14电气连接。电路管芯14上的电路30可将帽18的电位设置为地电平或者任何所需的电平。可选地，穿过MEMS管芯12到达导电沿28的导电路径可以终止于外部引脚，所述引脚可以外部地接地或者被设置为任何所需的电位，诸如0.2伏。
图4示出了MEMS器件10的可选实施例。MEMS管芯12可以包括结构24和电路30，而不具有分离的电路管芯14。与图2所示的MEMS管芯12的方式类似，本实施例的MEMS管芯12可以以传统的方式制作，诸如通过使用表面微机械加工或者SOI工艺。
图5示出了另一种实施例，其中使用了一种“智能帽”。特别地，帽18可以具有与MEMS管芯12中的电路30共享或兼容(compliment)工艺的电路30。代替或除了偏置电位之外，帽18和MEMS管芯12之间和导电路径还可以传送数据消息。图6还示出了另一个实施例，其中将两个MEMS管芯12安装在一起。应该注意到图1-6中所示的各实施例中的部件可以相互结合以形成其他的实施例。例如，代替具有集成电路30的MEMS管芯12，图6中的电路30可以位于如图2所示的一个或多个分离的电路管芯14上。
通常来说，本发明的各实施例具有导电沿28，其以密封各晶片中的至少一个晶片上的内部区域(例如，具有敏感结构24的区域)的方式将两个晶片耦合在一起。除了(或替代)其他的导电路径之外，该导电沿28也可用于在各晶片中的至少一个晶片与其他一些晶片之间进行电通信。因此，应该避免在帽18和MEMS结构24之间产生非故意的电位差。
也可以使用与上述的材料不同材料。此外，一些实施例可应用于除了MEMS器件以外的其他器件。例如集成电路和其他类型的器件可以实施本发明的各方面。因此，对MEMS器件的描述仅是示例性的，而并非是对本发明所有实施例的限制。
虽然以上描述公开了本发明的多种示例性实施例，但是很明显，在不偏离本发明真正的保护范围的情况下，本领域技术人员可以进行实现本发明某些优点的各种修改。
权利要求
1.一种装置，包括第一晶片；第二晶片；以及在第一晶片和第二晶片之间的导电沿，导电沿电气地且机械地连接第一晶片和第二晶片，导电沿和第二晶片至少部分地密封第一晶片表面上的一区域。
2.如权利要求1所述的装置，其中导电沿和第二晶片气密地密封第一晶片表面上的所述区域。
3.如权利要求1所述的装置，其中导电沿包含硅化物。
4.如权利要求1所述的装置，其中第一晶片上的所述区域包括MEMS结构。
5.如权利要求4所述的装置，其中导电沿与MEMS结构电气隔离。
6.如权利要求4所述的装置，其中第二晶片包括帽。
7.如权利要求1所述的装置，其中第一晶片包括能够通过该导电沿向第二晶片传递偏置电压的电路。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述电路具有能够将其暴露的最高温度，导电沿由这样的材料制成，即所述材料在一定温度下互扩散或熔融，该一定温度是低于能够将所述电路暴露的该最高温度以下的温度。
9.如权利要求1所述的装置，其中第一晶片和第二晶片中的至少一个晶片包括硅基材料。
10.如权利要求1所述的装置，其中第一晶片和第二晶片中的至少一个晶片由多晶硅、单晶硅或硅锗构成。
11.一种MEMS器件，包括第一晶片；第二晶片；以及在第一晶片和第二晶片之间的导电密封部件，导电密封部件电气地且机械地与第一晶片和第二晶片连接，第二晶片和导电密封部件至少部分地密封第一晶片表面上的一区域。
12.如权利要求11所述的MEMS器件，其中该导电密封部件包括在第一和第二晶片之间的硅化物结合。
13.如权利要求11所述的MEMS器件，进一步包括用于通过该导电密封部件向第二晶片施加偏置电压的部件，该施加部件位于第一晶片上。
14.一种形成MEMS器件的方法，该方法包括在第一和第二晶片之间放置沿材料，以形成中间装置，该沿材料形成了限定第一晶片上的一区域的闭合环；向中间装置施加压力；以及对中间装置加热，在加热和加压之后，该沿材料与第一和第二晶片共同作用，以密封第一晶片上的所述区域，并且电气地连接第一晶片和第二晶片。
15.如权利要求14所述的方法，其中第二晶片与第一晶片基本上平行。
16.如权利要求14所述的方法，其中该沿材料通过将第一和第二晶片结合为一体来与第一和第二晶片共同作用，以形成包括该沿材料的复合材料。
17.如权利要求14所述的方法，其中将该沿材料扩散到第一和第二晶片内以形成硅化物材料。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括在第一晶片上的所述区域内形成MEMS结构。
19.如权利要求14所述的方法，进一步包括在第一晶片上形成能够通过该沿材料向第二晶片施加偏置电压的电路。
20.一种利用权利要求14所述的方法形成的MEMS器件。
全文摘要
一种装置具有第一和第二晶片，以及在第一和第二晶片之间的导电沿。导电沿电气地且机械地连接第一晶片和第二晶片。另外，导电沿和第二晶片至少部分地密封第一晶片表面上的一区域。
文档编号B81B7/02GK1906120SQ200480040441
公开日2007年1月31日 申请日期2004年12月9日 优先权日2003年12月15日
发明者苏珊·A·阿里, 布鲁斯·K·瓦赫特曼, 迈克尔·朱蒂, 大卫·克内德勒 申请人:模拟设备公司