混合集成的部件和用于其制造的方法与流程

本发明涉及一种混合集成的部件，所述混合集成的部件包括具有微机械的结构的至少一个MEMS(微电子机械系统)构件，该结构延伸在MEMS衬底的整个厚度上。所述微机械结构的至少一个结构元件可偏转并且与电容器装置作用连接，所述电容器装置包括至少一个可运动的电极和至少一个固定的电极。此外，所述部件还包括具有所述电容器装置的至少一个电极的ASIC构件。MEMS构件装配在ASIC构件上，从而在微机械结构和ASIC构件的表面之间存在间隙。此外，本发明还涉及用于制造这类混合集成的部件的方法。

背景技术：
具有MEMS构件的部件多年来对于最不同的应用、例如在汽车技术和消费者电子的领域内被批量加工制造。在此，部件的微型化越来越有意义。一方面，微型化有助于大大降低部件的制造成本并且因此有助于降低终端设备的制造成本。另一方面，尤其应在消费者电子领域内将越来越多的功能并且因此将部件容纳进终端设备中，而终端设备本身变得越来越小。因此，对于各个部件，在应用印刷电路板上越来越少的空间可供使用。由实际中已知用于传感器部件的不同微型化概念，其在部件中提供微机械实现的传感器功能和传感器信号的电路技术的处理和分析处理的集成。除了MEMS功能和ASIC功能在共同的芯片上的横向集成之外，也已经有用于所谓的垂直混合集成的概念，据此，芯片堆叠由ASIC、MEMS和帽晶片构成。这类垂直集成部件以及用于其制造的方法在US2011/0049652A1中说明。已知的方法规定，将用于MEMS部件的初始衬底键合在经处理的ASIC衬底上。此后才在MEMS衬底中产生微机械的结构，其包括至少一个可偏转的结构元件。帽晶片被与此无关地结构化并且被预先准备用于在MEMS衬底的微机械结构上和在ASIC衬底上的装配。如此处理的帽晶片在MEMS衬底的结构化之后键合在ASIC衬底上，从而在ASIC衬底和在帽晶片之间的微机械结构被密封包围。在US2011/0049652A1中描述的部件配备有电容器装置，根据MEMS功能，所述电容器装置可以被用作驱动装置用于使可偏转的结构元件运动或也可以用于检测结构元件的由外部引起的偏转。为此，电容器装置包括至少一个可偏转的电极和固定的电极，所述至少一个可偏转的电极在此位于MEMS构件的可偏转的结构元件上，所述固定的电极在此被构造在ASIC衬底的表面上的结构化的金属层中。已知的部件概念能够实现具有微机械功能和信号处理电路的稳固部件的成本有利的大量生产，因为在此不仅各个部件组成部分——MEMS构件、帽和ASIC在晶片复合体中被建立，而且其到部件的装配在晶片层面上实现。可以在晶片层面上测试MEMS功能和ASIC功能，并且甚至还可以在分离之前在晶片层面上进行各个部件的调谐。此外，已知的部件由于堆叠的结构需要相对小的装配表面，这有利地影响终端设备的制造成本。电容器装置的电极一方面在MEMS构件的下侧上并且另一方面在ASIC构件的最上面的金属层面上的定位被证明是有问题的。因为这样的电容器装置与相对置的电极之间的间距成反比并且两个构件之间的间隙通常相对大，因此，电容器装置的电容在此在给定的电极表面的情况下相对小。与此相应，当电容器装置被用于测量目的时，测量灵敏度相对小。如果电容器装置被用于控制可运动的结构元件，则必须施加相对高的电压，以便实现预先规定的偏转。此外，已知部件的电容器装置不能够容易地通过第三电极层面补充用于全差分的信号检测或控制。它在此必须在帽的下侧上、因此同样以相对大的间距设置。

技术实现要素：
借助本发明，提出用于实现开头所述类型的混合集成的部件，其电容器装置不仅能够实现具有相对高灵敏度的信号检测而且能够实现MEMS构件的微机械结构的灵敏控制。为此，根据本发明，电容器装置的至少一个电极从ASIC构件的层结构中脱离出并且替代地机械和电地连接在MEMS构件的可偏转的结构元件上，从而所述电极作为电容器装置的可运动的电极起作用。与由US2011/0049652A1公开的组件结构不同，电容器装置的可运动的电极相应地从MEMS结构的层面转移到ASIC层面上，即从MEMS构件和ASIC构件之间的间隙的一侧到此间隙的另一侧上，电容器装置的至少一个固定的电极也有意义地位于所述间隙的该另一侧上。通过这种方式可以实现电容器装置，其中可运动的和固定的电极之间的间距与构件之间的间隙宽度无关并且因此可以比所述间隙显著更小。此外，在多个固定的电极的相应布置中还可以简单地实现具有三个电极层面的差分的电容器装置。然后，可运动的电极如此设置在至少两个固定的电极之间，使得在可运动的电极偏转时，至这两个固定的电极中一个电极的间距减小，而至另一个固定的电极的间距以相同的程度增大。除了可运动的电极的层面，根据本发明的部件的每个电容器装置还可以相应地包括用于固定的电极的一个另外的电极层面或当涉及差分的电容器装置时，也包括用于固定的电极的两个另外的电极层面。这样的电极层面例如可以集成在MEMS构件的层结构中。然而，在根据本发明的部件的一种优选的实施方式中，用于固定的电极的至少一个电极层面集成在ASIC构件的层结构中。如已经提到的，以这种方式可以实现特别小的电极间距。因此，这类电容器装置在通过芯片大小限界的电极面的情况下具有相对大的电容。根据所要求保护的用于制造这类混合集成的部件的方法，首先处理ASIC衬底。在此，也已经施加至少一个电容器装置的至少一个电极。然后，在ASIC衬底上装配MEMS衬底。在MEMS衬底的处理范围内，产生至少一个过孔接触结构，用于所述至少一个施加在ASIC衬底中的电极的机械和电的连接。此外，产生微机械结构，其延伸在MEMS衬底的整个厚度上。在ASIC侧释放所述微机械结构的至少一个结构元件。此外，将所述至少一个施加在ASIC衬底中的并且通过至少一个过孔接触结构连接到结构元件上的电极从ASIC衬底的复合结构中脱离。用于在ASIC衬底中的可运动和固定的电极的电极层面的施加优选在已知的CMOS过程的范围内进行。在此，在一个初始衬底上产生一个层结构，所述层结构包括多个在至少一个绝缘层中埋入的和结构化的金属层以及一个在ASIC正面上的结构化的金属层。各个电极层面的电极在所述金属层的结构化时被构造。已知通过所谓的过孔接触结构建立芯片堆叠的各个芯片之间的电连接。为此，在相关的芯片内产生通孔并且用导电的材料——例如借助钨或铜填充。在本发明的一种有利的实施方式中，在可偏转的构件和施加在ASIC衬底上的电极之间的机械和电的连接通过至少一个这种过孔接触结构建立，所述这种过孔接触结构随后延伸穿过微机械结构的整个厚度并且延伸在MEMS构件和ASIC构件之间的间隙上。根据本发明的部件概念特别适合于实现无接触式工作的传感器——例如加速度传感器、转速传感器和其他的惯性传感器。在惯性传感器的情况下，微机械的传感器结构包括至少一个弹性悬挂的振动质量(seismischeMasse)，其由于加速度而偏转。所述加速度也可以通过离心力或旋转运动引起。因为根据本发明，MEMS构件的微机械结构延伸在MEMS衬底的整个厚度上，所以在此在相对小的芯片面上可以实现非常大的振动质量，这有利地影响测量灵敏度。此外，借助根据本发明的电容器装置可以非常精确地检测振动质量的偏转。在ASIC构件上有利地集成用于处理和分析测量信号的主要的电路部分，从而MEMS传感器元件和ASIC构件构成一个功能单元。应该封装这类传感器元件的微机械结构，以便使对测量信号的环境影响最小化并且保护传感器结构免受杂质、湿度和颗粒损坏。此外，通过这种方式可以提供已定义的用于传感器结构的压力情况，该压力情况主要参与决定传感器的阻尼状态。这类封装例如可以通过以下方式实现：由ASIC衬底和已处理的MEMS衬底组成的晶片堆设有预先结构化的帽晶片，从而微机械结构被密封地包围在ASIC衬底和帽晶片之间。根据本发明的制造方法可以以多种方式变化，尤其是就各个构件的处理而言，而且就各个构件和最终部件的外部电触点接通之间的机械和电的连接而言。在此，必须考虑待制造的部件的功能、确定和装配位置。如已经提到的那样，在ASIC构件上优选集成用于部件的MEMS构件的信号处理并且必要时的分析电路的部分。但显然，ASIC构件也可以配备有其他电路功能。此外，在ASIC衬底的处理的范围内可以进行表面的结构化，在所述表面上应装配MEMS衬底。在此，可以产生ASIC表面中的凹处，以便确保MEMS构件的结构元件的可运动性。在一个优选的方法方案中，在ASIC表面上产生管底结构。MEMS衬底装配在所述直立型结构上，从而间隙位于ASIC衬底和MEMS衬底之间。MEMS衬底的结构化随后在蚀刻过程中实现，所述蚀刻过程穿透MEMS衬底的整个厚度。MEMS衬底也可以通过至少一个牺牲层装配在已处理的ASIC衬底的正面上。在这种情况下，可以在牺牲层蚀刻过程中在ASIC侧释放MEMS构件的微机械结构，其中至少在可偏转的结构元件之下去除牺牲层的材料。MEMS衬底和ASIC衬底之间的连接优选在一键合过程中建立，因为通过这种方式不仅可以在MEMS构件和ASIC构件之间实现密封的机械的连接而且可以实现可靠的电连接。为此，一些已知的和实践中已试验的过程方案可供使用。如已经提到的，MEMS构件的微机械结构在此总是延伸在MEMS衬底的整个厚度上。因此在大多数应用中证明有利的是，在ASIC衬底上的装配之后和在结构化之前首先将MEMS衬底变薄直至一个预先规定的结构高度。MEMS衬底的结构化优选在挖沟过程中实现，因为借助所述方法可以产生具有特别高的纵横比的沟槽结构。如果施加在ASIC衬底中的电极涉及金属电极，则可以特别简单地在牺牲层蚀刻过程中从ASIC衬底的复合体中脱离出测量电容器装置的所述至少一个可运动的电极。蚀刻侵蚀在此通过在MEMS衬底中的沟槽来实现，通过所述沟槽限定MEMS衬底的微机械结构。在此，至少局部地去除绝缘层的材料，而不侵蚀电极本身。在第二级装配的范围内，根据本发明的部件的机械固定优选通过ASIC构件实现。为此，在有利的部件方案中，在ASIC构件中构造过孔接触结构、所谓的TSV(ThroughSilliconVias：穿透硅过孔)，其使得能够在印刷电路板上实现部件的直接装配。在此，除了在印刷电路板上机械固定部件之外，还建立至在印刷电路板上的导体电路的电连接。但当在ASIC构件上构造相应的暴露的连接盘时，这类部件的外部电触点接通也可以经由引线键合来实现。附图说明如先前已经讨论的，有不同的可能性来以有利的方式设计和扩展本发明。为此，一方面参考前述发明内容中的相关技术方案并且另一方面根据附图参考对本发明的多个实施例的后续说明。图1-6根据示意性的剖视图说明依照根据本发明的部件概念的具有电容器装置的传感器部件的MEMS/ASIC镜片堆的制造，图7、8示出具有外部的电触点接通的两个封装的传感器部件的示意性剖视图以及图9-11示出具有不同的传感器布置的三个其他的根据本发明的传感器部件的MEMS/ASIC晶片堆的示意性剖视图。具体实施方式在根据本发明的用于制造具有至少一个MEMS构件和至少一个ASIC构件的混合集成的部件的方法的范围内，首先处理ASIC衬底10。在此，在初始衬底11——例如半导体衬底上产生具有多个电路层面1至5的层结构。所述电路层面1至5以结构化的金属层1至5的形式实现，这些金属层通过绝缘层在空间上和电方面相互分离并且与初始衬底11分离。因为在此所示的实施例中绝缘层分别涉及氧化层，所以在此不区分各个绝缘层。相反地，所述绝缘层一起构成一个绝缘层12，在其上设置结构化的金属层1，其他的金属层2至5埋入到绝缘层12中，如在图1中所示那样。根据本发明，在金属层1和2的结构化中已经分别施加电容器装置的电极51和52。此外，在ASIC衬底10的这些电路层面中有利地集成用于附属的MEMS构件的信号处理和分析电路的至少部分。除此之外，还可以实现与MEMS无关的电路功能。在任何情况下，在整个芯片面上的所有电路层面可以被用于电路功能，除了在金属层1和2中的电极区域51和52之外。在此不单独描述ASIC衬底10的CMOS处理，因为其不通过本发明详细说明，除了电容器装置的电极的施加之外。已处理的ASIC衬底10的表面在此设有氮钝化13，该氮钝化已结构化，以便能够实现ASIC衬底10的最上面的电路层面1的电触点接通、尤其是电极51的触点接通。为了MEMS衬底的装配，随后在ASIC衬底10的表面上沉积出和结构化氧化层14。在此，提供用于ASIC衬底10的第一电路层面1的和尤其是电极51的电触点接通的入口。此外，在ASIC衬底10和MEMS衬底之间产生直立型结构14。图2示出结构化过程的结果。已结构化的氧化层14构成用于未结构化的MEMS衬底20的装配面。在此在等离子激活的直接键合方法中建立MEMS衬底20和ASIC衬底10之间的连接，该连接在此是密封的。现在例如在磨削过程中变薄相对厚的MEMS衬底20，直至其厚度大约等于MEMS构件的所需的结构高度。所述厚度通常位于10μm和150μm之间的范围内。图3示出ASIC衬底10同已变薄但还未结构化的MEMS衬底20并且说明直立型结构14作为在ASIC衬底10的闭合的表面和MEMS衬底20之间的间隔件的功能。在与ASIC衬底10的复合中才结构化MEMS衬底20。在本实施例中分两步实现结构化。第一结构化步骤用于产生过孔接触结构、所谓的过孔22。在此，在MEMS衬底20中产生具有基本上圆形的横截面的通孔，所述通孔通到直立型结构14中的开口，更确切地说，在那里，用于ASIC衬底10的电触点接通的钝化层13已经被打开。这类通孔尤其是在ASIC衬底10的第一电路层面1中的电极51上方的区域内构造。所述通孔通常具有5:1至20:1的纵横比并且延伸在MEMS衬底20的整个厚度上。通常，在这些通孔在一个沉积过程中借助导电材料22例如铜或钨填充之前，这些通孔的内壁借助导电的扩散势垒——例如氮化钛或钛钨涂层。图4示出在填充通孔之后并且在已经重新移除在MEMS衬底20的表面上沉积的导电材料之后的ASIC衬底10连同MEMS衬底20。在此所示的实施例中，MEMS衬底20的表面此后在过孔22的一部分上设有用于帽晶片的装配的结构化的键合层31。在第二结构化步骤中产生MEMS构件的微机械结构。所述MEMS构件的微机械结构延伸在MEMS衬底20的整个厚度上，如图5中所示那样。不仅对于第一结构化步骤而且对于第二结构化步骤优选地使用挖沟过程，因为借助所述方法可以产生具有特别高的纵横比的结构。在当前情况下，MEMS构件涉及摆动设计(Wippendesign)中的Z-加速度传感器。微机械的传感器结构包括在中心弹性地支承的摆动结构23作为振动质量，它通过MEMS衬底20中的沟槽(Trenchgraeben)24定义和发掘出。然而，在MEMS衬底20结构化之后，该摆动结构23还不可自由运动，因为该摆动结构至少通过过孔接触结构22并且必要时也通过牺牲层14的直立型结构与ASIC衬底10固定连接。摆动结构23的ASIC侧的释放优选在一级的或必要时在二级的牺牲层蚀刻过程中实现，其中首先去除直立型结构14的氧化物材料。随后也去除在ASIC衬底10的第一和第二电路层面1、2中的电极51和52的环境中的绝缘层12的材料。蚀刻侵蚀(Aetzangriff)分别通过微机械传感器结构中的沟槽24、优选通过具有高频的气相蚀刻实现。图6中示出所述一个或多个牺牲层蚀刻过程的结果。图6说明，摆动结构23通过以箭头表示的在中心的过孔接触结构22弹性地与ASIC衬底10连接。在ASIC衬底10中的第一电路层面1中构造的两个电极51通过两个在侧旁设置的过孔接触结构22与摆动结构23不仅机械连接而且电连接。在z方向上加速时，两个电极51连同摆动结构23偏转或倾翻，因为这两个电极51从绝缘层12中并且因此从ASIC衬底10的复合体中脱离出来。在此，在可运动的电极51和对面的固定的电极52之间的电极间隙在摆动结构23的一侧上增大，而该电极间距在另一侧上减小。可运动的电极51因此与在第二电路层面2内构造的固定的电极52一起构成一个测量电容器装置，借助该测量电容器装置可以检测摆动结构23的偏转作为差动电容。因为ASIC衬底10的绝缘层12的各个层通常很薄，所以第一电路层面1的电极51与第二电路层面2的电极52之间的电极间隙同样很小，从而在传感器元件的位移-电容变换时的信号灵敏度很高。在这一点上还应注意，在MEMS结构23和从绝缘层12中脱离出来的金属电极51之间的机械连接不仅用于电极51的位置稳定，而且由此极为有效地抑制金属电极51的弯曲和其他老化效果。图7示出部件100，其基于图6中所示的、由ASIC衬底10和具有摆动结构23的MEMS衬底20组成的晶片堆被制造出。在分离下所述部件之前，一个预先结构化的帽晶片30已经键合在MEMS衬底20上的传感器结构上，以便将传感器结构在定义的压力条件下密封地包围在ASIC衬底10和帽晶片30之间的空腔内。此后，各个部件才例如通过锯切从晶片复合体中脱离。在二级装配范围内，将部件100在ASIC侧装在载体例如印刷电路板上并且在那机械固定。部件100的电触点接通在此通过在第一电路层面1中、即在ASIC构件10的上侧的暴露的连接盘50并且通过连接盘与部件载体之间的引线键合来实现。图8示出如图6中所示那样的在晶片堆上的帽晶片的装配的另一种可能性。在此，帽晶片30也装配在MEMS构件20的传感器结构之上，以便密封地封闭所述传感器结构以防测量环境。然而，在此所示的部件200的情况下，帽晶片30与ASIC衬底10连接，从而MEMS构件20完全设置在ASIC衬底10与帽晶片30之间的空腔32内。部件200特别良好地适合于印刷电路板上的直接装配，因为部件200的电信号通过过孔接触结构201——所谓的TSV(ThroughSilliconVias：穿透硅过孔)在ASIC组件10中引向外部。TSV201从ASIC构件10的最下面的电路层面5延伸直至其背侧，在那里构造有连接盘202。不仅部件200在印刷电路板上的机械固定而且电触点接通可以在此简单地借助焊料凸点203建立。在图9至11中所示的由ASIC衬底10和结构化的MEMS衬底20组成的晶片堆仅仅在测量电容器装置的实现方面不同于根据本发明的部件的在图6中所示的晶片堆。因此，在图9至11的后续描述中，仅仅分别详细解释测量电容器装置。在所示的晶片堆的其他组成部分方面，参考图1至6的描述。图6中所示的测量电容器装置的可运动的和固定的电极51和52在ASIC衬底10的第一和第二电路层面1和2中构造，而在图9的情况中测量电容器装置的电极61和62涉及ASIC衬底10的第二和第三电路层面2和3的电极。可运动的电极61在第二电路层面2中构造并且通过金属支撑点63联接在第一电路层面1中的连接盘64上，所述在第一电路层面内的连接盘64通过过孔接触结构22电和机械地连接到MEMS结构20上。连接盘64与可运动的电极61一起从ASIC衬底10的绝缘层12中脱离出来。测量电容器装置的固定的电极62在可运动的电极61之下设置在第三电路层面3中。所述测量电容器装置的固定的电极62固定地嵌进ASIC衬底10的绝缘层12中。此外，测量信号检测和分析处理在此与图6中所示的测量电容器装置的情况中一样地实现。不同于先前所述的电容器装置，图10中所示的测量电容器装置包括三个电极层面。也就是说，可运动的电极在两个固定的电极之间的电极间隙内偏转。在此所示的测量电容器装置中的固定的电极72和75在ASIC衬底10的第一和第三电路层面1和3中构造，而可运动的电极71施加在ASIC衬底10的第二电路层面2中并且通过金属支撑点73联接在第一电路层面1中的连接盘74上。连接盘74连同可运动的电极71一起从ASIC衬底10的绝缘层12中脱离出来并且为此通过过孔接触结构22电和机械地连接在MEMS结构20上。第一电路层面1的定位在可运动的电极71之上的固定的电极75构造在连接盘74旁并且与可运动的电极71重叠地设置。他们通过金属支撑点73机械地连接在下面的电路层面2、3上并且因此连接到ASIC衬底10上。第三电路层面3的固定的电极72施加在可运动的电极71之下并且固定地嵌进ASIC衬底10的绝缘层12中。可以借助弹性的悬挂装置的两侧上的测量电容器装置将摆动结构23的偏转分别作为电容差检测，这通过图10中的摆动结构23的倾斜的图示说明。当在部件内出现由装配决定的或由热决定的机械应力，其导致摆动结构由原来的静止位置偏转时，全差分测量值检测例如则被证明是有利的。在具有仅两个电极层面的测量电容器装置中，如在图6和9中所示那样，这导致传感器的灵敏度和偏移变化。在具有三个电极层面的测量电容器装置中，可以在尽可能最大程度上消除所述效果对传感器信号的影响，因为在可运动的电极的一侧的电极间隙增大的程度与在所述可运动的电极的另一侧上的电极间隙减小的程度相同。图11中也示出具有三个电极层面的全差分测量电容器装置。然而，在此在ASIC衬底10的电路层面中仅仅施加可运动的电极81和一个固定的电极层面。可运动的电极81从第一电路层面1中结构化出并且通过过孔接触结构22电和机械地连接在MEMS结构20上。固定的电极82构造在可运动的电极81之下的第二电路层面2内并且固定地嵌进ASIC衬底10的绝缘层12中。在可运动的电极81之上的具有固定的电极85的第三电极层面在此在MEMS结构20的固定的边缘区域中实现，从而在图11的情况下，也可以将在弹性的悬挂装置的两侧的摆动结构23的偏转分别作为电容差检测。