專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基板上載置有將傳感器或致動器(機(jī)械的驅(qū)動機(jī)構(gòu))和對此進(jìn)行驅(qū)動的 集成電路混合在一起的微型機(jī)電系統(tǒng)(下面簡稱為"MEMS")的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
利用半導(dǎo)體制造技術(shù)制作的半導(dǎo)體裝置，容易實(shí)現(xiàn)多功能和高性能。目前應(yīng)用種種 MEMS技術(shù)的傳感器或致動器已有產(chǎn)品并提供功能化的系統(tǒng)。這里，需要使進(jìn)行機(jī)械動作的 MEMS和對此進(jìn)行控制的集成電路連接并實(shí)現(xiàn)模塊化。到目前為止，所采取的是MEMS和控 制IC分別單獨(dú)封裝、最后才進(jìn)行電氣連接這種方式。但近年來系統(tǒng)產(chǎn)品在小型化、薄型 化方面有所進(jìn)步，并要求包括MEMS和控制IC兩者的模塊實(shí)現(xiàn)小型化。專利文獻(xiàn)l披露的 是以麥克風(fēng)為主的音響傳感器所適用的MEMS傳感器。該專利文獻(xiàn)1記載的技術(shù)是在電路 基板上橫向配置MEMS傳感器芯片和電路芯片并通過接合線連接。而且，利用金屬罩將包 括上述芯片等的系統(tǒng)進(jìn)行封裝。
而專利文獻(xiàn)2則披露相對于封裝部將MEMS芯片翻過來安裝兩者、然后再密封這種技 術(shù)。在封裝部引出有引線，取得與所需的控制電路連接的接口。
專利文獻(xiàn)1
日本特開2007 — 124500號公報(bào)
專利文獻(xiàn)2
日本特開2007 — 136668號公報(bào)
如上述引用文獻(xiàn)1、 2所示，具有MEMS芯片的半導(dǎo)體裝置中，MEMS芯片具有懸空結(jié)構(gòu)， 因而與通常的LSI (大規(guī)模集成電路)有所不同，需要覆蓋免于外部干擾用的頂部進(jìn)行封 裝。
這里，大多為多芯片構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置主要是使MEMS部、控制IC部、罩部組合安裝。 因此，將分立的部件組合會使水平方向或垂直方向的尺寸變大，導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸增大。而且， MEMS和控制IC兩者間的接口用的是接合線等，但這種情況下布線長度較長，造成系統(tǒng)性 能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是鑒于上述情況，其目的在于提供一種能夠盡可能抑制安裝體積增大、且盡 可能抑制性能降低的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括第一芯片，其內(nèi)部包含具有懸空支承結(jié)構(gòu)的
MEMS器件，頂面具有與所述MEMS器件電連接的第一焊墊和第一接合區(qū)域；第二芯片，其 內(nèi)部包含與所述MEMS器件電連接的半導(dǎo)體器件，頂面具有與所述半導(dǎo)體器件電連接的第 二焊墊和第二接合區(qū)域，所述第二芯片與所述第一芯片相對配置，并使得所述第二焊墊和 所述第二接合區(qū)域分別與所述第一焊墊和所述第一接合區(qū)域相對；電連接部，其對所述第 一焊墊和所述第二焊墊進(jìn)行電連接；以及接合部，其設(shè)置于所述第一接合區(qū)域和與該第一 接合區(qū)域相對的所述第二接合區(qū)域之間，將所述第一芯片和所述第二芯片相接合。 按照本發(fā)明，能夠盡可能抑制安裝體積的增大，并且能盡可能抑制性能的降低。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。 圖2為示出一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的接合前狀態(tài)的立體圖。 圖3為接合的另一方式的說明圖。 圖4為一實(shí)施方式的半導(dǎo)體芯片的平面圖。 圖5為示出一實(shí)施方式的半導(dǎo)體芯片的制造工序的剖視圖。 圖6為示出一實(shí)施方式的MEMS芯片的制造工序的剖視圖。 圖7為示出一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造工序的剖視圖。 圖8為第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。 圖9為第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。 圖10為第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。 圖11為按晶圓規(guī)模接合得到半導(dǎo)體裝置的另一方法的說明圖。 (標(biāo)號說明)
10 半導(dǎo)體芯片 12 SOI基板
12a 支承基板 12b 埋入絕緣膜 12c SOI層
14半導(dǎo)體器件
16層間絕緣膜
17焊墊
18接合區(qū)域
20MEMS芯片
22SOI基板
22a支承基板
22b埋入絕緣膜
22cSOI層
24MEMS器件
25支承部
26層間絕緣膜
27焊墊
28接合區(qū)域
37金屬凸頭
38密封材料
38a金屬凸頭
100半導(dǎo)體晶圓
200MEMS晶圓
具體實(shí)施例方式
下面參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，下面附圖的記載內(nèi)容中，對相同或相類 似部分標(biāo)注相同或相類似的標(biāo)號。但附圖是示意性的，要注意其中厚度和平面尺寸間的關(guān) 系、各層厚度的比例等均與現(xiàn)實(shí)有所不同。因而，具體的厚度或尺寸應(yīng)參照下面的說明進(jìn) 行判斷。而且，附圖相互間包含彼此尺寸關(guān)系或比例不同的部分也是當(dāng)然的。
圖1和圖2示出本發(fā)明一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置。圖1為本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的 剖視圖，圖2為本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體芯片和MEMS芯片接合前的立體圖。
本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)為，包括形成有半導(dǎo)體器件14的半導(dǎo)體芯片10和形 成有MEMS器件24的MEMS芯片20，并配置為半導(dǎo)體芯片10的形成有半導(dǎo)體器件14的面 與MEMS芯片20的形成有MEMS器件24的面相對，由例如粘接材料等所形成的密封材料38
來接合。半導(dǎo)體器件14形成于具有支承基板12a、埋入絕緣膜12b以及SOI (絕緣體上的 硅)層12c的SOI基板12的SOI層12c，是對MEMS器件24進(jìn)行控制的控制電路。形成有 層間絕緣膜16以便覆蓋半導(dǎo)體器件14，而該層間絕緣膜16則形成有與半導(dǎo)體器件14電 連接的電極、觸點(diǎn)、或布線等。在層間絕緣膜16頂面的由涂布有密封材料38的接合區(qū)域 18所包圍的區(qū)域上,設(shè)置有與MEMS器件24進(jìn)行電連接用的焊墊17。該焊墊17通過形成 于層間絕緣膜16上的觸點(diǎn)等與半導(dǎo)體器件14電連接。此外，在層間絕緣膜16頂面的由 接合區(qū)域18所包圍區(qū)域的外側(cè)區(qū)域還設(shè)置有與外部進(jìn)行電連接的外部引出焊墊19。
而MEMS器件24則形成于具有支承基板22a、埋入絕緣膜22b、 SOI層22c的SOI基板 22的SOI層22c，具有由支承部25支承為懸空的結(jié)構(gòu)。該支承為懸空的結(jié)構(gòu)(懸空支承 結(jié)構(gòu))如后述的圖8所示，是指作為MEMS器件24主要部分的傳感器質(zhì)量24a的兩端由支 承部25支承并懸空配置在空間100內(nèi)的結(jié)構(gòu)。該MEMS器件24通過支承部25與形成于SOI 層22c的外圍電路(未圖示)電連接。形成有層間絕緣膜26以便覆蓋形成該外圍電路的 區(qū)域。該層間絕緣膜26未覆蓋形成MEMS器件24的區(qū)域。而且，該層間絕緣膜26還形成 有與上述外圍電路電連接的電極、觸點(diǎn)、或布線等。而且，在層間絕緣膜26頂面的由形 成有密封材料38的接合區(qū)域28所包圍的區(qū)域上設(shè)置有與半導(dǎo)體器件14進(jìn)行電連接用的 焊墊27。該焊墊27通過金屬凸頭37與半導(dǎo)體芯片10的焊墊17電連接。另外，半導(dǎo)體芯 片10的接合區(qū)域18和MEMS芯片20的接合區(qū)域28上均形成有密封材料38，半導(dǎo)體芯片 10與MEMS芯片20接合。因而，MEMS器件24被密封材料38封裝于由層間絕緣膜26頂面 的密封材料38所包圍的區(qū)域內(nèi)。
另外，本實(shí)施方式中半導(dǎo)體器件和MEMS器件是分別形成于SOI基板上的，但也可以 將至少一方形成在母基板(A》夕基板)上。而且，本實(shí)施方式中半導(dǎo)體芯片IO和MEMS 芯片20是通過密封材料38接合的。作為替代的接合方法，也可以如圖3所示在各自芯片 的基板上設(shè)置凹凸部40，用該凹凸部40將半導(dǎo)體芯片10和MEMS芯片20兩者接合。另外， 圖3僅示出半導(dǎo)體芯片10，但也可在MEMS芯片20的基板上設(shè)置與半導(dǎo)體芯片10的基板 上形成的凹凸嚙合的凹凸。
本實(shí)施方式半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體芯片10中，如圖4所示，在芯片的中央配置有半導(dǎo) 體器件14的形成區(qū)域13。以包圍該器件形成區(qū)域13的形態(tài)配置有實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件14和 MEMS器件24兩者間的電連接用的焊墊17，在其外側(cè)還設(shè)置有接合半導(dǎo)體芯片10和MEMS 芯片20兩者用的密封部18。
另外，本實(shí)施方式中MEMS芯片20和半導(dǎo)體芯片10兩者間的電連接是用金屬凸頭37進(jìn)行的，但不限于此。就電連接來說，也可在等離子氣氛中使基板的最上面活化，形成未 結(jié)合鍵，在真空中直接接合。而且，密封部也可以用聚酰亞胺或光致抗蝕劑(7 *卜k ^ ^卜)等熱固化性樹脂，也可以用導(dǎo)電性材料。
下面參照圖5 (a)至圖7說明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的制造方法。 首先，如圖5 (a)所示，準(zhǔn)備S0I基板12，該S0I基板12的支承基板12a上形成有 埋入絕緣膜12b,而該埋入絕緣膜12b上形成有SOI層12c。然后，如圖5 (b)所示通過元 件分離區(qū)域50將SOI層12c形成多個(gè)元件形成區(qū)域，在各個(gè)的元件形成區(qū)域形成半導(dǎo)體 器件14。接著，形成覆蓋上述半導(dǎo)體器件14的層間絕緣膜16，并在該層間絕緣膜16上 形成實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體器件14電連接用的觸點(diǎn)、布線、焊墊17、以及接合區(qū)域18，完成半導(dǎo) 體芯片10 (參照圖5 (b))。然后，利用焊錫在層間絕緣膜16的焊墊17上形成金屬凸頭 37，并且在接合區(qū)域18上涂布金屬凸頭38a (參照圖5 (c))。
另一方面，如圖6 (a)所示，準(zhǔn)備S0I基板22，該SOI基板22的支承基板22a上形 成有埋入絕緣膜22b，而該埋入絕緣膜22b上形成有S0I層22c。然后，如圖6 (b)所示， 在SOI層22c上形成具有中空結(jié)構(gòu)的MEMS器件24以及支承該MEMS器件24的支承部25， 并在未形成MEMS器件24和支承部25的SOI層22c的區(qū)域上形成層間絕緣膜26。接著， 在該層間絕緣膜16上形成實(shí)現(xiàn)與MEMS器件24電連接用的觸點(diǎn)、布線、焊墊27、以及接 合區(qū)域28，完成MEMS芯片20 (參照圖6 (b))。接下來如圖6 (c)所示使得MEMS芯片20 的上下翻轉(zhuǎn)，與形成有金屬凸頭37和金屬凸頭38a的半導(dǎo)體芯片IO進(jìn)行對位來接合，完 成半導(dǎo)體裝置(參照圖7)。接合也可以從半導(dǎo)體芯片10和MEMS芯片20兩者在上下方向 上加壓來進(jìn)行。
另外，半導(dǎo)體芯片10和MEMS芯片20的電接合部(焊墊)17、 27以及密封接合部(接 合區(qū)域)18、 28通過利用濺射或蒸鍍淀積導(dǎo)電性材料并進(jìn)行布圖來形成。作為上述導(dǎo)電性 材料可用Cu、 Al、 Ti、 W、或者將它們進(jìn)行組合的硅化物、帕里斯鎳銅合金。這里，需要 對半導(dǎo)體芯片10和MEMS芯片20的最上部的高度進(jìn)行均一化，因而需要通過CMP等平整 化工藝將例如TEOS所形成的周圍的層間絕緣膜16、 26、經(jīng)過圖案形成的焊墊17、 27以及 接合區(qū)域18、 28預(yù)先加工為同一高度。
另外，上述制造方法中金屬凸頭37、 38a是形成于半導(dǎo)體芯片上的，但也可以形成于 MEMS芯片20上，也可以形成于半導(dǎo)體芯片10和MEMS芯片20兩者上。另外，接合部分 38a不僅利用前面所述的焊錫，也可以用表面活化的直接接合或固化樹脂等。
而且，通過在真空氛圍中進(jìn)行半導(dǎo)體芯片10和MEMS芯片20兩者間的位置對合直至接合的工序，在上下左右保持有中空區(qū)域的MEMS器件24便可隨著抽真空而在減壓狀態(tài)下 進(jìn)行密封。因此，還可降低中空區(qū)域的粘性阻力。其結(jié)果是可關(guān)系到MEMS本身Q值的提 高、性能的提升。
綜上所述，按照本實(shí)施方式，形成有MEMS器件的SOI基板的支承基板22a便成為MEMS 器件的罩蓋，不需要保護(hù)MEMS器件的保護(hù)部，且可實(shí)施MEMS芯片和半導(dǎo)體芯片兩者的直 接電連接和密封，因而可力圖實(shí)現(xiàn)安裝零部件數(shù)量以及安裝體積的減小。此外，可縮短電 氣布線長度，布線部引起的噪聲也可降低，可使得系統(tǒng)功能提高。由此，可以得到低成本、 小尺寸、高性能的半導(dǎo)體裝置。 (第一實(shí)施例)
下面，圖8和圖9示出作為本發(fā)明第一實(shí)施例的、MEMS器件24為振動型角速度傳感 器的半導(dǎo)體裝置。圖8和圖9為本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的剖視圖，其中圖8表示按圖9所 示的剖切線B-B剖切的剖面，而圖9表示按圖8所示的剖切線A-A剖切的剖面。
作為應(yīng)用MEMS技術(shù)的器件來說， 一般可知道有根據(jù)施加于運(yùn)動物體的科利奧利力進(jìn) 行角速度檢測的振動型角速度傳感器。振動型角速度傳感器構(gòu)成為，使傳感器質(zhì)量主動振 動，并檢測傳感器質(zhì)量隨著角速度的施加而產(chǎn)生的位移所引起的傳感器質(zhì)量和基板兩者間 的靜電電容的變化分量。本實(shí)施例中，振動型角速度傳感器24包括傳感器質(zhì)量24a、連接 于該傳感器質(zhì)量24a兩側(cè)的梳形活動電極24b、以及與活動電極24b相對設(shè)置的梳形固定 電極24c。需要驅(qū)動振動型角速度傳感器24用的驅(qū)動源，以及檢測電容變化并隨信號放大 而進(jìn)行的信號處理。本實(shí)施例中，可通過在MEMS芯片20側(cè)形成驅(qū)動振動型角速度傳感器 24用的驅(qū)動電源62和得到電容變化的檢測電極72，并在半導(dǎo)體芯片10上形成與上述電 極62、 72分別電連接的驅(qū)動電路60和檢測電路70，通過使得半導(dǎo)體芯片10和MEMS芯片 20兩者相對連接，來得到傳感器和外圍電路一體化的半導(dǎo)體裝置。
除了提高檢測角速度的靈敏度以外，還希望使科利奧利力增大。這種情況下傳感器的 運(yùn)動速度越大，可得到越高的科利奧利力。為了高速驅(qū)動MEMS器件，使得封裝MEMS器件 的氣氛的粘性阻力降低。也就是說，可在減壓狀態(tài)下驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)。近年來，確立了在真空 中對芯片表面照射離子束使得表面活化而進(jìn)行常溫的直接接合這種技術(shù)。通過將該技術(shù)適 應(yīng)于本實(shí)施例半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體芯片10和MEMS芯片20的接合工序，可實(shí)施真空氛圍 中MEMS角速度傳感器24的封裝和電接合，可以使傳感器的性能提高。而且，可以通過使 相關(guān)電路與傳感器相對連接來消除多余的死空間，并使得傳感器系統(tǒng)的低成本化、以及小 尺寸化成為可能。
(第二實(shí)施例)
下面，圖IO示出本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置。本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置其MEMS器 件為振動型角速度傳感器，圖10示出與第一實(shí)施例的圖8相對應(yīng)的剖視圖。本實(shí)施例中， 作為MEMS器件是包括2個(gè)第一實(shí)施例中所說明的角速度傳感器這種構(gòu)成。具體來說，包 括2個(gè)傳感器質(zhì)量24&、 24a2;連接于傳感器質(zhì)量24&兩側(cè)的梳形活動電極24b1;連接 于傳感器質(zhì)量24a2兩側(cè)的梳形活動電極24b2;設(shè)置在傳感器質(zhì)量24a^ 24aJ司的梳形的共 同固定電極24c1;相對于傳感器質(zhì)量24a,設(shè)置于固定電極24c,的相反側(cè)的梳形固定電極 24c2;以及相對于傳感器質(zhì)量24a2設(shè)置于固定電極24Cl的相反側(cè)的梳形固定電極24c3。
本實(shí)施例中，作為驅(qū)動電路60輸出的驅(qū)動信號，對2個(gè)角速度傳感器提供相反相位 的交流信號。構(gòu)成為利用檢測電路70將此時(shí)各角速度傳感器的傳感器質(zhì)量的位移作為該 傳感器質(zhì)量和基板之間的電容變化進(jìn)行檢測，并由檢測電路70輸出它們之差。
另外，第二實(shí)施例的角速度傳感器也與第一實(shí)施例的角速度傳感器同樣，較好是在真 空氛圍下封裝。
上述實(shí)施方式以及實(shí)施例中，接合是按小片級(chip level)進(jìn)行的。但使用對表面 照射離子束使得表面活化而進(jìn)行常溫的直接接合這種技術(shù)的話，可如圖11 (a)所示將形 成有多個(gè)半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體晶圓100和形成有多個(gè)MEMS器件的MEMS晶圓200直接接合， 然后也可如圖ll (b)所示切割(,0>，')為芯片級規(guī)模。
以往MEMS器件的形成過程中，形成單一芯片為一大課題。具有中空結(jié)構(gòu)的MEMS器件， 形成為單一芯片時(shí)，由于水的影響對器件的損壞，難以使用容易且常規(guī)的切割工藝，需要 進(jìn)行采用激光等的低應(yīng)力切割工藝。但采用圖11 (a)、圖11 (b)中說明的接合方式的話， 可按例如晶圓級規(guī)模進(jìn)行氣密性高而且牢固的接合，因而即便在接合后適應(yīng)于通用的刃型 切割工藝，也可避免MEMS器件的損壞。
權(quán)利要求
1. 一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括第一芯片，其內(nèi)部包含具有懸空支承結(jié)構(gòu)的MEMS器件，頂面具有與所述MEMS器件電連接的第一焊墊和第一接合區(qū)域；第二芯片，其內(nèi)部包含與所述MEMS器件電連接的半導(dǎo)體器件，頂面具有與所述半導(dǎo)體器件電連接的第二焊墊和第二接合區(qū)域，所述第二芯片與所述第一芯片相對配置，并使得所述第二焊墊和所述第二接合區(qū)域分別與所述第一焊墊和所述第一接合區(qū)域相對；電連接部，其對所述第一焊墊和所述第二焊墊進(jìn)行電連接；以及接合部，其設(shè)置于所述第一接合區(qū)域和與該第一接合區(qū)域相對的所述第二接合區(qū)域之間，將所述第一芯片和所述第二芯片相接合。
2. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第一接合區(qū)域包圍所述MEMS 器件和所述第一焊墊，所述第二接合區(qū)域包圍所述半導(dǎo)體器件和所述第二焊墊。
3. 如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第一焊墊位于所述MEMS器件 和所述第一接合區(qū)域之間，所述第二焊墊位于所述半導(dǎo)體器件和所述第二接合區(qū)域之間。
4. 如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述接合部由密封材料形成，所 述MEMS器件由所述接合部封裝。
5. 如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述MEMS器件具有至少1個(gè)振動 型角速度傳感器，該振動型角速度傳感器被真空封裝。
6. 如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述MEMS器件為2個(gè)振動型角速 度傳感器，這2個(gè)振動型角速度傳感器相對配置。
7. 如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件包括根據(jù)所述振 動型角速度傳感器的輸出信號檢測角速度的檢測電路。
全文摘要
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置包括第一芯片(20)，其內(nèi)部包含具有懸空支承結(jié)構(gòu)的MEMS器件(24)，頂面具有與MEMS器件電連接的第一焊墊(27)和第一接合區(qū)域(28)；第二芯片(10)，其內(nèi)部包含與MEMS器件電連接的半導(dǎo)體器件(14)，頂面具有與半導(dǎo)體器件電連接的第二焊墊(17)和第二接合區(qū)域(18)，該第二芯片(10)與第一芯片相對配置，并使得第二焊墊和第二接合區(qū)域分別與第一焊墊和第一接合區(qū)域相對；對第一焊墊和第二焊墊進(jìn)行電連接的電連接部；以及設(shè)置于第一接合區(qū)域和與該第一接合區(qū)域相對的第二接合區(qū)域之間，將第一芯片和第二芯片相接合的接合部(38)。本發(fā)明能夠盡可能抑制安裝體積的增大，并能盡可能抑制性能的降低。
文檔編號B81B7/00GK101391742SQ20081014907
公開日2009年3月25日 申請日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者舟木英之, 鈴木和拓, 飯?zhí)锪x典 申請人:株式會社東芝