具有凝胶填充的微机电系统（MEMS）元件的机械应力去耦的制作方法

本公开总体上涉及半导体器件及其制造方法，并且更具体地涉及具有应力消除机制的微机电系统(mems)元件。

背景技术：

微机电系统(mems)是微观设备，尤其是具有运动部件的设备。一旦可以使用通常用于制造电子产品的改进的半导体器件制造技术来制造mems，mems就变得实用。因此，mems可以作为集成电路的组件被内置到衬底中，该衬底被切成随后被安装在封装件中的半导体芯片。

引入封装件中的机械应力和其他外部机械影响可能会不经意地通过封装件传递到集成mems元件(诸如传感器)，尤其是传递到压力传感器。所传递的机械应力可能会影响mems元件的操作或者导致传感器信号发生移位(例如，偏移)，从而可能导致错误的测量结果。

例如，半导体压力传感器具有被布置为测量绝对压力或相对压力(例如，两个压力之间的差)的压力敏感元件。很多压力传感器的问题在于，即使没有要测量的压力(或压力差)，该传感器也可以测量(或输出或给出)信号。该偏移可能是传感器的外壳(例如，封装)的机械应力和/或变形的结果。外壳应力/变形通常还会在敏感元件(例如，压电电阻)所在的传感器表面处产生应力分量，从而导致对输出信号的偏移误差、线性误差、甚至是滞后误差。

因此，期望有一种能够将机械应力与集成的mems元件去耦的改进的设备。

技术实现要素：

实施例提供了半导体器件及其制造方法，并且更具体地提供了具有应力消除机制的微机电系统(mems)元件。

实施例提供了一种半导体器件，其包括半导体芯片，该半导体芯片包括：具有第一表面和与第一表面相对布置的第二表面的衬底；从第一表面延伸到衬底中的至少一个应力去耦沟槽，其中至少一个应力去耦沟槽虽然未完全延伸到第二表面，但是朝向第二表面部分地延伸到衬底中；包括敏感区域的微机电系统(mems)元件，敏感区域设置在衬底的第一表面处并且与至少一个应力去耦沟槽横向地间隔开；以及填充至少一个应力去耦沟槽并且覆盖mems元件的敏感区域的应力去耦材料。

附图说明

在此参考附图描述实施例。

图1示出了根据一个或多个实施例的芯片的截面图；

图2a和2b示出了根据一个或多个实施例的芯片的截面图；

图3a和3b示出了根据一个或多个实施例的芯片200的截面图；

图4示出了根据一个或多个实施例的芯片封装件的截面图；以及

图5示出了根据一个或多个实施例的芯片封装件的截面图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述各种实施例，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。应当注意，这些实施例仅用于说明性目的，而不应当被解释为限制性的。例如，尽管实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但是这不应当被解释为表明实现实施例需要所有这些特征或元件。相反，在其他实施例中，一些特征或元件可以被省略，或者可以由备选特征或元件代替。附加地，可以提供除了明确示出和描述的特征或元件之外的其他特征或元件，例如传感器装置的传统组件。

除非另外特别指出，否则来自不同实施例的特征可以组合以形成其他实施例。关于实施例之一描述的变化或修改也可以适用于其他实施例。在一些实例中，公知的结构和设备以框图的形式而不是详细地示出，以避免使实施例模糊。

除非另外指出，否则附图中所示或本文所述的元件之间的连接或耦合可以是基于有线的连接或无线连接。此外，这种连接或耦合可以是直接连接或耦合，而无需附加的中间元件，或者可以是与一个或多个附加的中间元件的间接连接或耦合，只要该连接或耦合的例如传输某种信号或传输某种类型的信息的通用目的基本上被保持。

实施例涉及微机电系统(mems)，并且具体地涉及电容性mems，并且更具体地涉及集成在半导体芯片中并且随后安装到封装件的mems压力传感器。mems可以被称为mems元件或mems器件。该封装件适于使得mems压力传感器能够检测和/或测量施加在其上的力。例如，mems压力传感器可以作为换能器操作，该换能器根据所施加的压力生成电信号，并且封装件可以具有形成在mems压力传感器附近的开口，该开口允许介质与mems压力传感器相互作用。介质可以是任何压力可测量或引起压力的实体。

通常，本文中使用的传感器可以是指将要测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的组件。物理量可以例如是压力，作为施加在传感器的敏感区域上的力的表达。诸如异物等碎屑可能会对任何传感器的性能产生负面影响。因此，期望防止碎屑到达传感器的表面，并且具体地防止到达传感器的敏感区域。

用于半导体芯片制造的制造过程可以包括两个顺序的子过程，通常被称为前端和后端生产。后端生产还可以包括两个顺序的子过程，通常称为预组装和组装。

前端生产主要是指晶片制造。如本文中使用的晶片也可以被称为衬底。前端生产可以从干净的盘形硅晶片开始，该硅晶片最终将变成很多硅芯片。首先，可以产生限定用于电路元件(例如，晶体管)和互连层的电路图案的光掩模。然后可以将该掩模放在干净的硅晶片上，并且将其用于绘制电路设计图。然后可以通过光刻在晶片上形成晶体管和其他电路元件。光刻涉及一系列步骤，其中光敏材料沉积在晶片上并且通过图案化的掩模曝光；然后蚀刻掉不需要的曝光材料，仅在晶片上留下期望的电路图案。通过堆叠各种图案，可以限定半导体芯片的个体元件。mems器件或mems元件也可以被并入晶片的表面上和/或晶片的表面中，并且被连接到一个或多个电路元件。在前端生产过程的最后阶段，对晶片上的每个个体芯片进行电测试，以标识正常工作的芯片以进行组装。

后端生产是指个体半导体器件或芯片的组装和测试。组装过程旨在保护芯片，促进其集成到电子系统中，限制电气干扰并且实现设备散热。一旦前端生产过程完成，就将晶片锯切或切成个体半导体芯片。将晶片切成个体半导体芯片的步骤称为预组装。

在后端生产的组装阶段，将半导体芯片并入封装件中。例如，这些半导体芯片可以借助于合金或粘合剂个体地附接到引线框，引线框是一种用于将半导体连接到电路板的金属器件。然后，可以使用被称为焊线机的自动机器，通过铝或金线将引线框上的引线连接到半导体芯片上的输入/输出端子。然后可以将每个半导体器件至少部分包封在塑料模塑化合物或陶瓷壳体中，以形成封装件。

因此，可以将mems元件作为集成电路的组件内置到衬底中，然后将衬底切成每个随后被安装在封装件中的半导体芯片。

应当理解，尽管可以将预组装(即，切割)工艺描述为后端生产流程的一部分，但是可以在前端生产的最后阶段部分地分割芯片。因此，在某些情况下，预组装可以在前端生产期间开始或执行。

根据一个或多个实施例，机械应力去耦被提供给mems元件作为应力释放机构。可以提供诸如一个或多个沟槽(即，一个或多个应力去耦沟槽)等应力去耦特征。另外，每个应力去耦沟槽填充有凝胶(例如，硅氧烷凝胶)，并且凝胶可以另外在晶片级别(即，在前端生产过程中)、或在预组装过程期间或之后但在组装(即，封装)之前沉积在mems元件上。保护材料可以沉积在mems元件的暴露表面上，使得mems元件的整个暴露表面被保护材料覆盖。

mems元件的暴露表面可以包括或者可以被称为使得mems元件能够测量物理量的敏感区域。例如，mems元件可以是mems压力传感器，其被配置为响应于施加在暴露表面上的力的改变而检测或测量压力的变化。保护材料被构造为使得当mems元件被保护材料覆盖时，mems元件的传感器功能保持完整。例如，保护材料可以是硅氧烷凝胶，其具有允许施加在其上的力被传递到mems压力传感器的弹性模量和/或泊松(poisson’s)比。因此，保护材料具有足够的柔性以使得当压下保护材料时，mems压力传感器的敏感区域也成比例地被压下。

更具体地，保护材料允许mems元件的全部传感器功能，包括机械功能和电功能，同时密封mems元件的整个表面。甚至更特别地，保护材料被构造为使得保护材料不妨碍mems元件的功能。

通过确保mems元件的功能保持完整，可以在芯片制造过程的早期将保护材料作为永久材料沉积到mems元件上。因此，在将保护材料沉积到mems元件上时，mems元件可能已经被配置为可操作状态(例如，最终可操作状态)，并且在沉积之后，包括在整个组装过程中，保护材料可以保持完整无缺，使得它在最终产品中仍然保持特征。

作为保护材料的早期沉积的结果，为mems元件提供了早期的颗粒和湿气保护，使其免受可能在(预)组装过程中引入的可能影响传感器性能的异物的影响。

尽管本文中提供的一些实施例可以将保护材料称为是温度硬化凝胶(例如，硅氧烷凝胶)，但是其他实施例可以使用紫外线(uv)硬化凝胶。然而，保护材料不限于此，并且可以是在允许mems元件的传感器功能的同时提供防异物、并且更具体地在沉积保护材料时允许mems元件的传感器功能的任何材料。因此，保护材料可以是任何温度或紫外线硬化凝胶。

图1示出了根据一个或多个实施例的芯片100的截面图。芯片100包括半导体衬底10(例如，硅衬底)，半导体衬底10具有在芯片100的正面的主表面11和设置在主表面11上的电容性mems元件12。电容性mems元件12包括由介电材料15隔开的两个平行的导电板：顶部电极13和底部电极14。例如，介电材料15可以是真空，其中在顶部电极13与底部电极14之间形成有腔体。真空用作压力传感器的参考压力。介电层(未示出)也可以设置在电极13和14之间(例如，在底部电极14的上表面上)。

当没有压力施加到mems元件12上时，电极13和14形成具有基线或参考电容的电容性元件。顶部电极13是柔性的并且是压力敏感的，其中底部电极是刚性且固定的，底部电极位于其下面和/或周围的刚性衬底10上。顶部电极13可以是敏感的隔膜或膜，并且腔体形成在固定的底部电极14板与可移动电极13之间，以允许隔膜或膜的偏转。当压力施加到敏感隔膜上时，两个平行电极13和14之间封闭的腔体的体积会随着敏感隔膜偏转和接近静止隔膜而减小，从而导致与所施加的压力相对应的电极13和14之间的电容变化可检测。电容变化是通过电信号可读取的值。

芯片100还包括线后端(beol)堆叠16，该beol堆叠16包括多个(交替的)介电层17和金属层18。beol是ic制造的第二部分，其中个体器件(晶体管、电容器、电阻器等)与晶片上的布线(金属化层)互连。

芯片100还包括浅沟槽隔离(sti)区域19，该sti区域19是防止相邻半导体器件组件之间的电流泄漏的集成电路特征。

芯片100还包括由一个或多个应力去耦沟槽20制成的应力去耦特征。每个应力去耦沟槽16与mems元件12横向间隔开，从衬底10的主表面11延伸到衬底10中，并且部分延伸穿过衬底10。换言之，沟槽20未完全延伸穿过衬底10。

沟槽20在芯片100的设置有mems元件12的内部或第一区域21与芯片100的一个或多个外围或第二区域22之间限定竖直边界。沟槽20被配置为将来自例如芯片100的封装件的任何机械应力与mems元件12去耦。也就是说，沟槽20被配置为减少被传递到芯片100的内部区域21并且最终到达mems元件12的存在于芯片100的外围区域22中的任何机械应力。因此，应力去耦特征使mems元件12免受外部机械影响，并且因此防止了这些影响引起的对由mems元件12产生的传感器信号的偏移。

图2a和2b示出了根据一个或多个实施例的芯片200的截面图。特别地，芯片200类似于图1所示的芯片100，其中在沟槽20中增加了应力去耦材料23。因此，每个沟槽20可以被应力去耦材料23完全填充。应力去耦材料23可以由被构造为通过例如吸收来减小机械应力从一个或多个外围区域22到内部区域21的传递的材料制成。例如，应力去耦材料23可以是由最终通过固化而凝固的硅氧烷或基于硅氧烷的材料制成的凝胶。

应力去耦材料23也可以设置在mems元件12上方的区域中(即，使得mems元件12的整个暴露表面被应力去耦材料23覆盖)，并且可以用作保护材料。换言之，mems元件12在其上表面处通过应力去耦材料23从外部环境被密封，该应力去耦材料23可以保护mems元件12免受否则可能会污染mems元件12的颗粒、碎屑、化学物质和湿气的影响。此外，应力去耦材料23由允许mems元件12的传感器功能的材料(例如，温度硬化凝胶或uv硬化凝胶)组成。更具体地，应力去耦材料23允许mems元件的全部传感器功能，包括机械功能和电气功能，同时密封mems元件12的整个(上)表面。因此，在mems元件12为压力传感器的情况下，应力去耦材料23允许外部压力被施加到应力去耦材料23，并且以压力传感器12可感测的方式被传递到顶部电极13。例如，应力去耦材料23可以是具有允许施加在其上的力传递到mems元件12的弹性模量和/或泊松比的材料。同样，应力去耦材料23可以是既起到机械应力的去耦作用又保护mems元件12不受外部环境影响的功能的硅或基于硅氧烷的凝胶。

分配在沟槽20中的应力去耦材料23可以是与作为保护材料分配在mems元件12上的材料相同的材料，或者在沟槽20中和mems元件12上使用的材料可以是不同的材料。因此，(多个)材料可以在一个步骤中或在多个步骤中分配，例如通过喷墨印刷或微分配。然而，实施例不限于用于沉积材料的特定方法。

如图2所示，应力去耦材料23可以仅分配在沟槽20中，在mems元件12上方的内部区域21中，以及部分在beol堆叠16上方的外围区域22中。在另一示例中，图2b示出了应力去耦材料23可以被分配在整个芯片200和/或封装件上。

另外，图2a示出了提供应力去耦材料23以密集地填充沟槽20以完全填充沟槽而没有任何空隙的情况。相比之下，图2b示出了提供应力去耦材料23以更松散地填充沟槽20的情况。具体地，如图2b所示，空隙24悬置在设置在沟槽20中的应力去耦材料23中。

为了密集地填充沟槽20，可以使用不形成空隙的凝胶材料。备选地，可以在固化之前使用除气工艺来消除凝胶内的空隙。因此，去除了在凝胶的混合循环期间可能截留的空气。为此，可以将混合物置于70mm真空下。在施加完全真空时，材料将起泡并且膨胀约四倍于其原始体积，形成波峰，最终退回到其原始水平。在起泡作用停止之后约两分钟，除气循环完成。随后，该材料可以被固化。使用该技术，可以达到在除气期间将凝胶从沟槽20中明确地部分地去除的状态。

应当理解，可以调节沟槽20被密集地或松散地填充的程度，并且这些特征适用于本文中公开的使用凝胶填充沟槽的实施例中的任何一个。因此，可以将更松散地填充的沟槽应用于图2a，而可以将更密集填充的沟槽应用于图2b，反之亦然。

图3a和3b示出了根据一个或多个实施例的芯片300的截面图。具体地，芯片200类似于图1所示的芯片100，其中添加了设置在沟槽20中的应力去耦材料作为单个保形保护层25。保形保护层25是薄的(聚合物的)膜，其与沟槽20的轮廓和芯片300的正面表面相吻合，正面表面包括beol堆叠26的上表面和顶部电极13的上表面。如图3a所示，保形保护层25可以完全填充沟槽20，使得沟槽20是封闭的，或者可以部分地填充沟槽20，如图3b所示，从而在沟槽20的侧壁之间保留有空隙。因此，保形保护层25可以提供应力去耦功能以及保护功能。

图4示出了根据一个或多个实施例的芯片封装件400的截面图。特别地，芯片封装件400是将芯片(例如，芯片200)容纳在模塑化合物30中的模塑封装件。芯片封装件400还包括将芯片200附接到引线框32的附接层31。附接层31可以是粘合剂，诸如胶或其他附接材料。接合线33用于将芯片200的相应管芯焊盘34附接到引线框32的引线。

从工艺的角度来看，芯片200可以通过附接层31附接到引线框32，并且接合线33可以耦合到引线框32和管芯焊盘34。然后，可以在模塑化合物30中模塑引线框32、芯片200和接合线33。然后可以将应力去耦材料23分配在沟槽20内和mems元件12上方，以至少部分填充由模塑化合物的侧壁形成的腔体35。特别地，腔体35设置在mems元件12上方，使得所施加的压力可以通过应力去耦材料23施加到mems元件12。应力去耦材料23可以在模塑化合物30的侧壁之间完全横向延伸。最后，可以将应力去耦材料23固化。

在图4所示的示例中，芯片200对称地或均匀地附接到引线框32。换言之，芯片200基本上在引线框32上居中。在这种情况下，整个芯片背面(即，整个背面)接合到引线框32。在此，芯片200的背面处的外围区域22和内部区域21经由附接层31接合到引线框32。

图5示出了根据一个或多个实施例的芯片封装件500的截面图。芯片封装件500包括模塑化合物40、附接层41、引线框42、将引线框42电耦合到芯片的芯片焊盘44的接合线43、芯片(例如，芯片200)、以及应力去耦材料23。模塑化合物40包括形成腔体的侧壁和基部部分，其中芯片200设置在腔体的底部。

在这种情况下，芯片200在芯片封装件500中经由附接层41不对称地附接到模塑化合物40的基部部分。换言之，芯片200的背面仅经由外围区域22处的附接层41接合到模塑化合物40。因此，仅芯片背面的一部分被接合到引线框32，其中背面的接合部分从芯片的中心偏移。芯片200的内部区域21的竖直延伸部“浮置”在形成在芯片200与模塑化合物之间的腔体45内。也就是说，芯片的背面的接合部分可以偏移，使得背面的内部区域不接合到引线框，并且可以自由地悬挂在腔体45内。备选地，芯片200可以接合到引线框。

腔体45形成在模塑化合物40的侧壁之间，并且至少部分在芯片200的背面与模塑化合物40的基部部分之间。具体地，腔体45形成在背面处的芯片200的内部区域21与模塑化合物40的基部部分之间。因此，腔体45围绕芯片200，其中芯片200接合到引线框42的芯片200的一部分除外(即，在外围区域22处)。接合线43和管芯焊盘44也设置在腔体45内。

分配应力去耦材料23以填充腔体45，包括芯片200的背面与模塑化合物40的底部之间的区域，以填充沟槽20，以包封接合线43和芯片焊盘44，并且覆盖芯片200的正面，包括mems元件12上方的区域。因此，芯片200通过附接层41接合到引线框42，并且芯片200的其余外围被包封在应力去耦材料23中。这种不对称的布置还可以用于使机械应力与mems元件12去耦。

尽管本文中描述的实施例涉及mems压力传感器，并且在某些情况下涉及电容式压力传感器，但是应当理解，其他实现可以包括其他类型的压力传感器或其他类型的mems器件或mems元件。另外，尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是很明显，这些方面也代表了对相应方法的描述，其中框或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对对应装置的对应框或项目或特征的描述。方法步骤中的一些或全部可以由(或使用)硬件设备(例如，微处理器、可编程计算机或电子电路)执行。在一些实施例中，这样的设备可以执行一些或多个方法步骤。

此外，应当理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开不应当被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开不会将它们限于特定的顺序，除非由于技术原因而导致这些动作或功能不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以分成多个子动作。除非明确排除，否则这样的子动作可以被包括在内，并且是该单个动作的公开的一部分。

此外，描述和附图仅示出了本公开的原理。因此，将认识到，本领域技术人员将能够设计出尽管未在本文中明确描述或示出但实现本公开的原理并且被包括在其精神和范围内的各种布置。此外，本文中列举的所有示例原则上明确旨在仅用于教学目的，以帮助理解本公开的原理和有助于进一步发展本领域的概念，并且应当被解释为不限于这种具体列举的示例和条件。此外，本文中引用本公开的原理、方面和实施例及其特定示例的所有陈述旨在涵盖其等同形式。因此，应当理解，本文所述的布置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员将是很清楚的。

此外，所附权利要求由此被并入详细描述中，其中每个权利要求可以作为单独的示例实施例而独立存在。尽管每个权利要求可以单独作为单独的示例实施例，但是应当注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以涉及与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施例也可以包括从属权利要求与彼此的从属或独立权利要求的主题的组合。除非指出没有特定的组合，否则本文中提出了这种组合。此外，意图在于，权利要求的特征也被包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求没有直接依赖于独立权利要求也是如此。