专利名称：半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在基板上载置有将传感器或致动器(机械的驱动机构)和对此进行驱动的集成电路混合在一起的微型机电系统(下面简称为“MEMS”)的半导体装置。
背景技术：
利用半导体制造技术制作的半导体装置，容易实现多功能和高性能。目前应用种种MEMS技术的传感器或致动器已有产品并提供功能化的系统。这里，需要使进行机械动作的MEMS和对此进行控制的集成电路连接并实现模块化。到目前为止，所采取的是MEMS和控制IC分别单独封装、最后才进行电气连接这种方式。但近年来系统产品在小型化、薄型化方面有所进步，并要求包括MEMS和控制IC两者的模块实现小型化。专利文献I披露的是以麦克风为主的音响传感器所适用的MEMS传感器。该专利文献I记载的技术是在电路基板上横向配置MEMS传感器芯片和电路芯片并通过接合线连接。而且，利用金属罩将包括上述芯片等的系统进行封装。而专利文献2则披露相对于封装部将MEMS芯片翻过来安装两者、然后再密封这种技木。在封装部引出有引线，取得与所需的控制电路连接的接ロ。专利文献I日本特开2007-124500号公报专利文献2日本特开2007-136668号公报如上述引用文献1、2所示，具有MEMS芯片的半导体装置中，MEMS芯片具有悬空结构，因而与通常的LSI (大規模集成电路)有所不同，需要覆盖免于外部干扰用的顶部进行封装。这里，大多为多芯片构成的半导体装置主要是使MEMS部、控制IC部、罩部组合安装。因此，将分立的部件组合会使水平方向或垂直方向的尺寸变大，导致系统尺寸増大。而且，MEMS和控制IC两者间的接ロ用的是接合线等，但这种情况下布线长度较长，造成系统性能降低。

发明内容
本发明正是鉴于上述情況，其目的在于提供ー种能够尽可能抑制安装体积増大、且尽可能抑制性能降低的半导体装置及其制造方法。本发明的半导体装置，其特征在于包括第一芯片，其内部包含具有悬空支承结构的MEMS器件，顶面具有与所述MEMS器件电连接的第一焊垫和第一接合区域；第二芯片，其内部包含与所述MEMS器件电连接的半导体器件，顶面具有与所述半导体器件电连接的第二焊垫和第二接合区域，所述第二芯片与所述第一芯片相对配置，并使得所述第二焊垫和所述第二接合区域分别与所述第一焊垫和所述第一接合区域相对；电连接部，其对所述第一焊垫和所述第二焊垫进行电连接；以及接合部，其设置于所述第一接合区域和与该第一接合区域相对的所述第二接合区域之间，将所述第一芯片和所述第二芯片相接合。按照本发明，能够尽可能抑制安装体积的增大，并且能尽可能抑制性能的降低。


图I为本发明一实施方式的半导体装置的剖视图。图2为示出一实施方式的半导体装置的接合前状态的立体图。图3为接合的另一方式的说明图。图4为一实施方式的半导体芯片的平面图。 图5为示出一实施方式的半导体芯片的制造工序的剖视图。图6为示出一实施方式的MEMS芯片的制造工序的剖视图。图7为示出一实施方式的半导体装置的制造工序的剖视图。图8为第一实施例的半导体装置的剖视图。图9为第一实施例的半导体装置的剖视图。图10为第二实施例的半导体装置的剖视图。图11为按晶圆规模接合得到半导体装置的另一方法的说明图。(标号说明)10 半导体芯片12 SOI 基板12a 支承基板12b 埋入绝缘膜12c SOI 层14 半导体器件16 层间绝缘膜17 焊垫18 接合区域20 MEMS 芯片22 SOI 基板22a 支承基板22b 埋入绝缘膜22c SOI 层24 MEMS 器件25 支承部26 层间绝缘膜27 焊垫28 接合区域37 金属凸头
38密封材料38a金属凸头100半导体晶圆200MEMS 晶圆
具体实施例方式下面參照

本发明的实施方式。另外，下面附图的记载内容中，对相同或相类似部分标注相同或相类似的标号。但附图是示意性的，要注意其中厚度和平面尺寸间的关系、各层厚度的比例等均与现实有所不同。因而，具体的厚度或尺寸应參照下面的说明进行判断。而且，附图相互间包含彼此尺寸关系或比例不同的部分也是当然的。
图I和图2示出本发明ー实施方式的半导体装置。图I为本实施方式的半导体装置的剖视图，图2为本实施方式的半导体装置的半导体芯片和MEMS芯片接合前的立体图。本实施方式的半导体装置的结构为，包括形成有半导体器件14的半导体芯片10和形成有MEMS器件24的MEMS芯片20，并配置为半导体芯片10的形成有半导体器件14的面与MEMS芯片20的形成有MEMS器件24的面相对，由例如粘接材料等所形成的密封材料38来接合。半导体器件14形成于具有支承基板12a、埋入绝缘膜12b以及SOI (绝缘体上的硅)层12c的SOI基板12的SOI层12c，是对MEMS器件24进行控制的控制电路。形成有层间绝缘膜16以便覆盖半导体器件14，而该层间绝缘膜16则形成有与半导体器件14电连接的电极、触点、或布线等。在层间绝缘膜16顶面的由涂布有密封材料38的接合区域18所包围的区域上，设置有与MEMS器件24进行电连接用的焊垫17。该焊垫17通过形成于层间绝缘膜16上的触点等与半导体器件14电连接。此外，在层间绝缘膜16顶面的由接合区域18所包围区域的外侧区域还设置有与外部进行电连接的外部引出焊垫19。而MEMS器件24则形成于具有支承基板22a、埋入绝缘膜22b、S0I层22c的SOI基板22的SOI层22c，具有由支承部25支承为悬空的结构。该支承为悬空的结构(悬空支承结构)如后述的图8所示，是指作为MEMS器件24主要部分的传感器质量24a的两端由支承部25支承并悬空配置在空间100内的结构。该MEMS器件24通过支承部25与形成于SOI层22c的外围电路(未图示)电连接。形成有层间绝缘膜26以便覆盖形成该外围电路的区域。该层间绝缘膜26未覆盖形成MEMS器件24的区域。而且，该层间绝缘膜26还形成有与上述外围电路电连接的电极、触点、或布线等。而且，在层间绝缘膜26顶面的由形成有密封材料38的接合区域28所包围的区域上设置有与半导体器件14进行电连接用的焊垫27。该焊垫27通过金属凸头37与半导体芯片10的焊垫17电连接。另外，半导体芯片10的接合区域18和MEMS芯片20的接合区域28上均形成有密封材料38，半导体芯片10与MEMS芯片20接合。因而，MEMS器件24被密封材料38封装于由层间绝缘膜26顶面的密封材料38所包围的区域内。另外，本实施方式中半导体器件和MEMS器件是分别形成于SOI基板上的,但也可以将至少一方形成在母基板(バルク基板)上。而且，本实施方式中半导体芯片10和MEMS芯片20是通过密封材料38接合的。作为替代的接合方法，也可以如图3所示在各自芯片的基板上设置凹凸部40，用该凹凸部40将半导体芯片10和MEMS芯片20两者接合。另外，图3仅示出半导体芯片10，但也可在MEMS芯片20的基板上设置与半导体芯片10的基板上形成的凹凸啮合的凹凸。本实施方式半导体装置的半导体芯片10中，如图4所示，在芯片的中央配置有半导体器件14的形成区域13。以包围该器件形成区域13的形态配置有实现半导体器件14和MEMS器件24两者间的电连接用的焊垫17，在其外侧还设置有接合半导体芯片10和MEMS芯片20两者用的密封部18。另外，本实施方式中MEMS芯片20和半导体芯片10两者间的电连接是用金属凸头37进行的，但不限于此。就电连接来说，也可在等离子气氛中使基板的最上面活化，形成未结合键，在真空中直接接合。而且，密封部也可以用聚酰亚胺或光致抗蚀剂(7才卜 > 夕^卜)等热固化性树脂，也可以用导电性材料。下面参照图5(a)至图7说明本实施方式的半导体装置的制造方法。首先，如图5 (a)所示，准备SOI基板12，该SOI基板12的支承基板12a上形成有埋入绝缘膜12b，而该埋入绝缘膜12b上形成有SOI层12c。然后，如图5(b)所示通过元件 分离区域50将SOI层12c形成多个元件形成区域，在各个的元件形成区域形成半导体器件14。接着，形成覆盖上述半导体器件14的层间绝缘膜16，并在该层间绝缘膜16上形成实现与半导体器件14电连接用的触点、布线、焊垫17、以及接合区域18，完成半导体芯片10 (参照图5(b))。然后，利用焊锡在层间绝缘膜16的焊垫17上形成金属凸头37，并且在接合区域18上涂布金属凸头38a (参照图5(c))。另一方面，如图6 (a)所示，准备SOI基板22，该SOI基板22的支承基板22a上形成有埋入绝缘膜22b，而该埋入绝缘膜22b上形成有SOI层22c。然后，如图6(b)所示，在SOI层22c上形成具有中空结构的MEMS器件24以及支承该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层22c的区域上形成层间绝缘膜26。接着，在该层间绝缘膜16上形成实现与MEMS器件24电连接用的触点、布线、焊垫27、以及接合区域28，完成MEMS芯片20 (参照图6(b))。接下来如图6(c)所示使得MEMS芯片20的上下翻转，与形成有金属凸头37和金属凸头38a的半导体芯片10进行对位来接合，完成半导体装置(参照图7)。接合也可以从半导体芯片10和MEMS芯片20两者在上下方向上加压来进行。另外，半导体芯片10和MEMS芯片20的电接合部(焊垫)17、27以及密封接合部(接合区域)18、28通过利用溅射或蒸镀淀积导电性材料并进行布图来形成。作为上述导电性材料可用Cu、Al、Ti、W、或者将它们进行组合的硅化物、帕里斯镍铜合金。这里，需要对半导体芯片10和MEMS芯片20的最上部的高度进行均一化，因而需要通过CMP等平整化工艺将例如TEOS所形成的周围的层间绝缘膜16、26、经过图案形成的焊垫17、27以及接合区域18、28预先加工为同一高度。另外，上述制造方法中金属凸头37、38a是形成于半导体芯片上的,但也可以形成于MEMS芯片20上，也可以形成于半导体芯片10和MEMS芯片20两者上。另外，接合部分38a不仅利用前面所述的焊锡，也可以用表面活化的直接接合或固化树脂等。而且，通过在真空氛围中进行半导体芯片10和MEMS芯片20两者间的位置对合直至接合的工序，在上下左右保持有中空区域的MEMS器件24便可随着抽真空而在减压状态下进行密封。因此，还可降低中空区域的粘性阻力。其结果是可关系到MEMS本身Q值的提闻、性能的提升。
综上所述，按照本实施方式，形成有MEMS器件的SOI基板的支承基板22a便成为MEMS器件的罩盖，不需要保护MEMS器件的保护部，且可实施MEMS芯片和半导体芯片两者的直接电连接和密封，因而可力图实现安装零部件数量以及安装体积的减小。此外，可缩短电气布线长度，布线部引起的噪声也可降低，可使得系统功能提高。由此，可以得到低成本、小尺寸、高性能的半导体装置。
(第一实施例)下面，图8和图9示出作为本发明第一实施例的、MEMS器件24为振动型角速度传感器的半导体装置。图8和图9为本实施例的半导体装置的剖视图，其中图8表示按图9所示的剖切线B-B剖切的剖面，而图9表示按图8所示的剖切线A-A剖切的剖面。作为应用MEMS技术的器件来说,一般可知道有根据施加于运动物体的科利奥利力进行角速度检测的振动型角速度传感器。振动型角速度传感器构成为，使传感器质量主动振动，并检测传感器质量随着角速度的施加而产生的位移所引起的传感器质量和基板两者间的静电电容的变化分量。本实施例中，振动型角速度传感器24包括传感器质量24a、连接于该传感器质量24a两侧的梳形活动电极24b、以及与活动电极24b相对设置的梳形固定电极24c。需要驱动振动型角速度传感器24用的驱动源，以及检测电容变化并随信号放大而进行的信号处理。本实施例中，可通过在MEMS芯片20侧形成驱动振动型角速度传感器24用的驱动电源62和得到电容变化的检测电极72，并在半导体芯片10上形成与上述电极62,72分别电连接的驱动电路60和检测电路70，通过使得半导体芯片10和MEMS芯片20两者相对连接，来得到传感器和外围电路一体化的半导体装置。除了提高检测角速度的灵敏度以外，还希望使科利奥利力增大。这种情况下传感器的运动速度越大，可得到越高的科利奥利力。为了高速驱动MEMS器件，使得封装MEMS器件的气氛的粘性阻力降低。也就是说，可在减压状态下驱动来实现。近年来，确立了在真空中对芯片表面照射离子束使得表面活化而进行常温的直接接合这种技术。通过将该技术适应于本实施例半导体装置的半导体芯片10和MEMS芯片20的接合工序，可实施真空氛围中MEMS角速度传感器24的封装和电接合，可以使传感器的性能提高。而且，可以通过使相关电路与传感器相对连接来消除多余的死空间，并使得传感器系统的低成本化、以及小尺寸化成为可能。(第二实施例)下面，图10示出本发明第二实施例的半导体装置。本实施例的半导体装置其MEMS器件为振动型角速度传感器，图10不出与第一实施例的图8相对应的剖视图。本实施例中，作为MEMS器件是包括2个第一实施例中所说明的角速度传感器这种构成。具体来说，包括2个传感器质量24ai、24a2 ;连接于传感器质量24&1两侧的梳形活动电极241^ ;连接于传感器质量24a2两侧的梳形活动电极24b2 ;设置在传感器质量24ai、24a2间的梳形的共同固定电极24(^ ;相对于传感器质量24ai设置于固定电极24(^的相反侧的梳形固定电极24c2 ;以及相对于传感器质量24a2设置于固定电极24(^的相反侧的梳形固定电极24c3。本实施例中，作为驱动电路60输出的驱动信号，对2个角速度传感器提供相反相位的交流信号。构成为利用检测电路70将此时各角速度传感器的传感器质量的位移作为该传感器质量和基板之间的电容变化进行检测，并由检测电路70输出它们之差。另外，第二实施例的角速度传感器也与第一实施例的角速度传感器同样，较好是在真空氛围下封装。上述实施方式以及实施例中,接合是按小片级(chip level)进行的。但使用对表面照射离子束使得表面活化而进行常温的直接接合这种技术的话，可如图11(a)所示将形成有多个半导体器件的半导体晶圆100和形成有多个MEMS器件的MEMS晶圆200直接接合，然后也可如图11(b)所示切割(ダィシング)为芯片级規模。以往MEMS器件的形成过程中，形成単一芯片为一大课题。具有中空结构的MEMS器件，形成为单ー芯片时，由于水的影响对器件的损坏，难以使用容易且常规的切割エ艺，需要进行采用激光等的低应カ切割エ艺。但采用图11(a)、图11(b)中说明的接合方式的话，可按例如晶圆级规模进行气密性高而且牢固的接合，因而即便在接合后适应于通用的刃型 切割エ艺，也可避免MEMS器件的损坏。
权利要求
1.一种半导体装置，其特征在于，包括 第一芯片，其内部包含具有悬空支承结构的MEMS器件，顶面具有与所述MEMS器件电连接的第一焊垫和第一接合区域； 第二芯片，其内部包含与所述MEMS器件电连接的半导体器件，顶面具有与所述半导体器件电连接的第二焊垫和第二接合区域，所述第二芯片与所述第一芯片相对配置，并使得所述第二焊垫和所述第二接合区域分别与所述第一焊垫和所述第一接合区域相对； 电连接部，其对所述第一焊垫和所述第二焊垫进行电连接；以及 接合部，其设置于所述第一接合区域和与该第一接合区域相对的所述第二接合区域之间，将所述第一芯片和所述第二芯片相接合。
2.如权利要求I所述的半导体装置，其特征在于，所述第一接合区域包围所述MEMS器件和所述第一焊垫，所述第二接合区域包围所述半导体器件和所述第二焊垫。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述第一焊垫位于所述MEMS器件和所述第一接合区域之间，所述第二焊垫位于所述半导体器件和所述第二接合区域之间。
4.如权利要求3所述的半导体装置，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装。
5.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，所述MEMS器件具有至少I个振动型角速度传感器，该振动型角速度传感器被真空封装。
6.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，所述MEMS器件为2个振动型角速度传感器，这2个振动型角速度传感器相对配置。
7.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体器件包括根据所述振动型角速度传感器的输出信号检测角速度的检测电路。
全文摘要
本发明的半导体装置包括第一芯片(20)，其内部包含具有悬空支承结构的MEMS器件(24)，顶面具有与MEMS器件电连接的第一焊垫(27)和第一接合区域(28)；第二芯片(10)，其内部包含与MEMS器件电连接的半导体器件(14)，顶面具有与半导体器件电连接的第二焊垫(17)和第二接合区域(18)，该第二芯片(10)与第一芯片相对配置，并使得第二焊垫和第二接合区域分别与第一焊垫和第一接合区域相对；对第一焊垫和第二焊垫进行电连接的电连接部；以及设置于第一接合区域和与该第一接合区域相对的第二接合区域之间，将第一芯片和第二芯片相接合的接合部(38)。本发明能够尽可能抑制安装体积的增大，并能尽可能抑制性能的降低。
文档编号G01C19/5783GK102768039SQ201210117389
公开日2012年11月7日 申请日期2008年9月22日 优先权日2007年9月21日
发明者舟木英之, 铃木和拓, 饭田义典 申请人:株式会社东芝