專利名稱：集成結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括微機(jī)電(MEMSmicro-electromechanical system)器件和用于將信號傳送至MEMS的芯片的集成結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)有了對于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)在超高密度數(shù)據(jù)存儲中使用的報道。該數(shù)據(jù)存儲的方法利用具有納米尺寸尖端大型陣列的熱機(jī)械局部探測技術(shù)，諸如目前在原子力顯微鏡和掃瞄隧道顯微鏡技術(shù)中所使用的。在這項(xiàng)技術(shù)中，讀/寫操作通過加熱懸臂機(jī)構(gòu)來進(jìn)行，對懸臂機(jī)構(gòu)的加熱導(dǎo)致了尖端與存儲介質(zhì)薄膜相接觸，并產(chǎn)生或探測薄膜中產(chǎn)生的凹陷。
用于數(shù)據(jù)存儲的MEMS結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)已在IBM J.Res.Develop.44，323(2000)和Sensors andActuators 80，100(2000)中發(fā)表。
單個的懸臂單元在圖1A(截面圖)和圖1B(平面圖)中示意地示出。MEMS芯片1通常由硅制成，其被加工為產(chǎn)生具有尖端11和加熱件13的硅懸臂10。如圖1A所示，懸臂結(jié)構(gòu)10形成于芯片1表面處的層上，并且隨后在懸臂10后面的體材料硅中蝕刻出空腔。經(jīng)直通連接(throughtconnection)15施加電功率導(dǎo)致加熱件和與存儲介質(zhì)12(通常為硅襯底上的聚合物膜)相接觸的尖端溫度升高。存儲介質(zhì)上尖端的壓力和尖端的加熱相結(jié)合的效果導(dǎo)致尖端在存儲介質(zhì)中產(chǎn)生凹痕，從而實(shí)現(xiàn)以非常高的位面密度(bit areal density)進(jìn)行的熱機(jī)械數(shù)據(jù)寫入。
用于控制MEMS芯片1的傳統(tǒng)的二維布置在圖2中示意地示出。包括大量單個單元的MEMS芯片1由多路驅(qū)動器2電學(xué)控制，多路驅(qū)動器2具有與芯片1的邊緣的傳統(tǒng)的引線結(jié)合連接。電連接的二維布置具有固有的限制。例如，隨著芯片1中單元數(shù)量的增大，提供單元間的電隔離變得越來越難；同時，在單個連接的尺寸減小的情況下需要更高的功率尋址單元陣列。
因此，需要一種三維集成設(shè)計(jì)，其中MEMS器件和其控制器件(諸如CMOS邏輯芯片)可互連在一起，從而克服傳統(tǒng)的二維構(gòu)造的電學(xué)限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種集成具有微機(jī)械器件的芯片和具有電子器件的芯片的方法。特別地，本發(fā)明提供了一種用于芯片和MEMS的垂直集成的方法，其中MEMS可與表面形成接觸(諸如用作存儲器的薄膜的表面)并且具有相對該表面在垂直方向上的機(jī)械移動。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于制造集成結(jié)構(gòu)的方法，該集成結(jié)構(gòu)包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和用于將信號傳送至MEMS的芯片。MEMS形成于襯底上，并且具有錨定部分，通過該錨定部分將MEMS連接至襯底。(在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，MEMS為懸臂，其懸于襯底中的空腔上方，并且在錨定部分錨定至襯底。)形成從MEMS的錨定部分透過MEMS襯底延伸的導(dǎo)體。芯片在垂直于襯底表面的方向上被貼覆于MEMS襯底，從而形成從芯片到MEMS的導(dǎo)電通路。
在一實(shí)施例中，可通過在芯片上形成C4金屬焊墊，對準(zhǔn)C4金屬焊墊與導(dǎo)體，并且隨后結(jié)合C4金屬與導(dǎo)體來貼覆芯片。在另一實(shí)施例中，貼覆芯片的步驟還包括在芯片上形成金屬柱頭；對準(zhǔn)柱頭與導(dǎo)體；和結(jié)合柱頭與導(dǎo)體。在另一實(shí)施例中，貼覆芯片的步驟還包括在芯片上形成金屬柱頭和金屬焊墊之一；形成金屬柱頭和金屬焊墊的另一個與導(dǎo)體接觸；對準(zhǔn)柱頭和焊墊；和結(jié)合柱頭和焊墊。
優(yōu)選地，形成MEMS以使MEMS具有在垂直于所述表面地方向上延伸的尖端。更優(yōu)選地，該方法還包括提供與尖端接觸的存儲介質(zhì)層的步驟，其中所述層包括用于依據(jù)由所述尖端在其上制造的凹痕來存儲數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)。更加優(yōu)選地，形成MEMS的步驟還包括形成懸臂結(jié)構(gòu)，該懸臂結(jié)構(gòu)一端處于錨定部分而另一端具有在垂直于表面方向上延伸的尖端；和在襯底中在其位于懸臂之下的部分中形成空腔。
在優(yōu)選實(shí)施例中，形成導(dǎo)體的步驟還包括在襯底中形成通孔；在通孔中沉積金屬；對MEMS襯底貼覆承載板；在MEMS襯底的背側(cè)表面減薄MEMS襯底以暴露金屬；和在背側(cè)表面形成金屬焊墊與通孔中的金屬接觸。優(yōu)選地，承載板對燒蝕輻射透明，且所述貼覆芯片的步驟還包括暴露該板于燒蝕輻射，從而分離該板。更優(yōu)選地，所述形成導(dǎo)體的步驟還包括用第一聚酰亞胺層涂布MEMS襯底的背側(cè)表面；在第一聚酰亞胺層中形成開口以暴露導(dǎo)體；和形成金屬柱頭和金屬焊墊之一與導(dǎo)體接觸，和所述貼覆芯片的步驟包括用第二聚酰亞胺層涂布芯片；在第二聚酰亞胺層中形成開口，在開口中形成金屬柱頭和金屬焊墊的另一個；和進(jìn)行層壓工藝以結(jié)合第一聚酰亞胺層和第二聚酰亞胺層。更加優(yōu)選地，該方法包括在所述層壓工藝之后完成MEMS的形成的步驟，包括在MEMS襯底中形成空腔以使MEMS具有懸臂結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選為在貼覆芯片之前，減薄MEMS襯底。這可以通過首先貼覆承載板，并隨后在貼覆工藝完成后去除承載板而方便地完成。
優(yōu)選地，提供一種用于制造集成結(jié)構(gòu)的方法，該集成結(jié)構(gòu)包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和用于將信號傳送至MEMS的芯片。在該方法中，在襯底上形成MEMS，并且MEMS具有其中帶有開口的錨定部分，并且在錨定部分的開口中形成導(dǎo)體。然后，去除MEMS襯底，從而暴露MEMS的下側(cè)部分和導(dǎo)體。然后，在垂直于襯底表面的方向上貼覆芯片于MEMS的錨定部分，從而形成從芯片到MEMS的導(dǎo)電通路。在去除襯底之前，在MEMS上沉積一層并將承載板貼覆于該層將帶來方便；承載板在貼覆MEMS和芯片之后去除。芯片與MEMS之間的連接是通過形成于芯片上的金屬柱頭，該柱頭在芯片上的層中的開口中。由此，將MEMS的下側(cè)從芯片隔離開與該層的厚度相對應(yīng)的距離。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該方法還包括的步驟為在芯片上沉積第二層；在第二層上形成開口；和在第二層的開口中形成金屬柱頭，且其中所述貼覆步驟還包括在MEMS的下側(cè)對準(zhǔn)金屬柱頭和導(dǎo)體；和進(jìn)行層壓工藝以連接MEMS于第二層。優(yōu)選地，該方法還包括的步驟為在芯片上沉積第二層；在第二層中形成開口；在第二層中的開口中形成金屬焊墊；和在MEMS的下側(cè)上形成金屬柱頭與導(dǎo)體接觸，且其中所述貼覆的步驟還包括對準(zhǔn)柱頭和焊墊；和進(jìn)行層壓工藝以連接MEMS和第二層。更優(yōu)選地，承載板對燒蝕輻射透明，且該方法還包括的步驟為暴露承載板于燒蝕輻射，由此從第一層分離承載板；和在所述貼覆芯片的步驟之后去除第一層。
合適地，所述形成MEMS的步驟還包括形成懸臂結(jié)構(gòu)，該懸臂結(jié)構(gòu)一端處于錨定部分而另一端具有在垂直于表面方向上延伸的尖端，且其中懸臂從芯片隔離開與第二層的厚度相對應(yīng)的距離。更合適地，所述形成MEMS的步驟還包括形成懸臂結(jié)構(gòu)，該懸臂結(jié)構(gòu)一端處于錨定部分而另一端具有在垂直于表面方向上延伸的尖端，且其中懸臂從芯片隔離開與第二層的厚度相對應(yīng)的距離。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種垂直集成結(jié)構(gòu)，其中微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與用于將信號傳送至MEMS的芯片相連接。該結(jié)構(gòu)包括層，位于芯片的一部分上且在該層中具有開口；MEMS，具有錨定部分和從其水平延伸出來的端部，該錨定部分被貼覆于該層，且包括對準(zhǔn)開口的導(dǎo)體和在開口中的金屬柱頭，該柱頭接觸芯片和導(dǎo)體，且其中MEMS從該芯片隔離開與該層的厚度相對應(yīng)的距離。
優(yōu)選地，MEMS包括懸臂結(jié)構(gòu)和包括在垂直方向上延伸的尖端的端部部分。更優(yōu)選地，該結(jié)構(gòu)還包括橫向延伸且在垂直方向上從芯片分開的層，所述層與該尖端接觸。


現(xiàn)在參考其在附圖中所示的優(yōu)選實(shí)施例，將只通過例子描述本發(fā)明。
圖1A為用于數(shù)據(jù)存儲的MEMS芯片的單元的示意橫截面圖；圖1B為圖1A的單元的平面圖；圖2為用于將MEMS芯片連接至驅(qū)動器芯片的傳統(tǒng)的二維布置的示意圖；圖3為完成的三維集成MEMS/CMOS器件的橫截面圖，其中使用C4技術(shù)實(shí)現(xiàn)MEMS與CMOS芯片之間的連接；圖4為完成的三維集成MEMS/CMOS器件的橫截面圖，其中使用垂直柱頭/通孔連接實(shí)現(xiàn)MEMS與CMOS芯片之間的連接；圖5A至5F示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有透片連接的MEMS芯片的制造中的步驟；圖6A至6C示出了MEMS芯片的制造中，接著圖5A至5F所示步驟的更進(jìn)一步的步驟；圖7A至7C示出了MEMS芯片的制造中，圖6A至6C所示步驟的替代步驟；圖8A至8C示出了使用C4連接的MEMS芯片和CMOS芯片的三維集成中的步驟；圖9A至9D示出了使用柱頭/通孔連接的MEMS芯片和CMOS芯片的三維集成中的步驟；圖9E至9G示出了使用可替換的柱頭/通孔連接工藝的MEMS芯片和CMOS芯片的三維集成中的步驟；以及圖10A至10G示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的MEMS芯片和CMOS芯片的三維集成中的步驟。
具體實(shí)施例方式
圖3示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中記憶存儲器件包括MEMS芯片1和CMOS芯片2的三維集成，并且其中芯片之間的連接是使用C4技術(shù)制成的。MEMS芯片具有與CMOS芯片上的C4焊料凸點(diǎn)30的陣列對準(zhǔn)的懸臂10的陣列。MEMS芯片上的懸臂10形成了與存儲介質(zhì)12的接觸。懸臂的運(yùn)動由CMOS芯片控制；單個懸臂與CMOS芯片之間的連接是通過電學(xué)通路形成的，該電學(xué)通路包括穿透MEMS芯片的互連15、形成于MEMS芯片背側(cè)上的聚酰亞胺層31上的焊墊33、以及C4焊料凸點(diǎn)30。(焊料凸點(diǎn)連接至焊墊(未示出)，焊墊形成于CMOS芯片2上的聚酰亞胺層32上。)圖4示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中記憶存儲器件通過使用垂直柱頭/通孔連接來集成MEMS芯片1和CMOS芯片2而制造。MEMS芯片具有穿透芯片和芯片背側(cè)上的聚酰亞胺涂層16的互連15；對MEMS芯片的電接觸是通過形成于聚酰亞胺涂層中的開口中的焊墊17實(shí)現(xiàn)的。CMOS芯片2還具有其背側(cè)上的聚酰亞胺涂層23，該涂層具有與焊墊17的位置相匹配的開口。CMOS芯片在那些開口中具有柱頭21，焊料22提供了焊墊17與柱頭之間的導(dǎo)電連接。MEMS芯片和CMOS芯片上的聚酰亞胺層16、23機(jī)械地連接，使得芯片從物理和電學(xué)兩方面集成起來。
下面給出用于MEMS和CMOS芯片三維集成的工藝的細(xì)節(jié)。應(yīng)該了解，MEMS懸臂結(jié)構(gòu)僅是一種示例，并且本發(fā)明可以應(yīng)用于各種微機(jī)電器件。
MEMS芯片的制備根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，具有硅懸臂陣列的MEMS芯片如圖5A至5F地制備。圖5A示出了硅覆絕緣體(SOI)晶片，該晶片具有體材料硅51上的埋入氧化物(BOX)層52、位于BOX上的硅層53、以及熱氧化層54。層52至54的典型厚度分別為400nm、4μm和500nm。隨后對氧化層54掩模并蝕刻，從而僅保留部分54a，其后來被作為用于硅層53的蝕刻的掩模(見圖5B)。后面將處理硅層被掩模的部分，以形成納米尺寸的尖端。然后，在將深通開口(deep via opening)55蝕刻至襯底51中；此通孔的尺寸是依據(jù)可用的光刻技術(shù)和MEMS單元的設(shè)計(jì)(圖5C)確定的。
然后，在硅層53上和在開口55的側(cè)壁上生長熱氧化層56。層53的小的未蝕刻部分被部分地在氧化處理中消除，其具有將硅銳化成尖端53t的效果(圖5D)。然后，蝕刻層53和56以形成包括加熱件的懸臂結(jié)構(gòu)，而尖端53t仍由氧化物保護(hù)(圖5E)。
然后，用金屬57填充蝕刻的通孔開口55，金屬57將形成直通連接。接觸焊墊58隨后沉積在通孔和相鄰的硅的頂上，所述相鄰的硅位于懸臂的與尖端相對的一端處。沉積另外的氧化層59(優(yōu)選為低溫氧化物)作為覆蓋層，然后向下蝕刻開口60至襯底51的表面(圖5F)。
此刻，MEMS結(jié)構(gòu)已具有在襯底中蝕刻的空腔(從而從襯底上釋放了懸臂的尖端)，并且該結(jié)構(gòu)已被減薄以準(zhǔn)備與CMOS器件的接合。這些步驟可按兩種不同的方式進(jìn)行，分別如圖6A至6C和7A至7C所示。
(1)圖6A示出了圖5F的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)首先被聚酰亞胺層61覆蓋，隨后具有了與聚酰亞胺結(jié)合的承載板62。該承載板用于在襯底被減薄后方便MEMS襯底的處理。優(yōu)選為承載板對于燒蝕輻射是透明的(如玻璃晶片)，使得后來可以方便地去除。然后，在研磨或拋光操作中減薄MEMS襯底，使得電學(xué)的直通連接暴露于襯底的背側(cè)表面51b上(圖6B)。然后，在襯底的背側(cè)表面上沉積聚酰亞胺層63，并且聚酰亞胺層63具有形成于其中以暴露金屬部分57的開口64。然后，在開口中形成金屬焊墊65，從而與金屬57相接觸，并完成直通連接(圖6C)。在去除了承載板62和聚酰亞胺層61后，透過開口60進(jìn)行空腔蝕刻。該結(jié)構(gòu)適于將在下面詳細(xì)描述的利用柱頭/通孔連接的與CMOS芯片的集成。
(2)圖7A示出了圖5F的結(jié)構(gòu)，在襯底51中進(jìn)行了空腔蝕刻之后(利用空腔開口60和層59作為掩模)。然后，蝕刻氧化層59和BOX層52；特別是，在BOX層52的下側(cè)透過空腔70蝕刻BOX層52，使得硅層53的保留部分成為懸于空腔70上的懸臂(圖7B)。然后，用聚酰亞胺層71覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)(包括空腔)的頂面，并且將其結(jié)合至承載板72。如上所述，承載板優(yōu)選為透明的(如玻璃晶片)。在貼附了承載板后，將襯底減薄，使得金屬57暴露于襯底的背側(cè)表面51b上。然后，用聚酰亞胺層73涂布該背側(cè)表面，聚酰亞胺層73具有形成于其中的開口74；金屬焊墊75形成于開口中，從而與金屬57相接觸(圖7C)。此MEMS結(jié)構(gòu)適于如下的利用C4連接的與CMOS器件的集成。
使用C4的MEMS/CMOS集成圖8A至8C中示出了使用C4連接的MEMS/CMOS集成的工藝。在圖8A中，CMOS襯底81示為具有其表面上的金屬焊墊82，以及位于襯底表面上的聚酰亞胺層83。(應(yīng)理解的是，用于控制MEMS芯片的電學(xué)器件已經(jīng)被制造，并成為CMOS襯底81的一部分；那些CMOS器件將不再詳細(xì)介紹。)本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，通過在聚酰亞胺層83中形成開口以暴露焊墊82、在開口中沉積種層(seed layer)84、以及透過掩模鍍覆C4金屬而制備C4連接。然后去除掩模和多余的種層，并且進(jìn)行回流工藝以產(chǎn)生C4結(jié)合焊墊85。
然后，將MEMS芯片(示為已根據(jù)圖7C形成有空腔70)與CMOS芯片對準(zhǔn)(使用承載板72)，并且將MEMS芯片結(jié)合至C4焊墊。具體地說，將MEMS芯背側(cè)上的焊墊75結(jié)合至C4焊墊85，從而形成從CMOS芯片透過MEMS芯片并到達(dá)懸臂結(jié)構(gòu)的電學(xué)和熱學(xué)上的直通連接(見圖8B)。C4結(jié)合工藝的細(xì)節(jié)為本領(lǐng)域所公知。
然后，從聚酰亞胺層71上分離承載板72(優(yōu)選利用激光燒蝕承載板與聚酰亞胺層71之間的界面)，并且從MEMS芯片的前側(cè)去除承載板72。然后，去除聚酰亞胺層71，產(chǎn)生了圖8C所示的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意，在本實(shí)施例中，在分別位于MEMS和CMOS芯片上的相對的聚酰亞胺層73與83之間存在間隔88。
使用柱頭/通孔連接的MEMS/CMOS集成圖9A示出了CMOS襯底91，假定電子器件已形成于其中。圖9A中示出了與襯底91頂表面的引線連接92。襯底由聚酰亞胺層93覆蓋，而開口形成于其中，以產(chǎn)生與CMOS器件的連接。如圖9A中所示，優(yōu)選開口為錐形的，以利于與MEMS芯片的對準(zhǔn)。柱頭94建于開口中，其形成了與引線92的電接觸。柱頭由焊料95蓋住，焊料95用于形成與MEMS芯片上的金屬焊墊的連接。
圖9B示出了與CMOS芯片對準(zhǔn)并結(jié)合的MEMS芯片(依據(jù)圖6C處理)。依靠現(xiàn)有的技術(shù)，該對準(zhǔn)可在小于1μm的精確度下進(jìn)行。MEMS芯片背側(cè)的聚酰亞胺層63與CMOS芯片上的聚酰亞胺層93相接觸。與金屬通孔57相接觸的MEMS芯片上的接合焊墊65與柱頭94對準(zhǔn)。然后，進(jìn)行高溫層壓工藝，使焊料95回流、填充聚酰亞胺層中的開口、并與焊墊65結(jié)合。應(yīng)注意到，在本實(shí)施例中，相對的聚酰亞胺層63、93彼此接觸，并且芯片之間無間隙。聚酰亞胺層63、93中的一個或兩個可在進(jìn)行層壓工藝前用粘合劑涂布。
在結(jié)合工藝后，從聚酰亞胺層61上去除承載板62，優(yōu)選通過激光燒蝕。然后去除聚酰亞胺層61以暴露空腔蝕刻開口60。然后，進(jìn)行空腔蝕刻工藝，以從懸臂結(jié)構(gòu)后去除硅(圖9C)；隨后蝕刻氧化層52、56、59，以暴露懸臂和懸臂尖端。在圖9D中示出完成的MEMS/CMOS集成結(jié)構(gòu)。
圖9E至9G示出了一種替代的柱頭/通孔連接工藝。在該工藝中，柱頭位于MEMS芯片上，而不是位于CMOS芯片上。如圖9E所示，MEMS襯底的背側(cè)(如圖6B所示的處理后在此示出)由聚酰亞胺層96所覆蓋，并具有形成于其中的開口。然后，在開口中建立柱頭97，并且用焊料98蓋住，焊料98用于形成與CMOS芯片的連接。CMOS芯片91具有形成于其上的聚酰亞胺層121，其具有用于形成與CMOS器件的電連接的開口。結(jié)合焊墊99形成于這些開口中，與引線92形成電接觸(圖9F，與圖9A相比)。然后，使MEMS芯片和CMOS芯片與相對于柱頭97對準(zhǔn)的焊墊99相接觸，如圖9G(與圖9B相比)所示。進(jìn)行如上所述的高溫層壓工藝，使得焊料98與焊墊99相結(jié)合。聚酰亞胺層96、121中的一個或兩個可在進(jìn)行層壓工藝前涂布粘合劑。在結(jié)合工藝后，完成MEMS/CMOS集成結(jié)構(gòu)的工藝，如上所述。
如圖8C、9D和9G所示，上述的工藝產(chǎn)生了三維集成的MEMS/CMOS結(jié)構(gòu)，其中電信號沿透過MEMS芯片z方向行進(jìn)(即，在激勵懸臂尖端的相同方向)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，從CMOS芯片直接到達(dá)懸臂的電學(xué)、熱學(xué)接觸由CMOS芯片形成，而無需直通連接。
懸臂/CMOS直接接觸在本發(fā)明的該實(shí)施例中，懸臂結(jié)構(gòu)錨定于直接與CMOS芯片直接連結(jié)的柱頭/通孔布置。懸臂的制造開始于前面參照圖5A介紹的SOI晶片。掩模并蝕刻氧化層54，使得部分54a和54b被保留，如圖10A所示；蝕刻下面的硅層53。未被蝕刻的硅區(qū)域隨后形成懸臂尖端和錨定端。
懸臂尖端53t通過硅層53的熱氧化而銳化；然后構(gòu)圖硅層以形成懸臂，如圖10B所示。特別地，懸臂的錨定部分100具有形成于其中的通孔開口101，從而暴露出下面的BOX層52的一部分。然后在通孔開口中形成金屬層102。該結(jié)構(gòu)隨后用聚酰亞胺層103涂布，并且將承載板104貼覆于該結(jié)構(gòu)(見圖10C)。
然后，通過研磨、拋光、濕法蝕刻或等離子體蝕刻工藝去除硅襯底51。BOX層52也被通過濕法蝕刻或等離子體蝕刻工藝去除。在圖10D中示出得到的結(jié)構(gòu)。
制備CMOS芯片，如圖10E所示。如上面提到的，假定CMOS襯底105具有形成于其中的并且引線連接至襯底表面的電子器件。1μm至2μm厚的無機(jī)物層106沉積于襯底表面上，并且對其構(gòu)圖以形成具有暴露引線連接的開口的結(jié)構(gòu)。柱頭107形成于開口中，且焊料108位于柱頭的頂上(如前面參照圖9A所介紹的)。
對準(zhǔn)MEMS芯片和CMOS芯片，使得懸臂的錨定部分100與圖案化的無機(jī)物層106的頂面106a相接觸。然后，進(jìn)行高溫層壓工藝，其中使焊料108回流，并從而建立柱頭107與懸臂的錨定部分100中的金屬焊墊102之間的電學(xué)和熱學(xué)連接。在圖10F中示出得到的結(jié)構(gòu)。然后從聚酰亞胺層103上分離承載板104并去除承載板104(優(yōu)選地通過激光燒蝕，如前面討論)。最后，剝離聚酰亞胺層103，優(yōu)選地通過等離子體工藝。如圖10G所示，該方法得到的結(jié)果為集成結(jié)構(gòu)，其中分開的MEMS器件的陣列沿z方向與CMOS芯片連接，而無需MEMS襯底中的直通連接。盡管在前面的實(shí)施例中，必須在襯底中蝕刻空腔70以提供尖端的垂直移動范圍，但在本實(shí)施例中空隙110依據(jù)層106的厚度而形成于芯片與懸臂之間。
雖然已經(jīng)參照具體的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但依據(jù)前面的描述，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，大量的替換、改動和變化是顯而易見的。因此，本發(fā)明應(yīng)將所有這些屬于本發(fā)明及所附權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)的替換、改動和變化包括于其中。
權(quán)利要求
1.一種用于制造集成結(jié)構(gòu)的方法，該集成結(jié)構(gòu)包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和用于將信號傳送至MEMS的芯片，該方法包括步驟提供具有表面的MEMS襯底；形成所述MEMS以在其中提供錨定部分，所述MEMS在所述錨定部分處與所述MEMS襯底連接；形成從所述MEMS的錨定部分穿透所述MEMS襯底的導(dǎo)體；和在垂直于所述表面的方向上貼覆所述芯片于所述MEMS襯底，從而形成從所述芯片至所述MEMS的導(dǎo)電通路。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述貼覆芯片的步驟還包括在所述芯片上形成C4金屬焊墊；對準(zhǔn)所述C4金屬焊墊與所述導(dǎo)體；和結(jié)合所述C4金屬與所述導(dǎo)體。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述貼覆芯片的步驟還包括在所述芯片上形成金屬柱頭和金屬焊墊中的一個；形成所述金屬柱頭和金屬焊墊中的另一個，與導(dǎo)體接觸；對準(zhǔn)所述柱頭與所述焊墊；和結(jié)合所述柱頭與所述焊墊。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述形成導(dǎo)體的步驟包括用第一聚酰亞胺涂布所述MEMS襯底的背側(cè)表面；在所述第一聚酰亞胺層中形成開口以暴露所述導(dǎo)體，和形成所述金屬柱頭和金屬焊墊之一與所述導(dǎo)體接觸，和所述貼覆所述芯片的步驟包括用第二聚酰亞胺層涂布芯片；在所述第二聚酰亞胺層中形成開口，在所述開口中形成所述金屬柱頭和金屬焊墊的另一個；和進(jìn)行層壓工藝以結(jié)合所述第一聚酰亞胺層和所述第二聚酰亞胺層。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中在所述層壓工藝之后完成所述MEMS的形成，包括在所述MEMS襯底中形成空腔以使所述MEMS具有懸臂結(jié)構(gòu)。
6.如前述的任意權(quán)利要求所述的方法，其中形成所述MEMS以使所述MEMS具有在垂直于所述表面的方向上延伸的尖端。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括提供與所述尖端相接觸的存儲介質(zhì)層的步驟，其中所述層包括用于依據(jù)由尖端在其中形成的凹陷來存儲數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)。
8.如前述的任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述形成所述MEMS的步驟還包括形成懸臂結(jié)構(gòu)，所述懸臂結(jié)構(gòu)具有位于所述錨定部分處的一端和具有在垂直于所述表面的方向上延伸的尖端的另一端；和在位于所述懸臂下的襯底的部分在襯底中形成空腔。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述形成所述導(dǎo)體的步驟還包括在所述襯底中形成通孔；在所述通孔中沉積金屬；貼覆承載板于所述MEMS襯底；在所述MEMS襯底的背側(cè)表面減薄所述MEMS襯底，從而露出所述金屬；和在所述背側(cè)表面形成金屬焊墊與所述通孔中的所述金屬接觸。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述承載板對于燒蝕輻射是透明的，并且所述貼覆所述芯片的步驟還包括暴露所述板于燒蝕輻射，從而分離所述板。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述MEMS具有其中帶有開口的錨定部分；在所述MEMS的錨定部分的開口中形成導(dǎo)體；去除所述MEMS襯底，從而暴露MEMS的下側(cè)和導(dǎo)體；和在垂直于襯底表面的方向上貼覆所述芯片于所述MEMS的錨定部分，從而形成從所述芯片到所述MEMS的導(dǎo)電通路。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括步驟在所述去除所述MEMS襯底的步驟之前，沉積第一層位于所述MEMS上；和貼覆所述承載板于所述第一層。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括步驟在所述芯片上沉積第二層；在所述第二層中形成開口；和在所述第二層中的所述開口中形成金屬柱頭，并且其中所述貼覆步驟還包括對準(zhǔn)所述金屬柱頭與所述MEMS下側(cè)的所述導(dǎo)體；和進(jìn)行層壓工藝以結(jié)合所述MEMS與所述第二層。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括步驟在所述芯片上沉積第二層；在所述第二層中形成開口；在所述第二層中的所述開口中形成金屬焊墊；和在MEMS的下側(cè)形成金屬柱頭與所述導(dǎo)體接觸；并且其中所述貼覆步驟還包括對準(zhǔn)所述柱頭與所述焊墊；和進(jìn)行層壓工藝以結(jié)合所述MEMS與所述第二層。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述承載板對于燒蝕輻射是透明的，并且還包括步驟在所述貼覆所述芯片的步驟之后，暴露所述承載板于燒蝕輻射，從而將所述承載板從所述第一層分離；和去除所述第一層。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述形成MEMS的步驟還包括形成懸臂結(jié)構(gòu)，所述懸臂結(jié)構(gòu)具有位于所述錨定部分處的一端和具有在垂直于所述表面的方向上延伸的尖端的另一端，并且其中所述懸臂從所述芯片隔開與所述第二層的厚度相對應(yīng)的距離。
17.一種垂直集成結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)連接微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和用于將信號傳送至MEMS的芯片，所述結(jié)構(gòu)包括層，位于所述芯片的一部分上并且具有其中的開口；MEMS，所述MEMS具有錨定部分和從其水平延伸的端部，所述錨定部分貼覆于所述層并且包括與所述開口對準(zhǔn)的導(dǎo)體；和在所述開口中的金屬柱頭，所述柱頭接觸所述芯片和所述導(dǎo)體，其中所述MEMS從所述芯片隔開與所述層的厚度相對應(yīng)的距離。
18.如權(quán)利要求17所述的垂直集成結(jié)構(gòu)，還包括層，所述層水平地延伸，并且在垂直方向上從所述芯片隔開，所述層與所述尖端相接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直集成結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和用于將信號傳送至MEMS的芯片。MEMS具有錨定部分，錨定部分具有穿透其中的導(dǎo)體，MEMS通過錨定部分連接至襯底。芯片在垂直于襯底表面的方向上貼覆于MEMS襯底，從而形成芯片到MEMS的導(dǎo)電通路。芯片刻通過將導(dǎo)體與形成于芯片上的C4金屬焊墊結(jié)合、或通過將導(dǎo)體與芯片上的金屬柱頭結(jié)合而貼覆。MEMS襯底可在被貼覆于芯片前減薄，或者可從MEMS下側(cè)去除。暫時的承載板用于方便處理MEMS以及與芯片對準(zhǔn)。
文檔編號H01L21/768GK1711210SQ200380103323
公開日2005年12月21日 申請日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月14日
發(fā)明者伯恩哈德·波格, 米歇爾·德斯龐特, 厄特·德雷克斯勒, 錢德里卡·普拉薩德, 彼得·維蒂格, 羅伊·余 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司