专利名称：用于半导体衬底接合的微机械方法和相应的装置以及相应的接合的半导体芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于半导体衬底接合的微机械方法和相应的装置以及相应的接合的半导体芯片。
背景技术：
尽管本发明可以应用于任何微机械部件和结构、特别是传感器和执行器，但是还阐述本发明以及本发明所基于的可以用硅表面微机械技术制造的微机械传感器方面的问 题。微机械衬底连接，例如，晶圆片-晶圆片-接合-连接，一般用带有两种或多种固体接合材料的低共熔合金或合金组分作为组成部分实现。这样的低共熔合金具有一个唯一可以确定的熔点。反之相同合金组分的其他混合比具有熔化或凝固区域，在其中除了熔融物以外还存在固相。此外，低共熔合金的熔点是同一组成部分的所有混合物中最低的。在接合过程中必须施加要求的最低接合力，以便使接合合金在晶圆片级上接触。由此导致液态低共熔相的延伸。这时，可能出现液态低共熔相不受控制地流入MEMS功能区。为了把这种流动减到最小或加以防止，例如，可以分别在接合框的内部和外部设置合适宽的止流沟，为此必须在芯片级上保留较大的面积需求。图5是示例性的半导体衬底接合装置芯片区上的部分顶视示意图。该微机械传感器芯片I具有有源功能区4和无源边缘区4a。在边缘区4a设置接合框2，其上施加有低共熔接合合金例如Al-Ge，它把边缘区4a分成被接合框包围的内部区域4a2和外部区域4al。在接合框2和传感器芯片I的功能区4之间的内部区域4a2中有一个止流沟3，它应该在接合过程中防止熔融物从接合框2的区域流入功能区4。于是通过用止流沟3俘获接合过程中延伸的熔融物的部分。这种类型的止流沟3的典型尺寸，在宽度b上处于在20和50 ii m之间。这种止流沟3需要附加地不仅有一个到接合框2的最小距离dl，还要有到有源功能区4的最小距离d2。就在传感器芯片日趋缩小的情况下，却为此需要不可观的面积需求。从WO 2005/008772 A2已知一种带有半导体芯片和面导体框的电子元件，为了焊接电子元件，其在其下侧有一个金属涂层图案。这个金属涂层图案具有可以用焊料湿润的湿润区域和不能用焊料湿润的防湿润区域，其中该电子元件在湿润区域上在下侧具有焊料堆。
发明内容
本发明的优点按照权利要求I的本发明的装置或按照权利要求8的用于接合半导体衬底的微机械方法或按照权利要求9的相应的接合的半导体芯片有下列优点通过引入比较小的由合金组分中至少一种形成的结构化止流框，至少在实际接合框的内部并优选在其内部和外部阻止流动的熔融物。该止流框由合金组分中的至少一种形成，该止流框可以与所采用的光刻和结构化过程无关地被实施为宽度在0. I和50 i! m之间、优选在I和20 i! m之间和特别优选在5和10 之间，并因此表现出与止流沟相比低得多的面积需求。到接合框的距离和到传感器功能区的距离与止流沟相比可以被实施得小得多，优选在I和20 U m之间，特别优选在5和10 y m之间。作为本发明基础的想法是设置一种由至少一种合金材料制成的补偿结构用于液相就地硬化。作为基础的机制在于，熔融物在与附加地提供的合金组分材料接触时便凝固，因为新的成份具有较高的熔点，例如，不再给出低共熔成份，并且因此没有可能进一步流动。接合合金优选由下列混合物之一组成Au-Si, Al-Ge, Cu-Sn, Au-In以及考虑由各自单独材料制成的合金，例如AlSiCu-GE，AlSi-Ge或AlCu-Ge。原则上可以设想可以用于微机械的所有合金伴侣。 特别优选的是其相图规定有低共熔合金的合金伴侣。示例性合金是Al-Ge。这两种接合材料的熔融温度对于纯铝是660°C，对于纯锗是938°C。低共熔点的熔融温度处于420°C。接合所必需的临界接合温度在低共熔接合下取决于所使用材料的混合。在理想的情况下在低共熔点的熔融温度下时形成液相。在Al-Ge合金的示例情况下，实际接合温度一般在420V至450°C的范围内。另外，通过按照本发明的止流结构，还不产生像例如由止流沟引起的不必要地高的形貌。在从属权利要求中列出本发明各主题的有利扩展和改善。
本发明的实施例示于附图中，并在下文中更详细加以描述。附图中图Ia是按照本发明第一实施方式的半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图；图Ib是用按照本发明第一实施方式的半导体衬底接合装置制造成的接合芯片的部分剖面示意图；图2是按照本发明第二实施方式的半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图；图3是按照本发明第三实施方式的半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图；图4是按照本发明第四实施方式的半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图；而图5是一个示例性半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图。
具体实施例方式在图中，相同的参考符号标示相同的或者功能相同的组成部分。
图Ia是按照本发明第一实施方式半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图。该微机械传感器芯片I具有有源功能区4和无源边缘区4a。在边缘区4a中设置接合框2，带有施加于其上的低共熔接合合金例如Al-Ge，它把边缘区4a分成被接合框包围的内部区域4a2和外部区域4al。在接合框2和传感器芯片I的功能区4之间的内部区域4a2中设置止流框7，它由Al和Ge形成的非低共熔合金形成，因而具有要么高于相应的低共熔合金的Ge含量、要么高于相应的低共熔合金的Al含量(直至各自的纯合金组分)。这种附带设置的止流框7在与从接合框2出来的低共熔熔融物的流动运动接触时，导致接合合金可溶性的改变和熔融物材料成分的改变，使熔融物瞬间凝固而不能继续流动。止流框7可以与所采用的光刻过程和结构化过程无关地实施为宽在0. I和50 y m 之间、优选在I和20 m之间和特别优选5和10 m之间，因此与止流沟相比，面积需求低得多，这在图Ia中标示为宽度b'。到接合框的距离dl'和到传感器功能区的距离d2与上述止流沟相比可实施为小得多，优选在I和20 iim之间和特别优选在5和IOiim之间。图Ib是用按照本发明第一实施方式半导体衬底接合装置制造的接合芯片的部分剖面示意图。接合的半导体芯片具有第一半芯片I，带有按照图I的芯片，此外还有第二半芯片10，它具有其上接合有接合框2的接合面BF。有一个凝固接合合金区域7，它延伸在接合框2和止流框7之间，在其中止流框7在接合过程中捕获了延伸的熔融物。图2是按照本发明第二实施方式的半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图。在按照图2的第二实施方式中，设置有双止流框7a，7b，带有处于两个止流框7a，7b之间的间隙Z。在这个第二实施方式中，除了改变从低共熔区域出来的合金的混合比之夕卜，还可以利用在两个平行走向的止流框7a，7b之间的在间隙Z中形成的毛细作用。通过这个毛细作用可以将局部地出现的数量较大的低共熔的熔融物有延性地沿着止流框7a，7b在间隙Z上来分布。这种有延性的分布导致提供与止流框材料广泛的接触，这使凝固加速，以便即使在存在大量低共熔的熔融物的位置上也能有效地防止“泛滥”。在其他方面，第二实施方式与第一实施方式一致。图3是按照本发明第三实施方式半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图。在按照图3的第三实施方式中，不仅在接合框2以外，而且在接合框2以内都设置各自的由非低共熔的合金或该合金组分之一制成的止流框7a'或7b'。在其他方面，第三实施方式与第一和第二实施方式一致。图4是按照本发明第四实施方式的半导体衬底接合装置芯片区的部分顶视示意图。在按照图4的第四实施方式中给出可以形成断续的止流框、更确切地说各自本身或彼此结合的结构示例。止流框图案包括点图案70a、矩形图案70b、三角形图案70c、星形图案70d和虚线图案70e。显而易见可以设想其他任意几何形状，其中应该注意与相应的连续止流框可比的宽度以及在各结构元件之间不这样大的距离d(典型地I至15 ym)。在其他方面，第四实施方式与第一至第三实施方式一致。
尽管本发明上面根据优选的实施例进行了描述，但其不限于此，而是可以以各种各样的方式加以改变。尽管在上述实施方式给出了具体的图案和合金，但是本发明不限于此，而且显而易见可以使用与此不同的导致溢流的熔化物凝固作用的图案和合金。本发明不限于低共熔混合物，而是可以应用于通 过添加至少一种合金组分可以提高熔点的所有合金。
权利要求
1.用于半导体衬底接合的装置，带有 具有带有大量半导体芯片(I)的芯片图案的半导体衬底，这些半导体芯片分别具有功能区⑷和包围该功能区⑷的边缘区(4a)； 其中在与功能区(4)隔开的边缘区(4a)中设置有由至少两种合金组分组成的接合合金形成的接合框⑵； 其特征在干， 在边缘区(4a)的被接合框(2)所包围的部分(4a2)内部在接合框(2)和功能区(4)之间设置有至少ー个由合金组分中至少ー种形成的止流框(7 ;7a，7b -Jb' ;70)，它设置为使得在接合时当接合合金熔融物遇到止流框(7 ;7a，7b ；7b/ ；70)时接合合金出现凝固。
2.按照权利要求I的装置，其中在接合框(2)和功能区(4)之间设置有分别由合金组分中至少ー种形成的两个止流框(7 ;7a，7b -,Ib' ;70)，它们基本上平行延伸并形成间隙⑵。
3.按照权利要求I或2的装置，其中该接合框(70)具有由离散的图案元件(70a，70b，70c, 70d)组成的带有各自的中间距离(d)的图案结构。
4.按照上述权利要求中ー项的装置，其中在边缘区(4a)中在边缘区(4a)的不由接合框包围的部分(4al)内部设置有至少另ー个由合金组分中的至少ー种形成的止流框(7a')，它设置为使得在接合时接合合金熔融物遇到该另ー个止流框(7a')时接合合金出现凝固。
5.按照上述权利要求中ー项的装置，其中接合合金具有低共熔成份。
6.按照上述权利要求中ー项的装置，其中该接合合金由下列混合物之ー组成Au-Si，Al-Ge, Cu-Sn, Au-In以及考虑由各自的单独材料形成的合金，例如AlSiCu-GE，AlSi-Ge或者 AlCu-Ge。
7.按照上述权利要求中ー项的装置，其中该衬底是半导体晶圆片。
8.用于接合半导体衬底的微机械方法，具有下列步骤 将按照上述权利要求中ー项的装置加热到接合合金的熔点之上；和 在压カ下把加热后的装置接合到另ー个半导体衬底上，其中接合合金熔融物的一部分流动到止流框(7 ;7a，7b -,Ib' ；70)并在那里凝固，而不会到达功能区(4)。
9.接合的半导体芯片，具有 第一半芯片(I)，带有功能区(4)和包围功能区(4)的边缘区(4a)； 其中在与功能区(4)隔开的边缘区(4a)中设置有由至少两种合金组分组成的接合合金形成的接合框⑵； 其中在边缘区(4a)的被接合框(2)包围的部分(4a2)内部在接合框(2)和功能区(4)之间设置有至少ー个由合金组分的至少ー种形成的止流框(7 ;7a，7b -,Ib' ;70)，它被设置为使得接合时接合合金的熔融物遇到止流框(7 ;7a，7b ；7b/ ；70)时该接合合金出现凝固； 和第二半芯片(10)，它具有接合框(2)接合于其上的接合面(BF)。
10.按照权利要求9的接合的半导体芯片，其中有在接合框(2)和止流框(7;7a，7b ；Ib' ;70)之间延伸的凝固接合合金区域(27)。
全文摘要
本发明提供一种用于接合半导体衬底的微机械方法和相应的装置以及相应的接合的半导体芯片。该装置包括一个半导体衬底，它具有带有大量半导体芯片(1)的芯片图案，其分别具有功能区(4)和包围功能区(4)的边缘区(4a)，其中在与功能区(4)隔开的边缘区(4a)中设置有由至少两种合金组分组成的接合合金形成的接合框(2)。在边缘区(4a)的被接合框(2)所包围的部分(4a2)内部在接合框(2)和功能区(4)之间设置至少一个由合金组分中的至少一种形成的止流框(7；7a，7b；7b′；70)，它设置得为在接合时当接合合金的熔融物遇到止流框(7；7a，7b；7b′；70)时接合合金出现凝固。
文档编号B81C3/00GK102666368SQ201080051452
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月23日 优先权日2009年11月13日
发明者A·特劳特曼, R·赖兴巴赫 申请人:罗伯特·博世有限公司