[发明专利]具有集成到基于引脚框的封装体的活动元件的微机电系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及半导体装置和工艺的领域，并更特别涉及具有集成到基于引脚框的模塑封装体的活动元件的微机电系统（MEMS）装置的结构和制造。

背景技术

总体称为微机电系统（MEMS）装置的种类广泛的产品是微米到毫米规模上的小型轻量装置，其基于类似针对半导体微电子装置使用的技术的批量制造技术生产。MEMS装置在共同载体上集成机械元件、传感器、致动器和电子器件。已经开发MEMS装置来感测机械量、热量、化学量、辐射量、磁量和生物量与输入，并产生信号作为输出。

MEMS装置可具有在能量流（声、热或光学的）、温度或电压差，或外力或扭矩的影响下机械移动的部件。具有隔膜、板件或横梁的某些MEMS装置可用作压力传感器或例如话筒或扬声器的致动器、惯性传感器例如加速度计或电容传感器例如应变仪；其它MEMS装置运行为针对位移或倾斜的移动传感器；双金属隔膜充当温度传感器。除小尺寸之外，隔膜或板件操作的传感器的一般要求包括长期稳定性、小的温度灵敏度、压力和温度的低滞后、对腐蚀性环境的抗性并经常包括密闭性。

在MEMS装置中，机械移动部件在半导体芯片上电子集成电路（IC）的工艺流程中通常与传感器和致动器一起制造。作为例子，机械移动部件可在IC制造期间在某个步骤由下切蚀刻生产。在MEMS传感器生产中采用的体微机械加工工艺用于在大批半导体晶体中创造活动元件和用于其移动的空穴，该工艺包括各向异性湿蚀刻、反应离子蚀刻（RIE）和深反应离子蚀刻（DRIE）。这些技术采用光刻掩模，取决于结晶取向，并需要蚀刻停止，这些全部都耗费大量时间和生产能力。另外，存在同样是昂贵技术的在半导体晶体表面上的薄膜中建立结构的体微机械加工和表面微机械加工技术。其它工艺例如自动晶片键合（wafer bonding）比较便宜。

因为移动和灵敏部件，MEMS装置需要物理和大气防护。因此，MEMS由外壳或封装体围绕，外壳或封装体使MEMS装置对环境和电气干扰屏蔽，并屏蔽环境应力。对于许多装置，完全密闭甚至类密闭的封装体表示显著的成本，尤其在需要陶瓷封装体或精确部件例如玻璃板时。

压力传感器的基本操作原理之一是压阻、电容和共振操作。在压阻操作中，压力转换为电气可检测信号，其中转换依靠暴露于压力的结构例如隔膜的弹性变形；压力导致应变，并且应变导致电阻改变。在MEMS硅技术中，控制隔膜厚度、大小和对齐包括精度处理步骤。在共振操作中，压力导致在振动微结构中的机械应力；共振频率的测量依赖机械应力。MEMS装置硅膜的激励和阻尼与非线性频率压力关系需要复杂的校准。在电容操作中，压力导致依赖位移的输出信号。压力的改变导致位移，位移导致电容器改变，并且电容器改变导致电信号，类似于电容式话筒的操作。非线性和寄生电容和剩余隔膜应力代表针对硅和外延硅的MEMS装置隔膜制造挑战。

取电容压力传感器的例子，可选择若干制造方法。在一个方法中，传感器被体微机械加工为具有垂直馈通的玻璃-硅-玻璃结构。在另一方法中，优选已蚀刻的晶体接收安放在玻璃上的深和浅的硼扩散和介电沉积，因此晶体可最终溶解。在仍另一方法中，表面微机械加工的电容压力传感器由多晶硅层（1.5μm厚）创造，多晶硅层通过在n+掺杂硅电极上方的缝隙（0.8μm宽）分离；传感器与感测电路单体集成。传感器是小的并跨越从约1bar到约350bar的操作范围，具有高超压稳定性、低温度依赖性和低功耗。

在加速计的基本操作原理中，机械和电气灵敏度是活动板中心位移的函数。在位感测加速计中，作为输入的应用加速度变换为活动片（板件）的位移作为输出；悬梁用作弹簧。力感测加速计直接检测施加在检验片上的力。活动板、悬梁和检验片的大批单晶硅中的MEMS装置制造需要灵敏的半导体蚀刻技术。

发明内容

据信制造成本为阻止压力传感器、话筒、加速计和其它应用广泛整合的支配因素，在这些其他应用中活动构件需要将外部模拟输入转换为电输出进入汽车、医疗和航空航天业的系统。

与此有关，观察到由标准晶体制造技术和标准晶体制造光刻技术构建在晶体表面上或其里面的MEMS装置不仅是高成本途径，而且限制必须与标准晶体工艺兼容的MEMS组件可用的材料和配置的选择。在晶体制造之后，在标准技术中EMS装置仍必须使用已知封装材料和工艺封装——另一成本添加。