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DE102016115567B4 - HEATER DESIGN FOR MEMS CHAMBER PRESSURE CONTROL - Google Patents

HEATER DESIGN FOR MEMS CHAMBER PRESSURE CONTROL Download PDF

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DE102016115567B4
DE102016115567B4 DE102016115567.5A DE102016115567A DE102016115567B4 DE 102016115567 B4 DE102016115567 B4 DE 102016115567B4 DE 102016115567 A DE102016115567 A DE 102016115567A DE 102016115567 B4 DE102016115567 B4 DE 102016115567B4
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mems
hermetically sealed
sealed chamber
substrate
heating element
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Shyh-Wei Cheng
Chih-Yu Wang
Hsi-Cheng Hsu
Hsin-Yu Chen
Ji-Hong CHIANG
Jui-Chun Weng
Wei-Ding Wu
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0035—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS
    • B81B7/0038—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS using materials for controlling the level of pressure, contaminants or moisture inside of the package, e.g. getters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/01—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS
    • B81B2207/012—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS the micromechanical device and the control or processing electronics being separate parts in the same package

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Abstract

Mikroelektromechanisches System, MEMS,-Paket (100), umfassend:ein CMOS-Substrat (102) mit einer oder mit mehreren Halbleitervorrichtungen, die in einem Halbleiterkörper (204) angeordnet sind;eine MEMS-Struktur (210), die mit dem CMOS-Substrat verbunden ist und eine mikroelektromechanische,MEMS, Vorrichtung (106) umfasst, wobei eine hermetisch abgedichtete Kammer (108), die an die MEMS-Vorrichtung angrenzt, zwischen dem CMOS-Substrat (102) und der MEMS-Struktur (210) angeordnet ist; undein Heizelement (110), das mit der einen oder den mehreren Halbleitervorrichtungen elektrisch verbunden ist und von der hermetisch abgedichteten Kammer (108) durch eine Ausgasungsschicht (112), die entlang einer Innenfläche der hermetisch abgedichteten Kammer angeordnet ist, getrennt ist;wobei das Heizelement (110) in Kontakt mit der Ausgasungsschicht (112) steht, die eine dielektrische Struktur (308) mit einer oder mit mehreren Metallverbindungsschichten (3061, 306b) umfasst.A micro-electro-mechanical system, MEMS, package (100) comprising: a CMOS substrate (102) having one or more semiconductor devices arranged in a semiconductor body (204); a MEMS structure (210) connected to the CMOS substrate and comprising a microelectromechanical, MEMS, device (106), wherein a hermetically sealed chamber (108) adjacent to the MEMS device is disposed between the CMOS substrate (102) and the MEMS structure (210). ; anda heating element (110) electrically connected to the one or more semiconductor devices and separated from the hermetically sealed chamber (108) by an outgassing layer (112) disposed along an interior surface of the hermetically sealed chamber;wherein the heating element (110) is in contact with the outgassing layer (112) comprising a dielectric structure (308) having one or more metal interconnection layers (3061, 306b).

Description

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

In den letzten zehn Jahren sind mikroelektromechanische System(MEMS)-Bauelemente in elektronischen Vorrichtungen immer üblicher geworden (beispielsweise in Mobiltelefonen, Sensoren usw.). MEMS-Bauelemente umfassen mechanische und elektrische Merkmale, die in der Lage sind, physikalische Kräfte oder Größen (beispielsweise Beschleunigung, Strahlung usw.) und/oder physikalische Mengen (zum Beispiel Flüssigkeiten) zu steuern. Beispiele für MEMS-Bauelemente umfassen Mikrosensoren, die mechanischen Signale in elektrische Signale umwandeln, und Mikroaktoren, die elektrische Signale in mechanische Signale umwandeln.In the last decade, microelectromechanical systems (MEMS) devices have become more common in electronic devices (e.g., cell phones, sensors, etc.). MEMS devices include mechanical and electrical features capable of controlling physical forces or quantities (e.g., acceleration, radiation, etc.) and/or physical quantities (e.g., liquids). Examples of MEMS devices include microsensors that convert mechanical signals into electrical signals and microactuators that convert electrical signals into mechanical signals.

Die US 2015/0158720 A1 betrifft eine Struktur für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), bestehend aus einem ersten Substrat mit Hohlräumen, das mit einem zweiten Substrat verbunden ist und einer Vielzahl von abgedichteten Gehäusen von mindestens zwei Typen.the U.S. 2015/0158720 A1 relates to a structure for microelectromechanical systems (MEMS) consisting of a first substrate with cavities bonded to a second substrate and a plurality of sealed packages of at least two types.

Die DE 102012202183 A1 betrifft eine mikromechanische Struktur, umfassend eine Kaverne, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kaverne eine Begasungsschicht zum Freisetzen eines Gases in der Kaverne gebildet ist.the DE 102012202183 A1 relates to a micromechanical structure comprising a cavity, characterized in that a gassing layer for releasing a gas is formed in the cavity.

Die US 2014/0225206 A1 betrifft ein Halbleiter-Chip mit einem Substrat sowie einer mikroelektronischen Vorrichtung, die sich auf einer Oberfläche des Substrats befindet, und einer Kappe, die mit der Oberfläche des Substrats gekoppelt ist, wobei die mikroelektronische Vorrichtung in einem Hohlraum angeordnet ist, der sich zwischen der Kappe und dem Substrat befindet.the U.S. 2014/0225206 A1 relates to a semiconductor chip having a substrate and a microelectronic device located on a surface of the substrate and a cap coupled to the surface of the substrate, the microelectronic device being disposed in a cavity defined between the cap and the substrate is located.

Die US 2015/0097253 A1 betrifft ein MEMS-Gerät, bestehend aus einem Substrat; einer Kappe, die mit dem Substrat eine erste abgedichtete Kammer und eine zweite abgedichtete Kammer bildet und einer beweglichen Mikrostruktur innerhalb der ersten und zweiten abgedichteten Kammer.the US 2015/0097253 A1 relates to a MEMS device comprised of a substrate; a cap forming a first sealed chamber and a second sealed chamber with the substrate; and a moveable microstructure within the first and second sealed chambers.

Die US 2015/0284240 A1 betrifft ein mikro-elektromechanisches System (MEMS), bestehend aus einem Kappensubstrat und einem MEMS-Substrat, das mit dem Decksubstrat verbunden ist, wobei das MEMS-Substrat mindestens ein erstes bewegliches Element und mindestens ein zweites bewegliches Element umfasst.the US2015/0284240A1 relates to a micro-electromechanical system (MEMS) consisting of a cap substrate and a MEMS substrate which is connected to the cover substrate, wherein the MEMS substrate comprises at least a first movable element and at least a second movable element.

Die US 2015/0111332 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten MEMS-Vorrichtung umfassend ein Aufnehmen eines Halbleitersubstrats mit einer Vielzahl von darauf ausgebildeten CMOS-Vorrichtungen, wobei das Halbleitersubstrat eine obere Oberfläche aufweist und wobei die obere Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einer Ausgasungscharakteristik verbunden ist.the U.S. 2015/0111332 A1 relates to a method of manufacturing an integrated MEMS device comprising receiving a semiconductor substrate having a plurality of CMOS devices formed thereon, the semiconductor substrate having a top surface, and the top surface of the semiconductor substrate being associated with an outgassing characteristic.

Figurenlistecharacter list

Die Aspekte der vorliegenden Erfindung werden am besten mittels der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass in Übereinstimmung mit der Standardpraxis in der Industrie verschiedene Merkmale nicht maßstäblich gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale willkürlich erhöht oder zur Klarheit der Diskussion reduziert sein.

  • 1 veranschaulicht einige Ausführungsformen eines Blockschaltbilds eines mikroelektromechanischen System(MEMS) - Pakets mit einem Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck einer hermetisch verschlossenen Kammer einzustellen.
  • Die 2-4 veranschaulichen einige Ausführungsformen von Querschnittansichten von MEMS-Paketen mit einem Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck einer hermetisch verschlossenen Kammer einzustellen.
  • Die 5-16 veranschaulichen einige Ausführungsformen von Querschnittansichten, die ein Verfahren zum Ausbilden eines MEMS-Pakets mit einem Heizelement zeigen, das konfiguriert ist, um einen Druck einer hermetisch verschlossenen Kammer einzustellen.
Aspects of the present invention are best understood from the following detailed description when read with the accompanying figures. It is noted that, in accordance with standard industry practice, various features are not drawn to scale. Indeed, the dimensions of the various features may be arbitrarily increased or reduced for clarity of discussion.
  • 1 12 illustrates some embodiments of a block diagram of a microelectromechanical system (MEMS) package with a heating element configured to adjust a pressure of a hermetically sealed chamber.
  • the 2-4 12 illustrate some embodiments of cross-sectional views of MEMS packages with a heating element configured to adjust a pressure of a hermetically sealed chamber.
  • the 5-16 10 illustrate some embodiments of cross-sectional views showing a method of forming a MEMS package with a heating element configured to adjust a pressure of a hermetically sealed chamber.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die Erfindung ergibt sich aus den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche betreffen entsprechende Weiterbildungen. Die folgende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele für die verschiedenen Funktionen des bereitgestellten Gegenstands der Umsetzung. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend verstanden werden. Beispielsweise kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der Beschreibung, die folgt, Ausführungsformen umfassen, in denen die ersten und zweiten Merkmale in direkten Kontakt ausgebildet werden, und können auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und zweiten Merkmal ausgebildet werden können, so dass sich die ersten und zweiten Merkmale nicht in direktem Kontakt befinden müssen. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung findet sich zum Zwecke der Einfachheit und Klarheit und beschreibt nicht an sich eine Beziehung zwischen den verschiedenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen, die diskutiert werden.The invention results from the independent claims. The dependent claims relate to corresponding developments. The following description provides many different embodiments or examples of the various functions of the provided implementation subject matter. Specific examples of components and arrangements are described below to simplify the present disclosure. These are, of course, only examples and should not be construed as limiting. For example, the formation of a first feature over or on top of a second feature in the description that follows may include embodiments in which the first and second features are formed in direct contact, and may also include embodiments in which additional features are formed between the first and second feature can be formed so that the first and second features need not be in direct contact. Additionally, the present disclosure may include reference characters and/or Repeat letters in the different examples. This repetition is for the purpose of simplicity and clarity and does not in itself describe a relationship between the various embodiments and/or configurations discussed.

Des Weiteren können räumlich relative Ausdrücke wie „unter“, „unten“, „untere“, „oben“, „obere“ und dergleichen hier zur Erleichterung der Beschreibung verwendet werden, um eine Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) weiteren Element(en) oder Funktion(en) zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Die räumlich relativen Ausdrücke sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Einsatz oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig orientiert werden (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die räumlich relativen Deskriptoren, die hierin verwendet werden, sollen ebenfalls entsprechend interpretiert werden.Furthermore, spatially relative terms such as "beneath", "below", "lower", "above", "upper" and the like may be used herein for ease of description to indicate a relationship of one element or feature to another element(s). s) or function(s) as shown in the figures. The spatially relative terms are intended to encompass different orientations of the device in use or operation in addition to the orientation depicted in the figures. The device may be otherwise oriented (rotated 90 degrees or at other orientations) and the spatially relative descriptors used herein should also be interpreted accordingly.

MEMS-Vorrichtungen werden oft in einer Weise betrieben, die von einer Umgebung der Vorrichtung abhängig ist. Um den Betrieb einer MEMS-Vorrichtung zu verbessern, kann es wünschenswert sein, die MEMS-Vorrichtung in einer Umgebung zu betreiben, die einen bestimmten Druck hat, der eine verbesserte Messung eines gewünschten Parameters ermöglicht. Beispielsweise im Fall eines MEMS Schwingungs-Gyroskops sorgt eine Umgebung mit einem niedrigeren Druck (d.h. einem höheren Vakuum) für eine bessere Messung, da es den Versatz erhöht, der in ein Signal umgewandelt wird. Umgekehrt verwendet ein MEMS Beschleunigungsmesser einen höheren Druck, um den Versatz aufgrund von Hintergrundstörungen zu mildern, die in Rauschen umgewandelt werden.MEMS devices are often operated in a manner dependent on an environment of the device. In order to improve the operation of a MEMS device, it may be desirable to operate the MEMS device in an environment that has a certain pressure that allows for an improved measurement of a desired parameter. For example, in the case of a MEMS vibration gyroscope, a lower pressure (i.e. higher vacuum) environment makes for a better measurement as it increases the offset that is converted into a signal. Conversely, a MEMS accelerometer uses higher pressure to mitigate offset due to background clutter, which is converted to noise.

Deshalb grenzen MEMS-Vorrichtungen, um die Leistung zu optimieren, typischerweise an hermetisch abgedichtete Kammern, die auf einem kontrollierten Druckniveau gehalten werden. Wenn es eine Art von MEMS-Vorrichtung auf einem Wafer ist, kann ein Wafer-Level-Capping-Verfahren verwendet werden, um hermetisch abgedichtete Kammern zu bilden, die einen gewünschten Druck halten. Wenn jedoch eine Vielzahl von verschiedenen Arten von MEMS-Vorrichtungen auf einem gleichen Wafer sind, ist ein Wafer-Level-Capping-Verfahren nicht in der Lage bei unterschiedlichen Drücken hermetisch abgedichtete Kammern unter Verwendung eines einzigen Capping-Verfahrens auszubilden (d.h., da ein solches Capping-Verfahren Kammern mit einem gleichen Umgebungsdruck ausbildet). Ferner erhöht die Verwendung separater Capping-Verfahren die Herstellungskosten, indem sich die Verarbeitungszeit und eine Anzahl von Verarbeitungsschritten erhöht.Therefore, to optimize performance, MEMS devices typically border on hermetically sealed chambers that are maintained at a controlled pressure level. If it is some type of MEMS device on a wafer, a wafer level capping process can be used to form hermetically sealed chambers that hold a desired pressure. However, when there are a variety of different types of MEMS devices on a same wafer, a wafer-level capping process is not capable of forming hermetically sealed chambers at different pressures using a single capping process (i.e., since such a Capping process forms chambers with the same ambient pressure). Furthermore, the use of separate capping processes increases manufacturing costs by increasing processing time and a number of processing steps.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein mikroelektromechanisches System(MEMS)-Paket, das ein Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck innerhalb einer hermetisch abgedichteten Kammer durch Induzieren von Entgasung in die Kammer einzustellen, und ein zugehöriges Verfahren umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst das MEMS-Paket ein CMOS-Substrat mit einer oder mehreren Halbleitervorrichtungen, die in einem Halbleiterkörper angeordnet sind. Eine MEMS-Struktur ist mit dem CMOS-Substrat verbunden und umfasst eine mikroelektromechanische (MEMS) Vorrichtung. Das CMOS-Substrat und die MEMS-Struktur bilden eine hermetisch abgedichtete Kammer, die an die MEMS-Vorrichtung angrenzt. Ein Heizelement ist elektrisch mit der einen oder den mehreren Halbleitervorrichtungen verbunden und ist von der hermetisch abgedichteten Kammer durch eine Entgasungsschicht getrennt, die entlang einer Innenfläche der hermetisch abgedichteten Kammer angeordnet ist. Durch Betätigen des Heizelementes, um die Ausgasungsschicht zu veranlassen, ein Gas freizusetzen, kann ein Druck der hermetisch abgedichteten Kammer eingestellt werden, nachdem sie ausgebildet ist, wodurch die Bildung von hermetisch abgedichteten Kammern mit unterschiedlichen Drücken in einem gleichen Substrat ermöglicht ist.The present disclosure relates to a microelectromechanical system (MEMS) package that includes a heating element configured to adjust a pressure within a hermetically sealed chamber by inducing outgassing in the chamber and an associated method. In some embodiments, the MEMS package includes a CMOS substrate with one or more semiconductor devices arranged in a semiconductor body. A MEMS structure is connected to the CMOS substrate and includes a microelectromechanical (MEMS) device. The CMOS substrate and MEMS structure form a hermetically sealed chamber that is adjacent to the MEMS device. A heating element is electrically connected to the one or more semiconductor devices and is separated from the hermetically sealed chamber by a gas-removal layer disposed along an interior surface of the hermetically sealed chamber. By operating the heating element to cause the outgassing layer to release a gas, a pressure of the hermetically sealed chamber can be adjusted after it is formed, thereby enabling the formation of hermetically sealed chambers with different pressures in a same substrate.

1 veranschaulicht einige Ausführungsformen eines Blockschaltbilds eines mikroelektromechanischen System (MEMS)-Pakets 100 mit einem Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck einer hermetisch verschlossenen Kammer einzustellen. 1 FIG. 11 illustrates some embodiments of a block diagram of a microelectromechanical system (MEMS) package 100 having a heating element configured to adjust a pressure of a hermetically sealed chamber.

Das MEMS-Paket 100 umfasst ein CMOS-Substrat 102 und eine MEMS-Struktur 104. Das CMOS-Substrat 102 umfasst eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen (beispielsweise Transistoren, Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten, Dioden usw.), die in einem Halbleiterkörper angeordnet und konfiguriert sind, um den Betrieb der MEMS-Struktur 104 zu unterstützen. In einigen Ausführungsformen kann das CMOS-Substrat 102 komplementäre Metall-Oxid-Transistoren (CMOS) umfassen, die konfiguriert sind, solche Funktionen wie Analog-Digital-Wandlung, Verstärkung, Speicherung, Filterung usw. bereitzustellen. Die MEMS-Struktur 104 umfasst eine MEMS-Vorrichtung 106. In verschiedenen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung 106 beispielsweise einen Bewegungssensor, einen Drucksensor, einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop oder ein Mikrofon umfassen.The MEMS package 100 includes a CMOS substrate 102 and a MEMS structure 104. The CMOS substrate 102 includes a variety of semiconductor devices (e.g., transistors, capacitors, resistors, inductors, diodes, etc.) arranged and configured in a semiconductor body to support MEMS structure 104 operation. In some embodiments, the CMOS substrate 102 may include complementary metal-oxide transistors (CMOS) configured to provide such functions as analog-to-digital conversion, amplification, storage, filtering, and so on. The MEMS structure 104 includes a MEMS device 106. In various embodiments, the MEMS device 106 may include, for example, a motion sensor, a pressure sensor, an accelerometer, a gyroscope, or a microphone.

Eine hermetisch abgedichtete Kammer 108 ist zwischen dem CMOS-Substrat 102 und der MEMS-Struktur 104 angeordnet. Die hermetisch abgedichtete Kammer 108 grenzt an die MEMS-Vorrichtung 106, so dass die MEMS-Vorrichtung 106 in der Lage ist, sich frei innerhalb der hermetisch abgedichteten Kammer 108 zu bewegen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die MEMS-Vorrichtung 106 einen MEMS Bewegungssensor umfassen mit einem nicht stationären Element, das konfiguriert ist, um sich innerhalb der hermetisch abgedichteten Kammer 108 in Reaktion auf die Bewegung des MEMS-Pakets 100 zu bewegen.A hermetically sealed chamber 108 is disposed between the CMOS substrate 102 and the MEMS structure 104 . The hermetically sealed chamber 108 is bounded by the MEMS device 106 such that the MEMS device 106 is able to move freely within the hermetically sealed sealed chamber 108 to move. For example, in some embodiments, MEMS device 106 may include a MEMS motion sensor having a non-stationary element configured to move within hermetically sealed chamber 108 in response to movement of MEMS package 100 .

Ein Heizelement 110 ist innerhalb des CMOS-Substrats 102 angeordnet. Das Heizelement 110 ist von der hermetisch abgedichteten Kammer 108 durch eine Ausgasungsschicht 112 getrennt, die entlang einer oder mehrerer Innenflächen der hermetisch abgedichteten Kammer 108 angeordnet ist. Die Ausgasungsschicht 112 ist konfiguriert, um ein Gas freizugeben, wenn sie erhitzt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Ausgasungsschicht 112 eine dielektrische Schicht (zum Beispiel Oxid) umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Ausgasungsschicht 112 eine Vielzahl von übereinander gestapelten Filmen umfassen.A heating element 110 is arranged within the CMOS substrate 102 . The heating element 110 is separated from the hermetically sealed chamber 108 by an outgassing layer 112 disposed along one or more interior surfaces of the hermetically sealed chamber 108 . The outgassing layer 112 is configured to release a gas when heated. In some embodiments, the outgassing layer 112 may include a dielectric layer (e.g., oxide). In some embodiments, the outgassing layer 112 may comprise a plurality of films stacked on top of one another.

Während des Betriebes ist das Heizelement 110 so konfiguriert, um Wärme zu erzeugen, welche die Ausgasungsschicht 112 erwärmt und bewirkt, dass die Ausgasungsschicht 112 Gas in die hermetisch abgedichtete Kammer 108 freisetzt. Das Gas, das in die hermetisch abgedichtete Kammer 108 freigesetzt wird, erhöht den Druck innerhalb der hermetisch abgedichteten Kammer 108. Daher ermöglicht das Heizelement 110, dass der Druck der hermetisch abgedichteten Kammer 108 nach ihrer Ausbildung (und ohne zusätzliche Verarbeitungsschritte und/oder strukturelle Beschädigung der MEMS-Struktur 104 und/oder des CMOS-Substrats 102) durch selektive Erwärmung der Ausgasungsschicht 112 abgestimmt werden kann.During operation, the heating element 110 is configured to generate heat that heats the outgassing layer 112 and causes the outgassing layer 112 to release gas into the hermetically sealed chamber 108 . The gas released into the hermetically sealed chamber 108 increases the pressure within the hermetically sealed chamber 108. Therefore, the heating element 110 allows the pressure of the hermetically sealed chamber 108 to be released once it is formed (and without additional processing steps and/or structural damage the MEMS structure 104 and/or the CMOS substrate 102) can be tuned by selectively heating the outgassing layer 112.

2 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht eines MEMS-Paket 200 mit einem Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck einer hermetisch verschlossenen Kammer einzustellen. 2 FIG. 2 illustrates some embodiments of a cross-sectional view of a MEMS package 200 with a heating element configured to adjust a pressure of a hermetically sealed chamber.

Das MEMS-Paket 200 umfasst ein CMOS-Substrat 202, welches an eine MEMS-Struktur 210 mittels einer Klebstoffschicht 212 (beispielsweise ein Oxid), die dazwischen angeordnet ist, gebunden ist. In einigen Ausführungsformen stellt eine leitfähige Klebestruktur 214, die zwischen dem CMOS-Substrat 202 und der MEMS-Struktur 210 angeordnet ist, eine elektrische Verbindung zwischen dem CMOS-Substrat 202 und der MEMS-Struktur 210 her. In einigen Ausführungsformen umfasst das CMOS-Substrat 202 einen Halbleiterkörper 204 und einen darüber liegenden Back-end-of-the-line(BEOL)-Metallisierungsstapel. Eine Mehrzahl von Transistorvorrichtungen 205 ist innerhalb des Halbleiterkörpers 204 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel umfasst eine Mehrzahl von Metallverbindungsschichten 206 (z.B. Metallkontakte, Metallverbindungsdrähte und Metallverbindungsbahnen), die innerhalb einer dielektrischen Struktur 208 angeordnet ist, die eine oder mehrere Schichten aus dielektrischem Material aufweist.The MEMS package 200 includes a CMOS substrate 202 bonded to a MEMS structure 210 with an adhesive layer 212 (e.g., an oxide) disposed therebetween. In some embodiments, a conductive adhesive structure 214 disposed between the CMOS substrate 202 and the MEMS structure 210 electrically connects the CMOS substrate 202 and the MEMS structure 210 . In some embodiments, the CMOS substrate 202 includes a semiconductor body 204 and an overlying back-end-of-the-line (BEOL) metallization stack. A plurality of transistor devices 205 are arranged within the semiconductor body 204 . The BEOL metallization stack includes a plurality of metal interconnect layers 206 (e.g., metal contacts, metal interconnect wires, and metal interconnect traces) disposed within a dielectric structure 208 comprising one or more layers of dielectric material.

Eine Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern 108a-108b sind zwischen dem CMOS-Substrat 202 und der MEMS-Struktur 210 angeordnet. Die Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern 108a-108b grenzt an MEMS-Vorrichtungen 106a-106b (beispielsweise ein Bewegungssensor, ein Drucksensor, ein Beschleunigungssensor, ein Gyroskop, ein Mikrofon usw.) an, die innerhalb der MEMS-Struktur 210 angeordnet sind. Die MEMS-Vorrichtungen 106a-106b umfassen nicht stationäre Elemente, die konfiguriert sind, um sich innerhalb der hermetisch abgedichteten Kammern 108a-108b zu bewegen.A plurality of hermetically sealed chambers 108a-108b are disposed between the CMOS substrate 202 and the MEMS structure 210. FIG. The plurality of hermetically sealed chambers 108a-108b are adjacent to MEMS devices 106a-106b (e.g., motion sensor, pressure sensor, accelerometer, gyroscope, microphone, etc.) disposed within MEMS structure 210. FIG. The MEMS devices 106a-106b include non-stationary elements that are configured to move within the hermetically sealed chambers 108a-108b.

Die Heizelemente 110a-110b sind im CMOS-Substrat 202 angeordnet. Die Heizelemente 11 0a-11 0b sind jeweils an einer Position angeordnet, die näher an einer der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern 108a-108b ist. Zum Beispiel liegt ein erstes Heizelement 110a näher an einer ersten hermetisch abgedichteten Kammer 108a als an einer zweiten hermetisch abgedichteten Kammer 108b, während ein zweites Heizelement 110b näher an einer zweiten hermetisch abgedichteten Kammer 108b liegt als an der ersten hermetisch abgedichteten Kammer 108a. In einigen Ausführungsformen können die Heizelemente 110a-110b innerhalb der Klebstoffschicht 212 angeordnet sein.The heating elements 110a-110b are arranged in the CMOS substrate 202. FIG. The heating elements 110a-110b are each arranged at a position closer to one of the plurality of hermetically sealed chambers 108a-108b. For example, a first heating element 110a is closer to a first hermetically sealed chamber 108a than a second hermetically sealed chamber 108b, while a second heating element 110b is closer to a second hermetically sealed chamber 108b than to the first hermetically sealed chamber 108a. In some embodiments, heating elements 110a-110b may be disposed within adhesive layer 212.

Die Heizelemente 110a-110b sind in thermischer Verbindung mit der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern 108a-108b (das heißt, die Heizelemente 110a-110b erzeugen Wärme, die eine Temperatur der hermetisch abgedichteten Kammern 108a-108b erhöht). Die Heizelemente 110a-110b sind konfiguriert, um die Klebstoffschicht 212 zu erwärmen, um die Klebstoffschicht 212 zum Ausgasen in eine benachbarte Kammer zu veranlassen. Beispielsweise verursacht das erste Heizelement 110a, dass die Klebstoffschicht 212 in die erste hermetisch abgedichtete Kammer 108a ausgast, und das zweite Heizelement 110b bewirkt, dass die Klebstoffschicht 212 in die zweite hermetisch abgedichtete Kammer 108b ausgast.The heating elements 110a-110b are in thermal communication with the plurality of hermetically sealed chambers 108a-108b (ie, the heating elements 110a-110b generate heat that increases a temperature of the hermetically sealed chambers 108a-108b). The heating elements 110a-110b are configured to heat the adhesive layer 212 to cause the adhesive layer 212 to outgas into an adjacent chamber. For example, the first heating element 110a causes the adhesive layer 212 to outgas into the first hermetically sealed chamber 108a, and the second heating element 110b causes the adhesive layer 212 to outgas into the second hermetically sealed chamber 108b.

In einigen Ausführungsformen sind die Heizelemente 110a-110b mit Stromquellen 216 verbunden, die innerhalb des CMOS-Substrats 302 angeordnet sind. Die Stromquellen 216 sind konfiguriert, um einen Strom für die Heizelemente 110a-110b bereitzustellen. Der Strom bewirkt, dass die Heizelemente 110a-110b Wärme aufgrund des bereitgestellten Stroms ableiten. In einigen Ausführungsformen können die Stromquellen 214 eine oder mehrere Transistorvorrichtungen 205 umfassen, die innerhalb des Halbleiterkörpers 204 angeordnet ist/sind.In some embodiments, heating elements 110a-110b are connected to current sources 216 disposed within CMOS substrate 302. FIG. Power sources 216 are configured to provide power to heating elements 110a-110b. The current causes the heating elements 110a-110b to dissipate heat due to the current provided. In some embodiments, current sources 214 can be one or more Transistor devices 205 disposed within semiconductor body 204 .

3 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht eines MEMS-Paket 300 mit einem Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck einer hermetisch verschlossenen Kammer einzustellen. 3 FIG. 3 illustrates some embodiments of a cross-sectional view of a MEMS package 300 with a heating element configured to adjust a pressure of a hermetically sealed chamber.

Das MEMS-Paket 300 umfasst ein CMOS-Substrat 302 und eine MEMS-Struktur 314. Das CMOS-Substrat 302 umfasst einen Halbleiterkörper 304 mit einer oder mehreren Transistorvorrichtung(en) 307 und einer darüber liegenden dielektrischen Struktur 308 mit Metallverbindungsschichten 306a-306b. In einigen Ausführungsformen umfassen die Metallverbindungsschichten einen Metallverbindungsdraht 306a und eine Metallbahn 306b. Die Metallverbindungsschichten 306a und 306b sind mit einer oder mehreren Bondflächen 312 verbunden, die entlang einer oberen Oberfläche des CMOS-Substrats 302 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen grenzen die Bondpads 312 seitlich an ein dielektrisches Material 310. In einigen Ausführungsformen kann das dielektrische Material 310 ein Teil der dielektrischen Struktur 308 sein.The MEMS package 300 includes a CMOS substrate 302 and a MEMS structure 314. The CMOS substrate 302 includes a semiconductor body 304 with one or more transistor devices 307 and an overlying dielectric structure 308 with metal interconnection layers 306a-306b. In some embodiments, the metal interconnect layers include a metal interconnect wire 306a and a metal trace 306b. The metal interconnection layers 306a and 306b are connected to one or more bond pads 312 arranged along a top surface of the CMOS substrate 302 . In some embodiments, the bond pads 312 laterally abut a dielectric material 310 . In some embodiments, the dielectric material 310 may be part of the dielectric structure 308 .

Die MEMS-Struktur 314 umfasst ein MEMS-Substrat 316 und ein Capping-Substrat 324. Eine Vorderseite 316f des MEMS-Substrats 316 kontaktiert das eine oder die mehreren Bondpads 312. Eine Rückseite 316b des MEMS-Substrats 316 ist mit dem Capping-Substrat 324 über eine Verbindungsschicht 322 (beispielsweise eine dielektrische Schicht) verbunden. Das MEMS-Substrat 316 umfasst ein nicht stationäres Element 318 (beispielsweise eine Prüfmasse, eine flexible Membran usw.). Das Capping-Substrat 324 umfasst eine Vertiefung, die an einer Position angeordnet ist, die an das nicht stationäre Element 318 angrenzt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Capping-Substrat 324 ein Halbleitermaterial, das sich kontinuierlich entlang von Seitenwänden und Seitenflächen der Vertiefung erstreckt.The MEMS structure 314 includes a MEMS substrate 316 and a capping substrate 324. A front face 316f of the MEMS substrate 316 contacts the one or more bond pads 312. A back face 316b of the MEMS substrate 316 is connected to the capping substrate 324 connected via an interconnection layer 322 (e.g., a dielectric layer). The MEMS substrate 316 includes a non-stationary element 318 (e.g., a proof mass, flexible membrane, etc.). The capping substrate 324 includes a recess located at a position adjacent to the non-stationary element 318 . In some embodiments, the capping substrate 324 comprises a semiconductor material that extends continuously along sidewalls and side surfaces of the recess.

In einigen Ausführungsformen umfasst das MEMS-Substrat 316 ein Siliziumsubstrat mit einer p-Dotierung oder einer n-Typ-Dotierung, während das Capping-Substrat 324 ein Siliziumsubstrat umfasst. In anderen Ausführungsformen kann das MEMS-Substrat 316 Polysilizium umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Capping-Substrat 324 ferner Antihaft-Unebenheiten (nicht gezeigt), die von einer Seitenfläche der Vertiefung vorstehen und so konfiguriert sind, um die Haftreibung zwischen dem Capping-Substrat 324 und dem nicht stationären Element 318 zu verringern.In some embodiments, the MEMS substrate 316 includes a silicon substrate with a p-type doping or an n-type doping, while the capping substrate 324 includes a silicon substrate. In other embodiments, MEMS substrate 316 may include polysilicon. In some embodiments, the capping substrate 324 further includes non-stick bumps (not shown) protruding from a side surface of the recess configured to reduce stiction between the capping substrate 324 and the non-stationary element 318 .

Eine hermetisch abgedichtete Kammer 108 ist zwischen dem CMOS-Substrat 302 und der MEMS-Struktur 314 angeordnet. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die hermetisch abgedichtete Kammer 108 von der Vertiefung im Capping-Substrat 324 zu einer Stelle innerhalb des Halbleiterkörpers 304. Das nicht stationäre Element 318 ist innerhalb der hermetisch abgedichteten Kammer 108 angeordnet. Das nicht stationäre Element 318 ist konfiguriert, um sich innerhalb der hermetisch abgedichteten Kammer 108 in Reaktion auf externe Reize (z.B. eine Bewegung des MEMS-Pakets 300, eine Schallwelle, eine Druckänderung usw.) zu bewegen und ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das mit den externen Reizen korreliert. In einigen Ausführungsformen kann das nicht stationäre Element 318 an eine oder mehrere Federn 320 angeschlossen werden, die es dem nicht stationären Element 318 ermöglichen, sich zu bewegen.A hermetically sealed chamber 108 is disposed between the CMOS substrate 302 and the MEMS structure 314 . In some embodiments, the hermetically sealed chamber 108 extends from the recess in the capping substrate 324 to a location within the semiconductor body 304. The non-stationary element 318 is disposed within the hermetically sealed chamber 108. FIG. The non-stationary element 318 is configured to move within the hermetically sealed chamber 108 in response to external stimuli (e.g., movement of the MEMS package 300, a sound wave, a pressure change, etc.) and to generate an electrical output signal that is correlated to the external stimuli. In some embodiments, the non-stationary element 318 can be connected to one or more springs 320 that allow the non-stationary element 318 to move.

Ein Heizelement 110 ist innerhalb der dielektrischen Struktur 308 angeordnet. Das Heizelement 110 ist von der hermetisch abgedichteten Kammer 108 durch die dielektrische Struktur 308 getrennt. In einigen Ausführungsformen kann das Heizelement 110 in einer Position angeordnet sein, die seitlich versetzt von der hermetisch abgedichteten Kammer 108 ist. In einigen Ausführungsformen ist das Heizelement 110 nicht seitlich von der hermetisch abgedichteten Kammer 108 durch die eine oder die mehreren Metallverbindungsschichten 306a-306b getrennt (d.h., die Metallverbindungsschichten 306a-306b liegen nicht zwischen der hermetisch abgedichteten Kammer 108 und dem Heizelement 110).A heating element 110 is positioned within the dielectric structure 308 . The heating element 110 is separated from the hermetically sealed chamber 108 by the dielectric structure 308 . In some embodiments, the heating element 110 may be located in a position that is laterally offset from the hermetically sealed chamber 108 . In some embodiments, the heating element 110 is not laterally separated from the hermetically sealed chamber 108 by the one or more metal interconnection layers 306a-306b (i.e., the metal interconnection layers 306a-306b are not sandwiched between the hermetically sealed chamber 108 and the heating element 110).

Das Heizelement 110 ist konfiguriert, um Wärme zu erzeugen, welche die dielektrische Struktur 308 veranlasst, ein Gas in die hermetisch abgedichtete Kammer 108 freizusetzen. Das Heizelement 110 ist mit einer Transistorvorrichtung 307 innerhalb des Halbleiterkörpers 304 mittels der einen oder der mehreren Metallverbindungsschichten 306a und 306b verbunden. Die Transistorvorrichtung 307 ist konfiguriert, um ein Signal zu erzeugen, das den Betrieb des Heizelements 110 steuert. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Heizelement 110 ein Widerstandselement umfassen, das mit einer Stromquelle verbunden ist, die eine Transistorvorrichtung 307 aufweist, die sich innerhalb des Halbleiterkörpers 304 befindet. In solchen Ausführungsformen ist das Heizelement 110 so konfiguriert, um Wärme abzuführen, wenn ein Strom durch es vorgesehen ist. Zum Beispiel kann das Heizelement 110 einen Polysiliziumwiderstand, einen Dünnschichtwiderstand oder einen Dickschichtwiderstand umfassen.The heating element 110 is configured to generate heat that causes the dielectric structure 308 to release a gas into the hermetically sealed chamber 108 . The heating element 110 is connected to a transistor device 307 within the semiconductor body 304 via the one or more metal interconnection layers 306a and 306b. Transistor device 307 is configured to generate a signal that controls operation of heating element 110 . In various embodiments, the heating element 110 may comprise a resistive element connected to a power source comprising a transistor device 307 located within the semiconductor body 304 . In such embodiments, the heating element 110 is configured to dissipate heat when a current is provided through it. For example, the heating element 110 may comprise a polysilicon resistor, a thin film resistor, or a thick film resistor.

4 veranschaulicht einige weitere Ausführungsformen einer Querschnittansicht eines MEMS-Pakets 400 mit einem Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck einer hermetisch verschlossenen Kammer einzustellen. 4 FIG. 4 illustrates some other embodiments of a cross-sectional view of a MEMS package 400 with a heating element configured is to set a pressure of a hermetically sealed chamber.

Das MEMS-Paket 400 umfasst ein CMOS-Substrat 402 und eine MEMS-Struktur 314. Das CMOS-Substrat 402 umfasst einen Halbleiterkörper 404 mit einer oder mehreren Transistorvorrichtungen 307 und eine darüber liegende dielektrische Struktur 406 mit einer oder mehreren Metallverbindungsschichten 306a-306b. Eine hermetisch abgedichtete Kammer 108 ist zwischen dem CMOS-Substrat 402 und der MEMS-Struktur 314 angeordnet. Die hermetisch abgedichtete Kammer 108 erstreckt sich von einer oberen Oberfläche des CMOS-Substrats 402 zu einer Stelle innerhalb der dielektrischen Struktur 308, die vertikal vom Halbleiterkörper 304 getrennt ist.The MEMS package 400 includes a CMOS substrate 402 and a MEMS structure 314. The CMOS substrate 402 includes a semiconductor body 404 with one or more transistor devices 307 and an overlying dielectric structure 406 with one or more metal interconnection layers 306a-306b. A hermetically sealed chamber 108 is arranged between the CMOS substrate 402 and the MEMS structure 314 . Hermetically sealed chamber 108 extends from a top surface of CMOS substrate 402 to a location within dielectric structure 308 that is vertically separated from semiconductor body 304 .

Ein Rückstandsfilm 408 ist entlang eines Abschnitts einer oder mehrerer Innenflächen der hermetisch abgedichteten Kammer 108 angeordnet. Der Rückstandsfilm 408 weist einen Rückstand aus Prozessen auf, die verwendet werden, um das MEMS-Paket 400 zu bilden. Beispielsweise kann der Rückstandsfilm 408 einen Rückstand eines Ätzverfahrens oder eines Planarisierungsverfahrens (beispielsweise ein chemisch-mechanischer Polierprozess) umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Rückstandsfilm 408 ein Metall (z.B. Titannitrid) oder ein Dielektrikum (z.B. ein Oxid) umfassen.A residue film 408 is disposed along a portion of one or more interior surfaces of hermetically sealed chamber 108 . Residue film 408 has residue from processes used to form MEMS package 400 . For example, the residue film 408 may comprise a residue of an etching process or a planarization process (e.g., a chemical-mechanical polishing process). In various embodiments, residue film 408 may comprise a metal (e.g., titanium nitride) or a dielectric (e.g., an oxide).

Ein Heizelement 110 ist innerhalb der dielektrischen Struktur 406 an einer Stelle angeordnet, die von der hermetisch abgedichteten Kammer 108 durch die dielektrische Struktur 406 und den Rückstandsfilm 408 getrennt ist. In einigen Ausführungsformen kann das Heizelement 110 an einer Stelle angeordnet sein, die vertikal zwischen der hermetisch abgedichteten Kammer 108 und dem Halbleiterkörper 304 liegt. Das Heizelement 110 ist so konfiguriert, um Wärme zu erzeugen, die den Rückstandsfilm 408 und/oder die dielektrische Struktur 308 zur Freigabe eines Gases in die hermetisch abgedichtete Kammer 108 veranlasst, um einen Druck der hermetisch abgedichteten Kammer 108 einzustellen.A heating element 110 is disposed within dielectric structure 406 at a location separated from hermetically sealed chamber 108 by dielectric structure 406 and residue film 408 . In some embodiments, the heating element 110 may be located at a location that is vertically between the hermetically sealed chamber 108 and the semiconductor body 304 . The heating element 110 is configured to generate heat that causes the residue film 408 and/or the dielectric structure 308 to release a gas into the hermetically sealed chamber 108 to adjust a pressure of the hermetically sealed chamber 108 .

5-15 veranschaulichen einige Ausführungsformen von Querschnittansichten 500-1500, die ein Verfahren zum Ausbilden eines mikroelektromechanischen System(MEMS)-Pakets mit einem Heizelement zeigen, das konfiguriert ist, um einen Druck in einer hermetisch abgedichteten Kammer einzustellen. 5-15 15 illustrate some embodiments of cross-sectional views 500-1500 showing a method of forming a microelectromechanical system (MEMS) package with a heating element configured to adjust a pressure in a hermetically sealed chamber.

Wie in der Querschnittansicht 500 von 5 gezeigt, wird ein Halbleiterkörper 204 bereitgestellt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Halbleiterkörper 204 jede Art von Halbleiterkörper (beispielsweise Silizium-/CMOS-bulk, SiGe, SOI usw.), wie beispielsweise einen Halbleiterwafer oder ein oder mehrere Chips auf einem Wafer, umfassen, aber auch jede andere Art von Halbleiter und/oder epitaktischen Schichten, die darauf ausgebildet und/oder anderweitig damit verbunden sind.As shown in cross-sectional view 500 of FIG 5 As shown, a semiconductor body 204 is provided. In various embodiments, the semiconductor body 204 may include any type of semiconductor body (e.g., silicon/CMOS bulk, SiGe, SOI, etc.), such as a semiconductor wafer or one or more chips on a wafer, but also any other type of semiconductor and /or epitaxial layers formed thereon and/or otherwise associated therewith.

Ein oder mehrere Transistorvorrichtungen 205 sind innerhalb des Halbleiterkörpers 204 ausgebildet. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Transistorvorrichtungen 205 durch Bilden einer Gate-Dielektrikumschicht über dem Halbleiterkörper 204 und einer Gate-Elektrodenschicht über der Gate-Dielektrikumschicht gebildet werden. Die Gate-Dielektrikumschicht und die Gate-Elektrodenschicht werden anschließend mit einem Muster versehen, um eine Gate-Struktur 502 zu definieren. Ein Implantationsprozess kann nach der Definition der Gate-Struktur 502 durchgeführt werden, um die Source/Drain-Bereiche 504 innerhalb des Halbleiterkörpers 204 auszubilden. Die Source/Drain-Bereiche 504 haben eine höhere Dotierungskonzentration als der Halbleiterkörper 204.One or more transistor devices 205 are formed within the semiconductor body 204 . In some embodiments, the one or more transistor devices 205 may be formed by forming a gate dielectric layer over the semiconductor body 204 and a gate electrode layer over the gate dielectric layer. The gate dielectric layer and the gate electrode layer are then patterned to define a gate structure 502 . An implantation process may be performed after the gate structure 502 is defined to form the source/drain regions 504 within the semiconductor body 204 . The source/drain regions 504 have a higher doping concentration than the semiconductor body 204.

Wie in der Querschnittansicht 600 von 6 gezeigt, ist eine Vielzahl von Metallverbindungsschichten 206a-206b in einer dielektrischen Struktur 602 ausgebildet, die über dem Halbleiterkörper 204 angeordnet ist. Die Vielzahl von Metallverbindungsschichten kann alternierende Schichten von Metallverbindungsdrähten 206a und Metallbahnen 206b umfassen, die durch eine oder mehrere dielektrische Schichten zwischen den Schichten innerhalb der dielektrischen Struktur 602 umgeben sind.As shown in cross-sectional view 600 of FIG 6 As shown, a plurality of metal interconnection layers 206a-206b are formed in a dielectric structure 602 disposed over the semiconductor body 204. FIG. The plurality of metal interconnect layers may include alternating layers of metal interconnect wires 206a and metal traces 206b surrounded by one or more interlayer dielectric layers within dielectric structure 602 .

In einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Metallverbindungsschichten 206a-206b durch Bilden einer dielektrischen Struktur 602 über den Halbleiterkörper 204 ausgebildet werden. Die dielektrische Struktur 602 kann eine Low-k dielektrische Schicht, eine Ultra-Low-k- dielektrische Schicht, eine Extreme-low-k dielektrische Schicht und/oder eine Siliziumdioxidschicht umfassen. Die dielektrische Struktur 602 wird selektiv mit einem Ätzmittel (z.B. CF4, CHF3, C4F8, HF usw.) ausgesetzt, welches die dielektrische Struktur 602 ätzt, um eine Vielzahl von Durchgangslöchern und Metallgräben zu bilden. Ein leitfähiges Material (z.B. Kupfer, Aluminium, Wolfram usw.) wird innerhalb der Vielzahl von Durchgangslöchern und Metallgräben eingebracht. In einigen Ausführungsformen kann ein chemisch-mechanisches Polier(CMP)-Verfahren verwendet werden, um den Überschuss des Metallmaterials von einer oberen Oberfläche der dielektrischen Struktur 602 zu entfernen.In some embodiments, the plurality of metal interconnection layers 206a-206b may be formed by forming a dielectric structure 602 over the semiconductor body 204. FIG. Dielectric structure 602 may include a low-k dielectric layer, an ultra-low-k dielectric layer, an extreme-low-k dielectric layer, and/or a silicon dioxide layer. The dielectric structure 602 is selectively exposed with an etchant (eg, CF 4 , CHF 3 , C 4 F 8 , HF, etc.) that etches the dielectric structure 602 to form a plurality of vias and metal trenches. A conductive material (eg, copper, aluminum, tungsten, etc.) is placed within the plurality of vias and metal trenches. In some embodiments, a chemical mechanical polishing (CMP) process may be used to remove excess metal material from a top surface of the dielectric structure 602 .

Wie in der Querschnittansicht 700 von 7 gezeigt, sind die Heizelemente 110a-110b über dem Halbleiterkörper 204 ausgebildet. Die Heizelemente 110a-110b sind elektrisch mit einer Transistorvorrichtung 205 innerhalb des Halbleiterkörpers 204 durch eine oder mehrere der Vielzahl von Metallverbindungsschichten 206a-206b verbunden. In einigen Ausführungsformen können die Heizelemente 110a-110b ein hochohmiges Material umfassen, das Wärme abstrahlt, wenn ein Strom angelegt wird. Beispielsweise können die Heizelemente 110a-110b einen Polysilizium-Widerstand, einen Dünnschichtwiderstand, oder ein anderes ähnliches Widerstandselement umfassen.As shown in cross-sectional view 700 of FIG 7 1, heating elements 110a-110b are formed over semiconductor body 204. As shown in FIG. The heating elements 110a-110b are electrically connected to a transistor device 205 within the semiconductor body 204 through one or more of the plurality of metal interconnection layers 206a-206b. In some embodiments, the heating elements 110a-110b may comprise a high resistance material that radiates heat when a current is applied. For example, heating elements 110a-110b may comprise a polysilicon resistor, a thin film resistor, or other similar resistive element.

Wie in der Querschnittansicht 800 von 8 gezeigt, wird die dielektrische Struktur 208 selektiv einem ersten Ätzmittel 802 ausgesetzt, welches konfiguriert ist, um eine oder mehrere Vertiefungen 804 innerhalb einer oberen Fläche eines CMOS-Substrat 806 zu bilden. Die eine oder die mehreren Vertiefungen 804 erstrecken sich von der oberen Fläche des CMOS-Substrats 806 hinein in die dielektrische Struktur 208. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Vertiefungen 804 sich weiter in den Halbleiterkörper 204 hinein erstrecken.As shown in cross-sectional view 800 of FIG 8th As shown, the dielectric structure 208 is selectively exposed to a first etchant 802 configured to form one or more recesses 804 within a top surface of a CMOS substrate 806 . The one or more pits 804 extend into the dielectric structure 208 from the top surface of the CMOS substrate 806 . In some embodiments, the one or more pits 804 may extend further into the semiconductor body 204 .

Wie in der Querschnittansicht 900 von 9 gezeigt, wird ein Capping-Substrat 902 einem zweiten Ätzmittel 904 selektiv ausgesetzt, das konfiguriert ist, um Vertiefungen 906 innerhalb einer Vorderseite 902f des Capping-Substrats 902 zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann das Capping-Substrat 902 durch Ausbilden einer ersten Maskierungsschicht 908 auf dem Capping-Substrat 902 und anschließendem Aussetzen des Capping-Substrats 902 dem zweiten Ätzmittel 904 geätzt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Maskierungsschicht 908 ein Photoresist oder ein Nitrid (z.B. SiN) umfassen, wobei das Muster durch ein Photolithographie-Verfahren entsteht. In verschiedenen Ausführungsformen kann das zweite Ätzmittel 904 ein trockenes Ätzmittel mit einer Ätzchemie, die ein Fluorspezies (z.B. CF4, CHF3, C4F8 usw.) umfasst, oder ein nasses Ätzmittel (z.B. Flusssäure (HF) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH)) aufweisen.As shown in cross-sectional view 900 of FIG 9 As shown, a capping substrate 902 is selectively exposed to a second etchant 904 configured to form depressions 906 within a front surface 902f of the capping substrate 902 . In some embodiments, the capping substrate 902 may be etched by forming a first masking layer 908 on the capping substrate 902 and then exposing the capping substrate 902 to the second etchant 904 . In various embodiments, the first masking layer 908 may comprise a photoresist or a nitride (eg, SiN) patterned by a photolithography process. In various embodiments, the second etchant 904 may be a dry etchant with an etch chemistry comprising a fluorine species (e.g., CF 4 , CHF 3 , C 4 F 8 , etc.), or a wet etchant (e.g., hydrofluoric acid (HF) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) ) exhibit.

Wie in der Querschnittansicht 1000 der 10 gezeigt, wird eine dielektrische Schicht 1002 (z.B. SiO2) entlang der Vorderseite 902f des Capping-Substrats 902 ausgebildet. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 1002 ein Oxid (z.B. SiO2) umfassen, wobei dies mittels eines thermischen Prozesses ausgebildet wird. In anderen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Schicht 1002 ein Oxid (beispielsweise SiO2), wobei sie mittels eines Abscheidungsprozesses (z.B. chemische Dampfabscheidung (CVD), physikalische Dampfabscheidung (PVD), Atomlagenabscheidung (ALD) usw.) gebildet wird. In einigen Ausführungsformen kann sich das Dielektrikum auf Stellen innerhalb der Vertiefungen 906 erstrecken.As shown in cross-sectional view 1000 of 10 As shown, a dielectric layer 1002 (eg, SiO 2 ) is formed along the front side 902f of the capping substrate 902. FIG. In some embodiments, the dielectric layer 1002 may include an oxide (eg, SiO 2 ) formed using a thermal process. In other embodiments, the dielectric layer 1002 comprises an oxide (e.g., SiO 2 ) and is formed using a deposition process (e.g., chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), atomic layer deposition (ALD), etc.). In some embodiments, the dielectric may extend to locations within the recesses 906. FIG.

Wie in der Querschnittansicht 1100 der 11 gezeigt, wird ein MEMS-Substrat 1102 mit der dielektrischen Schicht 1002 verbunden, um eine MEMS-Struktur 1106 auszubilden. In einigen Ausführungsformen kann der Verbindungsprozess einen Fusionsklebeprozess umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das MEMS-Substrat 1102 ein Siliziumsubstrat mit einer Dotierungskonzentration umfassen, die das MEMS-Substrat 1102 leitend macht (beispielsweise eine p-Typ-Dotierungskonzentration). In anderen Ausführungsformen kann das MEMS-Substrat 1102 Polysilizium umfassen. Bonden des MEMS-Substrats 1102 an die dielektrische Schicht 1002 bildet einen oder mehrere Hohlräume 1104a-1104b, die zwischen dem Capping-Substrat 902 und dem MEMS-Substrat 1102 angeordnet sind.As shown in cross-sectional view 1100 of FIG 11 As shown, a MEMS substrate 1102 is bonded to the dielectric layer 1002 to form a MEMS structure 1106. FIG. In some embodiments, the bonding process may include a fusion bonding process. In some embodiments, the MEMS substrate 1102 may include a silicon substrate having a doping concentration that renders the MEMS substrate 1102 conductive (e.g., a p-type doping concentration). In other embodiments, MEMS substrate 1102 may include polysilicon. Bonding the MEMS substrate 1102 to the dielectric layer 1002 forms one or more cavities 1104a-1104b disposed between the capping substrate 902 and the MEMS substrate 1102. FIG.

Wie in der Querschnittansicht 1200 der 12 gezeigt, kann das MEMS-Substrat 1202 wahlweise einem dritten Ätzmittel 1204 ausgesetzt werden. Das dritte Ätzmittel 1204 ätzt das MEMS-Substrat 1202, um Öffnungen zu bilden, die sich durch das MEMS-Substrat 1202 erstrecken, was zu einer MEMS-Struktur 1206 mit einem ersten nicht stationären Element 1208a und einem zweiten nicht stationären Element 1208b führt. In einigen Ausführungsformen kann das erste nicht stationäre Element 1208a mit einer oder mit mehreren Federn 1210 verbunden werden, die es dem ersten nicht stationären Element 1208a erlauben, sich zu bewegen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das dritte Ätzmittel 1204 ein trockenes Ätzmittel mit einer Ätzchemie, die eine Fluorspezies (z.B. CF4, CHF3, C4F8 usw.) umfasst, oder ein nasses Ätzmittel (beispielsweise Flusssäure (HF) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH)) aufweisen.As shown in cross-sectional view 1200 of FIG 12 As shown, the MEMS substrate 1202 can optionally be exposed to a third etchant 1204 . The third etchant 1204 etches the MEMS substrate 1202 to form openings that extend through the MEMS substrate 1202, resulting in a MEMS structure 1206 having a first non-stationary element 1208a and a second non-stationary element 1208b. In some embodiments, the first non-stationary element 1208a can be connected to one or more springs 1210 that allow the first non-stationary element 1208a to move. In various embodiments, the third etchant 1204 may be a dry etchant with an etchant chemistry comprising a fluorine species (e.g., CF 4 , CHF 3 , C 4 F 8 , etc.), or a wet etchant (e.g., hydrofluoric acid (HF) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) ) exhibit.

Wie in der Querschnittansicht 1300 gezeigt, wird die MEMS-Struktur 1206 am CMOS-Substrat 806 bei einem ersten Umgebungsdruck P1 gebunden (beispielsweise ein Druck der Behandlungskammer, in dem die Bindung auftritt). Bonden der MEMS-Struktur 1206 an das CMOS-Substrat 806 bildet eine erste hermetisch abgedichtete Kammer 1302a und eine zweite hermetisch abgedichtete Kammer 1302b, die auf dem ersten Umgebungsdruck P1 gehalten werden.As shown in cross-sectional view 1300, MEMS structure 1206 is bonded to CMOS substrate 806 at a first ambient pressure P1 (e.g., a pressure of the processing chamber where bonding occurs). Bonding the MEMS structure 1206 to the CMOS substrate 806 forms a first hermetically sealed chamber 1302a and a second hermetically sealed chamber 1302b that are maintained at the first ambient pressure P1.

In einigen Ausführungsformen wird die MEMS-Struktur 1206 an das CMOS-Substrat 806 gebondet über ein eutektisches Bondverfahren (entlang einer Grenzfläche zwischen einem leitenden Bondpad 1304 und einer eutektischen Bindungsschicht 1306). In solchen Ausführungsformen kann vor dem Bonden ein leitendes Bondpad 1304 auf der dielektrischen Struktur 208 gebildet werden und eine eutektische Verbindungsschicht 1306 kann auf dem MEMS-Substrat 1102 gebildet werden. Das leitfähige Bondpad 1304 kann ein Aluminium-Bondpad umfassen, das auf der dielektrischen Struktur 208 gebildet ist und elektrisch mit einer Transistorvorrichtung 205 mittels einer oder mehrerer der Vielzahl von Metallverbindungsschichten 206a-206b verbunden ist. Die eutektische Bindungsschicht 1306 kann eine Germaniumschicht oder eine Aluminiumschicht aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die eutektische Verbindungsschicht 1306 über ein Abscheidungsverfahren (z.B. chemische Dampfabscheidung (CVD), physikalische Dampfabscheidung (PVD), Atomlagenabscheidung (ALD) usw.) gebildet werden.In some embodiments, the MEMS structure 1206 is bonded to the CMOS substrate 806 via a eutectic bonding process (along an interface between a conductive bond pad 1304 and a eutectic bonding layer 1306). In such embodiments, a conductive bond pad 1304 may be formed on the dielectric structure 208 and a eutectic junction layer 1306 may be formed on the MEMS substrate 1102 prior to bonding. The conductive bond pad 1304 can be an aluminum bond pad formed on the dielectric structure 208 and electrically connected to a transistor device 205 by means of one or more of the plurality of metal interconnect layers 206a-206b. The eutectic bonding layer 1306 may include a germanium layer or an aluminum layer. In various embodiments, the eutectic junction layer 1306 may be formed via a deposition process (eg, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), atomic layer deposition (ALD), etc.).

Wie in der Querschnittansicht 1400 der 14 gezeigt, werden das erste Heizelement 110a und/oder das zweite Heizelement 110b aktiviert, um einen Druck innerhalb der ersten hermetisch abgedichteten Kammer 1302a und/oder der zweite hermetisch abgedichteten Kammer 1302b zu ändern. Zum Beispiel kann ein erstes Signal (z.B. Strom) an das erste Heizelement 110a vorgegeben werden, wodurch das erste Heizelement 110a einen Druck innerhalb der ersten hermetisch abgedichteten Kammer 1302a auf einen zweiten Druckwert P2 (größer als der erste Umgebungsdruck P1) zu erhöhen. Ein zweites Signal (z.B. Strom) kann dem zweiten Heizelement 110b geliefert werden, was das zweite Heizelement 110b veranlasst, Wärme zu erzeugen, welche die dielektrische Struktur 208 zum Ausgasen und Erhöhen eines Drucks innerhalb der zweiten hermetisch abgedichteten Kammer 1302b auf einen dritten Druckwert P3 (größer als der erste Umgebungsdruck P1) veranlasst.As shown in cross-sectional view 1400 of FIG 14 As shown, the first heating element 110a and/or the second heating element 110b are activated to change a pressure within the first hermetically sealed chamber 1302a and/or the second hermetically sealed chamber 1302b. For example, a first signal (eg, current) may be provided to the first heating element 110a, causing the first heating element 110a to increase a pressure within the first hermetically sealed chamber 1302a to a second pressure level P2 (greater than the first ambient pressure P1). A second signal (e.g., current) may be provided to the second heating element 110b, causing the second heating element 110b to generate heat that causes the dielectric structure 208 to outgas and increase a pressure within the second hermetically sealed chamber 1302b to a third pressure value P3 ( greater than the first ambient pressure P1) causes.

Wie in der Querschnittansicht 1500 der 15 gezeigt, können das CMOS-Substrat 806 und die MEMS-Struktur 1206 entlang einer oder mehrerer Anreißlinien 1504 zur Bildung einer ersten Matrize 1502a und einer zweiten Matrize 1502b gewürfelt werden. Die erste Matrize 1502a umfasst eine erste MEMS-Vorrichtung, die an die erste hermetisch abgedichtete Kammer 1302a angrenzt, die den zweiten Druck P2 aufweist. Die zweite Matrize 1502b umfasst eine zweite MEMS-Vorrichtung, die an die zweite hermetisch abgedichtete Kammer 1302b angrenzt, die den dritten Druck P3 aufweist.As shown in cross-sectional view 1500 of FIG 15 As shown, the CMOS substrate 806 and the MEMS structure 1206 may be diced along one or more scribe lines 1504 to form a first die 1502a and a second die 1502b. The first die 1502a includes a first MEMS device adjacent to the first hermetically sealed chamber 1302a having the second pressure P 2 . The second die 1502b includes a second MEMS device adjacent to the second hermetically sealed chamber 1302b having the third pressure P 3 .

16 veranschaulicht einige Ausführungsformen eines Verfahrens 1600 zur Herstellung eines mikroelektromechanischen System(MEMS)-Pakets mit einem Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck einer hermetisch verschlossenen Kammer einzustellen. Obwohl das Verfahren 1600 in Bezug auf die 5-15 beschrieben ist, versteht es sich von selbst, dass das Verfahren 1600 sich nicht auf solche Strukturen beschränkt. 16 16 illustrates some embodiments of a method 1600 for fabricating a microelectromechanical system (MEMS) package having a heating element configured to adjust a pressure of a hermetically sealed chamber. Although the 1600 method with respect to the 5-15 described, it should be understood that the method 1600 is not limited to such structures.

Des Weiteren versteht es sich von selbst, dass, während das offenbarte Verfahren 1600 hierin als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben wurde, die dargestellte Reihenfolge dieser Handlungen oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden dürfen. Zum Beispiel können einige Handlungen in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen abgesehen von denen, die dargestellt und/oder hierin beschrieben sind, auftreten. Darüber hinaus müssen nicht alle dargestellten Handlungen erforderlich sein, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Beschreibung hierin umzusetzen. Ferner kann/können eine oder mehrere der Handlungen, die hierin dargestellt sind, in einem oder in mehreren getrennten Handlungen und/oder Phasen durchgeführt werden.Furthermore, it should be understood that while the disclosed method 1600 has been illustrated and described herein as a series of acts or events, the presented order of those acts or events should not be interpreted in a limiting sense. For example, some acts may occur in different orders and/or concurrently with other acts or events apart from those illustrated and/or described herein. Furthermore, not all acts presented may be required to practice one or more aspects or embodiments of the description herein. Furthermore, one or more of the acts set forth herein may be performed in one or more separate acts and/or phases.

Bei 1602 wird eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen in einem Halbleiterkörper ausgebildet. 5 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht 500, welche der Handlung 1602 entsprechen.At 1602, a plurality of semiconductor devices are formed in a semiconductor body. 5 16 illustrates some embodiments of a cross-sectional view 500 corresponding to action 1602. FIG.

Bei 1604 wird eine Vielzahl von Metallverbindungsschichten in einer dielektrischen Struktur, die über dem Halbleiterkörper angeordnet ist, ausgebildet. 6 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht 600, welche der Handlung 1604 entsprechen.At 1604, a plurality of metal interconnect layers are formed in a dielectric structure disposed over the semiconductor body. 6 16 illustrates some embodiments of a cross-sectional view 600 corresponding to action 1604. FIG.

Bei 1606 wird ein Heizelement ist über dem Halbleiterkörper ausgebildet. 7 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht 700, welche der Handlung 1606 entsprechen.At 1606, a heating element is formed over the semiconductor body. 7 16 illustrates some embodiments of a cross-sectional view 700 corresponding to action 1606. FIG.

Bei 1608 wird/werden eine oder mehrere Vertiefungen in der dielektrischen Struktur und/oder dem Halbleiterkörper ausgebildet. Die eine oder die mehreren Vertiefungen sind vom Heizelement durch eine Ausgasungsschicht getrennt. 8 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht 800, welche der Handlung 1608 entsprechen.At 1608, one or more recesses are formed in the dielectric structure and/or the semiconductor body. The one or more wells are separated from the heating element by an outgassing layer. 8th FIG. 8 illustrates some embodiments of a cross-sectional view 800 corresponding to action 1608. FIG.

Bei 1610 wird ein Capping-Substrat selektiv geätzt, um eine oder mehrere Vertiefungen innerhalb einer Frontseite eines Capping-Substrats zu bilden. 9 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht 900, welche der Handlung 1610 entsprechen.At 1610, a capping substrate is selectively etched to form one or more recesses within a front face of a capping substrate. 9 16 illustrates some embodiments of a cross-sectional view 900 corresponding to action 1610. FIG.

Bei 1612 wird die Vorderseite des Capping-Substrats auf ein MEMS-Substrat mit einem nicht stationären Element gebondet. 10-12 zeigen einige Ausführungsformen von Querschnittansichten 1000-1200, welche der Handlung 1612 entsprechen.At 1612, the front side of the capping substrate is bonded to a MEMS substrate with a non-stationary element. 10-12 16 show some embodiments of cross-sectional views 1000-1200 corresponding to action 1612. FIG.

Bei 1614 wird das MEMS-Substrat auf das CMOS-Substrat mit einem ersten Druck gebondet, um eine oder mehrere hermetisch abgedichtete Kammern, die dazwischen angeordnet sind, zu bilden. 13 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht 1300, welche der Handlung 1602 entsprechen.At 1614, the MEMS substrate is bonded to the CMOS substrate with a first pressure to form one or more hermetically sealed chambers disposed therebetween the. 13 FIG. 13 illustrates some embodiments of a cross-sectional view 1300 corresponding to action 1602. FIG.

Bei 1616 wird das Heizelement betrieben, um Wärme zu erzeugen, welche die Ausgasungsschicht veranlasst, Gas freizusetzen, das den Druck in einer ersten der einen oder mehreren hermetisch abgedichteten Kammern auf einen zweiten Druck ändert, der größer ist als der erste Druck. 14 veranschaulicht einige Ausführungsformen einer Querschnittansicht 1400, welche der Handlung 1602 entsprechen.At 1616, the heating element is operated to generate heat that causes the outgassing layer to release gas that changes the pressure in a first of the one or more hermetically sealed chambers to a second pressure that is greater than the first pressure. 14 FIG. 14 illustrates some embodiments of a cross-sectional view 1400 corresponding to action 1602. FIG.

Daher betrifft die vorliegende Offenbarung ein mikroelektromechanisches System(MEMS)-Paket mit einem Heizelement, das konfiguriert ist, um einen Druck innerhalb einer hermetisch abgedichteten Kammer durch Induzieren von Ausgasen von dielektrischen Materialien einzustellen, und ein zugehöriges Verfahren.Therefore, the present disclosure relates to a microelectromechanical system (MEMS) package having a heating element configured to adjust a pressure within a hermetically sealed chamber by inducing outgassing of dielectric materials, and an associated method.

In einigen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung ein mikroelektromechanisches System(MEMS)-Paket. Das MEMS-Paket besteht aus einem CMOS-Substrat mit einer oder mehreren Halbleitervorrichtung(en), die in einem Halbleiterkörper angeordnet ist/sind. Das MEMS-Paket umfasst ferner eine MEMS-Struktur, die mit dem CMOS-Substrat verbunden ist und eine mikroelektromechanische(MEMS) Vorrichtung umfasst. Das MEMS-Paket umfasst ferner eine hermetisch abgedichtete Kammer, die an die MEMS-Vorrichtung angrenzt, die zwischen dem CMOS-Substrat und der MEMS-Struktur angeordnet ist. Ein Heizelement ist elektrisch mit der einen oder den mehreren Halbleitervorrichtung(en) verbunden und von der hermetisch abgedichteten Kammer durch eine Ausgasungsschicht, die entlang einer Innenfläche der hermetisch abgedichteten Kammer angeordnet ist, getrennt.In some embodiments, the present disclosure relates to a microelectromechanical system (MEMS) package. The MEMS package consists of a CMOS substrate with one or more semiconductor devices arranged in a semiconductor body. The MEMS package further includes a MEMS structure coupled to the CMOS substrate and including a microelectromechanical (MEMS) device. The MEMS package further includes a hermetically sealed chamber adjacent to the MEMS device, which is sandwiched between the CMOS substrate and the MEMS structure. A heating element is electrically connected to the one or more semiconductor devices and separated from the hermetically sealed chamber by an outgassing layer disposed along an interior surface of the hermetically sealed chamber.

In anderen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung ein mikroelektromechanisches System(MEMS)-Paket. Das MEMS-Paket umfasst ein CMOS-Substrat mit einer oder mehreren Halbleitervorrichtung(en), die in einem Halbleiterkörper angeordnet ist/sind, und eine darüber liegende dielektrische Struktur mit einer oder mehreren Metallverbindungsschichten und einer ersten Vertiefung. Das MEMS-Paket umfasst ferner ein Capping-Substrat, das über dem CMOS-Substrat angeordnet ist, und eine zweite Vertiefung, die neben der ersten Vertiefung eine hermetisch abgedichtete Kammer, die zwischen dem Capping-Substrat und dem CMOS-Substrat angeordnet ist, ausbildet. Das MEMS-Paket umfasst ferner ein MEMS-Substrat zwischen dem Capping-Substrat und dem CMOS-Substrat und umfasst ein nicht stationäres Element, das innerhalb der hermetisch abgedichteten Kammer angeordnet ist. Das MEMS-Paket umfasst ferner ein Heizelement, das elektrisch mit der einen oder den mehreren Halbleitervorrichtung(en) verbunden und innerhalb der dielektrischen Struktur an einer Stelle angeordnet ist, die mit der hermetisch abgedichteten Kammer in thermischer Verbindung steht.In other embodiments, the present disclosure relates to a microelectromechanical system (MEMS) package. The MEMS package includes a CMOS substrate having one or more semiconductor devices disposed in a semiconductor body and an overlying dielectric structure having one or more metal interconnection layers and a first cavity. The MEMS package further includes a capping substrate disposed over the CMOS substrate and a second cavity forming a hermetically sealed chamber disposed between the capping substrate and the CMOS substrate adjacent to the first cavity . The MEMS package further includes a MEMS substrate between the capping substrate and the CMOS substrate and includes a non-stationary element disposed within the hermetically sealed chamber. The MEMS package further includes a heating element electrically connected to the one or more semiconductor devices and disposed within the dielectric structure at a location in thermal communication with the hermetically sealed chamber.

In noch weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Ausbilden eines MEMS-Substrats. Das Verfahren umfasst das Bilden eines CMOS-Substrats mit einem Heizelement über einem Halbleiterkörper und das Ausbilden einer MEMS-Struktur mit einer Mehrzahl von MEMS-Vorrichtungen. Das Verfahren umfasst ferner das Bonden der MEMS-Struktur mit dem CMOS-Substrat bei einem ersten Druck, um eine Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern auszubilden, die zwischen der MEMS-Struktur und dem CMOS-Substrat angeordnet sind. Eine erste aus der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern wird von dem Heizelement durch eine Ausgasungsschicht getrennt. Das Verfahren umfasst ferner das Betreiben des Heizelements, um Wärme zu erzeugen, welche die Ausgasungsschicht veranlasst, Gas freizusetzen, das den ersten Druck der ersten der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern auf einen zweiten Druck ändert, der größer ist als der erste Druck.In still other embodiments, the present disclosure relates to a method of forming a MEMS substrate. The method includes forming a CMOS substrate with a heating element over a semiconductor body and forming a MEMS structure with a plurality of MEMS devices. The method further includes bonding the MEMS structure to the CMOS substrate at a first pressure to form a plurality of hermetically sealed chambers located between the MEMS structure and the CMOS substrate. A first of the plurality of hermetically sealed chambers is separated from the heating element by an outgassing layer. The method further includes operating the heating element to generate heat that causes the outgassing layer to release gas that changes the first pressure of the first of the plurality of hermetically sealed chambers to a second pressure that is greater than the first pressure.

Claims (16)

Mikroelektromechanisches System, MEMS,-Paket (100), umfassend: ein CMOS-Substrat (102) mit einer oder mit mehreren Halbleitervorrichtungen, die in einem Halbleiterkörper (204) angeordnet sind; eine MEMS-Struktur (210), die mit dem CMOS-Substrat verbunden ist und eine mikroelektromechanische,MEMS, Vorrichtung (106) umfasst, wobei eine hermetisch abgedichtete Kammer (108), die an die MEMS-Vorrichtung angrenzt, zwischen dem CMOS-Substrat (102) und der MEMS-Struktur (210) angeordnet ist; und ein Heizelement (110), das mit der einen oder den mehreren Halbleitervorrichtungen elektrisch verbunden ist und von der hermetisch abgedichteten Kammer (108) durch eine Ausgasungsschicht (112), die entlang einer Innenfläche der hermetisch abgedichteten Kammer angeordnet ist, getrennt ist; wobei das Heizelement (110) in Kontakt mit der Ausgasungsschicht (112) steht, die eine dielektrische Struktur (308) mit einer oder mit mehreren Metallverbindungsschichten (3061, 306b) umfasst.Microelectromechanical system, MEMS, package (100) comprising: a CMOS substrate (102) having one or more semiconductor devices arranged in a semiconductor body (204); a MEMS structure (210) connected to the CMOS substrate and including a microelectromechanical, MEMS, device (106), wherein a hermetically sealed chamber (108) adjacent to the MEMS device between the CMOS substrate (102) and the MEMS structure (210); and a heating element (110) electrically connected to the one or more semiconductor devices and separated from the hermetically sealed chamber (108) by an outgassing layer (112) disposed along an interior surface of the hermetically sealed chamber; wherein the heating element (110) is in contact with the outgassing layer (112) comprising a dielectric structure (308) having one or more metal interconnection layers (3061, 306b). MEMS-Paket nach Anspruch 1, wobei die Ausgasungsschicht (112) so konfiguriert ist, um während des Betriebs des Heizelements (110), um Wärme zu erzeugen, ein Gas in die hermetisch abgedichtete Kammer (108) freizusetzen.MEMS package after claim 1 wherein the outgassing layer (112) is configured to release a gas into the hermetically sealed chamber (108) during operation of the heating element (110) to generate heat. MEMS-Paket nach Anspruch 1 oder 2, wobei die MEMS-Struktur (210) umfasst: ein MEMS-Substrat (316), das ein nicht stationäres Element (318) umfasst, das an der hermetisch abgedichteten Kammer (108) anstößt; und ein Kappen-Substrat (324), das eine Vertiefung, die in einer Oberfläche des angrenzenden MEMS-Substrats (316) angeordnet ist, umfasst, welche eine obere Oberfläche der hermetisch abgedichteten Kammer (108) bildet.MEMS package after claim 1 or 2 wherein the MEMS structure (210) comprises: a MEMS substrate (316) comprising a non-stationary element (318) abutting the hermetically sealed chamber (108); and a cap substrate (324) including a recess disposed in a surface of the adjacent MEMS substrate (316) forming a top surface of the hermetically sealed chamber (108). MEMS-Paket nach Anspruch 3, ferner umfassend: eine Bindeschicht (322), die zwischen dem MEMS-Substrat (316) und dem Kappen- Substrat (324) angeordnet ist, wobei das Kappen-Substrat ein Halbleitermaterial umfasst, das sich ununterbrochen entlang einer Seitenfläche und entlang der Seitenwände der hermetisch abgedichteten Kammer (108) bis zu einer Position erstreckt, die an die Bindungsschicht (322) anstößt.MEMS package after claim 3 , further comprising: a bonding layer (322) disposed between the MEMS substrate (316) and the cap substrate (324), the cap substrate comprising a semiconductor material continuously along a side surface and along sidewalls of the hermetically sealed chamber (108) to a position abutting the bonding layer (322). MEMS-Paket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (110) innerhalb der Ausgasungsschicht (112) angeordnet ist, die eine Klebstoffschicht (212) umfasst, die zwischen dem CMOS-Substrat (302) und der MEMS-Struktur (314) angeordnet ist.The MEMS package of any preceding claim, wherein the heating element (110) is disposed within the outgassing layer (112) comprising an adhesive layer (212) disposed between the CMOS substrate (302) and the MEMS structure (314). is. MEMS-Paket nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (110) einen Polysiliziumwiderstand, einen Dünnschichtwiderstand oder einen Dickschichtwiderstand umfasst.A MEMS package according to any one of the preceding claims, wherein the heating element (110) comprises a polysilicon resistor, a thin film resistor or a thick film resistor. MEMS-Paket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine zweite hermetisch abgedichtete Kammer (108b) zwischen einem MEMS-Substrat (316) und dem CMOS-Substrat (302) an einer Position, die seitlich versetzt zur hermetisch abgedichteten Kammer (108a) angeordnet ist, wobei die hermetisch abgedichtete Kammer auf einem ersten Druck (P2) und die zweite hermetisch abgedichtete Kammer auf einem zweiten Druck (P3) gehalten wird, der anders ist als der erste Druck.MEMS package according to any one of the preceding claims, further comprising: a second hermetically sealed chamber (108b) between a MEMS substrate (316) and the CMOS substrate (302) at a position laterally offset from the hermetically sealed chamber (108a), the hermetically sealed chamber at a first pressure (P2) and the second hermetically sealed chamber is maintained at a second pressure (P3) different from the first pressure. MEMS-Paket nach Anspruch 7, wobei das Heizelement (110) näher an der hermetisch abgedichteten Kammer (108a) ist als an der zweiten hermetisch abgedichteten Kammer (108b).MEMS package after claim 7 wherein the heating element (110) is closer to the hermetically sealed chamber (108a) than to the second hermetically sealed chamber (108b). MEMS-Paket nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausgasungsschicht (112) einen Rückstandsfilm (408), der entlang einer Innenfläche der hermetisch abgedichteten Kammer (108) angeordnet ist, zwischen dem Heizelement und der hermetisch abgedichteten Kammer umfasst.The MEMS package of any preceding claim, wherein the outgassing layer (112) comprises a residue film (408) disposed along an inner surface of the hermetically sealed chamber (108) between the heating element and the hermetically sealed chamber. Mikroelektromechanisches System, MEMS,-Paket, umfassend: ein CMOS-Substrat (302) mit einer oder mit mehreren Halbleitervorrichtungen (307), die in einem Halbleiterkörper (304) angeordnet sind, und eine darüber liegende dielektrische Struktur (308) mit einem oder mehreren Metallverbindungsschichten (306) und mit einer ersten Vertiefung; ein Kappen-Substrat (324), das über dem CMOS-Substrat (302) angeordnet ist und eine zweite Vertiefung aufweist, die zusammen mit der ersten Vertiefung eine hermetisch abgedichtete Kammer (108) zwischen dem Kappen-Substrat und dem CMOS-Substrat ausbildet; ein MEMS-Substrat (316), das zwischen dem Kappen-Substrat (324) und dem CMOS-Substrat (302) angeordnet ist und ein nicht stationäres Element (318) umfasst, das innerhalb der hermetisch abgedichteten Kammer (108) angeordnet ist; und ein Heizelement (110), das mit der einen oder den mehreren Halbleitervorrichtungen (307) elektrisch verbunden ist und innerhalb der dielektrischen Struktur (308) an einer Stelle angeordnet ist, die mit der hermetisch abgedichteten Kammer (108) in Wärmeverbindung steht; wobei das Heizelement (110) seitlich zur hermetisch abgedichteten Kammer (108) versetzt ist und seitlich nicht von der hermetisch abgedichteten Kammer durch die eine oder mehrere Metallverbindungsschichten (306) getrennt ist; und/oder wobei das Heizelement (110) vertikal zwischen der hermetisch abgedichteten Kammer (108) und dem Halbleiterkörper (304) angeordnet ist.Microelectromechanical system, MEMS, package comprising: a CMOS substrate (302) having one or more semiconductor devices (307) arranged in a semiconductor body (304) and an overlying dielectric structure (308) having one or more metal interconnection layers (306) and having a first recess; a cap substrate (324) disposed over the CMOS substrate (302) and having a second cavity which, together with the first cavity, forms a hermetically sealed chamber (108) between the cap substrate and the CMOS substrate; a MEMS substrate (316) disposed between the cap substrate (324) and the CMOS substrate (302) and including a non-stationary element (318) disposed within the hermetically sealed chamber (108); and a heating element (110) electrically connected to the one or more semiconductor devices (307) and disposed within the dielectric structure (308) at a location in thermal communication with the hermetically sealed chamber (108); wherein the heating element (110) is laterally offset from the hermetically sealed chamber (108) and is not laterally separated from the hermetically sealed chamber by the one or more metal interconnect layers (306); and or wherein the heating element (110) is disposed vertically between the hermetically sealed chamber (108) and the semiconductor body (304). MEMS-Paket nach Anspruch 10, wobei die dielektrische Struktur (308) konfiguriert ist, um während des Betriebs des Heizelements (110), um Wärme zu erzeugen, ein Gas in die hermetisch abgedichtete Kammer (108) freizusetzen.MEMS package after claim 10 wherein the dielectric structure (308) is configured to release a gas into the hermetically sealed chamber (108) during operation of the heating element (110) to generate heat. MEMS-Paket nach einem der Ansprüche 10 oder 11, ferner umfassend: eine Stromquelle (216), die innerhalb des CMOS-Substrats (202) angeordnet und mit dem Heizelement (110) mittels eines oder mehrerer Metallverbindungsdrähte (306b) verbunden ist.MEMS package after one of Claims 10 or 11 and further comprising: a power source (216) disposed within the CMOS substrate (202) and connected to the heating element (110) by one or more metal bonding wires (306b). Verfahren zum Ausbilden eines MEMS-Pakets, umfassend: Bilden eines CMOS-Substrats (302), das zwei Heizelemente (110a, 110b) über einem Halbleiterkörper (304) aufweist; Ausbilden einer MEMS-Struktur (314), die eine Mehrzahl von MEMS-Vorrichtungen (1208a, 1208b) aufweist; Bonden der MEMS-Struktur (1206) an das CMOS-Substrat (806) bei einem ersten Druck, um eine Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern (1302a, 1302b), die zwischen der MEMS-Struktur (1206) und dem CMOS-Substrat (806) angeordnet sind, auszubilden, wobei eine erste und eine zweite der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern von den Heizelementen (110a, 110b) durch eine Ausgasungsschicht (112) getrennt sind; und Betreiben eines ersten der Heizelemente (110a, 110b), um Wärme zu erzeugen, welche die Ausgasungsschicht (112) veranlasst, Gas freizusetzen, das den ersten Druck (P1) der ersten der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern auf einen zweiten Druck (P2) ändert, der größer ist als der erste Druck; Betreiben eines zweiten der Heizelemente (110a, 110b), um Wärme zu erzeugen, welche die Ausgasungsschicht (112) veranlasst, Gas freizusetzen, das den ersten Druck (P1) der zweiten der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern auf einen dritten Druck (P3) ändert, der größer ist als der erste Druck, wobei die zweite der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern neben der ersten Kammer angeordnet ist; Zerteilen der MEMS-Struktur (1206) und des CMOS-Substrats (806) nach dem Bonden, um eine erste Matrize (1502a), die eine erste MEMS-Vorrichtung (1208a) aufweist, die an die erste hermetisch abgedichtete Kammer (1302a) mit dem zweiten Druck (P2) angrenzt, und eine zweite Matrize (1502b) auszubilden, die eine zweite MEMS-Vorrichtung (1208b) aufweist, die an die zweite hermetisch abgedichtete Kammer (1302b) mit einem dritten Druck (P3) angrenzt, der verschieden zum zweiten Druck ist.A method of forming a MEMS package, comprising: forming a CMOS substrate (302) having two heating elements (110a, 110b) over a semiconductor body (304); forming a MEMS structure (314) having a plurality of MEMS devices (1208a, 1208b); Bonding the MEMS structure (1206) to the CMOS substrate (806) at a first pressure to form a plurality of hermetically sealed chambers (1302a, 1302b) formed between the MEMS structure (1206) and the CMOS substrate (806 ) are arranged to form a first and a second of the plurality of hermetically sealed chambers are separated from the heating elements (110a, 110b) by an outgassing layer (112); and operating a first of the heating elements (110a, 110b) to generate heat which causes the outgassing layer (112) to release gas that increases the first pressure (P1) of the first of the plurality of hermetically sealed chambers to a second pressure (P2) changes that is greater than the first pressure; operating a second of the heating elements (110a, 110b) to generate heat that causes the outgassing layer (112) to release gas that changes the first pressure (P1) of the second of the plurality of hermetically sealed chambers to a third pressure (P3). , which is greater than the first pressure, the second of the plurality of hermetically sealed chambers being disposed adjacent to the first chamber; dicing the MEMS structure (1206) and the CMOS substrate (806) after bonding to form a first die (1502a) having a first MEMS device (1208a) attached to the first hermetically sealed chamber (1302a). the second pressure (P2), and forming a second die (1502b) having a second MEMS device (1208b) adjacent the second hermetically sealed chamber (1302b) at a third pressure (P3) different from the second print is . Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Ausbilden einer Vielzahl von Halbleitervorrichtungen (307) innerhalb des Halbleiterkörpers (304); Ausbilden einer Vielzahl von Metallverbindungsschichten (306) in einer dielektrischen Struktur (308), die über dem Halbleiterkörper (304) angeordnet ist; Ausbilden einer Vielzahl von Vertiefungen in der dielektrischen Struktur, wobei die Vielzahl von Vertiefungen einen Teil der Vielzahl von hermetisch abgedichteten Kammern bildet (308); und wobei das Heizelement (110) innerhalb der dielektrischen Struktur (308) angeordnet ist.procedure after Claim 13 , further comprising: forming a plurality of semiconductor devices (307) within the semiconductor body (304); forming a plurality of metal interconnect layers (306) in a dielectric structure (308) disposed over the semiconductor body (304); forming a plurality of cavities in the dielectric structure, the plurality of cavities forming part of the plurality of hermetically sealed chambers (308); and wherein the heating element (110) is disposed within the dielectric structure (308). Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend: selektives Ätzen (904) eines Kappen-Substrats (902), um eine oder mehrere Vertiefungen (906) in der Vorderseite des Kappen-Substrats (902) auszubilden; und Bonden des Kappen-Substrats (902) an ein MEMS-Substrat (1102), das ein nicht stationäres Element (1208a) aufweist, um die MEMS-Struktur (1106) auszubilden.procedure after Claim 13 or 14 , further comprising: selectively etching (904) a cap substrate (902) to form one or more depressions (906) in the front side of the cap substrate (902); and bonding the cap substrate (902) to a MEMS substrate (1102) having a non-stationary element (1208a) to form the MEMS structure (1106). Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Heizelement (110) einen Polysiliziumwiderstand, einen Dünnschichtwiderstand oder einen Dickschichtwiderstand umfasst.Procedure according to one of Claims 13 until 15 wherein the heating element (110) comprises a polysilicon resistor, a thin film resistor or a thick film resistor.
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