(57)【要約】      （修正有）【課題】システム・オン・チップ（ＳｏＣ：Ｓｙｓｔｅｍ  ｏｎ  Ｃｈｉｐ）またはシステム・イン・パッケージ（ＳｉＰ）を形成するためのＭＥＭＳデバイスとＩＣチップとの集積化を可能にする、３Ｄシステム（「３ＤＳ」）ＭＥＭＳアーキテクチャを提供する。【解決手段】集積ＭＥＭＳシステム１０００は、ＭＥＭＳ変換器１１７０を含むＭＥＭＳチップ１１００と、ＭＥＭＳ処理回路だけではなく補助信号を処理するための補助的な回路も含むＩＣチップ１２００とを備える。ＭＥＭＳチップおよびＩＣチップは、バンプ接合される。ＭＥＭＳチップは、第１および第２の絶縁伝導路１１３０、１１５０を含む。第１の経路は、処理のためにＭＥＭＳ信号を変換器とＩＣチップとの間で伝導し、第２の伝導路は、ＭＥＭＳチップの全厚を通して延在して、追加的な回路で処理されるべき電力、ＲＦ、Ｉ／Ｏ、などの補助信号をＩＣチップに伝導する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積ＭＥＭＳシステムであって、
−  少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップ、および
−  少なくとも１つの単一ＩＣチップ
を備え、
前記少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップが、
−  第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組を含む第１のキャップ層と、
−  第２のキャップＭＥＭＳ電気接点を含む第２のキャップ層と、
−  前記第１のキャップ層と前記第２のキャップ層との間に配置された中央ＭＥＭＳ層と、
−  前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層内に形成されて、運動を引き起こすかまたは少なくとも１つのパラメータを検知する、少なくとも１つの変換器と、
−  前記少なくとも１つの変換器を前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１の組にそれぞれ接続して、前記少なくとも１つの変換器と前記第１の組の前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点との間で電気的ＭＥＭＳ信号を伝導する、第１の絶縁伝導路と、
−  前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第２の組を、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層を通して前記第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続して、前記ＭＥＭＳチップを通して補助信号を伝導する、第２の絶縁伝導路と、
を備え、
前記少なくとも１つの単一ＩＣチップが、
−  第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組にそれぞれバンプ接合されるＩＣ電気接点の第１および第２の組と、
−  ＩＣ電気接点の第１の組に動作可能に接続されて前記電気的ＭＥＭＳ信号を処理する、ＭＥＭＳ信号処理回路と、
−  前記ＩＣ電気接点の第２の組に動作可能に接続されて、前記補助信号を処理しかつ追加的なシステム機能を提供する、補助信号処理回路と
を備える、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層が、導電性材料で作られ、前記第１のキャップ層が、前記中央ＭＥＭＳ層の第１の側に電気的に接合されており、前記第２のキャップ層が、前記第１の側とは反対側の前記中央ＭＥＭＳ層の第２の側に電気的に接合されている、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層が、ウェハレベルで接合されるそれぞれのシリコンベースのウェハから製作される、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記中央ＭＥＭＳ層が、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハから作られる、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第２の絶縁伝導路が、前記第１の層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２の層のうちの１つにエッチングされたトレンチによって形成され、前記トレンチが、位置合わせされかつ絶縁材料で満たされており、前記トレンチが、それぞれの導電性ウェハプラグを取り囲み、
前記導電性ウェハプラグが、前記ＭＥＭＳチップの全厚を通した電気信号の伝達を可能にする、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第２の絶縁伝導路のうちの少なくともいくつかが、前記第１の層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２の層のうちの１つにエッチングされたトレンチによって形成され、前記トレンチが、位置合わせされており、かつ、絶縁材料で覆われかつ導電性材料で満たされたそれらのそれぞれの側壁を有する、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１および第２のキャップ層の前記第１および第２のキャップＭＥＭＳ電気接点が、接合パッドである、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの変換器が、６自由度運動センサを含み、前記少なくとも１つのパラメータが、３軸の直線加速度、および３軸の角速度を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項９】
請求項９に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記６自由度運動センサが、前記第１および第２のキャップ層内にそれぞれ設けられた第１および第２の電極の組と、前記中央ＭＥＭＳ層内に設けられた複数のプルーフマスとを含み、前記第１および第２の電極の組が、前記複数のプルーフマスとともにコンデンサを形成し、前記第１の絶縁伝導路のうちのいくつかが、前記第１および第２の電極の組の前記電極を、前記ＭＥＭＳ電気接点の第１の組のうちの少なくともいくつかの前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点にそれぞれ接続する、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの変換器が、少なくとも１つの非慣性センサを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの非慣性センサが、圧力センサ、磁力計、温度計、およびマイクロホンのうちの少なくとも１つを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの非慣性センサが、前記第１の層内にパターン付けされた非慣性電極と、前記中央ＭＥＭＳ層内にパターン付けされた少なくとも１つのＭＥＭＳ構造とを含み、前記第１の絶縁伝導路のうちのいくつかが、前記少なくとも１つの非慣性センサの前記電極を前記第１の組の前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続する、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記電気的ＭＥＭＳ信号のうちの少なくともいくつかが、アナログ信号であり、前記ＩＣチップが、前記ＭＥＭＳチップによって送信されたアナログ信号を前記ＭＥＭＳ信号処理回路による処理のためのデジタル信号に変換するために、また、前記ＭＥＭＳ信号処理回路によって送信されたデジタル信号を前記ＭＥＭＳチップに入る前にアナログ信号に変換するために、混合信号ＣＭＯＳ回路を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記ＩＣチップが、デジタルバスを含み、前記ＭＥＭＳ信号処理回路が、前記デジタルバスを介して前記混合信号回路に接続されたデジタルＣＭＯＳ回路を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記デジタルＣＭＯＳ回路が、デジタルデータ分析回路、デジタル入力／出力回路、メモリ、システム制御装置、および較正／補償回路のうちの少なくとも１つを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記ＩＣチップが、電力バスを含み、前記補助信号処理回路が、前記電力バスと前記デジタルバスとに接続された電力管理回路を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１７】
請求項１４から１６までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記ＩＣチップが、前記補助信号を処理するための、前記デジタルバスに接続された高速ＣＭＯＳ回路を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記高速ＣＭＯＳ回路が、無線信号またはＧＰＳ信号のための入出力モジュールのうちの少なくとも１つを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１９】
請求項１から１８までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップが、第１の単一ＭＥＭＳチップと、少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップとを含み、前記第１の単一ＭＥＭＳチップおよび前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップが、垂直に積み重ねられ、前記第１の単一ＭＥＭＳチップの前記第２の層が、前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの前記第１の層にバンプ接合され、前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの前記第２の絶縁伝導路が、前記第１の単一ＭＥＭＳチップの前記第２の絶縁伝導路のうちの少なくともいくつかに電気的に接続されて、前記第１の単一ＭＥＭＳチップおよび前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップを通して前記少なくとも１つのＩＣチップに補助信号を伝導する、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、第１のＭＥＭＳチップが、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第３の組と、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層を通して前記第３の組の前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点を、前記第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続する第３の絶縁伝導路とを含み、前記第３の絶縁伝導路が、前記少なくとも１つのＩＣチップの前記ＭＥＭＳ信号処理回路に電気的に接続され、かつ、前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの絶縁伝導路に電気的に接続され、前記ＭＥＭＳ信号処理回路が、前記第１の単一ＭＥＭＳチップおよび前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの前記電気的ＭＥＭＳ信号を処理する、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項２１】
請求項１から２０までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップが、第１の単一ＩＣチップと、少なくとも１つの追加的な単一ＩＣチップとを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本特許出願は、米国特許出願第６１／９２５，３７９号の優先権を主張するものであり、その開示は参照により全体として本特許出願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、センサやアクチュエータなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）デバイスの集積化に関し、より詳細には、集積回路（ＩＣ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）およびＭＥＭＳチップを含む集積ＭＥＭＳシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、具体的には、加速度計および角速度センサ、またはジャイロスコープなどの慣性センサが、絶えず増加を続ける用途において使用されている。スマートフォンやタブレットＰＣに内蔵されたカメラのための光学画像安定化（ＯＩＳ：ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｍａｇｅ  ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）、仮想現実システム、およびウェアラブル電子装置などのＭＥＭＳセンサに対する大衆消費電子製品用途の著しい増加により、従来は遙かに大型でより高価でかつより高等級の非ＭＥＭＳセンサによって提供されていたより先進的な用途にそのような技術を利用することへの関心が高まっている。そのような用途は、工業用途のための単一軸および多軸のデバイス、ナビゲーションシステムおよび姿勢方位基準システム（ＡＨＲＳ：ａｔｔｉｔｕｄｅ  ｈｅａｄｉｎｇ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｓｙｓｔｅｍ）のための慣性測定装置（ＩＭＵ：ｉｎｅｒｔｉａｌ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｕｎｉｔ）、空、陸、海の無人の乗り物ならびに個人向けの屋内用ＧＰＳ拒否ナビゲーションのための制御システムを含む。これらの用途はまた、健康管理／医療および運動能力の監視システム、ならびに次世代の仮想現実感のための先進的なモーションキャプチャシステムを含み得る。これらの先進的用途は、市場に出ている既存の消費者向け等級のＭＥＭＳ慣性センサの性能を遙かに超えた、より低いバイアスドリフトとより高い感度仕様とを必要とする場合が多い。これらの市場を拡大するには、また、新規なものを作り出すには、より高度な性能仕様が開発されることが望ましくかつ必要である。低コストかつ小型のセンサおよび／またはＭＥＭＳ慣性センサを使用可能なシステムを製造することも必要である。
【０００４】
加速度計やジャイロスコープなどのＭＥＭＳ慣性センサが通常は従来の機械式ジャイロスコープよりも遙かに小さいことを考えれば、それらのＭＥＭＳ慣性センサはより大きな機械騒音およびドリフトを受け易い。また、位置および姿勢は、加速度データと角速度データを統合することによってそれぞれ計算されるので、騒音およびドリフトは、誤差の増大につながる。したがって、ナビゲーションのような高い精度を必要とする用途に対しては、他の位置および／または方向依存性測定を加えることでＭＥＭＳ運動センサの６自由度（６ＤＯＦ：ｓｉｘ−ｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍ）慣性性能（すなわち、３軸の加速度、および３軸の角回転）を増補することが、一般に望ましい。そのようなセンサ融合は、より良好な結果を得るのに必須である。
【０００５】
半導体産業の成功の柱は、増大し続けるシリコン集積回路上のデバイスの密度であった。歴史的に、この密度の増大は、フォトリソグラフィおよびエッチングの方法の向上を通して、電子デバイス最小寸法の縮小によって成し遂げられてきた。集積回路（ＩＣ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）最小寸法は、一般的には１８０ｎｍ、最新技術としては１０〜２０ｎｍのサブミクロン寸法に達した。これらの寸法は、従来の半導体プロセスの限界、具体的にはフォトグラフィ法の光学的限界に近づきつつある。それと同時に、２Ｄにおける横方向チップ寸法を拡大して従来よりも大きなチップを作ることにより、全体的なチップの機能が強化されてきた。
【０００６】
実際には、パッケージ基板上の電気トレースは、シリコンチップ上のそれらよりも遙かに大きい。この不整合は、ルーティングの難しさ、および過度の電力消費をもたらし、また、シリコン（Ｓｉ：ｓｉｌｉｃｏｎ）インタポーザの導入をもたらしたが、このシリコンインタポーザは、チップ側上には微細な信号分配トレースがパターン付けされ、基板側上には粗い接続部がパターン付けされて、インタポーザを通してそれら２つの間に電気相互接続を有することができる。このＳｉインタポーザを使用する手法は、チップは２Ｄにおいて分配されるがインタポーザは抵抗器やコンデンサなどの受動素子以外のちょっとした付加機能を含むものの第３次元において導入されるので、２．５Ｄと呼ばれる。
【０００７】
シリコン貫通電極（ＴＳＶ：ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｉｌｉｃｏｎ  ｖｉａ）の発達は、個々のＩＣチップが薄型化されかつ積み重ねられる３Ｄ集積回路（３ＤＩＣ：３Ｄ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を可能にした。ＩＣプロセスへのＴＳＶ技術の導入は、さらなる複雑さの水準をもたらした。ＩＣプロセスは、通常、ＩＣチップの表面の近くでは数ミクロンに制約され、かつ、微細な特性（ｆｅａｔｕｒｅ）のフォトリソグラフィを必要とするが、ＴＳＶプロセスは、より粗い特性（ｆｅａｔｕｒｅ）であり、かつ、ＩＣの厚さを貫通する。したがって、ＩＣチップの領域は、ＴＳＶ製作のために分離されなければならず、結果的に、シリコン領域の非効率的な使用と、より高いＩＣユニット費用とがもたらされる。さらにＴＳＶは、通常、金属充填され、具体的には銅で充填される。銅は、ＩＣ回路を製作するのに必要とされる温度のために、フロントエンド工程の一部にはなり得ない。したがって、ＴＳＶは、それらが工程の初期に製作される場合には、ポリシリコンで作られなければならず、または、それらが金属で作られる場合には、工程の最後に製作されなければならない。どちらの手法も、通常は高度に制御されかつ変更が困難な半導体プロセスを、より複雑にする。
【０００８】
ますます多くの電気的機能を３ＤＩＣに統合する努力と並行して、ＭＥＭＳを電子装置に統合することが望まれている。ＭＥＭＳは、機械的、光学的、磁気的、電気的、化学的、生物学的、もしくは他の微小な変換器またはアクチュエータを含む、集積回路である。電子デバイスがますます多くの機能を含むにつれて、設計者は、ユーザにフィードバックを提供するためにＭＥＭＳセンサを含む必要がある。例えば、スマートフォンは、スマートフォンの位置、ジェスチャーに基づく命令、ナビゲーション、およびゲームに対して運動情報を提供するために、ＭＥＭＳ加速度計およびジャイロスコープを組み入れている。電子装置がより小型になり、より複雑になり、より集積されるにつれて、ＭＥＭＳ信号を処理するための集積回路を含むシステムチップ内にＭＥＭＳチップを含むことが望まれている。しかし、多くのＭＥＭＳ製作工程とＩＣ製作工程との間には、いくつかの根本的な違いがある。ほとんどのＭＥＭＳデバイスでは、ＭＥＭＳ機械的要素（例えば、プルーフマス、マイクロミラー、マイクロポンプ、感圧膜）は、自由に移動できる必要がある。したがって、ＭＥＭＳ機械的要素を自由にするために製作工程が追加されなければならない。さらに、ＭＥＭＳ変換器はある程度の環境の影響に敏感な設計によるものであるので、ＭＥＭＳパッケージングは、望ましくない環境の影響から変換器を保護しなければならない。このことにより、パッケージは、標準的なＩＣパッケージングで使用されるものよりも複雑なパッケージになる。
【０００９】
ＭＥＭＳ変換器をその検知電子装置ＩＣと統合する努力が、数年来なされてきた。そうした努力には、ＭＥＭＳとＩＣとを並べてパッケージングすること、ＭＥＭＳを直接ＩＣ上に組み立てること、およびＭＥＭＳとＩＣとを積み重ねることが含まれる。これらの手法の欠点は、それらの手法が一般にＭＥＭＳを保護するためのキャップとＩＣへの電気接続を作るためのワイヤ接合とを含む追加的な最終パッケージングを必要とすることである
。このチップスケールのパッケージングは、最終デバイスに相当な費用を上乗せする。ＭＥＭＳ上のキャップはまた、３ＤＩＣ用途のためのチップの積み重ねを、不可能ではないにしても困難にする。
【００１０】
米国特許第８，２５０，９２１号は、集積運動処理ユニットを説明している。アナログでの駆動および検知、フィルタリング、ならびにＡ／Ｄ変換のための独立した関連混合信号チップ（ＡＤＣ）をそれぞれが有するいくつかの個別的なＭＥＭＳセンサが、基板またはシステムボックス内の基板上に実装されている。追加的なチップが、較正、システム制御、電力管理、およびＩ／Ｏのためのシステム基板上に含まれる。個々のチップのパッケージング、基板の製作、チップの実装、および機械的な位置合わせの費用は、この手法を費用のかかるものにし、また、ナビゲーションのような利益率の高い用途に主に有益なものにする。さらに、カバーウェハは、接続性または電子機能を含まずに、単に保護機能を有するにすぎない。
【００１１】
より少数のＭＥＭＳチップにますます多くのＭＥＭＳ機能を付け加えること、および、より多くの電子機能をより少数のＩＣに組み入れることにより、費用およびサイズを縮小することができ、また、ＭＥＭＳセンサおよび電子装置の全てを単一の基板上に集積することが望ましい。典型的には、既存の「単一チップ」慣性測定ユニット（ＩＭＵ：ｉｎｅｒｔｉａｌ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｕｎｉｔ）は、互いに添着され、かつキャップまたはプラスチックモールディングで覆われるパッケージ基板にワイヤ接合された、裸チップから成る。したがって、チップ内のシステム構成要素外では、さらなる３Ｄ集積化は不可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、ＭＥＭＳを利用可能なシステムチップ（「３ＤＳ」）を形成するためのＭＥＭＳデバイスとＩＣチップとの集積化を可能にする、３次元（３Ｄ：ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）ＭＥＭＳアーキテクチャを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様によれば、集積ＭＥＭＳシステムが提供される。可能な一実施形態において、集積ＭＥＭＳシステムは、少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップ、および少なくとも１つのＩＣチップを含む。
【００１４】
ＭＥＭＳチップが、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組を含む第１のキャップ層を備える。ＭＥＭＳはまた、第２のキャップＭＥＭＳ電気接点を含む第２のキャップ層を備える。第１および第２のキャップＭＥＭＳ電気接点は、接合パッドであることが好ましい。中央ＭＥＭＳ層が、第１のキャップ層と第２のキャップ層との間に配置される。少なくとも１つの変換器が、第１のキャップ層、中央ＭＥＭＳ層、および第２のキャップ層内に形成されて、運動を引き起こすかまたは少なくとも１つのパラメータを検知する。第１の絶縁伝導路は、１つまたは複数の変換器を第１のＭＥＭＳ電気接点の第１の組にそれぞれ接続して、変換器と第１の組の第１のキャップＭＥＭＳ電気接点との間で電気的ＭＥＭＳ信号を伝導する。第２の絶縁伝導路は、第１のキャップ層、中央ＭＥＭＳ層、および第２のキャップ層を通して第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第２の組を第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続しており、ＭＥＭＳチップを通して補助信号を伝導する。
【００１５】
単一ＩＣチップが、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組にそれぞれバンプ接合されるＩＣ電気接点の第１および第２の組を含む。単一ＩＣチップは、ＩＣ電気接点の第１の組に動作可能に接続されて電気的ＭＥＭＳ信号を処理するＭＥＭＳ信号処
理回路と、ＩＣ電気接点の第２の組に動作可能に接続されて補助信号を処理しかつ追加的なシステム機能を提供する補助信号処理回路とを含む。
【００１６】
第１のキャップ層、中央ＭＥＭＳ層、および第２のキャップ層は、導電性材料で作られることが好ましく、第１のキャップ層は、中央ＭＥＭＳ層の第１の側に電気的に接合され、第２のキャップ層は、第１の側とは反対側の中央ＭＥＭＳ層の第２の側に電気的に接合される。より具体的には、第１のキャップ層、中央ＭＥＭＳ層、および第２のキャップ層は、ウェハレベルで接合されるそれぞれのシリコンベースのウェハから製作されることが好ましい。
【００１７】
いくつかの実施形態では、中央ＭＥＭＳ層は、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハから作られる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、第２の絶縁伝導路は、第１の層、中央ＭＥＭＳ層、および第２の層のうちの１つにエッチングされたトレンチによって形成される。トレンチは位置合わせされ、かつ絶縁材料で満たされる。トレンチは、それぞれの導電性ウェハプラグを取り囲み、導電性ウェハプラグは、ＭＥＭＳチップの全厚を通した電気信号の送信を可能にする。
【００１９】
いくつかの実施形態では、第２の絶縁伝導路のうちの少なくともいくつかが、第１の層、中央ＭＥＭＳ層、および第２の層のうちの１つにエッチングされたトレンチによって形成される。トレンチは位置合わせされ、かつ、絶縁材料で覆われかつ導電性材料で満たされたそれらのそれぞれの側壁を有する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、変換器は、６自由度運動センサを含み、パラメータは、３軸の直線加速度、および３軸の角速度を含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、６自由度運動センサは、第１および第２のキャップ層内にそれぞれ設けられた第１および第２の電極の組と、中央ＭＥＭＳ層内に設けられた複数のプルーフマスとを含む。第１および第２の電極の組は、プルーフマスとともにコンデンサを形成し、第１の絶縁伝導路のうちのいくつかが、第１および第２の電極の組の電極を、ＭＥＭＳ電気接点の第１の組の第１のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかにそれぞれ接続する。
【００２２】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの変換器は、圧力センサ、磁力計、温度計、およびマイクロホンなどの、少なくとも１つの非慣性センサを含む。非慣性センサは、典型的には、第１または第２の層内にパターン付けされた非慣性電極と、中央ＭＥＭＳ層内にパターン付けされた少なくとも１つのＭＥＭＳ構造とを含む。第１の絶縁伝導路のうちのいくつかが、非慣性電極を第１の組の第１のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続する。
【００２３】
電気的ＭＥＭＳ信号は、ほとんどの場合アナログ信号であり、ＩＣチップは、ＭＥＭＳチップによって送信されたアナログ信号をＭＥＭＳ信号処理回路による処理のためのデジタル信号に変換するために、また、ＭＥＭＳ信号処理回路によって送信されたデジタル信号をＭＥＭＳチップに入る前にアナログ信号に変換するために、混合信号ＣＭＯＳ回路を含む。
【００２４】
いくつかの実施形態では、ＩＣチップはデジタルバスを含み、ＭＥＭＳ信号処理回路は、デジタルバスを介して前述の混合信号回路に接続されたデジタルＣＭＯＳ回路を含む。デジタルＣＭＯＳ回路は、デジタルデータ分析回路、デジタル入力／出力回路、メモリ、システム制御装置、および較正／補償回路のうちの少なくとも１つを含み得る。
【００２５】
いくつかの実施形態では、ＩＣチップは、電力バスを含み、補助信号処理回路は、電力バスとデジタルバスとに接続された電力管理回路を含む。ＩＣチップはまた、補助信号を処理するための、デジタルバスに接続された高速ＣＭＯＳ回路を含み得る。高速ＣＭＯＳ回路は、無線信号またはＧＰＳ信号のための入出力モジュールを含み得る。
【００２６】
いくつかの実施形態では、集積ＭＥＭＳシステムは、第１の単一ＭＥＭＳチップと、少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップとを含む。第１の単一ＭＥＭＳチップ、および少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップは、垂直に、すなわち上下に積み重ねられ、第１の単一ＭＥＭＳチップの第２の層は、前述の少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの第１の層にバンプ接合されている。少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの第２の絶縁伝導路は、第１の単一ＭＥＭＳチップの第２の絶縁伝導路のうちの少なくともいくつかに電気的に接続されて、第１の単一ＭＥＭＳチップおよび前述の少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップを通して少なくとも１つのＩＣチップに補助信号を伝導する。
【００２７】
第１のＭＥＭＳチップは、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第３の組と、第１のキャップ層、中央ＭＥＭＳ層、および第２のキャップ層を通して第３の組の第１のキャップＭＥＭＳ電気接点を第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続する第３の絶縁伝導路とを含むことが好ましい。第３の絶縁伝導路は、ＩＣチップのＭＥＭＳ信号処理回路に電気的に接続され、かつ、少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの絶縁伝導路に電気的に接続される。したがって、ＭＥＭＳ信号処理回路は、第１の単一ＭＥＭＳチップおよび追加的な単一ＭＥＭＳチップの電気的ＭＥＭＳ信号を処理することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、集積ＭＥＭＳシステムが、第１の単一ＩＣチップと少なくとも１つの追加的な単一ＩＣチップとを含むことも可能である。
【００２９】
当然ながら、上記の各ステップの前、その最中、またはその後に他の処理ステップが行われてもよい。各ステップの順序も異なっていてもよく、また、ステップのうちのいくつかは、組み合わされてもよい。
【００３０】
各図面は本発明の例示的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、本発明が他の同等に有効な実施形態を認め得ることに、留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】一実施形態による集積ＭＥＭＳシステムの概略部分分解斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの集積ＭＥＭＳシステムの概略分解斜視図である。
【図２Ａ】別の実施形態による集積ＭＥＭＳシステムの概略断面図である。
【図２Ｂ】可能な変形形態を示す、ＭＥＭＳチップ内に形成された絶縁伝導路の詳細図である。
【図２Ｃ】可能な変形形態を示す、ＭＥＭＳチップ内に形成された絶縁伝導路の詳細図である。
【図２Ｄ】集積回路ウェハの概略断面図である。
【図２Ｅ】ＭＥＭＳウェハスタックの概略断面図である。
【図２Ｆ】図２ＥのＭＥＭＳウェハスタックへの図２Ｄの集積回路ウェハのウェハレベルのフリップ接合を示す、概略断面図である。
【図２Ｇ】プリント回路基板（ＰＣＢ：ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｂｏａｒｄ）に接合された、図２Ａの集積ＭＥＭＳシステムの概略断面図である。
【図３】可能な一実施形態による集積ＭＥＭＳシステムの概略図である。
【図４Ａ】ウェハレベルで接合された、ＩＣウェハおよび２つのＭＥＭＳウェハスタックの概略断面図である。
【図４Ｂ】ＰＣＢに接合されて示された、可能な一実施形態による集積ＭＥＭＳシステムの概略断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、ＭＥＭＳウェハスタック、およびＭＥＭＳウェハスタックにバンプ接合された、いくつかのＩＣチップの概略断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ＰＣＢに接合されて示された、別の可能な一実施形態による集積ＭＥＭＳシステムの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下の説明において、図面における同様の特徴には同様の参照番号が与えられており、また、図面の明瞭性を維持するために、同じ参照番号が先行する図で既に示されていた場合には、それらの参照番号が省略される場合がある。図面の各要素は、本実施形態の要素および構造を明瞭に示すことに重点が置かれているので、必ずしも原寸に比例して示されてはいないことも理解されるべきである。
【００３３】
この説明を通して、別の要素に対する１つの要素の位置を示す、「上部」および「底部」、「〜より上に」および「〜より下に」、「〜の上に」および「〜の下に」、「上方の」および「下方の」などの用語、ならびに他の同等の用語は、図に示されるように、説明の容易さおよび明瞭性のために本明細書において使用されるものであり、制限的なものと見なされるべきではない。そのような空間的な関係を示す用語は、図に例示された配向に加えて、使用または動作中のＭＥＭＳチップの様々な配向を含むように意図されていることが、理解されるであろう。具体的には、「上部」および「底部」という用語は、説明の解釈を促進するために使用され、ＭＥＭＳの当業者は、使用時には、「上部キャップ」および「底部キャップ」が上下逆さまに位置決めされるようにＭＥＭＳセンサが異なる配向で配置され得ることを、容易に認識するであろう。
【００３４】
さらに、ＭＥＭＳ変換器という用語は、加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサ、磁力計、アクチュエータ、微小流体デバイス、微小光学デバイス、等のような、しかしそれらに限定されないデバイスを包含する。ＩＣチップもまた、電力増幅器、検出回路、ＧＰＳ、マイクロプロセッサ、等のような超小型電子回路を含み得る。本明細書で説明される集積ＭＥＭＳシステムの「ＭＥＭＳ部分」という用語は、多ウェハスタック（ｍｕｌｔｉ−ｗａｆｅｒ  ｓｔａｃｋ）３ＤＳ  ＭＥＭＳとも呼ばれ得る。
【００３５】
ＭＥＭＳシステムは一般に、混合信号（アナログおよびデジタル）システムである。ＭＥＭＳチップは通常、アナログであり、連続可変の変換器（センサまたはアクチュエータ）を含むが、ＭＥＭＳを駆動するために取得または提供されるデータは、ほとんどの場合、デジタル的に使用または生成される。ＭＥＭＳチップは、１つまたは複数のアナログ入出力（Ｉ／Ｏ：ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ）チャネルを有することができ、電子システムは、アナログ出力およびデジタル出力の両方を有することができる。アナログＭＥＭＳチャネルは、ＭＥＭＳセンサ出力をデジタルシステムに送信するために使用され、かつ、作動またはセンサの動作のためにＭＥＭＳにアナログ信号を提供するために使用され得る。典型的には、ＭＥＭＳは、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ：ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と相互作用することができ、アナログデジタル変換器は、ＭＥＭＳセンサ出力を増幅しかつデジタル形式に変換すること、および／または、ＭＥＭＳを作動させるために使用され得るアナログの電圧または電流にデジタル信号を変換することができる。このインタフェース以外では、ほとんどのデータ処理がデジタル式とされ得る。
【００３６】
大まかに述べると、本発明は、集積ＭＥＭＳシステムを対象とする。集積ＭＥＭＳシステムは、第１および第２のキャップウェハと中央ＭＥＭＳウェハとを含む多ウェハＭＥＭＳスタックから製作され、中央ＭＥＭＳウェハは、標準ウェハ、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ：ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハ、または複数のウェハとされ得る。多ウェハスタックは、３Ｄスルーチップビア（３ＤＴＣＶ：３Ｄ  Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｃｈｉｐ−Ｖｉａｓ）とも呼ばれ得る絶縁伝導路で構成される。これらの絶縁伝導路は、シリコンのプラグの周りのシリコンウェハにトレンチをパターン付けすることによって形成される。トレンチは、シリコンプラグを絶縁するために、絶縁材料で満たされるかまたは覆われる。第１のウェハ、中央ＭＥＭＳウェハ、および第２のウェハのシリコンプラグは位置合わせされて絶縁伝導路を形成し、いくつかは多ウェハスタックの全厚を通して延在する。絶縁伝導路は、第１のキャップ層上の接合パッドから、また、第１のウェハ、第２のウェハ、および／または中央ＭＥＭＳウェハ上の電極から、中央ＭＥＭＳウェハおよび第２のキャップウェハを通して、第２のキャップウェハ上の接合パッドに信号を伝えることを可能にする。ＩＣウェハが、多ウェハスタックの第１のキャップ層または第２のキャップ層にバンプ接合されかつ方形切断されて、個片化されたまたは個別的な集積ＭＥＭＳシステムを形成する。この構成は、集積回路Ｉ／Ｏパッドが第１および第２のキャップのうちの１つのパッドにバンプ接合されるので、多ウェハＭＥＭＳスタックと集積回路との間に電気的ルーティングを提供する。方形切断の後、個々の構成要素は、ＰＣＢにバンプ接合され得る集積ＭＥＭＳシステムであり、ボンディングワイヤおよび外部パッケージングの必要性を排除する。
【００３７】
図１Ａおよび１Ｂを参照すると、集積ＭＥＭＳシステム１０００の可能な一実施形態が示されている。システム１０００は、ＭＥＭＳセンサ機能を単一のＭＥＭＳチップに統合することを可能にすることができると同時に電子機能を単一のＩＣチップに統合することができる、アーキテクチャを有する。このアーキテクチャは、ＩＣチップによって処理される補助信号をＭＥＭＳチップに通すことを可能にする。いくつかがＭＥＭＳチップの全厚を通していくらか延在する複数の絶縁伝導路を含むＭＥＭＳチップは、ＩＣチップへのワイヤ接合のない電気的接続を可能にする。補助信号は、非ＭＥＭＳ信号であり、すなわち、ＭＥＭＳチップに対して外的なものであり、例えばＰＣＢなどの別の構成要素によって提供される。ＩＣチップは、チップレベルまたはウェハレベルでＭＥＭＳチップの上部にフリップチップ接合されて集積ＭＥＭＳシステムを形成することができ、ＭＥＭＳおよびＩＣの統合の費用の大部分を排除するほかに、パッケージングの複雑化、および前述の費用を排除する。ＭＥＭＳシステムはまた、垂直に積み重ねられたいくつかの単一ＭＥＭＳチップを含むことができ、また場合により２つ以上のＩＣチップも含むことができる。
【００３８】
この例では、集積ＭＥＭＳシステム１０００は、第１のキャップ層１１２０と、中央ＭＥＭＳ層１１６０と、第２のキャップ層１１４０とを含む単一ＭＥＭＳチップ１１００を備える。各層１１２０、１１６０、および１１４０は、シリコンなどの導電性材料で作られる。第１のキャップ層１１２０は、中央ＭＥＭＳ層１１６０の第１の側１１６１に電気的に接合され、第２のキャップ層１１４０は、第１の側１１６１の反対側の中央ＭＥＭＳ層１１６０の第２の側１１６２に電気的に接合される。中央ＭＥＭＳ層１１６０は、第１のキャップ層１１２０と第２のキャップ層１１４０との間に配置され、かつ、デバイス層１１６４と、ハンドル層１１６８と、絶縁層１１６６とを含むシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハで作られる。第１のキャップ層１１２０、中央ＭＥＭＳ層１１６０、および第２のキャップ層１１４０は、以下でより詳細に説明されるように、ウェハレベルで接合された、それぞれのシリコンベースのウェハで製作される。絶縁層１１６６は、ＳＯＩデバイス層１１６４とＳＯＩハンドル層１１６８との間のＳＯＩ埋め込み酸化層である。例えば絶縁伝導路の一部として、ＳＯＩデバイス層１１６４とＳＯＩハンドル層１１６８との間の特定の所望の場所に電気的接続を作るために、導電性分路が埋め込み酸化層１１６６を通して製作される。
【００３９】
少なくとも１つの変換器１１７０が、第１のキャップ層１１２０、中央ＭＥＭＳ層１１６０、および第２のキャップ層１１４０内に形成されて、運動を引き起こすかまたは少なくとも１つのパラメータを検知する。変換器は、例えば運動センサなどのセンサか、または、例えばマイクロスイッチなどのアクチュエータであり得る。１つまたは複数の変換器は、ＭＥＭＳ構造、例えば、運動センサのためのプルーフマス、または圧力センサもしくは磁力計のための膜を含む。相互接続されかつ導電性材料で作られた２つの外側キャップおよび中央ＭＥＭＳ層によるＭＥＭＳチップ１１００のアーキテクチャは、単一ＭＥＭＳチップ内にいくつかの異なるタイプの変換器を含むことを可能にする。ＭＥＭＳ構造は、中央ＭＥＭＳ層１１６０内にパターン付けされ、また、第１および第２の電極の組１１８０、１１８２が、第１および第２の層１１２０、１１４０内にパターン付けされ、かつ、ＭＥＭＳ構造に動作可能に（磁気的に、容量的に、電気的に、等のように）関連付けられる。したがって、「単一ＭＥＭＳチップ」は、２つのキャップ層１１２０および１１４０ならびに中央ＭＥＭＳ層１１６０内にパターン付けされた１つまたは複数のＭＥＭＳ変換器を含むチップである。変換器の様々なＭＥＭＳ特徴または機能（すなわち、電極、プルーフマス、膜、リード線、等）は、各チップが異なるＭＥＭＳセンサを含む複数のＭＥＭＳチップを基板上に並べて貼着させるのとは対照的に、同じシリコンウェハ内にパターン付けされる。例えば、本アーキテクチャは、３つの異なる軸に沿って加速度、角速度、および磁界を測定するためのＭＥＭＳ特徴または機能、ならびに圧力センサなどの他のセンサを、同じ３つのウェハ層内に、したがって同じＭＥＭＳチップ内にパターン付けすることを可能にする。
【００４０】
図１Ａおよび１Ｂをなおも参照すると、第１のキャップ層１１２０は、その外側上に、好ましくはＭＥＭＳチップ１１００の周辺部の周りに配置された、電気接点１１２４、１１２６を含む。これらの第１のキャップ層の電気接点１１２４、１１２６は、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点と呼ばれる。第２のキャップ層１１４０もまた、その外側上に電気接点１１４４を含み、第２のキャップＭＥＭＳ電気接点と呼ばれる。第１ならびに第２のキャップＭＥＭＳ電気接点１１２４、１１２６、および１１４４は、典型的には接合パッドである。
【００４１】
単一ＭＥＭＳチップ１１００はまた、第１のキャップ層１１２０、中央ＭＥＭＳ層１１６０、および第２の層１１４０のうちの１つまたは複数を貫通して延在する、複数の絶縁伝導路１１３０、１１５０を含む。したがって、ＭＥＭＳチップは、ＭＥＭＳウェハ層１１６０を通してキャップ層１１２０、１１４０へ、またキャップ層１１２０、１１４０を通してＭＥＭＳチップの外側上の接合パッド１１２４、１１４４へ信号を伝達するために、電気的に絶縁された「３次元スルーチップビア（３ＤＴＣＶ：ｔｈｒｅｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｔｈｒｏｕｇｈ−ｃｈｉｐ  ｖｉａ）」を含む。絶縁伝導路１１３０、１１５０は、１つまたは複数の方向に延在することができる。絶縁伝導路１１３０、１１５０は、シリコン「トレンチアンドフィル（ｔｒｅｎｃｈ−ａｎｄ−ｆｉｌｌ）」法を使用して形成され得る。絶縁伝導路１１３０、１１５０は、典型的には、導電性ウェハプラグ２６を取り囲む絶縁された閉ループトレンチ２８によって形成される。トレンチ２８は、絶縁材料で満たされ、導電性ウェハプラグ２６は、電気信号の伝達を可能にする。絶縁伝導路１１３０、１１５０は、１つまたは複数の層内に延在する部分を有し、かつ、層接触面において位置合わせされて、ＭＥＭＳチップ１１００を通した電気信号の伝導を可能にする。絶縁伝導路のうちのいくつかは、１つまたは複数の変換器を、接点の第１の組１１２４の一部である第１のキャップＭＥＭＳ電気接点に接続する。これらの絶縁伝導路は、第１の絶縁伝導路１１３０と呼ばれる。それらは、変換器１１７０と前述の第１の組１１２４の第１のキャップＭＥＭＳ電気接点との間で電気的ＭＥＭＳ信号を伝導する。より具体的には、絶縁伝導路１１３０は、変換器１１７０の電極、リード線、および／またはＭＥＭＳ構造を、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点１１２４に接続する。他の絶縁伝導路が、単一ＭＥＭＳチップ１１００の全厚を通して、すなわち、第１のキャップ層１１２０、中央ＭＥＭＳ層１１６０、および第２のキャップ層１１４０を通して延在する。これらの絶縁伝導路は、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第２の組１１２６を、第２のキャップＭＥＭＳ電気接点１１４４のうちのいくつかに接続する。それらは、第２の絶縁伝導路１１５０と呼ばれ、かつ、ＭＥＭＳチップ１１００を通して電力信号またはデジタル信号などの補助信号を伝導する働きをする。第２の絶縁伝導路１１５０は、ＩＣチップ１２００からＭＥＭＳチップ１１００を通して別のＩＣチップにまたはＰＣ基板に信号を送るために、第１のキャップ層１１２０上の金属化および接合パッドと第２のキャップ層１１４０上の接合パッドとの間に絶縁された経路を提供する。
【００４２】
図１Ａおよび１Ｂをなおも参照すると、集積ＭＥＭＳシステム１０００はまた、単一のＩＣチップ１２００を含む。ＩＣチップ１２００は、典型的には、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ：ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を使用して製作された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）チップであるが、他のタイプのＩＣも使用可能である。ＩＣチップ１２００は、１つまたは複数の変換器１１７０の電気的ＭＥＭＳ信号を処理するために、第１の絶縁伝導路１１３０に動作可能に接続されたＭＥＭＳ信号処理回路１２４０を含む。ＩＣチップ１２００はまた、補助信号を処理するために、また、追加的なシステム機能を提供するために、第２の絶縁伝導路１１５０に動作可能に接続された補助信号処理回路１２６０を含む。ＩＣによって行われる管理機能は、センサデータの解釈、温度または他の環境変異によるセンサ応答における変動の補償、システムタイミングおよび機能のマイクロコントローラ管理、較正定数、センサ解釈定数、および測定されたデータなどのデータを記憶するためのメモリ、ならびに有線および無線のデータＩ／Ｏを含み得る。
【００４３】
ＭＥＭＳ信号処理回路１２４０は、ＭＥＭＳ変換器１１７０を往復するデータ信号を管理する。ＭＥＭＳ信号処理回路１２４０は、変換器によって必要とされるアナログの駆動信号およびフィードバック信号を制御しかつ提供し、信号測定のタイミングを制御し、測定された信号を増幅、フィルタ処理、およびデジタル化し、かつ、角加速度または雰囲気圧などの様々なパラメータを計算するために変換器１１７０からの入来ＭＥＭＳ信号を分析および解釈する。ＭＥＭＳ信号処理回路１２４０は、典型的には、少なくともＡ／ＤおよびＤ／Ａ変換器、電源、システム制御装置、メモリ、較正および合成モジュール、ならびにデータ分析モジュールを含む。
【００４４】
補助信号処理回路１２６０は、ＭＥＭＳ変換器を作動させるためおよび測定されたＭＥＭＳ信号を出力するために厳密に必要とされる信号以外の信号を処理する。補助信号処理回路１２６０はまた、電力使用量を最小限に抑えるためにセンサの活動を監視すること、無線でデータを送受信すること、ＧＰＳ信号を受信しかつ解釈すること、較正または性能の向上のために他のセンサまたはＧＰＳからの追加的なデータを統合すること、対象となる追加的なシステムパラメータを計算するためまたは他のシステムの活動を始動させるために測定されたデータを使用することなどの、追加的なシステム機能を提供し得る。十分に活用された場合、補助信号処理回路１２６０は、例えばＰＣＢ基板からの／ＰＣ基板へのＭＥＭＳ信号以外の信号の受信、処理、および送信をすることができるので、集積３Ｄシステム１０００は、集積ＭＥＭＳセンサによる測定を制御、実行、および分析すること、３ＤＳシステムチップと、他の取り付けられた外部センサと、携帯電話、ゲームコントローラ、または表示装置などのより大きな外部システムとの間のセンサハブとして機能すること、ならびに、より大きなシステムに決定を下すかまたは入力を提供するために全てのデータを統合することが可能になる。ＭＥＭＳチップはまた、ＰＣＢとＩＣチップとの間で「高性能の」インタポーザとして機能する。デジタルおよび／またはアナログの信号が、ＭＥＭＳチップを通過し、補助回路１２６０によって処理されて、ＭＥＭＳ変換器１１７０（例えば、電力信号のための）によって使用されることができ、かつ、ＭＥＭＳチップを通して返信されるかまたは無線で送信され得る。
【００４５】
したがって、ＩＣチップ１２００は、第１のキャップ層１１２０のＭＥＭＳ電気接点にバンプ接合されるＩＣ電気接点を含む。ＩＣ電気接点は、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組１１２４、１１２６にそれぞれバンプ接合される、第１および第２の組１１２８、１２３０にグループ化される。言い換えれば、ＩＣ電気接点の組１１２８は、ＭＥＭＳ電気接点の組１１２４に接続され、したがって、第１の絶縁伝導路１１３０をＭＥＭＳ信号処理回路１２４０に接続する。ＩＣ電気接点の組１２３０は、ＭＥＭＳ電気接点の組１１２６に接続されて、第２の絶縁伝導路１１５０を補助信号処理回路１２６０に接続する。典型的には、第１および第２のキャップ層のＭＥＭＳ電気接点は、接合パッドである。
【００４６】
図２Ａを参照すると、集積ＭＥＭＳシステム２０００の別の可能な実施形態が示されている。例示的な３ＤＳ  ＭＥＭＳチップ２１００は、密閉された９自由度（ＤＯＦ：ｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍ）ＭＥＭＳセンサチップであり、この９自由度ＭＥＭＳセンサチップは、ｘ、ｙ、およびｚの加速度ならびに角運動速度を測定するための６ＤＯＦ慣性センサ２１７２と、３軸磁力計２１７６とを含み、それらは全てＭＥＭＳチップ２１００内に一体に製作されている。
【００４７】
６ＤＯＦ慣性センサ２１７２は、３軸の直線加速度と、３軸の角速度とを検知する。６ＤＯＦ慣性センサ２１７２は、第１および第２のキャップ層２１２０、２１４０内にそれぞれ設けられた、第１および第２の電極の組２１８０、２１８２を含む。１つまたはいくつかのプルーフマス２１６３、２１６５が、中央ＭＥＭＳ層２１６０内にパターン付けされ、第１および第２の電極の組２１８０、２１８２が、プルーフマスとともにコンデンサを形成し得る。図２Ａでは、２つのプルーフマス２１６３、２１６５しか見られないが、６ＤＯＦ慣性センサ２１７２は、より多くのプルーフマスを含むことができる。ＭＥＭＳチップ２１００は、先に説明されたものと同様の、第１および第２の絶縁伝導路２１３０、２１５０を含む。第１の絶縁伝導路２１３０は、ＭＥＭＳ電極２１８０、２１８２を、第１のキャップ層２１２０上のＭＥＭＳ電気接点の第１の組２１２４に接続する。第２の絶縁伝導路２１５０は、ＭＥＭＳチップ２１００の全厚を通して延在して、ＭＥＭＳチップ２１００を通した補助（または追加的な）信号の伝達を可能にする。第２の絶縁伝導路２１５０は、第１のキャップ層２１２０のＭＥＭＳ電気接点の第２の組２１２６を、第２のキャップ層２１４０のＭＥＭＳ電気接点２１４４のうちのいくつかに接続する。明瞭性のために、第２のキャップ電極２１８２と、第１のキャップ層２１２０のＭＥＭＳ電気接点２１２４との間に延在する経路２１３０ａ、２１３０ｄ、ならびに第１の層２１２０内にパターン付けされた第１のキャップ電極２１８０と同じ層２１２０のＭＥＭＳ電気接点２１２６とを接続する経路２１３０ｂおよび２１３０ｃなどの、第１の絶縁伝導路のうちのいくつかだけが、図２Ａに示されている。同様に、第１のキャップ層２１２０内の電気接点２１２４、２１２６と第２のキャップ層２１４０内の電気接点２１４４とを接続する経路２１５０ａおよび２１５０ｂなどの、第２の絶縁伝導路のうちのいくつかだけが、図２Ａに示されている。
【００４８】
図２Ｂおよび２Ｃを参照すると、絶縁伝導路の可能な変形形態の拡大された部分が示されている。図２Ｂでは、絶縁経路は、導電性ウェハプラグ２６を取り囲む閉ループトレンチ２８によって形成される。トレンチは、絶縁材料３０で覆われたそのそれぞれの側壁を有し、かつ、導電性材料３２で満たされる。
【００４９】
あるいは、図２Ｃにおけるように、トレンチは、完全に絶縁材料３０で満たされてもよ
い。両方の変形形態に対して、導電性ウェハプラグ２６は、キャップ層を通して電気接点４２に電気信号を伝達することを可能にする。当然ながら、絶縁伝導路はＭＥＭＳチップの全厚を通して延在することができるので、中央および第２の層は、第１、中央、および第２の層のトレンチがそれらの層の接触面において位置合わせされるように、同じ形でパターン付けされ得る。
【００５０】
図２Ａに戻り参照すると、単一ＭＥＭＳチップはまた、非慣性センサである変換器を含むことができる。使用可能な非慣性センサの例は、圧力センサ、磁力計、温度計、マイクロホン、微小流体デバイス、および微小光学デバイスを含む。他のタイプの非慣性センサも使用可能である。非慣性センサは、第１および第２の層のうちの少なくとも１つにパターン付けされた非慣性電極を含む。非慣性センサはまた、非慣性電極を含むことが可能な、中央ＭＥＭＳ層内にパターン付けされた少なくとも１つのＭＥＭＳ構造を含む。非慣性センサにおけるＭＥＭＳ構造の例は、圧力センサ、マイクロホン、または磁力計において使用されるような膜を含む。ＭＥＭＳチップ内の第１の絶縁伝導路のうちのいくつかは、ＭＥＭＳチップの第１の層の接合パッドへ非慣性電極から信号を伝達するように、非慣性電極を第１のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続し、それらの第１のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかは、ＩＣチップに接続される。
【００５１】
図２Ａの実施形態では、非慣性センサは、慣性センサ２１７２の精度を高めるために使用され得る３軸磁力計２１７６である。単一ＩＣチップ２２００の（ＩＣ  Ｉ／Ｏ接合パッドなどの）ＩＣ電気接点２２２８、２２３０は、単一ＭＥＭＳチップ２１００の（ＭＥＭＳ  Ｉ／Ｏ接合パッドなどの）ＭＥＭＳ電気接点２１２６、２１２４に直接接合されて、電気雑音を減少させかつワイヤ接合を排除する。磁力計２１７６は、電極２１８４などの非慣性電極、および、共振膜２１６７、２１６９を含む。
【００５２】
アナログデータが、ＩＣチップ２２００のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）入力／出力混合信号段階において、ＭＥＭＳセンサ２１７２、２１７６とＩＣチップ２２００との間で伝達され得る。センサ２１７２、２１７６によって生成されるＭＥＭＳ信号はアナログ信号であり、そのため、それらの信号は、ＩＣチップ２２００のデジタルＣＭＯＳ部分においてさらに処理されるために、ＡＤＣによってデジタルに変換される。ＩＣチップ２２００によるＭＥＭＳ信号のデータ処理は、例えば、センサの較正および補償、航行に関する計算、データの平均化、またはセンサデータ融合を含み得る。システム制御は、データの多重化、タイミング、計算、および他のデータ処理を制御することができる集積マイクロコントローラによって提供され得る。補助（または追加的な）信号が、追加的なデジタルＩ／Ｏを介してＩＣチップに伝達される。ＩＣチップ２２００は、例えば無線通信またはＧＰＳ（全地球測位システム、Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）機能などの、補助信号処理回路を含む。ＧＰＳデータはまた、ＭＥＭＳセンサデータを増補および結合してＭＥＭＳセンサチップ２１００の精度を高めるために使用され得る。これらは例にすぎず、任意の特定のシステムの実装において、より多くのまたはより少ない機能が存在し得る。理解され得るように、ＭＥＭＳ信号を介してアナログ検知データを提供することに加えて、ＭＥＭＳチップ２１００はまた、ＭＥＭＳシステム２０００と外界、例えばより大きなシステムにおけるプリント回路基板との間に、電力、アナログ、およびデジタルのＩ／Ｏを含む電子インタフェースを提供することができる。
【００５３】
図２Ａに示された実施形態の通り、単一ＭＥＭＳチップ２１００は、３Ｄ  ＭＥＭＳシステム２０００（３ＤＳ）に統合され、かつ、能動ＭＥＭＳデバイス、および信号分配のためのインタポーザの両方として機能する。３ＤＳアーキテクチャの１つの可能な使用は、図２Ｄから２Ｈに概略的に示されるように、ＭＥＭＳおよびＩＣのウェハ規模の統合を含む。
【００５４】
図２Ｄは、ＩＣウェハ２００の概略図である。ＩＣウェハが、ＣＭＯＳ、ヒ化ガリウムまたはガリウムヒ素（ＧａＡｓ：Ｇａｌｌｉｕｍ  Ａｒｓｅｎｉｄｅ）もしくは他のＩＩＩ−Ｖ化合物、リン化インジウムまたはインジウムリン（ＩｎＰ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）もしくは他のＩＩ−ＶＩ化合物、炭化ケイ素、または他の技術のうちのいずれか１つを使用して構成され得る。ＩＣウェハ２００は、いくつかのＩＣチップ２２００を含む。各ＩＣチップは、ＩＣトランジスタによって形成されたＭＥＭＳ信号処理回路２２４０と補助処理回路２２６０とを含む。ＩＣチップに含まれる機能は、ＧＰＳ、ＲＦ、論理および／またはメモリを含み得る。ＩＣウェハ２００はまた、中間金属相互接続と、典型的には接合パッドであるＩＣ電気接点とを含む。ＩＣ電気接点は、第１および第２の接点の組２２２８、２２３０に分類される。第１の組２２２８のＩＣ接点は、第１の絶縁経路に関連したＭＥＭＳ電気接点と接続するように設計され、第２の組２２３０は、第２の絶縁経路に関連したＭＥＭＳ電気接点と接続するように設計される。
【００５５】
図２Ｅは、図２ＡのＭＥＭＳチップ２１００のような単一ＭＥＭＳチップをいくつか含む、多ウェハスタック１００の概略図である。図２ＤのＡＳＩＣウェハ２００、および図２ＥのＭＥＭＳ多ウェハスタック１００は、既存の方法を利用して費用を最小限に抑えかつ生産量を増大させるために、別々のＭＥＭＳ製造工場およびＩＣ製造工場で製作され得る。この例では、方形切断前の２つのＩＣチップと２つのＭＥＭＳチップとが示されている。
【００５６】
ＭＥＭＳスタック１００の製作過程中、第１および第２のシリコンウェハの内側を向いた表面上の電極、リード線、およびフィードスルーの境界を画定するために、第１および第２の層にチャネルがエッチングされる。次いでチャネルは、熱酸化物もしくはＣＶＤ（化学蒸着、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）二酸化ケイ素などの絶縁材料で覆われるかまたは満たされる。典型的にはＳＯＩウェハである中央ＭＥＭＳウェハの両側には、電極と、膜およびプルーフマスなどのＭＥＭＳ構造とがパターン付けされる。電気信号をデバイスから絶縁伝導路になるものを通してハンドル層に伝えることを可能にするために、導電性分路が、埋め込み酸化層内の特定の場所に形成される。中央ＭＥＭＳウェハおよびキャップＭＥＭＳウェハもまた、ＭＥＭＳ構造を封入するそれぞれのフレームがパターン付けされる。デバイスによって必要とされる種々の伝導路は、各レベル上のフィードスルー構造を位置合わせすることによって構成される。中央ＭＥＭＳウェハ内の絶縁伝導路の部分は、ＭＥＭＳウェハが完全にスタック内に含まれ、また、絶縁トレンチがキャップトレンチのように大気中の漏れに対するシールを提供する必要がないので、絶縁体で満たされたチャネルか、またはエッチングされた開放トレンチによって絶縁され得る。フレームもまた、ＭＥＭＳ構造の周りに密閉されたチャンバを形成するように接合される。ウェハスタック１００が組み立てられた後、キャップウェハは、絶縁された導電領域を露出するために、研削および研磨される。
【００５７】
図２Ｄ〜２Ｆは、ＭＥＭＳウェハ１００およびＩＣウェハ２００の好ましい接合方法を示す。アンダーフィル４４が、上側のＣＭＯＳウェハ２００に貼り付けられて、ＩＣ電気接点（この場合では接合パッド）を露出するためにパターン付けされる。ハンダバンプ４５が、接合パッド上に被着される。ＩＣウェハ２００は、ＩＣ接合パッドおよびハンダバンプが第１のキャップウェハの接合パッドに位置合わせされるように、ひっくり返されてＭＥＭＳウェハ１００に位置合わせされる。ＩＣウェハ２００は、ＭＥＭＳ集積システムウェハを作り出すために、温度および圧力を使用してＭＥＭＳウェハ１００に接合される。
【００５８】
次いで、接合された３ＤＳウェハは、３Ｄシステム・オン・チップ（３ＤＳｏＣ：３Ｄ
Ｓｙｓｔｅｍ  ｏｎ  Ｃｈｉｐ）とも呼ばれる個々の集積ＭＥＭＳシステム構成要素へ
と（図２Ｆにおける点線に沿って）方形切断され得る。ＩＣチップの露出した側は、シリコン基板上に貼り付けられた酸化物不活性化層によって保護され、ＭＥＭＳ／ＡＳＩＣ接触面は、アンダーフィル４４によって保護される。図２Ｇに示されるように方形切断されたチップ２０００は、パッケージ化されたＩＣとして取り扱われることができ、第２のキャップ上に設けられた底部キャップ接合パッドは、追加的なパッケージ化を伴わずに、ＰＣＢ３００上の接合パッドにバンプ接合され得る。ＰＣＢアンダーフィル４４が、ＰＣＢに貼り付けられて、ＰＣＢ接合パッド上の接点を明瞭にするためにパターン付けされる。ハンダバンプ４５が、露出したＰＣＢ接合パッドに貼り付けられ、方形切断された３ＤＳ構成要素チップ２０００は、ＰＣＢ３００にフリップチップ接合され得る。追加的な湿気からの保護が所望される場合、高分子封止材料または他の材料３４が適用され得る。追加的なキャッピングまたはボンドワイヤは必要とされない。
【００５９】
図３は、この場合では１０−ＤＯＦ  ＩＭＵシステム３０００である、集積ＭＥＭＳシステムの可能な一実施形態を示すブロック図である。システム３０００は、１０−ＤＯＦ単一ＭＥＭＳチップ３１００、および単一ＩＣチップ３２００を含み、ＭＥＭＳチップおよびＩＣチップは、図２Ａのシステム２０００に対して説明されたものと同様のアーキテクチャを有する。ＭＥＭＳチップ３１００は、上部キャップ層、中央ＭＥＭＳ層、および底部キャップ層を含み、各層に変換器がパターン付けされている。変換器は、３軸の加速度計、ジャイロスコープ、および磁力計、ならびに圧力センサを含み得る。第１および第２の絶縁伝導路３１３０、３１５０が、ＭＥＭＳ信号および補助信号を伝達するために、ＭＥＭＳ層内に形成される。絶縁伝導路３１３０、３１５０は、第１および／または第２のキャップ層上のＭＥＭＳ電気接点に接続する。単一ＩＣチップ３２００が、ＭＥＭＳチップの第１の層にバンプ接合され、かつ、ＭＥＭＳ信号処理回路３２４０、および補助処理回路３２６０を含む。ＭＥＭＳ信号処理回路は、変換器のＩ／Ｏ信号、すなわち、変換器によって生成された信号および／または変換器を制御するための信号を処理する。補助処理回路３２６０は、補助信号、すなわち、変換器に動力を供給するための信号および／または変換器を制御するためのデジタル信号などの、ＭＥＭＳチップ３１００の第２の絶縁経路を通過する信号を処理する。
【００６０】
本実施形態では、ＭＥＭＳ信号処理回路３２４０は、デジタルデータ分析回路３２４２、デジタル入力／出力回路３２４４、メモリ３２４６、システム制御装置３２４８、および較正／補償回路３２５０などの、専門化されたデジタルＣＭＯＳ回路モジュールを含む。補助信号処理回路３２６０は、電力管理回路３２６２と、無線および／またはＧＰＳのＩ／Ｏモジュールを含み得る高速ＣＭＯＳ回路３２６４とを含む。ＭＥＭＳ信号処理回路３２４０内および補助信号処理回路３２６０内のデジタル構成要素は、デジタルバス３２７２を通じて通信する。
【００６１】
変換器はアナログ信号を使用して動作するので、ＩＣチップ３２００は、ＩＣチップ３２００がＭＥＭＳセンサ３１００の入力および出力と相互作用することを可能にするために、混合信号ＣＭＯＳ回路３２７０を含む。混合信号ＣＭＯＳ回路３２７０は、ＭＥＭＳチップ３１００によって生成されたアナログ信号をＭＥＭＳ信号処理回路３２４０による処理のためのデジタル信号に変換するために、ＡＤＣを含む。混合信号ＣＭＯＳ回路３２７０はまた、ＭＥＭＳ信号処理回路３２４０および／または補助信号処理回路３２６０から受信したデジタル信号を、ＭＥＭＳチップ３１００を制御するためのアナログ信号に変換するためのＤＡＣを含む。混合信号ＣＭＯＳ回路３２７０は、デジタルバス３２７２を通じてＩＣチップ３２００の他のデジタル構成要素と通信する。
【００６２】
３ＤＳサブシステムは、これらの種々の回路の間で分散される。例えば、図３に示されるように角速度および加速度を測定する６ＤＯＦ慣性センサ、圧力センサ、ならびに３ＤＯＦ磁力計から成る１０ＤＯＦ  ＭＥＭＳセンサに基づいた３ＤＳ慣性航法ユニット（Ｉ
ＮＵ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｔ）を考慮されたい。３ＤＳシステムの一部は、より大きなシステムからの位置／姿勢読取りのためのデジタル要求が、ＰＣＢ基板デジタルＩ／Ｏリード線、あるいはメモリもしくは論理セクションよりも高いクロックレートで駆動する高速ＣＭＯＳまたはＲＦ  ＣＭＯＳを必要とする無線Ｉ／Ｏ３２６４を通じて入って来るときに、システムセンサハブとして機能することができる。要求は、デジタルバス３２７２およびデジタルＩ／Ｏセクション３２４４を通ってシステム制御装置３２４８に伝わる。システム制御装置３２４８は、３つの角速度、３つの加速度、３つの磁界、および１つの圧力の読取りのそれぞれの測定を引き起こしかつ時刻を定めるために、クロック信号を提供する。アナログ／デジタルセクション３２７０は、種々のセンサの静電容量を測定するのに必要とされるＤＣバイアスおよびジャイロスコープ駆動信号を提供するほかに、信号を増幅しかつそれらの信号を角速度、加速度、磁界、および圧力を表すデジタルデータに変換する。デジタル分析回路３２４２は、未加工のデジタルセンサデータを取得することができ、かつ、メモリ３２４６に記憶されたアルゴリズムおよび定数を使用して、加速度および角速度（ＩＭＵ出力）、ならびに圧力および磁界のリアルタイムの値を計算することができる。しかし、慣性航法出力（例えば、位置および姿勢）が必要とされる場合、デジタルデータ分析セクション３２４２は、６ＤＯＦデータを外部センサの読取り値（ＧＰＳなど）と一緒に圧力および磁界のデータと統合して瞬間的な位置および姿勢を提供するために、追加の計算を行う。これらの「センサ融合」のアルゴリズムおよび定数は、メモリ３２４６に記憶され得る。最終的に、結果は、デジタルＩ／Ｏセクション３２４４およびデジタルバスを通り、ＭＥＭＳチップを通してＰＣＢ基板へ出力されるか、または、この場合もより大きなシステムと通信するためのセンサハブとして機能する３ＤＳチップによるＲＦ無線通信を介して出力される。
【００６３】
図に示されるように、ＩＣ３２００は、伝導路３１３０および３１５０を介してＭＥＭＳチップ３１００と相互作用する。第１の伝導路３１３０は、変換器のＩ／Ｏ信号を伝導し、したがってアナログチャネルである。したがって、第１の伝導路３１３０は、デジタルバス３２７２に達する前に、混合信号ＣＭＯＳ回路３２７０インタフェースを通過する。第２の伝導路３１５０は、補助信号を伝導する。補助信号はアナログまたはデジタルであり得るので、それらはその機能に応じて、ＩＣチップ３２００内への異なる経路を取り得る。例えば、アナログ補助信号が、混合信号ＣＭＯＳ回路３２７０を介してＩＣチップ３２００と相互作用し得る一方で、デジタル信号が、デジタルバス３２７２と直接相互作用し得る。第２の伝導路３１５０が電力信号を伝えている場合、例えば、第２の伝導路３１５０は、電力バス３２７４として機能し、かつ電力管理回路３２６２と直接相互作用することができ、電力管理回路３２６２はまた、デジタルデータを伝達するためにデジタルバス３２７２に接続されている。
【００６４】
図４Ａを参照すると、最終的なデバイス設置面積を減少させるために、ＭＥＭＳ集積システムの代替的アーキテクチャが、複数の単一ＭＥＭＳウェハ１０２、１０４が垂直に積み重ねられて３ＤＳ  ＭＥＭＳウェハを形成することを可能にする。図４Ａは、互いに積み重ねられかつ接合された異なるデバイスタイプの２つのＭＥＭＳウェハ１０２、１０４から成る多ウェハ３ＤＳ  ＭＥＭＳに接合されたＩＣウェハ２０２を示す。第１および第２の絶縁伝導路（３ＤＴＣＶとも呼ばれる）を位置合わせすることにより、ＭＥＭＳ信号および補助信号は、ＭＥＭＳチップおよびＡＳＩＣチップのスタック全体を通して届けられることができ、電力バスが簡略化され、また、種々のＭＥＭＳ機能と電子装置との間でのリード線の引き回しが最小限に抑えられる。図４Ｂは、プリント回路基板３０２にバンプ接合されたＩＣチップ４２００および２つの単一ＭＥＭＳチップ４１０２、４１０４のスタックから成る、方形切断された３ＤＳ構成要素４０００を示す。この場合では、単一ＭＥＭＳチップ４１０２の第２の層は、追加的な単一ＭＥＭＳチップ４１０４の第１の層にバンプ接合される。追加的な単一ＭＥＭＳチップ４１０４の第２の絶縁伝導路４１５０’は、第１の単一ＭＥＭＳチップ４１０２の第２の絶縁伝導路４１５０のうちの少なくともいくつかに電気的に接続されて、第１の単一ＭＥＭＳチップおよび追加的な単一ＭＥＭＳチップを通してＩＣチップ４２００の補助信号処理回路に補助信号を伝導する。ＭＥＭＳチップ４１０２および４１０４の相互接続された第２の絶縁伝導路は、ワイヤ接合を必要とせずに、ＰＣＢからＩＣチップまで補助信号を送信することを可能にする。
【００６５】
ＭＥＭＳチップ４１０４のためのＭＥＭＳ信号もまた、ＭＥＭＳチップ４１０２を通過してＩＣチップ４２００まで伝わり得る。第１のＭＥＭＳチップ４１０２は、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第３の組、および第３の絶縁伝導路４１７０を備えて、第３の組の第１のキャップＭＥＭＳ電気接点を、第１のキャップ層、中央ＭＥＭＳ層、および第２のキャップ層を通して、ＭＥＭＳチップ４１０２の第２のキャップ層の第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続する。これらの第３の絶縁伝導路４１７０は、ＩＣチップ４２００のＭＥＭＳ信号処理回路４２４０に電気的に接続され、かつ、ＭＥＭＳチップ４１０４の絶縁伝導路４１３０’に電気的に接続される。したがって、ＭＥＭＳ信号処理回路４２４０は、第１の単一ＭＥＭＳチップおよび前述の少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの電気的ＭＥＭＳ信号を処理することができる。したがって、ＭＥＭＳ信号処理回路４２４０は、両方のＭＥＭＳチップ４１０２および４１０４からのＭＥＭＳ信号を処理することができる。
【００６６】
図４Ａおよび４Ｂに示された実施形態では２つのＭＥＭＳチップが存在するが、当然ながら、同じタイプまたは異なるタイプの３つ以上のＭＥＭＳチップを積み重ねることが可能である。したがって、集積ＭＥＭＳシステム構成要素は、第１の単一ＭＥＭＳチップと、垂直に積み重ねられた追加的な複数の単一ＭＥＭＳチップとを含み得る。
【００６７】
図５Ａおよび５Ｂを参照すると、ＩＣの型におけるばらつきが複雑すぎて単一のＡＳＩＣでは適応できない場合（例えば、混合信号機能に加えてＧＰＳ機能、それに加えて無線周波（ＲＦ）機能）、ＭＥＭＳウェハスタック１０６は、ＭＥＭＳ信号および補助信号を処理するための第１のＩＣチップと、ＧＰＳ、ＲＦ、論理、プロセッサ、メモリなどの所望のタイプの追加的なＩＣチップ５２０４、５２０６、５２０８とを含む３ＤＳ基板として使用され、かつ、多ウェハスタック１０６のキャップウェハのうちの１つにバンプ接合され得る。単一ＡＳＣウェハをＭＥＭＳウェハスタックに付着するのに、ウェハ接合を使用するのではなく、図５Ａにおけるように、ＩＣ接合パッドとＭＥＭＳハンダバンプとを位置合わせしかつ接合するために、ピックアンドプレースおよびハンダバンプ付着などのＰＣＢチップ付着法が使用される。したがって、各ＩＣチップは、ＭＥＭＳウェハに対して個々に設置および接合されて３Ｄシステムウェハ（３ＤＳ  ｗａｆｅｒ：３Ｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｗａｆｅｒ）を形成し、３ＤＳウェハは、個々の３Ｄシステム・イン・パッケージ（３ＤＳｉＰ：３Ｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）チップに単体化される。
【００６８】
図５Ｂを参照すると、ＭＥＭＳ金属層３８は、この場合、ＭＥＭＳチップ５１０６を種々のＩＣ５２０４、５２０６、５２０８に接続する働きをするだけではなく、各ＩＣを相互接続するように、また、それらに信号および電力の分配を提供するように機能する。いずれにしても、方形切断の後、個々の３ＤＳ構成要素５０００は、追加的なパッケージングまたはワイヤ接合を伴わずに、完成したシステムチップとして扱われ得る。システムチップ５０００は、ＰＣ基板３０４にバンプ接合され得る。
【００６９】
特許請求の範囲に記載の範囲は、各例に記載された好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、全体として説明と一致する最も広い解釈を与えられるべきである。
【図１Ａ】
2020019135.tif 000003
【図１Ｂ】
2020019135.tif 000004
【図２Ａ】
2020019135.tif 000005
【図２Ｂ】
2020019135.tif 000006
【図２Ｃ】
2020019135.tif 000007
【図２Ｄ】
2020019135.tif 000008
【図２Ｅ】
2020019135.tif 000009
【図２Ｆ】
2020019135.tif 000010
【図２Ｇ】
2020019135.tif 000011
【図３】
2020019135.tif 000012
【図４Ａ】
2020019135.tif 000013
【図４Ｂ】
2020019135.tif 000014
【図５Ａ】
2020019135.tif 000015
【図５Ｂ】
2020019135.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月17日(2019.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積ＭＥＭＳシステムであって、
−  少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップ、および
−  少なくとも１つの単一ＩＣチップ
を備え、
前記少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップが、
−  第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組を含む第１のキャップ層と、
−  第２のキャップＭＥＭＳ電気接点を含む第２のキャップ層と、
−  前記第１のキャップ層と前記第２のキャップ層との間に配置された中央ＭＥＭＳ層と、
−  前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層内に形成されて、運動を引き起こすかまたは少なくとも１つのパラメータを検知する、少なくとも１つの変換器と、
−  前記少なくとも１つの変換器を前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１の組にそれぞれ接続して、前記少なくとも１つの変換器と前記第１の組の前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点との間で電気的ＭＥＭＳ信号を伝導する、第１の絶縁伝導路と、
−  前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第２の組を、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層を通して前記第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続して、前記ＭＥＭＳチップを通して補助信号を伝導する、第２の絶縁伝導路と、
を備え、
前記少なくとも１つの単一ＩＣチップが、
−  第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組にそれぞれバンプ接合されるＩＣ電気接点の第１および第２の組と、
−  ＩＣ電気接点の第１の組に動作可能に接続されて前記電気的ＭＥＭＳ信号を処理する、ＭＥＭＳ信号処理回路と、
−  前記ＩＣ電気接点の第２の組に動作可能に接続されて、前記補助信号を処理しかつ追加的なシステム機能を提供する、補助信号処理回路と
を備える、集積ＭＥＭＳシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
特許請求の範囲に記載の範囲は、各例に記載された好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、全体として説明と一致する最も広い解釈を与えられるべきである。
［形態１］
集積ＭＥＭＳシステムであって、
−  少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップ、および
−  少なくとも１つの単一ＩＣチップ
を備え、
前記少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップが、
−  第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組を含む第１のキャップ層と、
−  第２のキャップＭＥＭＳ電気接点を含む第２のキャップ層と、
−  前記第１のキャップ層と前記第２のキャップ層との間に配置された中央ＭＥＭＳ層と、
−  前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層内に形成されて、運動を引き起こすかまたは少なくとも１つのパラメータを検知する、少なくとも１つの変換器と、
−  前記少なくとも１つの変換器を前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１の組にそれぞれ接続して、前記少なくとも１つの変換器と前記第１の組の前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点との間で電気的ＭＥＭＳ信号を伝導する、第１の絶縁伝導路と、
−  前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第２の組を、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層を通して前記第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続して、前記ＭＥＭＳチップを通して補助信号を伝導する、第２の絶縁伝導路と、
を備え、
前記少なくとも１つの単一ＩＣチップが、
−  第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組にそれぞれバンプ接合されるＩＣ電気接点の第１および第２の組と、
−  ＩＣ電気接点の第１の組に動作可能に接続されて前記電気的ＭＥＭＳ信号を処理する、ＭＥＭＳ信号処理回路と、
−  前記ＩＣ電気接点の第２の組に動作可能に接続されて、前記補助信号を処理しかつ追加的なシステム機能を提供する、補助信号処理回路と
を備える、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態２］
形態１に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層が、導電性材料で作られ、前記第１のキャップ層が、前記中央ＭＥＭＳ層の第１の側に電気的に接合されており、前記第２のキャップ層が、前記第１の側とは反対側の前記中央ＭＥＭＳ層の第２の側に電気的に接合されている、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態３］
形態１または２に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層が、ウェハレベルで接合されるそれぞれのシリコンベースのウェハから製作される、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態４］
形態１から３までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記中央ＭＥＭＳ層が、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハから作られる、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態５］
形態１から４までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第２の絶縁伝導路が、前記第１の層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２の層のうちの１つにエッチングされたトレンチによって形成され、前記トレンチが、位置合わせされかつ絶縁材料で満たされており、前記トレンチが、それぞれの導電性ウェハプラグを取り囲み、前記導電性ウェハプラグが、前記ＭＥＭＳチップの全厚を通した電気信号の伝達を可能にする、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態６］
形態１から５までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第２の絶縁伝導路のうちの少なくともいくつかが、前記第１の層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２の層のうちの１つにエッチングされたトレンチによって形成され、前記トレンチが、位置合わせされており、かつ、絶縁材料で覆われかつ導電性材料で満たされたそれらのそれぞれの側壁を有する、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態７］
形態１から６までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１および第２のキャップ層の前記第１および第２のキャップＭＥＭＳ電気接点が、接合パッドである、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態８］
形態１から７までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの変換器が、６自由度運動センサを含み、前記少なくとも１つのパラメータが、３軸の直線加速度、および３軸の角速度を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態９］
形態９に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記６自由度運動センサが、前記第１および第２のキャップ層内にそれぞれ設けられた第１および第２の電極の組と、前記中央ＭＥＭＳ層内に設けられた複数のプルーフマスとを含み、前記第１および第２の電極の組が、前記複数のプルーフマスとともにコンデンサを形成し、前記第１の絶縁伝導路のうちのいくつかが、前記第１および第２の電極の組の前記電極を、前記ＭＥＭＳ電気接点の第１の組のうちの少なくともいくつかの前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点にそれぞれ接続する、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１０］
形態１から９までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの変換器が、少なくとも１つの非慣性センサを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１１］
形態１０に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの非慣性センサが、圧力センサ、磁力計、温度計、およびマイクロホンのうちの少なくとも１つを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１２］
形態１０または１１に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの非慣性センサが、前記第１の層内にパターン付けされた非慣性電極と、前記中央ＭＥＭＳ層内にパターン付けされた少なくとも１つのＭＥＭＳ構造とを含み、前記第１の絶縁伝導路のうちのいくつかが、前記少なくとも１つの非慣性センサの前記電極を前記第１の組の前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続する、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１３］
形態１から１２までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記電気的ＭＥＭＳ信号のうちの少なくともいくつかが、アナログ信号であり、前記ＩＣチップが、前記ＭＥＭＳチップによって送信されたアナログ信号を前記ＭＥＭＳ信号処理回路による処理のためのデジタル信号に変換するために、また、前記ＭＥＭＳ信号処理回路によって送信されたデジタル信号を前記ＭＥＭＳチップに入る前にアナログ信号に変換するために、混合信号ＣＭＯＳ回路を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１４］
形態１から１３までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記ＩＣチップが、デジタルバスを含み、前記ＭＥＭＳ信号処理回路が、前記デジタルバスを介して前記混合信号回路に接続されたデジタルＣＭＯＳ回路を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１５］
形態１４に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記デジタルＣＭＯＳ回路が、デジタルデータ分析回路、デジタル入力／出力回路、メモリ、システム制御装置、および較正／補償回路のうちの少なくとも１つを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１６］
形態１４または１５に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記ＩＣチップが、電力バスを含み、前記補助信号処理回路が、前記電力バスと前記デジタルバスとに接続された電力管理回路を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１７］
形態１４から１６までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記ＩＣチップが、前記補助信号を処理するための、前記デジタルバスに接続された高速ＣＭＯＳ回路を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１８］
形態１７に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記高速ＣＭＯＳ回路が、無線信号またはＧＰＳ信号のための入出力モジュールのうちの少なくとも１つを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態１９］
形態１から１８までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップが、第１の単一ＭＥＭＳチップと、少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップとを含み、前記第１の単一ＭＥＭＳチップおよび前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップが、垂直に積み重ねられ、前記第１の単一ＭＥＭＳチップの前記第２の層が、前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの前記第１の層にバンプ接合され、前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの前記第２の絶縁伝導路が、前記第１の単一ＭＥＭＳチップの前記第２の絶縁伝導路のうちの少なくともいくつかに電気的に接続されて、前記第１の単一ＭＥＭＳチップおよび前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップを通して前記少なくとも１つのＩＣチップに補助信号を伝導する、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態２０］
形態１９に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、第１のＭＥＭＳチップが、第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第３の組と、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層を通して前記第３の組の前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点を、前記第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続する第３の絶縁伝導路とを含み、前記第３の絶縁伝導路が、前記少なくとも１つのＩＣチップの前記ＭＥＭＳ信号処理回路に電気的に接続され、かつ、前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの絶縁伝導路に電気的に接続され、前記ＭＥＭＳ信号処理回路が、前記第１の単一ＭＥＭＳチップおよび前記少なくとも１つの追加的な単一ＭＥＭＳチップの前記電気的ＭＥＭＳ信号を処理する、集積ＭＥＭＳシステム。
［形態２１］
形態１から２０までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップが、第１の単一ＩＣチップと、少なくとも１つの追加的な単一ＩＣチップとを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【外国語明細書】
2020019135000001.pdf