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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit integrierten passiven elektronischen Bauelementen und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Mikromechanische Bauelemente finden vielfach in miniaturisierten Sensoren, beispielsweise in Sicherheitssystemen von Kraftfahrzeugen, Verwendung.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, monolithisch integrierte mikromechanische Sensoren herzustellen. Dabei werden durch verschiedene mikroprozesstechnische Bearbeitungsschritte als Abfolgen von Abscheidungs- und Strukturierungsschritten selbsttragende mechanische Strukturen mit definiert auslenkbaren Funktionsschichten erzeugt, die zumeist in Chipform als sensitive Baugruppen in komplexere Geräte einbezogen werden. Obwohl die Erstellung der mikromechanischen Komponente als integrierte Baugruppe in Form sogenannter MEMS-Stapel (Micro Electro Mechanical Systems) gegenüber einem diskreten Aufbau teilweise mit einer erheblichen Reduzierung des Applikationsaufwandes verbunden ist, verbleibt für die Montage zu einem funktionsfähigen Komplettgerät in der Regel die Notwendigkeit einer aufwändigen schaltungstechnischen Einbettung der mikromechanischen Komponente.
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Um den Aufwand für die schaltungstechnische Einbettung mikromechanischer Komponenten in Komplettsysteme mit entsprechenden Auswerte- und Steuerfunktionen zu reduzieren, kommen auch für die notwendigen Auswerte- und Steuerschaltungen hochintegrierte elektronische Bauelemente, vorzugsweise sogenannte ASICs, zum Einsatz.
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Es ist bekannt, eine Auswerteschaltung basierend auf CMOS- oder Mischprozessen mit MEMS-Komponenten auf einem Chip zu kombinieren. Derart ausgeführte Sensoren weisen bereits eine vollständige Funktionalität auf, wobei in der Regel noch eine schützende Verkapselung, beispielsweise eine Verpackung in ein Mold-Gehäuse, vorgenommen wird.
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Es ist weiterhin bekannt, den effektiven Integrationsgrad durch das sogenannte „System-in-Package“ zu steigern. Dabei werden einzelne Bauelementkomponenten, beispielsweise eine mikromechanische Chipbaugruppe und ein ASIC mit der zugehörigen Auswerteschaltung, in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und miteinander verschaltet. Derart ausgeführte Sensoren weisen ebenfalls eine vollständige Funktionalität auf.
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Für viele automotive Applikationen werden in Gehäuse verpackte Sensoren zusammen mit weiteren package-externen Bauelementen auf einer Leiterplatte kombiniert oder in hybride Schaltungen einbezogen. Besonders häufig sind Kombinationen aus in Gehäusen verpackten Sensoren und externen Stützkondensatoren, die zur Pufferung von ESD-bedingten (electrostatic discharge) Spannungsspitzen erforderlich sind. Diese müssen im Automobilbereich insbesondere dann gepuffert werden, wenn das Sensormodul nicht in ein insgesamt geschütztes Steuergerät integriert ist, sondern direkt an die Spannungsversorgung des Bordnetzes angeschlossen ist. Eine direkte Integration von Pufferkondensatoren in eingesetzte ASICs ist aufgrund extrem unterschiedlicher Dimensionen und zu erwartender Wechselwirkungen großer Ladungsverschiebungen während der Umladung der Kondensatoren in unmittelbarer Nähe mikroelektronischer Strukturen mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden.
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Die Druckschrift
US 2005161753 A1 zeigt eine Anordnung mit einer auf einem LTCC-Substrat angeordneten MEMS-Struktur, wobei in dem LTCC-Substrat passive Bauelemente, wie zum Beispiel Widerstände oder Kondensatoren ausgebildet sind. Dabei handelt es sich um elektronische Komponenten, die der MEMS-Struktur direkt zugeordnete Schaltungen definieren. Die Druckschrift
US 6384353 B1 offenbart eine Anordnung umfassend eine auf einem MEMS-Substrat angeordnete MEMS-Struktur, bei der im MEMS-Substrat integrierte elektronische Komponenten direkt der jeweiligen MEMS-Struktur zugeordnet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit anzugeben, den Aufwand bei der Applikation mikromechanischer Sensoren gegenüber dem Stand der Technik weiter zu senken und den benötigten Einbauraum zu reduzieren, um gegebenenfalls neue Einbauorte zu erschließen.
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Technische Lösung
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 geben vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes an. Anspruch 7 gibt eine System-in-Package Anordnung mit mindestens einem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement an. Anspruch 8 gibt ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes an. Anspruch 9 betrifft eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens.
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Die Erfindung geht davon aus, dass in MEMS-Strukturen Flächen- und Volumenbereiche existieren, die im Gegensatz zu den in ASICs und anderen mikroelektronischen Schaltkreisen vorhandenen Bereichen hoher Integrationsdichte und Störempfindlichkeit durch eine Integration passiver makroelektronischer Bauelemente keine Beeinträchtigung ihrer Funktionalität erfahren. Es hat sich gezeigt, dass in diesen Bereichen gemäß der Erfindung beispielsweise eine direkte Integration von Pufferkondensatoren möglich ist, ohne mechanische oder elektrische Beeinträchtigungen von aus mikromechanischen Bauelementen und integrierten Auswerteschaltungen bestehenden Systemen durch Einwirkung auch relativ großer Ladungsverschiebungen während der Umladung der Kondensatoren, beispielsweise während des Auftretens zu puffernder Spannungsspitzen, in Kauf nehmen zu müssen. Die Erfindung wird verkörpert durch ein mikromechanisches Bauelement, umfassend ein Substrat, auf dem mindestens eine Schichtfolge angeordnet ist, die mindestens ein mikromechanisches Funktionselement enthält und einen ersten Funktionsbereich bildet, und auf dem mindestens eine weitere Schichtfolge angeordnet ist, die als mindestens ein makroelektronisches passives Bauelement für ein externes mikroelektronisches Bauelement wirkt und einen zweiten Funktionsbereich bildet, wobei das mindestens eine makroelektronische passive Bauelement als ein externer Stützkondensator für das externe mikroelektronische Bauelement ausgebildet ist. Unter makroelektronischen Bauelementen im Sinne der Erfindung sind dabei passive Bauelemente zu verstehen, die durch ihre Dimensionierung einzelne üblicherweise diskret verfügbare und verschaltete Bauelemente ersetzen können.
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Realisieren lässt sich die Erfindung durch Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, bei denen auf einem Substrat durch aufeinanderfolgende Abscheidungs- und Strukturierungsschritte mindestens eine mikromechanische Funktionsschicht erzeugt wird, wobei Abscheidungs- und/oder Strukturierungsschritte vorgenommen werden, die auf dem gleichen Substrat mindestens eine Schichtfolge erzeugen, die als mindestens ein makroelektronisches passives Bauelement wirken kann.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Insbesondere relativ große Kondensatoren, deren Dimensionierung ihren Einsatz als Pufferkondensatoren zum Schutz mikroelektronischer Schaltungen erlaubt, können erfindungsgemäß in mikromechanische Bauelemente integriert werden.
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Besonders platzsparende erfindungsgemäße Bauelemente lassen sich aufbauen, wenn sich mindestens eine Schichtfolge, die als ein makroelektronisches passives Bauelement wirkt, zwischen der Schichtfolge, die mindestens ein mikromechanisches Funktionselement enthält, und dem Substrat befindet. Außerdem wird in diesem Fall eine serielle Prozessierung ermöglicht, die eine unabhängige Anpassung und Optimierung der einzelnen Prozessschritte erlaubt.
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Vorteilhafterweise sollte dabei jedoch darauf geachtet werden, dass Flächenbereiche des Substrates, über denen sich Schichtstapel befinden, die als passive elektronische Bauelemente genutzt werden, und Flächenbereiche, über denen Leiterbahnen zur Kontaktierung mikromechanisch wirksamer Strukturen verlaufen, in der Waferebene nebeneinander liegen, da so störende Wechselwirkungen durch die Einhaltung entsprechender Mindestabstände auf einfache Weise zu vermeiden sind.
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Figurenliste
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An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
- 2 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements mit unterlegtem passiven Bauelement;
- 3 eine detaillierte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements und
- 4 eine schematische Darstellung einer Funktionseinheit mit einem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 1. Dieses weist auf einem gemeinsamen Substrat 2 aus einkristallinem Silizium mindestens einen Funktionsbereich 3 auf, der mindestens ein mikromechanisches Funktionselement enthält. Erfindungsgemäß befindet sich auf dem gleichen Substrat 2 ein weiterer Funktionsbereich 4, der eine mikroprozesstechnisch aufgebrachte Struktur umfasst, die als mindestens ein makroelektronisches passives Bauelement wirken kann. Funktionsbereiche 3, 4 in Sinne der Erfindung sind dabei prozessierte Schichtfolgen mit abgrenzbarer Funktionalität, gegebenenfalls auch unter Zuordnung einzelner Schichten zu mehreren Funktionsbereichen.
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2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 1 mit unterlegtem passiven Bauelement. Die in 1 eingeführten Funktionsbereiche 3, 4 liegen in diesem Fall zumindest teilweise in unterschiedlichen Ebenen des mikromechanischen Bauelements 1, was die Vorteile einer seriellen Prozessierung erschließt und platzsparende Designs ermöglicht.
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3 zeigt eine detaillierte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 1, bei dem sich unterhalb eines Bereiches mit mikromechanischen Funktionselementen ein Schichtstapel befindet, der als Kondensator wirken kann. Die Anordnung befindet sich auf einem Si-Substrat 2, das durch eine Isolationsschicht 5 abgedeckt ist. Die Isolationsschicht 5 besteht aus einem thermischen Oxid, das in bekannter Weise erzeugt wird (z. B. umfassend 2,5µm Feldoxid). Darauf befindet sich eine untere Flächenelektrode 6, vorliegend in Form einer 275nm starken Schicht aus dotiertem polykristallinem Silizium, wobei als Dotierungsmittel drei- oder fünfwertige Elemente (z. B. P, AS, B) Verwendung finden, da beide Leitungstypen zur Ausbildung der Elektrode geeignet sind. Auf der unteren Flächenelektrode 6 befindet sich eine als Dielektrikum wirkende Schicht 7, die als sogenannter ONO-Stapel (Oxid-Nitrid-Oxid) ausgeführt ist. Im vorliegenden Beispiel beginnt der Stapel mit einer 27nm dicken Schicht aus thermischem Oxid. Darauf befindet sich eine 15nm dicke reaktiv abgeschiedene Nitridschicht (Abscheidung durch LPCVD). Darauf folgt eine etwa 5nm dicke Oxidschicht aus reoxidiertem Nitrid. Unmittelbar über dem Dielektrikum befindet sich eine obere Flächenelektrode 8 aus 450nm dickem polykristallinem Silizium. Diese Anordnung lässt sich als Flächenkondensator nutzen. Bei entsprechender Strukturierung der Elektroden 6, 8 können auf diese Weise auch mehrere unabhängige Kondensatoren in einer Ebene erzeugt werden.
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Auf dem beschriebenen Schichtstapel, der als Kondensator wirken kann, befindet sich ein weiterer Schichtstapel, der in herkömmlicher Weise mindestens eine mikromechanische Funktionsschicht, die im vorliegenden Fall definiert auslenkbare seismische Massen zur Messung von Beschleunigungen umfasst, aufweist. Dieser obere Stapel umfasst im Einzelnen mehrere Isolationsschichten 9, 10, 11, die gleichzeitig einer mechanischen Profilierung des weiteren Aufbaus dienen, zeitweise mit dem Material einer Opferschicht gefüllte Volumina 12 sowie die eigentliche mechanische Funktionsschicht 13, welche nach dem Herauslösen der Opferschicht in einem entsprechenden Ätzschritt bewegliche Funktionselemente in Form der seismischen Massen 14 beinhaltet. Zu kontaktierende Bereiche weisen zudem eine Metallisierungsschicht 15 auf.
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Die beiden dargestellten Schichtstapel müssen sich nicht vollflächig überlappen. Der beispielhafte Schichtaufbau weist etwa eine Kapazität von 1,1 nF/mm2 auf. Insbesondere bei einer Verwendung der auf die erfindungsgemäße Weise integrierten Kondensatoren als Pufferkondensatoren für mikroelektronische Schaltungen ist es jedoch zweckmäßig, wenn zumindest Teile des Substrates 2 von mindestens einer Isolationsschicht 5 bedeckt sind, auf der sich mindestens eine untere Flächenelektrode 6 befindet, auf der sich mindestens eine dielektrische Schicht 7 befindet, auf der sich mindestens eine obere Flächenelektrode 8 befindet, auf der sich mindestens eine Isolationsschicht 9 als Bestandteil einer Schichtfolge, die mindestens ein mikromechanisches Funktionselement enthält, befindet, also zumindest eine teilweise Überlappung der beiden Schichtstapel bzw. der Funktionsbereiche 3, 4 des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 1 vorliegt.
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Außerdem ist es aus Gründen einer minimierten Wechselwirkung zwischen den einzelnen Funktionsbereichen 3, 4 vorteilhaft, wenn Flächenbereiche des Substrates, über denen sich Schichtstapel befinden, die als passive elektronische Bauelemente genutzt werden, im Bereich des Bondrahmens liegen. In diesem Fall wird die Chip-Größe eines mikromechanischen Bauelements, beispielsweise in einem Beschleunigungs- oder Drehratensensor, nicht erhöht, es sei denn, dass durch die vergrößerte Anzahl der nunmehr auch zur Kontaktierung der passiven Bauelemente erforderlichen Kontaktpads die Fläche des Bondrahmens erhöht werden muss. Unter Bondrahmen wird die Fläche verstanden, die einem mikromechanischen Bauelement für die Verkappung der Sensorstruktur mit einer Kappenstruktur als Verbindungsfläche genutzt wird.
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Eine vorteilhafte Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass als obere Flächenelektrode 8 eine leitende Schicht in der Prozessebene genutzt wird, in der sich auch die in Form vergrabener Leiterbahnen ausgeführte unteren Kontaktierungsbahnen des über der Kondensatorstruktur befindlichen mikromechanischen Schichtstapels befinden. Dies stellt keine grundsätzliche Anforderung an erfindungsgemäße Systeme dar. Zumindest ist es jedoch vorteilhaft, wenn die obere Flächenelektrode zumindest teilweise in einer Ebene mit als vergrabene Leiterbahnen ausgeführten Leiterbahnen zum Anschluss zu kontaktierender Bereiche der darüber liegenden Schichtfolge liegt, da in diesem Fall eine gemeinsame Prozessierung die für beide Funktionsbereiche erforderlichen Leiterbahnen bzw. Elektrodenflächen erfolgen kann.
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Entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können einzelne Details durch wirkungsgleiche Abwandlungen, insbesondere der eingesetzten Materialien und gewählten Dimensionen, ergänzt oder ersetzt werden. Beispielsweise können vor dem mikroprozesstechnischen Hintergrund andere dielektrische Schichten, insbesondere IC-kompatible Dielektrika mit besonders hoher Dielektrizitätszahl und guter Temperaturstabilität verwendet und bevorzugt werden, da die Dielektrika Dotierungs- und Epitaxieprozesse überstehen müssen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Funktionseinheit 20 mit einem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement 1. Darin ist ein mikromechanisches Bauelement 1 mit mindestens einem mikroelektronischen Bauelement 16 zu einer Funktionseinheit 20 zusammengefasst, wobei innerhalb der Funktionseinheit 20 eine Verschaltung vorliegt, welche im mikromechanischen Bauelement integrierte Kondensatoren 17 als Pufferkondensatoren für das mikroelektronische Bauelement 16 einbezieht. Das mikromechanische Bauelement 1 umfasst als mikromechanischen Funktionsbereich 3 eine beschleunigungssensitive Baugruppe mit seismischer Masse, deren Auslenkung von einer Auswerteschaltung in Form eines ASICs als mikroelektronisches Bauelement 16 ermittelt und ausgewertet wird. In das mikromechanische Bauelement 1 integrierte Kondensatoren 17 werden als Pufferkondensatoren für den ASIC 16 genutzt und sind über entsprechende Leitungen 18 mit diesem verbunden. Alternativ ist eine separate Beschaltung der integrierten Kondensatoren 17 zu anderen Zwecken möglich. Die gesamte Funktionseinheit 20 ist in einem Mold-Gehäuse 19 untergebracht, wodurch eine separate Leiterplatte für eine externe Verschaltung eingespart oder flächenmäßig reduziert werden kann.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Erstellung der integrierten passiven Bauelemente kein vollständiger IC-Prozess erforderlich ist, sondern bereits die Erweiterung eines Verfahrens zur Herstellung üblicher MEMS-Stapel für die Herstellung erfindungsgemäß ausgestalteter Bauelemente genügt. Am vorliegenden Ausführungsbeispiel geschieht das durch ein Verfahren, nach dem eine Schichtfolge erzeugt wird, die als mindestens ein Pufferkondensator für eine mikroelektronische Schaltung wirken kann, indem nach dem Aufbringen einer Isolationsschicht, vorzugsweise in Form einer thermischen Oxidschicht, auf einen Wafer aus einkristallinem Silizium folgende Prozessschritte in das Verfahren einbezogen werden:
- -Abscheidung einer ersten polykristallinen Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat;
- -Dotierung der polykristallinen Siliziumschicht, um sie als untere Flächenelektrode leitfähig zu machen;
- -Reinigung der polykristallinen Siliziumschicht mit Flusssäure, um eine nach der Dotierung auftretende oberflächennahe Oxidschicht zu entfernen;
- -photolithographische Maskierung der polykristallinen Siliziumschicht;
- -Ätzstrukturierung der polykristallinen Siliziumschicht, mit der die Geometrie der unteren Flächenelektrode festgelegt wird;
- -Entfernung des verbliebenen Photoresists von den zukünftigen Elektrodenflächen;
- -Abscheidung eines Oxid-Nitrid-Oxid-Dielektrikums auf Siliziumbasis, was zunächst durch reaktive Abscheidung einer Siliziumdioxidschicht begonnen, durch reaktive Abscheidung einer Siliziumnitridschicht (Si3N4) fortgesetzt und anschließend durch eine oberflächennahe Reoxidation der Siliziumnitridschicht abgeschlossen wird;
- -photolithographische Maskierung des Oxid-Nitrid-Oxid-Dielektrikums,
- -Ätzstrukturierung des Oxid-Nitrid-Oxid-Dielektrikums, wobei die Strukturierung der unteren Oxidschicht im Schichtstapel des Dielektrikums in einem nasschemischen Ätzschritt erfolgt;
- -Entfernung des verbliebenen Photoresists vom Dielektrikum;
- -Anlage einer Schicht mit vergrabenen Leiterbahnen.
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Die Anlage der Schicht mit vergrabenen Leiterbahnen stellt einen Prozessschritt dar, der zur Ausbildung beider Funktionsbereiche eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements beiträgt. Je nach Kontaktierung bilden leitende Bereiche dieser Schicht eine obere Flächenelektrode einer darunter liegenden Kondensatorstruktur oder untere Kontaktierungsmittel einer darüber liegenden mikromechanischen Struktur.
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Die erfindungsgemäße Verfahrenserweiterung bedingt nur geringe Zusatzkosten für die Integration passiver Bauelemente, insbesondere für die Integration großflächiger und einfach strukturierter Bauelemente wie Flächenkondensatoren. Diese Zusatzkosten liegen für eine Stützkapazität von 1 - 2 nF bei unter einem Cent pro Chip.
