DE102012206854A1 - Hybrid integriertes Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es werden Maßnahmen zur Realisierung von hybrid integrierten Bauteilen mit einem MEMS-Bauelement (20) und einem ASIC-Bauelement (10) vorgeschlagen, deren Kondensatoranordnung sowohl eine Signalerfassung mit einer vergleichsweise hohen Empfindlichkeit ermöglicht als auch eine sensible Ansteuerung der mikromechanischen Struktur des MEMS-Bauelements. Das hybrid integrierte Bauteil umfasst ein MEMS-Bauelement (20) mit einer mikromechanischen Struktur, die sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats (20) erstreckt. Zumindest ein Strukturelement (23) dieser mikromechanischen Struktur ist auslenkbar und mit mindestens einer Kondensatoranordnung wirkverbunden, die mindestens eine bewegliche Elektrode (51) und mindestens eine feststehende Elektrode (52) umfasst. Des Weiteren umfasst das Bauteil ein ASIC-Bauelement (10) mit mindestens einer Elektrode (52) der Kondensatoranordnung. Das MEMS-Bauelement (20) ist auf dem ASIC-Bauelement (10) montiert, so dass zwischen der mikromechanischen Struktur und der Oberfläche des ASIC-Bauelements (10) ein Spalt (21) besteht. Erfindungsgemäß ist mindestens eine Elektrode (51) der Kondensatoranordnung aus dem Schichtaufbau des ASIC-Bauelements (10) herausgelöst und stattdessen mechanisch und elektrisch an das auslenkbare Strukturelement (23) des MEMS-Bauelements (20) angebunden, so dass diese Elektrode (51) als bewegliche Elektrode (51) der Kondensatoranordnung fungiert.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein hybrid integriertes Bauteil, das zumindest ein MEMS (micro electro mechanical systems)-Bauelement mit einer mikromechanischen Struktur umfasst, die sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats erstreckt. Zumindest ein Strukturelement dieser mikromechanischen Struktur ist auslenkbar und mit einer Kondensatoranordnung wirkverbunden, die mindestens eine bewegliche Elektrode und mindestens eine feststehende Elektrode umfasst. Außerdem umfasst das Bauteil noch ein ASIC-Bauelement mit mindestens einer Elektrode der Kondensatoranordnung. Das MEMS-Bauelement ist auf dem ASIC-Bauelement montiert, so dass zwischen der mikromechanischen Struktur und der Oberfläche des ASIC-Bauelements ein Spalt besteht.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung noch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen hybrid integrierten Bauteils.
  • Bauteile mit MEMS-Bauelementen werden seit etlichen Jahren für unterschiedlichste Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Automobiltechnik und Consumer-Elektronik, in Massenfertigung hergestellt. Dabei gewinnt die Miniaturisierung der Bauteile zunehmend an Bedeutung. Zum einen trägt die Miniaturisierung wesentlich zur Senkung der Herstellungskosten der Bauteile und damit auch der Endgeräte bei. Zum anderen sollen insbesondere im Bereich der Consumer-Elektronik immer mehr Funktionen – und damit Bauteile – in ein Endgerät aufgenommen werden, während die Endgeräte selber immer kleiner werden. Folglich steht für die einzelnen Bauteile immer weniger Platz auf den Applikationsleiterplatten zur Verfügung.
  • Aus der Praxis sind verschiedene Miniaturisierungskonzepte für Sensor-Bauteile bekannt, die eine Integration der mikromechanisch realisierten Sensorfunktion und der schaltungstechnischen Verarbeitung und Auswertung der Sensorsignale in einem Bauteil vorsehen. Neben der lateralen Integration der MEMS-Funktion und der ASIC-Funktion auf einem gemeinsamen Chip gibt es auch bereits Konzepte zur sogenannten vertikalen hybriden Integration, wonach ein Chip-Stapel aus ASIC, MEMS und einem Kappenwafer gebildet wird.
  • Ein derartiges vertikal integriertes Bauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung werden in der US 2011/0049652 A1 beschrieben. Das bekannte Verfahren sieht vor, das Ausgangssubstrat für das MEMS-Bauelement auf ein bereits prozessiertes ASIC-Substrat zu bonden. Erst danach wird eine mikromechanische Struktur im MEMS-Substrat erzeugt, die mindestens ein auslenkbares Strukturelement umfasst. Unabhängig davon wird ein Kappenwafer strukturiert und für die Montage über der mikromechanischen Struktur des MEMS-Substrats und auf dem ASIC-Substrat präpariert. Der so prozessierte Kappenwafer wird nach der Strukturierung des MEMS-Substrats auf das ASIC-Substrat gebondet, so dass die mikromechanische Struktur zwischen ASIC-Substrat und Kappenwafer hermetisch dicht eingeschlossen ist. Das in der US 2011/0049652 A1 beschriebene Bauteil ist mit einer Kondensatoranordnung ausgestattet, die – je nach MEMS-Funktion – als Antrieb zum Bewegen des auslenkbaren Strukturelements genutzt werden kann oder auch zum Erfassen von extern verursachten Auslenkungen des Strukturelements. Dazu umfasst die Kondensatoranordnung mindestens eine auslenkbare Elektrode, die sich hier auf dem auslenkbaren Strukturelement des MEMS-Bauelements befindet, und feststehende Elektroden, die hier in einer strukturierten Metallschicht auf der Oberfläche des ASIC-Substrats ausgebildet sind.
  • Das bekannte Bauteilkonzept ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion von robusten Bauteilen mit einer mikromechanischen Funktion und einer Signalverarbeitungsschaltung, da hier nicht nur die einzelnen Bauteilkomponenten – MEMS-Bauelement, Kappe und ASIC – im Waferverbund hergestellt werden, sondern auch deren Montage zu einem Bauteil auf Waferebene realisiert wird. Die MEMS-Funktionen und die ASIC-Funktionen können auf Waferebene getestet werden, und sogar der Abgleich der einzelnen Bauteile kann noch vor der Vereinzelung auf Waferebene vorgenommen werden. Außerdem benötigen die bekannten Bauteile aufgrund des gestapelten Aufbaus eine vergleichsweise kleine Montagefläche, was sich günstig auf die Herstellungskosten der Endgeräte auswirkt.
  • Als problematisch erweist sich die Positionierung der Elektroden der Kondensatoranordnung einerseits auf der Unterseite des MEMS-Bauelements und andererseits in der obersten Metallebene des ASIC-Bauelements. Da die Kapazität einer solchen Kondensatoranordnung umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden ist und der Spalt zwischen den beiden Bauelementen in der Regel relativ groß ist, ist die Kapazität der Kondensatoranordnung hier bei gegebener Elektrodenfläche relativ klein. Dementsprechend ist die Messempfindlichkeit relativ gering, wenn die Kondensatoranordnung zu Messzwecken verwendet wird. Wird die Kondensatoranordnung zur Ansteuerung des beweglichen Strukturelements eingesetzt, so muss eine vergleichsweise hohe Spannung angelegt werden, um eine vorgegebene Auslenkung zu erzielen. Die Kondensatoranordnung des bekannten Bauteils lässt sich außerdem nicht ohne Weiteres durch eine dritte Elektrodenebene zur volldifferentiellen Signalerfassung bzw. Ansteuerung ergänzen. Diese müsste hier auf der Unterseite der Kappe, also ebenfalls in einem relativ großen Abstand angeordnet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Realisierung von hybrid integrierten Bauteilen der eingangs genannten Art vorgeschlagen, deren Kondensatoranordnung sowohl eine Signalerfassung mit einer vergleichsweise hohen Empfindlichkeit ermöglicht als auch eine sensible Ansteuerung der mikromechanischen Struktur des MEMS-Bauelements.
  • Dazu wird erfindungsgemäß mindestens eine Elektrode der Kondensatoranordnung aus dem Schichtaufbau des ASIC-Bauelements herausgelöst und stattdessen mechanisch und elektrisch an das auslenkbare Strukturelement des MEMS-Bauelements angebunden, so dass diese Elektrode als bewegliche Elektrode der Kondensatoranordnung fungiert.
  • Im Unterschied zu dem aus der US 2011/0049652 A1 bekannten Bauteilaufbau wird die bewegliche Elektrode der Kondensatoranordnung demnach aus der Ebene der MEMS-Struktur in die ASIC-Ebene verlagert, also von der einen Seite des Spalts zwischen MEMS-Bauelement und ASIC-Bauelement auf die andere Seite dieses Spalts, wo sich sinnvollerweise auch mindestens eine feststehende Elektrode der Kondensatoranordnung befindet. Auf diese Weise können Kondensatoranordnungen realisiert werden, bei denen der Abstand zwischen beweglicher und feststehender Elektrode unabhängig ist von der Spaltbreite zwischen den Bauelementen und damit auch deutlich kleiner sein kann als dieser Spalt. Zudem lassen sich bei entsprechender Anordnung mehrerer feststehender Elektroden auch einfach differentielle Kondensatoranordnungen mit drei Elektrodenebenen realisieren. Die bewegliche Elektrode ist dann so zwischen mindestens zwei feststehenden Elektroden angeordnet, dass sich bei einer Auslenkung der beweglichen Elektrode der Abstand zu einer der beiden feststehenden Elektroden verringert, während sich der Abstand zu der anderen feststehenden Elektrode in gleichem Maße vergrößert.
  • Jede Kondensatoranordnung eines erfindungsgemäßen Bauteils kann demnach ergänzend zur Ebene der beweglichen Elektrode eine weitere Elektrodenebene für feststehende Elektroden umfassen oder auch zwei weitere Elektrodenebenen für feststehende Elektroden, wenn es sich um eine differentielle Kondensatoranordnung handelt. Eine solche Elektrodenebene kann beispielsweise in den Schichtaufbau des MEMS-Bauelements integriert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils ist jedoch zumindest eine Elektrodenebene für feststehende Elektroden in den Schichtaufbau des ASIC-Bauelements integriert. Wie bereits erwähnt, lassen sich auf diese Weise besonders geringe Elektrodenabstände realisieren. Demnach haben derartige Kondensatoranordnungen bei einer durch die Chipgröße begrenzten Elektrodenfläche eine vergleichsweise große Kapazität.
  • Gemäß dem beanspruchten Verfahren zum Herstellen eines derartigen hybrid integrierten Bauteils wird zunächst ein ASIC-Substrat prozessiert. Dabei wird auch bereits mindestens eine Elektrode mindestens einer Kondensatoranordnung angelegt. Dann wird ein MEMS-Substrat auf dem ASIC-Substrat montiert. Im Rahmen der Prozessierung dieses MEMS-Substrats wird mindestens ein Durchkontakt zur mechanischen und elektrischen Anbindung der mindestens einen im ASIC-Substrat angelegten Elektrode erzeugt. Außerdem wird eine mikromechanische Struktur erzeugt, die sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats erstreckt. Zumindest ein Strukturelement dieser mikromechanischen Struktur wird ASIC-seitig freigestellt. Außerdem wird die mindestens eine im ASIC-Substrat angelegte und über den mindestens einen Durchkontakt an dieses Strukturelement angebundene Elektrode aus dem Verbund des ASIC-Substrats gelöst.
  • Das Anlegen von Elektrodenebenen für bewegliche und feststehende Elektroden im ASIC-Substrat erfolgt bevorzugt im Rahmen eines bekannten CMOS-Prozesses. Dabei wird ein Schichtaufbau auf einem Ausgangssubstrat erzeugt, der mehrere in mindestens eine Isolationsschicht eingebettete und strukturierte Metallschichten umfasst sowie eine strukturierte Metallschicht auf der ASIC-Vorderseite. Die Elektroden der einzelnen Elektrodenebenen werden bei der Strukturierung dieser Metallschichten ausgebildet.
  • Es ist bekannt, die elektrische Verbindung zwischen einzelnen Chips eines Chipstapels über sogenannte Durchkontakte herzustellen. Dazu werden in dem betreffenden Chip Durchgangsöffnungen erzeugt und mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie z.B. mit Wolfram oder Kupfer, verfüllt. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem auslenkbaren Strukturelement und einer im ASIC-Substrat angelegten Elektrode über mindestens einen solchen Durchkontakt hergestellt, der sich dann durch die gesamte Dicke der mikromechanischen Struktur und über den Spalt zwischen MEMS-Bauelement und ASIC-Bauelement erstreckt.
  • Das erfindungsgemäße Bauteilkonzept ist besonders geeignet für die Realisierung von berührungslos arbeitenden Sensoren, wie z.B. Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren und sonstigen Inertialsensoren. Im Fall eines Inertialsensors umfasst die mikromechanische Sensorstruktur mindestens eine federnd aufgehängte seismische Masse, die aufgrund von Beschleunigungen ausgelenkt wird. Diese Beschleunigungen können auch durch Fliehkräfte oder Rotationsbewegungen hervorgerufen werden. Da sich die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements erfindungsgemäß über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats erstreckt, können hier sehr große seismische Massen auf einer vergleichsweise geringen Chipfläche realisiert werden, was sich günstig auf die Messempfindlichkeit auswirkt. Zudem können die Auslenkungen der seismischen Masse mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung sehr genau erfasst werden. Auf dem ASIC-Bauelement sind vorteilhafterweise die wesentlichen Schaltungsteile für die Verarbeitung und Auswertung der Messsignale integriert, so dass das MEMS-Sensorelement und das ASIC-Bauelement eine funktionale Einheit bilden.
  • Die mikromechanische Struktur eines derartigen Sensorelements sollte verkappt sein, um Umwelteinflüsse auf das Messsignal zu minimieren und die Sensorstruktur gegen Verunreinigungen, Feuchte und Partikel zu schützen. Auf diese Weise können außerdem definierte Druckverhältnisse für die Sensorstruktur geschaffen werden, die das Dämpfungsverhalten des Sensors wesentlich mitbestimmen. Eine derartige Verkappung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Waferstack, bestehend aus ASIC-Substrat und prozessiertem MEMS-Substrat mit einem vorstrukturierten Kappenwafer versehen wird, so dass die mikromechanische Struktur hermetisch dicht zwischen dem ASIC-Substrat und dem Kappenwafer eingeschlossen ist.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann in vielfältiger Weise variiert werden, insbesondere was die Prozessierung der einzelnen Bauelemente betrifft aber auch was die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen und die externe elektrische Kontaktierung des resultierenden Bauteils betrifft. Dabei muss der Funktion, Bestimmung und dem Montageort des zu fertigenden Bauteils Rechnung getragen werden.
  • Wie bereits erwähnt, werden auf dem ASIC-Bauelement bevorzugt Teile einer Signalverarbeitungs- und ggf. Auswerteschaltung für das MEMS-Bauelement des Bauteils integriert. Selbstverständlich kann das ASIC-Bauelement aber auch mit anderen Schaltungsfunktionen ausgestattet werden. Im Rahmen der Prozessierung des ASIC-Substrats kann außerdem eine Strukturierung der Oberfläche vorgenommen werden, auf der das MEMS-Substrat montiert werden soll. Dabei können Vertiefungen in der ASIC-Oberfläche erzeugt werden, um die Beweglichkeit von Strukturelementen des MEMS-Bauelements zu gewährleisten.
  • In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird eine Sockelstruktur auf der ASIC-Oberfläche erzeugt. Das MEMS-Substrat wird auf dieser Standoff-Struktur montiert, so dass sich zwischen ASIC-Substrat und MEMS-Substrat ein Spalt befindet. Die Strukturierung des MEMS-Substrats erfolgt dann in einem Ätzprozess, der die gesamte Dicke des MEMS-Substrats durchdringt.
  • Das MEMS-Substrat könnte auch über mindestens eine Opferschicht auf der Vorderseite des prozessierten ASIC-Substrats montiert werden. In diesem Fall könnte die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements ASIC-seitig in einem Opferschicht-Ätzprozess freigestellt werden, bei dem das Material der Opferschicht zumindest unterhalb des auslenkbaren Strukturelements entfernt wird.
  • Die Verbindung zwischen MEMS-Substrat und ASIC-Substrat wird bevorzugt in einem Bondprozess hergestellt, da sich auf diese Weise sowohl eine hermetisch dichte mechanische Verbindung als auch zuverlässige elektrische Verbindungen zwischen MEMS-Bauelement und ASIC-Bauelement realisieren lassen. Dafür steht eine Reihe von bekannten und in der Praxis erprobten Prozessvarianten zur Verfügung.
  • Wie bereits erwähnt, erstreckt sich die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements hier immer über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats. Bei den meisten Anwendungen erweist es sich daher als sinnvoll, das MEMS-Substrat nach der Montage auf dem ASIC-Substrat und vor der Strukturierung zunächst bis auf eine vorgegebene Strukturhöhe abzudünnen. Die Strukturierung des MEMS-Substrats erfolgt bevorzugt in einem Trenchprozess, da sich mit diesem Verfahren Grabenstrukturen mit einem besonders hohen Aspektverhältnis erzeugen lassen.
  • Wenn es sich bei den im ASIC-Substrat angelegten Elektroden um Metallelektroden handelt, kann die mindestens eine bewegliche Elektrode der Messkondensatoranordnung besonders einfach in einem Opferschichtätzprozess aus dem Verbund des ASIC-Substrats herausgelöst werden. Der Ätzangriff erfolgt hier über die Gräben im MEMS-Substrat, durch die die mikromechanischen Struktur des MEMS-Substrats definiert wird. Dabei wird das Material der Isolationsschicht zumindest bereichsweise entfernt, ohne dass die Elektroden selbst angegriffen werden.
  • Die mechanische Fixierung der erfindungsgemäßen Bauteile im Rahmen der 2nd-Level-Montage erfolgt bevorzugt über das ASIC-Bauelement. In einer vorteilhaften Bauteilvariante sind dazu Durchkontakte, sogenannte TSVs (Through Silicon Vias) im ASIC-Bauelement ausgebildet, die eine Direktmontage des Bauteils auf einer Leiterplatte ermöglichen. Dabei wird neben der mechanischen Fixierung des Bauteils auf der Leiterplatte auch eine elektrische Verbindung zu den Leiterbahnen auf der Leiterplatte hergestellt. Die externe elektrische Kontaktierung eines derartigen Bauteils kann aber auch via Drahtbonds erfolgen, wenn auf dem ASIC-Bauelement entsprechende freiliegende Anschlusspads ausgebildet sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
  • 1–6 veranschaulichen anhand von schematischen Schnittdarstellungen die Herstellung des MEMS/ASIC-Waferstacks eines Sensor-Bauteils mit Kondensatoranordnung entsprechend dem erfindungsgemäßen Bauteilkonzept,
  • 7, 8 zeigen schematische Schnittdarstellungen von zwei verkappten Sensor-Bauteilen mit externer elektrischer Kontaktierung und
  • 9–11 zeigen schematische Schnittdarstellungen von MEMS/ASIC-Waferstacks dreier weiterer erfindungsgemäßer Sensor-Bauteile mit unterschiedlichen Kondensatoranordnungen.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines hybrid integrierten Bauteils mit mindestens einem MEMS-Bauelement und mindestens einem ASIC-Bauelement wird zunächst ein ASIC-Substrat 10 prozessiert. Dabei wird auf einem Ausgangssubstrat 11, beispielsweise einem Halbleitersubstrat, ein Schichtaufbau mit mehreren Schaltungsebenen 1 bis 5 erzeugt. Diese Schaltungsebenen 1 bis 5 sind in Form von strukturierten Metallschichten 1 bis 5 realisiert, die durch Isolationsschichten räumlich und elektrisch voneinander und vom Ausgangssubstrat 10 getrennt sind. Da es sich im hier dargestellten Ausführungsbeispiel bei den Isolationsschichten jeweils um eine Oxidschicht handelt, wird hier nicht zwischen den einzelnen Isolationsschichten unterschieden. Vielmehr bilden diese zusammen eine Isolationsschicht 12, auf der eine strukturierte Metallschicht 1 angeordnet ist, die übrigen Metallschichten 2 bis 5 sind in die Isolationsschicht 12 eingebettet, wie in 1 dargestellt. Erfindungsgemäß wurden bei der Strukturierung der Metallschichten 1 und 2 jeweils Elektroden 51 und 52 einer Kondensatoranordnung angelegt. Außerdem sind in den Schaltungsebenen des ASIC-Substrats 10 vorteilhafterweise zumindest Teile einer Signalverarbeitungs- und Auswerteschaltung für das zugeordnete MEMS-Bauelement integriert. Daneben können aber auch MEMS-unabhängige Schaltungsfunktionen realisiert sein. Jedenfalls können alle Schaltungsebenen auf der gesamten Chipfläche für Schaltungsfunktionen genutzt werden, bis auf die Elektrodenbereiche 51 und 52 in den Metallschichten 1 und 2. Die CMOS-Prozessierung des ASIC-Substrats 10 wird hier nicht im Einzelnen beschrieben, da sie – bis auf das Anlegen der Elektroden der Kondensatoranordnung – durch die vorliegende Erfindung nicht näher spezifiziert wird. Die Oberfläche des prozessierten ASIC-Substrats 10 wurde hier mit einer Nitrid-Passivierung 13 versehen, die strukturiert wurde, um eine elektrische Kontaktierung der obersten Schaltungsebene 1 des ASIC-Substrats 10 zu ermöglichen, insbesondere eine Kontaktierung der Elektroden 51.
  • Für die Montage eines MEMS-Substrats wird dann eine Oxidschicht 14 auf der Oberfläche des ASIC-Substrats 10 abgeschieden und strukturiert. Dabei werden Zugänge zur elektrischen Kontaktierung der ersten Schaltungsebene 1 des ASIC-Substrats 10 und insbesondere der Elektroden 51 geschaffen. Außerdem wird eine Standoff-Struktur 14 zwischen ASIC-Substrat 10 und MEMS-Substrat erzeugt. 2 zeigt das Ergebnis dieses Strukturierungsprozesses.
  • Die strukturierte Oxidschicht 14 bildet die Montagefläche für ein unstrukturiertes MEMS-Substrat 20. Die Verbindung zwischen MEMS-Substrat 20 und ASIC-Substrat 10 wird hier in einem Plasma-aktivierten Direktbondverfahren hergestellt und ist hermetisch dicht. Das relativ dicke MEMS-Substrat 20 wird nun, beispielsweise in einem Schleifprozess, solange abgedünnt, bis seine Dicke in etwa der angestrebten Strukturhöhe des MEMS-Bauelements entspricht. Diese liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 10µm und 150µm. 3 zeigt das ASIC-Substrat 10 mit dem abgedünnten, aber noch unstrukturierten MEMS-Substrat 20 und verdeutlicht die Funktion der Standoff-Struktur 14 als Abstandshalter zwischen der geschlossenen Oberfläche des ASIC-Substrats 10 und dem MEMS-Substrat 20.
  • Erst im Verbund mit dem ASIC-Substrat 10 wird das MEMS-Substrat 20 strukturiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt diese Strukturierung in zwei Schritten.
  • Der erste Strukturierungsschritt dient der Erzeugung von Durchkontakten, sogenannten Vias 22. Dabei werden im MEMS-Substrat 20 Durchgangsöffnungen mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt erzeugt, die in Öffnungen in der Standoff-Struktur 14 münden, und zwar dort, wo die Passivierschicht 13 zur elektrischen Kontaktierung des ASIC-Substrats 10 geöffnet wurde. Derartige Durchgangsöffnungen werden insbesondere auch im Bereich über den Elektroden 51 in der ersten Schaltungsebene 1 des ASIC-Substrats 10 ausgebildet. Die Durchgangsöffnungen haben typischerweise ein Aspektverhältnis von 5:1 bis 20:1 und erstrecken sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats 20. Üblicherweise werden die Wandungen dieser Durchgangsöffnungen mit einer leitfähigen Diffusionsbarriere, wie z. B. Titannitrid oder Titan-Wolfram, beschichtet, bevor sie in einem Abscheidungsprozess mit einem elektrisch leitenden Material 22, wie z.B. Kupfer oder Wolfram, verfüllt werden. 4 zeigt das ASIC-Substrat 10 mit dem MEMS-Substrat 20 nach dem Verfüllen der Durchgangsöffnungen und nachdem das dabei auf der Oberfläche des MEMS-Substrats 20 abgeschiedene leitfähige Material wieder entfernt worden ist.
  • Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Oberfläche des MEMS-Substrats 20 danach über einem Teil der Vias 22 mit einer strukturierten Bondschicht 31 für die Montage eines Kappenwafers versehen. Im zweiten Strukturierungsschritt wird die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements erzeugt. Sie erstreckt sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats 20, wie in 5 dargestellt. Sowohl für den ersten als auch für den zweiten Strukturierungsschritt wird bevorzugt ein Trenchprozess verwendet, da sich mit diesem Verfahren Strukturen mit einem besonders hohen Aspektverhältnis erzeugen lassen. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem MEMS-Bauelement um einen z-Beschleunigungssensor im Wippendesign. Die mikromechanische Sensorstruktur umfasst eine mittig federnd gelagerte Wippenstruktur 23 als seismische Masse, die durch Trenchgräben 24 im MEMS-Substrat 20 definiert und freigelegt ist. Nach der Strukturierung des MEMS-Substrats 20 ist diese Wippenstruktur 23 jedoch noch nicht frei beweglich, da sie zumindest über die Durchkontakte 22 und ggf. auch über die Standoff-Struktur in der Opferschicht 14 fest mit dem ASIC-Substrat 10 verbunden ist.
  • Das ASIC-seitige Freistellen der Wippenstruktur 23 erfolgt bevorzugt in einem einstufigen oder ggf. in einem zweistufigen Opferschicht-Ätzprozess, bei dem zunächst das Oxidmaterial der Standoff-Struktur 14 entfernt wird. Danach wird auch das Material der Isolationsschicht 12 in der Umgebung der Elektroden 51 und 52 in der ersten und zweiten Schaltungsebenen 1, 2 des ASIC-Substrats 10 entfernt. Der Ätzangriff erfolgt jeweils über die Trenchgräben 24 in der mikromechanischen Sensorstruktur, bevorzugt durch Gasphasen-Ätzen mit HF. Das Ergebnis dieses bzw. dieser Opferschicht-Ätzprozesse ist in 6 dargestellt. 6 verdeutlicht, dass die Wippenstruktur 23 über den mit dem Pfeil gekennzeichneten mittigen Durchkontakt 22 federnd mit dem ASIC-Substrat 10 verbunden ist. Die beiden in der ersten Schaltungsebene 1 des ASIC-Substrats 10 ausgebildeten Elektroden 51 sind über die beiden seitlich angeordneten Durchkontakte 22 sowohl mechanisch als auch elektrisch mit der Wippenstruktur 23 verbunden. Bei einer Beschleunigung in z-Richtung werden diese beiden Elektroden 51 zusammen mit der Wippenstruktur 23 ausgelenkt bzw. verkippt, da sie aus der Isolationsschicht 12 und damit aus dem Verbund des ASIC-Substrats 10 herausgelöst sind. Dabei vergrößert sich das Elektrodengap zwischen der beweglichen Elektrode 51 und der gegenüberliegenden feststehenden Elektrode 72 auf der einen Seite der Wippenstruktur 23, während sich das Elektrodengap auf der anderen Seite verringert. Die beweglichen Elektroden 51 bilden so zusammen mit den in der zweiten Schaltungsebene 2 ausgebildeten feststehenden Elektroden 52 eine Messkondensatoranordnung, mit der die Auslenkungen der Wippenstruktur 23 als Differenzkapazität erfasst werden können. Da die einzelnen Schichten der Isolationsschicht 12 des ASIC-Substrats 10 in der Regel sehr dünn sind, ist das Elektrodengap zwischen den Elektroden 51 der ersten Schaltungsebene 1 und den Elektroden 52 der zweiten Schaltungsebene 2 ebenfalls sehr klein, so dass die Signalempfindlichkeit bei der Weg-Kapazitätswandlung dieses Sensorelements sehr hoch ist. An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass die mechanische Verbindung zwischen der MEMS-Struktur 23 und den aus der Isolationsschicht 12 herausgelösten Metallelektroden 51 nicht nur der Lagestabilisierung dieser Elektroden 51 dient, sondern dadurch auch ein Verbiegen der Metallelektroden 51 und andere Alterungseffekte wirkungsvoll unterbunden werden.
  • 7 zeigt ein Bauteil 100, das ausgehend von dem in 6 dargestellten Waferstack aus ASIC-Substrat 10 und MEMS-Substrat 20 mit Wippenstruktur 23 gefertigt worden ist. Vor der Vereinzelung der Bauteile wurde noch ein vorstrukturierter Kappenwafer 30 über der Sensorstruktur auf das MEMS-Substrat 20 gebondet, um die Sensorstruktur unter definierten Druckbedingungen hermetisch dicht in dem Hohlraum zwischen ASIC-Substrat 10 und Kappenwafer 30 einzuschließen. Erst danach wurden die einzelnen Bauteile beispielsweise durch Sägen aus dem Waferverbund gelöst.
  • Das Bauteil 100 wird im Rahmen der 2nd-Level-Montage ASIC-seitig auf einen Träger, wie z.B. eine Leiterplatte, aufgesetzt und dort mechanisch fixiert. Die elektrische Kontaktierung des Bauteils 100 erfolgt hier über ein freiliegendes Anschlusspad 50 in der ersten Schaltungsebene 1, also auf der Oberseite des ASIC-Bauelements 10 und über Drahtbonds 101 zwischen diesem Anschlusspad 60 und dem Bauteilträger.
  • Eine andere Möglichkeit der Montage eines Kappenwafers auf einem Waferstack, wie er in 6 dargestellt ist, zeigt 8. Auch hier wurde ein Kappenwafer 30 über der Sensorstruktur des MEMS-Bauelements 20 montiert, um diese hermetisch dicht gegen die Messumgebung abzuschließen. Im Fall des hier dargestellten Bauteils 200 wurde der Kappenwafer 30 jedoch mit dem ASIC-Substrat 10 verbunden, so dass das MEMS-Bauelement 20 vollständig in dem Hohlraum 32 zwischen ASIC-Substrat 10 und Kappenwafer 30 angeordnet ist. Das Bauteil 200 eignet sich besonders gut für eine Direkt-Montage auf Leiterplatten, da die elektrischen Signale des Bauteils 200 über Durchkontakte 201, sogenannte TSVs (Through Silicon Vias), im ASIC-Bauelement 10 nach außen geführt werden. Diese TSVs 201 erstrecken sich von der untersten Schaltungsebene 5 des ASIC-Bauelements 10 bis auf dessen Rückseite, wo Anschlusspads 202 ausgebildet sind. Sowohl die mechanische Fixierung des Bauteils 200 auf der Leiterplatte als auch die elektrische Kontaktierung können hier einfach mit Hilfe von Lötbumps 203 hergestellt werden.
  • Die in den 9 bis 11 dargestellten Waferstacks, bestehend aus einem ASIC-Substrat 10 und einem strukturierten MEMS-Substrat 20, unterscheiden sich von dem in 6 dargestellten Waferstack eines erfindungsgemäßen Bauteils lediglich in der Realisierung der Messkondensatoranordnung. Deshalb wird bei der nachfolgenden Beschreibung der 9 bis 11 jeweils lediglich die Messkondensatoranordnung im Detail erläutert. Hinsichtlich der übrigen Komponenten der dargestellten Waferstacks wird auf die Beschreibung der 1 bis 6 verwiesen.
  • Während die beweglichen und feststehenden Elektroden 51 und 52 der in 6 dargestellten Messkondensatoranordnung in der ersten und zweiten Schaltungsebene 1 und 2 des ASIC-Substrats 10 ausgebildet sind, handelt es sich bei den Elektroden 61 und 62 der Messkondensatoranordnung im Fall der 9 um Elektroden der zweiten und dritten Schaltungsebene 2 und 3 des ASIC-Substrats 10. Die beweglichen Elektroden 61 sind in der zweiten Schaltungsebene 2 ausgebildet und über metallische Stützstellen 63 an Anschlusspads 64 in der ersten Schaltungsebene 1 gekoppelt, die über Durchkontakte 22 elektrisch und mechanisch an die MEMS-Struktur 20 angebunden sind. Die Anschlusspads 64 sind zusammen mit den beweglichen Elektroden 61 aus der Isolationsschicht 12 des ASIC-Substrats 10 herausgelöst. Die feststehenden Elektroden 62 der Messkondensatoranordnung sind unterhalb der beweglichen Elektroden 61 in der dritten Schaltungsebene 3 angelegt. Sie sind fest in die Isolationsschicht 12 des ASIC-Substrats 10 eingebunden. Die Messsignalerfassung und -auswertung erfolgt hier ansonsten genau wie im Fall der in 6 dargestellten Messkondensatoranordnung.
  • Die in 10 dargestellte Messkondensatoranordnung umfasst im Unterschied zu den voranstehend beschriebenen Kondensatoranordnungen drei Elektrodenebenen. D.h., die bewegliche Elektrode wird innerhalb eines Elektrodengaps zwischen zwei feststehenden Elektroden ausgelenkt. Die feststehenden Elektroden 72 und 75 der hier dargestellten Messkondensatoranordnung sind in der ersten und dritten Schaltungsebene 1 und 3 des ASIC-Substrats 10 ausgebildet, während die beweglichen Elektroden 71 in der zweiten Schaltungsebene 2 des ASIC-Substrats 10 angelegt sind und über metallische Stützstellen 73 an Anschlusspads 74 in der ersten Schaltungsebene 1 gekoppelt sind. Die Anschlusspads 74 sind zusammen mit den beweglichen Elektroden 71 aus der Isolationsschicht 12 des ASIC-Substrats 10 herausgelöst und dafür über Durchkontakte 22 elektrisch und mechanisch an die MEMS-Struktur 20 angebunden. Die oberhalb der beweglichen Elektroden 71 positionierten, feststehenden Elektroden 75 der ersten Schaltungsebene 1 sind neben den Anschlusspads 74 ausgebildet und überlappend zu den beweglichen Elektroden 71 angeordnet. Sie sind über metallische Stützstellen 73 mechanisch an die unteren Schaltungsebenen 2, 3 und damit an das ASIC-Substrat 10 angebunden. Die feststehenden Elektroden 72 der dritten Schaltungsebene 3 sind unterhalb der beweglichen Elektroden 71 angelegt und fest in die Isolationsschicht 12 des ASIC-Substrats 10 eingebunden.
  • Die Auslenkungen der Wippenstruktur 23 können mit dieser Messkondensatoranordnung auf beiden Seiten der federnden Aufhängung jeweils als Kapazitätsdifferenz erfasst werden, was durch die verkippte Darstellung der Wippenstruktur 23 in 10 veranschaulicht wird. Diese volldifferentielle Messwerterfassung erweist sich beispielsweise dann als vorteilhaft, wenn innerhalb des Bauteils montagebedingte oder thermisch bedingte mechanische Spannungen auftreten, die eine Auslenkung der Wippenstruktur aus der ursprünglichen Ruhelage zur Folge haben. Bei einer Messkondensatoranordnung mit nur zwei Elektrodenebenen, wie in den 6 und 9 dargestellt, führt dies zu Empfindlichkeits- und Offsetveränderungen des Sensors. Bei Messkondensatoranordnungen mit drei Elektrodenebenen können die Auswirkungen dieser Effekte auf das Sensorsignal weitestgehend eliminiert werden, da sich das Elektrodengap auf der einen Seite einer beweglichen Elektrode in dem Maße vergrößert wie sich das Elektrodengap auf der anderen Seite dieser beweglichen Elektrode verkleinert.
  • Auch in 11 ist eine volldifferentielle Messkondensatoranordnung mit drei Elektrodenebenen dargestellt. Jedoch sind hier lediglich die beweglichen Elektroden 81 und eine feststehende Elektrodenebene in den Schaltungsebenen des ASIC-Substrats 10 angelegt. Die beweglichen Elektroden 81 sind aus der ersten Schaltungsebene 1 herausstrukturiert und über Durchkontakte 22 elektrisch und mechanisch an die MEMS-Struktur 20 angebunden. In der zweiten Schaltungsebene 2 unterhalb der beweglichen Elektroden 81 sind die feststehenden Elektroden 82 ausgebildet und fest in die Isolationsschicht 12 des ASIC-Substrats 10 eingebunden. Die dritte Elektrodenebene mit feststehenden Elektroden 85 oberhalb der beweglichen Elektroden 81 ist hier im feststehenden Randbereich der MEMS-Struktur 20 realisiert, so dass auch im Fall der 11 die Auslenkungen der Wippenstruktur 23 auf beiden Seiten der federnden Aufhängung jeweils als Kapazitätsdifferenz erfasst werden können.
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (18)

  1. Hybrid integriertes Bauteil, mindestens umfassend • ein MEMS-Bauelement (20) mit einer mikromechanischen Struktur, die sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats (20) erstreckt, wobei zumindest ein Strukturelement (23) dieser mikromechanischen Struktur auslenkbar ist und mit mindestens einer Kondensatoranordnung wirkverbunden ist, die mindestens eine bewegliche Elektrode (51) und mindestens eine feststehende Elektrode (52) umfasst, und • ein ASIC-Bauelement (10) mit mindestens einer Elektrode (52) der Kondensatoranordnung, wobei das MEMS-Bauelement (20) auf dem ASIC-Bauelement (10) montiert ist, so dass zwischen der mikromechanischen Struktur und der Oberfläche des ASIC-Bauelements (10) ein Spalt (21) besteht; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (51) der Kondensatoranordnung aus dem Schichtaufbau des ASIC-Bauelements (10) herausgelöst ist, stattdessen mechanisch und elektrisch an das auslenkbare Strukturelement (23) des MEMS-Bauelements (20) angebunden ist und als bewegliche Elektrode (51) der Kondensatoranordnung fungiert.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine feststehende Elektrode (85) der Kondensatoranordnung in das MEMS-Bauelements (20) integriert ist.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine feststehende Elektrode (52) der Kondensatoranordnung in den Schichtaufbau des ASIC-Bauelements (10) integriert ist.
  4. Bauteil nach Anspruch 3, wobei auf dem ASIC-Bauelement (10) eine erste strukturierte Metallschicht (1) ausgebildet ist, die durch mindestens eine Isolationsschicht (12) gegen das Ausgangssubstrat (11) des ASIC-Bauelements (10) elektrisch isoliert ist, und wobei in die Isolationsschicht (12) mindestens eine weitere strukturierte Metallschicht (2 bis 5) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens zwei Metallschichten (1, 2) des ASIC-Bauelements (10) jeweils eine Elektrode (51, 52) mindestens einer Kondensatoranordnung ausgebildet ist.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem auslenkbaren Strukturelement (23) und der beweglichen Elektrode (51) der Kondensatoranordnung in Form mindestens eines Durchkontakts (22) realisiert ist, der sich durch die gesamte Dicke der mikromechanischen Struktur und über den Spalt (21) zwischen MEMS-Bauelement (20) und ASIC-Bauelement (10) erstreckt.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements (20) verkappt ist.
  7. Bauteil (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im ASIC-Bauelement (10) Durchkontakte (TSVs) (201) zur externen Kontaktierung des Bauteils (200) ausgebildet sind.
  8. Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ASIC-Bauelement (10) freiliegende Anschlusspads (50) zur externen Kontaktierung des Bauteils (100) ausgebildet sind.
  9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das MEMS-Bauelement (20) eine mikromechanische Sensorstruktur mit mindestens einer seismischen Masse (23) umfasst, die sich über die gesamte Dicke des MEMS-Bauelements (20) erstreckt, und bei dem auf dem zugeordneten ASIC-Bauelement (10) zumindest Teile einer Signalverarbeitungs- und Auswerteschaltung für die Sensorsignale integriert sind.
  10. Verfahren zum Herstellen eines hybrid integrierten Bauteils mit einem MEMS-Bauelement (20) und mit einem ASIC-Bauelement (10), insbesondere zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9, • bei dem zunächst ein ASIC-Substrat (10) prozessiert wird, wobei mindestens eine Elektrode (51, 52) mindestens einer Kondensatoranordnung angelegt wird, • bei dem ein MEMS-Substrat (20) auf dem ASIC-Substrat (10) montiert wird, • bei dem im MEMS-Substrat (20) mindestens ein Durchkontakt (22) zur mechanischen und elektrischen Anbindung der mindestens einen im ASIC-Substrat angelegten Elektrode (51) erzeugt wird, • bei dem eine mikromechanische Struktur im MEMS-Substrat (20) erzeugt wird, die sich über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats (20) erstreckt, • bei dem zumindest ein Strukturelement (23) der mikromechanischen Struktur ASIC-seitig freigestellt wird und • bei dem die mindestens eine im ASIC-Substrat (10) angelegte und über den mindestens einen Durchkontakt (22) an dieses Strukturelement (23) angebundene Elektrode (51) aus dem Verbund des ASIC-Substrats (10) gelöst wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Prozessierung des ASIC-Substrats (10) ein Schichtaufbau auf einem Ausgangssubstrat (11) erzeugt wird, der mehrere in mindestens eine Isolationsschicht (12) eingebettete und strukturierte Metallschichten (2 bis 5) sowie eine strukturierte Metallschicht (1) auf der ASIC-Vorderseite umfasst, und dass bei der Strukturierung dieser Metallschichten (1 bis 5) mindestens eine Elektrode (51, 52) mindestens einer Kondensatoranordnung ausgebildet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite des prozessierten ASIC-Substrats (10) eine Standoff-Struktur (14) erzeugt wird und dass das MEMS-Substrat (20) auf dieser Standoff-Struktur (14) montiert wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem MEMS-Substrat (20) und dem prozessierten ASIC-Substrat (10) in einem Bondverfahren hergestellt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Substrat (20) nach der Montage auf dem prozessierten ASIC-Substrat (10) bis auf eine vorgegebene Strukturhöhe der zu erzeugenden mikromechanischen Struktur abgedünnt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Strukturierungsprozess Durchgangsöffnungen für die Durchkontakte (22) im MEMS-Substrat (20) erzeugt werden, dass diese Durchgangsöffnungen dann mit einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere mit Wolfram oder Kupfer, verfüllt werden und dass die mikromechanische Struktur dann in einem zweiten Strukturierungsprozess erzeugt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung des MEMS-Substrats (20) jeweils in einem Trenchprozess erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine bewegliche Elektrode (51) der Messkondensatoranordnung in einem Opferschichtätzprozess aus dem Verbund des ASIC-Substrats (10) herausgelöst wird, indem das Material der Isolationsschicht (12) über Gräben (24) in der mikromechanischen Struktur des MEMS-Substrats (20) zumindest bereichsweise entfernt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, bei dem der Waferstack, bestehend aus ASIC-Substrat (10) und prozessiertem MEMS-Substrat (20) mit einem vorstrukturierten Kappenwafer (30) versehen wird, so dass die mikromechanische Struktur hermetisch dicht zwischen dem ASIC-Substrat (10) und dem Kappenwafer (30) eingeschlossen ist, und bei dem die Bauteile erst danach vereinzelt werden.
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