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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens einem MEMS (Micro Electro Mechanical System)-Bauelement und mit mindestens einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit)-Bauelement. Die Funktionalität des MEMS-Bauelements ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert. Dieser Schichtaufbau umfasst mindestens eine Leiterbahnebene und mindestens eine Funktionsschicht, in der die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements mit mindestens einem auslenkbaren Strukturelement ausgebildet ist. Die Leiterbahnebene ist einerseits durch mindestens eine Isolationsschicht gegen das Halbleitersubstrat isoliert und andererseits durch mindestens eine Isolationsschicht gegen die Funktionsschicht isoliert. Das ASIC-Bauelement ist face-down auf dem Schichtaufbau des MEMS-Bauelements montiert und fungiert als Kappe für die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements.
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Bei dem MEMS-Bauelement kann es sich um ein Sensorelement mit Schaltungsmitteln zum Erfassen der Auslenkung des mikromechanischen Strukturelements handeln oder auch um ein Aktorelement mit Schaltungsmitteln zum Ansteuern des auslenkbaren Strukturelements. Vorteilhafterweise sind auf dem ASIC-Bauelement Schaltungsfunktionen für das MEMS-Bauelement integriert. D.h., im Falle eines Sensorelements umfasst das ASIC-Bauelement eine Auswerteschaltung für die Sensorsignale und im Falle eines Aktorelements umfasst das ASIC-Bauelement eine Ansteuerschaltung zum Anregen der mikromechanischen Struktur. Selbstverständlich kann das ASIC-Bauelement aber auch mit MEMS-unabhängigen Schaltungsfunktionen ausgestattet sein.
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Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist das in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 048 604 A1 beschriebene Bauteilkonzept. Demnach wird ein MEMS-Wafer mit einem Schichtaufbau bereitgestellt, in dem mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik eine mikromechanische Struktur erzeugt wurde.
In der Praxis wird dazu zunächst eine erste Isolationsschicht auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht. Darüber wird eine Leiterbahnebene in Form einer dotierten und strukturierten Polysiliziumschicht erzeugt. Über einer weiteren Isolationsschicht, die außerdem als Opferschicht dient, wird schließlich noch eine vergleichsweise dicke Epi-Polysiliziumschicht als Funktionsschicht abgeschieden, in der die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements realisiert wird. Dazu wird die Funktionsschicht zunächst strukturiert, um die Geometrie der mikromechanischen Struktur zu definieren. Danach wird die mikromechanische Struktur in einem Opferschichtprozess freigestellt, bei dem die weitere Isolationsschicht unterhalb der mikromechanischen Struktur entfernt wird.
Auf den Schichtaufbau des so prozessierten MEMS-Wafers wird ein ASIC-Wafer montiert, und zwar face-down, so dass die mit Schaltungsfunktionen versehene Oberfläche des ASIC-Wafers dem MEMS-Wafer zugewandt ist. Auf diese Weise sind sowohl die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements als auch die Schaltungsfunktionen des ASIC-Bauelements verkappt. Die Verbindung zwischen MEMS-Wafer und ASIC-Wafer wird hier in einem eutektischen Bondverfahren hergestellt. Dabei können neben einer hermetisch dichten Verbindung zwischen den beiden Wafern auch elektrische Verbindungen zwischen dem MEMS-Wafer und dem ASIC-Wafer hergestellt werden.
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Das bekannte Bauteilkonzept ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion von robusten Bauteilen mit einer mikromechanischen Sensor- oder Aktorfunktion und einer Auswerte- oder Ansteuerschaltung, da hier nicht nur die einzelnen Bauteilkomponenten - MEMS-Bauelement und ASIC-Bauelement - 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 auf Waferebene vorgenommen werden. Der gestapelte Aufbau der bekannten Bauteile trägt außerdem zu einer Reduzierung der Fertigungskosten der Endgeräte bei, da diese Bauteile nur eine vergleichsweise geringe Montagefläche bei der 2nd-Level- Montage benötigen.
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Die Veröffentlichung
US 2008/0196502 A1 offenbart einen MEMS-Beschleunigungssensor auf einem CMOS-Substrat, wobei eine Metalllage des CMOS-Substrats als kapazitive Gegenelektrode für die bewegliche Masse fungiert. Es sind sowohl Elektroden oberhalb der beweglichen Masse, als auch Elektroden unterhalb der beweglichen Masse vorgesehen. Die die Schichten sind offensichtlich monolithisch aufeinander abgeschieden.
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Die Veröffentlichung
WO 2012/040211 A2 offenbart einen MEMS-Drucksensor, der auf einem ASIC 224 gebondet ist. Dabei ist eine Elektrode des Sensors auf der Oberfläche des ASIC vorgesehen.
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Die Veröffentlichung
US 2007/0134835 A1 offenbart einen MEMS-Schalter mit drei Elektroden, wobei eine Elektrode auf einem ASIC vorgesehen ist. Die Schichten des MEMS sind auf dem ASIC abgeschieden.
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Die Veröffentlichung
US 2005/0082252 A1 offenbart einen Drehratensensor, wobei unterhalb des MEMS Substrats ein ASIC vorgesehen ist, auf dessen Oberfläche Elektroden vorgesehen sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein hybrid integriertes Bauteil mit einem MEMS-Bauelement und einem ASIC-Bauelement weiterentwickelt, dessen mikromechanische Funktion auf einem kapazitiven Detektions- oder Anregungsprinzip beruht. Insbesondere werden Maßnahmen zur Verbesserung der kapazitiven Signalerfassung bzw. Ansteuerung vorgeschlagen.
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Dazu ist das auslenkbare Strukturelement des MEMS-Bauelements mit mindestens einer Elektrode einer Kondensatoranordnung ausgestattet. Mindestens eine feststehende Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung ist in der Leiterbahnebene des MEMS-Bauelements ausgebildet. Erfindungsgemäß umfasst die Kondensatoranordnung mindestens eine weitere Gegenelektrode, die auf dem ASIC-Bauelement angeordnet ist.
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Demnach ist das erfindungsgemäße Bauteil mit einer Differenzkondensatoranordnung ausgestattet, deren feststehende „out of plane“-Elektroden einerseits im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements vergraben sind und andererseits auf dem ASIC-Bauelement realisiert sind. Damit lässt sich auf einer vergleichsweise kleinen Chipfläche eine hohe Empfindlichkeit der MEMS-Funktion erzielen. Diese Art der Kondensatoranordnung ermöglicht die Realisierung von mikromechanischen Drehratensensoren mit hoher Vibrationsfestigkeit. Bei mikromechanischen Beschleunigungssensoren lässt sich so eine große Offsetstabilität erzielen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auf der Oberseite des ASIC-Bauelements ein Schichtaufbau mit mehreren Schaltungsebenen ausgebildet, die durch Isolationsschichten gegen das Halbleitersubstrat des ASIC-Bauelements und gegeneinander elektrisch isoliert sind. Im Falle eines CMOS-Wafers sind diese Schaltungsebenen in Form von strukturierten Metallschichten des Backendstapels realisiert. Die mindestens eine weitere Gegenelektrode der Kondensatoranordnung kann dann einfach in einer der Schaltungsebenen ausgebildet sein. Dazu bietet sich die oberste Schaltungsebene an. Es kann aber auch eine tieferliegende Schaltungsebene genutzt werden, wenn die darüber liegenden Schaltungsebenen entsprechen strukturiert und im Bereich der Gegenelektrode entfernt worden sind. Auf diese Weise lässt sich die Empfindlichkeit der Kondensatoranordnung gezielt beeinflussen. Die Empfindlichkeit hängt nämlich wesentlich von den Elektrodenabständen ab, aber auch vom Dielektrikum zwischen den Elektroden der Kondensatoranordnung, was insbesondere dann zu berücksichtigen ist, wenn die eine Gegenelektrode in einer unteren Schaltungsebene innerhalb des Schichtaufbaus des ASIC-Bauelements ausgebildet ist. Bei vielen Anwendungen, wie z.B. bei Inertialsensoren, ist es von Vorteil, wenn beide Elektrodengaps der Kondensatoranordnung im Wesentlichen gleich groß sind, wenn also der Abstand zwischen der vergrabenen, unteren Elektrode im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements und der Unterseite des auslenkbaren Strukturelements und der Abstand zwischen der oberen Elektrode des ASIC-Bauelements und der Oberseite des auslenkbaren Strukturelements ähnlich sind. In diesem Fall lässt sich eine besonders gute Vibrationsfestigkeit und Offsetstabilität erzielen.
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Insbesondere bei einem Bauteilaufbau mit kleinen Elektrodengaps erweist es sich als vorteilhaft, wenn mindestens eine Elektrodenfläche in der obersten Schaltungsebene des ASIC-Bauelements als mechanischer Anschlag für das auslenkbare Strukturelement des MEMS-Bauelements dient. Das ASIC-Bauelement bildet in diesem Fall einen mechanischen Überlastschutz für die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements. Um im Fall einer Überlastsituation einen Kurzschluss zwischen den Schaltungsfunktionen des ASIC-Bauelements und der mikromechanischen Struktur des MEMS-Bauelements zu verhindern, wird die als mechanischer Anschlag dienende Elektrodenfläche so verschaltet, dass sie auf dem gleichen elektrischen Potential liegt wie die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements liegt. Dies lässt sich aufgrund der sehr flexiblen Verdrahtungsmöglichkeiten der Schaltungsebenen des ASIC-Bauelements einfach realisieren.
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Die flexiblen Verdrahtungsmöglichkeiten der Schaltungsebenen des ASIC-Bauelements werden auch in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung genutzt, und zwar um räumlich getrennte Bereiche der Leiterbahnebene des MEMS-Bauelements über Verbindungsbereiche in der Funktionsschicht und mindestens eine Schaltungsebene des ASIC-Bauteils elektrisch zu verbinden. Dies erweist sich in mehrerlei Hinsicht als vorteilhaft. Leiterbahnen in der Leiterbahnebene des MEMS-Bauelements haben eine Mindestbreite von 30µm-40µm und damit einen hohen Platzbedarf und hohe Parasitärkapazitäten. Im Unterschied dazu können in den Schaltungsebenen des ASIC-Bauelements Leiterbahnbreiten in der Größenordnung von 1µm problemlos realisiert werden. Demnach lassen sich durch Nutzung der Verdrahtungsmöglichkeiten des ASIC-Bauelements zur Verdrahtung von Schaltungselementen in der Leiterbahnebene des MEMS-Bauelements die Parasitärkapazitäten, die Verbindungswiderstände und der Platzbedarf für diese Verdrahtung erheblich reduzieren.
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Wie bereits erwähnt, hängt die Empfindlichkeit der Kondensatoranordnung wesentlich vom Abstand zwischen der beweglichen und den feststehenden Elektroden ab. Je kleiner diese Abstände sind, umso größer ist die Empfindlichkeit. Demnach steht die Anforderung nach möglichst hoher Empfindlichkeit der „out of plane“-Beweglichkeit der mikromechanischen Struktur entgegen. Insbesondere im Fall von asymmetrisch aufgehängten Strukturelementen und bei geeigneter Elektrodenanordnung auf dem auslenkbaren Strukturelement des MEMS-Bauelements und auf dem ASIC-Bauelement kann beiden Anforderungen Rechnung getragen werden, indem in der Oberseite des ASIC-Bauelements mindestens eine Ausnehmung für das auslenkbare Strukturelement des MEMS-Bauelements ausgebildet ist.
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Der Abstand zwischen der Elektrode auf dem auslenkbaren Strukturelement des MEMS-Bauelements und der feststehenden Elektrode auf dem ASIC-Bauelement hängt wesentlich von der Art der Montage des ASIC-Bauelements auf dem MEMS-Bauelement ab. Wie bereits erwähnt, kommen hier bevorzugt Bondverfahren zum Einsatz, da sich mit diesen Verfahren nicht nur hermetisch dichte und mechanisch sehr stabile und dauerhafte Verbindungen herstellen lassen, sondern auch elektrische Verbindungen zwischen den Bauelementen erzeugt werden können. Dazu werden häufig metallische Bondmaterialien auf die Verbindungsoberflächen aufgebracht, die dann im Verlauf einer Wärmebehandlung eine eutektische Verbindung bilden. Die Dicke der entstehenden Verbindungsschicht bestimmt den Abstand zwischen MEMS-Bauelement und ASIC-Bauelement und demnach auch den Elektrodenabstand.
Eine Möglichkeit zur Verringerung dieses montagebedingten Elektrodenabstands besteht darin, das Verbindungsmaterial in einer Ausnehmung in der Oberseite des ASIC-Bauelements und/oder in einer Ausnehmung in der Oberseite des MEMS-Bauelements zu platzieren. In bestimmten Fällen kann es aber auch sinnvoll sein, den montagebedingten Elektrodenabstand zu vergrößern. Dazu kann auch die Funktionsschicht des MEMS-Bauelements im Bereich der mikromechanischen Struktur rückgedünnt werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich insbesondere für die Realisierung von hybrid integrierten berührungslos arbeitenden Sensor-Bauteilen, wie z.B. Inertialsensor-Bauteilen, da die Sensorstruktur hier hermetisch zwischen MEMS-Substrat und ASIC-Kappe eingeschlossen ist und so gegen Verschmutzung und eine aggressive Messumgebung geschützt ist. Im Fall eines Inertialsensor-Bauteils umfasst die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements mindestens eine federnd aufgehängte seismische Masse als auslenkbares Strukturelement. Die Beweglichkeit der seismischen Masse wird hier substratseitig durch das Entfernen der Opferschicht gewährleistet und ASIC-seitig durch eine Verbindungsschicht zwischen MEMS-Bauelement und ASIC-Bauelement. Vorteilhafterweise ist die Ansteuer- bzw. Auswerteschaltung für das MEMS-Bauelement im ASIC-Substrat integriert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
- Die 1a, 1b und 2 bis 6 zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils zum Erfassen von z-Beschleunigungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das in den 1a und 1b dargestellte Sensorbauteil 100 besteht im Wesentlichen aus einem MEMS-Bauelement 10 und einem ASIC-Bauelement 20.
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Die Funktionalität des MEMS-Bauelements 10 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Siliziumsubstrat handeln. Der Schichtaufbau umfasst eine Leiterbahnebene 3 und eine Funktionsschicht 5. Die Leiterbahnebene 3 ist hier in Form einer dotierten Polysiliziumschicht realisiert, die über einer ersten Isolationsschicht 2 aus Siliziumoxid auf dem Halbleitersubstrat 1 abgeschieden wurde. Durch Strukturierung der Polysiliziumschicht 3 wurden einzelne Bereiche der Leiterbahnebene 3 räumlich voneinander getrennt, um so Leiterbahnen, einen Anschlussbereich 31 für die mikromechanische Sensorstruktur und auch zwei feststehende Elektroden 32 einer Messkondensatoranordnung zu erzeugen. Die beiden feststehenden Elektroden 32 der Messkondensatoranordnung sind symmetrisch zu beiden Seiten des Anschlussbereichs 31 angeordnet. Über der so strukturierten Leiterbahnebene 3 wurde dann zunächst eine weitere Oxidschicht 4 erzeugt und strukturiert, bevor eine dicke Epi-Polysiliziumschicht 5 als Funktionsschicht auf dem Schichtaufbau abgeschieden wurde. Die Oxidschicht 4 dient hier als elektrische Isolation zwischen der Leiterbahnebene 3 und der Funktionsschicht 5, aber auch als Opferschicht, die nach der Strukturierung der Funktionsschicht 5 bereichsweise entfernt wurde, um die so erzeugte mikromechanische Sensorstruktur 11 in der Funktionsschicht 5 freizustellen. Dementsprechend bestimmt die Dicke der Opferschicht 4 den Abstand zwischen der mikromechanischen Sensorstruktur 11 und den Elektroden 32 in der Leiterbahnebene 3. Typische Abstände zwischen der mikromechanischen Sensorstruktur 11 und der Leiterbahnebene 3 sind 0,5µm bis 3µm, bevorzugt 1,0µm bis 2,0µm. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die mikromechanische Sensorstruktur in Form einer asymmetrisch gelagerten, wippenförmigen seismischen Masse 11 realisiert, die an den Anschlussbereich 31 der Leiterbahnebene 3 mechanisch und elektrisch angebunden ist. Die seismische Masse 11 fungiert als bewegliche Elektrode der Messkondensatoranordnung. 1a zeigt die seismische Masse 11 in der Ruhelage, in der 1b ist die seismische Masse 11 maximal ausgelenkt. Die Wippenbewegung der seismischen Masse 11 ist durch einen Pfeil angedeutet.
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Das ASIC-Bauelement 20 ist face-down auf dem Schichtaufbau des MEMS-Bauelements 10 montiert, so dass das ASIC-Bauelement 20 eine Kappe für die Sensorstruktur des MEMS-Bauelements 10 bildet und die seismische Masse 11 hermetisch dicht zwischen dem MEMS-Substrat 1 und dem ASIC-Bauelement 20 eingeschlossen ist. Die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den beiden Bauelementen 10 und 20 wurde hier in einem Bondverfahren unter Verwendung von metallischen Verbindungsmaterialien 7 hergestellt. Da die ASIC-seitigen Bondpads in der obersten Schaltungsebene 61 des ASIC-Bauelements 20 ausgebildet sind und die MEMS-Oberfläche keine Vertiefungen im Bondbereich aufweist, bestimmt die Dicke der Verbindungsschicht 7 den Abstand zwischen den beiden Bauelementen 10 und 20. Auf die Darstellung von Vias und Rückseitenkontakten im ASIC-Bauelement 20 wird hier und auch in den übrigen Figuren verzichtet.
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Das ASIC-Bauelement 20 umfasst ein Ausgangssubstrat 21, in das in einem CMOS-Prozess zumindest Teile einer Signalverarbeitungs- und Auswerteschaltung 211 für die MEMS-Sensorfunktion des Bauteils 100 integriert wurden. Das Ausgangssubstrat 21 wurde dann mit einer Mehrlagenmetallisierung zur Umverdrahtung der Schaltungsfunktionen versehen. Dazu wurde auf dem Ausgangssubstrat 21 ein Schichtaufbau erzeugt, der mehrere strukturierte Metallschichten als Schaltungsebenen 61, 62, 63, ... umfasst. Diese sind durch Verbindungsleitungen untereinander und/oder mit den elektrischen Schaltungselementen 211 verbunden, aber ansonsten räumlich und elektrisch durch Isolationsschichten voneinander und vom Ausgangssubstrat 21 getrennt. Da es sich im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel bei den Isolationsschichten jeweils um eine Oxidschicht handelt, wird im Folgenden nicht zwischen den einzelnen Isolationsschichten unterschieden. Vielmehr bilden diese zusammen eine Isolationsschicht 22, in die die Schaltungsebenen 61, 62, 63, ... eingebettet sind. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind in der obersten Schaltungsebene 61 des ASIC-Bauelements 20 zwei weitere feststehende Gegenelektroden 611 der Messkondensatoranordnung ausgebildet. Diese beiden Gegenelektroden 611 sind gegenüber den feststehenden Elektroden 32 in der Leiterbahnebene 3 angeordnet. Der Abstand der Gegenelektroden 611 zur seismischen Masse 11 des MEMS-Bauelements 10 wird durch den Montageabstand, also die Dicke der Verbindungsschicht 7, bestimmt, der im Fall des Sensorbauteils 100 im Wesentlichen dem Abstand zwischen der Leiterbahnebene 3 und der seismischer Masse 11 entspricht. Ein derartiger Montageabstand lässt sich beispielsweise mit eutektischen Bondverfahren erzielen, wie Al-Ge, oder auch in einem metallischen Thermokompressionsbondverfahren, wie Au-Au.
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Demnach umfasst die Messkondensatoranordnung des Sensorbauteils 100 also drei Elektrodenebenen, nämlich die Leiterbahnebene 3 mit den feststehenden Elektroden 32, die Funktionsschicht 5 mit der seismischen Masse 11 als auslenkbarer Elektrode und die erste Schaltungsebene 61 des ASIC-Bauelements 20 mit den beiden feststehenden Gegenelektroden 611, wobei die beiden Ebenen mit den feststehenden Elektroden 32 und 611 symmetrisch zur seismischen Masse 11 angeordnet sind. Die Auslenkungen der seismischen Masse 11 können mit dieser Messkondensatoranordnung auf beiden Seiten der Wippenstruktur jeweils als Kapazitätsdifferenz erfasst werden. Diese volldifferentielle Messwerterfassung erweist sich beispielsweise dann als vorteilhaft, wenn innerhalb des Bauteils montagebedingte oder thermisch bedingte mechanische Spannungen auftreten, die eine Auslenkung der wippenförmigen seismischen Masse 11 aus der ursprünglichen Ruhelage zur Folge haben. Bei Messkondensatoranordnungen mit drei Elektrodenebenen können die Auswirkungen dieser Effekte auf das Sensorsignal weitestgehend eliminiert werden, da sich das Elektrodengap auf der einen Seite der seismischen Masse 11 in dem Maße vergrößert wie sich das Elektrodengap auf der anderen Seite der seismischen Masse 11 verkleinert. Die Symmetrie der Kondensatoranordnung bietet zudem Performancevorteile im Hinblick auf die Vibrationsfestigkeit und die Offsetstabilität des Sensorsignals.
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Des Weiteren ist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in der obersten Metallebene 61 des ASIC-Bauelements 20 ein mechanischer Anschlag 612 für die seismische Masse 11 ausgebildet, was insbesondere durch 1b veranschaulicht wird. Dieser mechanische Anschlag 612 dient als Überlastschutz für die mikromechanische Sensorstruktur. Er wurde mit Hilfe der Verdrahtung des ASIC-Bauelements 20 auf das gleiche elektrische Potential gelegt wie die seismische Masse 11, so dass auch im Fall einer Überlastsituation kein Kurzschluss zwischen der mikromechanischen Sensorstruktur und den Schaltungsfunktionen des ASIC-Bauelements 20 auftreten kann.
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Die Verbindungsschicht 7 zwischen dem MEMS-Bauelement 10 und dem ASIC-Bauelement 20 des in 2 dargestellten Sensorbauteils 200 ist deutlich dünner als im Fall des voranstehend beschriebenen Sensorbauteils 100, während die Opferschicht 4 in beiden Fällen in etwa gleich dick ist. Dementsprechend ist der Abstand zwischen den beiden Bauelementen 10 und 20 im Fall des Sensorbauteils 200 geringer als der Abstand zwischen der seismischen Masse 11 und der Leiterbahnebene 3. Um dennoch eine symmetrische Elektrodenanordnung anzunähern, sind die ASIC-seitigen feststehenden Gegenelektroden 621 des in 2 dargestellten Sensorbauteils 200 nicht in der obersten Schaltungsebene 61 des ASIC-Bauelements 20 ausgebildet sondern in der zweiten Schaltungsebene 62. Außerdem sind die Gegenelektroden 621 hier vollständig in die Isolationsschicht 22 eingebettet.
Da sich das in 2 dargestellte Sensorbauteil 200 ansonsten nicht von dem Sensorbauteil 100 unterscheidet, wird hinsichtlich der übrigen Komponenten auf die Erläuterungen zu 1 verwiesen.
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An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass es für spezielle Anwendungen auch vorteilhaft sein kann, in einem Bauteil unterschiedliche Elektrodengaps zu realisieren. Auch in diesem Fall können die ASIC-seitigen „out of plane“-Elektroden einfach in einer tieferliegenden Metallebene des ASIC-Backendstapels realisiert werden. Dazu müssen die darüber liegenden Metallebenen im Herstellungsprozess lokal entfernt werden. Wenn sich oberhalb dieser tieferliegenden Metallebene noch Oxidschichten mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstanten befinden, ergibt sich für kapazitive Sensoren eine Serienschaltung von Kapazitäten mit einer immer noch recht hohen Gesamtkapazität. Deshalb führt eine derartige Anordnung allenfalls zu einer moderaten Reduktion der Empfindlichkeit der Kondensatoranordnung.
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3 veranschaulicht eine andere Möglichkeit der Angleichung von oberem und unterem Elektrodengap der Kondensatoranordnung, wenn die Verbindungsschicht 7 zwischen dem MEMS-Bauelement 10 und dem ASIC-Bauelement 20 deutlich dünner ist als die Opferschicht 4. Im Fall des Sensorbauteils 300 wurde die seismische Masse 11 lokal rückgedünnt, um den Abstand zwischen der seismischen Masse 11 und den feststehenden Gegenelektroden 611 in der obersten Schaltungsebene 61 des ASIC-Bauelements 20 zu vergrößern und an den Abstand zwischen seismischer Masse 11 und den Elektroden 32 in der Leiterbahnebene 3 anzugleichen. Diese Strukturierung der Funktionsschicht 5 des MEMS-Bauelements 10, die hier durch Pfeile hervorgehoben wird, erfolgte vor dem Waferbondprozess.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass in einem derartigen Strukturierungsprozess zur Angleichung von oberem und unterem Elektrodengap alternativ auch Erhöhungen im Bereich der Bondverbindung erzeugt werden können. Anstelle der MEMS-Oberfläche oder ergänzend dazu kann auch die ASIC-Oberfläche mit einer entsprechenden Struktur versehen werden.
Da sich das in 3 dargestellte Sensorbauteil 300 ansonsten nicht von dem Sensorbauteil 100 unterscheidet, wird hinsichtlich der übrigen Komponenten auf die Erläuterungen zu 1 verwiesen.
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Im Fall des in 4 dargestellten Sensorbauteils 400 ist die Verbindungsschicht 7 zwischen dem MEMS-Bauelement 10 und dem ASIC-Bauelement 20 deutlich dicker als der Abstand zwischen der seismischen Masse 11 und den feststehenden Elektroden 32 in der Leiterbahnebene 3. Um dennoch eine symmetrische Elektrodenanordnung anzunähern, wurde die Bondverbindung auf eine untere, hier die zweite Metallebene 62 gelegt, während die ASIC-seitigen feststehenden Gegenelektroden 621 in der obersten Schaltungsebene 61 ausgebildet sind. Ergänzend oder auch alternativ zu der dafür erforderlichen Strukturierung der ASIC-Oberfläche könnte auch die MEMS-Oberfläche im Bondbereich mit einer Vertiefung bzw. Vertiefungen versehen werden, um das obere Elektrodengap an das untere Elektrodengap anzugleichen.
Da sich das in 4 dargestellte Sensorbauteil 400 ansonsten nicht von dem Sensorbauteil 100 unterscheidet, wird hinsichtlich der übrigen Komponenten auf die Erläuterungen zu 1 verwiesen.
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5 verdeutlicht, dass eine Strukturierung der ASIC-Oberfläche auch aus anderen Gründen sinnvoll sein kann. So befindet sich in der ASIC-Oberfläche des hier dargestellten Sensorbauteils 500 eine Ausnehmung 23, wodurch die Bewegungsfreiheit des längeren Endes der asymmetrisch gelagerten seismischen Masse 11 erhöht wird. Die Signalerfassung erfolgt auch hier mit Hilfe einer Kondensatoranordnung, deren feststehende Elektroden 32 und 611 in einem relativ geringen Abstand zur Torsionsachse der seismischen Masse 11 angeordnet sind.
Hinsichtlich der übrigen Komponenten des Sensorbauteils 500 wird auf die Erläuterungen zu 1 verwiesen.
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6 veranschaulicht, dass die Schaltungsebenen des ASIC-Bauelements 20 auch zur Verdrahtung von elektrisch und räumlich voneinander separierten Bereichen der Leiterbahnebene 3 des MEMS-Bauelements 10 genutzt werden können, was im Vergleich zu einer Verdrahtung in der Leiterbahnebene 3 deutlich platzsparender ist. Im Fall des Sensorbauteils 600 sind die beiden Bereiche 33 und 34 der Leiterbahnebene 3, die als untere Anschlagflächen für die seismische Masse 11 dienen, über die Schaltungsebenen 61, 62 und 63 des ASIC-Bauelements 20 elektrisch verbunden, so dass sie auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Die elektrische Verbindung wird über Verbindungsbereiche 51 in der Funktionsschicht 5 hergestellt, die durch Trenchgräben gegen das angrenzende Epi-Polysilizium isoliert sind. Diese Verbindungsbereiche 51 sind über Bondverbindungen 71 an die oberste Schaltungsebene 61 bzw. die zweite Schaltungsebene 62 elektrisch angeschlossen und über die dritte Schaltungsebene 63 des ASIC-Bauelements 20 elektrisch verbunden.
