DE102014200507A1

DE102014200507A1 - Mikromechanische Drucksensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102014200507A1
Application number: DE102014200507.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2015-07-16
Also published as: US20160341616A1; TW201534883A; TWI665434B; KR20160106754A; KR102151453B1; CN106170682A; WO2015106854A1; US10031038B2

Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Drucksensorvorrichtung umfasst einen ASIC-Wafer (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS), eine auf der Vorderseite (VS) gebildeten Umverdrahtungseinrichtung (1a) mit einer Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LB0, LB1, LB2) und dazwischenliegenden Isolationsschichten (I), eine über einer obersten Leiterbahnebene (LB0) der Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LB0, LB1, LB2) gebildeten strukturierten Isolationsschicht (6), eine auf der Isolationsschicht (6) gebildeten mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2’’), welche einen mit Druck beaufschlagbaren Membranbereich (M; M’; M’’) über einer Aussparung (A1; A1’’) der Isolationsschicht (6) als eine erste Druckdetektionselektrode aufweist, und eine in der obersten Leiterbahnebene (LB0) beanstandet vom Membranbereich (M; M’; M’’) in der Aussparung (A1; A1’’) gebildeten zweiten Druckdetektionselektrode (7; 7’’), welche vom Membranbereich (M; M’; M’’) elektrisch isoliert ist. Der Membranbereich (M; M’; M’’) ist durch ein oder mehrere erste Kontaktstöpsel (P1, P2; P1‘‘, P2‘‘) mit der obersten Leiterbahnebene (LB0) elektrisch verbunden, welche durch den Membranbereich (M; M’; M’’) und durch die Isolationsschicht (6) geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Bauelementen auf Siliziumbasis erläutert.
Mikromechanische Sensorvorrichtungen zur Messung von beispielsweise Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind allgemein bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Trends in der Consumer-Elektrode sind insbesondere die Miniaturisierung der Bauelemente, die Funktionsintegration und eine effektive Kostenreduktion.
Heutzutage werden Beschleunigungs- und Drehratensensoren und ebenso Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren bereits als Kombi-Sensoren (6d) hergestellt, und darüber hinaus gibt es erste 9d-Module, bei denen jeweils 3-achisge Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetfeldsensoren in einer einzigen Sensorvorrichtung kombiniert werden.
Drucksensoren dagegen werden heutzutage separat von den oben genannten 6d- und 9d-Modulen entwickelt und gefertigt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der erforderliche Medienzugang, den ein Drucksensor im Gegensatz zu Inertial- und Magnetsensoren benötigt und der den Aufwand und die Kosten für das Verpacken des Drucksensors deutlich erhöht. Weitere Gründe für die Separation von Drucksensoren sind die unterschiedlichen MEMS-Fertigungsprozesse sowie die unterschiedlichen Auswerteverfahren. Beispielsweise bedienen sich Drucksensoren oftmals piezoresistiver Widerstände zur Auswertung, wohingegen Inertialsensoren bevorzugt kapazitiv ausgewertet werden.
Es ist aber absehbar, dass Sensorvorrichtungen, die neben Inertialgrößen auch den Druck messen können, eine interessante Erweiterung der Möglichkeiten zur Funktionsintegration, insbesondere im Bereich der Consumer-Elektronik, darstellen. Derartige integrierte 7d-Module oder bei Integration eines 3-achsigen Magnetsensors 10d-Module könnten beispielsweise für Navigationsanwendungen (In-door-Navigation) zum Einsatz gelangen. Die Funktionsintegration verspricht sowohl eine Kostenreduktion als auch einen reduzierten Platzbedarf auf der Applikationsleiterplatte.
Es sind Verfahren der so genannten vertikalen Integration oder Hybridintegration oder 3D-Integration bekannt, bei denen mindestens ein MEMS- und ein Auswerte ASIC Wafer über Waferbondverfahren miteinander mechanisch und elektrisch verbunden werden, beispielsweise aus der US 7 250 353 B2 oder der US 7 442 570 B2 . Besonders attraktiv sind diese vertikalen Integrationsverfahren in Kombination mit Silizium-Durchkontaktierungen und Flip-Chip-Technologien, wodurch die externe Kontaktierung als „bare die-Modul“ oder „chip scale package“, also ohne Plastikumverpackung erfolgen kann, wie z. B. aus der US 2012/0049299 A1 oder der US 2012/0235251 A1 bekannt.
Die US 2013/0001710 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Bilden einer MEMS-Sensorvorrichtung, wobei ein Handlingwafer an einen MEMS-Wafer über eine dielektrische Schicht gebondet wird. Nach Strukturierung des MEMS-Wafers, um die mikromechanische Sensorvorrichtung zu bilden, wird ein CMOS-Wafer auf den MEMS-Wafer mit der Sensorvorrichtung gebondet. Am Ende des Prozesses kann der Handlingwafer durch Ätzen oder Rückschleifen, falls erforderlich, weiter bearbeitet werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 8.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, einen Wafer, der den Ausgangspunkt für eine mikromechanische Funktionsschicht bildet, über eine Isolationsschicht mit einem ASIC-Wafer, bevorzugt einem CMOS-Wafer elektrisch isoliert zu verbinden, wobei eine elektrische Anbindung an die oberste Leiterbahnebene des ASIC-Wafers später über ein oder mehrere elektrisch leitfähige Kontaktstöpsel erfolgt. Nach Abdünnen des Wafers zum Bilden der mikromechanischen Funktionsschicht wird in letzterer ein Membranbereich als erste Druckdetektionselektrode gebildet, wobei eine zweite Druckdetektionselektrode unter dem Membranbereich in der obersten Leiterbahnebene gebildet ist. Die derart gebildete mikromechanische Drucksensorvorrichtung kann entweder verkappt oder unverkappt eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise ist es möglich, neben der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung ein oder mehrere weitere mikromechanische Sensorvorrichtungen in der mikromechanischen Funktionsschicht zu integrieren. Beispielsweise ist es möglich, zusätzlich zur mikromechanischen Drucksensorvorrichtung eine mikromechanische Inertialsensorvorrichtung in der mikromechanischen Funktionsschicht vorzusehen. Es ist dabei lediglich erforderlich, einen Druckzugang für die mikromechanische Drucksensorvorrichtung in der Verkappung vorzusehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ein erster Kontaktstöpsel vorgesehen, welcher als umlaufender Ring gebildet ist. Dies trägt zur Verbesserung der Hermetizität des Membranbereichs bei.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf die mikromechanische Funktionsschicht ein Kappenwafer gebondet, welcher einen Druckzugang zum Membranbereich aufweist. So lässt sich ein Schutz erreichen, ohne die Funktionalität zu beeinflussen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf die oberste Leiterbahnebene ein Kappenwafer gebondet, welcher einen Druckzugang zum Membranbereich aufweist. So lässt sich ein Schutz erreichen, wobei der Bondprozess vereinfacht ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Membranbereich einen gedünnten Bereich der mikromechanischen Funktionsschicht auf. So lässt sich die Empfindlichkeit bei dickeren Funktionsschichten erhöhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind über der mikromechanischen Funktionsschicht Bondkugeln außerhalb des Membranbereichs gebildet, welche über ein oder mehrere zweite Kontaktstöpsel mit der obersten Leiterbahnebene elektrisch verbunden sind, welche durch die mikromechanische Funktionsschicht und durch die Isolationsschicht geführt sind. So lässt sich eine einfache Vorderseitenmontagemöglichkeit realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind in einem Bereich, in dem die mikromechanische Funktionsschicht entfernt ist, Bondkugeln über der Isolationsschicht gebildet sind, welche über Vias mit der obersten Leiterbahnebene elektrisch verbunden sind. So lässt sich eine einfache Vorderseitenmontagemöglichkeit mit verringerter Montagehöhe realisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
1a)–h) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3a), b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)–h) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1a) bezeichnet Bezugszeichen 1 einen CMOS-Wafer mit einer Mehrzahl von CMOS-Schaltungen 100, welche beispielsweise eine Auswerteschaltung für die zu bildende mikromechanische Drucksensorvorrichtung umfassen.
Der CMOS-Wafer weist eine Vorderseite VS und eine Rückseite RS auf. Auf der Vorderseite VS des CMOS-Wafers 1 ist eine Umverdrahtungseinrichtung 1a gebildet, welche eine Mehrzahl von Leiterbahnebenen LB0, LB1, LB2 und dazwischen liegenden Isolationsschichten I aufweist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Isolationsschichten I, in die die Leiterbahnebenen LB0, LB1, LB2 eingebettet sind, nicht separat dargestellt. Die Leiterbahnabschnitte der Leiterbahnebenen LB0, LB1, LB2 sind über elektrisch leitfähige Vias K miteinander elektrisch verbunden.
Über einer obersten Leiterbahnebene LB0 ist eine strukturierte Isolationsschicht 6 vorgesehen, vorzugsweise eine Oxidschicht oder Stapel aus Oxidschichten und/oder Nitridschichten.
Gemäß 1a) sind Ausnehmungen A1 und A2 in der Isolationsschicht 6 gebildet, in denen die oberste Leiterbahnebene LB0 freigelegt ist. Ebenso sind Kontaktlöcher L1, L2, L3 vorgesehen, in denen später Kontaktstöpsel zu bilden sind. Letztere Kontaktlöcher L1, L2, L3 können allerdings auch erst in einem späteren Prozessstadium gebildet werden.
Ausgehend von der Vorderseite VS erstreckt sich eine Durchkontaktierung 15, welche mit einer untersten Leiterbahnebene LB2 elektrisch verbunden ist, ins Innere des CMOS-Wafers 1, welche später durch Rückschleifen von der Rückseite RS her freigelegt werden kann.
Die freigelegten Bereiche A1 und A2 entsprechen zu bildenden mikromechanischen Sensorvorrichtungen, und zwar der Bereich A1 einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und der Bereich A2 einer beweglichen mikromechanischen Inertialsensorvorrichtung. Der mit Bezugszeichen 7 im Ausschnitt A1 bezeichnete Abschnitt der obersten Leiterbahnebene LB0 entspricht einer zweiten Druckdetektionselektrode der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung, welcher über diesem Abschnitt A1 zu bilden ist. Zu bemerken ist, dass durch das Strukturieren der Isolationsschicht 6 ein Opferschichtätzen in den bereits entfernten Bereichen der Isolationsschicht 6 entfallen kann.
Weiter mit Bezug auf 1b) wird auf der Struktur von 1a) ein Silizium-Wafer 2a als Ausgangspunkt für eine daraus zu bildende mikromechanische Funktionsschicht 2 (vergleiche 1c)) auf die Isolationsschicht 6 gebondet, und zwar bevorzugt mit einem plasmaaktivierten Direktbondverfahren, da es bei relativ niedriger Temperatur unterhalb von 400°C erfolgt, was zum Vorteil hat, dass die im CMOS-Wafer 1 gebildeten CMOS-Schaltungen durch das Bonden nicht geschädigt werden.
Anschließend wird der MEMS-Wafer 2a auf eine gewünschte Dicke einer mikromechanischen Funktionsschicht 2, beispielsweise aus Silizium, zurückgedünnt und mit einer ersten Bondschicht 18, beispielsweise aus Aluminium bedeckt, welche anschließend entsprechend zu bildenden Bondbereichen strukturiert wird, wie in 1c) gezeigt.
Im nächsten Prozessschritt, welcher in 1d) illustriert ist, erfolgt eine Trenchätzung durch die mikromechanische Funktionsschicht 2 und ein anschließendes Abscheiden und Strukturieren einer Wolframschicht (ggf. auf einer zuvor abgeschiedenen und strukturierten dünnen Titan/Titannitrid-Haftschicht). So lassen sich Kontaktstöpsel P1, P2, P3 bilden, welche durch die Isolationsschicht 6 hindurch bis zur ersten Leiterbahnebene LB0 geführt sind und letztere mit der mikromechanischen Funktionsschicht 2 elektrisch verbinden. Die Kontaktstöpsel P1, P2, P3 sind entweder komplett oder nur teilweise verfüllt.
Weiter mit Bezug auf 1e) erfolgt erneut ein Trenchätzschritt, in dem Gräben in der mikromechanischen Funktionsschicht gebildet werden, welche einerseits als elektrische Isolationsgräben und andererseits zur Strukturierung der mikromechanischen Sensorvorrichtungen dienen. Insbesondere wird ein mit Druck beaufschlagbarer Membranbereich M über der Aussparung A1 gebildet, welcher über die Kontaktstöpsel P1, P2 mit der obersten Leiterbahnebene LB0 verbunden ist und vom Rest der mikromechanischen Funktionsschicht 2 durch entsprechende Gräben getrennt ist.
Oberhalb des Bereiches A2 wird durch den Trenchätzschritt eine Strukturierung zur Herstellung eines beweglichen MEMS-Elements durchgeführt, im vorliegenden Fall einer mikromechanischen Inertialsensorvorrichtung IE. Die Ineratialsensorvorrichtung IE ist über den Kontaktstöpsel P3 mit der obersten Leiterbahnebene LB0 elektrisch verbunden.
Wie bereits oben erwähnt, werden durch den Trenchätzschritt die beweglichen Strukturen der Inertialsensorvorrichtung IE auch gleichzeitig freigestellt, da sich darunter keine Isolationssschicht 6 mehr befindet, sondern nur die Aussparung A2, welche die oberste Leiterbahnebene LB0 freilegt.
Der derart gebildete Membranbereich M bildet eine erste Druckdetektionselektrode der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung, wobei, wie oben erwähnt, die zweite Druckdetektionselektrode durch den Leiterbahnabschnitt 7 der obersten Leiterbahnebene LB0 gebildet ist.
Optional können die Kontaktstöpsel P1, P2 zur elektrischen Kontaktierung auch als umlaufender Ring ausgeführt werden, da dadurch die Hermetizität des Membranbereichs M verbessert werden kann.
Wie in 1f) dargestellt, erfolgt anschließend das Bereitstellen eines Kappenwafers 3, der bei dieser ersten Ausführungsform bereits einem durchgängigen Druckzugang 3a als Medienzugang für die mikromechanische Drucksensorvorrichtung aufweist.
Der Kappenwafer 3 weist zudem eine flache Kaverne 3b oberhalb der Inertialsensorvorrichtung IE auf. Auf dem Kappenwafer 3 befindet sich an den vorgesehenen Bondbereichen eine zweite Bondschicht 18a, beispielsweise eine Germaniumschicht.
In einem weiteren Prozessschritt, der in 1g) gezeigt ist, wird der Kappenwafer 3 über die erste und zweite Bondschicht 18, 18a an den vorgesehenen Bondbereichen auf die mikromechanischen Funktionsschicht 2 gebondet, im vorliegenden Beispiel über eutektisches Aluminium-Germanium-Bonden, wobei die eutektische Bondverbindung 18‘ zwischen den Kappenwafer 3 und der mikromechanischen Funktionsschicht 2 entsteht.
Durch das Bonden wird die Inertialsensorvorrichtung IE hermetisch verkappt, wobei die dadurch entstehende Kaverne mit Bezugszeichen K bezeichnet ist.
Im Gegensatz dazu bleibt der Medienzugang zur Drucksensorvorrichtung über den Druckzugang 3a, welcher durch den Kappenwafer 3 führt, erhalten.
In einem anschließenden Prozessschritt, der in 1h) gezeigt ist, erfolgt ein Rückschleifen des CMOS-Wafers 1 von der Rückseite RS her, um die Durchkontaktierung 15 an der Rückseite RS freizulegen.
Nach Abscheiden einer weiteren Isolationsschicht I‘ auf der Rückseite RS werden Leiterbahnabschnitte L1, L2 auf bzw. in der Isolationsschicht gebildet, auf denen Bondkugeln K1, K2, z. B. Lötbällchen, zum Löten der gesamten kombinierten Sensorvorrichtung auf ein entsprechendes Substrat gebildet werden.
Es sei bemerkt, dass alternativ zur vorangelegten Öffnung des Druckzuganges 3a im Kappenwafer 3 auch ein nachträgliches Aufschleifen einer weiteren vorgebildeten Kaverne im Kappenwafer 3 oder ein Ätzschritt oder ein Laserbohrverfahren zur Herstellung des Druckzuganges möglich ist, wie insbesondere später noch im Zusammenhang mit weiteren Ausführungsformen erläutert wird.
2a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der Kappenwafer mit Bezugszeichen 3‘, der darin gebildete durchgängige Druckzugang mit Bezugszeichen 3a‘ und die darin vorgebildete Kaverne mit Bezugszeichen 3b‘ bezeichnet.
Der Prozesszustand gemäß 2a) entspricht im Wesentlichen dem Prozesszustand gemäß 1f). Allerdings sind bei dieser Ausführungsform die mikromechanische Funktionsschicht 2 und die darunterliegende Isolationsschicht 6 in den Bondbereichen entfernt. Somit liegt zum Bonden in den Bondbereichen die oberste Leiterbahnebene LB0 frei, welche dort eine Aluminium-Metalllage als eine Bondfläche freilegt.
In den Bondbereichen des Kappenwafers 3‘ vorgesehen ist die bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erwähnte erste Bondschicht 18a aus Germanium. Der bei dieser Ausführungsform etwas aufwendiger vorstrukturierte Kappenwafer 3‘ wird somit einfach auf die oberste Leiterbahnebene LB0 gebondet, was zum Prozesszustand gemäß 2b) führt.
Der Kappenwafer 3‘ benötigt im Gegensatz zur ersten Ausführungsform eine größere Kaverne 3b‘ im Bereich der Inertialsensorvorrichtung und eine weitere Kaverne 3b‘‘ im Bereich der Drucksensorvorrichtung, um ein Aufliegen des Kappenwafer 3‘ auf der Drucksensorvorrichtung, insbesondere im Membranbereich M, und der Inertialsensorvorrichtung IE zu vermeiden.
Die weitere Prozessierung nach dem Prozesszustand gemäß 2b) erfolgt in Analogie zu 1h).
3a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform ist im Gegensatz zur zweiten Ausführungsform der Kappenwafer mit Bezugszeichen 3‘‘ bezeichnet und weist eine Aussparung 3b‘‘‘ für die Inertialsensorvorrichtung, eine Aussparung 3b‘‘‘‘ für die Drucksensorvorrichtung und eine vorgefertigte Kaverne 3a‘‘ als Vorstufe für den Druckzugang auf.
Im Hinblick auf 3b) erfolgt das Bonden des Kappenwafer 3‘‘ auf die zuvor freigelegte oberste Leiterbahnebene LB0 mittels der Germanium-Bondschicht 18a, wonach die eutektische Bondverbindung 18‘ ausgebildet wird. Nach dem Bondvorgang wird der Kappenwafer 3‘‘ angeschliffen, um den Druckzugang 3a‘‘ freizulegen.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der vierten Ausführungsform gemäß 4 erfolgt im Gegensatz zur dritten Ausführungsform kein Aufschleifen des Kappenwafers 3‘‘, sondern ein Freilegen des Druckzugangs 3a‘‘ durch ein Ätzverfahren oder vertikales oder schräges Laserbohren, wobei der Durchgang 3c gebildet wird, der den Druckzugang 3a‘‘ nach außen hin freilegt.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der fünften Ausführungsform weist der mit Bezugszeichen M’ bezeichnete Membranbereich einen gedünnten Bereich D der mikromechanischen Funktionsschicht 2 auf, welcher beispielsweise durch einen entsprechenden fotolithographischen Ätzprozess hergestellt werden kann.
Dies hat den Hintergrund, dass die Dicke der vom Wafer 2a rückgeschliffenen mikromechanischen Funktionsschicht 2 typischerweise 30 μm beträgt und durch den gedünnten Bereich D die Empfindlichkeit des Membranbereichs M‘ erhöht werden kann.
Ansonsten ist der Prozessbestand gemäß 5 entsprechend demjenigen gemäß 3b.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der sechsten Ausführungsform ist im Vergleich zur ersten Ausführungsform die Inertialsensorvorrichtung IE weggelassen und der Membranbereich M‘‘ mit der darunterliegenden Aussparung A1‘‘ entsprechend in der mikromechanischen Funktionsschicht 2‘‘ entsprechend größer gestaltet. Die Kontaktstöpsel sind hier mit Bezugszeichen P1‘‘ und P2‘‘ bezeichnet und die zweite Druckdetektionselektrode mit 7‘‘.
Ansonsten gleicht der Prozesszustand gemäß 6 dem Prozesszustand gemäß 1h).
Bei dieser Ausführungsform ist der Membranbereich M‘‘ natürlich schlechter gegen Handlingeinflüsse geschützt, sodass beim Handling und Transport der Bauelemente besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der siebten Ausführungsform ist im Vergleich zur sechsten Ausführungsform die Durchkontaktierung 15 weggelassen, und die Kontaktierung bzw. Montage erfolgt über die Vorderseite VS, dadurch, dass über der mikromechanischen Funktionsschicht 2‘‘ eine Isolationsschicht IV aufgebracht und strukturiert ist, worauf wiederum Leiterbahnen L1‘‘ und L2‘‘ vorgesehen sind, auf denen Bondkugeln K1‘‘ bzw. K2‘‘ zum Löten des Bauelements auf ein geeignetes Substrat aufgebracht sind.
Die Bondkugeln K1‘‘ und K2‘‘ sind über die Leiterbahnen L1‘‘ bzw. L2‘‘ und über Kontaktstöpsel P3‘‘ bzw. P4‘‘ mit der obersten Leiterbahnebene LB0 verbunden, und zwar in Analogie zu den Kontaktstöpseln P1‘‘ und P2‘‘.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der achten Ausführungsform sind im Vergleich zur siebten Ausführungsform die Bondkugeln K1‘‘ bzw. K2‘‘ auf Leiterbahnabschnitten LDV1, bzw. LDV2 vorgesehen, welche direkt auf der Isolationsschicht 6 aufgebracht sind und welche über Vias K‘ mit der obersten Leiterbahnebene LB0 verbunden sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Obwohl in der obigen ersten bis fünften Ausführungsform eine Kombination einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung mit einer mikromechanischen Inertialsensorvorrichtung in der mikromechanischen Funktionsschicht beschreiben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
Vielmehr können in der mikromechanischen Funktionsschicht weitere Sensoren oder Sensorvorrichtungen oder MEMS-Bauelemente, wie z. B. Magnetfeldsensorvorrichtungen (beispielsweise Lorenzkraft-basierte Magnetsensoren), Drehbeschleunigungssensoren, Oszillatoren, Radiofrequenz-MEMS usw. mit der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7250353 B2 [0007]
US 7442570 B2 [0007]
US 20120049299 A1 [0007]
US 20120235251 A1 [0007]
US 20130001710 A1 [0008]

Claims

Mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit: einem ASIC-Wafer (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); einer auf der Vorderseite (VS) gebildeten Umverdrahtungseinrichtung (1a) mit einer Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LB0, LB1, LB2) und dazwischenliegenden Isolationsschichten (I); einer über einer obersten Leiterbahnebene (LB0) der Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LB0, LB1, LB2) gebildeten strukturierten Isolationsschicht (6); einer auf der Isolationsschicht (6) gebildeten mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2’’), welche einen mit Druck beaufschlagbaren Membranbereich (M; M’; M’’) über einer Aussparung (A1; A1’’) der Isolationsschicht (6) als eine erste Druckdetektionselektrode aufweist; einer in der obersten Leiterbahnebene (LB0) beanstandet vom Membranbereich (M; M’; M’’) in der Aussparung (A1; A1’’) gebildeten zweiten Druckdetektionselektrode (7; 7’’), welche vom Membranbereich (M; M’; M’’) elektrisch isoliert ist; wobei der Membranbereich (M; M’; M’’) durch ein oder mehrere erste Kontaktstöpsel (P1, P2; P1‘‘, P2‘‘) mit der obersten Leiterbahnebene (LB0) elektrisch verbunden ist, welche durch den Membranbereich (M; M’; M’’) und durch die Isolationsschicht (6) geführt sind.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein erster Kontaktstöpsel (P1, P2; P1‘‘, P2‘‘) vorgesehen ist, welcher als umlaufender Ring gebildet ist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf die mikromechanische Funktionsschicht (2) ein Kappenwafer (3) gebondet ist, welcher einen Druckzugang (3a) zum Membranbereich (M; M’; M’’) aufweist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf die oberste Leiterbahnebene (LB0) ein Kappenwafer (3‘; 3‘‘) gebondet ist, welcher einen Druckzugang (3a‘; 3a‘‘; 3a‘‘, 3c) zum Membranbereich (M; M’) aufweist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Membranbereich (M‘) einen gedünnten Bereich (D) der mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2’’) aufweist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei über der mikromechanischen Funktionsschicht (2‘‘) Bondkugeln (K1‘‘, K2‘‘) außerhalb des Membranbereichs (M‘‘) gebildet sind, welche über ein oder mehrere zweite Kontaktstöpsel (P3‘‘, P4‘‘) mit der obersten Leiterbahnebene (LB0) elektrisch verbunden sind, welche durch die mikromechanische Funktionsschicht (2‘‘) und durch die Isolationsschicht (6‘‘) geführt sind.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem Bereich, in dem die mikromechanische Funktionsschicht (2‘‘) entfernt ist, Bondkugeln (K1‘‘, K2‘‘) über der Isolationsschicht (6) gebildet sind, welche über Vias (K‘) mit der obersten Leiterbahnebene (LB0) elektrisch verbunden sind.
Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen eines ASIC-Wafers (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); Bilden einer Umverdrahtungseinrichtung (1a) mit einer Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LB0, LB1, LB2) und dazwischenliegenden Isolationsschichten (I) auf der Vorderseite (VS); Bilden einer strukturierten Isolationsschicht (6) über einer obersten Leiterbahnebene (LB0) der Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LB0, LB1, LB2), welche eine Aussparung (A1; A1‘‘) aufweist; Bonden eines Wafers (2a) auf die strukturierte Isolationsschicht (6); Dünnen des gebondeten Wafers (2a) zum Bilden einer mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2’’); Strukturieren eines mit Druck beaufschlagbaren Membranbereichs (M; M’; M’’) in der mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2’’) über der Aussparung (A1; A1’’) der Isolationsschicht (6) als eine erste Druckdetektionselektrode; Bilden einer zweiten Druckdetektionselektrode (7; 7’’) in der obersten Leiterbahnebene (LB0) beanstandet vom Membranbereich (M; M’; M’’) in der Aussparung (A1; A1’’), welche vom Membranbereich (M; M’; M’’) elektrisch isoliert ist; und Bilden eines oder mehrerer erster Kontaktstöpsel (P1, P2; P1‘‘, P2‘‘), welche durch den Membranbereich (M; M’; M’’) und durch die Isolationsschicht (6) geführt sind, wodurch der Membranbereich (M; M’; M’’) mit der obersten Leiterbahnebene (LB0) elektrisch verbunden ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei die Isolationsschicht (6) mindestens eine Oxidschicht und/oder mindestens eine Nitridschicht umfasst und das Bonden bei einer Temperatur von unterhalb 400°C vorzugsweise durch ein plasmaaktiviertes Direktbondverfahren erfolgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein erster Kontaktstöpsel (P1, P2; P1‘‘, P2‘‘) vorgesehen wird, welcher als umlaufender Ring gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei auf die mikromechanische Funktionsschicht (2) ein Kappenwafer (3) gebondet wird, welcher einen Druckzugang (3a) zum Membranbereich (M; M’; M’’) aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die mikromechanische Funktionsschicht (2) und die Isolationsschicht (6) bereichsweise von der obersten Leiterbahnebene (LB0) entfernt werden und anschließend auf die oberste Leiterbahnebene (LB0) ein Kappenwafer (3‘; 3‘‘) gebondet wird, welcher einen Druckzugang (3a‘; 3a‘‘; 3a‘‘, 3c) zum Membranbereich (M; M’) aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2’’) im Membranbereich (M‘) gedünnt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei über der mikromechanischen Funktionsschicht (2‘‘) Bondkugeln (K1‘‘, K2‘‘) außerhalb des Membranbereichs (M‘‘) gebildet werden, welche über ein oder mehrere zweite Kontaktstöpsel (P3‘‘, P4‘‘) mit der obersten Leiterbahnebene (LB0) elektrisch verbunden werden, welche durch die mikromechanische Funktionsschicht (2‘‘) und durch die Isolationsschicht (6‘‘) geführt werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die mikromechanische Funktionsschicht (2‘‘) in einem Bereich entfernt wird und in dem Bereich Bondkugeln (K1‘‘, K2‘‘) über der Isolationsschicht (6) gebildet werden, welche über Vias (K‘) mit der obersten Leiterbahnebene (LB0) elektrisch verbunden werden.