DE102014210862B4

DE102014210862B4 - Bauteil mit zwei Halbleiter-Bauelementen, zwischen denen mindestens zwei hermetisch dichte Kavernen ausgebildet sind, und Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden Bondverbindung zwischen zwei Halbleiter-Bauelementen

Info

Publication number: DE102014210862B4
Application number: DE102014210862.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Frey; Ralf Reichenbach; Christoph Schelling; Antoine Puygranier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2034-06-07
Also published as: DE102014210862A1; CN105129727B; US9416000B2; CN105129727A; US20150353347A1

Abstract

Bauteil mit mindestens zwei Halbleiter-Bauelementen (10, 20), die über mindestens eine strukturierte Verbindungsschicht miteinander verbunden sind, wobei zwischen diesen beiden Bauelementen (10, 20) mindestens zwei Kavernen (21, 22) ausgebildet sind, die jeweils über einen umlaufenden Bondrahmen (31, 41; 32, 42) in der Verbindungsschicht hermetisch dicht abgeschlossen sind, so dass in jeder der Kavernen (21, 22) ein definierter Innendruck herrscht, wobei mindestens zwei der umlaufenden Bondrahmen (31, 32) auf unterschiedlichen Oberflächenniveaus mindestens eines der beiden Bauelemente (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zumindest eines der beiden Bauelemente (10) strukturiert ist, so dass mindestens ein umlaufender Bondrahmen (31) gegenüber mindestens einem anderen umlaufenden Bondrahmen (32) vertieft oder erhöht angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens zwei Halbleiter-Bauelementen, die über mindestens eine strukturierte Verbindungsschicht miteinander verbunden sind, wobei zwischen diesen beiden Bauelementen mindestens zwei Kavernen ausgebildet sind, die jeweils über einen umlaufenden Bondrahmen in der Verbindungsschicht hermetisch dicht abgeschlossen sind, so dass in jeder der Kavernen ein definierter Innendruck herrscht. Derartige Bauteile sind beispielsweise in den Druckschriften DE 10 2010 039 057 A1 , CN 102509844 B und DE 10 2006 016 260 A1 offenbart.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Bondverbindung zwischen zwei Halbleiter-Bauelementen.
Ein wichtiges Anwendungsbeispiel für die hier in Rede stehenden Bauteile sind sogenannte IMUs (Inertial Measurement Units) mit einem MEMS-Bauelement, das sowohl eine Drehratensensorkomponente als auch eine Beschleunigungssensorkomponente umfasst. Die beiden Sensorkomponenten sind im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements ausgebildet und nebeneinander angeordnet. Sie werden mit Hilfe des zweiten Bauelements verkappt, um die Sensorstrukturen zu schützen und definierte Druckverhältnisse für den jeweiligen Sensorbetrieb zu gewährleisten. Da Drehratensensoren und Beschleunigungssensoren üblicherweise bei unterschiedlichen Umgebungsdrücken betrieben werden, ist im zweiten Bauelement für jede Sensorstruktur eine eigene Kappenstruktur vorgesehen.
Bei Drehratensensoren wird ein Teil der Sensorstruktur resonant angetrieben. Deshalb wird im Hohlraum eines Drehratensensorelements ein möglichst niedriger Innendruck von ca. 1 mbar eingestellt, um die Dämpfung der Sensorstruktur möglichst gering zu halten. Der Drehratensensor kann dann schon mit einer relativ kleinen Anregungsspannung betrieben werden. Im Unterschied dazu soll die Sensorstruktur eines Beschleunigungssensors möglichst nicht zu Schwingungen angeregt werden. Beschleunigungssensoren werden deshalb bei einem deutlich höheren Innendruck von typischerweise 500mbar betrieben.
Die US 2012/0326248 A1 beschäftigt sich mit der Realisierung von derart unterschiedlichen Druckverhältnissen für die einzelnen Sensorkomponenten eines MEMS-Bauelements, die mit Hilfe eines gemeinsamen Kappen-Bauelements verkappt werden. In dieser Druckschrift wird unter anderem vorgeschlagen, den Bondprozess, mit dem das MEMS-Bauelement und das Kappen-Bauelement verbunden werden, mehrstufig auszuführen, so dass die Kavernen der einzelnen Sensorkomponenten nicht gleichzeitig, sondern in aufeinanderfolgenden Bondschritten verschlossen werden. Bei dieser Vorgehensweise wird ausgenutzt, dass die äußeren Druckverhältnisse während eines Bondprozesses stark variieren können. Deshalb ist es möglich, während der aufeinanderfolgenden Bondschritte unterschiedliche Druckverhältnisse vorzugeben und diese entsprechend dem angestrebten Innendruck derjenigen Kaverne zu wählen, die in dem jeweiligen Prozessschritt verschlossen wird.
Gemäß der US 2012/0326248 A1 wird die druckdichte Verbindung zwischen dem MEMS-Bauelement und dem Kappen-Bauelement über zwei Materialschichten hergestellt, die auf die beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen aufgebracht werden und aus denen Bondrahmen für die einzelnen Kavernen herausstrukturiert werden. Um eine Mehrstufigkeit des Bondprozesses zu erreichen, werden zumindest auf einer der beiden Bauelementoberflächen die Bondrahmen für die einzelnen Kavernen mit unterschiedlicher Schichtdicke ausgeführt. Während des Bondprozesses werden das MEMS-Bauelement und das Kappen-Bauelement dann mit den so präparierten Oberflächen aufeinander gepresst. Dabei kommen zunächst die dicksten, am weitesten exponierten Bondrahmen in Kontakt und bilden in einem ersten Bondschritt eine hermetisch dichte Bondverbindung, mit der eine erste Kaverne abgeschlossen wird. Das Zusammenpressen der Bauelemente wird dann solange fortgesetzt, bis auch die dünneren Bondrahmen in Kontakt treten. Erst dann wird eine weitere Kaverne durch die entstehende hermetisch dichte Bondverbindung der dünneren Bondrahmen abgeschlossen. Da dieser zweite Bondschritt bei einem anderen Umgebungsdruck durchgeführt wird als der erste Bondschritt, stellen sich in den beiden Kavernen unterschiedliche Innendrücke ein.
Das Herstellen von Bondrahmenstrukturen mit unterschiedlicher Schichtdicke erweist sich in der Praxis als relativ aufwendig und eignet sich nicht für alle Verbindungsmaterialien.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird dieses aus der US 2012/0326248 A1 bekannte Konzept des sequentiellen Bondens zur Realisierung von Kavernen mit unterschiedlichem Innendruck bei der Verbindung von zwei Bauelementen weiterentwickelt.
Im Unterschied dazu sieht das erfindungsgemäße Bauteilkonzept vor, mindestens zwei der umlaufenden Bondrahmen auf unterschiedlichen Oberflächenniveaus mindestens eines der beiden Bauelemente anzuordnen, wobei das erfindungsgemäße Bauteilkonzept die Merkmalskombination des Anspruchs 1 vorsieht.
Gemäß dem beanspruchten Verfahren zum Herstellen einer Bondverbindung zwischen zwei Halbleiter-Bauelementen wird dazu zumindest eine der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen strukturiert, so dass mindestens ein umlaufender Bondrahmenbereich gegenüber mindestens einem anderen umlaufenden Bondrahmenbereich vertieft oder erhöht ist. Auf diese strukturierte Bauelementoberfläche wird dann mindestens eine Verbindungsschicht aufgebracht, in der mindestens zwei umlaufende Bondrahmen auf unterschiedlichen Oberflächenniveaus der Bauelementoberfläche ausgebildet werden.
Die erfindungsgemäße Strukturierung der Bauelementoberfläche im Bondrahmenbereich kann vorteilhafterweise zusammen mit dem Freilegen der MEM-Struktur - im Falle des MEMS-Bauelements - bzw. mit dem Ausbilden der Kappenstrukturen - im Falle des Kappenbauelements - erfolgen. Dafür wird kein eigener Prozessschritt benötigt. Die Bondrahmen können dann einfach in einem Prozessschritt aus einer gleichmäßig dicken Materialschicht herausstrukturiert werden, da die für das sequentielle Bonden erforderliche Topographie der Bondoberfläche bereits in der strukturierten Bauelementoberfläche realisiert ist.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung von unterschiedlichen Oberflächenniveaus für die umlaufenden Bondrahmen, mit denen die Kavernen zwischen den beiden Bauelementen verschlossen werden sollen.
Vorteilhafterweise wird dazu eine der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen im Bondrahmenbereich strukturiert, während die andere zumindest in diesem Bereich nicht strukturiert wird. Jedoch sind auch Varianten denkbar, bei denen beide zu verbindenden Bauelementoberflächen im Bondrahmenbereich strukturiert werden.
Im Rahmen dieser Strukturierung können umlaufende grabenartige Vertiefungen erzeugt werden aber auch umlaufende sockelartige Erhöhungen, je nachdem, ob die Strukturierung durch Materialabtrag, also beispielsweise in einem Ätzverfahren, erfolgt oder durch Materialauftrag, also beispielsweise durch Abscheidung von weiteren Materialschichten. Wesentlich ist nur, dass mindestens zwei unterschiedliche Oberflächenniveaus für die umlaufenden Bondrahmen geschaffen werden, so dass mindestens ein Bondrahmen gegenüber mindestens einem anderen Bondrahmen vertieft oder erhöht angeordnet ist.
Figurenliste
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 eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.

1a zeigt die Draufsicht auf die erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche eines MEMS-Bauelements 10 nach dem Aufbringen und Strukturieren einer ersten Verbindungsschicht,
1b zeigt die Draufsicht auf die Oberfläche eines Kappen-Bauelements 20 für das MEMS-Bauelement 10 nach dem Aufbringen und Strukturieren einer zweiten Verbindungsschicht.
2a-c veranschaulichen das erfindungsgemäße Bondkonzept anhand von schematischen Schnittdarstellungen des MEMS-Bauelements 10 und des Kappen-Bauelements 20 vor dem ersten Bondschritt (2a), nach dem ersten und vor dem zweiten Bondschritt (2b) und nach dem zweiten Bondschritt (2c).

Ausführungsbeispiel der Erfindung
Das in 1a dargestellte MEMS-Bauelement 10 umfasst zwei unterschiedliche MEMS-Funktionen, die als Strukturkomponenten in den Chipbereichen 11 und 12 realisiert sind. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Sensorstruktur zum Erfassen von Drehraten und eine Sensorstruktur zum Erfassen von Beschleunigungen handeln. Da die konkrete Ausgestaltung der beiden Strukturkomponenten 11 und 12 für die hier in Rede stehende Erfindung unerheblich ist, wurde hier auf eine Detaildarstellung verzichtet. Jedenfalls sollen die beiden Strukturkomponenten 11 und 12 jeweils in einer eigenen Kaverne hermetisch dicht abgeschlossen werden, um jede Strukturkomponente 11 bzw. 12 bei dem für sie geeigneten Umgebungsdruck zu betreiben. Dazu müssen in den beiden Kavernen unterschiedliche Innendrücke herrschen.
Die Verkappung der Strukturkomponenten 11 und 12 des MEMS-Bauelements 10 erfolgt mit Hilfe des Kappen-Bauelements 20, in dessen in 1b dargestellter Oberfläche zwei voneinander unabhängige Kappenausnehmungen 21 und 22 für die Strukturkomponenten 11 und 12 ausgebildet sind.
Die Verbindung zwischen der in 1a dargestellten Oberfläche des MEMS-Bauelements 10 und der in 1b dargestellten Oberfläche des Kappen-Bauelements 20 soll erfindungsgemäß in einem sequentiellen Bondprozess hergestellt werden, was in Verbindung mit den 2a bis 2c erläutert wird. Dazu wurde in der Oberfläche des MEMS-Bauelements 10 eine grabenartige Vertiefung 13 erzeugt, die die Strukturkomponente 12 ringförmig geschlossen umgibt. Die so strukturierte Oberfläche wurde dann mit einer ersten Bondmaterialschicht versehen, aus der ein Bondrahmen 31 für die Strukturkomponente 11 und ein Bondrahmen 32 für die Strukturkomponente 12 herausstrukturiert wurde. Da der Bondrahmen 31 auf der geschlossenen Bauelementoberfläche angeordnet ist und Bondrahmen 32 in der Vertiefung 13, befinden sich die beiden umlaufend geschlossenen Bondrahmen 31 und 32 auf unterschiedlichen Oberflächenniveaus des MEMS-Bauelements 10.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde auch die Oberfläche des Kappen-Bauelements 20 mit Bondrahmen 41 und 42 aus einem zweiten Bondmaterial versehen. Diese Bondrahmen 41 und 42 sind ebenfalls ringförmig geschlossen und umgeben die Kappenausnehmungen 21 und 22. Da das Kappen-Bauelement 20 in diesen Bereichen nicht strukturiert ist, befinden sich die beiden Bondrahmen 41 und 42 auf demselben Oberflächenniveau des Kappen-Bauelements 20.
2a zeigt, wie die so präparierten Bauelemente 10 und 20 für den Bondprozess zueinander justiert werden. Außerdem veranschaulicht 2a, dass die Bondrahmen 31 und 32 aus einer einheitlich dicken Materialschicht herausgebildet sind und der Bondrahmen 32 in der Vertiefung 13 in der Bauelementoberfläche angeordnet ist, während der Bondrahmen 31 auf der geschlossenen Bauelementoberfläche angeordnet ist, so dass er den Bondrahmen 32 überragt. Die Bondrahmen 41 und 42 haben ebenfalls die gleiche Schichtdicke und sind beide auf der geschlossenen Oberfläche des Kappen-Bauelements angeordnet.
In der Prozesskammer der Bondvorrichtung wird nun eine gewünschte Atmosphäre, d.h. ein bestimmtes Gas und ein definierter Druck, eingestellt, bevor die beiden Bauelemente 10 und 20 aufeinander zubewegt und die Bondrahmen 31 und 41 in Kontakt gebracht werden, was in 2b dargestellt ist. Je nach Bondverfahren und Bondmaterialien wird nun die erforderliche Prozesstemperatur eingestellt und der erforderliche Anpressdruck appliziert, um eine Bondverbindung mit den Materialien der Bondrahmen 31 und 41 zu erzeugen und die Strukturkomponente 11 in der Kaverne 21 hermetisch dicht einzuschließen. Dabei wird in der Kaverne 21 ein Innendruck eingeschlossen, der den Druckverhältnissen in der Prozesskammer der Bondvorrichtung entspricht. 2b veranschaulicht, dass die Kaverne 22 der Strukturkomponente 12 nach diesem ersten Bondschritt noch nicht abgeschlossen ist.
Vor dem zweiten Bondschritt wird die Atmosphäre in der Prozesskammer der Bondvorrichtung entsprechend den gewünschten Gas- und Druckverhältnissen in der Kaverne 22 eingestellt. Dann werden die beiden Bauelemente 10 und 20 weiter zusammengepresst, bis auch die Bondrahmen 32 und 42 miteinander in Kontakt treten. Die Bondverbindung entsteht auch hier durch Applizieren des erforderlichen Anpressdrucks bei vorgegebener Prozesstemperatur, was in 2c dargestellt ist.
Abschließend sei noch angemerkt, dass das erfindungsgemäße Bondkonzept sowohl für eutektisches Bonden als auch für Thermokompressionsbonden oder SUD-Bonden eingesetzt werden kann. Als Bondmaterialien werden bevorzugt AlGe, Au-Si, Au-Au, Cu-Cu, Au-AISiCu und Cu-Sn-Cu verwendet. Grundsätzlich kommen aber auch andere Materialsysteme in Frage, wie z.B. Glasfrit.

Claims

Bauteil mit mindestens zwei Halbleiter-Bauelementen (10, 20), die über mindestens eine strukturierte Verbindungsschicht miteinander verbunden sind, wobei zwischen diesen beiden Bauelementen (10, 20) mindestens zwei Kavernen (21, 22) ausgebildet sind, die jeweils über einen umlaufenden Bondrahmen (31, 41; 32, 42) in der Verbindungsschicht hermetisch dicht abgeschlossen sind, so dass in jeder der Kavernen (21, 22) ein definierter Innendruck herrscht, wobei mindestens zwei der umlaufenden Bondrahmen (31, 32) auf unterschiedlichen Oberflächenniveaus mindestens eines der beiden Bauelemente (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zumindest eines der beiden Bauelemente (10) strukturiert ist, so dass mindestens ein umlaufender Bondrahmen (31) gegenüber mindestens einem anderen umlaufenden Bondrahmen (32) vertieft oder erhöht angeordnet ist.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des anderen Bauelements (20) zumindest im Bereich der umlaufenden Bondrahmen nicht strukturiert ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kavernen (21, 22) mindestens zwei unterschiedliche Innendrücke herrschen.
Verfahren zum Herstellen einer Bondverbindung zwischen zwei Halbleiter-Bauelementen (10, 20) eines Bauteils, so dass zwischen diesen beiden Bauelementen (10, 20) mindestens zwei Kavernen (21, 22) ausgebildet sind, die jeweils über einen umlaufenden Bondrahmen (31, 41; 32, 42) hermetisch dicht abgeschlossen sind, so dass in jeder der Kavernen (21, 22) ein definierter Innendruck herrscht, • bei dem zumindest eine der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen mit mindestens einer Verbindungsschicht versehen wird, • bei dem die Bondrahmen (31, 41; 32, 42) aus der mindestens einen Verbindungsschicht herausstrukturiert werden, und • bei dem dann die Bondverbindung über die mindestens zwei Bondrahmen (31, 41; 32, 42) hergestellt wird, indem die beiden Bauelemente (10, 20) unter ersten definierten Druckverhältnissen gegeneinander gepresst werden, bis über mindestens einen ersten Bondrahmen (31, 41) eine hermetisch dichte Verbindung zwischen den beiden Bauelementoberflächen hergestellt ist und die beiden Bauelemente (10, 20) dann unter zweiten definierten Druckverhältnissen weiter gegeneinander gepresst werden, bis auch über mindestens einen zweiten Bondrahmen (32, 42) eine hermetisch dichte Bondverbindung zwischen den beiden Bauelementoberflächen hergestellt ist, so dass in der ersten Kaverne (21) ein definierter Innendruck entsprechend den ersten Druckverhältnissen herrscht und in der zweiten Kaverne (22) eine definierter Innendruck entsprechend den zweiten Druckverhältnissen herrscht; dadurch gekennzeichnet, • dass zumindest eine der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen strukturiert wird, so dass mindestens ein umlaufender Bondrahmenbereich gegenüber mindestens einem anderen umlaufenden Bondrahmenbereich vertieft oder erhöht ist, • dass mindestens eine Verbindungsschicht auf diese strukturierte Bauelementoberfläche aufgebracht wird und mindestens zwei umlaufende Bondrahmen (31, 32) auf unterschiedlichen Oberflächenniveaus der Bauelementoberfläche aus dieser Verbindungsschicht herausstrukturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Strukturierung der Bauelementoberfläche in mindestens einem Bondrahmenbereich eine umlaufende Vertiefung (13) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Strukturierung der Bauelementoberfläche in mindestens einem Bondrahmenbereich eine umlaufende sockelartige Erhöhung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein unstrukturierter Bereich der Bauelementoberfläche als Bondrahmenbereich vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die andere der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen zumindest im Bondrahmenbereich nicht strukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auch auf die andere der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen mindestens eine Verbindungsschicht aufgebracht und strukturiert wird.