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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein kapazitives MEMS-Sensorelement, wie z. B. ein kapazitives Drucksensorelement oder eine kapazitives Mikrofonbauelement, dessen Messkondensatorelektroden über Bondpads in der Bauelementoberseite elektrisch kontaktiert werden. Die Sensorstruktur mit den Messkondensatorelektroden und die Bondpads sind in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert. Die Trägerschicht unmittelbar unter dem Bondpadaufbau ist geschlossen. Der Schichtaufbau umfasst mindestens eine Isolationsschicht, durch die zumindest eines der Bondpads gegen eine darunterliegende elektrisch leitfähige Schicht elektrisch isoliert ist. Diese mindestens eine Isolationsschicht kann als Trägerschicht für den Bondpadaufbau fungieren. Es kann sich aber auch um mindestens eine weitere Schicht des Schichtaufbaus zwischen Trägerschicht und elektrisch leitfähiger Schicht handeln. Bei der elektrisch leitfähigen Schicht kann es sich um das Halbleitersubstrat des MEMS-Sensorelements handeln oder auch um eine Funktionsschicht des MEMS-Schichtaufbaus, wie beispielsweise um eine Membranschicht.
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Die Sensorstruktur eines solchen kapazitiven MEMS-Sensorelements umfasst in der Regel ein auslenkbares Strukturelement, wie z.B. eine Membran oder einen Biegebalken, und ein feststehendes Gegenelement, die jeweils mit einer Elektrode eines Messkondensators ausgestattet sind. Das auslenkbare Strukturelement wird durch die zu erfassende Messgröße – z.B. Kraft-, Druck- oder Schalleinwirkung – relativ zum feststehenden Gegenelement ausgelenkt. Dabei verändert sich der Abstand zwischen den Messkondensatorelektroden. Dementsprechend verändert sich auch die Kapazität des Messkondensators. Diese Kapazitätsänderung bildet die Grundlage für das elektrische Sensorausgangssignal.
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In der Praxis wird das Sensorausgangssignal aber nicht nur durch die Messgröße und die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der Messkondensatoranordnung bestimmt sondern auch durch parasitäre Kapazitäten im Schichtaufbau des MEMS-Sensorelements und insbesondere durch parasitäre Kapazitäten, die zwischen den Bondpads zur elektrischen Kontaktierung der Messkondensatorelektroden und weiteren elektrisch leitfähigen Schichten des Schichtaufbaus auftreten. Da bei den meisten Sensoranwendungen ein möglichst hoher Grad an Linearität zwischen der zu erfassenden Messgröße und dem Sensorausgangssignal angestrebt wird, sollten diese parasitären Kapazitäten möglichst klein gehalten werden.
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In dem Artikel „Design on the Low-Capacitance Bond Pad for High-Frequency I/O Circuits in CMOS Technology", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 12, December 2001, pages 2953–2956, werden Maßnahmen zur Reduzierung der parasitären Kapazität zwischen einem Bondpad im Backendstapel eines CMOS-Bauelements und dem CMOS-Substrat beschrieben. Das Bondpad ist hier in Form von mehreren übereinander angeordneten Metallisierungsebenen realisiert, die über sogenannte „via plugs“ elektrisch miteinander verbunden sind. Die „via plugs“ überbrücken die Isolationsschichten zwischen den einzelnen Metallisierungsebenen, so dass der Bondpadaufbau praktisch mit dem Schichtaufbau des Backendstapels verzahnt ist. Dieser Aufbau verleiht dem Bondpad die für den Drahtbondprozess erforderliche Stabilität und Zugfestigkeit. Die Größe der parasitären Kapazität zwischen einem solchen Bondpad und dem CMOS-Substrat wird hier maßgeblich durch den Abstand zwischen Substrat und unterster Metallisierungsebene bestimmt sowie durch die Flächengröße der untersten Metallisierungsebene, die im Wesentlichen der Elektrodenfläche der parasitären Kapazität entspricht. Bei dem hier beschriebenen Ansatz soll die parasitäre Kapazität durch Verkleinerung der Elektrodenfläche reduziert werden. Dazu werden die unteren Metallisierungsebenen strukturiert, so dass die sehr gute Verzahnung mit dem Backendstapel erhalten bleibt. Die parasitäre Kapazität verringert sich in diesem Fall näherungsweise gemäß dem funktionalen Zusammenhang zwischen der Kapazität C und der Elektrodenfläche A eines Plattenkondensators: C = ε0εr·A/d, wobei ε0 die elektrische Feldkonstante bezeichnet, εr die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums zwischen den Kondensatorelektroden und d den Elektrodenabstand.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Reduzierung von parasitären Kapazitäten im Schichtaufbau von kapazitiven MEMS-Sensorelementen vorgeschlagen. Durch diese Maßnahmen sollen insbesondere die parasitären Kapazitäten zwischen den Bondpads zur elektrischen Kontaktierung der Messkondensatorelektroden und einer darunterliegenden elektrisch leitenden Schicht reduziert werden.
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Im Unterschied zum voranstehend zitierten Stand der Technik zielen die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht darauf ab, die Metallisierungsfläche des Bondpads zu strukturieren und so zu verringern. Stattdessen soll durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein Dielektrikum mit einer möglichst kleinen Dielektrizitätskonstanten εr zur elektrischen Isolation des Bondpads verwendet werden und/oder die Elektrodenfläche A der unter dem Bondpad liegenden elektrisch leitenden Schicht verkleinert werden und/oder der Abstand d zwischen dem Bondpad und der darunterliegenden elektrisch leitenden Schicht vergrößert werden.
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Gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 wird dies dadurch erreicht, dass im Bereich mindestens eines Bondpads mindestens eine Schicht unter der Trägerschicht strukturiert ist, so dass sich im Schichtaufbau unter diesem Bondpad Hohlräume befinden, durch die sich die parasitäre Kapazität zwischen diesem Bondpad und der darunterliegenden elektrisch leitfähigen Schicht reduziert.
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Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass die Dielektrizitätszahlen der üblicherweise für Isolationsschichten verwendeten Materialien, wie z.B. Siliziumoxid, in der Regel größer sind als 1 und damit auch größer als die Dielektrizitätszahl von Luft. Dementsprechend wird die Dielektrizitätszahl einer Isolationsschicht durch Ausbildung von Hohlräumen verringert und damit auch die parasitäre Kapazität zwischen dem Bondpad und der darunterliegenden elektrisch leitfähigen Schicht. Ergänzend oder alternativ zu einer Isolationsschicht zwischen der Trägerschicht und der elektrisch leitfähigen Schicht kann erfindungsgemäß auch die elektrisch leitfähige Schicht selbst strukturiert werden. Dadurch lässt sich die Elektrodenfläche der leitfähigen Schicht verringern, was ebenfalls zu einer Verringerung der parasitären Kapazität führt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei Schichten unter der Trägerschicht im Bondpadbereich in unterschiedlichen Rastern und/oder versetzt zueinander strukturiert, so dass die resultierenden Hohlräume in diesen Schichten lateral versetzt zueinander angeordnet sind. Dieser Aufbau zeichnet sich nicht nur durch eine besonders geringe parasitäre Kapazität zwischen dem Bondpad und der darunterliegenden elektrisch leitenden Schicht aus. Bei geeigneter Größe, Form und Anordnung der Hohlräume innerhalb der Schichten können außerdem eine sehr hohe Stabilität und Druckfestigkeit im Bondpadbereich erzielt werden, was für den Drahtbondprozess sehr wichtig ist.
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Gemäß dem unabhängigen Patentanspruchs 6 wird die parasitäre Kapazität zwischen einem Bondpad und einer darunterliegenden elektrisch leitenden Schicht dadurch verringert, dass das Material der elektrisch leitfähigen Schicht im Bereich unter diesem Bondpad zumindest im oberen Schichtbereich durch elektrisch isolierendes Material ersetzt wird, so dass die Isolationsschicht im Bereich dieses Bondpads deutlich dicker ausgebildet ist als außerhalb des Bondpadbereichs. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass sich durch diese Maßnahme der Abstand d zwischen dem Bondpad und der darunterliegenden elektrisch leitenden Schicht vergrößern lässt, ohne den Schichtaufbau insgesamt zu erhöhen.
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Wenn der Abstand zwischen einem Bondpad und dem darunterliegenden Halbleitersubstrat vergrößert werden soll, so kann das Substratmaterial in einem oberen Schichtbereich zunächst einfach strukturiert oder porös geätzt werden, um dann in einem Oxidationsprozess in ein elektrisch isolierendes Oxidmaterial umgewandelt zu werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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1 zeigt das Schaltbild eines kapazitiven Mikrofonbauelements mit Mikrofonkondensator und zwei parasitären Kapazitäten im Bauelementaufbau,
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil des Schichtaufbaus eines ersten kapazitiven MEMS-Mikrofonbauelements 100 mit strukturierter Isolationsschicht zwischen Bondpad und darunterliegender Membranschicht;
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3a, b zeigen jeweils eine Draufsicht auf den Schichtstapel zweier unterschiedlich strukturierter Isolationsschichten;
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil des Schichtaufbaus eines zweiten kapazitiven MEMS-Mikrofonbauelements 200 mit strukturiertem Halbleitersubstrat im Bondpadbereich;
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5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil des Schichtaufbaus eines dritten kapazitiven MEMS-Mikrofonbauelements 300 mit einem vergrößerten Abstand zwischen Bondpad und Halbleitersubstrat und
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6a bis 6c veranschaulichen den Herstellungsprozess des MEMS-Mikrofon bauelements 300 anhand von schematischen Schnittdarstellungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das Schaltbild der 1 veranschaulicht, dass der Aufbau eines kapazitiven MEMS-Mikrofonbauelements neben dem Mikrofonkondensator 10 immer auch noch weitere sogenannte parasitäre Kapazitäten 11 und 12 umfasst. Derartige parasitäre Kapazitäten bilden sich zwangsläufig im Schichtaufbau eines solchen Bauelements aus, und zwar zwischen elektrisch leitenden Schichten, die durch eine oder mehrerer Isolationsschichten elektrisch voneinander getrennt sind und auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen. Die parasitären Kapazitäten beeinflussen die kapazitive Signalerfassung und sollten deshalb möglichst gering gehalten werden.
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Die Mikrofonstruktur des in 2 dargestellten Mikrofonbauelements 100 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert und umfasst eine schalldruckempfindliche Membran 13 und ein akustisch durchlässiges feststehendes Gegenelement 14. Die Membran 13 ist in einer elektrisch leitfähigen Membranschicht 3 ausgebildet, so dass die Membran 13 selbst als auslenkbare Elektrode eines Mikrofonkondensators zur Signalerfassung fungiert. Sie überspannt eine Öffnung 8 in der Substratrückseite. Die Membranschicht 3 ist durch eine erste Isolationsschicht 2 gegen das Substrat 1 elektrisch isoliert und durch eine zweite erheblich dickere Isolationsschicht 4 gegen eine hier vergleichsweise dicke Schicht 5, in der das Gegenelement 14 ausgebildet ist. Die Isolationsschicht 4 wurde im Bereich über der Membran 13 entfernt, so dass die Membran 13 sowohl nach oben als auch nach unten auslenkbar ist. Im Gegenelement 14 sind Durchgangsöffnungen 7 zum Druckausgleich ausgebildet. Das Gegenelement 14 dient hier als Träger für eine feststehende Gegenelektrode 15 des Mikrofonkondensators, die hier in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht 6 auf der Unterseite des Gegenelements 14 realisiert ist. Diese Gegenelektrode 15 wird über ein Bondpad 16 elektrisch kontaktiert, das seitlich neben der Mikrofonstruktur auf der Bauelementoberfläche angeordnet ist und hier in Form einer flächigen Metallisierung realisiert ist. Die Schicht 5 bildet eine im Bondpadbereich geschlossene Trägerschicht für das Bondpad 16. Zwischen dem Bondpad 16 und der darunterliegenden elektrisch leitenden Membranschicht 13 besteht eine parasitäre Kapazität, die hier erfindungsgemäß durch Strukturierung der Isolationsschicht 4 im Bondpadbereich reduziert worden ist. Dabei wurde das Material der Isolationsschicht 4 teilweise entfernt, so dass Hohlräume 9 entstanden sind. Die Luft innerhalb der Hohlräume 9 hat eine kleinere Dielektrizitätszahl als des Material der Isolationsschicht 4, so dass sich die parasitäre Kapazität im Bondpadbereich durch die Hohlräume 9 verringert. An dieser Stelle sei angemerkt, dass innerhalb dieser Hohlräume auch ein anderes Gas als Luft oder ein Vakuum eingeschlossen sein kann. Auch in diesen Fällen verringert sich die Dielektrizitätszahl gegenüber der Dielektrizitätszahl des Materials der Isolationsschicht 4.
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Bei der Strukturierung einzelner Schichten des Schichtaufbaus zur Ausbildung von Hohlräumen unterhalb eines Bondpads, wie in 2 dargestellt, muss allerdings darauf geachtet werden, dass der Schichtaufbau noch hinreichend stabil bleibt für den Drahtbondprozess zur Bauelementkontaktierung. Die 3a und 3b veranschaulichen, wie ein sehr stabiler Unterbau für ein Bondpad geschaffen werden kann, aber dennoch ein großer Teil des Schichtmaterials der Isolationsschicht entfernt werden kann. Die Isolationsschicht 4 wird hier nämlich jeweils durch zwei Schichten 41 und 42 gebildet, die unterschiedlich strukturiert wurden. Im Fall der 3a wurden aus der unteren Isolationsschicht 41 parallel angeordnete Stege herausstrukturiert, die sich über den gesamten Bondpadbereich erstrecken. Auch aus der darüberliegenden Isolationsschicht 42 wurden solche parallel angeordneten Stege herausstrukturiert. Diese sind allerdings orthogonal zu den Stegen der Isolationsschicht 41 orientiert, was den Beiden Schichten zusammen eine sehr hohe Druckfestigkeit verleiht. Im Fall der 3b wurde aus der unteren Isolationsschicht 41 eine Ringstruktur herausstrukturiert, während aus der Isolationsschicht 42 eine sternförmige Anordnung von Stegen herausstrukturiert wurde, die die Ringstruktur der Isolationsschicht 41 überspannt.
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Auch die Bauelementstruktur des in 4 dargestellten Mikrofonbauelements 200 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert. Sie umfasst ebenfalls eine schalldruckempfindliche Membran 13 und ein akustisch durchlässiges feststehendes Gegenelement 14. Die Membran 13 überspannt eine Öffnung 8 in der Substratrückseite. Sie besteht aus einem elektrisch leitfähigen Schichtmaterial und fungiert als auslenkbare Elektrode eines Mikrofonkondensators. Das Gegenelement 14 mit den Durchgangsöffnungen 7 ist in einer vergleichsweise dicken Isolationsschicht 5 auf dem Bauelementsubstrat 1 realisiert. Auch hier ist die feststehende Gegenelektrode 15 des Mikrofonkondensators in einer elektrisch leitfähigen Schicht 6 auf der Unterseite des Gegenelements 14 ausgebildet und wird über ein Bondpad 16 auf der Bauelementoberfläche elektrisch kontaktiert. Zwischen der flächigen Metallisierung des Bondpads 16 und dem darunterliegenden Halbleitersubstrat 1 besteht eine parasitäre Kapazität. Diese wurde im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Strukturierung des Halbleitersubstrats 1 im Bondpadbereich reduziert. Dabei wurden säulen- oder stegartige Stützelemente 21 im Halbleitersubstrat 1 freigelegt, an die sich die geschlossene Isolationsschicht 5 mit den Bondpads 16 anschließt. Die an die Isolationsschicht 5 angrenzende Substratoberfläche, die als Elektrodenfläche A maßgeblich für die Größe der parasitären Kapazität ist, ist hier also deutlich reduziert. Die säulen- oder stegartigen Stützelemente 21 sind so dimensioniert und angeordnet, dass sie dem Schichtaufbau im Bondpadbereich die für den Drahtbondprozess erforderliche Stabilität verleihen, obwohl durch die Strukturierung Hohlräume 29 im Halbleitersubstrat 1 entstanden sind.
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Das in 5 dargestellte MEMS-Mikrofonbauelement 300 hat im Wesentlichen die gleiche Bauelementstruktur wie das voranstehend in Verbindung mit 4 beschriebene MEMS-Mikrofonbauelement 200. Allerdings sind hier keine Hohlräume im Halbleitersubstrat 1 unter dem Bondpad 16 ausgebildet. Stattdessen wurde ein oberer Schichtbereich des Halbleitersubstrats 1 durch ein dielektrisches Material 30, hier ein Oxid des Halbleitersubstrats, ersetzt. Dadurch hat sich der Abstand zwischen den Elektroden der parasitären Kapazität, nämlich zwischen dem Bondpad 16 und der Substratoberfläche 31 unter dem Bondpad 16 vergrößert, was zu einer Verringerung der parasitären Kapazität beigetragen hat.
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Eine besonders einfache Möglichkeit für die Erzeugung eines Oxidbereichs in einem Halbleitersubstrat 1 wird durch die 6a bis 6c veranschaulicht. Dazu wird hier zunächst eine rasterartige Struktur 32 oder eine Porosität in dem betroffenen Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats 1 erzeugt. Dabei sollte sowohl die Flächenausdehnung als auch die Tiefenausdehnung in etwa den angestrebten Dimensionen des zu erzeugenden Oxidbereichs entsprechen. Das so strukturierte Halbleitersubstrat 1 – 6a – wird dann einem Oxidationsprozess unterzogen, bei dem sich zunächst eine oberflächliche Oxidschicht 33 bildet – 6b – dann aber das gesamte strukturierte Substratmaterial in Oxid 30 umgewandelt wird – 6c. Das so präparierte Halbleitersubstrat 1 kann dann als Ausgangssubstrat für den Schichtaufbau des in 5 dargestellten MEMS-Mikrofonbauelements 300 verwendet werden.
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Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Reduzierung der parasitären Kapazität zwischen einem Bondpad und einer darunterliegenden elektrisch leitenden Schicht selbstverständlich auch bei einem Bondpad zur elektrischen Kontaktierung der Membranelektrode angewendet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Design on the Low-Capacitance Bond Pad for High-Frequency I/O Circuits in CMOS Technology“, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 12, December 2001, pages 2953–2956 [0004]
