DE102018205156A1

DE102018205156A1 - MEMS-Element und ASIC-Element

Info

Publication number: DE102018205156A1
Application number: DE102018205156.9A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Senz; Thomas Friedrich; Friedjof Heuck; Peter Schmollngruber; Mike Schwarz; Jochen Tomaschko
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-10-10
Also published as: EP3774640A1; WO2019192797A1; US20200399116A1; CN111936413A

Abstract

MEMS-Element (100), aufweisend:- ein Substrat (10);- eine auf dem Substrat (10) angeordnete erste Passivierungsschicht (20);- eine auf der ersten Passivierungsschicht (20) angeordnete Metallschicht (30);- eine auf der Metallschicht (30) und auf der ersten Passivierungsschicht (20) angeordnete zweite Passivierungsschicht (40); und- ein Stempelelement (60), wobei auf dem Stempelelement (60) und auf der zweiten Passivierungsschicht (40) eine elektrisch leitfähige Diffusionssperrschicht (50) angeordnet ist, wobei auf dem Stempelelement (60) ein erstes Bondelement (70) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein MEMS-Element. Die Erfindung betrifft weiterhin ein ASIC-Element. Die Erfindung betrifft weiterhin einen mikromechanischen Sensor mit einem MEMS-Element und einem ASIC-Element. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors.
Stand der Technik
Moderne Verpackungstechniken machen es erforderlich, den drucksensitiven Teil eines Drucksensors, die Drucksensormembran, mittels spezieller Federdesign vom restlichen Teil des Sensors mechanisch zu entkoppeln und damit unabhängig von AVT-Einflüssen (Aufbau und Verpackungstechnik) zu machen. Externe Einflüsse, welche den Drucksensor unter mechanischen Stress, zum Beispiel Verbiegung, setzen, sind unter anderem z.B. mechanische Verspannung aufgrund eines Moldprozesses, ein Aufbau mit einem Materialmix mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Stress durch Verbindungen des aufgebauten Sensors auf einer externen Kundenleiterplatte.
DE 10 2015 116 353 A1 offenbart einen mikrointegrierten gekapselten MEMS-Sensor mit mechanischer Entkopplung und ein Herstellungsverfahren dafür.
DE 10 2015 103 485 A1 offenbart einen MEMS-Sensor, insbesondere einen Drucksensor.
US 2014/0299948 A1 offenbart ein Silizium-basiertes MEMS-Mikrophon, ein System und ein Package mit den genannten Elementen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Chip-zu-Chip-Kontakt, insbesondere zur Verwendung für einen mikromechanischen Sensor bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem MEMS-Element, aufweisend:

- ein Substrat;
- eine auf dem Substrat angeordnete erste Passivierungsschicht;
- eine auf der ersten Passivierungsschicht angeordnete Metallschicht;
- eine auf der Metallschicht und auf der ersten Passivierungsschicht angeordnete zweite Passivierungsschicht; und
- ein Stempelelement, wobei auf dem Stempelelement und auf der zweiten Passivierungsschicht eine elektrisch leitfähige Diffusionssperrschicht angeordnet ist, wobei auf dem Stempelelement ein erstes Bondelement angeordnet ist.

Auf diese Weise wird ein MEMS-Element mit einer Stempelstruktur bereitgestellt, die für eine nachfolgende eutektische Bondverbindung mit einem ASIC-Bauelement vorgesehen ist, um dadurch eine zuverlässige elektrische Verbindung von Metalllagen von zu verbindenden Chips herzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem ASIC-Element, aufweisend:

- ein zweites Substrat;
- eine auf dem zweiten Substrat angeordnete ASIC-Funktionsschicht;
- eine auf der ASIC-Funktionsschicht angeordnete Metallschicht und eine Oxidschicht mit Durchkontaktierungen;
- eine auf der Oxidschicht angeordnete Passivierungsschicht, die als ein Abstandshalterelement und ein Wannenelement ausgebildet ist, wobei bei einem eutektischen Bondprozess ein Bondelement in das Wannenelement eintauchbar ist, wobei ein Ausfließen von Eutektikum verhinderbar ist.

Auf diese Weise wird ein ASIC-Element bereitgestellt, welches eine Wannenstruktur und einen Abstandshalter aufweist, die für einen nachfolgenden eutektischen Bondprozess mit einem MEMS-Element geeignet ist, um eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen Metalllagen des ASIC-Elements und des MEMS-Elements herzustellen.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen eines Sensorelements;
- Bereitstellen eines MEMS-Elements mit einem formstabilen Stempelelement und einem darauf angeordneten ersten Bondelement;
- Bereitstellen eines ASIC-Elements mit einer in einer Passivierungsschicht ausgebildeten Wannenstruktur mit einem darin angeordneten zweiten Bondelement und einer Abstandshalterstruktur;
- Eutektisches Bonden des MEMS-Elements mit dem ASIC-Element derart, dass das Stempelelement in die Wannenstruktur eintaucht und mittels der Abstandshalterstruktur ein definierter Abstand zwischen dem MEMS-Element und dem ASIC-Element bereitgestellt wird.

Auf diese Weise wird ein mikromechanischer Sensor bereitgestellt, der eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen Metalllagen der beteiligten Elemente aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen des MEMS-Elements und des ASIC-Elements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Stempelelements Aluminium oder Dielektrikum ist. Dadurch werden unterschiedliche Ausführungsformen des formstabilen Stempelelements bereitgestellt. Im Falle einer Ausbildung des Stempelelements mit Dielektrikum (z.B. Oxid, Nitrid, usw.) ist vorteilhaft, dass eine Haftung des Eutektikums verbessert ist und dass Bondmaterial (z.B. in Form von Germanium) mit dem Material des Stempelelements nicht legieren kann. Dadurch ist unterstützt, dass das Germanium nicht in die Metallschicht eindringt. Elektrischer Strom wird dabei nach der Bondung durch eine Diffusionssperrschicht um das Stempelelement herum geleitet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht diffusionsstabil gegenüber dem ersten Bondelement ist. Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, dass die Diffusionssperrschicht eines aus: Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, ist. Dadurch ist ermöglicht, dass die Diffusionssperrschicht nicht mit dem Bondmaterial reagiert und auch nicht in dieses hineindiffundiert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements zeichnet sich dadurch aus, dass die Diffusionssperrschicht in einem planaren Bereich Aussparungen aufweist. Auf diese Weise ist eine flächenmäßig große Ausbildung eines Chip-zu-Chip-Kontakts unterstützt, wodurch elektrische Kurzschlüsse zwischen Chip-zu-Chip-Kontakten vermieden werden können.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht zwei Teil-Diffusionssperrschichten umfasst. Auf diese Weise ist unterstützt, dass ein Eindiffundieren von Germanium in die Metallschicht verhindert wird. Vorteilhaft wird dadurch eine weitere Diffusionsbarriere unterhalb des Stempelelements bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste Teil-Diffusionssperrschicht strukturiert ist. Dadurch kann das Stempelelement vorteilhaft mechanisch noch stabiler ausgebildet sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements zeichnet sich dadurch aus, dass das Stempelelement auf der ersten Passivierungsschicht angeordnet ist. Dadurch sind vorteilhaft eine mechanische Haftung des Stempelelements und damit eine mechanische Stabilität (z.B. aufgrund von extern einwirkenden mechanischem Stress) des gebondeten Bauelements noch weiter verbessert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements zeichnet sich dadurch aus, dass das Stempelelement auf einer Ausnehmung der zweiten Passivierungsschicht angeordnet ist. Dadurch ist im Falle einer Ausbildung des Stempelelements aus Metall ein elektrischer Stromfluss zwischen dem Stempelelement und der Metallschicht ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement auf der ersten Passivierungsschicht angeordnet ist, wobei voneinander abgegrenzte Ausnehmungen der ersten Passivierungsschicht um das Stempelelement ausgebildet sind, wobei die Diffusionssperrschicht auf der zweiten Passivierungsschicht und auf den Ausnehmungen der ersten Passivierungsschicht angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein elektrischer Widerstand weiter verringert werden wodurch eine Unterteilung der Diffusionssperrschicht in zwei Teilschichten nicht mehr erforderlich ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements zeichnet sich dadurch aus, dass die Diffusionssperrschicht in einer Ebene strukturiert und die Ausnehmung nicht über eine Topographiekante ausgebildet ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft flächenmäßig große Chip-zu-Chip-Kontakte ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements zeichnet sich dadurch aus, dass das Material des Stempelelements ein Dielektrikum ist und die Diffusionssperrschicht strukturiert ist. Auf diese Weise ist eine verbesserte mechanische Verbindung des Eutektikums mit dem Stempelelement unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des ASIC-Elements sieht vor, dass in der Passivierungsschicht eine von dem zweiten Bondelement separierte Metallstruktur ausgebildet ist. Dadurch wird eine Art Schutzring bereitgestellt, in welchen kein Germanium eindringt. Eine Aufnahmekraft der Wannenstruktur ist damit verbessert, wodurch beim Bondprozess eine Gegenkraft von oben verbessert aufgenommen werden kann. Vorteilhaft wird dadurch ein Aufbrechen der Wannenstruktur und ein Auslaufen von flüssigem Eutektikum aus der Wannenstruktur verhindert.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das MEMS-Element, das ASIC-Element und den mikromechanischen Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Merkmalen, technischen Vorteilen und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen der genannten Elemente ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:

1 eine Querschnittsansicht von Ausführungsformen des vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts nach einem Bondprozess;
3 eine Querschnittsansicht von Ausführungsformen des vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
4 eine Querschnittsansicht von weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
5 eine Querschnittsansicht von weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
6 eine Querschnittsansicht von weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
7 eine Draufsicht einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts;
8 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts;
9 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines MEMS-Elements vor einem Bondprozess; und
10 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Chip-zu-Chip-Kontakts. Der vorgeschlagene Chip-zu-Chip-Kontakt kann dabei allgemein für eine Verbindung zweier Bauteile mittels eutektischer Bondung verwendet werden und ist vorteilhaft nicht zur Verwendung in einem Drucksensor beschränkt, sondern kann für vielfache mikromechanische Sensortypen (z.B. Inertialsensoren) verwendet werden.
Die Funktion des vorgeschlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts realisiert eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den zu verbindenden Bauteilen, d.h. zwischen den letzten Metalllagen in einem MEMS-Element und in einem ASIC-Element.
Die genannte eutektische Bondung findet durch die Legierung von Germanium (auf dem MEMS-Element) und Aluminium (letzte Metalllage des ASIC-Elements) statt. Die Erfindung ist vorteilhaft aber nicht auf diese spezifische eutektische Bondverbindung begrenzt, sondern kann mit weiteren, an sich bekannten Bondpartnern realisiert werden. Beispiele für geeignete metallische Bondverfahren sind Al-Ge, Au-Si, Cu-Sn, AI-AI, Cu-Cu, Au-Au, usw.
Während des mit hoher Temperatur durchgeführten Bondprozesses schmilzt die Summe des gesamten verfügbaren Aluminiums und Germaniums auf und liegt ausreichend kurze Zeit als vorwiegend Flüssigkeit mit vereinzelten festen Körnern vor.
Bei Temperaturen um oder über der eutektischen Temperatur ist Aluminium sehr weich und kann problemlos durch den Anpressdruck zerquetscht werden. Ein vollständiges „eutektisches“ Aufschmelzen des Aluminiums ist dabei nicht erforderlich. Schon geringe zusätzliche Mengen an Germanium in Aluminium führen zu einer weiteren signifikanten Erweichung des Aluminiums. Es findet keine signifikante Volumenänderung durch die Legierung von Aluminium und Germanium statt, wodurch in erster Näherung angenommen werden kann, dass der Prozess Volumen-neutral ist.
1 zeigt einen Querschnitt von Elementen eines Chip-zu-Chip-Kontakts vor dem Bonden und 2 einen Querschnitt der genannten Elemente nach dem Bonden.
Man erkennt in 1 ein MEMS-Element 100 mit einem Substrat in Form einer Siliziumschicht 10, auf der eine erste Passivierungsschicht 20 (z.B. in Form einer Oxidschicht SiO₂) angeordnet ist. Auf der ersten Passivierungsschicht 20 sind eine zweite Passivierungsschicht 40 und eine erste Metallschicht 30 angeordnet. Dabei kann, wie in der 1 gezeigt, wenigstens ein Teil der zweiten Passivierungsschicht 20 neben der Metallschicht 30 auf der ersten Passivierungsschicht 20 angeordnet sein. Weiterhin bedeckt die zweite Passivierungsschicht 40 wenigstens teilweise die Metallschicht 30. Die zweite Passivierungsschicht 40 weist eine Öffnung 41 auf, wobei ein Stempelelement 60 auf der Öffnung 41 der zweiten Passivierungsschicht 40 angeordnet ist. Diese Öffnung 41 kann direkt eine Verbindung des Stempelelements 60 zur Metallschicht 30 darstellen, beispielsweise indem die Öffnung 41 oberhalb der Metallschicht 30 (vom Substrat aus gesehen) oder unmittelbar seitlich von der Metallschicht 30 erzeugt wird. Das Stempelelement 60 kann aus Aluminium oder aus einem Dielektrikum, z.B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, ausgebildet sein. Auf dem Stempelelement 60 ist eine elektrisch leitende Diffusionssperrschicht 50 angeordnet. Auf der Diffusionssperrschicht 50 am Stempelelement 60 ist ein erstes Bondelement 70 (z.B. Germanium) angeordnet.
Im unteren Abschnitt von 1 ist ein Querschnitt eines ASIC-Elements 200 dargestellt, mit einer Siliziumschicht 110, auf der eine ASIC-Funktionsschicht 120 mit mehreren Metalllagen, Durchkontaktierungen und Oxidlagen (nicht dargestellt) zum Abbilden der ASIC-Funktionalität („ASIC-Backend“) des ASIC-Elements 200 angeordnet ist. Auf der ASIC-Funktionsschicht 120 ist eine zweite Metallschicht 121 angeordnet sowie eine weitere Oxidschicht 130, in der elektrische Durchkontaktierungen 122 („Vias“) ausgebildet sind. Auf der Oxidschicht 130 ist eine Passivierungsschicht 140 als eine Abstandshalterstruktur ausgebildet, mittels derer eine wannenartige Struktur gebildet ist und in der ein zweites Bondelement 121 (z.B. Aluminium) angeordnet ist.
Es ergeben sich auf diese Weise somit folgende Bereiche innerhalb eines realisierbaren Chip-zu-Chip-Kontakts mit folgenden Funktionen:
Das Stempelelement 60 stellt eine mechanische Verbindung nach der Bondung bereit, wobei sich das Stempelelement 60 während und nach der Bondung nicht verformt. Das Stempelelement 60 stellt somit eine Referenzgröße für die mechanische Verbindung zwischen dem MEMS-Element 100 und dem ASIC-Element 200 dar. Das Stempelelement 60 schiebt die Ge-Struktur ausreichend weit in die gegenüberliegende Passivierungsöffnung, sodass beim Anpressen der beiden Wafer zu allererst das Germanium mit dem gegenüberliegenden Aluminium in Kontakt kommt. Zusätzlich muss das Stempelelement 60 den elektrischen Kontakt zwischen Eutektikum und Sensorleiterbahn herstellen.
Die Wannenstruktur der Passivierungsschicht 140 definiert den Bereich, in dem sich das flüssige Eutektikum 141 (z.B. Aluminium-Germanium) befindet. Sie muss die Prozesstoleranzen, Schichtdicke und Strukturbreiten zuverlässig auffangen, sodass kein legiertes Aluminium-Germanium aus der Wanne gepresst wird und das Stempelelement 60 zuverlässig innerhalb der Wanne zu liegen kommt (Berücksichtigung von Bondjustageversatz).
Die Abstandshalterstruktur auf der Passivierungsschicht 140 schließt den Chip zu Chip-Kontakt ab, definiert die Höhe der Wanne und nimmt die während des Bondprozesses einwirkende Kraft aufgrund des Anpressdrucks nach dem Aufschmelzen des Eutektikums 141 auf.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Chip-zu-Chip-Kontakt nach erfolgter Bondung des MEMS-Elements 100 mit dem ASIC-Element 200.
Die Dimensionierung des Eutektikums 141 und der einzelnen Bereiche ergibt sich somit aus:

- dem Stempelelement 60, dessen Fläche die mechanische Belastbarkeit und die elektrische Leitfähigkeit linear skaliert. Dabei wird die Höhe des Stempelelements 60 vorzugsweise derart gewählt, dass sie größer ist als eine Dicke der Passivierung des ASIC-Bauelements 200. Zusätzlich sollte das Stempelelement 60 vorteilhafterweise nach dem Bonden unterhalb der initialen AI-Oberfläche zum Liegen kommen, wodurch eine zuverlässigere, stabile Bondung unterstützt ist. Um dies zuverlässig zu bewerkstelligen, sollte die Höhe die Prozesstoleranzen, Schichtdicken, die die Stempelhöhe definieren, und die Schichtdicke der Passivierungsschicht 140 berücksichtigt werden. Vorzugsweise weist das rechteckige Stempelelement 60 Kantenlängen im Bereich zwischen ca. 10 µm und ca. 100 µm auf, um ein Eintauchen unter die initiale Aluminium-Oberfläche im Ausmaß von ca. 0 bis ca. 1 µm zu erreichen.
- einer Wannenstruktur, die nach der Bondung vertikal durch eine MEMS-seitige Passivierung des MEMS-Elements 100 und des Stempelelements 60 definiert ist sowie ASIC-seitig durch die angrenzende letzte Metallebene. In horizontaler Hinsicht ist die Wanne durch die Abstandshalterstruktur der Passivierungsschicht 140 definiert. Eine Breite der Wanne ist durch die Breite des Stempelelements 60 mit zusätzlichem Bondversatz links und rechts definiert.

Eine Höhe der Wannenstruktur ist durch die Summe der Schichtdicken der Metallschicht des zweiten Bondelements 123 mit der Passivierungsschicht 140 definiert. Dem Auffangvolumen der Wannenstruktur kommt eine besondere Bedeutung zu und ist vorwiegend durch den Abstand des Stempelelements 60 und der Höhe der Passivierungsschicht 140 sowie deren Abstand zum Stempelelement 60 definiert. In diesem Volumen („Auffangvolumen“) kommt nach dem Bondprozess das AlGe-Interface zu liegen. Dieses Volumen wird definiert durch die Prozesstoleranzen des Stempelelements 60 und der Passivierungsschicht 140 sowie der Bondelemente 70, 123. Ferner wird das Volumen durch das verdrängte Volumen aufgrund des Eintauchens unter die initiale Aluminium-Oberfläche definiert.

- einer Abstandshalterstruktur der Passivierungsschicht 140, die ein Ausfließen des Eutektikums 141 aus der Wannenstruktur verhindert. In einer optimierten Ausführungsform ist ein Abstand von 1µm bis 10 µm zwischen der Wanne und der Abstandshalterstruktur vorgesehen. Dieser Abstand sichert zusätzlich einen Bruch des Wannenrandes ab, sodass kein Germanium in den Aluminium-Unterbau des Abstandshalters gelangen kann.
- einem Eutektikum 141, dessen Volumenverhältnis zwischen den Bondelementen (z.B. Ge und Al) möglichst nahem dem eutektischen Verhältnis gewählt werden sollte. Eine Germaniumabweichung in Richtung „zu viel“ sollte dabei vermieden werden. Das Volumenverhältnis sollte ferner möglichst so gewählt werden, dass bei nominalen Schichtdicken das Auffangvolumen der Wannenstruktur ca. halb ausgefüllt ist. Das Germaniumvolumen sollte dabei möglichst breit (ca. 10µm bis ca. 100 µm) und dünn (ca. 100nm bis ca. 1µm) sein. Die Germaniumstruktur sollte innerhalb der Breite des Stempelelements 60 liegen. Beim Al-Volumen ist die Breite durch die Wannenbreite definiert. Die Höhe des Al-Volumens sollte in der Größenordnung von ca. 0,5 µm bis ca. 2 µm liegen. Die Al-Schicht kann vorteilhafterweise links und rechts neben dem Stempelelement 60 eine kleine Unterbrechung von ca. 1µm aufweisen, womit sich unterhalb des Stempelelements 60 ein eutektisches Verhältnis einfacher realisieren lässt.

Der in den 1 und 2 dargestellte Querschnitt ist ein beispielhafter Querschnitt eines vorgeschlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts für einen Drucksensor (nicht dargestellt). Die Schichten und ihre Funktionen sind dabei wie folgt:
Die elektrische erste Passivierungsschicht 20 zwischen der Metallleiterbahn und dem Silizium kann aus SiO₂ bestehen. Die Schichtdicke liegt in der Größenordnung von 0.1µm bis 1µm.
Die Metallschicht 30 bildet eine elektrische Leiterbahn des MEMS-Elements 100. Sie kann aus Aluminium bestehen, wobei ihre Schichtdicke in der Größenordnung von 0.1µm bis 1 µm liegt.
Die elektrische zweite Passivierungsschicht 40 auf der Metallleiterbahn kann aus SiN (Siliziumnitrid) bestehen, ihre Schichtdicke beträgt ca. 0.1µm bis ca. 1 µm.
Das Stempelelement 60 kann je nach Ausführungsform aus einem Dielektrikum (z.B. SiO₂ oder SiN) bestehen oder elektrisch leitfähig sein (z.B. Aluminium).
Die Diffusionssperrschicht 50 ist elektrisch leitfähig und muss gegenüber den Metallschichten 30, 123 sowie gegenüber dem Eutektikum 141 diffusionsstabil sein. Sie kann unter anderem aus Ti, TiN, Ta, TaN und Kombinationen der genannten Elemente und Verbindungen bestehen. Die gesamte Schichtdicke der Diffusionssperrschicht 50 liegt in der Größenordnung von ca. 0.05µm - ca. 2 µm.
Die Passivierungsschicht 140 besteht aus einem Dielektrikum, sie kann aus SiO₂ oder Siliziumnitrid oder eine Kombination der beiden Verbindungen sein. Eine Schichtdicke liegt in der Größenordnung von ca. 0.2 µm bis ca. 2 µm.
Die Metallschicht des zweiten Bondelements 123 repräsentiert die letzte Metalllage des ASIC-Bauelements 200 und besteht vorzugsweise aus Aluminium. Ihre Schichtdicke liegt in der Größenordnung von ca. 0.5 µm bis ca. 2 µm.
Weitere Ausführungsvarianten des vorgeschlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts sind in weiteren Figuren im Querschnitt dargestellt. Ziel ist es jeweils, die elektrische Verbindung der elektrischen Metallschicht 30 des MEMS-Elements 100 über das Eutektikum zur Metallschicht („letzte Metalllage“) des ASIC-Elements 200 und schlussendlich über die Durchkontaktierung zwischen der letzten und der vorletzten Metalllage 121 in die ASIC-Funktionsschicht 120 zu bringen.
Die Querschnittsansicht von 3 entspricht jener von 2. Der Querschnitt des Stempelelements 60 besteht aus der Schichtfolge: elektrische Passivierungsschicht 20, erste Metallschicht 30, zweite Passivierungsschicht 40, Stempelelement 60 und Diffusionssperrschicht 50. Das Material des Stempelelements 60 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. aus Aluminium bestehen. Damit kann die Öffnung 41 in der zweiten Passivierungsschicht 40 unterhalb des Stempelelements 60 liegen. Ein Eindiffundieren von Germanium in das Stempelelement 60 muss verhindert werden, daher ist im Falle von einem aus Aluminium bestehen Stempelelement 60 eine geschlossene und stabile Diffusionssperrschicht 50 vorgesehen.
Eine Stabilität der abdeckenden Diffusionssperrschicht 50 kann unter Umständen problematisch sein. Aus diesem Grund kann alternativ, wie in 4 dargestellt, die Diffusionssperrschicht 50 in zwei Teil-Diffusionssperrschichten 50a, 50b aufgeteilt werden. Dabei liegt eine erste Sperrschicht 50a unterhalb des Stempelelements 60 und eine zweite Sperrschicht 50b liegt oberhalb des Stempelelements 60. Damit ist ein Eindringen von Germanium in das Stempelelement 60 möglich, wobei eine weitere Diffusion von Germanium in die Metallschicht 30 durch die erste Sperrschicht 50a in der Öffnung der Passivierungsschicht 40 auf die Metallschicht 30 verhindert wird.
Durch das Eindringen einer auch nur geringen Menge Germanium in das Aluminium des Stempelelements 60 wird dieses sehr weich und neigt dazu, übermäßig verquetscht zu werden. Ferner kann durch ein Einbrechen/Rissbildung die zweite Teil-Diffusionssperrschicht 50b verhältnismäßig viel Aluminium an der eutektischen Verbindung beteiligt sein. Daher ist, bedingt durch die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Brechens, ein Auslegen des Anteils Aluminium zu Germanium nahe dem eutektischen Verhältnis schwierig. In einer nicht in Figuren dargestellten Variante kann daher die erste Teil-Diffusionssperrschicht 50a auch direkt auf der Metallschicht 30 liegen bzw. Teil der Metallschicht 30 sein.
Alternativ kann, wie in 5 farblich angedeutet, das Stempelmaterial des Stempelelements 60 auch ein Dielektrikum sein, z.B. SiO₂ oder SiN. In diese Schichten dringt kein Germanium ein, sie sind ausreichend stabil und dick, so dass per Layout ein Eindringen des Germanium in die Metallschicht 30 nicht mehr möglich ist. Weiter vorteilhaft ist die Tatsache, dass die Diffusionssperrschicht 50 strukturiert werden kann, da eine Abscheidung von Germanium auch direkt auf dem Stempelmaterial möglich ist. Diese Strukturierung der Diffusionssperrschicht 50 ermöglicht eine bessere mechanische Verbindung des Eutektikums 141 mit dem Stempelelement 60, da die Benetzung mit Eutektikum 141 auf der Diffusionssperrschicht 50 schlechter ist als auf dem Stempelelement aus SiO₂ bzw. SiN. Dabei verläuft der elektrische Widerstand durch die Diffusionssperrschicht 50 definiert entlang der Kontur des Stempelelements 60. Da die Leitfähigkeit und die Schutzschichtdicke der Diffusionssperrschicht 50 signifikant geringer ist als das Stempelelement 60 in Aluminium, ist der parasitäre Widerstand im Vergleich zu den Ausführungsformen der 3 und 4 dadurch höher.
Um den elektrischen Widerstand der Ausführungsform von 5 zu verringern, kann die Öffnung 41 in der zweiten Passivierungsschicht 40 neben und um das Stempelelement 60 herum ausgebildet werden. Damit ist die mit den 4 und 5 erläuterte Unterteilung der Diffusionssperrschicht 50 in zwei Teil-Diffusionssperrschichten 50a, 50b nicht mehr notwendig.
Mögliche Varianten des Chip-zu-Chip-Kontakts sind in den 7 und 8 in Aufsichten dargestellt. Die rechteckige Form ermöglicht es, den Chip-zu-Chip-Kontakt möglichst kleinbauend auszubilden. Die Größe des Chip-zu-Chip-Kontakts orientiert sich dabei insbesondere an der Größe des Stempelelements 60, die zwischen ca. 5 µm und ca. 100 µm betragen kann. Zusätzlich muss bei der Auslegung des Chip-zu-Chip-Kontaktes darauf geachtet werden, dass die elektrisch leitfähige Diffusionssperrschicht 50 über keine Topographiekante, sondern ausschließlich in der Ebene strukturiert wird.
Dies lässt sich dadurch begründen, dass die Abscheidung der Diffusionssperrschicht 50 relativ konform erfolgt, wobei die Strukturierung der Diffusionssperrschicht 50 jedoch sehr gerichtet ist, bezogen auf das Normal der Waferoberfläche. Für die gerichtete Ätzung erscheint die konforme Diffusionssperrschicht 50 in ihrer Schichtdicke größer als auf planaren Bereichen. Daraus folgt, dass in planaren Bereichen die Diffusionssperrschicht 50 vollständig entfernt ist, an Topographiekanten jedoch Reste bestehen bleiben. Ein übermäßiges Ätzen zum Entfernen dieser Reste ist nicht zulässig, da sich dies negativ auf die Sensor-Performance auswirkt.
Die Strukturierung innerhalb der Diffusionssperrschicht 50 ist notwendig, um die Chip-zu-Chip-Kontakte elektrisch voneinander zu trennen, wobei auf diese Weise elektrische Leiterbahnen der Metallschicht 30 aus dem Chip-zu-Chip-Kontakt herausgeführt werden.
Eine mögliche Ausführungsform zur genannten Strukturierung der Diffusionssperrschicht 50 ist in 7 dargestellt, die eine größere Ausführungsform darstellt. Hierbei wird die Diffusionssperrschicht 50 auf der geschlossenen Metallschicht 30 strukturiert. Die innere Kante der Aussparung 50c der Diffusionssperrschicht 50 hat die Dimension des Abstandshalters der Passivierungsschicht 140 plus dem umlaufenden Rand des Bondjustageversatzes. Die Breite der Aussparung 50c der Diffusionssperrschicht 50 definiert die elektrische Isolation zum Massepotential, wobei die genannte Breite zwischen ca. 1µm und ca. 30 µm betragen sollte. Der Abstand der Metallschicht 30 zur Kante der Diffusionssperrschicht 50 ist durch den Justageversatz der Lithographie definiert, wodurch sich im Ergebnis eine Länge der Metallschicht 30 ergibt, die letztlich eine maximale Abmessung A des Chip-zu-Chip-Kontakts definiert. Man erkennt ferner eine elektrische Zuführung 30a zu einem nicht dargestellten Sensorelement.
8 zeigt die kleinere Ausführungsform des Chip-zu-Chip-Kontakts. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass für einen Drucksensor elektrische Verbindungen im Substrat 10 vorhanden sind. Daher wird die elektrische Verbindung aus dem Chip-zu-Chip-Kontakt zur Leiterbahn der Metallschicht 30 durch das Substrat 10 in Form einer Si-Durchführung 11 mit Si-Durchkontaktierungen 11a durchgeschleift. Ein parasitärer Widerstand dieser Si-Durchführung 11 hält sich in vertretbarem Rahmen. Um den Chip-zu-Chip-Kontakt weiter zu verkleinern, sind Abstandshalter der Passivierungsschicht 140 zum Beabstanden des MEMS-Elements 100 weggelassen. Diese sind für den Chip-zu-Chip-Kontakt nicht zwingend notwendig, da sie in den flächenmäßig größeren Bondrahmen integriert werden. Auf diese Weise ist in der Variante von 8 das Eutektikum 141 des Chip-zu-Chip-Kontakts offen liegend.
In bekannten Bondrahmen bzw. Chip-zu-Chip-Kontakten ist die Metallfläche 30 flächig ausgebildet. Diese vergleichsweise großen Aluminiumflächen erweichen bei Temperaturen um die eutektische Bondtemperatur, wodurch die mechanische Stabilität des MEMS-Backends aus Passivierungsschicht 20, Metallschicht 30, Passivierungsschicht 40, Stempelelement 60 und Sperrschicht 50 sinkt. Damit steigt die mechanische Belastung auf die die Metallschicht 30 einfassende Passivierungsschicht 40 und damit das Risiko für Risse in der Passivierungsschicht 40. Diesem kann entgegengewirkt werden durch eine netzartige Strukturierung der Metallschicht 30 mit kleinen Linienbreiten, die derart klein sind, dass sie durch die Abscheidung der Passivierungsschicht 40 aufgefüllt und damit topographiefrei sind.
Alternativ kann zu diesem Zweck ein in 9 dargestellter alternativer Stempelaufbau vorgesehen sein. In dieser Alternative wird die Metallschicht 30 im Stempelelement 60 entfernt und die Schichtdicke des Stempelelements 60 entsprechend erhöht, wobei dies nur möglich ist, wenn das Stempelelement 60 aus einem Dielektrikum besteht. Da das Stempelelement 60 auch Teil des Bondrahmens ist, muss dies konsequenterweise dort identisch umgesetzt werden. Zusätzlich muss für den Chip-zu-Chip-Kontakt die elektrische Verbindung in der Metallschicht 30 gewährleistet sein. Dies kann in Anlehnung an die in 6 dargestellte Ausführungsform erfolgen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Bondrahmen einen elektrischen Chip-zu-Chip-Kontakt darstellen. Hierfür kann ein kleiner Bereich des Bondrahmens mit dem Querschnitt eines Chip-zu-Chip-Kontakts versehen werden, der vorzugsweise Kontakt zu Massepotential ist.
10 zeigt ein prinzipielles Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors.
In einem Schritt 400 wird ein Sensorelement bereitgestellt.
In den Schritt 410 wird ein MEMS-Elements 100 mit einem formstabilen Stempelelement 60 und einem darauf angeordneten ersten Bondelement 70 bereitgestellt.
In einem Schritt 420 werden ein ASIC-Element 200 mit einer in einer Passivierungsschicht 140 ausgebildeten Wannenstruktur mit einem darin angeordneten zweiten Bondelement 123 und einer Abstandshalterstruktur bereitgestellt.
In einem Schritt 430 wird ein eutektisches Bonden des MEMS-Elements 100 mit dem ASIC-Element 200 derart durchgeführt, dass das Stempelelement 60 in die Wannenstruktur eintaucht und mittels der Abstandshalterstruktur ein definierter Abstand zwischen dem MEMS-Element 100 und dem ASIC-Element 200 bereitgestellt wird.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015116353 A1 [0003]
DE 102015103485 A1 [0004]
US 2014/0299948 A1 [0005]

Claims

MEMS-Element (100), aufweisend: - ein Substrat (10); - eine auf dem Substrat (10) angeordnete erste Passivierungsschicht (20); - eine auf der ersten Passivierungsschicht (20) angeordnete Metallschicht (30); - eine auf der Metallschicht (30) und auf der ersten Passivierungsschicht (20) angeordnete zweite Passivierungsschicht (40); und - ein Stempelelement (60), wobei auf dem Stempelelement (60) und auf der zweiten Passivierungsschicht (40) eine elektrisch leitfähige Diffusionssperrschicht (50) angeordnet ist, wobei auf dem Stempelelement (60) ein erstes Bondelement (70) angeordnet ist.
MEMS-Element (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Stempelelements (60) Aluminium oder Dielektrikum ist.
MEMS-Element (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (50) diffusionsstabil gegenüber dem ersten Bondelement (70) ist.
MEMS-Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (50) in einem planaren Bereich Aussparungen (50c) aufweist.
MEMS-Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (50) zwei Teil-Sperrschichten (50a, 50b) umfasst.
MEMS-Element (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Teil-Sperrschicht (50a) strukturiert ist.
MEMS-Element (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (60) auf der ersten Passivierungsschicht (20) angeordnet ist.
MEMS-Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (60) auf einer Ausnehmung (41) der zweiten Passivierungsschicht (20) angeordnet ist.
MEMS-Element (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (60) auf der ersten Passivierungsschicht (20) angeordnet ist, wobei voneinander abgegrenzte Ausnehmungen der ersten Passivierungsschicht (20) um das Stempelelement (60) ausgebildet sind, wobei die Diffusionssperrschicht (50) auf der zweiten Passivierungsschicht (40) und auf den Ausnehmungen der ersten Passivierungsschicht (20) angeordnet ist.
MEMS-Element (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Stempelelements (60) ein Dielektrikum ist und die Diffusionssperrschicht (50) strukturiert ist.
ASIC-Element (200) aufweisend: - ein zweites Substrat (110); - eine auf dem zweiten Substrat (110) angeordnete ASIC-Funktionsschicht (120); - eine auf der ASIC-Funktionsschicht (120) angeordnete Metallschicht (121) und eine Oxidschicht (130) mit Durchkontaktierungen (122); - eine auf der Oxidschicht (130) angeordnete Passivierungsschicht (140), die als ein Abstandshalterelement und ein Wannenelement ausgebildet ist, wobei bei einem eutektischen Bondprozess ein Bondelement in das Wannenelement eintauchbar ist, wobei ein Ausfließen von Eutektikum (141) verhinderbar ist.
ASIC-Element (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Passivierungsschicht (140) eine von dem zweiten Bondelement (123) separierte Metallstruktur ausgebildet ist.
Mikromechanischer Sensor aufweisend ein MEMS-Element (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und ein mit dem MEMS-Element (100) eutektisch gebondetes ASIC-Element (200) nach Anspruch 11 oder 12.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Sensorelements; - Bereitstellen eines MEMS-Elements (100) mit einer formstabilen Stempelelement (60) und einem darauf angeordneten ersten Bondelement (70); - Bereitstellen eines ASIC-Elements (200) mit einer in einer Passivierungsschicht (140) ausgebildeten Wannenstruktur mit einem darin angeordneten zweiten Bondelement (123) und einer Abstandshalterstruktur; - Eutektisches Bonden des MEMS-Elements (100) mit dem ASIC-Element (200) derart, dass das Stempelelement (60) in die Wannenstruktur eintaucht und mittels der Abstandshalterstruktur ein definierter Abstand zwischen dem MEMS-Element (100) und dem ASIC-Element (200) bereitgestellt wird.