EP3774640A1 - Bond-strukturen auf mems-element und asic-element - Google Patents

Bond-strukturen auf mems-element und asic-element

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EP3774640A1
EP3774640A1 EP19711515.7A EP19711515A EP3774640A1 EP 3774640 A1 EP3774640 A1 EP 3774640A1 EP 19711515 A EP19711515 A EP 19711515A EP 3774640 A1 EP3774640 A1 EP 3774640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
passivation layer
mems
stamp
asic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19711515.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volkmar Senz
Thomas Friedrich
Friedjof Heuck
Peter Schmollngruber
Mike Schwarz
Jochen Tomaschko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3774640A1 publication Critical patent/EP3774640A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0006—Interconnects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C1/00238—Joining a substrate with an electronic processing unit and a substrate with a micromechanical structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/01—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS
    • B81B2207/012—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS the micromechanical device and the control or processing electronics being separate parts in the same package
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/07—Interconnects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/03—Bonding two components
    • B81C2203/033—Thermal bonding
    • B81C2203/035—Soldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/07—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C2203/0785—Transfer and j oin technology, i.e. forming the electronic processing unit and the micromechanical structure on separate substrates and joining the substrates
    • B81C2203/0792—Forming interconnections between the electronic processing unit and the micromechanical structure

Definitions

  • the invention relates to a MEMS element.
  • the invention further relates to an ASIC element.
  • the invention further relates to a micromechanical sensor having a MEMS element and an ASIC element.
  • the invention further relates to a method for producing a micromechanical sensor.
  • Modern packaging techniques make it necessary to mechanically decouple the pressure-sensitive part of a pressure sensor, the pressure sensor membrane, from the remaining part of the sensor by means of a special spring design and thus to make it independent of AVT influences (structure and packaging technology).
  • External influences which put the pressure sensor under mechanical stress, for example bending are, inter alia, e.g. Mechanical stress due to a molding process, a structure with a material mix with different thermal expansion coefficients and stress due to connections of the built-up sensor on an external customer PCB.
  • DE 10 2015 116 353 A1 discloses a micro-integrated encapsulated MEMS sensor with mechanical decoupling and a manufacturing method therefor.
  • US 2014/0299948 A1 discloses a silicon-based MEMS microphone, a system and a package with said elements.
  • Disclosure of the invention It is an object of the present invention to provide an improved chip-to-chip contact, in particular for use with a micromechanical sensor.
  • a first passivation layer disposed on the substrate
  • stamp element wherein an electrically conductive diffusion barrier layer is arranged on the stamp element and on the second passivation layer, wherein a first bonding element is arranged on the stamp element.
  • an ASIC element comprising:
  • a passivation layer disposed on the oxide layer, which is formed as a spacer element and a well element, wherein in a eutectic bonding process, a bonding element in the
  • Tub element is submersible, with an outflow of eutectic is preventable.
  • an ASIC element which has a well structure and a spacer, which is suitable for a subsequent eutectic bonding process with a MEMS element to a to establish reliable electrical connection between metal layers of the ASIC element and the MEMS element.
  • the object is achieved with a method for producing a micromechanical sensor, comprising the steps:
  • an ASIC element having a well structure formed in a passivation layer with a second bonding element disposed therein and a spacer structure
  • micromechanical sensor which has a reliable electrical connection between metal layers of the elements involved.
  • a material of the stamp element is aluminum or dielectric.
  • a material of the stamp element is aluminum or dielectric.
  • different embodiments of the dimensionally stable stamping element are provided.
  • dielectric e.g., oxide, nitride, etc.
  • bonding material e.g., in the form of germanium
  • a further advantageous development of the MEMS element is characterized in that the diffusion barrier layer is diffusion-stable with respect to the first bonding element.
  • the diffusion barrier layer is one of: titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride.
  • a further advantageous development of the MEMS element is characterized in that the diffusion barrier layer has recesses in a planar region. In this way, an area-wide formation of a chip-to-chip contact is supported, whereby electrical short circuits between chip-to-chip contacts can be avoided.
  • the diffusion barrier layer comprises two partial diffusion barrier layers. In this way, it is supported that diffusion of germanium into the metal layer is prevented. Advantageously, this provides a further diffusion barrier below the stamp element.
  • a further advantageous development of the MEMS element is characterized in that a first partial diffusion barrier layer is structured.
  • the stamp element can advantageously be designed to be even more mechanically stable.
  • a further advantageous development of the MEMS element is characterized in that the stamp element is arranged on the first passivation layer.
  • mechanical adhesion of the stamped element and thus mechanical stability (for example due to external mechanical stress) of the bonded component are advantageously further improved.
  • a further advantageous development of the MEMS element is characterized in that the stamp element is arranged on a recess of the second passivation layer.
  • Stamping element and the metal layer allows.
  • a further advantageous development of the MEMS element is characterized in that the stamp element on the first passivation layer is arranged, wherein delimited recesses of the first passivation layer are formed around the stamp member, wherein the diffusion barrier layer on the second passivation layer and on the
  • Recesses of the first passivation layer is arranged. In this way, an electrical resistance can be further reduced whereby a
  • a further advantageous development of the MEMS element is characterized in that the diffusion barrier layer is structured in a plane and the recess is not formed over a topography edge. In this way, advantageously large area chip-to-chip contacts possible.
  • a further advantageous development of the MEMS element is characterized in that the material of the stamp element is a dielectric and the diffusion barrier layer is structured. In this way, an improved mechanical connection of the eutectic with the stamp element is supported.
  • a further advantageous development of the ASIC element provides that a metal structure separated from the second bonding element is formed in the passivation layer. This provides a kind of guard ring into which no germanium penetrates. A receiving force of the tub structure is thus improved, whereby a counterforce can be improved from above absorbed during the bonding process. Advantageously, thereby breaking the tub structure and leakage of liquid eutectic is prevented from the tub structure.
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of the
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of further embodiments of the proposed MEMS element and the ASIC element before a bonding process
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of further embodiments of the proposed MEMS element and the ASIC element before a bonding process
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of further embodiments of the proposed MEMS element and the ASIC element before a bonding process
  • Fig. 7 is a plan view of an embodiment of the proposed
  • FIG. 8 is a plan view of another embodiment of the proposed chip-to-chip contact.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of another embodiment of a
  • FIG. 10 shows a basic sequence of a method for producing a proposed micromechanical sensor.
  • a core idea of the present invention is the provision of an improved chip-to-chip contact.
  • the proposed chip-to-chip contact can generally be used for a connection of two components by means of eutectic bonding and is advantageously not restricted for use in a pressure sensor, but can be used for multiple micromechanical sensor types (for example inertial sensors).
  • Said eutectic bonding takes place through the alloy of germanium (on the MEMS element) and aluminum (last metal layer of the ASIC element).
  • the invention is advantageous but not limited to this specific eutectic bond, but can be realized with other known bonding partners.
  • suitable metal bonding methods are Al-Ge, Au-Si, Cu-Sn, Al-Al, Cu-Cu, Au-Au, etc.
  • Fig. 1 shows a cross section of elements of a chip-to-chip contact prior to bonding and Fig. 2 shows a cross-section of said elements after bonding.
  • FIG. 1 shows a MEMS element 100 with a substrate in the form of a silicon layer 10, on which a first passivation layer 20 (for example in the form of an oxide layer S1O2) is arranged. On the first passivation layer 20, a second passivation layer 40 and a first metal layer 30 are arranged. In this case, as shown in FIG. 1, at least a part of the second passivation layer 20 (for example in the form of an oxide layer S1O2) is arranged.
  • a second passivation layer 40 and a first metal layer 30 are arranged. In this case, as shown in FIG. 1, at least a part of the second
  • Passivation layer 20 may be arranged. Furthermore, the second covers
  • the second passivation layer 40 has an opening 41, wherein a stamp member 60 is disposed on the opening 41 of the second passivation layer 40. This opening 41 can directly connect the punch member 60 to the
  • the stamping element 60 may be made of aluminum or of a dielectric, e.g. Silicon dioxide or silicon nitride, be formed.
  • an electrically conductive diffusion barrier layer 50 is arranged on the stamp member 60.
  • a first bonding member 70 e.g., germanium is disposed on the diffusion barrier layer 50 on the stamp member 60.
  • FIG. 1 shows a cross-section of an ASIC element 200 with a silicon layer 110 having an ASIC functional layer 120 with a plurality of metal layers, plated-through holes and oxide layers (not shown) for imaging the ASIC functionality (FIG. "ASIC backend") of the ASIC element.
  • ment 200 is arranged.
  • a second metal layer 121 and a further oxide layer 130 Arranged on the ASIC functional layer 120 is a second metal layer 121 and a further oxide layer 130, in which electrical plated-through holes 122 ("vias") are formed.
  • a passivation layer 140 is formed as a spacer structure, by means of which a trough-like structure is formed and in which a second bonding element 121 (eg aluminum) is arranged.
  • the punch member 60 provides a mechanical bond after bonding, with the punch member 60 not deforming during and after bonding.
  • the stamp element 60 thus represents a reference variable for the mechanical connection between the MEMS element 100 and the ASIC element 200.
  • the stamp element 60 pushes the Ge structure sufficiently far into the opposite passivation opening, so that when the two wafers are pressed first of all the germanium comes into contact with the opposite aluminum.
  • the stamp element 60 must produce the electrical contact between the eutectic and the sensor track.
  • the well structure of the passivation layer 140 defines the region in which the liquid eutectic 141 (e.g., aluminum germanium) is located. It must reliably absorb the process tolerances, layer thickness and structure widths so that no alloyed aluminum germanium is pressed out of the trough and the stamp element 60 reliably comes to rest within the trough (consideration of bond adjustment offset).
  • the liquid eutectic 141 e.g., aluminum germanium
  • the spacer structure on the passivation layer 140 terminates the chip in chip contact, defines the height of the tub, and absorbs the force applied during the bonding process due to the contact pressure after the eutectic 141 has melted.
  • FIG. 2 shows a cross-section through a chip-to-chip contact after bonding of the MEMS element 100 to the ASIC element 200.
  • the dimensioning of the eutectic 141 and the individual areas thus results from:
  • the stamp member 60 whose surface linearly scales the mechanical strength and electrical conductivity.
  • the height of the stamp element 60 is preferably selected such that it is greater than a thickness of the passivation of the ASIC component 200.
  • the stamp element 60 should advantageously come to rest below the initial Al surface after the bonding, as a result a more reliable, stable bonding is supported.
  • the height should take into account the process tolerances, layer thicknesses which define the stamp height, and the layer thickness of the passivation layer 140.
  • the rectangular stamp member 60 has edge lengths ranging between about 10 pm and about 100 pm to achieve immersion below the initial aluminum surface in the range of about 0 to about 1 pm.
  • a well structure defined vertically after bonding by a MEMS-side passivation of the MEMS element 100 and the stamp element 60 and ASIC side by the adjacent last metal level.
  • the well is defined by the spacer structure of the passivation layer 140.
  • a width of the trough is defined by the width of the punch member 60 with additional bond offset left and right.
  • a height of the well structure is defined by the sum of the layer thicknesses of the metal layer of the second bonding element 123 with the passivation layer 140.
  • the collection volume of the tub structure is of particular importance and is defined primarily by the distance of the stamp element 60 and the height of the passivation layer 140 and its distance from the stamp element 60. In this volume (“collecting volume”), the AIGe interface comes to rest after the bonding process. This volume is defined by the process tolerances of the punch member 60 and the passivation layer 140 as well as the bonding elements 70, 123. Further, the volume is defined by the displaced volume due to immersion under the initial aluminum surface.
  • a spacer structure of the passivation layer 140 which prevents outflow of the eutectic 141 from the well structure.
  • a distance of 1 pm to 10 pm is provided between the tub and the spacer structure. This distance additionally ensures a break of the tub rim, so that no germanium can get into the aluminum substructure of the spacer.
  • a eutectic 141 whose volume ratio between the bonding elements (e.g., Ge and Al) should be as close as possible to the eutectic ratio. A germanium deviation in the direction of "too much" should be avoided. The volume ratio should also be selected as far as possible so that at nominal layer thicknesses, the collection volume of the tub structure is approximately half filled.
  • the germanium volume should be as wide as possible (about 10 pm to about 100 pm) and thin (about 100 nm to about 1 pm).
  • the germanium structure should be within the width of the stamp member 60.
  • the width is defined by the width of the tub.
  • the height of the Al volume should be in the order of about 0.5 pm to about 2 pm.
  • the Al layer can have a small interruption of approximately 1 ⁇ m to the left and right of the stamp element 60, which makes it easier to realize a eutectic relationship below the stamp element 60.
  • FIGS. 1 and 2 The cross-section shown in FIGS. 1 and 2 is an exemplary cross-section of a proposed chip-to-chip contact for a pressure sensor (not shown).
  • the layers and their functions are as follows:
  • the electrical first passivation layer 20 between the metal line and the silicon may consist of S1O2.
  • the layer thickness is on the order of 0.1 pm to 1 pm.
  • the metal layer 30 forms an electrical trace of the MEMS element 100. It may consist of aluminum, wherein its layer thickness in the MEMS element 100.
  • the electrical second passivation layer 40 on the metal trace may consist of SiN (silicon nitride), its layer thickness is about 0.1 pm to about 1 pm.
  • the stamp element 60 may consist of a dielectric (eg S1O2 or SiN) or may be electrically conductive (eg aluminum).
  • the diffusion barrier layer 50 is electrically conductive and has to be diffusion-stable with respect to the metal layers 30, 123 and with respect to the eutectic 141. It may consist, inter alia, of Ti, TiN, Ta, TaN and combinations of said elements and compounds.
  • the total layer thickness of the diffusion barrier layer 50 is on the order of about 0.05 pm - about 2 pm.
  • the passivation layer 140 is made of a dielectric, it may be S1O2 or silicon nitride or a combination of the two compounds.
  • a layer thickness is in the order of about 0.2 pm to about 2 pm.
  • the metal layer of the second bonding element 123 represents the last metal layer of the ASIC device 200 and is preferably made of aluminum. Their layer thickness is in the order of about 0.5 pm to about 2 pm.
  • the cross-sectional view of FIG. 3 corresponds to that of FIG. 2.
  • the cross section of the stamp element 60 consists of the layer sequence: electrical passivation layer 20, first metal layer 30, second passivation layer 40, stamp element 60 and diffusion barrier layer 50.
  • the material of the stamp element 60 can be made of an electrically conductive material, eg Made of aluminum. In this way, the opening 41 in the second passivation layer 40 can lie below the stamp element 60. A diffusion of germanium into the stamp element 60 must be prevented, therefore, in the case of a stamp element 60 made of aluminum, a closed and stable diffusion barrier layer 50 is provided.
  • the diffusion barrier layer 50 may be divided into two partial diffusion barrier layers 50a, 50b be split.
  • a first barrier layer 50a lies below the plunger element 60 and a second barrier layer 50b is located above the plunger element 60.
  • the second partial diffusion barrier layer 50b may involve a relatively large amount of aluminum in the eutectic compound. Therefore, due to the probability distribution of breakage, it is difficult to interpret the proportion of aluminum to germanium near the eutectic ratio.
  • the first partial diffusion barrier layer 50a may also lie directly on the metal layer 30 or be part of the metal layer 30.
  • Diffusion barrier layer 50 is defined along the contour of die member 60. Because the conductivity and protective layer thickness of diffusion barrier layer 50 is significantly less than aluminum die member 60, the parasitic resistance is thereby higher as compared to the embodiments of FIGS. 3 and 4. In order to reduce the electrical resistance of the embodiment of FIG. 5, the opening 41 in the second passivation layer 40 may be formed adjacent to and around the stamp member 60. Thus, the subdivision of the diffusion barrier layer 50 explained in FIGS. 4 and 5 into two partial diffusion barrier layers 50a, 50b is no longer necessary.
  • FIGS. 7 and 8 Possible variants of the chip-to-chip contact are shown in FIGS. 7 and 8 in plan views.
  • the rectangular shape makes it possible to design the chip-to-chip contact as small as possible.
  • the size of the chip-to-chip contact is based in particular on the size of the stamp element 60, which may be between about 5 pm and about 100 pm.
  • the deposition of the diffusion barrier layer 50 is relatively compliant, but the structuring of the diffusion barrier layer 50 is very directional, relative to the normal of the wafer surface.
  • the conformal diffusion barrier layer 50 appears larger in its layer thickness than on planar areas. It follows that in planar areas, the diffusion barrier layer 50 is completely removed, but remains at topography edges remains. Excessive etching to remove these residues is not allowed, as it will negatively impact sensor performance.
  • the patterning within the diffusion barrier layer 50 is necessary to electrically separate the chip-to-chip contacts from each other, thus leading electrical traces of the metal layer 30 out of the chip-to-chip contact.
  • FIG. 7 A possible embodiment for the mentioned structuring of the diffusion barrier layer 50 is shown in FIG. 7, which represents a larger embodiment.
  • the diffusion barrier layer 50 is patterned on the closed metal layer 30.
  • the inner edge of the recess 50c of the diffusion barrier layer 50 has the dimension of the spacer of the passivation layer 140 plus the peripheral edge of the bond adjustment offset.
  • the breadth of the tion 50c of the diffusion barrier layer 50 defines the electrical isolation to the ground potential, said width should be between about 1 pm and about 30 pm.
  • the distance of the metal layer 30 to the edge of the diffusion barrier layer 50 is defined by the alignment offset of the lithography, as a result of which a length of the metal layer 30 results, which ultimately defines a maximum dimension A of the chip-to-chip contact. It also recognizes an electrical supply 30a to a sensor element, not shown.
  • Fig. 8 shows the smaller embodiment of the chip-to-chip contact.
  • the fact is exploited that for a pressure sensor electrical connections in the substrate 10 are present. Therefore, the electrical connection from the chip-to-chip contact to the conductor track of the metal layer 30 is looped through the substrate 10 in the form of a Si feedthrough 1 1 with Si plated-through holes 11a. A parasitic resistance of this Si implementation 1 1 is within reasonable limits.
  • spacers of the passivation layer 140 for spacing the MEMS element 100 are omitted. These are not absolutely necessary for the chip-to-chip contact, since they are integrated in the areal larger bonding frame. In this way, in the variant of FIG. 8, the eutectic 141 of the chip-to-chip contact is exposed.
  • the metal surface 30 is formed flat. These comparatively large aluminum surfaces soften at temperatures around the eutectic bonding temperature, as a result of which the mechanical stability of the MEMS backend consisting of passivation layer 20, metal layer 30, passivation layer 40, stamp element 60 and barrier layer 50 decreases. Thus, the mechanical stress on the metal layer 30 bordering passivation layer 40 and thus the risk of cracks in the passivation layer 40. This can be counteracted by a net-like structuring of the metal layer 30 with small line widths that are so small that they by depositing the Passivation layer 40 filled and thus topography-free.
  • an alternative stamp construction shown in FIG. 9 may be provided for this purpose.
  • the metal layer 30 in the punch element 60 is removed and the layer thickness of the punch element 60 increased accordingly, which is only possible if the stamp member 60 is made of a dielectric. Since the stamping element 60 is also part of the bonding frame, this must consequently be implemented identically there.
  • the electrical connection in the metal layer 30 must be ensured. This can be done on the basis of the embodiment shown in FIG.
  • the bond frame may represent a chip-to-chip electrical contact.
  • a small area of the bonding frame can be provided with the cross section of a chip-to-chip contact, which is preferably in contact with ground potential.
  • FIG. 10 shows a principle method for producing a micromechanical sensor.
  • a sensor element is provided.
  • step 410 a MEMS element 100 having a dimensionally stable
  • Passivianss slaughter 140 formed tub structure provided with a second bonding element 123 and a spacer structure provided therein.
  • a eutectic bonding of the MEMS element 100 to the ASIC element 200 is performed such that the stamp element 60 dips into the well structure and provides a defined distance between the MEMS element 100 and the ASIC element 200 by means of the spacer structure becomes.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Micromachines (AREA)

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

Beschreibung
Titel
BOND-STRUKTUREN AUF MEMS-ELEMENT UND ASIC-ELEMENT
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 Feder- design 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 unter- schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Stress durch Verbin- dungen 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-Bauele- ment 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 Wannen- struktur 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 Stempelele- ment und einem darauf angeordneten ersten Bondelement;
Bereitstellen eines ASIC-Elements mit einer in einer Passivierungs- schicht 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. Da- durch werden unterschiedliche Ausführungsformen des formstabilen Stempelele- ments bereitgestellt. Im Falle einer Ausbildung des Stempelelements mit Di- elektrikum (z.B. Oxid, Nitrid, usw.) ist vorteilhaft, dass eine Haftung des Eutek- tikums 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 Stempel- element 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 Bond- material 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 Aus- sparungen 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 gekenn- zeichnet, dass die Diffusionssperrschicht zwei Teil-Diffusionssperrschichten umfasst. Auf diese Weise ist unterstützt, dass ein Eindiffundieren von Ger- manium in die Metallschicht verhindert wird. Vorteilhaft wird dadurch eine weitere Diffusionsbarriere unterhalb des Stempelelements bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Elements zeichnet sich da- durch 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 Stempel- elements 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 Metall- struktur 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 Ele- mente 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 Bezugs- zeichen eingezeichnet sind. Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbe- sondere, 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:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht von Ausführungsformen des
vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des
vorgeschlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts nach einem
Bondprozess;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht von Ausführungsformen des
vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht von weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht von weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht von weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen MEMS-Elements und des ASIC-Elements vor einem Bondprozess;
Fig. 7 eine Draufsicht einer Ausführungsform des vorgeschlagenen
Chip-zu-Chip-Kontakts; Fig. 8 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des vorge- schlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines
MEMS-Elements vor einem Bondprozess; und
Fig. 10 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbes- serten Chip-zu-Chip-Kontakts. Der vorgeschlagene Chip-zu-Chip-Kontakt kann dabei allgemein für eine Verbindung zweier Bauteile mittels eutektischer Bon- dung verwendet werden und ist vorteilhaft nicht zur Verwendung in einem Druck- sensor beschränkt, sondern kann für vielfache mikromechanische Sensortypen (z.B. Inertialsensoren) verwendet werden.
Die Funktion des vorgeschlagenen Chip-zu-Chip-Kontakts realisiert eine zuver- lässige 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 Bond- partnern 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 er- forderlich. 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.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt von Elementen eines Chip-zu-Chip-Kontakts vor dem Bonden und Fig. 2 einen Querschnitt der genannten Elemente nach dem Bonden.
Man erkennt in Fig. 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 S1O2) angeordnet ist. Auf der ersten Passivierungsschicht 20 sind eine zweite Passivierungsschicht 40 und eine erste Metallschicht 30 angeordnet. Dabei kann, wie in der Fig. 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 Fig. 1 ist ein Querschnitt eines ASIC-Elements 200 dargestellt, mit einer Siliziumschicht 1 10, auf der eine ASIC-Funktionsschicht 120 mit mehreren Metalllagen, Durchkontaktierungen und Oxidlagen (nicht darge- stellt) zum Abbilden der ASIC-Funktionalität („ASIC-Backend“) des ASIC-Ele- ments 200 angeordnet ist. Auf der ASIC-Funktionsschicht 120 ist eine zweite Metallschicht 121 angeordnet sowie eine weitere Oxidschicht 130, in der elekt- rische Durchkontaktierungen 122 („Vias“) ausgebildet sind. Auf der Oxidschicht 130 ist eine Passivierungsschicht 140 als eine Abstandshalterstruktur ausge- bildet, 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 hersteilen.
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 auf- fangen, 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 Auf- schmelzen des Eutektikums 141 auf.
Fig. 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 Passivier- ung des ASIC-Bauelements 200. Zusätzlich sollte das Stempelelement 60 vor- teilhafterweise nach dem Bonden unterhalb der initialen Al-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 Passi- vierungsschicht 140 berücksichtigt werden. Vorzugsweise weist das rechteckige Stempelelement 60 Kantenlängen im Bereich zwischen ca. 10 pm und ca. 100 pm auf, um ein Eintauchen unter die initiale Aluminium-Oberfläche im Ausmaß von ca. 0 bis ca. 1 pm 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 Stempel- element 60 definiert. In diesem Volumen („Auffangvolumen“) kommt nach dem Bondprozess das AIGe-lnterface 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 1 pm bis 10 pm 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 Bondele- menten (z.B. Ge und AI) 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 Wannen- struktur ca. halb ausgefüllt ist. Das Germaniumvolumen sollte dabei möglichst breit (ca. 10pm bis ca. 100 pm) und dünn (ca. 100nm bis ca. 1 pm) 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 pm bis ca. 2 pm liegen. Die Al-Schicht kann vorteilhafterweise links und rechts neben dem Stempelelement 60 eine kleine Unterbrechung von ca. 1 pm aufweisen, womit sich unterhalb des Stempelelements 60 ein eutektisches Verhältnis einfacher realisieren lässt.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Querschnitt ist ein beispielhafter Quer- schnitt 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 S1O2 bestehen. Die Schichtdicke liegt in der Größenord- nung von 0.1 pm bis 1 pm.
Die Metallschicht 30 bildet eine elektrische Leiterbahn des MEMS-Elements 100. Sie kann aus Aluminium bestehen, wobei ihre Schichtdicke in der
Größenordnung von 0.1 pm bis 1 pm liegt.
Die elektrische zweite Passivierungsschicht 40 auf der Metallleiterbahn kann aus SiN (Siliziumnitrid) bestehen, ihre Schichtdicke beträgt ca. 0.1 pm bis ca. 1 pm.
Das Stempelelement 60 kann je nach Ausführungsform aus einem Dielektrikum (z.B. S1O2 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. 0.05pm - ca. 2 pm.
Die Passivierungsschicht 140 besteht aus einem Dielektrikum, sie kann aus S1O2 oder Siliziumnitrid oder eine Kombination der beiden Verbindungen sein. Eine Schichtdicke liegt in der Größenordnung von ca. 0.2 pm bis ca. 2 pm.
Die Metallschicht des zweiten Bondelements 123 repräsentiert die letzte Metall- lage des ASIC-Bauelements 200 und besteht vorzugsweise aus Aluminium. Ihre Schichtdicke liegt in der Größenordnung von ca. 0.5 pm bis ca. 2 pm.
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 vor- letzten Metalllage 121 in die ASIC-Funktionsschicht 120 zu bringen.
Die Querschnittsansicht von Fig. 3 entspricht jener von Fig. 2. Der Querschnitt des Stempelelements 60 besteht aus der Schichtfolge: elektrische Passivier- ungsschicht 20, erste Metallschicht 30, zweite Passivierungsschicht 40, Stempel- element 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 Stempel- element 60 muss verhindert werden, daher ist im Falle von einem aus Aluminium bestehen Stempelelement 60 eine geschlossene und stabile Diffusionssperr- schicht 50 vorgesehen.
Eine Stabilität der abdeckenden Diffusionssperrschicht 50 kann unter Umständen problematisch sein. Aus diesem Grund kann alternativ, wie in Fig. 4 dargestellt, die Diffusionssperrschicht 50 in zwei Teil-Diffusionssperrschichten 50a, 50b aufgeteilt werden. Dabei liegt eine erste Sperrschicht 50a unterhalb des Stempel- elements 60 und eine zweite Sperrschicht 50b liegt oberhalb des Stempel- elements 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/Riss- bildung 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 Fig. 5 farblich angedeutet, das Stempelmaterial des Stempelelements 60 auch ein Dielektrikum sein, z.B. Si02 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 Diffusions- sperrschicht 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 S1O2 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 Figuren 3 und 4 dadurch höher. Um den elektrischen Widerstand der Ausführungsform von Fig. 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 Figuren 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 Figuren 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 pm und ca. 100 pm 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 Diffusionssperr- schicht 50 relativ konform erfolgt, wobei die Strukturierung der Diffusionssperr- schicht 50 jedoch sehr gerichtet ist, bezogen auf das Normal der Waferober- fläche. 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 Diffusions- sperrschicht 50 ist in Fig. 7 dargestellt, die eine größere Ausführungsform dar- stellt. Hierbei wird die Diffusionssperrschicht 50 auf der geschlossenen Metall- schicht 30 strukturiert. Die innere Kante der Aussparung 50c der Diffusionssperr- schicht 50 hat die Dimension des Abstandshalters der Passivierungsschicht 140 plus dem umlaufenden Rand des Bondjustageversatzes. Die Breite der Ausspa- rung 50c der Diffusionssperrschicht 50 definiert die elektrische Isolation zum Massepotential, wobei die genannte Breite zwischen ca. 1 pm und ca. 30 pm betragen sollte. Der Abstand der Metallschicht 30 zur Kante der Diffusions- sperrschicht 50 ist durch den Justageversatz der Lithographie definiert, wodurch sich im Ergebnis eine Länge der Metallschicht 30 ergibt, die letztlich eine max- imale Abmessung A des Chip-zu-Chip-Kontakts definiert. Man erkennt ferner eine elektrische Zuführung 30a zu einem nicht dargestellten Sensorelement.
Fig. 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 1 1 mit Si-Durchkontaktierungen 1 1 a durchge- schleift. Ein parasitärer Widerstand dieser Si-Durchführung 1 1 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 Fig. 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 mecha- nische Stabilität des MEMS-Backends aus Passivierungsschicht 20, Metall- schicht 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 Fig. 9 dargestellter alternativer Stempel- aufbau 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 Verbin- dung in der Metallschicht 30 gewährleistet sein. Dies kann in Anlehnung an die in Fig. 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.
Fig. 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.

Claims

Ansprüche
1. 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 Stempelele- ment (60) ein erstes Bondelement (70) angeordnet ist.
2. MEMS-Element (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein
Material des Stempelelements (60) Aluminium oder Dielektrikum ist.
3. MEMS-Element (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Diffusionssperrschicht (50) diffusionsstabil gegenüber dem ersten Bondelement (70) ist.
4. MEMS-Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (50) in einem planaren
Bereich Aussparungen (50c) aufweist.
5. MEMS-Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (50) zwei Teil-Sperrschich- ten (50a, 50b) umfasst.
6. MEMS-Element (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Teil-Sperrschicht (50a) strukturiert ist.
7. MEMS-Element (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (60) auf der ersten
Passivierungsschicht (20) angeordnet ist.
8. MEMS-Element (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (60) auf einer Ausnehmung (41 ) der zweiten Passivierungsschicht (20) angeordnet ist.
9. MEMS-Element (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, 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 Passivierungs- schicht (40) und auf den Ausnehmungen der ersten Passivierungsschicht (20) angeordnet ist.
10. 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.
1 1. ASIC-Element (200) aufweisend:
ein zweites Substrat (1 10);
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.
12. ASIC-Element (100) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Passivierungsschicht (140) eine von dem zweiten Bondelement (123) separierte Metallstruktur ausgebildet ist.
13. 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. 14. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (100), auf- weisend 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.
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