JP4154245B2 - センサ装置、とりわけマイクロメカニカルセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明はセンサ装置、とりわけマイクロメカニカルセンサ装置及びこれの製造方法に関する。

一般にマイクロメカニカルセンサ、例えば角速度センサ（Drehratensensor）は比較的以前から周知である。この角速度センサは１つ又は複数のマイクロメカニカルに構造化されたサイスミック振動質量体から成り、このサイスミック振動質量体は１つの平面（励振振動平面）における制御された周期的な運動（励振運動）に投入される。サイスミック振動質量体は、これらのサイスミック振動質量体又はこれらのサイスミック振動質量体の部分が励振振動平面に対して垂直な平面において同様に可動にサスペンドされているように構造化され固定されている。この平面は検出平面として定められる。さらにこれらのサイスミック振動質量体は検出ユニットを含み、この検出ユニットは検出平面における１つの振動質量体乃至は複数の振動質量体又は振動質量体の部分の変位を記録する。検出平面における変位は、可動振動質量体へのコリオリ力に基づいて線形振動子において成立するか又は角運動量保存に基づいて回転振動子において成立するかのいずれかである。

同様に蓋部分とセンサ部分との間に密閉されたセンサ内部空間を製造するために蓋乃至はキャップ部分を相応のセンサ部分の上にもうけることも周知である。このようなマイクロメカニカルセンサは高い品質を得るために、つまり周囲の媒質による機械的な振動構造の僅少な減衰を得るために、密閉してカプセル化されたセンサ内部空間におけるできるだけ小さい気体圧力を必要とする。それゆえ、このようなセンサは、委託により（ｉ．Ａ．）、真空においてカプセル化される。

センサメカニズムと評価電子装置との接続のためには様々なアプローチが周知である。センサ部分と評価電子装置とのボンディングワイヤを介する接続のほかに、統合された解決法も周知であり、この統合された解決法では電子装置とセンサメカニズムとが共通の製造プロセスにおいて製造される。

ここ数年来、付加的統合も提案されており、この付加的統合では低温プロセスによって加工処理されて完成した電子装置チップにセンサ構造が、例えば金属が電気メッキ法（Galvanik）によって又はシリコンゲルマニウムが低圧デポジット法によってもうけられる。

センサの分解能への増大する要求、すなわちセンサ部分／評価電子装置のシステム全体の信号対雑音比への増大する要求は、リード線及びボンディング箇所により極めて大規模に引き起こされる寄生成分の低減を要求している。

この問題の１つの解決アプローチは、センサ部分と評価電子装置とのモノリシックな統合である。このアプローチの欠点として、センサプロセスは複雑な電子装置プロセスよりもはるかに小さいマスク面しか必要としないという事実が明らかになった。従って、電子装置機能のためのチップ表面の一部分が失われ、これはすでにコスト及び製造スペースの理由からだけでも不利である。さらに、センサ部分と評価電子装置とは互いに別個には検査できず、従って、全体の歩留まりは比較的高い付加価値レベルでやっと検査されるという欠点が存在する。

別の解決アプローチはセンサ部分と評価電子装置の付加的統合である。この場合、今までセンサ部分が後から完成した評価回路に取り付けられてきた。このアプローチによっても寄生成分は明らかに低減できる。もちろん、電子回路を傷つけないために、センサの製造のためには低温プロセスだけが使用され得る。さらに、このアプローチでは、プロセス窓が極めて小さく、今まで例えば角速度センサのように比較的大きな構成素子の製造は固有の減衰又は応力勾配のために不可能であるという事実が欠点として明らかになった。

加えて、全ての上記の解決アプローチは次のような欠点を有する。すなわち、蓋乃至はキャップ部分の製造には大きな製造コストがかかるのである。

本発明の利点
請求項１の構成を有する本発明のセンサ装置及び請求項１２及び１６の構成を有する相応の製造方法は周知の解決アプローチに対して次のような利点を有する。すなわち、センサメカニズムと評価電子装置とのコスト的にかつ製造スペース的に有利な接続が、少なくとも部分的にいずれにせよ必要不可欠な蓋部分への評価電子装置の統合によってもたらされる。製造コストは蓋部分への統合によって低減される。なぜなら、評価電子装置のセンサ部分への付加的な取り付けがなくなるからである。さらに装置全体はよりコンパクトにかつ製造スペース的により有利に形成される。

同時に寄生結合成分の短くかつ再現可能な通路が生じ、これによって部分的に従来技術では本来の測定信号よりも大きいこともあった妨害が明らかに低減可能である。

本発明の基本となるアイデアは、評価電子装置が少なくとも部分的に蓋部分にセンサ部分の信号の評価のために統合可能であり、かつ、電気的にセンサ部分の相応の導体線路と接続可能であるということである。

これによって、蓋部分は多重機能を得る。一方で、敏感なマイクロメカニカル構造がセンサ内部空間において測定信号の品質を悪化させる粉塵粒子などから保護され、低圧領域をつくるための密閉された領域が製造される。他方で、蓋部分は少なくとも部分的に蓋部分に統合可能である評価電子装置の担体として使用される。

相応の従属請求項において請求項１に記載されたセンサ装置及び請求項６に記載されたこのセンサ装置の製造のための製造方法の有利な実施形態及び改善実施形態が記載されている。

有利な実施形態によれば、センサ内部空間において雰囲気圧力よりも低減された圧力が作られている。これはマイクロメカニカルセンサ装置の最適化された作動方法のために有利である。

更に別の有利な実施形態によれば、少なくとも部分的に蓋部分に統合された評価電子装置はセンサ内部空間とは反対側の蓋部分の表面に設けられる。

更に別の有利な実施形態によれば、蓋部分に統合された評価電子装置の部分は信号コンディショニング部を有し、この信号コンディショニング部は更に別の回路装置、例えばＣＭＯＳ回路へのセンサ装置の簡単な結合を可能にする。しかし、他の箇所での統合も同様に考えられうる。

更に別の有利な実施形態によれば、蓋部分の評価電子装置とセンサ部分の導体線路との電気的接続は少なくとも１つの貫通接続部、例えば溝構造乃至はディープトレンチによってつくられる。

更に別の有利な実施形態によれば、蓋部分とセンサ部分とは２つの互いに分離されたウェハ構成部材として製造可能である。この場合、蓋部分はセンサ部分とコンタクトパッド構造、例えば点状のアルミニウム構造によって接続される。センサ内部空間の密閉のために、この場合、少なくとも１つのパッキン、例えばアルミニウムリングが蓋部分とセンサ部分との間に設けられる。このような構成においては、蓋部分は有利にはシリコン、シリコンカーバイド又はシリコンゲルマニウムから形成される。

更に別の有利な実施形態によれば、蓋部分はセンサ装置の製造プロセスに統合されたステップとして、例えば薄膜部分としてセンサ部分の上に設けることができ、すでに最初から一体構造の構成部材ができあがる。この場合、蓋部分は有利にはポリシリコン又はポリシリコンゲルマニウムから形成される。

図面
本発明の実施例を図面に図示し、以下の記述において詳しく説明する。

図１は本発明の第１の実施例のセンサ装置の半分の断面図を示し、この装置は平面Ａ−Ａ’を基準にして対称的であり、
図２は本発明の第２の実施例のセンサ装置の半分の断面図を示し、この装置は平面Ａ−Ａ’を基準にして対称的である。

実施例の記述
図では同一の参照符号は同一の又は同一の機能のコンポーネントを示す。

図１は本発明の第１の実施例のセンサ装置１の断面図を示し、平面Ａ−Ａ’を基準にして対称的なセンサ装置１の左半分だけが図示されている。

第１の実施例によれば、センサ装置１はセンサ部分２及び別個の蓋部分３から成る。

センサ部分２は本来のマイクロメカニカルセンサ構造を含み、この本来のマイクロメカニカル構造はそれ自体は周知のやり方で製造される。この場合、有利には基板２１、例えばシリコン基板２１の上に絶縁層２２、例えば酸化層２２を全面に成長させる。次いでまたｎ型埋め込み層（埋め込み層）２３が酸化層２２の上に全面にデポジットされ、このｎ型埋め込み層２３は続いて例えばエッチングによって所定の導電性に対して構造化される。ｎ型埋め込み層２３の上には更なる絶縁層２７が設けられる。しかし、この更なる絶縁層２７は図１の図面ではもはや存在せず、下部の白い水平に延在する部分によって図示されている。というのも、これは後続の製造プロセスにおいて部分的にエッチングにより除去されたからである。この絶縁層２７の上に所定の半導体層２４、２５、例えばドープされた多結晶質シリコン層が塗付される。

相応のそれ自体は周知の製造ステップによって図１に図示された構造が製造され、第１の実施例では埋め込み接続部２６がセンサ部分２の電気導体線路２０と後で説明する蓋部分３との電気的接続のために製造されている。

実際に機能するセンサ層は例えばエピタキシーリアクタ（Epitaxiereaktor）においてデポジットされたポリシリコン層２５である。例えばシリコンゲルマニウム層のような他の半導体層も考えられる。この自由に運動可能なセンサ構造は相応の導体線路２０によってブリッジ接続部２６に接続される。

有利には第２のウェハがセンサウェハ乃至は蓋部分３として処理される。この蓋部分３の表面３１の上にはまず最初に半導体技術の標準プロセスによって評価電子装置３０の部分が例えば信号コンディショニングのための演算増幅器の形式で製造される。製造プロセスの方法は任意に構成可能であり、センサプロセスのなんらかの条件に拘束されない。ただ最後の金属被覆層３３の製造の前に貫通接続部３２が例えば溝構造乃至はディープトレンチを用いて形成される。この場合、溝３４はトレンチ絶縁溝として使用される。

有利には貫通接続部３２の製造においてウェハ厚はプロセス時間短縮のために低減される。ほぼ６′′のウェハ直径においてほぼ１８０μｍの層厚が技術的に実現可能である。

貫通接続は複数のやり方で行われうる。例えば、高濃度ドープされたシリコン材料から成るウェハ３６が使用され、このウェハ３６の上に評価電子装置３０を実現するために適当な低濃度ドーピングを有するエピタキシャル層３７が塗付される。なぜなら、比抵抗も同様に比較的小さい値となるので、できるだけ小さな妨害量のために貫通接続部３２はできるだけ小さく保持すべきだからである。このような小さい比抵抗のために高濃度ドープされた良伝導性の半導体材料３６が使用されるが、しかし所定の評価電子装置３０、例えばトランジスタなどはむしろ高い抵抗を有する低濃度ドープされた担体を必要とする。

従って、高濃度ドープされたウェハ層３６及びむしろ低濃度にドープされたエピタキシャル層３７から成る上述の構造によって直接的に自立した柱乃至はブリッジ３２により貫通接続部３２が作られ、これらの貫通接続部３２はトレンチ絶縁乃至は溝３４によって周囲から分離されている。この場合、トレンチ溝３４は寄生容量を低減するために比較的大きく選択される。もちろん、これらのトレンチ溝のサイズは例えば酸化物のデポジションによる閉鎖を可能にするために、技術的にほぼ４μｍ〜５μｍの大きさに限定するのがよい。

上述の幾何学的構成に基づいて、予期される寄生容量は比較的小さいサイズのために通常のワイヤボンディング接続よりも少なくともファクタ２０〜３０は小さい。

有利には蓋部分３とセンサ部分２との間の間隔を拡大するために運動可能な構造の領域の下に切り欠き部がエッチングされる。

センサ部分２と蓋部分３との接続のために、これら２つの部分２、３のうちの一方において適切な箇所にほぼ２μｍの典型的な厚さを有するコンタクトパッド構造４０、例えばアルミニウム構造４０がもうけられる。これらのコンタクトパッド構造４０は接続の領域において有利には点状に構成される。

センサ内部空間４の密閉のために付加的にコンタクト構造４０の外側にパッキン４１、例えば閉じたアルミニウムリング４１が設けられる。

２つの部分２、３は互いにアライメントして組み合わせられ、５００℃より上の温度において低圧で可鍛化される。これによって、コンタクトパッド構造４０のアルミニウムはコンタクト層の中に拡散し、従って、これら２つの部分２、３の間の固定接続が形成される。

代わりに、他の低温度溶解金属、例えば金、亜鉛等々も使用できる。

次いで、蓋部分３の貫通接続柱３２と評価電子装置３０との接続が、電子装置プロセスの最後の金属被覆層３３によって行われる。

従って、センサ部分２の埋め込み接続部２６、コンタクトパッド構造４０及び蓋部分３の貫通接続部３２を介して、センサ部分２の相応の電気回路と蓋部分３の評価電子装置３０との電気的接続がつくられる。

図２は本発明の第２の実施例のセンサ装置１の断面図を示し、平面Ａ−Ａ’を基準にして対称的なセンサ装置１の左半分だけが図示されている。

詳しく説明されないコンポーネント及び詳しく説明されないコンポーネントの機能は先に詳しく説明した第１の実施例のコンポーネント及びこれらのコンポーネントの機能に相応し、それゆえここではもう説明は必要ない。

第１の実施例とは対照的に、第２の実施例のセンサ装置１は２つの別個の部分から構成されるのではなく、蓋部分３のセンサ部分２への取り付けはセンサ装置全体１の統一的に実施される製造シーケンスにおいて行われ、これによって付加的な接続手段なしでも単一構造のセンサ装置１が連続的な層形成によって製造される。

第１の実施例のセンサ部分２に相応する領域はこの第１の実施例と同様に製造され、従ってこれ以上説明は必要ない。

第１の実施例とは対照的に、絶縁層がセンサ部分２の上に塗付され、この絶縁層はエッチングにより除去されることによって図２の上方の水平に延在する自由空間が生成される。この場合、この絶縁層は、構造化された、しかしまだ露出されないセンサ部分２のセンサ構造の上にあり、この絶縁層は有利には他の絶縁層２２と同じ材料から成る。

この絶縁層は、適切な箇所において貫通接続部３９がそれ自体は周知のやり方で生成可能であるように構造化されている。

次いで、この絶縁層の上に半導体層３８、例えばポリシリコン層又はポリシリコンゲルマニウム層３８が塗付され、この半導体層３８は蓋部分３として使用されることになる。ポリシリコン層３８には所定の箇所に通路が設けられ（図示せず）、この通路を通ってエッチング媒体が絶縁層ならびに反応物の除去のために導入される。

次いで、センサ部分２とポリシリコン層３８との間のセンサ内部空間４の密閉が低圧での薄膜のデポジションによって行われる。従って、マイクロメカニカルセンサの機能のための最適化された必要条件が得られる。

第１の実施例と同じ様に有利には蓋部分３の表面３１には評価電子装置３０の少なくとも一部分が統合される。しかし、この場合、構成部材は有利には多結晶質材料であり、この多結晶質材料は相応に修正された電荷輸送特性、ドーパント輸送特性及びＭＯＳ特性によって際立っている。これらの構成部材の特性はＴＦＴ電子装置のそれと比肩しうるか又はむしろより良好であり、従って基本的なアナログ機能を実現するには充分である。

これらの回路素子とその下にあるセンサ部分２との接続も第１の実施例と同様に行われる。もちろん、ポリシリコン層２５、３８の厚さは比較的小さく、導体線路の抵抗はさらに低減可能である。さらに、接続は直接デポジションの間に保証され、コンタクトはリソグラフィ技術により生成されたコンタクト窓を通して可能になり、このことは更なる妨害量低減及び構造形態低減に寄与する。

本発明は有利な実施例に基づいて上記のように記述されたが、これに限定されるものではなく、多様なやり方で修正可能である。

よって、ここで説明した半導体材料は単に例であり、決して最終的なものと見なしてはならない。決定的なのは、単に、選択された材料が上述の特性を有し、個々のプロセスステップの実施において互いに調和しあうことである。

本発明の第１の実施例のセンサ装置の半分の断面図を示し、この装置は平面Ａ−Ａ’を基準にして対称的である。

本発明の第２の実施例のセンサ装置の半分の断面図を示し、この装置は平面Ａ−Ａ’を基準にして対称的である。

符号の説明

１ センサ装置
２ センサ部分
３ 蓋部分
２０ 導体線路
２１ 基板
２２ 酸化層
２３ ｎ型埋め込み層
２４ 半導体層
２５ 半導体層
２６ 埋め込み接続部
２７ 絶縁層
３０ 評価電子装置
３１ 蓋部分の表面
３２ 貫通接続部
３３ 金属被覆層
３４ 溝
３６ ウェハ
３７ エピタキシャル層
３８ 半導体層（ポリシリコン層）
４０ コンタクトパッド構造

Claims (9)

1. センサ装置（１）、とりわけマイクロメカニカルセンサ装置（１）であって、
   所定のセンサ信号を供給するためのセンサ部分（２）を有し、
   該センサ部分（２）の上に密閉されたセンサ内部空間（４）を形成するために配置された蓋部分（３）を有し、評価電子装置（３０）は、少なくとも部分的にセンサ信号を評価するために前記センサ内部空間（４）とは反対側の前記蓋部分（３）の表面（３１）に統合されており、かつ、電気的に前記センサ部分（２）の相応の導体線路（２０）と少なくとも１つの貫通接続部（３２、３９）によって接続される _、センサ装置（１）、とりわけマイクロメカニカルセンサ装置（１）において、
   前記蓋部分（３）は薄膜部分（３）として前記センサ部分（２）の上に設けられていることを特徴とする、センサ装置（１）、とりわけマイクロメカニカルセンサ装置（１）。
2. センサ内部空間（４）には雰囲気圧力よりも低減された圧力が作られうることを特徴とする、請求項１記載のセンサ装置。
3. 蓋部分（３）に統合される評価電子装置（３０）の部分は信号コンディショニングのための演算増幅器を有し、該信号コンディショニングのための演算増幅器はセンサ装置（１）の相応の外部回路装置への簡単な結合を可能にすることを特徴とする、請求項１又は２記載のセンサ装置。
4. 蓋部分（３）はセンサ部分（２）とコンタクトパッド構造（４０）によって接続されることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載のセンサ装置。
5. 蓋部分（３）はポリシリコン又はポリシリコンゲルマニウムから形成されていることを特徴とする、請求項１記載のセンサ装置。
6. 請求項１〜３及び５のうちの１項により形成されるセンサ装置（１）、とりわけマイクロメカニカルセンサ装置（１）の製造のための方法であって、該方法は以下のステップを有する、すなわち、
   構造化されたセンサ部分（２）を製造するステップ、
   該センサ部分（２）の上に絶縁層（２７）を設けるステップ、
   該絶縁層（２７）に貫通接続部（３９）を製造するステップ、
   前記絶縁層（２７）の上に蓋部分層（３）を設けるステップ、
   前記絶縁層（２７）を除去するステップ、
   前記センサ部分（２）と前記蓋部分層（３）との間に密閉されたセンサ内部空間（４）を形成するステップ、及び、
   少なくとも部分的に前記蓋部分層（３）に評価電子装置（３０）をセンサ内部空間（４）とは反対側の前記蓋部分（３）の表面（３１）に統合し、該評価電子装置（３０）を前記貫通接続部（３９）を介して前記センサ部分（２）の相応の導体線路（２０）に接続するステップを有し、前記蓋部分層（３）が前記センサ部分（２）の上に設けられる、請求項１〜３及び５のうちの１項、により形成されるセンサ装置（１）、とりわけマイクロメカニカルセンサ装置（１）の製造のための方法。
7. 蓋部分層（３）をポリシリコン又はポリシリコンゲルマニウムから形成することを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. センサ内部空間（４）には雰囲気圧力よりも低減された圧力を設けることを特徴とする、請求項６記載の方法。
9. 蓋部分（３）に統合される評価電子装置（３０）の部分は信号コンディショニングのための演算増幅器を有し、該信号コンディショニングのための演算増幅器によってセンサ装置（１）の相応の外部回路装置への簡単な結合が可能となることを特徴とする、請求項６又は７記載の方法。

Images