WO2003038449A1 - Mikrosensor - Google Patents

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WO2003038449A1
WO2003038449A1 PCT/EP2002/011256 EP0211256W WO03038449A1 WO 2003038449 A1 WO2003038449 A1 WO 2003038449A1 EP 0211256 W EP0211256 W EP 0211256W WO 03038449 A1 WO03038449 A1 WO 03038449A1
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WO
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sensor element
integrated circuit
eutectic
semiconductor body
microsensor
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PCT/EP2002/011256
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Inventor
Manfred Brandl
Robert Csernicska
Original Assignee
Austriamicrosystems Ag
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Publication date
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Priority to US10/494,027 priority patent/US7427808B2/en
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    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Definitions

  • the invention relates to a microsensor according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a microsensor is off, for example
  • the sensor element is mechanically and electrically connected to the integrated circuit by a circumferential solder seam.
  • the sensor element for measuring accelerations has a bending beam, the distance of which from the integrated circuit is capacitively determined and converted into a measurement signal.
  • the distance of the sensor element from the integrated circuit represents this
  • the invention has for its object to provide a microsensor of the type mentioned with an improved connection between a sensor element and an integrated circuit.
  • the microsensor should preferably be able to be manufactured in the wafer composite.
  • the invention is based on the idea of connecting a preferably micromechanical sensor element by means of a eutectic connection to an integrated circuit (IC) in the form of a semiconductor chip.
  • IC integrated circuit
  • a silicon-based sensor element is suitable for a eutectic connection to a silicon semiconductor chip, for example a CMOS or BiCMOS IC.
  • a microsensor with a sensor element and an integrated circuit comprising a semiconductor body with an integrated circuit, the sensor element being arranged on a main surface of the semiconductor body and between the Semiconductor body and the sensor element is formed a eutectic connection.
  • Eutectic connections in particular eutectic silicon-gold connections, are characterized by high mechanical stability in a wide temperature range. In particular, such connections are mechanically and thermally more stable than conventional solder connections. Another advantage is that eutectic connections can be made very thin, so that the area critical for a change in position is kept small.
  • the sensor element is formed from a semiconductor material or has at least one semiconductor layer or one
  • the eutectic connection can be formed between a semiconductor surface of the sensor element and a surface of the semiconductor body of the integrated circuit.
  • the semiconductor body is preferably provided with a metal layer on the main surface facing the sensor element.
  • the eutectic connection is formed from the metal layer and the semiconductor material of the sensor element.
  • the sensor element can also be provided with a metal layer and the eutectic connection made from the material of the
  • a gold layer or a layer containing gold is preferably used as the metal layer for an integrated circuit or a sensor element based on silicon.
  • a silicon-gold eutectic serves as the eutectic connection, which can be formed, for example, by joining a silicon and a gold surface together at elevated temperature and pressure.
  • the melting point of the silicon-gold eutectic lies at 363 ° C in an advantageous temperature range.
  • the melting temperature is so low that the temperatures required to form the eutectic connection are harmless to the integrated circuit if the process is carried out appropriately.
  • the melting temperature is significantly higher than the maximum temperature that usually occurs when components are soldered onto printed circuit boards and which is usually between 260 ° C and 280 ° C. This ensures that the eutectic connection is not changed or even detached when soldering. If necessary, the melting temperature of the eutectic connection can be increased by alloying with the buffer layer by a metallic buffer layer adjacent to the eutectic connection.
  • the sensor element and the integrated circuit are particularly preferably based on the same semiconductor material.
  • a substantially identical composition of the semiconductor material used for the sensor element and for the integrated circuit leads to advantageously low mechanical stresses between the sensor element and the integrated circuit, since both components of the microsensor have approximately the same thermal expansion coefficient.
  • the integrated circuit is formed on the main surface of the semiconductor body facing the sensor element or in the vicinity of this main surface. This enables short electrical connections between the integrated circuit and the sensor element or electrodes, which are assigned to the sensor element, which are generally characterized by short signal propagation times and low susceptibility to interference.
  • the integrated circuit is preferably covered by the metal layer already described, so that the sensor element can be arranged directly above the integrated circuit.
  • An adhesive layer can be arranged between the integrated circuit and the metal layer, which increases the adhesion of the metal layer on the semiconductor body or on the integrated circuit.
  • An electrically conductive adhesive layer for example a titanium layer, is advantageous.
  • a barrier layer is formed between the integrated circuit and the metal layer, which prevents atoms from diffusing from the metal layer into the integrated circuit.
  • a barrier layer can advantageously also be formed in the sensor element.
  • the extent of the eutectic connection is thereby determined.
  • the thickness of the eutectic connection can advantageously be adjusted with high precision.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of a microsensor according to the invention.
  • Figure 2a and 2b is a schematic partial sectional view of a second embodiment of a microsensor according to the invention before and after the formation of the eutectic connection.
  • the microsensor shown in FIG. 1 has an integrated circuit 1 and a sensor element 2.
  • the integrated circuit 1 comprises a semiconductor body 11 with a main surface 12 and an integrated circuit 4 which is formed on the side of the main surface 12.
  • the sensor element 2 is arranged on the main surface 12.
  • the sensor element with a circumferential projection 14 is placed on the main surface 12 of the semiconductor body 11 and a eutectic connection 3 is formed between the projection 14 and the semiconductor body 11.
  • the eutectic connection 3 is explained in more detail in connection with FIGS. 2a and 2b.
  • the sensor element 2 is a micromechanical sensor element for one
  • the sensor element 2 has a movable component in the form of a spring strip 8 (shown schematically in the deflected position), which is surrounded by a circumferential frame 9 arranged parallel to the main surface 12 in the assembled state.
  • the spring strip 8 is deflected from its rest position, so that the distance of the spring strip 8 from the main surface 12 changes as a function of the acceleration.
  • This distance is measured capacitively and converted into an electrical measurement signal by means of the integrated circuit.
  • electrodes 10 assigned to the sensor element and opposite the spring strip 8 are provided, which can function, for example, as a reference electrode 10a, measuring electrode 10c and actuator electrode 10b.
  • the reference electrode 10a is arranged at the fixed end of the spring strip 8, so that the distance to the spring strip changes only slightly even when it is deflected.
  • the measuring electrode 10c is opposite the other end of the spring strip 8 and thus in one place arranged with the greatest possible deflection.
  • An electrostatic force can be exerted on the spring strip 8 via the actuator electrode 10b. This enables adjustment of the rest position of the spring strip 8.
  • the spring strip can be stabilized and its sensitivity can be varied.
  • the capacitive measurement signal applied to the electrodes 10 is processed by means of the integrated circuit.
  • the integrated circuit can, for example,
  • the prepared measurement signal is led out to external connections via conductor tracks (not shown), connection surfaces 15 and wire connections 16.
  • the distance D between the main surface 12 and the opposite surface 17 of the sensor element is of crucial importance for the function of the microsensor and the accuracy of the measurement result.
  • This distance D is composed of the height of the projection 14, the thickness of the eutectic connection 3 and, if appropriate, the thickness of further intermediate layers.
  • the height of the protrusion and the thickness of further intermediate layers can be manufactured with sufficient accuracy using known manufacturing methods such as dry etching. Since, as already described, the eutectic connection 3 can also be formed with a precisely predetermined thickness, a predetermined distance D between the main surface 12 and the opposite surface 17 can be maintained very precisely during production.
  • a micromechanical sensor element can also be used to detect other measured variables have movable components.
  • the sensor element at the location of the spring strip 8 can contain a thin membrane, preferably a silicon membrane, the deflection of which is measured capacitively or inductively.
  • An opening is expediently formed in the sensor element so that the ambient pressure to be detected prevails on one side of the membrane.
  • Other micromechanical structures for example those capable of oscillation or resonance, are also often used.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the invention in detail.
  • FIG. 2a shows the sensor element and the integrated circuit of a microsensor immediately before the eutectic connection 3 is formed.
  • FIG. 2b shows a corresponding representation of the microsensor with the eutectic connection 3 formed.
  • the integrated circuit 1 has a semiconductor body 11 made of silicon.
  • the integrated circuit can be, for example, a CMOS or BiCMOS IC.
  • the sensor element 2 is also made of a silicon body. Due to the choice of the same materials for the integrated circuit and the sensor element, these components of the microsensor have approximately the same thermal expansion coefficient, so that mechanical changes between the sensor element and the integrated circuit are kept low when there are changes in temperature, especially during a cooling phase after manufacture or when the microsensor is soldered ,
  • a silicon-gold eutectic is particularly preferably used for the eutectic connection. This eutectic is characterized by a melting temperature which, at 363 ° C., is particularly low enough that no damage to the integrated circuit occurs if the process is carried out appropriately.
  • a silicon-gold eutectic forms a firm, corrosion-resistant and mechanically and thermally stable connection.
  • the connection is advantageously gas-tight and can be used for the hermetic encapsulation of the interior of the microsensor.
  • This property is particularly advantageous for pressure sensors.
  • a reference cell adjoining a membrane can be connected to the membrane by means of the eutectic connection and thus sealed gas-tight and hermetically. With such an arrangement, the pressure to be measured results from the deflection of the membrane relative to the reference cell and the reference pressure prevailing therein.
  • the gas-tight hermetic encapsulation by means of the eutectic connection ensures a constant reference pressure over time.
  • hermetic encapsulation for microsensors with capacitive generation of the measurement signal is advantageous in order to keep the dielectric properties of the enclosed medium constant.
  • a silicon-silver or a silicon-aluminum eutectic can optionally also be used.
  • a metal layer 7, preferably a gold layer, is applied to the main surface 12 of the semiconductor body 11, FIG. 2a.
  • the metal layer 7 can, for example, be produced chemically or galvanically, vapor-deposited or sputtered on, a suitable mask technique being used for the lateral structuring if necessary.
  • the structures 13 covered by the metal layer can be both parts of the integrated circuit 4 and, for example, conductor tracks.
  • a circumferential eutectic connection for encapsulating the interior of the microsensor generally makes it necessary to conduct conductor tracks from the interior of the microsensor to the external wire connection areas.
  • the conductor tracks cross the connection direction of the eutectic connection.
  • the metal layer or eutectic connection can advantageously also cover parts of the conductor tracks, with electrical insulation of the
  • Conductor tracks for example with an oxide layer, is expedient.
  • the metal layer 7 can also be applied directly to the main surface 12 of the semiconductor body 11.
  • the structures 13 also mean the main surface 12 of the semiconductor body 11.
  • a barrier layer 5 is preferably arranged between the structures 13 and the metal layer 7. This
  • Barrier layer 5 prevents metal atoms from diffusing out of the metal layer 7 into the integrated circuit 4 and thus defines on the side of the integrated circuit Circuit 1, the extent or thickness of the eutectic connection.
  • a silicon oxide or silicon nitride layer can be used as the barrier layer.
  • an adhesive layer for example a titanium layer, and / or a buffer layer, for example made of aluminum or an aluminum alloy, can be arranged between the metal layer 7 and the covered structures 13, preferably on the covered structures 13 (not shown).
  • An adhesive layer increases the adhesion of the metal layer 7 to the covered structures 13 and consequently improves the anchoring of the eutectic connection to the integrated circuit 1.
  • the sensor element 2 has on the side facing the metal layer 7 in the area of the eutectic connection to be formed a semiconductor surface for forming a semiconductor metal eutectic.
  • This surface is preferably formed by the sensor element itself or by a semiconductor layer 6 applied to the sensor element.
  • the semiconductor layer 6 is preferably made of a barrier layer 19, for example
  • the thickness of the eutectic connection can be determined very precisely. It is however, noted that the barrier layers mentioned are advantageous in the invention, but are not absolutely necessary.
  • Formation of the eutectic connection expediently a silicon surface.
  • This can be formed by the sensor element itself or, preferably, by a silicon layer applied thereon.
  • a silicon oxide or silicon nitride layer is particularly suitable as a barrier layer.
  • a protrusion 14 is formed in the sensor element, as in the embodiment shown in FIG. This can be formed, for example, by removal in some areas.
  • a dry etching method is particularly suitable for this, in which the distance from the surface 18 of the projection 14 to the etched surface 17 can be determined very precisely. In the exemplary embodiment shown, this distance is approximately 4 ⁇ m.
  • the thickness of the silicon layer is advantageously dimensioned and matched to the thickness of the gold layer such that the amount of silicon and amount of gold forming the eutectic connection are already present in the stoichiometric ratio predetermined by the silicon-gold eutectic.
  • This stoichiometric ratio is 94% by weight gold to 6% by weight silicon. For the same area, this corresponds to a ratio of the thickness of the gold layer to the thickness of the silicon layer of 100 to 52.
  • the sensor element and the integrated circuit are used to form the eutectic connection joined together so that the metal layer 7 and the semiconductor surface 18 come into contact.
  • the eutectic connection is formed in a manner known per se at elevated temperature and / or increased contact pressure between the metal layer and the semiconductor surface.
  • the eutectic phase initially liquefies and finally solidifies into a uniform eutectic structure, which represents the eutectic connection 3, FIG. 2b.
  • the liquefaction advantageously compensates for surface roughness and unevenness in the covered structures 13. Bumps of up to about 0.5 ⁇ m are typically tolerable. Furthermore, a small part of the liquid eutectic is displaced in the lateral direction and solidifies in the form of a fillet 20. The thickness of the eutectic connection is, for example, approximately 1 ⁇ m.
  • a eutectic silicon-gold compound is preferably formed at temperatures between 363 ° C, the melting temperature of the eutectic, and about 390 ° C.
  • a largely tension-free connection can be formed by suitable process control. The prerequisites for this are the same temperatures of the sensor element and the integrated circuit when the eutectic connection is formed, and the lowest possible lateral temperature gradient.
  • a plurality can be particularly advantageous

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Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Mikrosensor mit einem Sensorelement (2) und einem integrierten Schaltkreis (1), der einen Halbleiterkörper (11) mit einer integrierten Schaltung (4) umfasst, wobei das Sensorelement (2) auf einer Hauptfläche (12) des Halbleiterkörpers (11) angeordnet und zwischen dem Halbleiterkörper (11) und dem Sensorelement (2) eine eutektische Verbindung (3) ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Mikrosensor
Die Erfindung betrifft einen Mikrosensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Mikrosensor ist beispielsweise aus
DE 100 27 234 AI bekannt. Hierin ist ein Mikrosensor mit einem integrierten Schaltkreis und einem darauf montierten mikromechanischen Sensorelement beschrieben. Das Sensorelement ist mechanisch und elektrisch durch eine umlaufende Lötnaht mit dem integrierten Schaltkreis verbunden. Ferner weist das Sensorelement zur Messung von Beschleunigungen einen Biegebalken auf, dessen Abstand zu dem integrierten Schaltkreis kapazitiv bestimmt und in ein Messsignal umgewandelt wird.
Bei einer solchen Anordnung stellt der Abstand des Sensorelements von dem integrierten Schaltkreis das
Bezugssytem und die Referenz für die Positionsbestimmung des Biegebalkens dar. Eine Änderung des Abstands des Sensorelements zu der integrierten Schaltung würde das Messergebnis verfälschen und ist daher zu vermeiden. Dies erfordert eine genau definierte und langzeitstabile Verbindung des Sensorelements mit dem integrierten Schaltkreis. Zur elektrischen Kopplung sollte die Verbindung zudem elektrisch leitfähig sein.
Bei einer Lötverbindung besteht die Gefahr, dass sich die
Verbindung unter dem Einfluss mechanischer Spannungen verformt . Auch eine Alterung der Lötverbindung kann zu einer Lageveränderung des Sensorelements relativ zur dem integrierten Schaltkreis führen. Diese Gefahr wird durch eine Temperaturerhöhung, wie sie beispielsweise beim Auflöten des Mikrosensors auf eine Leiterplatte auftreten kann, deutlich erhöht .
Zudem erfordert die Herstellung einer Mehrzahl von Mikrosensoren mit LötVerbindungen im Waferverbund einen hohen technischen Aufwand, da viele Lötflächen gleichzeitig mit hoher Präzision miteinander verlötet werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrosensor der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Verbindung zwischen einem Sensorelement und einem integrierten Schaltkreis zu schaffen. Vorzugsweise soll der Mikrosensor im Waferverbund gefertigt werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Mikrosensor nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein vorzugsweise mikromechanisches Sensorelement mittels einer eutektischen Verbindung mit einem integrierten Schaltkreis (integrated circuit, IC) in Form eines Halbleiterchips zu verbinden. Insbesondere ist ein Sensorelement auf Siliziumbasis für eine eutektische Verbindung mit einem Silizium-Halbleiterchip, beispielsweise einem CMOS- oder BiCMOS-IC, geeignet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen Mikrosensor mit einem Sensorelement und einem integrierten Schaltkreis, umfassend einen Halbleiterkorper mit einer integrierten Schaltung, zu bilden, wobei das Sensorelement auf einer Hauptfläche des Halbleiterkörpers angeordnet ist und zwischen dem Halbleiterkorper und dem Sensorelement eine eutektische Verbindung ausgebildet ist.
Eutektische Verbindungen, insbesondere eutektische Silizium- Gold-Verbindungen, zeichnen sich durch eine hohe mechanische Stabilität in einem weiten Temperaturbereich aus. Insbesondere sind derartige Verbindung mechanisch und thermisch stabiler als herkömmliche Lδtverbindungen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eutektische Verbindungen sehr dünn ausgeführt werden können, so dass der hinsichtlich einer Lageveränderung kritische Bereich klein gehalten wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement aus einem Halbleitermaterial gebildet oder weist zumindest eine Halbleiterschicht oder ein
Halbleitersubstrat auf. Die eutektische Verbindung kann in diesem Fall zwischen einer Halbleiteroberfläche des Sensorelements und einer Oberfläche des Halbleiterkörpers des integrierten Schaltkreises ausgebildet werden.
Hierzu ist bevorzugt der Halbleiterkorper auf der dem Sensorelement zugewandten Hauptfläche mit einer Metallschicht versehen. Die eutektische Verbindung wird in diesem Fall aus der Metallschicht und dem Halbleitermaterial des Sensorelements gebildet. Vorteilhafterweise wird so eine sehr kompakte Verbindung zwischen Sensorelement und Halbleiterkorper geschaffen, für die zudem nur eine geringe Zahl von Verbindungskomponenten benötigt wird. Alternativ kann auch das Sensorelement mit einer Metallschicht versehen und die eutektische Verbindung aus dem Material des
Halbleiterkörpers und der Metallschicht des Sensorelements gebildet sein. Vorzugsweise wird für einen integrierten Schaltkreis bzw. ein Sensorelement auf Siliziumbasis als Metallschicht eine Goldschicht oder eine Gold enthaltende Schicht verwendet. Als eutektische Verbindung dient hierbei ein Silizium-Gold- Eutektikum, das beispielsweise durch Aneinanderfügen einer Silizium- und einer Goldoberfläche bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck ausgebildet werden kann.
Der Schmelzpunkt des Silizium-Gold-Eutektikums liegt mit 363 °C in einem vorteilhaften Temperaturbereich. Einerseits ist die Schmelztemperatur so niedrig, so dass die zur Ausbildung der eutektischen Verbindung erforderlichen Temperaturen für den integrierten Schaltkreis bei geeigneter Prozessführung unschädlich sind. Andererseits ist die Schmelztemperatur deutlich größer als die Maximaltemperatur, die üblicherweise beim Auflöten von Bauelementen auf Leiterplatten auftritt und die in der Regel zwischen 260 °C und 280 °C liegt. Dies gewährleistet, dass beim Auflöten die eutektische Verbindung nicht verändert oder gar gelöst wird. Gegebenenfalls kann durch eine an die eutektische Verbindung angrenzende, metallische Pufferschicht die Schmelztemperatur der eutektischen Verbindung durch Legierung mit der Pufferschicht noch erhöht werden.
Besonders bevorzugt basieren das Sensorelement und der integrierte Schaltkreis auf dem gleichen Halbleitermaterial. Eine im wesentlichen gleichartige Zusammensetzung des für das Sensorelement und für den integrierten Schaltkreis verwendeten Halbleitermaterials führt zu vorteilhaft geringen mechanischen Verspannungen zwischen dem Sensorelement und dem integrierten Schaltkreis, da beide Komponenten des Mikrosensors etwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die integrierte Schaltung auf der dem Sensorelement zugewandten Hauptfläche des Halbleiterkörpers oder in der Nähe dieser Hauptfläche ausgebildet. Dies ermöglicht zwischen der integrierten Schaltung und dem Sensorelement oder Elektroden, die dem Sensorelement zugeordnet sind, kurze elektrische Verbindungen, die sich allgemein durch kurze Signallaufzeiten und geringe Störanfälligkeit auszeichnen. Bei kapazitiver oder induktiver Aufnahme bzw. Übertragung eines Messsignals, beispielsweise durch dem Sensorelement zugeordnete Elektroden, sind kurze elektrische Verbindungen besonders vorteilhaft, da die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der elektrischen Verbindung vergleichsweise gering sind. Damit wird eine Verfälschung des Messsignals weitgehend unterdrückt .
Vorzugsweise ist die integrierte Schaltung von der bereits beschriebenen Metallschicht bedeckt, so dass das Sensorelement unmittelbar über der integrierten Schaltung angeordnet werden kann.
Zwischen der integrierten Schaltung und der Metallschicht kann eine HaftSchicht angeordnet sein, die die Haftung der Metallschicht auf dem Halbleiterkorper bzw. auf der integrierten Schaltung erhöht. Vorteilhaft ist dabei eine elektrisch leitende Haftschicht, beispielsweise eine Titanschicht .
Weiter bevorzugt ist zwischen der integrierten Schaltung und der Metallschicht eine Barriereschicht ausgebildet, die eine Diffusion von Atomen aus der Metallschicht in die integrierte Schaltung verhindert. Eine solche Barriereschicht kann vorteilhafterweise auch in dem Sensorelement ausgebildet sein.
Wird die eutektische Verbindung beidseitig von Barriereschichten eingefasst, so wird dadurch die Ausdehnung der eutektischen Verbindung festgelegt . Mit Vorteil kann so die Dicke der eutektischen Verbindung mit hoher Präzision eingestellt werden.
Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren 1 und 2.
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mikrosensors und
Figur 2a und 2b eine schematische Teilschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mikrosensors vor und nach der Ausbildung der eutektischen Verbindung.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der in Figur 1 dargestellte Mikrosensor weist einen integrierten Schaltkreis 1 und ein Sensorelement 2 auf. Der integrierte Schaltkreis 1 umfasst einen Halbleiterkorper 11 mit einer Hauptfläche 12 sowie eine integrierte Schaltung 4, die auf der Seite der Hauptfläche 12 ausgebildet ist. Das Sensorelement 2 ist auf der Hauptfläche 12 angeordnet. Dazu ist das Sensorelement mit einem umlaufenden Vorsprung 14 auf die Hauptfläche 12 des Halbleiterkörpers 11 aufgesetzt und eine eutektische Verbindung 3 zwischen dem Vorsprung 14 und dem Halbleiterkorper 11 ausgebildet. Die eutektische Verbindung 3 wird im Zusammenhang mit Figur 2a und 2b noch genauer erläutert .
Das Sensorelement 2 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als mikromechanisches Sensorelement für einen
Beschleunigungssensor ausgeführt . Dazu weist das Sensorelement 2 eine bewegliche Komponente in Form eines Federstreifens 8 (schematisch in ausgelenkter Lage dargestellt) auf, der von einem umlaufenden, im montierten Zustand parallel zur Hauptfläche 12 angeordneten Rahmen 9 umgeben ist. Der Federstreifen 8 wird je nach Größe der einwirkenden Beschleunigung aus seiner Ruhelage ausgelenkt, so dass sich der Abstand des Federstreifens 8 zu der Hauptfläche 12 in Abhängigkeit der Beschleunigung ändert.
Dieser Abstand wird kapazitiv gemessen und mittels der integrierten Schaltung in ein elektrisches Messsignal umgewandelt .
Zur kapazitiven Messung sind dem Sensorelement zugeordnete und dem Federstreifen 8 gegenüberliegende Elektroden 10 vorgesehen, die beispielsweise als Referenzelektrode 10a, Messelektrode 10c und Aktuatorelektrode 10b fungieren können. Die Referenzelektrode 10a ist am fixierten Ende des Federstreifens 8 angeordnet, so dass sich der Abstand zum Federstreifen auch bei dessen Auslenkung nur geringfügig ändert. Die Messelektrode 10c ist hingegen dem anderen Ende des Federstreifens 8 gegenüberliegend und somit an einem Ort mit möglichst großer Auslenkung angeordnet. Über die Aktuatorelektrode 10b kann eine elektrostatische Kraft auf den Federstreifen 8 ausgeübt werden. Dies ermöglicht eine Einstellung der Ruhelage des Federstreifens 8. Weiterhin kann damit der Federstreifen stabilisiert und dessen Empfindlichkeit variiert werden.
Das an den Elektroden 10 anliegende, kapazitive Messsignal wird mittels der integrierten Schaltung aufbereitet. Die integrierte Schaltung kann dazu beispielsweise eine Mess-,
Kalibrier- und/oder Kompensationsschaltung umfassen. Von der integrierten Schaltung aus wird das aufbereitete Messsignal über Leiterbahnen (nicht dargestellt) , Anschlussflächen 15 und Drahtanschlüsse 16 zu externe Anschlüssen herausgeführt .
Für die Funktion des Mikrosensors und die Genauigkeit des Messergebnisses ist der Abstand D zwischen der Hauptfläche 12 und der gegenüberliegenden Fläche 17 des Sensorelements von entscheidender Bedeutung. Dieser Abstand D setzt sich zusammen aus der Höhe des Vorsprungs 14, der Dicke der eutektischen Verbindung 3 und gegebenenfalls der Dicke weiterer Zwischenschichten. Die Höhe des Vorsprungs und die Dicke weiterer Zwischenschichten kann mit Hilfe an sich bekannter Herstellungsverfahren wie beispielsweise Trockenätzen mit hinreichender Genauigkeit gefertigt werden. Da die eutektische Verbindung 3, wie bereits beschrieben, ebenfalls mit einer genau vorherbestimmten Dicke ausgebildet werden kann, kann ein vorgegebener Abstand D zwischen der Hauptfläche 12 und der gegenüberliegenden Fläche 17 bei der Fertigung sehr genau eingehalten werden.
Statt eines Federstreifens kann ein mikromechanisches Sensorelement zur Erfassung anderer Messgrößen auch andere bewegliche Komponenten aufweisen. Beispielsweise kan bei einem Drucksensor das Sensorelement an der Stelle des Federstreifens 8 eine dünne Membran, vorzugsweise eine Siliziummembran, enthalten, deren Durchbiegung kapazitiv oder induktiv gemessen wird. Zweckmäßigerweise ist dabei in dem Sensorelement eine Öffnung gebildet, so dass auf einer Seite der Membran der zu erfassende Umgebungsdruck herrscht . Auch andere, beispielsweise schwingungsfähige oder resonanzf hige mikromechanische Strukturen werden oftmals verwendet.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiels der Erfindung im Detail dargestellt. Figur 2a zeigt das Sensorelement und den integrierten Schaltkreis eines Mikrosensors unmittelbar vor der Ausbildung der eutektischen Verbindung 3. Figur 2b zeigt eine entsprechende Darstellung des Mikrosensors mit ausgebildeter eutektischer Verbindung 3.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die integrierte Schaltung 1 einen Halbleiterkorper 11 aus Silizium auf. Die integrierte Schaltung kann beispielsweise ein CMOS- oder BiCMOS-IC sein.
Das Sensorelement 2 ist ebenfalls aus einem Siliziumkörper gefertigt. Aufgrund der Wahl gleicher Materialien für die integrierte Schaltung und das Sensorelement besitzen diese Komponenten des Mikrosensors annähernd denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so dass bei Temperaturänderungen, insbesondere während einer Abkühlphase nach der Herstellung oder beim Verlöten des Mikrosensors, mechanische Verspannungen zwischen Sensorelement und integrierter Schaltung gering gehalten werden. Für Mikrosensoren auf Siliziumbasis wird zur eutektischen Verbindung besonders bevorzugt ein Silizium-Gold-Eutektikum verwendet. Dieses Eutektikum zeichnet sich durch eine Schmelztemperatur aus, die mit 363 °C insbesondere so gering ist, dass bei geeigneter Prozessführung keine Schäden an dem integrierten Schaltkreis auftreten.
Weiterhin bildet ein Silizium-Gold-Eutektikum eine feste, korrosionsbeständige und mechanisch und thermisch langzeitstabile Verbindung aus. Die Verbindung ist vorteilhafterweise gasdicht und kann zur hermetischen Einkapselung des Mikrosensorinnenraums verwendet werden. Diese Eigenschaft ist insbesondere für Drucksensoren vorteilhaft. Beispielsweise kann eine an eine Membran grenzende Referenzzelle mittels der eutektischen Verbindung mit der Membran verbunden und so gasdicht und hermetisch verschlossen sein. Der zu messende Druck ergibt sich bei einer derartigen Anordnung aus der Durchbiegung der Membran gegenüber der Referenzzelle und dem darin herrschenden Referenzdruck. Durch die gasdichte hermetische Einkapselung mittels der eutektischen Verbindung wird ein zeitlich konstanter Referenzdruck gewährleistet .
Generell ist eine hermetische Einkapselung für Mikrosensoren mit kapazitiver Erzeugung des Messsignals vorteilhaft, um die dielektrischen Eigenschaften des eingeschlossenen Mediums konstant zu halten.
Statt eines Silizium-Gold-Eutektikums kann gegebenenfalls auch ein Silizium-Silber- oder ein Silizum-Aluminium- Eutektikum verwendet werden. Zur Ausbildung der eutektischen Verbindung ist auf der Hauptfläche 12 des Halbleiterkörpers 11 eine Metallschicht 7, vorzugsweise eine Goldschicht, aufgebracht, Figur 2a. Die Metallschicht 7 kann beispielsweise chemisch oder galvanisch erzeugt, aufgedampft oder aufgesputtert werden, wobei gegebenenfalls zur lateralen Strukturierung eine geeignete Maskentechnik verwendet wird.
Die von der Metallschicht bedeckten Strukturen 13 können dabei sowohl Teile der integrierten Schaltung 4 als auch beispielsweise Leiterbahnen sein. Insbesondere eine umlaufende eutektische Verbindung zur Einkapselung des Mikrosensorinnenraums macht es in der Regel erforderlich, Leiterbahnen aus dem Mikrosensorinnenraum zu den außenliegenden Drahtanschlussbereichen zu führen. Bei einer entsprechenden Leiterbahnführung vom Bereich 21a in den Bereich 21b kreuzen die Leiterbahnen die Verbindungsrichtung der eutektischen Verbindung. Hierbei kann vorteilhafterweise die Metallschicht bzw. eutektische Verbindung auch Teile der Leiterbahnen bedecken, wobei eine elektrische Isolierung der
Leiterbahnen, beispielsweise mit einer Oxidschicht, zweckmäßig ist.
Selbstverständlich kann die Metallschicht 7 auch unmittelbar auf die Hauptfläche 12 des Halbleiterkörpers 11 aufgebracht werden. Im folgenden ist unter den Strukturen 13 auch die Hauptfläche 12 des Halbleiterkörpers 11 zu verstehen.
Zwischen den Strukturen 13 und der Metallschicht 7 ist vorzugsweise eine Barriereschicht 5 angeordnet. Diese
Barriereschicht 5 verhindert ein Eindiffundieren von Metallatomen aus der Metallschicht 7 in die integrierte Schaltung 4 und definiert so auf der Seite des integrierten Schaltkreises 1 die Ausdehnung bzw. Dicke der eutektischen Verbindung. Als Barriereschicht kann beispielsweise eine Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschichten verwendet werden. Auch eine Metallschicht, die beispielsweise Palladium, Platin, Wolfram und/oder Titan enthalten kann, ist als Barriereschicht geeignet .
Weiterhin kann zwischen der Metallschicht 7 und den bedeckten Strukturen 13, vorzugsweise auf den bedeckten Strukturen 13, eine Haftschicht, beispielsweise eine Titanschicht, und/oder eine Pufferschicht, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, angeordnet sein (nicht dargestellt) . Eine Haftschicht erhöht die Haftung der Metallschicht 7 auf den bedeckten Strukturen 13 und verbessert so in der Folge die Verankerung der eutektischen Verbindung mit dem integrierten Schaltkreis 1.
Das Sensorelement 2 weist auf der der Metallschicht 7 zugewandten Seite im Bereich der auszubildenden eutektischen Verbindung eine Halbleiteroberfläche zur Ausbildung eines Halbleiter-Metall-Eutektikums auf. Vorzugsweise wird diese Oberfläche von dem Sensorelement selbst oder einer auf das Sensorelement aufgebrachten Halbleiterschicht 6 gebildet. Bei der letztgenannten Möglichkeit ist die Halbleiterschicht 6 vorzugsweise auf eine Barriereschicht 19, zum Beispiel aus
Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Wolfram, Titan, Palladium oder Platin, aufgebracht, die bei der Ausbildung der eutektischen Verbindung eine Ausbreitung von Atomen der Metallschicht in das Sensorelement limitiert .
Durch eine beidseitig Einfassung der eutektischen Verbindung durch die Barriereschichten 5 und 19 kann die Dicke der eutektischen Verbindung sehr genau festgelegt werden. Es sei jedoch angemerkt, dass die genannten Barriereschichten bei der Erfindung vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich sind.
Bei einem Sensorelement auf Siliziumbasis dient zur
Ausbildung der eutektischen Verbindung zweckmäßigerweise eine Siliziumoberfläche. Diese kann von dem Sensorelement selbst oder bevorzugt von einer darauf aufgebrachten Siliziumschicht gebildet werden. Als Barriereschicht eignet sich insbesondere eine Siliziumoxid- oder eine Siliziumnitridschicht.
Auf der dem integrierten Schaltkreis 1 zugewandten Seite ist bei dem Sensorelement wie bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Vorsprung 14 ausgebildet. Dieser kann beispielsweise durch bereichsweise Abtragung geformt werden. Hierfür eignet sich besonders ein Trockenätzverfahren, bei dem der Abstand von der Oberfläche 18 des Vorsprungs 14 zu der geätzten Oberfläche 17 sehr genau festgelegt werden kann. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt dieser Abstand etwa 4 μm.
Vorteilhafterweise wird die Dicke der Siliziumschicht so bemessen und auf die Dicke der Goldschicht abgestimmt, dass die die eutektische Verbindung bildende Siliziummenge und Goldmenge bereits in dem durch das Silizium-Gold-Eutektikum vorgegebenen stöchiometrischen Verhältnis vorliegen. Dieses stöchiometrische Verhältnis liegt bei 94 Gew.% Gold zu 6 Gew.% Silizium. Die entspricht bei gleicher Fläche einem Verhältnis der Dicke der Goldschicht zur Dicke der Siliziumschicht von 100 zu 52.
Zur Ausbildung der eutektischen Verbindung werden das Sensorelement und der integrierte Schaltkreis aneinandergefügt, so dass die Metallschicht 7 und die Halbleiteroberfläche 18 in Kontakt kommen. In an sich bekannter Weise bildet sich bei erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Anpressdruck zwischen der Metallschicht und der Halbleiteroberfläche die eutektische Verbindung aus.
Dabei verflüssigt sich die eutektische Phase zunächst und erstarrt schließlich zu einem einheitlichen eutektischen Gefüge, das die eutektische Verbindung 3 darstellt, Figur 2b.
Durch die Verflüssigung werden mit Vorteil Oberflächenrauhigkeiten und Unebenheiten der bedeckten Strukturen 13 ausgeglichen. Typischerweise sind Unebenheiten bis etwa 0,5 μm tolerabel . Weiterhin wird ein geringfügiger Teil des flüssigen Eutektikums in lateraler Richtung verdrängt und erstarrt in Form einer Hohlkehle 20. Die Dicke der eutektischen Verbindung beträgt beispielsweise etwa lμm.
Die jeweiligen Prozessparameter zur Ausbildung der eutektischen Verbindung 3, insbesondere Anpressdruck und
Temperatur, hängen von den beteiligten Materialien ab. Eine eutektische Silizium-Gold-Verbindung wird vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 363 °C, der Schmelztemperatur des Eutektikums, und etwa 390 °C gebildet. Dabei kann durch eine geeignete Prozessführung eine weitgehend verspannungsfreie Verbindung ausgebildet werden. Voraussetzung hierfür sind gleiche Temperaturen von Sensorelement und integriertem Schaltkreis bei der Ausbildung der eutektischen Verbindung sowie ein möglichst geringer lateraler Temperaturgradient. Mit besonderem Vorteil kann eine Mehrzahl eutektischer
Verbindungen gleichzeitig im Waferverbund ausgebildet werden. Die Erläuterung der Erfindung anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Beschränkung der Erfindung hierauf zu verstehen.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrosensor mit einem Sensorelement (2) und einem integrierten Schaltkreis (1) , umfassend einen Halbleiterkorper (11) mit einer integrierten Schaltung (4) , wobei das Sensorelement (2) auf einer Hauptfläche (12) des Halbleiterkörpers (11) angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zwischen dem Halbleiterkorper (11) und dem Sensorelement (2) eine eutektische Verbindung (3) ausgebildet ist.
2. Mikrosensor nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die integrierte Schaltung (4) auf der dem Sensorelement (2) zugewandten Seite des Halbleiterkörpers (11) ausgebildet ist
3. Mikrosensor nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Sensorelement (2) aus einem Halbleitermaterial gebildet ist oder eine Schicht (6) oder ein Substrat aus einem Halbleitermaterial aufweist.
4. Mikrosensor nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t, d a s s der Halbleiterkorper (11) des integrierten Schaltkreises (1) und das Sensorelement (2) gleiche Halbleitermaterialien enthalten.
5. Mikrosensor nach Anspruch 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Halbleiterkorper (11) des integrierten Schaltkreises (1) und das Sensorelement (2) Silizium enthalten.
6. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d s s die eutektische Verbindung (3) aus einer auf der Hauptfläche (12) des Halbleiterkörpers (11) angeordneten Metallschicht (7) und dem Halbleitermaterial des Sensorelements (2) gebildet ist.
7. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die eutektische Verbindung (3) aus einer auf dem
Sensorelement (2) angeordneten Metallschicht und dem Material des Halbleiterkörpers gebildet ist.
8. Mikrosensor nach Anspruch 6 oder 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Metallschicht eine Goldschicht ist oder Gold enthält.
9. Mikrosensor nach Anspruch 7 oder 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die integrierte Schaltung (4) mit der Metallschicht (7) abgedeckt ist.
10. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zwischen der Metallschicht (7) und der integrierten Schaltung (4) eine Barriereschicht (5) und/oder eine HaftSchicht angeordnet ist.
11. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Sensorelement (2) eine Barriereschicht (19) aufweist.
12. Mikrosensor nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Barriereschicht (5) zwischen der integrierten Schaltung (4) und der Metallschicht und/oder die Barriereschicht (19) des Sensorelements (2) Siliziumoxid oder Siliziumnitrid enthalten.
13. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die eutektische Verbindung (3) ein Silizium-Gold-Eutektikum enthält .
14. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Sensorelement (2) ein mikromechanisches Sensorelement ist .
15. Mikrosensor nach Anspruch 14 , d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Sensorelement (2) eine bewegliche Komponente umfasst, aus deren Abstand zum Halbleiterkorper (11) ein Messsignal erzeugt wird.
16. Mikrosensor nach Anspruch 15, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Messsignal induktiv oder kapazitiv aus dem Abstand erzeugt wird.
17. Mikrosensor nach Anspruch 15 oder 16, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die bewegliche Komponente ein Federstreifen (8) , eine bewegliche Membran oder eine schwingungsfähige Struktur ist.
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