WO2015106854A1 - Mikromechanische drucksensorvorrichtung und entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanische drucksensorvorrichtung und entsprechendes herstellungsverfahren Download PDF

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WO2015106854A1
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functional layer
layer
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Johannes Classen
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    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/11—Manufacturing methods

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical pressure sensor device and a
  • Micromechanical sensor devices for measuring for example
  • acceleration and gyration sensors are becoming popular as well.
  • Pressure sensors on the other hand, are nowadays developed and manufactured separately from the 6d and 9d modules mentioned above. A major reason for this is the required
  • pressure sensors often use piezoresistive Resistors for evaluation, whereas inertial sensors are preferably evaluated capacitively.
  • Such integrated 7d modules or when integrating a 3-axis magnetic sensor 10d modules could, for example, be used for navigation applications (in-door navigation).
  • the functional integration promises both a cost reduction and a reduced space requirement on the application board.
  • US 2013/0001710 A1 discloses a method and a system for forming a MEMS sensor device, wherein a handling wafer is bonded to a MEMS wafer via a dielectric layer. After structuring the MEMS wafer to form the micromechanical sensor device, a CMOS wafer is bonded to the MEMS wafer with the sensor device. At the end of the process, the
  • the invention provides a micromechanical pressure sensor device according to claim 1 and a corresponding manufacturing method according to claim 8.
  • Insulation layer with an ASIC wafer preferably a CMOS wafer electrically insulated to connect, wherein an electrical connection to the top conductor track level of the ASIC wafer is later carried out via one or more electrically conductive contact plug.
  • a membrane region is formed as a first pressure-detecting electrode, a second pressure-detecting electrode under the membrane region in the uppermost one
  • Pressure sensor device can be used either capped or uncovered.
  • micromechanical pressure sensor device in addition to the micromechanical pressure sensor device, one or more further micromechanical sensor devices in the
  • micromechanical functional layer For example, it is possible to provide a micromechanical inertial sensor device in the micromechanical functional layer in addition to the micromechanical pressure sensor device. It is only necessary, a pressure access for the micromechanical
  • a first contact plug is provided, which is formed as a circumferential ring. This helps to improve the hermeticity of the membrane area. According to a further preferred development is on the micromechanical
  • Cap wafer bonded which has a pressure access to the membrane area.
  • a protection can be achieved, whereby the bonding process is simplified.
  • the membrane region has a thinned region of the micromechanical functional layer. This increases the sensitivity for thicker functional layers.
  • bonding balls outside the membrane region are formed over the micromechanical functional layer, which are electrically connected via one or more second contact plugs to the uppermost interconnect plane, which are guided through the micromechanical functional layer and through the insulating layer. This is a simple way
  • bonding balls are formed over the insulating layer, which are electrically connected via vias to the uppermost interconnect level.
  • Fig. 1a) -h) are schematic cross-sectional views for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a first embodiment of the present invention
  • Fig. 2a), b) are schematic cross-sectional views for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a second embodiment of the present invention
  • Fig. 3a), b) are schematic cross-sectional views for explaining a
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to an eighth embodiment of the present invention.
  • Fig. 1a) -h) are schematic cross-sectional views for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • reference numeral 1 denotes a CMOS wafer with a plurality of CMOS circuits 100, which comprise, for example, an evaluation circuit for the micromechanical pressure sensor device to be formed.
  • the CMOS wafer has a front side VS and a back side RS.
  • a rewiring device 1a which has a plurality of interconnect layers LBO, LB1, LB2 and insulating layers I lying therebetween.
  • Insulation layers I in which the interconnect levels LBO, LB1, LB2 are embedded, not shown separately.
  • the conductor track sections of the conductor track planes LBO, LB1, LB2 are electrically connected to one another via electrically conductive vias K.
  • a structured insulation layer 6 is provided above an uppermost conductor track level LBO, preferably an oxide layer or stacks of oxide layers and / or nitride layers.
  • recesses A1 and A2 are formed in the insulating layer 6, in which the uppermost conductor track level LBO is exposed.
  • contact holes L1, L2, L3 are provided, in which contact plugs are to be formed later.
  • the latter contact holes L1, L2, L3 can also be formed only at a later stage of the process.
  • a plated through-hole 15 which is electrically connected to a lowermost interconnect plane LB2, extends into the interior of the CMOS wafer 1, which can later be exposed by back-bending from the rear side RS.
  • the exposed regions A1 and A2 correspond to micromechanical sensor devices to be formed, specifically the region A1 of a micromechanical device
  • Section of the highest level LBO corresponds to a second
  • Pressure detection electrode of the micromechanical pressure sensor device which is to be formed over this section A1. It should be noted that, by structuring the insulating layer 6, a sacrificial layer etching in the already removed areas of the
  • Isolation layer 6 can be omitted.
  • a silicon wafer 2 a is bonded to the insulating layer 6 on the structure of FIG. 1 a) as the starting point for a micromechanical functional layer 2 to be formed therefrom (cf. FIG. 1 c)) with a plasma-activated direct bonding method, since it is done at relatively low temperature below 400 ° C, which has the advantage that the CMOS circuits formed in the CMOS wafer 1 are not damaged by the bonding.
  • the MEMS wafer 2a is set to a desired thickness
  • micromechanical functional layer 2 for example made of silicon
  • a first bonding layer 18 for example made of aluminum, which is then structured according to bonding areas to be formed, as shown in Fig. 1c).
  • a trench etching takes place through the micromechanical functional layer 2 and a subsequent deposition and patterning of a tungsten layer (possibly on a previously deposited and
  • a trench etching step is again carried out, in which trenches are formed in the micromechanical functional layer, which on the one hand serve as electrical isolation trenches and on the other hand for structuring the micromechanical
  • Membrane region M formed over the recess A1, which is connected via the contact plugs P1, P2 with the uppermost conductor track level LB0 and is separated from the rest of the micromechanical functional layer 2 by corresponding trenches.
  • structuring for producing a movable MEMS element is carried out by the trench etching step, in the present case a micromechanical inertial sensor device IE.
  • the inertial sensor device IE is electrically connected to the topmost conductor track level LB0 via the contact plug P3.
  • the movable structures of the inertial sensor device IE are also released at the same time by the trench etching step, since there is no longer any insulation layer 6 there, but only the recess A2 which exposes the topmost conductor track plane LBO.
  • the membrane region M thus formed forms a first pressure detection electrode of the micromechanical pressure sensor device, wherein, as mentioned above, the second pressure detection electrode is formed by the conductor track section 7 of the uppermost conductor track plane LBO.
  • the contact plugs P1, P2 can also be designed as an encircling ring for making electrical contact, since the hermeticity of the membrane region M can thereby be improved.
  • a cap wafer 3 is provided, which in this first embodiment already has a continuous pressure access 3a as media access for the micromechanical pressure sensor device.
  • the cap wafer 3 also has a shallow cavity 3b above the
  • Inertialsensorvortechnisch IE On the cap wafer 3 is located at the
  • a second bonding layer 18a for example a
  • the cap wafer 3 is bonded to the micromechanical functional layer 2 via the first and second bonding layers 18, 18a at the intended bond regions, in the present example via eutectic aluminum-germanium bonding, wherein the eutectic bond 18 'is formed between the cap wafer 3 and the micromechanical functional layer 2.
  • the inertial sensor device IE is hermetically sealed, the resulting cavern being designated by the reference symbol K.
  • Track sections L1, L2 formed on or in the insulating layer, on which
  • Bond balls K1, K2, z As soldering balls, for soldering the entire combined
  • Fig. 2a), b) are schematic cross-sectional views for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the cap wafer is designated by reference numeral 3 ', the continuous pressure access formed therein by reference numeral 3a' and the cavity preformed therein by reference numeral 3b '.
  • the process state according to FIG. 2a) essentially corresponds to the process state according to FIG. 1f).
  • the micromechanical functional layer 2 and the underlying insulating layer 6 are removed in the bonding regions.
  • the top conductor track plane LBO is exposed for bonding in the bond areas, which exposes there an aluminum metal layer as a bonding surface.
  • the cap wafer 3 ' Provided in the bonding areas of the cap wafer 3 'is the first bonding layer 18a made of germanium already mentioned in connection with the first embodiment.
  • the cap wafer 3 ' which is somewhat more elaborately prestructured in this embodiment is thus simply bonded to the topmost conductor track plane LBO, which leads to the process state according to FIG. 2b).
  • the cap wafer 3 ' requires a larger cavern 3b' in the region of the inertial sensor device and a further cavity 3b "in the region of the pressure sensor device in order to rest the cap wafer 3 'on the pressure sensor device, in particular in the membrane region M, and
  • FIG. 3a), b) are schematic cross-sectional views for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the cap wafer in contrast to the second embodiment, is designated by reference numeral 3 "and has a recess 3b '" for the inertial sensor device, a recess 3b “” for the pressure sensor device and a prefabricated cavern 3a "as a precursor for the pressure access.
  • the cap wafer 3 is bonded to the previously exposed topmost conductor plane LB0 by means of the germanium bonding layer 18a, after which the eutectic bond 18 'is formed After the bonding process, the cap wafer 3" is ground to provide the pressure access 3a "uncover.
  • Fig. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • Embodiment no grinding of the cap wafer 3 ", but exposing the pressure access 3a" by an etching process or vertical or oblique laser drilling, wherein the passage 3c is formed, which exposes the pressure access 3a "to the outside.
  • Fig. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the thickness of the micromechanical functional layer 2 ground back from the wafer 2a is typically 30 ⁇ m, and the sensitivity of the membrane region M 'can be increased by the thinned region D.
  • process inventory according to FIG. 5 corresponds to that according to FIG. 3b.
  • Fig. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the inertial sensor device IE is omitted and the diaphragm region M "with the underlying recess A1" corresponding to the micromechanical
  • the contact plugs are here denoted by reference numerals P1 "and P2" and the second pressure detection electrode by 7 ". Otherwise, the process state of FIG. 6 is similar to the process state of FIG.
  • the membrane area M is of course less well protected against handling influences, so that special precautions must be taken when handling and transporting the components.
  • Fig. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the via 15 is omitted in comparison to the sixth embodiment, and the contacting or mounting takes place via the front side VS, in that an insulating layer IV is applied and structured over the micromechanical functional layer 2 ", which in turn leads L1" and L2 "are provided on which bonding balls K1" or K2 "for soldering the
  • Component are applied to a suitable substrate.
  • the bonding balls K1 "and K2" are on the interconnects L1 "and L2" and over
  • Fig. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the bonding balls K1 "and K2" are provided on conductor sections LDV1, LDV2, respectively, which are applied directly to the insulation layer 6 and which are connected via vias K 'to the uppermost conductor track LBO.
  • Inertialsensorvoroplasty has been described in the micromechanical functional layer, the invention is not limited thereto. Rather, in the micromechanical functional layer further sensors or
  • Sensor devices or MEMS devices such.
  • B. magnetic field sensor devices for example, Lorenz force-based magnetic sensors, spin sensors, oscillators, radio frequency MEMS, etc. with the micromechanical
  • Pressure sensor device can be combined.

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Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Drucksensorvorrichtung umfasst einen ASIC-Wafer (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS), eine auf der Vorderseite (VS) gebildeten Umverdrahtungseinrichtung (1a) mit einer Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LB0, LB1, LB2) und dazwischenliegenden Isolationsschichten (I), eine über einer obersten Leiterbahnebene (LB0) der Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LB0, LB1, LB2) gebildeten strukturierten Isolationsschicht (6), eine auf der Isolationsschicht (6) gebildeten mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2"), welche einen mit Druck beaufschlagbaren Membranbereich (M; Μ'; M") über einer Aussparung (A1; A1 ") der Isolationsschicht (6) als eine erste Druckdetektionselektrode aufweist, und eine in der obersten Leiterbahnebene (LB0) beanstandet vom Membranbereich (M; M'; M") in der Aussparung (A1; A1") gebildeten zweiten Druckdetektionselektrode (7; 7"), welche vom Membranbereich (M; Μ'; M") elektrisch isoliert ist. Der Membranbereich (M; Μ'; M") ist durch ein oder mehrere erste Kontaktstöpsel (P1, P2; P1", P2") mit der obersten Leiterbahnebene (LB0) elektrisch verbunden, welche durch den Membranbereich (M; Μ'; M") und durch die Isolationsschicht (6) geführt sind.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein
entsprechendes Herstellungsverfahren.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von
Bauelementen auf Siliziumbasis erläutert.
Mikromechanische Sensorvorrichtungen zur Messung von beispielsweise
Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind allgemein bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Trends in der Consumer-Elektrode sind insbesondere die Miniaturisierung der Bauelemente, die Funktionsintegration und eine effektive Kostenreduktion.
Heutzutage werden Beschleunigungs- und Drehratensensoren und ebenso
Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren bereits als Kombi-Sensoren (6d) hergestellt, und darüber hinaus gibt es erste 9d-Module, bei denen jeweils 3-achisge
Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetfeldsensoren in einer einzigen
Sensorvorrichtung kombiniert werden.
Drucksensoren dagegen werden heutzutage separat von den oben genannten 6d- und 9d-Modulen entwickelt und gefertigt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der erforderliche
Medienzugang, den ein Drucksensor im Gegensatz zu Inertial- und Magnetsensoren benötigt und der den Aufwand und die Kosten für das Verpacken des Drucksensors deutlich erhöht. Weitere Gründe für die Separation von Drucksensoren sind die unterschiedlichen MEMS-Fertigungsprozesse sowie die unterschiedlichen
Auswerteverfahren. Beispielsweise bedienen sich Drucksensoren oftmals piezoresistiver Widerstände zur Auswertung, wohingegen Inertialsensoren bevorzugt kapazitiv ausgewertet werden.
Es ist aber absehbar, dass Sensorvorrichtungen, die neben Inertialgrößen auch den Druck messen können, eine interessante Erweiterung der Möglichkeiten zur
Funktionsintegration, insbesondere im Bereich der Consumer-Elektronik, darstellen.
Derartige integrierte 7d-Module oder bei Integration eines 3-achsigen Magnetsensors 10d-Module könnten beispielsweise für Navigationsanwendungen (In-door-Navigation) zum Einsatz gelangen. Die Funktionsintegration verspricht sowohl eine Kostenreduktion als auch einen reduzierten Platzbedarf auf der Applikationsleiterplatte.
Es sind Verfahren der so genannten vertikalen Integration oder Hybridintegration oder SD- Integration bekannt, bei denen mindestens ein MEMS- und ein Auswerte ASIC Wafer über Waferbondverfahren miteinander mechanisch und elektrisch verbunden werden, beispielsweise aus der US 7 250 353 B2 oder der US 7 442 570 B2. Besonders attraktiv sind diese vertikalen Integrationsverfahren in Kombination mit Silizium- Durchkontaktierungen und Flip-Chip-Technologien, wodurch die externe Kontaktierung als „bare die-Modul" oder„chip scale package", also ohne Plastikumverpackung erfolgen kann, wie z. B. aus der US 2012/0049299 A1 oder der US 2012/0235251 A1 bekannt.
Die US 2013/0001710 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Bilden einer MEMS-Sensorvorrichtung, wobei ein Handlingwafer an einen MEMS-Wafer über eine dielektrische Schicht gebondet wird. Nach Strukturierung des MEMS-Wafers, um die mikromechanische Sensorvorrichtung zu bilden, wird ein CMOS-Wafer auf den MEMS- Wafer mit der Sensorvorrichtung gebondet. Am Ende des Prozesses kann der
Handlingwafer durch Ätzen oder Rückschieifen, falls erforderlich, weiter bearbeitet werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 8.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, einen Wafer, der den Ausgangspunkt für eine mikromechanische Funktionsschicht bildet, über eine
Isolationsschicht mit einem ASIC-Wafer, bevorzugt einem CMOS-Wafer elektrisch isoliert zu verbinden, wobei eine elektrische Anbindung an die oberste Leiterbahnebene des ASIC-Wafers später über ein oder mehrere elektrisch leitfähige Kontaktstöpsel erfolgt. Nach Abdünnen des Wafers zum Bilden der mikromechanischen Funktionsschicht wird in letzterer ein Membranbereich als erste Druckdetektionselektrode gebildet, wobei eine zweite Druckdetektionselektrode unter dem Membranbereich in der obersten
Leiterbahnebene gebildet ist. Die derart gebildete mikromechanische
Drucksensorvorrichtung kann entweder verkappt oder unverkappt eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise ist es möglich, neben der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung ein oder mehrere weitere mikromechanische Sensorvorrichtungen in der
mikromechanischen Funktionsschicht zu integrieren. Beispielsweise ist es möglich, zusätzlich zur mikromechanischen Drucksensorvorrichtung eine mikromechanische Inertialsensorvorrichtung in der mikromechanischen Funktionsschicht vorzusehen. Es ist dabei lediglich erforderlich, einen Druckzugang für die mikromechanische
Drucksensorvorrichtung in der Verkappung vorzusehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ein erster Kontaktstöpsel vorgesehen, welcher als umlaufender Ring gebildet ist. Dies trägt zur Verbesserung der Hermetizität des Membranbereichs bei. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf die mikromechanische
Funktionsschicht ein Kappenwafer gebondet, welcher einen Druckzugang zum
Membranbereich aufweist. So lässt sich ein Schutz erreichen, ohne die Funktionalität zu beeinflussen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf die oberste Leiterbahnebene ein
Kappenwafer gebondet, welcher einen Druckzugang zum Membranbereich aufweist. So lässt sich ein Schutz erreichen, wobei der Bondprozess vereinfacht ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Membranbereich einen gedünnten Bereich der mikromechanischen Funktionsschicht auf. So lässt sich die Empfindlichkeit bei dickeren Funktionsschichten erhöhen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind über der mikromechanischen Funktionsschicht Bondkugeln außerhalb des Membranbereichs gebildet, welche über ein oder mehrere zweite Kontaktstöpsel mit der obersten Leiterbahnebene elektrisch verbunden sind, welche durch die mikromechanische Funktionsschicht und durch die Isolationsschicht geführt sind. So lässt sich eine einfache
Vorderseitenmontagemöglichkeit realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind in einem Bereich, in dem die mikromechanische Funktionsschicht entfernt ist, Bondkugeln über der Isolationsschicht gebildet sind, welche über Vias mit der obersten Leiterbahnebene elektrisch verbunden sind. So lässt sich eine einfache Vorderseitenmontagemöglichkeit mit verringerter Montagehöhe realisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1a)-h) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a),b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a),b) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche
Elemente.
Fig. 1a)-h) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 a) bezeichnet Bezugszeichen 1 einen CMOS-Wafer mit einer Mehrzahl von CMOS-Schaltungen 100, welche beispielsweise eine Auswerteschaltung für die zu bildende mikromechanische Drucksensorvorrichtung umfassen. Der CMOS-Wafer weist eine Vorderseite VS und eine Rückseite RS auf. Auf der
Vorderseite VS des CMOS-Wafers 1 ist eine Umverdrahtungseinrichtung 1a gebildet, welche eine Mehrzahl von Leiterbahnebenen LBO, LB1 , LB2 und dazwischen liegenden Isolationsschichten I aufweist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die
Isolationsschichten I, in die die Leiterbahnebenen LBO, LB1 , LB2 eingebettet sind, nicht separat dargestellt. Die Leiterbahnabschnitte der Leiterbahnebenen LBO, LB1 , LB2 sind über elektrisch leitfähige Vias K miteinander elektrisch verbunden.
Über einer obersten Leiterbahnebene LBO ist eine strukturierte Isolationsschicht 6 vorgesehen, vorzugsweise eine Oxidschicht oder Stapel aus Oxidschichten und/oder Nitridschichten.
Gemäß Fig. 1a) sind Ausnehmungen A1 und A2 in der Isolationsschicht 6 gebildet, in denen die oberste Leiterbahnebene LBO freigelegt ist. Ebenso sind Kontaktlöcher L1 , L2, L3 vorgesehen, in denen später Kontaktstöpsel zu bilden sind. Letztere Kontaktlöcher L1 , L2, L3 können allerdings auch erst in einem späteren Prozessstadium gebildet werden.
Ausgehend von der Vorderseite VS erstreckt sich eine Durchkontaktierung 15, welche mit einer untersten Leiterbahnebene LB2 elektrisch verbunden ist, ins Innere des CMOS- Wafers 1 , welche später durch Rückschieifen von der Rückseite RS her freigelegt werden kann.
Die freigelegten Bereiche A1 und A2 entsprechen zu bildenden mikromechanischen Sensorvorrichtungen, und zwar der Bereich A1 einer mikromechanischen
Drucksensorvorrichtung und der Bereich A2 einer beweglichen mikromechanischen Inertialsensorvorrichtung. Der mit Bezugszeichen 7 im Ausschnitt A1 bezeichnete
Abschnitt der obersten Leiterbahnebene LBO entspricht einer zweiten
Druckdetektionselektrode der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung, welcher über diesem Abschnitt A1 zu bilden ist. Zu bemerken ist, dass durch das Strukturieren der Isolationsschicht 6 ein Opferschichtätzen in den bereits entfernten Bereichen der
Isolationsschicht 6 entfallen kann. Weiter mit Bezug auf Fig. 1 b) wird auf der Struktur von Fig. 1a) ein Silizium-Wafer 2a als Ausgangspunkt für eine daraus zu bildende mikromechanische Funktionsschicht 2 (vergleiche Fig. 1 c)) auf die Isolationsschicht 6 gebondet, und zwar bevorzugt mit einem plasmaaktivierten Direktbondverfahren, da es bei relativ niedriger Temperatur unterhalb von 400 °C erfolgt, was zum Vorteil hat, dass die im CMOS-Wafer 1 gebildeten CMOS- Schaltungen durch das Bonden nicht geschädigt werden.
Anschließend wird der MEMS-Wafer 2a auf eine gewünschte Dicke einer
mikromechanischen Funktionsschicht 2, beispielsweise aus Silizium, zurückgedünnt und mit einer ersten Bondschicht 18, beispielsweise aus Aluminium bedeckt, welche anschließend entsprechend zu bildenden Bondbereichen strukturiert wird, wie in Fig. 1c) gezeigt.
Im nächsten Prozessschritt, welcher in Fig. 1 d) illustriert ist, erfolgt eine Trenchätzung durch die mikromechanische Funktionsschicht 2 und ein anschließendes Abscheiden und Strukturieren einer Wolframschicht (ggf. auf einer zuvor abgeschiedenen und
strukturierten dünnen Titan/Titannitrid-Haftschicht). So lassen sich Kontaktstöpsel P1 , P2, P3 bilden, welche durch die Isolationsschicht 6 hindurch bis zur ersten Leiterbahnebene LB0 geführt sind und letztere mit der mikromechanischen Funktionsschicht 2 elektrisch verbinden. Die Kontaktstöpsel P1 , P2, P3 sind entweder komplett oder nur teilweise verfüllt.
Weiter mit Bezug auf Fig. 1 e) erfolgt erneut ein Trenchätzschritt, in dem Gräben in der mikromechanischen Funktionsschicht gebildet werden, welche einerseits als elektrische Isolationsgräben und andererseits zur Strukturierung der mikromechanischen
Sensorvorrichtungen dienen. Insbesondere wird ein mit Druck beaufschlagbarer
Membranbereich M über der Aussparung A1 gebildet, welcher über die Kontaktstöpsel P1 , P2 mit der obersten Leiterbahnebene LB0 verbunden ist und vom Rest der mikromechanischen Funktionsschicht 2 durch entsprechende Gräben getrennt ist.
Oberhalb des Bereiches A2 wird durch den Trenchätzschritt eine Strukturierung zur Herstellung eines beweglichen MEMS-Elements durchgeführt, im vorliegenden Fall einer mikromechanischen Inertialsensorvorrichtung IE. Die Ineratialsensorvorrichtung IE ist über den Kontaktstöpsel P3 mit der obersten Leiterbahnebene LB0 elektrisch verbunden. Wie bereits oben erwähnt, werden durch den Trenchätzschritt die beweglichen Strukturen der Inertialsensorvorrichtung IE auch gleichzeitig freigestellt, da sich darunter keine Isolationssschicht 6 mehr befindet, sondern nur die Aussparung A2, welche die oberste Leiterbahnebene LBO freilegt.
Der derart gebildete Membranbereich M bildet eine erste Druckdetektionselektrode der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung, wobei, wie oben erwähnt, die zweite Druckdetektionselektrode durch den Leiterbahnabschnitt 7 der obersten Leiterbahnebene LBO gebildet ist.
Optional können die Kontaktstöpsel P1 , P2 zur elektrischen Kontaktierung auch als umlaufender Ring ausgeführt werden, da dadurch die Hermetizität des Membranbereichs M verbessert werden kann. Wie in Fig. 1f) dargestellt, erfolgt anschließend das Bereitstellen eines Kappenwafers 3, der bei dieser ersten Ausführungsform bereits einem durchgängigen Druckzugang 3a als Medienzugang für die mikromechanische Drucksensorvorrichtung aufweist.
Der Kappenwafer 3 weist zudem eine flache Kaverne 3b oberhalb der
Inertialsensorvorrichtung IE auf. Auf dem Kappenwafer 3 befindet sich an den
vorgesehenen Bondbereichen eine zweite Bondschicht 18a, beispielsweise eine
Germaniumschicht.
In einem weiteren Prozessschritt, der in Fig. 1 g) gezeigt ist, wird der Kappenwafer 3 über die erste und zweite Bondschicht 18, 18a an den vorgesehenen Bondbereichen auf die mikromechanischen Funktionsschicht 2 gebondet, im vorliegenden Beispiel über eutektisches Aluminium-Germanium-Bonden, wobei die eutektische Bondverbindung 18' zwischen den Kappenwafer 3 und der mikromechanischen Funktionsschicht 2 entsteht. Durch das Bonden wird die Inertialsensorvorrichtung IE hermetisch verkappt, wobei die dadurch entstehende Kaverne mit Bezugszeichen K bezeichnet ist.
Im Gegensatz dazu bleibt der Medienzugang zur Drucksensorvorrichtung über den Druckzugang 3a, welcher durch den Kappenwafer 3 führt, erhalten. In einem anschließenden Prozessschritt, der in Fig. 1 h) gezeigt ist, erfolgt ein
Rückschieifen des CMOS-Wafers 1 von der Rückseite RS her, um die Durchkontaktierung 15 an der Rückseite RS freizulegen. Nach Abscheiden einer weiteren Isolationsschicht Γ auf der Rückseite RS werden
Leiterbahnabschnitte L1 , L2 auf bzw. in der Isolationsschicht gebildet, auf denen
Bondkugeln K1 , K2, z. B. Lötbällchen, zum Löten der gesamten kombinierten
Sensorvorrichtung auf ein entsprechendes Substrat gebildet werden. Es sei bemerkt, dass alternativ zur vorangelegten Öffnung des Druckzuganges 3a im Kappenwafer 3 auch ein nachträgliches Aufschleifen einer weiteren vorgebildeten
Kaverne im Kappenwafer 3 oder ein Ätzschritt oder ein Laserbohrverfahren zur
Herstellung des Druckzuganges möglich ist, wie insbesondere später noch im
Zusammenhang mit weiteren Ausführungsformen erläutert wird.
Fig. 2a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der Kappenwafer mit Bezugszeichen 3', der darin gebildete durchgängige Druckzugang mit Bezugszeichen 3a' und die darin vorgebildete Kaverne mit Bezugszeichen 3b' bezeichnet. Der Prozesszustand gemäß Fig. 2a) entspricht im Wesentlichen dem Prozesszustand gemäß Fig. 1f)- Allerdings sind bei dieser Ausführungsform die mikromechanische Funktionsschicht 2 und die darunterliegende Isolationsschicht 6 in den Bondbereichen entfernt. Somit liegt zum Bonden in den Bondbereichen die oberste Leiterbahnebene LBO frei, welche dort eine Aluminium-Metalllage als eine Bondfläche freilegt.
In den Bondbereichen des Kappenwafers 3' vorgesehen ist die bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erwähnte erste Bondschicht 18a aus Germanium. Der bei dieser Ausführungsform etwas aufwendiger vorstrukturierte Kappenwafer 3' wird somit einfach auf die oberste Leiterbahnebene LBO gebondet, was zum Prozesszustand gemäß Fig. 2b) führt. Der Kappenwafer 3' benötigt im Gegensatz zur ersten Ausführungsform eine größere Kaverne 3b' im Bereich der Inertialsensorvorrichtung und eine weitere Kaverne 3b" im Bereich der Drucksensorvorrichtung, um ein Aufliegen des Kappenwafer 3' auf der Drucksensorvorrichtung, insbesondere im Membranbereich M, und der
Inertialsensorvorrichtung IE zu vermeiden.
Die weitere Prozessierung nach dem Prozesszustand gemäß Fig. 2b) erfolgt in Analogie zu Fig. 1 h). Fig. 3a), b) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform ist im Gegensatz zur zweiten Ausführungsform der Kappenwafer mit Bezugszeichen 3" bezeichnet und weist eine Aussparung 3b'" für die Inertialsensorvorrichtung, eine Aussparung 3b"" für die Drucksensorvorrichtung und eine vorgefertigte Kaverne 3a" als Vorstufe für den Druckzugang auf.
Im Hinblick auf Fig. 3b) erfolgt das Bonden des Kappenwafer 3" auf die zuvor freigelegte oberste Leiterbahnebene LB0 mittels der Germanium-Bondschicht 18a, wonach die eutektische Bondverbindung 18' ausgebildet wird. Nach dem Bondvorgang wird der Kappenwafer 3" angeschliffen, um den Druckzugang 3a" freizulegen.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 4 erfolgt im Gegensatz zur dritten
Ausführungsform kein Aufschleifen des Kappenwafers 3", sondern ein Freilegen des Druckzugangs 3a" durch ein Ätzverfahren oder vertikales oder schräges Laserbohren, wobei der Durchgang 3c gebildet wird, der den Druckzugang 3a" nach außen hin freilegt.
Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Bei der fünften Ausführungsform weist der mit Bezugszeichen M' bezeichnete
Membranbereich einen gedünnten Bereich D der mikromechanischen Funktionsschicht 2 auf, welcher beispielsweise durch einen entsprechenden fotolithographischen Ätzprozess hergestellt werden kann.
Dies hat den Hintergrund, dass die Dicke der vom Wafer 2a rückgeschliffenen mikromechanischen Funktionsschicht 2 typischerweise 30 [im beträgt und durch den gedünnten Bereich D die Empfindlichkeit des Membranbereichs M' erhöht werden kann.
Ansonsten ist der Prozessbestand gemäß Fig. 5 entsprechend demjenigen gemäß Fig. 3b.
Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der sechsten Ausführungsform ist im Vergleich zur ersten Ausführungsform die Inertialsensorvorrichtung IE weggelassen und der Membranbereich M" mit der darunterliegenden Aussparung A1 " entsprechend in der mikromechanischen
Funktionsschicht 2" entsprechend größer gestaltet. Die Kontaktstöpsel sind hier mit Bezugszeichen P1 " und P2" bezeichnet und die zweite Druckdetektionselektrode mit 7". Ansonsten gleicht der Prozesszustand gemäß Fig. 6 dem Prozesszustand gemäß Fig.
1 h).
Bei dieser Ausführungsform ist der Membranbereich M" natürlich schlechter gegen Handlingeinflüsse geschützt, sodass beim Handling und Transport der Bauelemente besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen.
Fig. 7 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der siebten Ausführungsform ist im Vergleich zur sechsten Ausführungsform die Durchkontaktierung 15 weggelassen, und die Kontaktierung bzw. Montage erfolgt über die Vorderseite VS, dadurch, dass über der mikromechanischen Funktionsschicht 2" eine Isolationsschicht IV aufgebracht und strukturiert ist, worauf wiederum Leiterbahnen L1 " und L2" vorgesehen sind, auf denen Bondkugeln K1 " bzw. K2" zum Löten des
Bauelements auf ein geeignetes Substrat aufgebracht sind.
Die Bondkugeln K1 " und K2" sind über die Leiterbahnen L1 " bzw. L2" und über
Kontaktstöpsel P3" bzw. P4" mit der obersten Leiterbahnebene LBO verbunden, und zwar in Analogie zu den Kontaktstöpseln P1 " und P2".
Fig. 8 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der achten Ausführungsform sind im Vergleich zur siebten Ausführungsform die Bondkugeln K1 " bzw. K2" auf Leiterbahnabschnitten LDV1 , bzw. LDV2 vorgesehen, welche direkt auf der Isolationsschicht 6 aufgebracht sind und welche über Vias K' mit der obersten Leiterbahnebene LBO verbunden sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt. Obwohl in der obigen ersten bis fünften Ausführungsform eine Kombination einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung mit einer mikromechanischen
Inertialsensorvorrichtung in der mikromechanischen Funktionsschicht beschreiben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Vielmehr können in der mikromechanischen Funktionsschicht weitere Sensoren oder
Sensorvorrichtungen oder MEMS-Bauelemente, wie z. B. Magnetfeldsensorvorrichtungen (beispielsweise Lorenzkraft-basierte Magnetsensoren), Drehbeschleunigungssensoren, Oszillatoren, Radiofrequenz-MEMS usw. mit der mikromechanischen
Drucksensorvorrichtung kombiniert werden.

Claims

Ansprüche 1. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit: einem ASIC-Wafer (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); einer auf der Vorderseite (VS) gebildeten Umverdrahtungseinrichtung (1 a) mit einer Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LBO, LB1 , LB2) und dazwischenliegenden
Isolationsschichten (I); einer über einer obersten Leiterbahnebene (LBO) der Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LBO, LB1 , LB2) gebildeten strukturierten Isolationsschicht (6); einer auf der Isolationsschicht (6) gebildeten mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2"), welche einen mit Druck beaufschlagbaren Membranbereich (M; Μ'; M") über einer Aussparung (A1 ; A1 ") der Isolationsschicht (6) als eine erste Druckdetektionselektrode aufweist; einer in der obersten Leiterbahnebene (LBO) beanstandet vom Membranbereich (M; M'; M") in der Aussparung (A1 ; A1") gebildeten zweiten Druckdetektionselektrode (7; 7"), welche vom Membranbereich (M; Μ'; M") elektrisch isoliert ist; wobei der Membranbereich (M; Μ'; M") durch ein oder mehrere erste Kontaktstöpsel (P1 ,
P2; P1 ", P2") mit der obersten Leiterbahnebene (LBO) elektrisch verbunden ist, welche durch den Membranbereich (M; Μ'; M") und durch die Isolationsschicht (6) geführt sind.
2. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei ein erster Kontaktstöpsel (P1 , P2; P1 ", P2") vorgesehen ist, welcher als umlaufender Ring gebildet ist.
3. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf die mikromechanische Funktionsschicht (2) ein Kappenwafer (3) gebondet ist, welcher einen Druckzugang (3a) zum Membranbereich (M; Μ'; M") aufweist.
4. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf die oberste Leiterbahnebene (LBO) ein Kappenwafer (3'; 3") gebondet ist, welcher einen Druckzugang (3a'; 3a"; 3a", 3c) zum Membranbereich (M; M') aufweist.
5. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der Membranbereich (Μ') einen gedünnten Bereich (D) der
mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2") aufweist.
6. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei über der mikromechanischen Funktionsschicht (2") Bondkugeln (K1 ", K2") außerhalb des
Membranbereichs (M") gebildet sind, welche über ein oder mehrere zweite Kontaktstöpsel (P3", P4") mit der obersten Leiterbahnebene (LBO) elektrisch verbunden sind, welche durch die mikromechanische Funktionsschicht (2") und durch die Isolationsschicht (6") geführt sind.
7. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem Bereich, in dem die mikromechanische Funktionsschicht (2") entfernt ist, Bondkugeln (K1 ", K2") über der Isolationsschicht (6) gebildet sind, welche über Vias (Κ') mit der obersten Leiterbahnebene (LBO) elektrisch verbunden sind.
8. Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit den Schritten:
Bereitstellen eines ASIC-Wafers (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS);
Bilden einer Umverdrahtungseinrichtung (1 a) mit einer Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LBO, LB1 , LB2) und dazwischenliegenden Isolationsschichten (I) auf der Vorderseite
(VS); Bilden einer strukturierten Isolationsschicht (6) über einer obersten Leiterbahnebene
(LBO) der Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LBO, LB1 , LB2), welche eine Aussparung (A1 ; A1 ") aufweist;
Bonden eines Wafers (2a) auf die strukturierte Isolationsschicht (6); Dünnen des gebondeten Wafers (2a) zum Bilden einer mikromechanischen
Funktionsschicht (2; 2");
Strukturieren eines mit Druck beaufschlagbaren Membranbereichs (M; Μ'; M") in der mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2") über der Aussparung (A1 ; A1") der
Isolationsschicht (6) als eine erste Druckdetektionselektrode;
Bilden einer zweiten Druckdetektionselektrode (7; 7") in der obersten Leiterbahnebene (LBO) beanstandet vom Membranbereich (M; Μ'; M") in der Aussparung (A1 ; A1"), welche vom Membranbereich (M; Μ'; M") elektrisch isoliert ist; und
Bilden eines oder mehrerer erster Kontaktstöpsel (P1 , P2; P1 ", P2"), welche durch den Membranbereich (M; Μ'; M") und durch die Isolationsschicht (6) geführt sind, wodurch der Membranbereich (M; Μ'; M") mit der obersten Leiterbahnebene (LBO) elektrisch verbunden ist.
9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei die Isolationsschicht (6) mindestens eine Oxidschicht und/oder mindestens eine Nitridschicht umfasst und das Bonden bei einer Temperatur von unterhalb 400 °C vorzugsweise durch ein plasmaaktiviertes Direktbondverfahren erfolgt.
10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein erster Kontaktstöpsel (P1 , P2; P1 ", P2") vorgesehen wird, welcher als umlaufender Ring gebildet wird.
1 1. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei auf die mikromechanische
Funktionsschicht (2) ein Kappenwafer (3) gebondet wird, welcher einen Druckzugang (3a) zum Membranbereich (M; Μ'; M") aufweist.
12. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , wobei die
mikromechanische Funktionsschicht (2) und die Isolationsschicht (6) bereichsweise von der obersten Leiterbahnebene (LBO) entfernt werden und anschließend auf die oberste Leiterbahnebene (LBO) ein Kappenwafer (3'; 3") gebondet wird, welcher einen
Druckzugang (3a'; 3a"; 3a", 3c) zum Membranbereich (M; M') aufweist.
13. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die
mikromechanischen Funktionsschicht (2; 2") im Membranbereich (Μ') gedünnt wird.
14. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei über der mikromechanischen Funktionsschicht (2") Bondkugeln (K1 ", K2") außerhalb des Membranbereichs (M") gebildet werden, welche über ein oder mehrere zweite
Kontaktstöpsel (P3", P4") mit der obersten Leiterbahnebene (LBO) elektrisch verbunden werden, welche durch die mikromechanische Funktionsschicht (2") und durch die Isolationsschicht (6") geführt werden.
15. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die
mikromechanische Funktionsschicht (2") in einem Bereich entfernt wird und in dem Bereich Bondkugeln (K1 ", K2") über der Isolationsschicht (6) gebildet werden, welche über Vias (Κ') mit der obersten Leiterbahnebene (LBO) elektrisch verbunden werden.
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