WO2015106855A1 - Mikromechanische drucksensorvorrichtung und entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanische drucksensorvorrichtung und entsprechendes herstellungsverfahren Download PDF

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WO2015106855A1
WO2015106855A1 PCT/EP2014/074752 EP2014074752W WO2015106855A1 WO 2015106855 A1 WO2015106855 A1 WO 2015106855A1 EP 2014074752 W EP2014074752 W EP 2014074752W WO 2015106855 A1 WO2015106855 A1 WO 2015106855A1
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micromechanical functional
region
sensor device
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PCT/EP2014/074752
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Johannes Classen
Jochen Reinmuth
Arnd Kaelberer
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81B2207/012—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS the micromechanical device and the control or processing electronics being separate parts in the same package

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 integration of a 3-axis magnetic sensor 10d modules could be used, for example, 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 production method according to claim 14.
  • the idea underlying the present invention is to provide a MEMS device having a micromechanical pressure sensor device with two pressure detection electrodes integrated therein, which is capped by an ASIC device.
  • the structure according to the invention provides a significantly improved stress decoupling over known solutions.
  • the coupled into the ASIC assembly Montagestress can only be coupled via the bond into the MEMS arrangement. Since the
  • the membrane area in the first micromechanical functional layer and the fixed second one is the membrane area in the first micromechanical functional layer and the fixed second one
  • Pressure detection electrode formed in the second micromechanical functional layer Such an arrangement can be realized easily and inexpensively.
  • Pressure detection electrode on an anchoring region which is anchored on the one hand on the first micromechanical functional layer and on the other hand has an electrical connection to a top conductor track plane over a region of the bonding connection.
  • Pressure detection electrode at least one anchoring region, which is anchored on the first micromechanical functional layer, wherein the second micromechanical
  • Functional layer has a contact area, on the one hand on the first
  • Micro-mechanical functional layer is anchored and on the other hand over an area of the bonding connection has an electrical connection to a top conductor track level and wherein the anchoring area and the contact area via the first micromechanical functional layer are electrically connected.
  • Such an arrangement provides a further reduction in stress coupling, as the anchoring area is not connected to the redistribution device of the ASIC arrangement.
  • a spring element is provided between the at least one anchoring area and the remaining part of the stationary second pressure-detecting electrode. This also improves stress decoupling.
  • Anchored area provided. This type of anchorage is particularly robust.
  • the membrane region is in the second micromechanical functional layer and the stationary second
  • Pressure detection electrode formed perforated in the first micromechanical functional layer, wherein the membrane region is anchored annularly closed on the first micromechanical functional layer.
  • a fixed third pressure detection electrode is formed at a distance from the diaphragm region in the uppermost conductor track plane. This allows the pressure signal to be differentially evaluated.
  • the second micromechanical functional layer has a contact region, which on the one hand on the first
  • a reference diaphragm region in the first micromechanical functional layer and a fixed reference electrode are spaced apart from one another the reference diaphragm region in the second
  • a further membrane region in the first micromechanical functional layer and a fixed reference electrode are spaced apart from one another in the other membrane region in the second
  • micromechanical functional layer wherein the further membrane region is formed as a deflectable moisture detection electrode, which is covered with a moisture-sensitive layer, which is acted upon by a further passage opening in the MEMS wafer with moisture.
  • a further sensor device is formed in the second micromechanical functional layer and the bond connection has a region which is connected to the rewiring device such that the further sensor device is enclosed in a further cavern which is hermetically separated from the cavern.
  • the membrane region is entrained via a further passage opening in the MEMS wafer, which leads into the cavern
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a first embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a second embodiment of the present invention a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a third embodiment of the present invention; a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a fourth embodiment of the present invention; a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a fifth embodiment of the present invention; a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a sixth embodiment of the present invention; a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing method according to a seventh embodiment of the present invention; 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; a schematic cross-sectional view for explaining a micromechanical pressure sensor device and a corresponding manufacturing
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • reference numeral 1 a denotes an ASIC 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 ASIC wafer 1a has a front side VSa and a back side RSa.
  • a rewiring device 25a is formed which has a plurality of interconnect layers LBO, LB1 and insulating layers I lying therebetween.
  • Insulation layers I in which the interconnect levels LBO, LB1 are embedded, not shown separately.
  • the conductor track sections of the conductor track planes LBO, LB1 are electrically connected to one another via electrically conductive vias K.
  • reference numeral 1 denotes a MEMS wafer having a front side VS and a back side RS.
  • On the front side VS is a first insulation layer 4a,
  • a first micromechanical functional layer 3 for example made of polysilicon, which has a membrane region 16 which serves as a deflectable first
  • Pressure detection electrode is formed, which is acted upon via a passage opening 12, which is a trench grid in this embodiment, in the MEMS wafer 1 with pressure.
  • the membrane region 16 is thus anchored to the first insulating layer 4a.
  • Such a trench grid as a through-hole typically has a honeycomb structure with ridges that extend in both normal directions normal to the wafer.
  • the oxide etching process for etching the first insulation layer 4a over a large area can be attacked by the open regions of the trench grid structure, and at the same time the open regions of the trench grid structure later represent the media access for the pressure sensor device.
  • the trench grid serves to protect the trench grid
  • Preferred geometries for the trench lattice structure are ridge widths of 5 to 50 ⁇ m and hole sizes of 5 to 50 ⁇ m, wherein the ridge widths and the hole sizes do not necessarily have to match.
  • a second insulating layer 4b is provided, for example also one
  • Oxide layer which is structured as the first insulating layer 4a according to the functionality to be achieved.
  • Functional layer 5 for example, also polysilicon.
  • Functional layer 5 for example, also polysilicon.
  • micromechanical functional layer 5 is a fixed second
  • Pressure detection electrode 1 1 'spaced opposite the membrane portion 16 is formed.
  • the fixed second pressure detection electrode 11 'in the second micromechanical functional layer 5 has perforations P since it is to be exposed by a sacrificial layer etching process in which the second insulation layer 4b is partially removed.
  • the fixed second pressure detection electrode 1 1 ' has a
  • Functional layer 3, 5 is connected via a bond connection 7 with the ASIC arrangement with the ASIC wafer 1a and the rewiring device 25a such that the bonding connection 7 connects a part of the second micromechanical functional layer 5 with the rewiring device 25a.
  • a region 7a of the bonding connection 7 serves here to, via the vias K, an electrical connection between the fixed second pressure detection electrode 1 1 'and the top conductor track level LBO
  • the bonding compound 7 is preferably realized by a metallic bonding method, for example a eutectic bonding of aluminum and germanium, copper and tin or metallic thermocompression bonding (Au-Au, Cu-Cu,).
  • Bond connection 7 further electrical contacts can be provided, as indicated for example in the right edge region of Fig. 1.
  • both the diaphragm region 16 and the deflectable first pressure-detecting electrode are the fixed second
  • the ASIC arrangement also fulfills the function of a capping for
  • Carrier substrate 30 takes place, for example, via electrical plated-through holes 26, which run through the ASIC wafer 1 a and of which, for reasons of simplicity of illustration, only a single one is shown in FIG. 1.
  • a third insulation layer 27 for example an oxide layer
  • a nitride layer or polyimide layer which has embedded conductor track portions 28a, 28b, of which the track portion 28b is electrically connected to the via 26.
  • bonding balls 29a and 29b are provided, for example, solder balls, by means of which an electrical connection to
  • Track sections 30a, 30b is made in or on the carrier substrate 30.
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the fixed second pressure detection electrode 1 1 "has a
  • Anchoring area 5a ' the only on the first micromechanical
  • Functional layer 3 is anchored.
  • the second micromechanical functional layer 5 has a contact region 5b ', which is anchored on the one hand to the first micromechanical functional layer 3 and, on the other hand, has an electrical connection to the uppermost interconnect plane LBO of the rewiring device 25a via the region 7a of the bonding connection 7.
  • the anchoring area 5a 'and the contact area 5b' are above the first one
  • micromechanical functional layer 3 electrically connected to each other.
  • the stress transmitted via the region 7a from the ASIC arrangement into the MEMS arrangement therefore leads to an even more reduced compared to the first embodiment
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a second bending pressure detection electrode 1 1 "
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • Pressure detection electrode 11 '' is connected to the first micromechanical functional layer 3 at a plurality of anchoring regions 5a ', 5a' '. Such an arrangement further reduces possible bending of the fixed pressure detection electrode 11' '' and improves mechanical robustness under high mechanical overload.
  • anchoring areas 5a ", 5a '" may be provided, for example also an annular circumferential anchoring area.
  • Fig. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • Embodiment spring elements 5c ", 5c '" are provided, which connect the anchoring areas 5a “and 5a'” with the remaining part of the fixed second pressure detection electrode 1 1 "".
  • Fig. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • micromechanical functional layer 5 structured and the fixed second
  • the fixed second pressure-detecting electrode 1 1a has perforations P 'to allow pressure access from the through-hole 12 in the MEMS wafer 1 to
  • This oxide etching process takes place from the rear side RS of the MEMS wafer 1, preferably with gaseous HF.
  • the anchoring 500, 500 a of the membrane portion 16 a is made annular to the
  • the anchoring 500, 500 a has at least one insulating anchoring region 500 a, which is advantageously formed by an oxide, in order to conduct the electrical supply inwards to the fixed pressure detection electrode 11 a via the interconnect region 3 a of the first micromechanical functional layer 3.
  • this electrically insulating anchoring region 500a must also be hermetically sealed.
  • Fig. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • Rewiring device 25a additionally provided in comparison to the fifth embodiment.
  • This is particularly advantageous for the evaluation circuit, because in capacitive evaluation circuits with high signal-to-noise requirements, differential amplifiers are preferably used in the input stage.
  • the evaluation signal is about twice as high as in a single-sided electrode arrangement, which in any case leads to an improved signal-to-noise ratio.
  • this arrangement can also be favorable with regard to stress influences.
  • Fig. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • reference numeral 16 designates the diaphragm region as a deflectable first pressure detection electrode, which can be pressurized via the passage opening 12' in the MEMS wafer 1.
  • Pressure detection electrode 11 1 is anchored on the anchoring region 5 a 'on the first micromechanical functional layer 3.
  • a reference diaphragm region 16 " is formed in the first micromechanical functional layer 3, wherein a fixed reference electrode 11 1 'spaced
  • the reference diaphragm region 16 can not be subjected to pressure, but is used to compensate for drift effects of the micromechanical pressure sensor device
  • Membrane regions 16 ', 16 are similar and are arranged symmetrically with respect to the main axes of the MEMS wafer 1.
  • a corresponding access opening 12 also shown here as a trench grille, must be provided in the MEMS wafer 1.
  • This access opening 12 " is closed again after the reference membrane region 16" has been cut off, for example by means of an oxide filling 18 and an optionally additionally deposited metal layer 19 on the back side RS.
  • the oxide closure In order for the oxide closure to function even more reliably with the oxide layer 18, the trench will pass through This makes it possible to apply relatively wide trench trenches and still hermetically seal the trench trenches by depositing a thin oxide layer 18 and the topography on the backside RS of the MEMS -Wafers 1 to minimize.
  • Drift effects such as packaging stress, should act on both membrane regions 16 ', 16 "in a similar manner and provide a rectified signal, whereas pressure changes only cause warpage in the pressurizable membrane region 16' Membrane regions 16 ', 16 "can eliminate the rectified signals caused by packaging stress, and only the desired pressure sensor signal remains as a measured variable.
  • Acceleration is greater and the other becomes smaller.
  • existing or only slightly modified acceleration sensor front ends should also be used in a favorable manner for the evaluation of pressure sensor signals, thereby reducing the development effort.
  • Fig. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the micromechanical pressure sensor device is combined with a micromechanical humidity sensor device.
  • the already described membrane region 16 'and another membrane region 16 "' are formed in the first micromechanical functional layer 3.
  • the pressure access opening 12a 'in this embodiment is not a trench mesh, but a single opening for releasing the further membrane region 16 "', which the fixed reference electrode 1 1 1' spaced in the second micromechanical functional layer 5 is opposite.
  • a moisture-sensitive layer 17 is deposited in the through-opening 12a" and etched back, covering the interior of the through-opening 12a "and the further membrane region 16" '.
  • the moisture-sensitive layer 17 takes additional
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • Pressure sensor device combined with a rotation rate sensor device SD, which is formed in the second micromechanical functional layer 5 and a
  • Anchoring region 5b ' is anchored in the first micromechanical functional layer 3.
  • Such a rotation rate sensor device SD may require a different ambient pressure than the pressure sensor device during operation.
  • the bond connection 7 has a region 7b, which the
  • micromechanical functional layer 5 connects such that the
  • Yaw rate sensor device SD is enclosed in a separate further cavern 9b, which is hermetically separated from the cavern 9a, which includes the second stationary pressure detection electrode 11.
  • Waferbonden to create the bond 7 between MEMS arrangement and ASIC arrangement an access opening 15a through the MEMS wafer 1 and a channel 15b through the first insulating layer 4a and the first micromechanical
  • Functional layer 3 are applied by a corresponding etching process to pump out the cavern 9b via the access opening 15a and the channel 15b and then again in analogy to the embodiment described above by an oxide layer 18 optionally in combination with a metal layer 19 to close.
  • an increased internal pressure by means of suitable process control when closing the access opening 15a in order, for example, to operate an acceleration sensor instead of the rotation rate sensor in the cavern 9b.
  • the increased internal pressure serves to damp the acceleration sensor and prevents unwanted movements of the sensor structure due to
  • Rotation rate sensor in a common cavern with low internal pressure and the acceleration sensor, separated by a separation region 50, are arranged in a cavern with high internal pressure. On a separate presentation of this arrangement is omitted here.
  • Fig. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining a
  • micromechanical pressure sensor device and a corresponding
  • the MEMS wafer 1 has a further unclosed through-opening 15a, which leads into the cavern 9. Through this further passage opening 15 a, a back pressure p 2 can be applied which is opposite to the pressure p 1 acting through the passage opening 12 '.
  • the membrane area 16 ' will therefore buckle in accordance with the differential pressure p2-p1.
  • the backpressure p2 can be applied, for example, via an external feed 52 with a corresponding seal 51 on the rear side RS of the MEMS wafer 1.
  • Functional layer 5 can in this example have the function of an acceleration sensor whose behavior is only slightly influenced by small pressure changes of p2.

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Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Drucksensorvorrichtung umfasst einen ASIC-Wafer (1 a) mit einer Vorderseite (VSa) und einer Rückseite (RSa) und eine auf der Vorderseite (VSa) des ASIC-Wafers (1 a) gebildeten Umverdrahtungseinnchtung (25a) mit einer Mehrzahl von gestapelten Leiterbahnebenen (LB0, LB1) und Isolationsschichten (I). Weiterhin umfasst sie einen MEMS-Wafer (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS), eine über der Vorderseite (VS) des MEMS-Wafers (1) gebildeten ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) und eine über der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) gebildeten zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5). In einer der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (3; 5) ist ein Membranbereich (16; 16a; 16') als eine auslenkbare erste Druckdetektionselektrode ausgebildet, welcher über eine Durchgangsöffnung (12; 12'; 12a') im MEMS-Wafer (1) mit Druck beaufschlagbar ist. In der anderen der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (3; 5) ist eine feststehende zweite Druckdetektionselektrode (11'; 11"; 11"'; 11""; 11a; 111) beabstandet gegenüberliegend dem Membranbereich (16; 16a; 16') ausgebildet. Die zweite mikromechanische Funktionsschicht (5) ist über eine Bondverbindung (7; 7, 7a; 7, 7b) mit der Umverdrahtungseinrichtung (25a) derart verbunden ist, dass die feststehende zweite Druckdetektionselektrode (11 '; 11"; 11"'; 11""; 11a; 111) in einer Kaverne (9; 9a) eingeschlossen ist.

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-achsige
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 14.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, eine MEMS- Anordnung mit einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung mit zwei darin integrierten Druckdetektionselektroden zu schaffen, welche durch eine ASIC-Anordnung verkappt ist.
Da beide Druckdetektionselektroden in der MEMS-Anordnung gebildet sind, liefert der erfindungsgemäße Aufbau eine deutlich verbesserte Stressentkopplung gegenüber bekannten Lösungen. Der in die ASIC-Anordnung eingekoppelte Montagestress kann nur über die Bondverbindung in die MEMS-Anordnung eingekoppelt werden. Da sich die
Bondverbindung und die elektrischen Kontakte gut vom Membranbereich trennen lassen, sind etwaige Verbiegungseffekte stark reduziert. Dies führt zu einer verbesserten
Performance hinsichtlich wichtiger Basisparameter, wie z.B. Empfindlichkeit und Offset der Drucksensorvorrichtung. Lötstress und Temperatureffekte sind deutlich reduziert, und die Lebensdauerstabilität verbessert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind der Membranbereich in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht und die feststehende zweite
Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet. Eine derartige Anordnung lässt sich einfach und kostengünstig realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die feststehende zweite
Druckdetektionselektrode einen Verankerungsbereich auf, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist und andererseits über einen Bereich der Bondverbindung eine elektrische Verbindung zu einer obersten Leiterbahnebene aufweist. So lässt sich eine Doppelfunktion des Verankerungsbereiches erzielen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die feststehende zweite
Druckdetektionselektrode mindestens einen Verankerungsbereich auf, der auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist, wobei die zweite mikromechanische
Funktionsschicht einen Kontaktbereich aufweist, der einerseits auf der ersten
mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist und andererseits über einen Bereich der Bondverbindung eine elektrische Verbindung zu einer obersten Leiterbahnebene aufweist und wobei der Verankerungsbereich und der Kontaktbereich über die erste mikromechanische Funktionsschicht elektrisch verbunden sind. Eine derartige Anordnung schafft eine weitere Reduzierung der Stresseinkopplung, da der Verankerungsbereich nicht mit der Umverdrahtungseinrichtung der ASIC-Anordnung verbunden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Federelement zwischen dem mindestens einen Verankerungsbereich und dem übrigen Teil der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode vorgesehen. Auch dies verbessert die Stressentkopplung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein ringförmiger
Verankerungsbereich vorgesehen. Diese Art der Verankerung ist besonders robust.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Membranbereich in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht und die feststehende zweite
Druckdetektionselektrode in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht perforiert ausgebildet, wobei der Membranbereich ringförmig geschlossen auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist. So lässt sich ein dicker stabiler Membranbereich realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist in der obersten Leiterbahnebene eine feststehende dritte Druckdetektionselektrode beabstandet gegenüberliegend dem Membranbereich ausgebildet. So lässt sich das Drucksignal differenziell auswerten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite mikromechanische Funktionsschicht einen Kontaktbereich auf, der einerseits auf der ersten
mikromechanischen Funktionsschicht verankert ist und andererseits über einen Bereich der Bondverbindung eine elektrische Verbindung zu einer obersten Leiterbahnebene aufweist und wobei die feststehende zweite Druckdetektionselektrode und der
Kontaktbereich über die erste mikromechanische Funktionsschicht elektrisch verbunden sind. Dies verbessert die Stressentkopplung. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Referenzmembranbereich in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht und eine feststehende Referenzelektrode beabstandet gegenüberliegend dem Referenzmembranbereich in der zweiten
mikromechanischen Funktionsschicht gebildet, wobei der Referenzmembranbereich nicht mit dem Druck beaufschlagbar ist. So lassen sich Drifteffekte durch Stresseinkopplung differenziell reduzieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein weiterer Membranbereich in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht und eine feststehende Referenzelektrode beabstandet gegenüberliegend dem weiteren Membranbereich in der zweiten
mikromechanischen Funktionsschicht gebildet, wobei der weitere Membranbereich als eine auslenkbare Feuchtedetektionselektrode ausgebildet ist, welche mit einer feuchteempfindlichen Schicht bedeckt ist, die über eine weitere Durchgangsöffnung im MEMS-Wafer mit Feuchte beaufschlagbar ist. So lässt sich eine Kombination von Drucksensor und Feuchtesensor in Membrantechnologie realisieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine weitere Sensoreinrichtung in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht gebildet und die Bondverbindung einen Bereich aufweist, der mit der Umverdrahtungseinrichtung derart verbunden, dass die weitere Sensoreinrichtung in einer weiteren Kaverne eingeschlossen ist, welche von der Kaverne hermetisch getrennt ist. So lässt sich der Umstand berücksichtigen, dass unterschiedliche Sensortypen unterschiedliche Arbeitsatmosphären benötigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Membranbereich über eine weitere Durchgangsöffnung im MEMS-Wafer, welche in die Kaverne führt, mit
Gegendruck beaufschlagbar. So lässt sich ein Differenzdrucksensor 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. 1 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Querschnittsansicht 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; eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 10 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche
Elemente.
Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 a einen ASIC-Wafer mit einer Mehrzahl von CMOS- Schaltungen 100, welche beispielsweise eine Auswerteschaltung für die zu bildende mikromechanische Drucksensorvorrichtung umfassen.
Der ASIC-Wafer 1a weist eine Vorderseite VSa und eine Rückseite RSa auf. Auf der Vorderseite VSa des ASIC-Wafers 1 ist eine Umverdrahtungseinrichtung 25a gebildet, welche eine Mehrzahl von Leiterbahnebenen LBO, LB1 und dazwischen liegenden Isolationsschichten I aufweist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die
Isolationsschichten I, in die die Leiterbahnebenen LBO, LB1 eingebettet sind, nicht separat dargestellt. Die Leiterbahnabschnitte der Leiterbahnebenen LBO, LB1 sind über elektrisch leitfähige Vias K miteinander elektrisch verbunden.
Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen 1 einen MEMS-Wafer mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS. Auf der Vorderseite VS ist eine erste Isolationsschicht 4a,
beispielsweise eine Oxidschicht aufgebracht. Auf der ersten Isolationsschicht 4a ist eine erste mikromechanische Funktionsschicht 3, beispielsweise aus Polysilizium, vorgesehen, welche einen Membranbereich 16 aufweist, der als eine auslenkbare erste
Druckdetektionselektrode ausgebildet ist, welche über eine Durchgangsöffnung 12, welche bei dieser Ausführungsform ein Trenchgitter ist, im MEMS-Wafer 1 mit Druck beaufschlagbar ist. Der Membranbereich 16 ist somit auf der ersten Isolationsschicht 4a verankert. Ein derartiges Trenchgitter als Durchgangsöffnung hat typischerweise eine Wabenstruktur mit Stegen, die in beide senkrecht zur Wafer normalen liegenden Richtungen verlaufen. Durch die offenen Bereiche der Trenchgitterstruktur kann zum einen der Oxidätzprozess zum Ätzen der ersten Isolationsschicht 4a auf einer großen Fläche angreifen, und zugleich stellen die offenen Bereiche der Trenchgitterstruktur später den Medienzugang für die Drucksensorvorrichtung dar. Das Trenchgitter dient zum Schutz des
Membranbereichs 16 gegen beispielsweise größere Partikel, die z.B. beim Sägeprozess zur Vereinzelung der Bauelemente entstehen können und die durch die kleinen offenen Bereiche nicht hindurchpassen. Bevorzugte Geometrien für die Trenchgitterstruktur sind Stegbreiten von 5 bis 50 μηι und Lochgrößen von 5 bis 50 μηι, wobei die Stegbreiten und die Lochgrößen nicht unbedingt übereinstimmen müssen.
Auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 außerhalb des Membranbereichs 16 ist eine zweite Isolationsschicht 4b vorgesehen, beispielsweise ebenfalls eine
Oxidschicht, welche wie die erste Isolationsschicht 4a entsprechend der zur erzielenden Funktionalität strukturiert ist.
Auf der zweiten Isolationsschicht 4b befindet sich eine zweite mikromechanische
Funktionsschicht 5, beispielsweise ebenfalls Polysilizium. In der zweiten
mikromechanischen Funktionsschicht 5 ist eine feststehende zweite
Druckdetektionselektrode 1 1 ' beabstandet gegenüberliegend dem Membranbereich 16 ausgebildet. Die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 1 1 ' in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 weist Perforationen P auf, da sie durch einen Opferschichtätzprozess, bei dem die zweite Isolationsschicht 4b teilweise entfernt wird, freizustellen ist.
Weiterhin weist die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 1 1 ' einen
Verankerungsbereich 5a in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 auf, über den sie auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist.
Die derart ausgebildete MEMS-Anordnung mit dem MEMS-Wafer 1 , den
Isolationsschichten 4a, 4b, sowie der ersten und zweiten mikromechanischen
Funktionsschicht 3, 5 ist über eine Bondverbindung 7 mit der ASIC-Anordnung mit dem ASIC-Wafer 1 a und der Umverdrahtungseinrichtung 25a derart verbunden, dass die Bondverbindung 7 einen Teil der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 mit der Umverdrahtungseinrichtung 25a verbindet. Ein Bereich 7a der Bondverbindung 7 dient hier dazu, über die Vias K eine elektrische Verbindung zwischen der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 1 1 ' und der obersten Leiterbahnebene LBO der
Umverdrahtungseinrichtung 25a zu schaffen. Die Bondverbindung 7 ist vorzugsweise durch ein metallisches Bondverfahren realisiert, beispielsweise ein eutektisches Bonden von Aluminium und Germanium, Kupfer und Zinn oder metallisches Thermokompressionsbonden (Au-Au, Cu-Cu, ...). Über die
Bondverbindung 7 können weitere elektrische Kontakte vorgesehen werden, wie beispielsweise im rechten Randbereich von Fig. 1 angedeutet.
Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind sowohl der Membranbereich 16 als auslenkbare erste Druckdetektionselektrode als auch die feststehende zweite
Druckdetektionselektrode 1 1 ' in der MEMS-Anordnung vorsehen und daher relativ gut entkoppelt von möglichen mechanischen Verbiegungen der ASIC-Anordnung.
Weiterhin erfüllt die ASIC-Anordnung neben der elektrischen Anbindungsfunktion, beispielsweise einer Auswertefunktion, auch die Funktion einer Verkappung zum
Verschließen der Kaverne 9. Die elektrische Anbindung der derart aufgebauten Drucksensorvorrichtung an ein
Trägersubstrat 30 erfolgt beispielsweise über elektrische Durchkontaktierungen 26, die durch den ASIC-Wafer 1 a verlaufen und von denen aus Gründen der Einfachheit der Darstellung nur eine einzige in Fig. 1 gezeigt ist. Auf der Rückseite RSa des ASIC-Wafer 1 a befindet sich eine dritte Isolationsschicht 27, beispielsweise eine Oxidschicht,
Nitridschicht oder Polyimidschicht, welche Leiterbahnabschnitte 28a, 28b eingebettet bzw. aufgebracht hat, von denen der Leiterbahnabschnitt 28b mit der Durchkontaktierung 26 elektrisch verbunden ist.
Auf den Leiterbahnabschnitten 28a, 28b sind Bondkugeln 29a bzw. 29b vorgesehen, beispielsweise Lotkügelchen, mittels derer eine elektrische Verbindung zu
Leiterbahnabschnitten 30a, 30b im bzw. auf dem Trägersubstrat 30 hergestellt ist.
Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Verankerung und die elektrische Kontaktierung der dort mit Bezugszeichen 11 " bezeichneten zweiten
Druckdetektionselektrode in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 getrennt. Hierzu weist die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 1 1 " einen
Verankerungsbereich 5a' auf, der lediglich auf der ersten mikromechanischen
Funktionsschicht 3 verankert ist.
Weiterhin weist die zweite mikromechanische Funktionsschicht 5 einen Kontaktbereich 5b' auf, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist und andererseits über den Bereich 7a der Bondverbindung 7 eine elektrische Verbindung zu der obersten Leiterbahnebene LBO der Umverdrahtungseinrichtung 25a aufweist.
Der Verankerungsbereich 5a' und der Kontaktbereich 5b' sind über die erste
mikromechanische Funktionsschicht 3 elektrisch miteinander verbunden. Der über den Bereich 7a von der ASIC-Anordnung in die MEMS-Anordnung übertragene Stress führt daher zu einer im Vergleich zur ersten Ausführungsform noch stärker reduzierten
Verbiegung der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 1 1 ". Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist die feststehende zweite
Druckdetektionselektrode mit Bezugszeichen 1 1 "' bezeichnet. Die feststehende
Druckdetektionselektrode 11 "' ist an mehreren Verankerungsbereichen 5a", 5a'" mit der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verbunden. Eine derartige Anordnung reduziert mögliche Verbiegungen der feststehenden Druckdetektionselektrode 1 1 "' noch weiter und verbessert die mechanische Robustheit bei hoher mechanischer Überlast. Natürlich kann eine beliebige Anzahl von Verankerungsbereichen 5a", 5a'" vorgesehen werden, beispielsweise auch ein ringförmig umlaufender Verankerungsbereich.
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 sind im Unterschied zur dritten
Ausführungsform Federelemente 5c", 5c'" vorgesehen, welche die Verankerungsbereiche 5a" bzw. 5a'" mit den übrigen Teil der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode 1 1 "" verbinden.
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 gemäß Fig. 5 ist der mit Druck beaufschlagbare
Membranbereich 16a als erste Druckdetektionselektrode in der zweiten
mikromechanischen Funktionsschicht 5 strukturiert und die feststehende zweite
Druckdetektionselektrode 11 a in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 strukturiert.
Die feststehende zweite Druckdetektionselektrode 1 1a weist Perforationen P' auf, um einen Druckzugang von der Durchgangsöffnung 12 im MEMS-Wafer 1 zum
Membranbereich 16a zu ermöglichen. Des Weiteren sind die Perforationen P' notwendig, um die beiden Isolationsschichten 4a, 4b zwischen dem Membranbereich 16a und der feststehenden Druckdetektionselektrode 1 1a zu entfernen und damit eine
Funktionstüchtigkeit herzustellen. Dieser Oxidätzprozess erfolgt von der Rückseite RS des MEMS-Wafers 1 her, und zwar bevorzugt mit gasförmigen HF. Die Verankerung 500, 500a des Membranbereichs 16a ist ringförmig ausgeführt, um die
Hermetizität gegenüber der Durchgangsöffnung 12 sicher zu stellen. Die Verankerung 500, 500a weist mindestens einen isolierenden Verankerungsbereich 500a auf, der vorteilhafterweise durch ein Oxid gebildet ist, um die elektrische Zuführung nach innen zu zur feststehenden Druckdetektionselektrode 11 a über den Leiterbahnbereich 3a der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 zu leiten. Auch dieser elektrisch isolierende Verankerungsbereich 500a muss natürlich hermetisch dicht abschließen.
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 gemäß Fig. 6 ist eine feststehende dritte
Druckdetektionselektrode 11 b in der obersten Leiterbahnebene LBO der
Umverdrahtungseinrichtung 25a zusätzlich im Vergleich zur fünften Ausführungsform vorgesehen.
Hierbei handelt es sich also um eine volldifferenzielle Elektrodenanordnung, bei der direkt ein Differenzsignal zwischen den beiden feststehenden Druckdetektionselektroden 1 1a, 1 1 b ausgelesen werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft für die Auswerteschaltung, denn bei kapazitiven Auswerteschaltungen mit hohen Signal-Rausch-Anforderungen werden bevorzugt Differenzverstärker in der Eingangsstufe eingesetzt. Zudem ist das Auswertesignal etwa doppelt so hoch wie bei einer einseitigen Elektrodenanordnung, was ohnehin zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis führt. Je nach eingekoppelter Verbiegung kann diese Anordnung auch im Hinblick auf Stresseinflüsse günstig sein.
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 bezeichnet Bezugszeichen 16' den Membranbereich als auslenkbare erste Druckdetektionselektrode, welche über die Durchgangsöffnung 12' im MEMS-Wafer 1 mit Druck beaufschlagbar ist. Die feststehende zweite
Druckdetektionselektrode 11 1 ist über den Verankerungsbereich 5a' auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert.
Ein Referenzmembranbereich 16" ist in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 gebildet, wobei eine feststehende Referenzelektrode 11 1' beabstandet
gegenüberliegend dem Referenzmembranbereich 16" in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gebildet und über den Verankerungsbereich 5a"" in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist.
Der Referenzmembranbereich 16" ist nicht mit Druck beaufschlagbar, sondern dient zur Kompensation von Drifteffekten der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung. Diese Funktion lässt sich insbesondere dann zuverlässig realisieren, wenn die Membranbereiche 16', 16" gleichartig sind und bezüglich der Hauptachsen des MEMS- Wafers 1 symmetrisch angeordnet sind.
Bei der Herstellung muss zur Freistellung des Referenzmembranbereichs 16" zunächst eine entsprechende Zugangsöffnung 12", hier ebenfalls als Trenchgitter dargestellt, im MEMS-Wafer 1 bereitgestellt werden. Diese Zugangsöffnung 12" wird nach Freistellen des Referenzmembranbereichs 16" wieder verschlossen, und zwar beispielsweise mittels einer Oxidfüllung 18 und einer darüber auf der Rückseite RS optional zusätzlich abgeschiedenen Metallschicht 19. Damit der Oxidverschluss mit der Oxidschicht 18 noch zuverlässiger funktioniert, erfolgt der Trench durch den MEMS-Wafer 1 zumindest im Bereich der zu verschließenden Zugangsöffnung 12" durch eine Oxidgitterstruktur erfolgen. Damit ist es möglich, relativ breite Trenchgräben anzulegen und dennoch durch Abscheidung einer dünnen Oxidschicht 18 die Trenchgräben anschließend hermetisch zu verschließen und die Topographie auf der Rückseite RS des MEMS-Wafers 1 zu minimieren.
Drifteffekte, wie zum Beispiel Packaging-Stress, sollten auf beide Membranbereiche 16', 16" in ähnlicher Weise wirken und ein gleichgerichtetes Signal liefern. Druckänderungen führen dagegen nur bei dem mit Druck beaufschlagbaren Membranbereich 16' zu einer Verwölbung. Durch Auswerten des Differenzsignals der beiden Membranbereiche 16', 16" lassen sich die gleichgerichteten, durch Packaging-Stress verursachten Signale eliminieren, und als Messgröße bleibt nur noch das gewünschte Drucksensorsignal übrig.
Eine solche Differenzauswertung von Kapazitätssignalen ist günstig, da die meisten Frontend-Auswerteschaltungen für Beschleunigungssensoren ebenfalls eine
Differenzauswertung von zwei Kapazitäten vornehmen, von denen die eine bei
Beschleunigung größer und die andere kleiner wird. Somit sollten sich vorhandene oder nur geringfügig modifizierte Beschleunigungssensor-Frontends auch in günstiger Weise für die Auswertung von Drucksensorsignalen verwenden lassen, wodurch sich der Entwicklungsaufwand reduziert.
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 ist die mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung kombiniert.
In Analogie zur oben beschriebenen siebten Ausführungsform werden in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 der bereits beschriebene Membranbereich 16' und ein weiterer Membranbereich 16"' gebildet. Die Druckzugangsöffnung 12a' ist bei dieser Ausführungsform kein Trenchgitter, sondern eine Einzelöffnung. Eine weitere Durchgangsöffnung 12a" dient zum Freistellen des weiteren Membranbereichs 16"', dem die feststehende Referenzelektrode 1 1 1' beabstandet in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gegenüberliegt.
Nach Freistellen der Membranbereiche 16', 16"' wird in der Durchgangsöffnung 12a" eine feuchteempfindliche Schicht 17 abgeschieden und rückgeätzt, welche das Innere der Durchgangsöffnung 12a" und den weiteren Membranbereich 16"' bedeckt. Bei Änderung der Umgebungsfeuchte nimmt die feuchteempfindliche Schicht 17 zusätzliche
Wassermoleküle auf oder gibt sie ab. Dadurch ändert sich die mechanische Verspannung der feuchteempfindlichen Schicht 17, und diese Änderung überträgt sich auf den weiteren Membranbereich 16"' und kann wiederum kapazitiv ausgewertet werden. Das
Summensignal der beiden Membranbereiche 16', 16"' oder auch das Signal des ersten Membranbereichs 16' allein liefert in diesem Fall die Druckinformation, wohingegen das Differenzsignal die Feuchteinformation liefert. Effekte aufgrund von Packaging-Stress sollten sich wiederum zumindest in dem Differenzsignal bei hinreichend symmetrischer Anordnung und Gleichgestaltung der Membranbereiche 16', 16"' annähert aufheben. Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Bei der neunten Ausführungsform ist die bereits beschriebene mikromechanische
Drucksensorvorrichtung mit einer Drehratensensoreinrichtung SD kombiniert, welche in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gebildet ist und über einen
Verankerungsbereich 5b' in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 3 verankert ist. Eine derartige Drehratensensoreinrichtung SD benötigt im Betrieb unter Umständen einen anderen Umgebungsdruck als die Drucksensoreinrichtung. Die Bondverbindung 7 weist einen Bereich 7b auf, welcher die
Umverdrahtungseinrichtung 25a und einen Trennbereich 50 in der zweiten
mikromechanischen Funktionsschicht 5 derart verbindet, dass die
Drehratensensoreinrichtung SD in einer separaten weiteren Kaverne 9b eingeschlossen ist, welche von der Kaverne 9a, die die zweite feststehende Druckdetektionselektrode 1 11 einschließt, hermetisch getrennt ist.
Um den Innendruck in der zweiten Kaverne 9b zu verringern, kann nach dem
Waferbonden zum Schaffen der Bondverbindung 7 zwischen MEMS-Anordnung und ASIC-Anordnung eine Zugangsöffnung 15a durch den MEMS-Wafer 1 sowie ein Kanal 15b durch die erste Isolationsschicht 4a und die erste mikromechanische
Funktionsschicht 3 durch einen entsprechenden Ätzprozess angelegt werden, um die Kaverne 9b über die Zugangsöffnung 15a und den Kanal 15b auszupumpen und anschließend wieder in Analogie zur oben beschriebenen Ausführungsform durch eine Oxidschicht 18 optional in Kombination mit einer Metallschicht 19 zu verschließen.
Es ist alternativ auch möglich, über geeignete Prozessführung beim Verschluss der Zugangsöffnung 15a einen erhöhten Innendruck einzustellen, um beispielsweise einen Beschleunigungssensor anstelle des Drehratensensors in der Kaverne 9b zu betreiben. Der erhöhte Innendruck dient dabei der Dämpfung des Beschleunigungssensors und verhindert unerwünschte Bewegungen der Sensorstruktur aufgrund von
Vibrationsanregungen.
Es ist ferner im Sinne der Anordnung von Fig. 9 möglich, auf einem Chip sowohl einen Drucksensor, einen Drehratensensor und einen Beschleunigungsensor anzuordnen und somit ein 7d-Element zu realisieren. Dabei können der Drucksensor und der
Drehratensensor in einer gemeinsamen Kaverne mit niedrigem Innendruck und der Beschleunigungssensor, getrennt über einen Trennbereich 50, in einer Kaverne mit hohem Innendruck angeordnet werden. Auf eine eigene Darstellung dieser Anordnung wird hier verzichtet.
Fig. 10 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer
mikromechanischen Drucksensorvorrichtung und eines entsprechenden
Herstellungsverfahrens gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Bei der in Figur 10 dargestellten zehnten Ausführungsform weist der MEMS-Wafer 1 eine weitere unverschlossene Durchgangsöffnung 15a auf, welche in die Kaverne 9 führt. Durch diese weitere Durchgangsöffnung 15a kann ein Gegendruck p2 angelegt werden, welcher dem durch die Durchgangsöffnung 12' wirkenden Druck p1 entgegengesetzt ist. Der Membranbereich 16' wird sich demnach gemäß dem Differenzdruck p2-p1 durchwölben. Der Gegendruck p2 kann beispielsweise über eine externe Zuführung 52 mit entsprechender Abdichtung 51 auf der Rückseite RS des MEMS-Wafers 1 angelegt werden. Der mit Bezugszeichen 55 bezeichnete Bereich der zweiten mikromechanischen
Funktionsschicht 5 kann bei diesem Beispiel die Funktion eines Beschleunigungssensors haben, dessen Verhalten von kleinen Druckänderungen von p2 nur geringfügig beeinflusst wird. 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.

Claims

Ansprüche 1. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit: einem ASIC-Wafer (1 a) mit einer Vorderseite (VSa) und einer Rückseite (RSa); einer auf der Vorderseite (VSa) des ASIC-Wafers (1 a) gebildeten
Umverdrahtungseinrichtung (25a) mit einer Mehrzahl von gestapelten Leiterbahnebenen (LBO, LB1 ) und Isolationsschichten (I); einem MEMS-Wafer (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS); einer über der Vorderseite (VS) des MEMS-Wafers (1 ) gebildeten ersten
mikromechanischen Funktionsschicht (3); einer über der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) gebildeten zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5); wobei in einer der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (3; 5) ein Membranbereich (16; 16a; 16') als eine auslenkbare erste Druckdetektionselektrode ausgebildet ist, welcher über eine Durchgangsöffnung (12; 12'; 12a') im MEMS-Wafer (1) mit Druck beaufschlagbar ist; wobei in der anderen der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (3; 5) eine feststehende zweite Druckdetektionselektrode (11 '; 1 1 "; 1 1 "'; 1 1 ""; 11 a; 1 11) beabstandet gegenüberliegend dem Membranbereich (16; 16a; 16') ausgebildet ist; und wobei die zweite mikromechanische Funktionsschicht (5) über eine Bondverbindung (7; 7, 7a; 7, 7b) mit der Umverdrahtungseinrichtung (25a) derart verbunden ist, dass die feststehende zweite Druckdetektionselektrode (1 1 '; 11 "; 11 "'; 11 ""; 1 1a; 1 11) in einer Kaverne (9; 9a) eingeschlossen ist.
2. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der
Membranbereich (16; 16') in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) und die feststehende zweite Druckdetektionselektrode (11 '; 1 1"; 11 "'; 1 1""; 1 1 1 ) in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5) gebildet ist.
3. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die feststehende zweite Druckdetektionselektrode (1 1 ') einen Verankerungsbereich (5a) aufweist, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) verankert ist und andererseits über einen Bereich (7a) der Bondverbindung (7; 7, 7a; 7, 7b) eine elektrische Verbindung zu einer obersten Leiterbahnebene (LBO) aufweist.
4. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die feststehende zweite Druckdetektionselektrode (1 1'; 11 "; 1 1"'; 1 1"") mindestens einen
Verankerungsbereich (5a1; 5a", 5a'") aufweist, der auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) verankert ist, wobei die zweite mikromechanische Funktionsschicht (5) einen Kontaktbereich (5b') aufweist, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) verankert ist und andererseits über einen Bereich (7a) der
Bondverbindung (7; 7, 7a; 7, 7b) eine elektrische Verbindung zu einer obersten
Leiterbahnebene (LBO) aufweist und wobei der Verankerungsbereich (5a'; 5a"; 5a'") und der Kontaktbereich (5b') über die erste mikromechanische Funktionsschicht (3) elektrisch verbunden sind.
5. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Federelement (5c", 5c'") zwischen dem mindestens einen Verankerungsbereich (5a"; 5a'") und dem übrigen Teil der feststehenden zweiten Druckdetektionselektrode (11 "") vorgesehen ist.
6. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein ringförmiger
Verankerungsbereich (5a"; 5a'") vorgesehen ist.
7. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der
Membranbereich (16a) in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5) und die feststehende zweite Druckdetektionselektrode (11 a) in der ersten mikromechanischen
Funktionsschicht (3) perforiert ausgebildet ist und wobei der Membranbereich (16a) ringförmig geschlossen auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) verankert ist.
8. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei in der obersten Leiterbahnebene (LBO) eine feststehende dritte Druckdetektionselektrode (11 b) beabstandet gegenüberliegend dem Membranbereich (16a) ausgebildet ist.
9. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die zweite mikromechanische Funktionsschicht (5) einen Kontaktbereich (5b') aufweist, der einerseits auf der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) verankert ist und andererseits über einen Bereich (7a) der Bondverbindung (7; 7, 7a; 7, 7b) eine elektrische Verbindung zu einer obersten Leiterbahnebene (LBO) aufweist und wobei die
feststehende zweite Druckdetektionselektrode (11 a) und der Kontaktbereich (5b') über die erste mikromechanische Funktionsschicht (3) elektrisch verbunden sind.
10. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein
Referenzmembranbereich (16") in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3) und eine feststehende Referenzelektrode (11 1 ') beabstandet gegenüberliegend dem Referenzmembranbereich (16") in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5) gebildet ist und wobei der Referenzmembranbereich (16") nicht mit dem Druck
beaufschlagbar ist.
1 1. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein weiterer Membranbereich (16"') in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3)
und eine feststehende Referenzelektrode (1 11 ') beabstandet gegenüberliegend dem weiteren Membranbereich (16"') in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5) gebildet ist und wobei der weitere Membranbereich (16"') als eine auslenkbare
Feuchtedetektionselektrode ausgebildet ist, welche mit einer feuchteempfindlichen
Schicht (17) bedeckt ist, die über eine weitere Durchgangsöffnung (12a") im MEMS-Wafer (1) mit Feuchte beaufschlagbar ist.
12. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei eine weitere Sensoreinrichtung (SD) in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5) gebildet ist und die Bondverbindung (7; 7, 7a; 7, 7b) einen Bereich (7b) aufweist, der mit der Umverdrahtungseinrichtung (25a) derart verbunden ist, dass die weitere
Sensoreinrichtung (SD) in einer weiteren Kaverne (9b) eingeschlossen ist, welche von der Kaverne (9; 9a) hermetisch getrennt ist.
13. Mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der
Membranbereich (16; 16a; 16') über eine weitere Durchgangsöffnung (15a) im MEMS- Wafer (1), welche in die Kaverne (9; 9a) führt, mit Gegendruck beaufschlagbar ist.
14. Herstellungsverfahren für ein mikromechanische Drucksensorvorrichtung mit den Schritten:
Bereitstellen von einem ASIC-Wafer (1 a) mit einer Vorderseite (VSa) und einer Rückseite (RSa) und einer auf der Vorderseite (VSa) des ASIC-Wafers (1 a) gebildeten
Umverdrahtungseinrichtung (25a) mit einer Mehrzahl von Leiterbahnebenen (LBO, LB1) und dazwischenliegenden Isolationsschichten (I);
Bereitstellen von einem MEMS-Wafer (1) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS), einer über der Vorderseite (VS) des MEMS-Wafers (1) gebildeten ersten mikromechanischen Funktionsschicht (3), einer über der ersten mikromechanischen
Funktionsschicht (3) gebildeten zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5), wobei in einer der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (3; 5) ein
Membranbereich (16; 16a; 16') als eine auslenkbare erste Druckdetektionselektrode ausgebildet ist, welcher über eine Durchgangsöffnung (12; 12'; 12a') im MEMS-Wafer (1) mit Druck beaufschlagbar ist, und wobei in der anderen der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (3; 5) eine feststehende zweite
Druckdetektionselektrode (1 1'; 1 1"; 11 "'; 11 ""; 11 a; 1 11) beabstandet gegenüberliegend dem Membranbereich (16; 16a; 16') ausgebildet ist; und Verbinden der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5) über eine
Bondverbindung (7; 7, 7a; 7, 7b) mit der Umverdrahtungseinrichtung (25a) derart, dass die feststehende zweite Druckdetektionselektrode (11 '; 11 "; 1 1 "'; 1 1 ""; 1 1a; 11 1) in einer Kaverne (9; 9a) eingeschlossen ist.
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