CN104627948A - 微机械传感器设备以及相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械传感器设备以及相应的制造方法。所述微机械传感器设备包括：具有前侧(VS)和背侧(RS)的CMOS晶片(1)、在所述CMOS晶片(1)的前侧(VS)上构造的具有多个堆叠的印制导线层面(LB0、LB1、LB2)和绝缘层(I)的再布线装置(1a)、具有前侧(V10)和背侧(R10)的MEMS晶片(10)、在所述MEMS晶片(1)的前侧(VS)上构造的微机械传感器装置(MS)、在所述MEMS晶片(10)与所述CMOS晶片(1)之间的键合连接(B)、在所述MEMS晶片(10)与所述CMOS晶片(1)之间的腔(KV)以及施加在多个堆叠的印制导线层面(LB0、LB1、LB2)和绝缘层(I)中的至少一个上的暴露的吸气剂层区域(G1；G1’)，所述传感器装置(MS)密封地包围在所述腔中。

Description

微机械传感器设备以及相应的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械传感器设备以及相应的制造方法。
背景技术
虽然也可以应用任意的微机械元件，但是根据基于硅的元件阐明本发明以及其所基于的问题。
在现有技术中，用于微机械传感器设备——例如用于微机械转速传感器和加速度传感器的制造方法是众所周知的。
如例如在文献DE 195 37 814 A1中公开的那样，在此在衬底上制造多个独立的厚的多晶功能结构。在这些功能结构下设置掩埋的印制导线和电极。如此制造的微机械功能结构在进一步的工艺工序中以罩晶片封装。根据应用，在通过罩晶片封闭的容积内包围适合的压力。
在转速传感器的情况下，包围非常小的压力，典型地为1毫巴。背景是，在转速传感器的情况下共振地驱动可运动的结构的一部分并且测量由科里奥利力引起的偏转。在小压力的情况下可以借助相对小的应力基于小的阻尼非常简单地激励振动。类似的也适用于磁场传感器，磁场传感器在通过电流引起的外磁场中处于共振振动中，其中，通过共振振动的偏转可以确定磁场。
与此相反，在加速度传感器的情况下不期望的是，传感器陷入振动中，这在施加外部加速度的情况下是可能的。因此在更高的内部压力的情况下——典型地在500毫巴的情况下运行这些加速度传感器。附加地，这样的加速度传感器的表面也经常设有有机涂层，所述有机涂层防止可运动的结构的粘接。
图4示出了用于阐明示例性的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意的剖视图，其用于说明本发明所基于的问题。
在图4中参考标记M表示MEMS衬底，在该衬底上沉积绝缘层4a、4b——例如氧化物层——以及位于其中间的印制导线层3。由多晶硅制成的微机械功能层5位于层3、4a、4b之上，该微机械功能层部分地固定在绝缘层4b上并且部分地固定在印制导线层3上并且由此电连接到后者上。在微机械功能层5中结构化加速度传感器设备S1和转速传感器设备S2。传感器设备S1、S2在单独的密封隔离的腔KV1、KV2中通过罩晶片K经由键合连接B封装(verkappen)。
示出加速度传感器设备S1的示例性的电接触，该电接触由微机械功能层5经由加速度传感器设备S1的印制导线层3通到设置在罩晶片K之外的触点K0。
加速度传感器设备S1和转速传感器设备S2的这样的组合可以非常小地设计并且成本有利地制造。
在加速度传感器设备S1的腔KV1中和在转速传感器设备S2的腔KV2中需要的不同压力可以通过在转速传感器设备S2的腔KV2中使用吸气剂层G来实现。
在借助于键合连接B将罩晶片K键合到微机械功能层5上时，首先在两个腔KV1、KV2中包围高压，该高压适合于加速度传感器设备S1。随后通过温度步骤活化吸气剂层G的吸气剂。吸气剂随后抽吸(吸气)转速传感器设备S2的腔KV2的容积至一个小的压力上。为了在那儿包围限定的压力，可以应用具有惰性气体和被良好吸气的气体例如N2的混合气体。N2被吸气，那么混合气体的不可吸气的惰性气体——例如Ne或Ar限定转速传感器设备S2的腔KV2中的内压。在此，在加速度传感器设备S1的腔KV1中保留内压，该内压通过N2/Ne或N2/Ar的气体混合物限定。
由文献WO 2007/113325 A1已知吸气剂层的这样的应用，该吸气剂层施加在罩晶片的腔的内部中，该罩晶片封装微机械传感器设备。
文献US 2013/0001710 A1公开了一种用于构造MEMS传感器设备的方法和***，其中，CMOS晶片键合在具有微机械传感器设备的MEMS晶片上。在CMOS晶片中例如可以集成用于微机械传感器设备的分析处理电路，其经由键合连接可电接触。CMOS晶片在该例子中承担罩晶片的功能。
如果要在这样的布置中同样制造加速度传感器设备和转速传感器设备或磁场传感器设备的组合，则必须与根据图4的例子类似地在CMOS晶片上设置吸气剂层。
然而这样的具有在CMOS晶片上吸气剂层的布置在两个不同的方面是关键性的。
吸气剂层通常以荫罩喷涂(aufgesputtert)。该方法是非常不准确的，并且为了可以限定地喷涂小的面积，必须设置非常大的局部提前量(Vorhalt)，这导致这样的传感器设备被不必要地扩大。
此外，经活化的吸气剂层是非常反应性的。因此，如果可运动的微机械功能层在偏转时与传感器设备接触，则微机械功能层保持粘接在上面。换言之可能发生的是：微机械传感器设备在机械冲击之后不再正常工作。
发明内容
本发明实现了一种根据权利要求1所述的微机械传感器设备和根据权利要求6所述的相应制造方法。
优选的扩展方案是相应从属权利要求的主题。
发明优点
本发明所基于的构思在于，在垂直集成的微机械传感器设备中在具有CMS晶片和位于其上的再布线装置的CMOS布置上借助于剥离方法(Lift-Off-Verfahren)施加吸气剂层。
尤其提出，在CMOS布置上设置凹部，吸气剂层设置在所述凹部中。位于这样的凹部中的吸气剂面相对于可运动的MEMS结构如此设置，使得该吸气剂面能够在机械过载的情况下不接触吸气剂面。通过各向同性的蚀刻方法在印制导线布置的一个或多个最上层中制造CMOS布置中的凹部。用于该步骤的光致抗蚀剂(Fotolack)也可以同时用于剥离方法。通过各向同性的掏蚀()产生剥离方法的特别稳健的变型。同时实现了在腔与吸气剂层自身之间的自调准。因此可以产生非常小的准确限定的下沉在凹部中的吸气剂面。
根据本发明的制造方法或相应的微机械传感器设备使得可能的是，例如具有吸气剂层的集成的转速传感器设备和加速度传感器设备可以小型构造地、成本有利地并且在机械冲击之后无粘接风险地制造。
根据一个优选的扩展方案，再布线装置的最上层是最上面的印制导线层面，其中，吸气剂层区域如此嵌入到最上面的印制导线层面中，使得所述吸气剂层区域施加在位于最上面的印制导线层面之下的绝缘层上。这样的布置可以以简单的蚀刻工艺制造。
根据另一优选的扩展方案，再布线装置的最上层是最上面的印制导线层面，其中，吸气剂层区域如此嵌入到最上面的印制导线层面和位于最上面的印制导线层面之下的绝缘层中，使得所述吸气剂层区域施加在位于绝缘层之下的次最上面的印制导线层面上。因此可以制造更厚的吸气剂层区域，此外，该吸气剂层区域通过次最上面的印制导线层面是能够电连接的。
根据另一优选的扩展方案，吸气剂层区域通过再布线装置中的一个或多个覆镀通孔(Durchkontaktierung)与CMOS晶片的CMOS电路电连接。因此吸气剂层区域可以承担电功能，例如电极功能。
根据另一优选的扩展方案，吸气剂层区域具有比再布线装置的最上层更小的高度延伸。因此可以避免吸气剂层区域与传感器装置的粘接。
附图说明
以下根据实施方式参照附图阐明本发明的另外的特征和优点。其中示出：
图1a)-1f)：用于阐明根据本发明的第一实施方式的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意剖视图；
图2：用于阐明根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意剖视图；
图3a)-3f)：用于阐明根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意剖视图；以及
图4：用于阐明示例性的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意剖视图，其用于说明本发明所基于的问题。
在附图中相同的参考标记表示相同或功能相同的元件。
具体实施方式
图1a)-1f)是根据本发明的第一实施方式用于阐明微机械传感器设备和相应的制造方法的示意剖视图。
在图1a)中参考标记1表示具有前侧VS和背侧RS的CMOS晶片，该CMOS晶片具有多个集成在其中的CMOS电路100，例如用于微机械传感器设备的分析处理电路位于所述CMOS电路之下。
参考标记1a表示施加在前侧VS上的再布线装置，该再布线装置具有多个堆叠的绝缘层I和印制导线层LB0、LB1、LB2。印制导线层LB0、LB1、LB2经由过孔K相互电连接并且与CMOS电路100电连接。为清楚显示起见，绝缘层I没有相互分离地描绘。
在图1a)的视图中，再布线装置1a的最上层是最上面的印制导线层面LB0，其中，该经结构化的最上面的印制导线层面LB0暴露。
如在图1b)中所示，在最上面的印制导线层面LB0上施加并如此结构化抗蚀剂掩膜(Lackmaske)20，使得该抗蚀剂掩膜在以下区域中具有开口20a：在该区域处随后可以设有吸气剂层。抗蚀剂掩膜20在开口20a处的棱边不必具有例如在经典的剥离工艺中所需要的那样的负性(Negativ)抗蚀剂边缘，在所述经典的剥离工艺中使用相对昂贵的负性抗蚀剂。因此可以在该实施方式中应用成本有利得多的正性抗蚀剂。
在在图1c)中示出的各向同性的蚀刻层中，在开口20a的区域中局部移除最上面的印制导线层面LB0，其中，出现最上面的印制导线层面LB0的掏蚀部U，在掏蚀部处蚀刻前部位于抗蚀剂掩膜20之下。优选地，对于各向同性的蚀刻步骤将应用湿式化学方法。
虽然在本实施方式中仅仅局部蚀刻最上面的印制导线层面LB0，但是自然也可以在各向同性的蚀刻步骤中移除再布线装置1a的多个层面，其中必要时蚀刻化学可以根据是蚀刻印制导线层面还是绝缘层I交替。有利的是，将铝层用作最上面的印制导线层面LB0，该铝层可容易地各向同性地蚀刻。
进一步参考图1d)施加吸气剂层G。优选地，以各向异性的涂覆方法沉积该吸气剂层G，如例如通过溅射(Sputtern)或渗镀(Aufdampfen)。
在施加吸气剂层G时在开口20a的区域中形成吸气剂层G的下沉的区域G1，然而该下沉的区域基于涂覆方法的各向异性而大部分空出抗蚀剂掩膜20的掏蚀区域U。
在以下在图1e)中阐明的工艺步骤中，以剥离方法移除具有位于其上的吸气剂层G的抗蚀剂掩膜20。优选地使用水喷射步骤或使用借助二氧化碳的冲射(Beschuss)用于该剥离工艺步骤。
结果，仅仅保留以下吸气剂层区域G1：该吸气剂层区域没有位于抗蚀剂掩膜20上，在再布线装置1a的最上面的绝缘层I上与最上面的印制导线层面LB0的区域间隔开地由其围绕。
在最后的在图1f)中示出的工艺步骤中，MEMS布置借助于键合连接B键合到再布线装置1a上。
MEMS布置包括MEMS晶片10，其具有前侧V10和背侧R10。第一绝缘层4a位于MEMS晶片10的前侧V10上，在该第一绝缘层上设有印制导线层3。第二绝缘层4b局部地位于印制导线层3上，其中，层4a、4b例如是氧化物层。
在印制导线层3和第二绝缘层4b之上设有微机械功能层5，其具有转速传感器设备MS。转速传感器设备MS位于保留在封闭的腔KV中的吸气剂层区域G1之上。
在借助于键合连接B的键合的情况下在腔KV中包围高压。随后通过温度步骤活化吸气剂层区域G1。吸气剂随后将转速传感器设备MS的腔KV的容积抽吸(吸气)到一个小的压力上。为了在那儿包围限定的压力，可以应用具有惰性气体和被良好吸气的气体——例如N2的混合气体。N2被吸气，那么混合气体的不可吸气的惰性气体——例如Ne或Ar限定在转速传感器设备MS的腔K中的内压。
图2是用于阐明根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意剖视图。
在第二实施方式中，吸气剂层区域G1经由过孔K’、K’和印制导线层面LB1、LB2与CMOS电路100电连接。吸气剂层区域G1那么可以附加地作为电极用于可运动的微机械转速传感器设备MS的驱动和传感。替代地，可以将吸气剂层区域G1、G1仅仅置于限定的电位上，以便不负面地影响腔KV中的微机械转速传感器设备MS或未示出的另外的传感器设备的结构的运动。
如在图2中清晰可见，相比于最上面的印制导线层面LB0更薄地选择吸气剂层区域G1，由此最上面的印制导线层面LB0用作用于转速传感器设备MS的止挡部，该止挡部阻止该转速传感器设备与吸气剂层区域G1接触或粘接。
图3a)-3f)是用于阐明根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意剖视图。
在第三实施方式中，抗蚀剂掩膜层20’仅仅在一个小的区域21中突出最上面的印制导线层面LB0的待蚀刻的区域，如在图3a)、b)中所示。这使得可能的是，在蚀刻步骤中在开口20a’之下完全在区域21之下移除最上面的印制导线层面LB0的金属，以便因此构成大的掏蚀部U’。
进一步参考图3c)，在各向同性的蚀刻工艺中同样移除最上面的绝缘层I，以便暴露次最上面的印制导线层面LB1。
如已经在上面所述，紧接着是用于施加吸气剂层G’的各向异性的涂覆方法，该移除层在开口20a’的区域中形成下沉的吸气剂层区域G1’。
进一步参考图3e)，进行用于移除位于抗蚀剂掩膜20’上的吸气剂层G’的剥离方法步骤，其中，吸气剂层区域G1’保留在次最上面的印制导线层面LB1上。
在根据图3f)的示图中，最上面的印制导线层面LB0用作用于微机械转速传感器设备MS的止挡部，从而在此也阻止在吸气剂层区域G1’上的粘接。
此外，第三实施方式与第一和第二实施方式相同并且也可与它们组合。尤其是吸气剂层区域G1’也可以连接到CMOS电路100上。
尽管根据优选实施例描述本发明，但本发明并不限于此。尤其是所述材料和拓扑仅仅是示例性的并且不限于所阐明的例子。
尽管在上述实施方式中仅仅设置以腔中的转速传感器设备的形式的微机械传感器设备，但是自然也可以设置在不同的相互分离的腔中的多个不同的微机械传感器设备，如这例如参照图4对于示例性的传感器设备所说明的那样。
尽管在上述实施方式中在最上面的绝缘层上放置键合连接，但也可能的是，将最上面的印制导线层面用作用于电连接MEMS布置和CMOS布置并且用于机械连接、尤其是用于密封封闭的键合材料。特别有利和稳健的是例如一种铝锗连接，其中，由锗制造键合连接并且由铝制造最上面的印制导线层面。

Claims (10)

1.一种微机械传感器设备，所述微机械传感器设备具有：
具有前侧(VS)和背侧(RS)的CMOS晶片(1)；
在所述CMOS晶片(1)的前侧(VS)上构造的具有多个堆叠的印制导线层面(LB0、LB1、LB2)和绝缘层(I)的再布线装置(1a)；
具有前侧(V10)和背侧(R10)的MEMS晶片(10)；
在所述MEMS晶片(1)的前侧(VS)上构造的微机械传感器装置(MS)；
在所述MEMS晶片(10)与所述CMOS晶片(1)之间的键合连接(B)；
在所述MEMS晶片(10)与所述CMOS晶片(1)之间的腔(KV)，所述传感器装置(MS)密封地包围在所述腔中；以及
施加在多个堆叠的印制导线层面(LB0、LB1、LB2)和绝缘层(I)中的至少一个上的暴露的吸气剂层区域(G1；G1’)。
2.根据权利要求1所述的微机械传感器设备，其中，所述再布线装置(1a)的最上层是最上面的印制导线层面(LB0)，而所述吸气剂层区域(G1)如此嵌入到所述最上面的印制导线层面(LB0)中，使得所述吸气剂层区域施加在位于所述最上面的印制导线层面(LB0)之下的绝缘层(I)上。
3.根据权利要求1所述的微机械传感器设备，其中，所述再布线装置(1a)的最上层是最上面的印制导线层面(LB0)，而所述吸气剂层区域(G1’)如此嵌入到所述最上面的印制导线层面(LB0)和位于所述最上面的印制导线层面(LB0)之下的绝缘层(I)中，使得所述吸气剂层区域施加在位于所述绝缘层(I)之下的次最上面的印制导线层面(LB1)上。
4.根据权利要求1、2或3所述的微机械传感器设备，其中，所述吸气剂层区域(G1；G1’)通过所述再布线装置(1a)中的一个或多个覆镀通孔(K；K’)与所述CMOS晶片(1)的CMOS电路(100)电连接。
5.根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器设备，其中，所述吸气剂层区域(G1；G1’)具有比所述再布线装置(1a)的最上层更小的高度延伸。
6.一种用于微机械传感器设备的制造方法，其具有以下步骤：
提供具有前侧(VS)和背侧(RS)的CMOS晶片(1)和在所述CMOS晶片(1)的前侧(VS)上构造的具有多个堆叠的印制导线层面(LB0、LB1、LB2)和绝缘层(I)的再布线装置(1a)；
施加抗蚀剂掩膜层(20；20’)到所述再布线装置(1a)的最上层(LB0)上，所述再布线装置具有开口(20a；20a’)，所述开口暴露所述最上层(LB0)；
实施蚀刻工艺，所述蚀刻工艺至少在所述开口(20a；20a’)的区域中移除所述再布线装置(1a)的最上层(LB0)，其中，形成所述抗蚀剂掩膜层(20；20’)的掏蚀部(U；U’)；
在所述抗蚀剂掩膜层(20；20’)上和在所述再布线装置(1a)的通过所述开口(20a；20a’)暴露的经蚀刻的区域上沉积吸气剂层(G；G’)；
通过剥离工艺步骤移除所述抗蚀剂掩膜层(20；20’)，其中，移除所述吸气剂层(G；G’)的沉积在所述抗蚀剂掩膜层(20；20’)上的部分，并且保留所述吸气剂层(G；G’)的在所述再布线装置(1a)的通过所述开口(20a；20a’)暴露的经蚀刻的区域上沉积的部分作为所述吸气剂层区域(G1；G1’)；
提供具有前侧(V10)和背侧(R10)的MEMS晶片(10)和在所述MEMS晶片(1)的前侧(VS)上构造的微机械传感器装置(MS)；
构造在所述MEMS晶片(10)与所述CMOS晶片(1)之间的键合连接(B)，其中，将所述传感器装置(MS)密封包围在所述MEMS晶片(10)与所述CMOS晶片(1)之间的腔(KV)中。
7.根据权利要求6的用于微机械传感器设备的制造方法，其中，所述再布线装置(1a)的最上层是最上面的印制导线层面(LB0)，而所述吸气剂层区域(G1)如此嵌入到所述最上面的印制导线层面(LB0)中，使得所述吸气剂层区域沉积在位于所述最上面的印制导线层面(LB0)之下的绝缘层(I)上。
8.根据权利要求6的用于微机械传感器设备的制造方法，其中，所述再布线装置(1a)的最上层是最上面的印制导线层面(LB0)，而所述吸气剂层区域(G1’)如此嵌入到所述最上面的印制导线层面(LB0)和位于所述最上面的印制导线层面(LB0)之下的绝缘层(I)中，使得所述吸气剂层区域沉积在位于所述绝缘层(I)之下的次最上面的印制导线层面(LB1)上。
9.根据权利要求6、7或8所述的用于微机械传感器设备的制造方法，其中，所述吸气剂层区域(G1；G1’)通过一个或多个覆镀通孔(K；K’)与所述CMOS晶片(1)的CMOS电路(100)电连接。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的用于微机械传感器设备的制造方法，其中，所述吸气剂层区域(G1；G1’)具有比所述再布线装置(1a)的最上层(LB0)更小的高度延伸。
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