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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens einem MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Bauelement, mit einer Kappe für die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements und mit mindestens einem ASIC(Application Specific Integrated Circuit)-Substrat. Die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements ist in der Funktionsschicht eines SOI(Silicon On Insulator)-Wafers realisiert, das MEMS-Bauelement ist face-down, mit der strukturierten Funktionsschicht auf dem ASIC-Substrat montiert und die Kappe ist im Substrat des SOI-Wafers realisiert.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen hybrid integrierten Bauteils.
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Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil, wie es aus der
europäischen Patentschrift 0 773 443 bekannt ist. In dieser Druckschrift wird ein mikromechanischer Beschleunigungssensor beschrieben, der in Form eines Chipstapels, bestehend aus einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, realisiert ist. Als MEMS-Substrat fungiert ein SOI-Wafer, in dessen Funktionsschicht eine wippenförmige Sensorstruktur ausgebildet ist. Das MEMS-Substrat ist in Flip-Chip-Technik auf dem ASIC-Substrat montiert, so dass sich die Sensorstruktur in einem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum zwischen der ASIC-Oberfläche und dem Rückseitensubstrat des SOI-Wafers befindet. Beschleunigungen bewirken eine Auslenkung der Wippenstruktur, die hier kapazitiv mit Hilfe von Mess-elektroden auf der Sensorstruktur und feststehenden Elektroden auf der ASIC-Oberfläche erfasst werden. Außerdem befindet sich bei dem bekannten Beschleunigungssensor auch die Auswerteschaltung für die Messsignale auf dem ASIC-Substrat.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein einfaches und kostengünstiges Konzept zur externen elektrischen Kontaktierung derartiger Bauteile vorgeschlagen, das eine Erweiterung der schaltungstechnischen Funktionalität dieser Bauteile ermöglicht.
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Dazu wird das Ausgangssubstrat des ASIC-Substrats erfindungsgemäß beidseitig mit einem Schichtaufbau versehen, wobei sowohl im MEMS-seitigen Schichtaufbau als auch im rückseitigen Schichtaufbau des ASIC-Substrats jeweils mindestens eine Schaltungsebene realisiert wird. Zur externe Kontaktierung wird im ASIC-Substrat mindestens ein ASIC-Durchkontakt ausgebildet, der von der Rückseite des Bauteils ausgehend zumindest eine Schaltungsebene des rückseitigen Schichtaufbaus und/oder zumindest eine Schaltungsebene des MEMS-seitigen Schichtaufbaus elektrisch kontaktiert.
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Vorteilhafterweise umfasst sowohl der MEMS-seitige Schichtaufbau als auch der rückseitige Schichtaufbau eine Mehrlagenmetallisierung, also mehrere Schaltungsebenen. Dadurch besteht eine sehr große Gestaltungsfreiheit bei der elektrischen Verdrahtung der einzelnen Schaltungskomponenten des Bauteils. Der ASIC-Durchkontakt ist erfindungsgemäß so konzipiert, dass er eine gezielte Kontaktierung einzelner Schaltungsebenen sowohl des MEMS-seitigen Schichtaufbaus als auch des rückseitigen Schichtaufbaus ermöglicht. Daneben ermöglicht der ASIC-Durchkontakt eine Direktmontage des erfindungsgemäßen Bauteils, bei der das Bauteil in einem Montageschritt sowohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert wird.
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Zum Herstellen eines derartigen hybrid integrierten Bauteils wird zunächst ein als MEMS-Substrat fungierender SOI-Wafer prozessiert. Dabei wird die Funktionsschicht des SOI-Wafers strukturiert, um die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements zu erzeugen und freizulegen. Unabhängig davon wird ein ASIC-Substrat vorprozessiert. Dabei wird ein erster Schichtaufbau auf einem Ausgangssubstrat erzeugt, der mindestens eine strukturierte Metallschicht als Schaltungsebene umfasst, die in mindestens eine Isolationsschicht eingebettet wird. Das strukturierte MEMS-Substrat wird dann face-down, mit der strukturierten Funktionsschicht auf dem ersten Schichtaufbau des vorprozessierten ASIC-Substrats montiert, so dass das Rückseitensubstrat des SOI-Wafers als Kappe für die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements dient. Erfindungsgemäß wird auf der Rückseite des ASIC-Substrats ein zweiter Schichtaufbau erzeugt, der ebenfalls mindestens eine strukturierte Metallschicht als Schaltungsebene umfasst. Auch die Schaltungsebenen dieses rückseitigen Schichtaufbaus werden in eine Isolationsschicht eingebettet. Schließlich wird ausgehend von der Rückseite des ASIC-Substrats mindestens ein ASIC-Durchkontakt erzeugt, der zumindest eine Schaltungsebene des rückseitigen Schichtaufbaus und/oder zumindest eine Schaltungsebene des MEMS-seitigen Schichtaufbaus elektrisch kontaktiert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Bauteil auch kappenseitig mit einem Schichtaufbau versehen, der mindestens eine weitere Schaltungsebene umfasst. Auch die Schaltungsebenen des kappenseitigen Schichtaufbaus werden bevorzugt in Form von strukturierten Metallschichten realisiert, die in mindestens eine Isolationsschicht eingebettet werden. Außerdem wird im MEMS-Bauelement dann noch mindestens ein MEMS-Durchkontakt ausgebildet, der von der Oberseite des Bauteils ausgeht und sich zumindest bis auf eine Schaltungsebene des kappenseitigen Schichtaufbaus erstreckt, um eine elektrische Verbindung zu dieser Schaltungsebene herzustellen. Bei dieser Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Bauteils können auch in das Rückseitensubstrat des SOI-Wafers, also in die Kappe, Schaltungselemente integriert werden. Diese Schaltungselemente können dann über die Schaltungsebenen im kappenseitigen Schichtaufbau verdrahtet werden und über den MEMS-Durchkontakt kontaktiert werden. Außerdem ermöglicht der MEMS-Durchkontakt eine Flip-Chip-Montage des Bauteils, bei der das Bauteil über die Kappe sowohl mechanisch fixiert als auch elektrisch kontaktiert wird.
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Je nachdem, wie die Verdrahtung zwischen den einzelnen Schaltungsebenen des Bauteils konzipiert ist, kann die elektrische Anbindung der mikromechanischen Struktur des MEMS-Bauelements berührungslos realisiert werden oder durch Anschluss an eine Schaltungsebene oder auch mit Hilfe eines Durchkontakts, der im ASIC-Bauelement oder im MEMS-Bauelement ausgebildet sein kann und sich bis zur Funktionsschicht des MEMS-Bauelements erstreckt.
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Die ASIC- und MEMS-Durchkontakte können sich jeweils aber auch bis über die Funktionsschicht des MEMS-Bauelements erstrecken, wenn dies im Hinblick auf die schaltungstechnischen Funktionen des Bauteils sinnvoll ist. Auf diese Weise können auch Durchkontakte realisiert werden, die sich über die gesamte Dicke eines erfindungsgemäßen Bauteils erstrecken. Dazu wird fluchtend zu einem ASIC-Durchkontakt ein MEMS-Durchkontakt angelegt, der in diesen ASIC-Durchkontakt mündet, so dass MEMS-Durchkontakt und ASIC-Durchkontakt ineinander übergehen.
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Eine gezielte Kontaktierung der einzelnen Schaltungsebenen des erfindungsgemäßen Bauteils lässt sich besonders gut mit Hilfe von Durchkontakten in Stufenform erreichen, wenn die Stufenflächen eines solchen Durchkontakts jeweils mit der zu kontaktierenden Schaltungsebene des Bauteils abschließen. Dadurch wird nämlich ein flächiger elektrischer Kontakt zwischen dem Durchkontakt und der Schaltungsebene hergestellt.
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Üblicherweise werden Durchkontakte in einem ASIC-Substrat oder auch in einem MEMS-Substrat hergestellt, indem zunächst eine entsprechende Durchkontaktöffnung in diesem Substrat erzeugt wird, um diese dann mit einem elektrisch leitfähigen Material zu verfüllen. Dabei werden Lage und Öffnungsquerschnitt der Durchkontaktöffnung durch eine Maskierung der Substratoberfläche bestimmt. Auch bei der Herstellung eines Durchkontakts in Stufenform wird eine Durchkontaktöffnung im Substrat erzeugt, die oberflächlich durch eine Maskierung der Substratoberfläche definiert wird. Die Stufenform der Durchkontaktöffnung wird erfindungsgemäß mit Hilfe mindestens einer strukturierten Metallschicht erzeugt, die eine Ätzstoppgrenze innerhalb des Schichtaufbaus bildet. Dazu werden die entsprechenden Öffnungen in der oberflächlichen Maskierung und in dieser mindestens einen strukturierten Metallschicht zwar fluchtend aber nicht deckungsgleich ausgebildet und/oder angeordnet. Auf diese Weise lassen sich sowohl die Lage als auch die laterale Ausdehnung von Stufen in einer Durchkontaktöffnung einfach definieren. Als Strukturierungsverfahren zum Herstellen der Durchkontaktöffnungen wird bevorzugt ein anisotroper Plasmaätzprozess eingesetzt, im Fall von Oxid ein anisotroper Oxidätzprozess und im Fall von Silizium ein anisotroper Trenchprozess. Zum einen werden die Metallschichten der Schaltungsebenen durch dieses Ätzverfahren, wenn überhaupt, nur unwesentlich angegriffen und bilden somit für diesen Ätzprozess eine zuverlässige Ätzstoppgrenze. Zum anderen lassen sich mit anisotropen Plasmaätzprozessen Durchgangsöffnungen mit einem sehr hohen Aspektverhältnis erzeugen, was im Hinblick auf die Realisierung von Bauteilen mit einer möglichst geringen Chipfläche von Vorteil ist. Die stufenförmigen Durchkontaktöffnungen können dann beispielsweise in einem Inkjet-Verfahren, einem Dispensverfahren, einem Siebdruckverfahren, einem CVD(chemical vapor deposition)-Verfahren oder mit einem galvanischen Verfahren mit einem leitfähigen Material verfüllt werden. Auch sequenzielle Anwendungen der genannten Verfahren zum Verfüllen von Durchkontaktöffnungen sind denkbar.
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Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich insbesondere für die elektrische Kontaktierung von hybrid integrierten berührungslos arbeitenden Sensorbauteilen, wie z.B. Inertialsensor-Bauteilen, da die Sensorstruktur hier hermetisch zwischen ASIC-Substrat und Kappe eingeschlossen ist und so gegen Verschmutzung und eine aggressive Messumgebung geschützt ist. Im Fall eines Inertialsensor-Bauteils umfasst die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements mindestens eine seismische Masse und ist mit Schaltungsmitteln zum Erfassen der Auslenkungen der seismischen Masse ausgestattet. Das MEMS-Bauelement ist hier meist über eine Standoff-Struktur auf dem ASIC-Substrat montiert, um eine Beweglichkeit der seismischen Masse zu gewährleisten. Vorteilhafterweise ist die Auswerteschaltung für die Sensorsignale im ASIC-Substrats und/oder in den Schaltungsebenen des MEMS-Bauelements integriert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1a–1f veranschaulichen das erfindungsgemäße Konzept anhand von schematischen Schnittdarstellungen durch den Aufbau eines ersten Sensor-Bauteils 100 während der Herstellung,
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Aufbau eines zweiten Sensor-Bauteils 200,
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3a–3d veranschaulichen eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kontaktierungskonzepts anhand von schematischen Schnittdarstellungen durch den Aufbau eines dritten Sensor-Bauteils 300 während der Herstellung, und
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4–6 veranschaulichen Kontaktierungsvarianten anhand von schematischen Schnittdarstellungen durch drei erfindungsgemäße Sensor-Bauteile 400, 500 und 600.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Herstellung eines erfindungsgemäßen, hybrid integrierten Bauteils 100 (1f) wird nachfolgend anhand der 1a bis 1f erläutert. Dieses Verfahren geht von zwei Substraten aus, die zunächst unabhängig voneinander prozessiert werden.
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Bei dem einen Substrat, das im Folgenden als MEMS-Substrat 10 bezeichnet wird, handelt es sich um einen SOI-Wafer, bestehend aus einem Rückseitensubstrat 11, einer Oxidschicht 12 und einer Si-Funktionsschicht 13. Im Rahmen der Vorprozessierung des MEMS-Substrats 10 wird die Si-Funktionsschicht 13 strukturiert, um eine mikromechanische Struktur zu erzeugen. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde dabei eine Sensorstruktur 131 erzeugt und freigestellt, indem die Oxidschicht 12 im Bereich unter der Sensorstruktur 131 entfernt wurde. Das verbleibende Rückseitensubstrat 11 fungiert als Kappe 11 für die mikromechanische Sensorstruktur 131 in der Funktionsschicht 13. Da das erfindungsgemäße Bauteil 100 im Waferverbund hergestellt wird und die Vereinzelung erst im Anschluss an das nachfolgend beschriebene Herstellungsverfahren erfolgt, werden die Begriffe „MEMS-Substrat“ und „MEMS-Bauelement“ hier als Synonyme verwendet.
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Bei dem anderen Substrat handelt es sich um ein ASIC-Substrat 20, in dessen Ausgangssubstrat 21 elektrische Schaltungselemente 211 integriert werden. Dabei handelt es sich vorteilhafterweise zumindest um Teile einer Signalverarbeitungs- und Auswerteschaltung für die MEMS-Sensorfunktion des Bauteils 100. Daneben können aber auch MEMS-unabhängige Schaltungsfunktionen realisiert werden. Die CMOS-Prozessierung des ASIC-Substrats 20 wird hier nicht im Einzelnen beschrieben, da sie durch die vorliegende Erfindung nicht näher spezifiziert wird. Das Ausgangssubstrat 21 wird dann mit einer Mehrlagenmetallisierung versehen. Dazu wird auf dem Ausgangssubstrat 21 ein Schichtaufbau erzeugt, der mehrere strukturierte Metallschichten 1, 2 als Schaltungsebenen umfasst. Diese sind durch Verbindungsleitungen untereinander und/oder mit den elektrischen Schaltungselementen 211 verbunden, aber ansonsten räumlich und elektrisch durch Isolationsschichten voneinander und vom Ausgangssubstrat 21 getrennt. Da es sich im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel bei den Isolationsschichten jeweils um eine Oxidschicht handelt, wird im Folgenden nicht zwischen den einzelnen Isolationsschichten unterschieden. Vielmehr bilden diese zusammen eine Isolationsschicht 22, in die die Schaltungsebenen 1, 2 eingebettet sind. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Isolationsschicht 22 für die Montage des MEMS-Substrats 10 strukturiert, d.h. mit Vertiefungen versehen.
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1a zeigt das MEMS-Substrat 10 vor der Montage auf dem ASIC-Substrat 20 und verdeutlicht, dass das MEMS-Substrat 10 face-down, also mit der strukturierten Funktionsschicht 13, auf der strukturierten Isolationsschicht 22 des ASIC-Substrats 20 montiert wird. Die mikromechanische Sensorstruktur 131 wird dabei über der bzw. den Vertiefungen in der Isolationsschicht 22 angeordnet, so dass eine gewisse vertikale Beweglichkeit der Sensorstruktur 131 gewährleistet ist.
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Die Verbindung zwischen dem MEMS-Substrat 10 und dem ASIC-Substrat 20 wird bevorzugt in einem Bondprozess hergestellt, beispielsweise durch Fusion Bonding oder eutektisches Bonden mit Aluminium und Germanium. Zum einen sind derartige Verbindungen sehr stabil und damit dauerhaft. Zum anderen kann die mikromechanische Sensorstruktur 131 auf diese Weise einfach hermetisch dicht in dem sich ergebenden Hohlraum 23 zwischen ASIC-Substrat 20 und Kappe bzw. Rückseitensubstrat 11 des SOI-Wafers 10 abgeschlossen werden. Diese Situation ist in 1b dargestellt. Die Pfeile auf der Rückseite des ASIC-Substrats 20 veranschaulichen, dass das ASIC-Substrat 20 nach der Montage des MEMS-Substrats 10 abgedünnt wird, z.B. durch chemisch mechanisches Polieren oder Plasmaätzen. Wie weit das ASIC-Substrat 20 abgedünnt werden kann, hängt im Wesentlichen von der Art der späteren Aufbau- und Verbindungstechnik ab. Die Restdicke des ASIC-Substrats 20 sollte so gewählt werden, dass die mechanische Stabilität des Bauteils 100 während seiner 2nd-Level-Montage gewährleistet ist.
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Entsprechend dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird nun auch auf der Rückseite des ASIC-Substrats 20 ein Schichtaufbau mit einer Mehrlagenmetallisierung erzeugt, der mehrere strukturierte Metallschichten 3, 4 als Schaltungsebenen eingebettet in eine Isolationsschicht 24 umfasst. 1c veranschaulicht, dass auch im Fall des rückseitigen Schichtaufbaus Bereiche der strukturierten Metallschichten 3, 4 über Verbindungsleitungen miteinander verschaltet sind.
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Zur externen elektrischen Kontaktierung eines so hergestellten Bauteils 100 werden nun ASIC-Durchkontakte erzeugt, die von der Rückseite des ASIC-Substrats 20 ausgehen, d.h. vom rückseitigen Schichtaufbau des ASIC-Substrats 20. Dazu werden zunächst Durchkontaktöffnungen 25 im ASIC-Substrat 20 erzeugt. Dabei kommen in erster Linie anisotrope Plasmaätzprozesse zum Ätzen der Isolationsschichten 24 und 22 und Trenchprozesse zum Ätzen des Ausgangssubstrats 21 zum Einsatz. Position und Öffnungsquerschnitt der Durchkontaktöffnungen 25 werden mit Hilfe einer Maskierung 26 der Rückseite des ASIC-Substrats 20 definiert. 1d veranschaulicht, dass auch die strukturierten Metallschichten 1, 2 und 3, 4 als Ätzstopp wirken und so die tiefer liegenden Schichten des ASIC-Substrats 20 vor einem Ätzangriff schützen. Die relative Lage, Größe und Geometrie der Öffnungen in der Maskierung 26 und in den strukturierten Metallschichten 1, 2 und 3, 4 definieren die Form der Durchkontaktöffnungen 25. Aufgrund des Versatzes zwischen diesen Öffnungen hat die in 1d dargestellte Durchkontaktöffnung 25 eine zur ihrer Mittelachse symmetrische Stufenform. Die als Ätzstoppgrenze bzw. Maskierung dienenden und nach der Strukturierung freiliegenden Bereiche der strukturierten Metallschichten 1 und 3 bilden hier ringförmige Kontaktflächen. Die Durchkontaktöffnung 25 erstreckt sich im Fall des Bauteils 100 über die gesamte Dicke des ASIC-Substrats 20 bis zur Funktionsschicht 13 des MEMS-Substrats 10. Um diese Tiefenausdehnung der Durchkontaktöffnung 25 zu erzielen, wurde im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als letzter Prozessschritt ein Oxidätzprozess zum Strukturieren der Isolationsschicht 22 gewählt, der eine möglichst hohe Selektivität gegenüber dem stark dotierten Silizium der Funktionsschicht 13 besitzt. Die Funktionsschicht 13 dient hier also als Ätzstoppgrenze für diesen Strukturierungsprozess. Der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt, dass vor der Strukturierung der Isolationsschicht 22 diese als Ätzstoppschicht für den Silizium-Trenchprozess diente. Zusammen mit der in 1d dargestellten Durchkontaktöffnung 25 wurde hier auch eine Zugangsöffnung zur untersten Schaltungsebene 4 erzeugt, die in diesem Fall auch als Ätzstopp für den Strukturierungsprozess dient. Die Schaltungsebene 4 im Bereich dieser Zugangsöffnung soll hier als Bondpadbereich 27 für das Bauteil 100 genutzt werden. Denkbar ist es aber auch, die Zugangsöffnung zur untersten Schaltungsebene 4 erst später im Herstellprozess zu realisieren, z. B. nach dem Verfüllen oder Planarisieren der Durchkontaktöffnung 25. Demnach können durch ein geeignetes und aufeinander abgestimmtes Layout der Maskierung 26 und der strukturierten Metallschichten 1, 2 und 3, 4 der einzelnen Schaltungsebenen sowie durch geeignete Wahl der Strukturierungsprozesse nicht nur stufenförmige Durchkontaktöffnungen 25 erzeugt werden sondern gleichzeitig auch Bondpadbereiche 27 geöffnet werden.
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Nach dem voranstehend beschriebenen Strukturierungsprozess wird auf der Rückseite des ASIC-Substrats 20 eine elektrische Passivierschicht 28, beispielsweise SiO2, abgeschieden, und zwar oberflächenkonform, so dass nicht nur die Oberflächenbereiche parallel zu den Schichtebenen sondern auch die vertikal orientierten Wandungsbereiche der Durchkontaktöffnungen 25 und der Bondpadöffnungen 27 beschichtet werden. Diese Passivierschicht 28 wird dann in einem nachfolgenden anisotropen Plasmaätzprozess nur von den parallel zu den Schichtebenen orientierten Oberflächenbereichen wieder entfernt, um die Kontaktbereiche auf den strukturierten Metallschichten 1, 3 und 4 sowie auf der Funktionsschicht 13 freizulegen. Auf den übrigen Wandungsbereichen der Durchkontaktöffnung 25 und der Zugangsöffnung zur Schaltungsebene 4 verbleibt die Passivierschicht 28 und bildet eine laterale elektrische Isolierung für den jeweiligen Durchkontakt. Diese Situation ist in 1e dargestellt.
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Zur Fertigstellung eines ASIC-Durchkontakts 29 wird die so beschichtete Durchkontaktöffnung 25 schließlich noch mit einem elektrisch leitfähigen Material verfüllt. Die Bondpadöffnung 27 wird hierzu mit einer Maske geschützt. Aufgrund der Stufenform der Durchkontaktöffnung 25 und der freiliegenden Kontaktbereiche auf den Metallschichten 1 und 3 bildet der ASIC-Durchkontakt 29 eine elektrische Verbindung zwischen der Funktionsschicht 13, der Schaltungsebene 1 des MEMS-seitigen Schichtaufbaus, der Schaltungsebene 3 des rückseitigen Schichtaufbaus und der Rückseite des ASIC-Substrats 20. Als elektrisch leitfähige Materialien zum Verfüllen der Durchkontaktöffnung 25 kommen beispielsweise Silber, Aluminium, Gold, Kupfer oder Wolfram in Frage. Je nach Material kann zum Verfüllen beispielsweise ein Inkjet-, Dispens- oder auch ein Siebdruckverfahren eingesetzt werden. In Frage kommen aber auch CVD-Verfahren, wie z.B. im Fall von Wolfram, galvanische Verfahren, wie z.B. im Fall von Kupfer, oder auch klassische Abscheideverfahren, wie die Sputter- und Aufdampftechnik. 1f zeigt den Bauteilaufbau nach einem Planarisierungsschritt, bei dem das auf der Rückseite des ASIC-Substrats 20 abgeschiedene, elektrisch leitfähige Material entfernt wurde, um die rückseitige Isolationsschicht 24 wieder freizulegen. Des Weiteren wurde zur elektrischen Isolation / Passivierung des ASIC Durchkontakts 29 eine Isolierschicht 31 auf der ASIC-Substratrückseite abgeschieden. Nur der Bondpadbereich 27 wurde freigelegt. Die Isolierschicht 31 kann aus einer oder auch aus mehreren Isolationsschichten, beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und/oder Aluminiumoxid bestehen, um eine geringe Feuchteaufnahme und/oder einen definierten Schichtstress der Isolierschicht 31 sicherzustellen. Eine derartige Isolierschicht verhindert, dass benachbarte Durchkontakte eines Bauteils im Rahmen der 2nd-Level-Montage kurzgeschlossen werden oder sich z.B. feuchtigkeitsbedingt Kriechströme zwischen benachbarten Durchkontakten ausbilden. Außerdem bildet eine derartige Isolierschicht auch einen mechanischen Schutz für die entsprechende Bauteiloberfläche.
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Alternativ zu dem voranstehend beschriebenen Planarisierungsschritt kann die Rückseite des ASIC-Substrats 20 auch lediglich soweit planarisiert werden, dass eine elektrisch leitfähige Schicht auf der ASIC-Rückseite verbleibt. Diese elektrisch leitfähige Schicht kann dann mittels Standardlithografie- und Ätzschritten strukturiert werden, um elektrische Anschlussbereiche für das Bauteil zu schaffen.
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In einer weiteren Verfahrensvariante werden die Durchkontaktöffnungen nicht vollständig mit einem elektrisch leitfähigen Material verfüllt. Statt dessen wird lediglich die Wandung der Durchkontaktöffnungen mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet. In diesem Fall kann das verbleibende Volumen der Durchkontaktöffnungen beispielsweise mit einem Polymer, einem Siliziumoxid, einem Siliziumnitrid, einem Siliziumoxinitrid, einem Siliziumkarbid oder durch Kombinationen aus diesen Schichten, welche mit bekannten Verfahren abgeschieden werden, verfüllt werden.
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In 2 ist ein Bauteil 200 dargestellt, das sich lediglich in der Geometrie der ASIC-Durchkontakte 29 von dem in 1e dargestellten Bauteil 100 unterscheidet. Während die Kontaktbereiche auf den Metallschichten 1 und 3 im Fall des Bauteils 100 als Ringkontakte konzipiert sind, erstrecken sich die Kontaktbereiche auf den Metallschichten 1 und 3 im Fall des Bauteils 200 lediglich um einen Teilabschnitt des Durchkontaktumfangs, so dass die ASIC-Durchkontakte 29 hier nicht symmetrisch zu ihrer Mittelachse sind. Im Fall des Bauteils 200 wurde die Bondpadöffnung 27 erst nachträglich erzeugt, d.h. erst nach der Herstellung des ASIC-Durchkontakts 29 und dem Aufbringen der rückseitigen Isolierschicht 31. Deshalb fehlt hier – im Unterschied zum Bauteil 100 – die Seitenwandpassivierung der Bondpadöffnung 27.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des in Verbindung mit den 1a bis 1f beschriebenen Bauteilaufbaus wird nachfolgen anhand der 3a bis 3d erläutert. Da die Prozessierung des MEMS-Substrats 10 und des ASIC-Substrats 20 sowie die Verbindung dieser beiden Substrate 10 und 20 sich nicht von dem voranstehend beschriebenen Verfahren unterscheidet, wird diesbezüglich auf die Erläuterungen zu den 1a und 1b verwiesen. Dasselbe gilt für die Realisierung des Schichtaufbaus auf der Rückseite des ASIC-Substrats 20 und die Herstellung von ASIC-Durchkontakten 29. Diesbezüglich wird auf die Erläuterungen zu den 1c bis 1f verwiesen.
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Ausgangspunkt für die in den 3a bis 3d dargestellte Verfahrensvariante ist die in 1e dargestellten Situation. Die Durchkontaktöffnung 25 für den ASIC-Durchkontakt wurde bereits erzeugt und erstreckt sich von der Rückseite des ASIC-Substrats 20 bis zur Funktionsschicht 13 des MEMS-Substrats 10. Auf den vertikal orientierten Wandungsbereichen der Durchkontaktöffnung 25 befindet sich eine elektrischen Passivierung 28. Die parallel zu den Schichtebenen orientierten Wandungsbereiche der Durchkontaktöffnung 25 liegen frei, insbesondere die Kontaktbereiche auf den Metallschichten 1 und 3 sowie die Oberfläche der Funktionsschicht 13. Die in 3a dargestellten, auf die Kappe 11 gerichteten Pfeile veranschaulichen, dass hier nun auch das Rückseitensubstrat 11 des MEMS-Substrats 10 abgedünnt wird, z.B. durch chemisch mechanisches Polieren oder Plasmaätzen. Wie im Fall des ASIC-Substrats 20 sollte auch die Restdicke des MEMS-Substrats 10 auf die Art der späteren Aufbau- und Verbindungstechnik abgestimmt sein und so gewählt werden, dass die mechanische Stabilität des Bauteils 300 während seiner 2nd-Level-Montage gewährleistet ist.
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Auf der so rückgedünnten Kappe 11 wird nun ebenfalls ein Schichtaufbau mit einer Mehrlagenmetallisierung erzeugt, der mehrere strukturierte Metallschichten 5, 6 eingebettet in eine Isolationsschicht 14 umfasst. 3b veranschaulicht, dass auch im Fall des kappenseitigen Schichtaufbaus Bereiche der strukturierten Metallschichten 5, 6 über Verbindungsleitungen miteinander verschaltet sind. Außerdem wurden die Durchkontaktöffnungen 25 im ASIC-Substrat 20 zwischenzeitlich mit einem elektrisch leitfähigen Material 29 verfüllt, wie in Verbindung mit 1f erläutert. Danach wurde die Rückseite des ASIC-Substrats 20 noch mit einer Isolierschicht 31 passiviert.
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In einem nächsten Verfahrensschritt werden zusätzlich zu den ASIC-Durchkontakten 29 nun auch noch MEMS-Durchkontakte zur externen elektrischen Kontaktierung des Bauteils 300 erzeugt, die vom kappenseitigen Schichtaufbau ausgehen. Dazu werden mit anisotropen Ätzverfahren zunächst Durchkontaktöffnungen 15 im MEMS-Substrat 10 erzeugt. Position und Öffnungsquerschnitt dieser Durchkontaktöffnungen 15 werden mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Maskierung des kappenseitigen Schichtaufbaus definiert und sind hier so gewählt, dass zumindest die dargestellte Durchkontaktöffnung 15 fluchtend zum ASIC-Durchkontakt 29 angeordnet ist. 3c veranschaulicht, dass auch die strukturierte Metallschicht 5 als Ätzstopp wirkt und so die tiefer liegenden Schichten des MEMS-Substrats 10 vor einem Ätzangriff schützt. Die relative Lage, Größe und Geometrie der Öffnungen in der kappenseitigen Maskierung und in den strukturierten Metallschichten 5, 6 definieren die Form der Durchkontaktöffnungen 15. Aufgrund des Versatzes zwischen diesen Öffnungen hat die in 3c dargestellte Durchkontaktöffnung 15 eine zur ihrer Mittelachse symmetrische Stufenform. Die als Ätzstoppgrenze bzw. Maskierung dienenden und nach der Strukturierung freiliegenden Bereiche der strukturierten Metallschichten 5 bilden hier eine ringförmige Kontaktfläche. Die Durchkontaktöffnung 15 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel über die gesamte Dicke des MEMS-Substrats 10 bis auf den ASIC-Durchkontakt 29, der bei der Strukturierung des MEMS-Substrats 10 als Ätzstopp fungiert. Demnach können durch ein geeignetes und aufeinander abgestimmtes Layout der kappenseitigen Maskierung und der einzelnen strukturierten Metallschichten 5, 6 und durch geeignete Wahl der Strukturierungsprozesse auch im MEMS-Substrat 10 bzw. im kappenseitigen Schichtaufbau stufenförmige Durchkontaktöffnungen 15 erzeugt werden. Zusammen mit der Durchkontaktöffnung 15 wurde auch eine Zugangsöffnung zur obersten Schaltungsebene 6 erzeugt, die in diesem Fall auch als Ätzstopp für den Strukturierungsprozess dient. Der so freigelegte Bereich der Metallschicht 6 kann als Bondpadbereich 17 für das Bauteil 300 genutzt werden. Denkbar ist es aber auch die Zugangsöffnung zur obersten Schaltungsebene 6 erst später im Herstellprozess zu realisieren, z. B. nach dem Verfüllen oder Planarisieren der Durchkontaktöffnung 15.
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3c zeigt das Bauelement 300, nachdem auf dem so strukturierten MEMS-Substrat 10 eine elektrische Passivierschicht 18 abgeschieden und, wie in Verbindung mit 1e erläutert, strukturiert worden ist, um die Kontaktbereiche auf der strukturierten Metallschicht 5 sowie auf dem ASIC-Durchkontakt 29 freizulegen.
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Der MEMS-Durchkontakt 19 entsteht schließlich durch Verfüllen der Durchkontaktöffnung 15 mit einem elektrisch leitfähigen Material. Dazu kann hier z. B. dasselbe elektrisch leitfähige Material verwendet werden wie für den ASIC-Durchkontakt 29. Aufgrund der Stufenform der Durchkontaktöffnung 15 und der freiliegenden Kontaktbereiche auf der Schaltungsebene 6 wird auf diese Weise eine elektrische Verbindung zwischen dem ASIC-Durchkontakt 29, der Schaltungsebene 5 des kappenseitigen Schichtaufbaus und der Oberseite des MEMS-Substrats 10 hergestellt. Im Ergebnis erhält man einen zusammenhängenden Durchkontakt 30, der sich über den gesamten Chipstapel des Bauteils 300 erstreckt und ausgewählte Schaltungsebenen kontaktiert, wie in 3d dargestellt.
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Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde auch auf der Oberseite des kappenseitigen Schichtaufbaus eine Isolierschicht 32 abgeschieden, zur elektrischen Isolation bzw. Passivierung des MEMS-Durchkontakts 19/30. Auch die Isolierschicht 32 kann aus einer oder mehreren Isolationsschichten beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Siliziumkarbid und/oder Aluminiumoxid bestehen, um z.B. eine geringe Feuchteaufnahme und/oder einen definierten Schichtstress der Isolierschicht sicherzustellen.
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Die 4 und 5 zeigen Bauteilvarianten, die sich lediglich in der Ausdehnung des MEMS-Durchkontakts 19 und/oder des ASIC-Durchkontakts 29 von dem in 3d dargestellten Bauteil 300 unterscheiden. So erstreckt sich der MEMS-Durchkontakt 19 im Fall des Bauteils 400 – 4 – lediglich durch den kappenseitigen Schichtaufbau bis auf die hochdotierte Funktionsschicht 13. Die Funktionsschicht 13 wird hier einerseits vom ASIC-Durchkontakt 29 kontaktiert und andererseits vom MEMS-Durchkontakt 19. Im Fall des in 5 dargestellten Bauteils 500 erstreckt sich der MEMS-Durchkontakt 19 sogar über das MEMS-Substrat 10 hinaus bis auf die oberste Schaltungsebene 1 des ASIC-Substrats 20, während der ASIC-Durchkontakt 29 sich lediglich bis zur Schaltungsebene 2 des ASIC-Substrats 20 erstreckt. Die Schaltungsebenen 1 und 2 sind hier über Vias elektrisch verbunden, so dass auch im Fall des Bauteils 500 eine elektrische Durchkontaktierung durch den gesamten Waferstack möglich ist.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die MEMS- und ASIC-Durchkontakte sowohl auf der hochdotierten Funktionsschicht des MEMS-Substrats stoppen können als auch auf einer der strukturierten Metallschichten des ASIC-Substrats oder des MEMS-Substrats. Die ASIC-Durchkontakte und die MEMS-Durchkontakte müssen nicht zwingend fluchtend zueinander angeordnet werden und müssen auch nicht zwingend elektrisch verbunden sein.
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6 veranschaulicht verschiedene Möglichkeiten der externen Kontaktierung eines erfindungsgemäßen Bauteils am Beispiel des Bauteils 500. So kann das Bauteil 500 beispielsweise in Flip-Chip-Technik über Lötbumps 501, 504 auf einer Leiterplatte montiert und elektrisch angeschlossen werden. Das Bauteil 500 kann aber auch über Drahtbonds 502, 503 elektrisch kontaktiert werden. Drahtbonds 502 können hier auf Bondpads 17 angeordnet werden. Dargestellt ist auch die Möglichkeit, Drahtbonds 503 auf Durchkontaktierungsbereichen 19 anzuordnen. Das Bauteil 500 könnte auch kappenseitig mit Lötbumps versehen werden, und zwar im Bereich des MEMS-Durchkontakts 19 und/oder im Bondpadbereichen 17, um es per Flip-Chip Technik auf einer Leiterplatte zu montieren. In diesem Fall wären Drahtbonds im Bereich des ASIC-Durchkontakts 29 und des Anschlusspads 27 vorzusehen.
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In den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die ASIC- und MEMS-Durchkontakte in Form von Öffnungen im jeweiligen Substrat realisiert, die vollständig mit einem elektrisch leitenden Material verfüllt sind. An dieser Stelle sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch ASIC- und MEMS-Durchkontakte umfasst, zu deren Herstellung eine elektrisch leitende Beschichtung auf die Wandung einer entsprechenden Öffnung im Substrat aufgebracht wird, bevor diese dann beispielsweise mit einem Polymer vollständig verfüllt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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