DE102018221108A1

DE102018221108A1 - Verfahren zum Einstellen eines Drucks in einer mithilfe eines Substrats und einer Substratkappe ausgebildeten Kaverne, Halbleitersystem, insbesondere Wafersystem

Info

Publication number: DE102018221108A1
Application number: DE102018221108.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-06-10
Also published as: CN111285325A; US11274038B2; US20200180947A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Drucks in einer mithilfe eines Substrats (1) und einer Substratkappe (2) ausgebildeten Kaverne (10), wobei die Kaverne (10) Teil eines Halbleitersystems, insbesondere Wafersystems, ist, wobei das Halbleitersystem eine mithilfe des Substrats (1) und der Substratkappe (2) ausgebildete weitere Kaverne (6) umfasst, wobei in der Kaverne (10) ein mikroelektromechanisches System (3) angeordnet ist, wobei in der weiteren Kaverne (6) ein weiteres mikroelektromechanisches System (7) angeordnet ist, wobei ein Diffusionsbereich in dem Substrat (1) und/oder der Substratkappe (2) angeordnet ist, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Diffusionsschritt umfasst:-- im Diffusionsschritt diffundiert ein Gas mithilfe des Diffusionsbereichs (20) von einer Umgebung (21) in die Kaverne (10), wobei-- während des Diffusionsschritts eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung (21) in die Kaverne (10) höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung (21) in die weitere Kaverne (6), und/oder-- während des Diffusionsschritts die weitere Kaverne (6) vor einem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne (6) zumindest im Wesentlichen geschützt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Drucks in einer mithilfe eines Substrats und einer Substratkappe ausgebildeten Kaverne, wobei die Kaverne Teil eines Halbleitersystems, insbesondere Wafersystems, ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Halbleitersystem, insbesondere Wafersystem, umfassend eine mithilfe eines Substrats und einer Substratkappe ausgebildete Kaverne.
In der Halbleitertechnik werden mikroelektromechanische Systeme (MEMS), insbesondere Sensoren, in Kavernen bzw. Hohlräumen angeordnet. Dabei ist es das Ziel, in den Kavernen einen Arbeitsdruck bzw. Betriebsdruck für das MEMS auszubilden, der einen möglichst optimalen Betrieb des entsprechenden MEMS gewährleistet. Derartige MEMS können beispielsweise zur Messung von Beschleunigungen, Drehraten, Magnetfeldern oder ggf. Drücken ausgebildet sein und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt.
Um den Druck in einer Kaverne für einen bestimmten Sensor einzustellen, sind diverse Techniken bekannt. Bei Resealtechniken wird nach dem Waferbonden (oder Verschluss mittels einer Dünnschichtkappentechnologie) die Kaverne geöffnet, ein geeigneter Innendruck eingestellt, und die Kaverne anschließend wieder verschlossen. Der Verschluss kann beispielsweise über eine Dünnschichtabscheidung oder über einen Laserreseal ( DE 10 2014 202 801 A1 ) erfolgen, bei dem ein oberflächennaher Umgebungsbereich um ein Zugangsloch durch lokalen Wärmeeintrag mittels eines Lasers lokal aufgeschmolzen wird.
Es ist ferner bekannt, dass Gasteilchen eine gewisse Permeabilität durch Materialschichten aufweisen können, dass sie also durch bestimmte Festkörper hindurch diffundieren können. Der Diffusionseffekt oder Leckgasstrom ist proportional zur Partialdruckdifferenz, zur Querschnittsfläche der mit dem Gas beaufschlagten Fläche und invers proportional zur Dicke der Materialschicht. Er ist ferner stark (insbesondere exponentiell) temperaturabhängig, ist also bei hohen Temperaturen wesentlich stärker ausgeprägt als bei Raumtemperatur. Die DE 10 2005 001 449 B3 beschreibt diesbezüglich, dass bei einem Halbleiterbauelement mit einem Halbleiteroxidbereich zwischen einem Hohlraum und einer Außenoberfläche des Halbleiterbauelements der Halbleiteroxidbereich als eine Art Ventil zum Durchlassen eines bestimmten Edelgases verwendet werden kann, um einen vorgegeben Innendruck zu erzielen.
Um die Wirtschaftlichkeit und Funktionsfähigkeit von MEMS zu verbessern, sind insbesondere in der Consumer-Elektronik eine Kostenreduktion und die weitere Miniaturisierung der Bauelemente vordringlich. Eine Erhöhung der Integrationsdichte (also Realisierung von mehr Funktionalität auf gleichem Bauraum) von MEMS-Sensoren ist daher erstrebenswert. Hierfür werden in jüngerer Zeit beispielsweise vermehrt Drehraten- und Beschleunigungssensoren auf einem gemeinsamen Chip angeordnet.
Eine der Herausforderungen bei der Kombination unterschiedlicher Sensoren auf einem gemeinsamen Chip, beispielsweise bei der Kombination von Drehraten- und Beschleunigungssensoren, liegt in den unterschiedlichen optimalen Betriebsdrücken der Sensoren.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Einstellen eines Drucks in einer mithilfe eines Substrats und einer Substratkappe ausgebildeten Kaverne, wobei die Kaverne Teil eines Halbleitersystems, insbesondere Wafersystems, ist, bereitzustellen, welches eine effiziente, flexible und/oder kostengünstige Erhöhung der Integrationsdichte ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einstellen eines Drucks in einer mithilfe eines Substrats und einer Substratkappe ausgebildeten Kaverne gemäß dem Hauptanspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mithilfe eines Diffusionsschritts unterschiedliche Drücke bzw. Innendrücke in einer Kaverne und einer weiteren Kaverne eines Halbleitersystems ausgebildet werden können. Erfindungsgemäß kann mithilfe des Diffusionsbereichs eine im Vergleich zur Diffusion in die weitere Kaverne erhöhte Gasdiffusion in die Kaverne stattfinden. Hierdurch ist eine kosteneffiziente und zuverlässige Druckeinstellung für unterschiedliche MEMS möglich, wodurch die Integrationsdichte besonders vorteilhaft erhöht werden kann. Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß nur eine sehr geringe oder keine Zusatzfläche des Chips zur Ausbildung des Diffusionszugangs benötigt.
Ferner kann auf potentiell invasive Techniken, wie Laserreseals, verzichtet werden. Hierdurch kann das Schmauch-Risiko reduziert werden. Ferner entsteht keine ungewollte Topographie, wie es bei Laserresealprozessen typischerweise der Fall ist.
Erfindungsgemäß kann darunter, dass die weitere Kaverne während des Diffusionsschritts vor einem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne zumindest im Wesentlichen geschützt ist, insbesondere verstanden werden, dass keine oder eine im Vergleich zur Diffusion in die Kaverne deutlich geringere Diffusion in die weitere Kaverne stattfindet.
Bevorzugt ist die Diffusivität (oder der Diffusionsfluss oder die Diffusionsrate) in die Kaverne mindestens 25 mal, besonders bevorzugt mindestens 50 mal, größer als die weitere Diffusivität (oder der weitere Diffusionsfluss oder die weitere Diffusionsrate) in die weitere Kaverne. Beispielsweise kann somit bei einem Verhältnis der Diffusionsraten von 1 : 100, ein Innendruck von 0.5 mbar in der weiteren Kaverne und ein Innendruck von 50 mbar in der Kaverne eingestellt werden.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhafterweise denkbar, dass das mikroelektromechanische System und das weitere mikroelektromechanische System als MEMS unterschiedlichen Typs ausgebildet sind. Insbesondere weisen das MEMS und das weitere MEMS unterschiedliche optimale Arbeitsdrücke auf. Beispielsweise kann es sich bei dem mikroelektromechanischen System um einen Beschleunigungssensor und bei dem weiteren mikroelektromechanischen System um einen Drehratensensor handeln.
Idealerweise wird ein Drehratensensor bei einem guten Vakuum, typischerweise zwischen 0,1 mbar und 2 mbar betrieben, während ein Beschleunigungssensor zumindest kritisch gedämpft sein sollte. Ein Beschleunigungssensor wird daher typischerweise bei Innendrücken in der Größenordnung von 100 mbar oder allgemeiner 30 mbar bis 1000 mbar betrieben. Für den gleichzeitigen Betrieb von Drehraten- und Beschleunigungssensor auf einem Chip ist es daher vorteilhaft, in einem hermetisch verkappten Chip zwei getrennte Kavernenvolumina mit unterschiedlichen Innendrücken zu bilden.
Bei dem Gas kann es sich erfindungsgemäß bevorzugt um Neon handeln. Aber auch andere Gassorten wie Helium oder Wasserstoff bzw. Gasgemische kommen infrage. Vorteilhafterweise sollte es sich um ein Gas bzw. Gasgemisch handeln, welches eine relativ hohe Permeabilität durch das Material des Diffusionsbereichs, insbesondere durch ein Oxid, aufweist.
Bei der Verwendung von Neon muss aufgrund der hohen Viskosität vorteilhafterweise nur ein vergleichsweise niedriger Innendruck in einer Kaverne eingestellt werden, um einen guten Dämpfungseffekt zu erzielen.
Während des Diffusionsschritts wird das Halbleitersystem insbesondere einer Gasatmosphäre, insbesondere einer Neongasatmosphäre, bei erhöhten Temperaturen von einigen 100°C (und bevorzugt erhöhtem Druck) ausgesetzt. Bei solchen Bedingungen können die Gasatome mithilfe des Diffusionsbereichs in das Innere der Kaverne diffundieren.
Weiterhin wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Einstellen eines Drucks in einer mithilfe eines Substrats und einer Substratkappe ausgebildeten Kaverne, wobei die Kaverne Teil eines Halbleitersystems, insbesondere Wafersystems, ist, wobei das Halbleitersystem eine mithilfe des Substrats und der Substratkappe ausgebildete weitere Kaverne umfasst, wobei in der Kaverne ein mikroelektromechanisches System angeordnet ist, wobei in der weiteren Kaverne ein weiteres mikroelektromechanisches System angeordnet ist, wobei ein Diffusionsbereich in dem Substrat und/oder der Substratkappe angeordnet ist, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Diffusionsschritt umfasst:

-- im Diffusionsschritt diffundiert ein Gas mithilfe des Diffusionsbereichs aus der Kaverne in eine Umgebung,

-- während des Diffusionsschritts eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases aus der Kaverne in die Umgebung höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases aus der weiteren Kaverne in die Umgebung, und/oder
-- während des Diffusionsschritts die weitere Kaverne vor einem Austreten des Gases in die Umgebung zumindest im Wesentlichen geschützt ist. Das Verfahren hat den Vorteil, dass mithilfe des Diffusionsschritts unterschiedliche Drücke bzw. Innendrücke in der Kaverne und der weiteren Kaverne des Halbleitersystems ausgebildet werden können. Erfindungsgemäß kann mithilfe des Diffusionsbereichs insbesondere eine im Vergleich zur Diffusion aus der weiteren Kaverne erhöhte Diffusion aus der Kaverne stattfinden. Hierdurch ist eine kosteneffiziente und zuverlässige Druckeinstellung für unterschiedliche MEMS möglich, wodurch die Integrationsdichte besonders vorteilhaft erhöht werden kann. Insbesondere kann auf potentiell invasive Techniken, wie Laserreseals, vorteilhafterweise verzichtet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass der Diffusionsbereich ein Oxid aufweist, wobei der Diffusionsbereich insbesondere aus einem Oxid besteht, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, eine effiziente Diffusion eines Gases in die Kaverne mithilfe des Diffusionsbereichs zu ermöglichen.
Dadurch, dass der Diffusionsbereich zumindest während des Diffusionsschritts die Kaverne mit einer der Umgebung zugewandten Substratoberfläche und/oder einer der Umgebung zugewandten Substratkappenoberfläche durchgehend verbindet, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, einen Diffusionsbereich mit besonders genau definierbaren Eigenschaften für die Kaverne bereitzustellen. Die Diffusionseigenschaften können dabei insbesondere durch die Geometrie des Diffusionsbereichs eingestellt werden.
Dadurch, dass in einem Vorschritt, vor dem Diffusionsschritt, eine Aussparung im Substrat an einer der Umgebung zugewandten Substratoberfläche und/oder in der Substratkappe an einer der Umgebung zugewandten Substratkappenoberfläche erzeugt wird, wobei sich die Aussparung bis zum Diffusionsbereich erstreckt und den Diffusionsbereich insbesondere freilegt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, die Diffusionseigenschaften besonders präzise und reproduzierbar einzustellen. Mithilfe der Aussparung kann insbesondere eine Grenzfläche des Diffusionsbereichs definiert werden, an der ein Eintritt von Gasatomen möglich ist. Die Größe dieser Grenzfläche hat direkten Einfluss auf den Diffusionsfluss während des Diffusionsschritts.
Dadurch, dass der Vorschritt während eines Ätzschritts zur Erzeugung einer Silizium-Durchkontaktierung, Through Silicon Vias (TSV) stattfindet, wobei insbesondere die Aussparung während des Ätzschritts zur Erzeugung einer Silizium-Durchkontaktierung erzeugt wird, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, die Aussparung besonders kostensparend auszubilden. Insbesondere kann hierdurch vorteilhafterweise auf das Einfügen eines gesonderten Prozessschritts für die Erzeugung der Aussparung in den Herstellungsprozess verzichtet werden.
Dadurch, dass eine elektrische Isolation der Silizium-Durchkontaktierung mithilfe der Aussparung ausgebildet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine besonders platzsparende und effiziente Aussparung zur Freilegung des Diffusionsbereichs auszubilden, die gleichzeitig zur Isolation einer Durchkontaktierung beiträgt.
Alternativ ist es erfindungsgemäß denkbar, dass es sich bei der Aussparung um eine von der Erzeugung und Isolation der Durchkontaktierung separate Aussparung handelt, die ggf. dennoch im gleichen Ätzschritt erzeugt wird.
Erfindungsgemäß ist demnach eine vorteilhafte Kombination mit TSV last-Ansätzen denkbar. Hierbei kommen sowohl MEMS-TSVs (im Substrat) als auch ASIC-TSVs (in der Substratkappe) infrage. In beiden Fällen ist es denkbar, dass die beim Anlegen der TSVs benötigten Gräben/Aussparungen durch den MEMS- oder ASIC-Wafer als Gaszugang und die nur wenige Mikrometer dicken Oxidschichten im MEMS- oder ASIC-Wafer als Diffusionsschicht bzw. Diffusionsbereich genutzt werden. Für beide TSV-Typen ist anschließend ohne Zusatzaufwand im Prozess ein gasdichter Verschluss denkbar, so dass die Rückdiffusion von Neon aus der Kaverne wirksam unterbunden wird.
Dadurch, dass angrenzend an den Diffusionsbereich ein Kanal im Substrat oder in der Substratkappe ausgebildet ist, wobei insbesondere das Gas im Diffusionsschritt mithilfe des Diffusionsbereichs und des Kanals von der Umgebung in die Kaverne gelangt oder aus der Kaverne in die Umgebung gelangt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass zusätzlich zum Diffusionsbereich ein freier Kanal bereitgestellt wird, der die Eindringrate in die Kaverne (oder die Austrittsrate aus der Kaverne) während des Diffusionsschritt erhöht. Somit können besonders hohe Diffusionsraten ermöglicht werden.
Dadurch, dass die Substratkappe als anwendungsspezifische integrierte Schaltung-Wafer, Application-Specific Integrated Circuit-Wafer, ASIC-Wafer, ausgebildet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine vorteilhafterweise besonders platzsparende und funktionsfähige Anordnung bereitgestellt werden kann.
Dadurch, dass der Diffusionsbereich in einer oder mehreren Diffusionsschichten, insbesondere einer oder mehreren Oxidschichten, des Substrats oder der Substratkappe ausgebildet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Diffusionsbereichs bereitzustellen.
Dadurch, dass die Diffusionsschicht oder die mehreren Diffusionsschichten eine Diffusionsstoppbarriere aufweisen, wobei insbesondere die Diffusionsstoppbarriere die weitere Kaverne während des Diffusionsschritts vor dem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne oder vor dem Austreten des Gases aus der weiteren Kaverne zumindest im Wesentlichen schützt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die weitere Kaverne im Diffusionsschritt mithilfe der Diffusionsstoppbarriere vor einem Eindringen des Gases (oder einem Austreten des Gases) zumindest teilweise geschützt wird. Es ist dabei insbesondere möglich, dass die Diffusionsschicht bzw. die mehreren Diffusionsschichten auch an die weitere Kaverne angrenzen, jedoch mithilfe der Diffusionsstoppbarriere unterbrochen sind. Die Diffusionsstoppbarriere kann beispielsweise aus Silizium oder einem Metall gefertigt sein.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Diffusionsschicht nicht an die weitere Kaverne angrenzt und derart ein Eindringen (oder Austreten) des Gases im Diffusionsschritt in die weitere Kaverne zumindest im Wesentlichen verhindert wird.
Alternativ ist es denkbar, dass die Diffusionsschicht bzw. die Diffusionsschichten an die weitere Kaverne angrenzen (und keine Diffusionsstoppbarriere vorhanden ist, die die weitere Kaverne schützt). Stattdessen ist die Diffusionsschicht derart ausgebildet, dass ein Diffusionsweg (ausgebildet mithilfe des Diffusionsbereichs) von der Umgebung in die Kaverne eine (wesentlich) höhere Diffusivität aufweist als ein weiterer Diffusionsweg von der Umgebung in die weitere Kaverne. Somit können die die Gasdiffusion bestimmenden Parameter im Diffusionsschritt derart eingestellt werden, dass eine ausreichende Gasdiffusion in die Kaverne stattfindet und gleichzeitig eine im Vergleich dazu wesentlich geringere Diffusion in die weitere Kaverne stattfindet.
Dadurch, dass ein Vereinzelungsteilschritt zumindest teilweise vor dem Diffusionsschritts durchgeführt wird, wobei während des Vereinzelungsteilschritts, und insbesondere vor dem Diffusionsschritt, ein Graben in dem Substrat und/oder der Substratkappe erzeugt wird, wobei sich der Graben zumindest bis zum Diffusionsbereich und/oder zumindest bis zur Diffusionsschicht erstreckt, wobei der Graben bevorzugt zumindest das Substrat oder die Substratkappe vollständig durchdringt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Gasbefüllung der Kaverne als Teil der Vereinzelung eines Wafers durchgeführt wird und somit effizient und kosteneffizient in den Herstellungsprozess integriert werden kann. Bei der Vereinzelung wird der Wafer in einzelne Chips aufgeteilt, insbesondere mithilfe eines Sägeprozesses. Bei diesem Sägeprozess wird der Graben erzeugt, der den Diffusionsbereich freilegt. Die Vereinzelung des Wafersystems wird dabei bevorzugt vor dem Diffusionsschritt nicht vollständig durchgeführt, Substrat und Substratkappe werden also bevorzugt vor dem Diffusionsschritt nicht vollständig gesägt. Stattdessen wird bei einer gewissen Tiefe des Grabens gestoppt und anschließend der Diffusionsschritt durchgeführt. Die Vereinzelung wird dann nach dem Diffusionsschritt vollendet. Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die Kaverne und die weitere Kaverne auf einem einzigen fertigen Chip angeordnet sind, der somit das MEMS und das weitere MEMS aufweist. Ggf. kann der Chip auch noch weitere MEMS und entsprechende Kavernen aufweisen.
Dadurch, dass in einem weiteren Schritt, nach dem Diffusionsschritt, der Diffusionsbereich und/oder eine sich bis zum Diffusionsbereich erstreckende Aussparung im Substrat oder in der Substratkappe mit einem Diffusionsschutz verschlossen wird, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, die Kaverne besonders vorteilhaft vor einer Druckänderung während des späteren Betriebs und über die Lebenszeit der Bauteile zu schützen. Dabei kann sowohl eine direkte Bedeckung stattfinden als auch vor dem Auftrag des Diffusionsschutzes eine oder mehrere weitere Schichten auf dem Diffusionsbereich oder der Aussparung angeordnet werden. Alternativ ist es denkbar, dass der Diffusionsbereich derart ausgebildet wird (bezüglich des verwendeten Materials und seiner Geometrie), dass zwar während des Diffusionsschritts die nötige Diffusion in die Kaverne möglich ist, nach dem Diffusionsschritt im späteren Betrieb des MEMS jedoch kaum bzw. keine wesentliche Druckänderung mehr stattfindet. Dies ist dadurch möglich, dass der Diffusionsschritt bei einer erhöhten Temperatur und einem vorgegebenen, insbesondere erhöhten, Gasdruck in der Umgebung stattfinden kann.
Durch geeignete Dimensionierung des Diffusionsbereichs bzw. der Ausbildung mehrerer Diffusionsbereiche ist es erfindungsgemäß denkbar, dass mehr als zwei Kavernen mit unterschiedlichem Gasdruck befüllt werden. Beispielsweise kann eine Kaverne eines Drehratensensors mit sehr kleinem Innendruck p1 < 1 mbar (wie beim Waferbonden eingestellt) befüllt werden, eine Kaverne eines Drucksensors mit einem mittleren Innendruck p2 ~ 10 mbar und eine Kaverne eines Beschleunigungssensors mit einem hohen Innendruck p3 ~ 100 mbar. Die Kaverne des Drehratensensors umfasst dabei beispielsweise keinen Diffusionsbereich, der Drucksensor einen kleinflächigen (oder dicken) Diffusionsbereich und der Beschleunigungssensor eine großflächigen (oder dünnen) Diffusionsbereich. Hierdurch ist es erfindungsgemäß denkbar, ohne nennenswerten Mehraufwand, durch eine Anpassung der Geometrien, eine ganze Staffel von unterschiedlichen Innendrücken in voneinander separierten Kavernen darzustellen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleitersystem, insbesondere Wafersystem, umfassend eine mithilfe eines Substrats und einer Substratkappe ausgebildete Kaverne und eine mithilfe des Substrats und der Substratkappe ausgebildete weitere Kaverne, wobei in der Kaverne ein mikroelektromechanisches System angeordnet ist, wobei in der weiteren Kaverne ein weiteres mikroelektromechanisches System angeordnet ist, wobei ein Diffusionsbereich in dem Substrat und/oder der Substratkappe angeordnet ist, wobei der Diffusionsbereich derart ausgebildet ist, dass mithilfe des Diffusionsbereichs eine Diffusion eines Gases von einer Umgebung in die Kaverne durchführbar ist, wobei

-- eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung in die Kaverne höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung in die weitere Kaverne, und/oder
-- die weitere Kaverne vor einem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne zumindest im Wesentlichen geschützt ist.

Ein noch weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleitersystem, insbesondere Wafersystem, umfassend eine mithilfe eines Substrats und einer Substratkappe ausgebildete Kaverne und eine mithilfe des Substrats und der Substratkappe ausgebildete weitere Kaverne, wobei in der Kaverne ein mikroelektromechanisches System angeordnet ist, wobei in der weiteren Kaverne ein weiteres mikroelektromechanisches System angeordnet ist, wobei ein Diffusionsbereich in dem Substrat und/oder der Substratkappe angeordnet ist, wobei der Diffusionsbereich derart ausgebildet ist, dass mithilfe des Diffusionsbereichs eine Diffusion eines Gases aus der Kaverne in eine Umgebung durchführbar ist, wobei

-- eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases aus der Kaverne in die Umgebung höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases aus der weiteren Kaverne in die Umgebung, und/oder
-- die weitere Kaverne vor einem Austreten des Gases aus der weiteren Kaverne zumindest im Wesentlichen geschützt ist.

Für die erfindungsgemäßen Halbleitersysteme können die Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile Anwendung finden, die im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilbereichs eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilbereichs eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 5, 6, 7, und 8 zeigen schematisch Prozessschritte zur Herstellung der in 4 dargestellten Ausführungsform eines Halbleitersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 10, 11, 12, 13 und 14 zeigen schematisch Prozessschritte zur Herstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 17, 18, 19, 20 und 21 zeigen schematisch Prozessschritte zur Herstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 22, 23, 24 und 25 zeigen schematisch Prozessschritte zur Herstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Teilbereichs eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System umfasst ein Substrat 1 und eine Substratkappe 2. Substrat 1 und Substratkappe 2 sind durch einen Bondrahmen 33 derart miteinander verbunden, dass eine Kaverne 10 bzw. ein Hohlraum 10 ausgebildet ist. In der Kaverne 10 befindet sich ein mikroelektromechanisches System 3, das zumindest teilweise in der MEMS-Funktionsschicht 3' ausgebildet ist. Ferner ist erfindungsgemäß eine weitere Kaverne 6 mit einem weiteren mikroelektromechanischen System 7 vorhanden, welche in 1 nicht dargestellt sind. Die weitere Kaverne 6 kann beispielsweise rechts neben der dargestellten Kaverne 10 angeordnet sein.
Unterhalb der MEMS-Funktionsschicht 3' sind eine oder mehrere Diffusionsschichten 26 angeordnet. Diese können als mehrere Teilschichten oder eine durchgängige Schicht ausgebildet sein. Typischerweise umfassen die Diffusionsschicht(en) 26 ein Oxid. Als Teil der Diffusionssicht(en) ist der Diffusionsbereich 20 ausgebildet. Der Diffusionsbereich 20 verbindet das Innere der Kaverne 10 mit der Umgebung 21 bzw. mit der der Umgebung 21 zugewandten Substratoberfläche 1'. Hierfür ist eine Aussparung 22 in der MEMS-Funktionsschicht 3' des Substrats 1 vorhanden, die den Diffusionsbereich 20 nach außen freilegt. Angrenzend an die Aussparung 22 und außerhalb des Kappenbereichs ist ein Bondpad 31 mit einer Aluminium-Schicht zum elektrischen Kontaktieren des mikroelektromechanischen Systems 3 mithilfe eines Drahtbonds angeordnet. Das Bondpad 31 ist über die Leiterbahnebene 30 elektrisch leitfähig mit Komponenten des mikroelektromechanischen System 3 verbunden. In einem Diffusionsschritt diffundiert ein Gas, bevorzugt Neon, durch den Diffusionsbereichs 20 von der Umgebung 21 in die Kaverne 10. Diese Diffusion ist in 1 durch die Pfeile ausgehend von Aussparung 22 über den Diffusionsbereich 20 ins Innere der Kaverne 10 schematisch dargestellt. Während des Diffusionsschritts ist die Diffusivität und/oder der Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung 21 in die Kaverne 10 höher als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung 21 in die in 1 nicht dargestellte weitere Kaverne 6. Es ist möglich, dass die weitere Kaverne 6 während des Diffusionsschritts vor einem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne 6 zumindest im Wesentlichen geschützt ist. Hierfür ist unter anderem die Diffusionsstoppbarriere 27 in den Diffusionsschichten 26 zwischen der Kaverne 10 und der nicht dargestellten weiteren Kaverne 6 ausgebildet. Somit kann eine Diffusion des Gases aus der Kaverne 10 in die weitere Kaverne 6 verhindert werden. Während des Diffusionsschritts wird das Halbleitersystem einer Gasatmosphäre, insbesondere einer Neongasatmosphäre, bei erhöhten Temperaturen von einigen 100°C ausgesetzt. Bei solchen Bedingungen können die Gasatome mithilfe des Diffusionsbereichs 20 in das Innere der Kaverne 10 diffundieren. Der Diffusionsweg ist in diesem Fall relativ lang (typische Breiten des Bondrahmens 33 liegen in der Größenordnung 100 µm), so dass der Diffusionsprozess eher langsam verläuft, da die Diffusionsrate invers proportional zur Weglänge im Diffusionsbereich 20 bzw. im Oxid ist.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Teilbereichs eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die in der 2 dargestellt Ausführungsform entspricht der in 1 dargestellten Ausführungsform mit den folgenden Unterschieden. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform angrenzend an den Diffusionsbereich 20 ein Kanal 25 im Substrat 1 ausgebildet. Das Gas dringt im Diffusionsschritt mithilfe des Diffusionsbereichs 20 und des Kanals 25 von der Umgebung 21 in die Kaverne 10 ein. Der Kanal 25 umfasst hierfür insbesondere einen hohlen Kernbereich, der den Gasfluss erleichtert. Typischerweise sind mehrere solcher Kanäle 25 vorhanden. Der Diffusionsweg im Oxid ist durch diese kleinen offenen Kanäle 25 wesentlich verkürzt.
Solche Kanäle 25 können auf verschiedene Weisen gebildet werden, gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform z. B. durch Trenchen eines schmalen Grabens in Silizium, beispielsweise in der Leiterbahnebene 30, und anschließende Oxidabscheidung. Der Graben kann dann wegen der höheren Depositionsrate an der Grabenoberseite mit Oxid verschlossen werden, bevor er in der Tiefe komplett mit Oxid verfüllt ist. Dadurch entsteht der (Hohl)-Kanal 25, durch welchen Gase nahezu ungehindert hindurch diffundieren können.
Eine alternative Form der Kanalbildung ist im rechten Teilbild der 3 dargestellt. In diesem Fall wird ein größerer (Ätz-) Kanal 25 angelegt, indem die Polysilizium-Schicht 35 zweimal strukturiert wird und mehrere Oxidschichten abgeschieden und strukturiert werden. In 3 ist eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der linke Teil von 3 zeigt dabei eine schematische Aufsicht auf das Halbleitersystem. Die Kaverne 10 mit dem mikroelektromechanischen System 3 und die weitere Kaverne 6 mit dem weiteren mikroelektromechanischen System 7 sind dargestellt. Das mikroelektromechanische System 3 ist über Leiterbahnen 38 mit Ätzkanälen 25 in der Polysilizium-Schicht 35 elektrisch mit den Bondpads 31 zum Drahtbonden verbunden. Die weitere Kaverne 6 wird zumindest teilweise von einer Diffusionsstoppbarriere 27 umgeben. Das weitere mikroelektromechanische System 7 ist mithilfe von weiteren Leiterbahnen 38', die in der unteren Verdrahtungsebene 36 angeordnet sind, mit weiteren Bondpads 31 verbunden. Die Diffusionsstoppbarriere 27 weist Unterbrechungen zur Durchführung der weiteren Leiterbahnen 38' auf. Im rechten Teil der Figur ist ein entsprechender schematischer Querschnitt durch ein Schichtsystem des Substrats 1 gezeigt.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, ist es möglich, über die lokale Ausbildung von Gaskanälen 25 die Diffusionsraten ins Kaverneninnere eines MEMS-Elements massiv zu erhöhen. Hierdurch kann die Einstellung von zwei verschiedenen Kavernendrücken für auf einem Chip kombinierte MEMS-Elemente 3, 7, beispielsweise für einen kombinierten Drehraten- und Beschleunigungssensor, mittels unterschiedlicher Gasdiffusion in die beiden getrennten Kavernen 10, 6 besonders vorteilhaft vorgenommen werden.
Das Halbleitersystem wird dafür beim Waferbonden mit einem sehr geringen Gasdruck oder Vakuum beaufschlagt, so dass sich in beiden Kavernen 10, 6 zunächst ein sehr niedriger Innendruck ausbildet, der beispielsweise für den Betrieb des Drehratensensors optimal ist.
Anschließend wird der Wafer bei erhöhten Temperaturen einer Gasatmosphäre, bevorzugt einer Neonatmosphäre, ausgesetzt. Dabei erfolgt in die Kaverne 10 des Beschleunigungssensors eine rasche Gasdiffusion, da hier nur sehr kurze Pfade durch ein Oxid des Diffusionsbereichs 20 durchdrungen werden müssen. Der Diffusionsweg zwischen Bondpads 31 und Kaverneninnerem wird in diesen Ausführungsformen durch die Kanäle 25, die bevorzugt parallel zu den Leiterbahnen verlaufen, massiv verkürzt. Zudem weist der Bondrahmen keine Diffusionsstoppbarriere im Bereich des mikroelektromechanischen Systems 3 auf. Die weitere Kaverne 6 des weiteren mikroelektromechanischen Systems 7 ist hingegen mithilfe von Diffusionsstoppbarrieren 27 vor dem Eindiffundieren von Neon geschützt. In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Diffusionsstoppbarriere 27 (der weiteren Kaverne 6) lediglich in unmittelbarer Umgebung der Leiterbahnführungen unterbrochen. Die für Neonatome zugänglichen Oxideintrittsflächen in die weitere Kaverne 6 sind daher sehr klein, zudem sind die Diffusionswege bevorzugt sehr lang. Entsprechend kann in vorteilhafter Weise ein sehr hohes Verhältnis der Neondiffusion zwischen den beiden Kavernen 10, 6 ermöglicht werden.
Besonders bevorzugt lässt sich das Verhältnis der Diffusionsraten in die beiden Kavernen 6, 10 auf Werte von 1 : 50 oder noch weniger einstellen, so dass z. B. bei einem Verhältnis von 1 : 100 ein Innendruck von 0.5 mbar in der weiteren Kaverne 6, aber 50 mbar in der Kaverne 10 einstellbar ist.
In den 1 bis 3 erfolgt die Gasdiffusion im Substrat 1 im Wesentlichen unterhalb des Bondrahmens ausgehend vom Bondpadbereich, da nur in der Umgebung der Bondpads 31 mithilfe der Aussparung 20 im Waferverbund Oxidflächen exponiert sind. Die übrigen drei Seiten des Chips werden von Nachbarchips begrenzt, so dass nur nicht-permeable Siliziumflächen exponiert sind (insbesondere die Oberseite der Substratkappe 2 bzw. Unterseite des MEMS-Substrats 1).
In 4 ist eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen werden bei der in 4 gezeigten Ausführungsform im Substrat 1 Airgap-Silizium-Durchkontaktierungen 24 (Airgap-Trough Silicon Vias, TSV) angelegt. Dadurch kann auf Bondpads 31 verzichtet werden. Mit dem Trenchprozess durch das Substrat 1 bzw. einen Teil des Substrats 1 zur Isolierung der Silizium-Durchkontaktierungen 24 kann gleichzeitig eine Aussparung 22 in Form eines Grabens als Gaskanal ausgebildet werden. Insbesondere ist bei der in 4 dargestellten Ausführungsform die Aussparung 22 zur Freilegung des Diffusionsbereichs 20 eine von der Isolation der Silizium-Durchkontaktierungen 24 verschiedene Aussparung. Diese Aussparung 22 stoppt ebenfalls auf der untersten Diffusionsschicht 26 im Substrat 1 bzw. MEMS-Wafer. Insbesondere erstreckt sich die Aussparung 22 bis zum Diffusionsbereich 20. Durch den Diffusionsbereich 20 entsteht somit ein sehr kurzer Diffusionsweg ins Innere der Kaverne 10. Für die weitere Kaverne 6 ist hingegen ein deutlich längerer Diffusionsweg 40 durch das Siliziumdioxid der Diffusionsschichten 26 gegeben. Durch die stark erhöhte Länge des Diffusionswegs 40 findet bei einem Diffusionsschritt nur eine sehr geringe bzw. keine nennenswerte Gasdiffusion in die weitere Kaverne 6 statt, während der deutlich kürzere Diffusionsweg durch den Diffusionsbereich 20 in die Kaverne 10 die gewollte (höhere) Diffusion ermöglicht. Entsprechend sind während des Diffusionsschritts die Diffusivität und der Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung 21 in die Kaverne 10 höher als die weitere Diffusivität und der weitere Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung 21 in die weitere Kaverne 6. Gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung ist es denkbar, dass durch eine Metallabscheidung im Bereich der Aussparungen 22 ein Diffusionsschutz 47 gebildet wird, der eine Rückdiffusion von Neon aus dem Bauelement heraus wirksam verhindert.
In den 5, 6, 7, und 8 sind schematisch Prozessschritte zur Herstellung der in 4 dargestellten Ausführungsform eines Halbleitersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dargestellt ist nur die rechte Hälfte des Chips aus 4. 5 zeigt das Substrat 1 und die Substratkappe 2 nach dem Bonden.
In 6 ist dargestellt, dass mithilfe einer Oxidabscheidung 41 und Strukturierung 42 auf der Rückseite des Substrats 1 ein Oxidgitter entsteht. Mithilfe des Oxidgitters wird - während des Ätzschritts zur Erzeugung der Isolationsgräben der Silizium-Durchkontaktierungen 24 - eine Aussparung 22 in dem Substrat 1 erzeugt. Danach erfolgt die Befüllung der Kaverne 10 mit Neon mittels Diffusion durch das Oxid im Diffusionsbereich 20 bei erhöhten Temperaturen. Der sehr kurze Diffusionsweg durch den Diffusionsbereich 20 von insbesondere nur wenigen Mikrometern ist durch die Pfeile dargestellt. Es ist denkbar, dass im Bereich der weiteren Kaverne 6 keine Durchkontaktierungen 24 angeordnet werden, so dass keine Eintrittsfläche für das Gas im Diffusionsschritt in die weiter Kaverne 6 vorhanden ist. Alternativ kann es durch eine vorteilhafte geometrische Ausgestaltung ermöglicht werden, dass die effektiven Diffusionspfade im Bereich der Durchkontaktierungen 24 hinreichend lang im Vergleich zu den Diffusionspfaden durch den Diffusionsbereich 20 ausgehend von der Aussparung 22 sind (wie in 4 dargestellt). Es ist vorteilhafterweise denkbar, dass die Anzahl und/oder Fläche der Aussparungen 22 vergleichsweise groß gewählt wird, um die Diffusionsraten durch den Diffusionsbereich 20 im Vergleich zur Diffusion im Bereich der Silizium-Durchkontaktierungen 24 zu erhöhen.
Dadurch, dass die Befüllung der Kaverne 10 mithilfe des Diffusionsbereichs 20 erfolgt und kein direkter diffusionsloser Zugang zur Kaverne 10 ausgebildet wird, kann in dem in 7 dargestellten Schritt ein Oxidverschluss 44 vorteilhafterweise bei optimalen Werten für Gasdruck und Temperatur ohne Rücksicht auf einen in der Kaverne 10 einzuhaltenden Innendruck erfolgen, was bei einer noch unverschlossenen bzw. offenen Kaverne (ohne Diffusionszugang) nicht möglich wäre. Hierdurch ergeben sich Vorteile bei der Batchprozessierung einer Vielzahl von Wafern, so dass die in 7 gezeigten Nachfolgeprozesse effizienter und flexibler ausgeführt werden können. In 8 ist gezeigt, dass ein Metall als Umverdrahtungsebene 45 abgeschieden und strukturiert wird. Anschließend ist es denkbar, dass zusätzliche Passivierschichten, ein Under Bump Metal (UBM) und Lötbälle 46 zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements bzw. MEMS angeordnet werden. Gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung ist es denkbar, dass durch eine Metallabscheidung im Bereich der Aussparungen 22 (bzw. Gaskanäle 22) als Diffusionsschutz 47 eine Rückdiffusion von Neon aus der Kaverne 10 heraus wirksam verhindert wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Bauelement im Betrieb für längere Zeiten deutlich erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist.
In 9 ist eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im Unterschied zur in 4 dargestellten Ausführungsform wird in der in 9 gezeigten Ausführungsform auf die Ausbildung dedizierter Ätzgräben bzw. Gaskanäle für die Gasdiffusion verzichtet. Stattdessen ist die Aussparung 22, die den Diffusionsbereich 20 freilegt, als Teil der Isolation der Silizium-Durchkontaktierung 24 im Bereich der Kaverne 10 ausgebildet. In diesem Fall wird über das Layout der oberflächenmikromechanischen Schichten, insbesondere der Diffusionsschichten 26, im Bereich der TSVs 24 dafür gesorgt, dass im Bereich der Kaverne 10 wesentlich kürzere Diffusionspfade (durch den Diffusionsbereich 20) vorliegen als im Bereich der weiteren Kaverne 6. In 9 ist entsprechend der Diffusionspfad 40 in die weitere Kaverne 6 deutlich länger als der Diffusionspfad durch den Diffusionsbereich 20 in die Kaverne 10. Besonders vorteilhaft kann es hierbei sein, dass der Sensorunterbau (also die Diffusionsschichten 26 und die Silizium-Verdrahtungsebenen 35, 35') mehrlagig ausgeführt ist. In diesem Fall kann besonders vorteilhaft durch geeignete Strukturierung ein hoher Unterschied in den Diffusionspfadlängen für die Kavernen 10, 6 erzielt werden. Beispielsweise lassen sich in der Kaverne 10 große Bereiche der Verdrahtungsebene 35' und der umgebenden Oxidschichten 26 entfernen, um kurze Diffusionswege sicher zu stellen. Im Gegensatz dazu, wird in für die weitere Kaverne 6 die Verdrahtungsebene 35' als nahezu flächiger Schutz ausgeführt, welcher nur an wenigen Stellen unterbrochen ist, so dass der Gastransport ins Kaverneninnere der weiteren Kaverne 6 stark behindert ist.
Die 10, 11, 12, 13 und 14 zeigen schematisch Prozessschritte zur Herstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt einen gebondeten Waferverbund, umfassend die Substratkappe 2 und das Substrat 1 mit den mikroelektromechanischen Systemen 3, 7. Die Substratkappe 2 ist als ASIC ausgebildet. Die Substratkappe 2 und das Substrat 1 sind durch den Bondrahmen 33 derart verbunden, dass zwei Kavernen 10, 6 ausgebildet sind. In der weiteren Kaverne 6 kann ein Getter 61 angeordnet sein. Als Teil der Substratkappe 2 ist die (mehrlagige) Diffusionsschicht 26 bzw. Oxidschicht 26 ausgebildet, in der Metallisierungsflächen 50 des CMOS-Wafers angeordnet sind. Durch die Verwendung des Getters 61 kann auch in kleinen Kavernenvolumina und bei Verwendung sogenannter Anti-Stiction-Coatings (ASC) für die weitere Kaverne 6 ein vergleichsweise gutes Vakuum erreicht werden. ASC-Schichten neigen zum Ausgasen. Beim Waferbonden können daher die erreichbaren Vakuumlevel degradieren. Dies gilt insbesondere im Falle von sehr kleinen Kavernenvolumina, wenn beispielsweise ein MEMS-Wafer auf einen ASIC-Wafer (als Substratkappe 2) gebondet wird, welcher keine Kavernenvertiefung aufweist. Bei Verwendung eines Getters 61 können diese unerwünschten Ausgasprodukte wirksam vom Getter 61 chemisorbiert werden.
Es ist denkbar, dass auch in der Kaverne 10 ein Getter zum Einsatz kommt (nicht dargestellt). Vorteilhafterweise kann damit auch in der Kaverne 10 der Einfluss von Ausgasprodukten (z. B. vom Waferbonden, oder durch Ausgasen vom CMOS-Wafer, auf den der MEMS Wafer gebondet wurde) reduziert werden. Der Innendruck ist somit deutlich geringeren Prozessstreuungen unterworfen (auf dem Wafer, von Wafer zu Wafer, von Charge zu Charge). Der Getter dient dabei bevorzugt vorteilhafterweise nicht zum Einstellen des Kaverneninnendrucks, sondern zum Abpumpen von Nicht-Edelgasen.
In 11 ist dargestellt, dass Gräben in der Substratkappe 2 ausgebildet werden, welche primär zur Erstellung von Durchkontaktierungen 24 (vgl. 14) erzeugt werden. Die Gräben, die für die Ausbildung von Durchkontaktierungen 24 verwendet werden, liegen dabei unterhalb von Metallisierungsflächen 50, um später eine elektrische Anbindung an eine solche Metallisierungsfläche 50 zu ermöglichen. Parallel zur Ausbildung solcher Gräben wird die Aussparung 22 in der Substratkappe 2 im Bereich der Kaverne 10 erzeugt. Die Aussparung 22 legt die Oxidschicht 26 im Diffusionsbereich 20 frei. Im Diffusionsbereich 20 der Oxidschicht 26 ist bevorzugt kein Metall angeordnet, um die Diffusion von Gasen in die Kaverne 10 nicht zu behindern. Nach der Freilegung verbindet der Diffusionsbereich 20 das Kaverneninnere der Kaverne 10 mit einer der Umgebung 21 zugewandten Substratkappenoberfläche 2' der Substratkappe 2. Mithilfe des Diffusionsbereichs 20 kann im Diffusionsschritt eine Gasbefüllung der Kaverne 10 stattfinden, insbesondere eine Befüllung mit Neon.
In 12 ist ein optionaler Oxidätzungsschritt dargestellt, welcher insbesondere vor dem Diffusionsschritt ausgeführt werden kann. Hierbei wird die Metallisierungsfläche 50 derart freigelegt, dass später eine Durchkontaktierung 24 mit elektrischem Kontakt zur Metallisierungsfläche 50 ausgebildet werden kann. Gleichzeitig wird die Oxidschicht 26 und somit der Diffusionsbereich 20 an der Aussparung 22 verdünnt, was den Diffusionsweg in die Kaverne 10 verkürzt. Im Folgenden kann der Diffusionsschritt und die Gasbefüllung der Kaverne 10 mit einer besonders hohen Diffusionsrate durchgeführt werden (wieder indiziert durch den Pfeil in der Aussparung 22). Der Diffusionsweg in die Kaverne 10 ausgehend von der Aussparung 22 ist wesentlich kürzer als die Diffusionswege in das Innere der weiteren Kaverne 6, so dass sich im Diffusionsschritt in der Kaverne 10 ein deutlich höherer Innendruck einstellt als in der weiteren Kaverne 6.
In 13 ist eine Oxidabscheidung zur Aufbringung einer Oxidpassivierung 51 auf die Seitenwände der Durchkontaktierung 24 dargestellt. Die Passivierung wird anschließend am Boden der Gräben entfernt, um im Bereich der späteren Durchkontaktierung 24 die Metallisierungsfläche 50 freizulegen. Der Diffusionsschritt und somit die Gasbefüllung der Kaverne 10 kann sowohl vor als auch nach der in 13 dargestellten Oxidabscheidung erfolgen.
14 zeigt schließlich das fertige Bauelement nach Metallabscheidung, Strukturierung, Passivierung 52 (bei der auch die Gräben verfüllt werden) sowie Anordnung der Lötbälle 46. Durch die Metallabscheidung wird die Umverdrahtungsebene (RDL) 45 ausgebildet, mit deren Hilfe der elektrische Kontakt zwischen der Metallisierungsfläche 50 und dem Lötball 46 bereitstellt wird und die somit insbesondere zur Ausbildung der Durchkontaktierung 24 beiträgt. Zudem wird durch die Metallabscheidung (also die Abscheidung der RDL) gleichzeitig der Diffusionsbereich 20 im Bereich der Aussparung 22 hermetisch dicht verschlossen, so dass keine Rückdiffusion aus dem Kaverneninneren der Kaverne 10 nach außen erfolgen kann. Mithilfe der Metallabscheidung wird demnach sowohl die Durchkontaktierung 24 ausgebildet als auch der Diffusionsschutz 47 auf den Diffusionsbereich 20 aufgetragen. Ferner ist ein Under Bump Metal 53 im Bereich des Lötballs 46 angeordnet.
In 15 ist eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es sind exemplarisch zwei Chips dargestellt, die jeweils eine Kaverne 10 mit einem mikroelektromechanischen System 3 und eine weitere Kaverne 6 mit einem weiteren mikroelektromechanischen System 7 umfassen. Die Anordnung kann nach rechts und links beliebig fortgesetzt sein und entsprechend zusätzliche Kavernen 10, 6 umfassen. Die Anordnung liegt demnach als Wafer, also noch im Verbund, vor. In dieser Ausführungsform wird der Diffusionsschritt erst in einem sehr späten Prozessstadium während der Vereinzelung der Chips durchgeführt. Hierfür wird der Wafer in einem Vereinzelungsteilschritt (insbesondere in einem Sägeschritt), vor dem Diffusionsschritt, teilweise gesägt, wodurch ein Graben 60 in der Substratkappe 2, die als ASIC ausgebildet ist, (und ggf. teilweise im Substrat 1) erzeugt wird. Der Graben 60 kann dabei im Sinne der Erfindung auch als Aussparung 22 verstanden werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird dabei die Substratkappe 2 vollständig gesägt. Der Sägeprozess kann insbesondere mechanisch mit einem rotierenden Sägeblatt, mithilfe von Plasmaschneiden (Plasma Dicing) oder Laserschneiden (Laser Dicing) erfolgen. Im Falle des Plasmaschneidens oder Laserschneidens können auch Gräben 60, die sich nicht über eine gesamte Chipkante erstrecken, geöffnet werden. So können beispielsweise einzelne Löcher im Bereich der Ritzgräben (Scribe Line), also des zur Vereinzelung der Chips vorgesehenen Bereichs zwischen den einzelnen Nutzchips, erzeugt werden. Durch den Graben 60 oder die Öffnungen in dem Ritzgraben werden Oxidflächen im Seitenbereich der Chips freigelegt. Der Graben 60 erstreckt sich demnach bis zum Diffusionsbereich 20, welcher in der Diffusionsschicht 26 der Substratkappe 2 angeordnet ist, und legt den Diffusionsbereich 20 somit frei. In der Oxidschicht 26 des ASICs ist eine Diffusionsstoppbarriere 27 im Wesentlichen als umlaufender Metallring bzw. Seal-Ring ausgebildet. Ferner verhindert der Metallring die Ausbreitung von Rissen im Metall-Oxid-Gefüge des CMOS-ASICs. Im Diffusionsbereich 20 ist der Metallring bzw. die Diffusionsstoppbarriere 27 jedoch unterbrochen. Indem an dieser Unterbrechungsstelle Stelle Oxid statt Metall angeordnet wird, kann eine Diffusion von Neon durch die Oxidschichten des ASICs in die Kaverne 10 erfolgen. Der Diffusionspfad durch den Diffusionsbereich 20 ist durch die Pfeile angedeutet. Die weitere Kaverne 6 ist hingegen durch den Metallring vor einer Gasdiffusion geschützt. Der Diffusionsschritt erfolgt dabei vorteilhafterweise nach dem Vereinzelungsteilschritt, also nach der Ausbildung des Grabens 60. Nach dem Diffusionsschritt kann dann die Vereinzelung abgeschlossen werden und der Graben 60 derart vertieft werden, dass er das gesamte Substrat 1 durchtrennt (nicht dargestellt).
In 16 ist eine schematische Darstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die in 16 dargestellte Ausführungsform ähnelt dabei der in 15 dargestellten Ausführungsform. Bei der in 16 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Diffusion jedoch nicht durch den ASIC bzw. die Substratkappe 2, da in dieser Ausführungsform der Metallring keine Unterbrechung aufweist und demnach vollumfänglich intakt ist. Stattdessen erfolgt die Diffusion mithilfe der Diffusionsschichten 26 des Substrats 1 bzw. MEMS-Elements. Hierfür ist angrenzend an den Graben 60 der Diffusionsbereich 20 in der Diffusionsschicht 26 des Substrats 1 vorhanden. Der Diffusionsbereich 20 verbindet das Innere der Kaverne 10 unterbrechungslos mit dem Graben 60. Für die weitere Kaverne 6 ist hingegen eine Diffusionsstoppbarriere 27 vorhanden, die ein Eindringen von Gas in die weitere Kaverne 6 verhindert. Der Diffusionspfad durch den Diffusionsbereich 20 ist abermals durch die Pfeile dargestellt. Wie in der in 15 dargestellten Ausführungsform erfolgt der Diffusionsschritt nach dem Vereinzelungsteilschritt, in dem der Graben 60 ausgebildet wird. Auch hier ist es denkbar, dass durch das zusätzliche Anlegen von Gaskanälen in den oberflächenmikromechanischen Schichten des MEMS-Elements bzw. Substrats 1 die Diffusionspfade deutlich verkürzt werden.
In den 17, 18, 19, 20 und 21 sind schematisch Prozessschritte zur Herstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
17 zeigt das mithilfe des Bondrahmens 33 mit der Substratkappe 2 verbundene Substrat 1. Die Kaverne 10 umfasst das mikroelektromechanische System 3 und die weitere Kaverne 6 umfasst das weitere mikroelektromechanischen System 7. Auf der Kaverneninnenseite der Kaverne 10 ist an der Substratkappe 2 eine Oxidschicht 26 angeordnet, die später als Diffusionsschicht für die Neonbefüllung dient. Auf der Kappenaußenseite der Substratkappe 2 ist eine Oxidschicht abgeschieden und in Form eines Oxidgitters strukturiert.
In 18 ist das System nach einem Trenchprozess gezeigt, bei dem mithilfe des Oxidgitters eine Aussparung 22 in der Substratkappe 2 erzeugt wurde. Die Aussparung 22 erstreckt sich bis zum Diffusionsbereich 20 und legt diesen frei. Nachfolgend kann der Diffusionsschritt durchgeführt werden. Die Gasdiffusion in die Kaverne 10 ist durch die Pfeile verdeutlicht.
In 19 ist der anschließende Verschluss des Oxidgitters gezeigt.
Anschließend kann optional, wie in 20 dargestellt, eine Strukturierung der Oxidschicht und die Anordnung einer Metallschicht zum dichten Verschluss des Diffusionszugangs erfolgen. Die Metallschicht bildet dabei insbesondere oberhalb der Aussparung 22 einen Diffusionsschutz 47 aus. Die Metallabscheidung und Strukturierung sind optional. In vielen Fällen kann bei normalen Betriebsbedingungen der Sensorelemente auf diese Schritte verzichtet werden.
In 21 ist die anschließende Ausbildung eines Bondpads 31 zur elektrischen Kontaktierung dargestellt.
In den 22, 23, 24 und 25 sind schematisch Prozessschritte zur Herstellung eines Halbleitersystems, insbesondere eines Wafersystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem Fall erfolgt die Neondiffusion mithilfe von den in der Substratkappe 2 angeordneten Durchkontaktierungen 24.
Hierbei zeigt 22 den Waferverbund aus Substrat 1 und Substratkappe 2 nach dem Bonden. Auf der Substratkappenoberseite wurde eine Oxidschicht mit einem Oxidgitter im Bereich der späteren Durchkontaktierung 24 angelegt. Durch das Oxidgitter wird eine Aussparung 22 geätzt, die gleichzeitig als Isolationsgraben für die Durchkontaktierung 24 dient. Die Aussparung 22 stoppt auf einer auf der Substratkappeninnenseite angeordneten Diffusionsschicht 26 (bzw. Oxidschicht). Durch den Diffusionsbereich 20 der Diffusionsschicht 26 hindurch kann nun die Neondiffusion in die Kaverne 10 erfolgen.
Anschließend kann, wie in den 23 bis 25 dargestellt, eine Prozessfolge mit Oxidverschluss/Passivierung (23), Oxidstrukturierung und Metallabscheidung/-strukturierung (24) sowie Passivierung, UBM und Balling (25) folgen.
In den 1 bis 25 wurden Ausführungsformen dargestellt, bei denen im Diffusionsschritt ein Gas mithilfe des Diffusionsbereichs 20 von einer Umgebung 21 in die Kaverne 10 diffundiert, wobei
während des Diffusionsschritts eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung 21 in die Kaverne 10 höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung 21 in die weitere Kaverne 6, und/oder
während des Diffusionsschritts die weitere Kaverne 6 vor einem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne 6 zumindest im Wesentlichen geschützt ist.
Erfindungsgemäß ist es alternativ jedoch auch denkbar, dass im Diffusionsschritt ein Gas mithilfe des Diffusionsbereichs 20 aus der Kaverne 10 in eine Umgebung 21 diffundiert,
wobei
während des Diffusionsschritts eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases aus der Kaverne 10 in die Umgebung 21 höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases aus der weiteren Kaverne 6 in die Umgebung 21, und/oder
während des Diffusionsschritts die weitere Kaverne 6 vor einem Austreten des Gases in die Umgebung 21 zumindest im Wesentlichen geschützt ist. In diesem Fall kann ein Evakuieren (bzw. eine Innendruckreduktion) der Kaverne 10 im Diffusionsschritt vorgenommen werden. Insbesondere ist es hierbei denkbar, dass beim Waferbonden beide Sensorkavernen 6, 10 mit einem Gas, bevorzugt Neon, befüllt werden. Anschließen kann im Diffusionsschritt, aus der mithilfe des Diffusionsbereichs 20 mit der Umgebung 21 verbundenen Kaverne 10 (beispielsweise die Kaverne 10 eines Drehratensensors) das Neon bei erhöhten Temperaturen austreten. Dieser Diffusionsschritt ist grundsätzlich selbst bei einem Tempern an Luft oder Stickstoff mit Atmosphärendruck möglich, da sich die Neonpartialdrücke anzugleichen versuchen. Die Geschwindigkeit des Diffusionsprozesses ist proportional zur Druckdifferenz und wird daher mit abnehmendem Innendruck immer langsamer. Dieses Verfahren (der Evakuierung der Kaverne 10 während des Diffusionsschritts) kann daher insbesondere bei einem geringen gewünschten Innendruckunterschied in den Kavernen 10, 6 verwendet werden, beispielsweise um die Dämpfung von zwei in getrennten Kavernen 10, 6, angeordneten Kanälen eines x-z-Beschleunigungssensors anzugleichen. Hier wäre es beispielsweise denkbar, das Waferbonden bei 300 mbar (optimaler Druck für den x-Kanal) durchzuführen und anschließend den Innendruck der Kaverne 10 durch Austreiben des Neons mithilfe eines Diffusionsbereichs 20 auf 200 mbar für den z-Kanal abzusenken. Es kann dabei ein technischer Vorteil gegenüber dem nachträglichen Befüllprozess sein, dass der Temperofen (in dem der Diffusionsschritt durchgeführt wird) keine Neongasversorgung benötigt. Stattdessen muss bei dieser Ausführungsform der Waferbonder mit Neon beaufschlagt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014202801 A1 [0003]
DE 102005001449 B3 [0004]

Claims

Verfahren zum Einstellen eines Drucks in einer mithilfe eines Substrats (1) und einer Substratkappe (2) ausgebildeten Kaverne (10), wobei die Kaverne (10) Teil eines Halbleitersystems, insbesondere Wafersystems, ist, wobei das Halbleitersystem eine mithilfe des Substrats (1) und der Substratkappe (2) ausgebildete weitere Kaverne (6) umfasst, wobei in der Kaverne (10) ein mikroelektromechanisches System (3) angeordnet ist, wobei in der weiteren Kaverne (6) ein weiteres mikroelektromechanisches System (7) angeordnet ist, wobei ein Diffusionsbereich in dem Substrat (1) und/oder der Substratkappe (2) angeordnet ist, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Diffusionsschritt umfasst: -- im Diffusionsschritt diffundiert ein Gas mithilfe des Diffusionsbereichs (20) von einer Umgebung (21) in die Kaverne (10), wobei -- während des Diffusionsschritts eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung (21) in die Kaverne (10) höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung (21) in die weitere Kaverne (6), und/oder -- während des Diffusionsschritts die weitere Kaverne (6) vor einem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne (6) zumindest im Wesentlichen geschützt ist.
Verfahren zum Einstellen eines Drucks in einer mithilfe eines Substrats (1) und einer Substratkappe (2) ausgebildeten Kaverne (10), wobei die Kaverne (10) Teil eines Halbleitersystems, insbesondere Wafersystems, ist, wobei das Halbleitersystem eine mithilfe des Substrats (1) und der Substratkappe (2) ausgebildete weitere Kaverne (6) umfasst, wobei in der Kaverne (10) ein mikroelektromechanisches System (3) angeordnet ist, wobei in der weiteren Kaverne (6) ein weiteres mikroelektromechanisches System (7) angeordnet ist, wobei ein Diffusionsbereich in dem Substrat (1) und/oder der Substratkappe (2) angeordnet ist, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Diffusionsschritt umfasst: -- im Diffusionsschritt diffundiert ein Gas mithilfe des Diffusionsbereichs (20) aus der Kaverne (10) in eine Umgebung (21), wobei -- während des Diffusionsschritts eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases aus der Kaverne (10) in die Umgebung (21) höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases aus der weiteren Kaverne (6) in die Umgebung (21), und/oder -- während des Diffusionsschritts die weitere Kaverne (6) vor einem Austreten des Gases in die Umgebung (21) zumindest im Wesentlichen geschützt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusionsbereich (20) ein Oxid aufweist, wobei der Diffusionsbereich (20) insbesondere aus einem Oxid besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusionsbereich (20) zumindest während des Diffusionsschritts die Kaverne (10) mit einer der Umgebung (21) zugewandten Substratoberfläche (1') und/oder einer der Umgebung (21) zugewandten Substratkappenoberfläche (2') durchgehend verbindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Vorschritt, vor dem Diffusionsschritt, eine Aussparung (22) im Substrat (1) an einer der Umgebung (21) zugewandten Substratoberfläche (1') und/oder in der Substratkappe (2) an einer der Umgebung (21) zugewandten Substratkappenoberfläche (2') erzeugt wird, wobei sich die Aussparung (22) bis zum Diffusionsbereich (20) erstreckt und den Diffusionsbereich (20) insbesondere freilegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Vorschritt während eines Ätzschritts zur Erzeugung einer Silizium-Durchkontaktierung (24), Through Silicon Vias (TSV) stattfindet, wobei insbesondere die Aussparung (22) während des Ätzschritts zur Erzeugung einer Silizium-Durchkontaktierung (24) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei eine elektrische Isolation der Silizium-Durchkontaktierung (24) mithilfe der Aussparung (22) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei angrenzend an den Diffusionsbereich (20) ein Kanal (25) im Substrat (1) oder in der Substratkappe (2) ausgebildet ist, wobei insbesondere das Gas im Diffusionsschritt mithilfe des Diffusionsbereichs (20) und des Kanals (25) von der Umgebung (21) in die Kaverne (10) gelangt oder aus der Kaverne (10) in die Umgebung (21) gelangt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Substratkappe (2) als anwendungsspezifische integrierte Schaltung-Wafer, Application-Specific Integrated Circuit-Wafer, ASIC-Wafer, ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Diffusionsbereich (20) in einer oder mehreren Diffusionsschichten (26), insbesondere einer oder mehreren Oxidschichten, des Substrats (1) oder der Substratkappe (2) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Diffusionsschicht (26) oder die mehreren Diffusionsschichten (26) eine Diffusionsstoppbarriere (27) aufweisen, wobei insbesondere die Diffusionsstoppbarriere (27) die weitere Kaverne (6) während des Diffusionsschritts vor dem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne (6) oder vor dem Austreten des Gases aus der weiteren Kaverne (6) zumindest im Wesentlichen schützt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei ein Vereinzelungsteilschritt zumindest teilweise vor dem Diffusionsschritts durchgeführt wird, wobei während des Vereinzelungsteilschritts, und insbesondere vor dem Diffusionsschritt, ein Graben (60) in dem Substrat (1) und/oder der Substratkappe (2) erzeugt wird, wobei sich der Graben (60) zumindest bis zum Diffusionsbereich (20) und/oder zumindest bis zur Diffusionsschicht (26) erstreckt, wobei der Graben (60) bevorzugt zumindest das Substrat (1) oder die Substratkappe (2) vollständig durchdringt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem weiteren Schritt, nach dem Diffusionsschritt, der Diffusionsbereich (20) und/oder eine sich bis zum Diffusionsbereich (20) erstreckende Aussparung (22) im Substrat (1) oder in der Substratkappe (2) mit einem Diffusionsschutz (47) verschlossen wird.
Halbleitersystem, insbesondere Wafersystem, umfassend eine mithilfe eines Substrats (1) und einer Substratkappe (2) ausgebildete Kaverne (10) und eine mithilfe des Substrats (1) und der Substratkappe (2) ausgebildete weitere Kaverne (6), wobei in der Kaverne (10) ein mikroelektromechanisches System (3) angeordnet ist, wobei in der weiteren Kaverne (6) ein weiteres mikroelektromechanisches System (7) angeordnet ist, wobei ein Diffusionsbereich in dem Substrat (1) und/oder der Substratkappe (2) angeordnet ist, wobei der Diffusionsbereich derart ausgebildet ist, dass mithilfe des Diffusionsbereichs eine Diffusion eines Gases von einer Umgebung (21) in die Kaverne (10) durchführbar ist, wobei -- eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung (21) in die Kaverne (10) höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases von der Umgebung (21) in die weitere Kaverne (6), und/oder -- die weitere Kaverne (6) vor einem Eindringen des Gases in die weitere Kaverne (6) zumindest im Wesentlichen geschützt ist.
Halbleitersystem, insbesondere Wafersystem, umfassend eine mithilfe eines Substrats (1) und einer Substratkappe (2) ausgebildete Kaverne (10) und eine mithilfe des Substrats (1) und der Substratkappe (2) ausgebildete weitere Kaverne (6), wobei in der Kaverne (10) ein mikroelektromechanisches System (3) angeordnet ist, wobei in der weiteren Kaverne (6) ein weiteres mikroelektromechanisches System (7) angeordnet ist, wobei ein Diffusionsbereich in dem Substrat (1) und/oder der Substratkappe (2) angeordnet ist, wobei der Diffusionsbereich derart ausgebildet ist, dass mithilfe des Diffusionsbereichs eine Diffusion eines Gases aus der Kaverne (10) in eine Umgebung (21) durchführbar ist, wobei -- eine Diffusivität und/oder ein Diffusionsfluss des Gases aus der Kaverne (10) in die Umgebung (21) höher ist als eine weitere Diffusivität und/oder ein weiterer Diffusionsfluss des Gases aus der weiteren Kaverne (6) in die Umgebung (21), und/oder -- die weitere Kaverne (6) vor einem Austreten des Gases aus der weiteren Kaverne (6) zumindest im Wesentlichen geschützt ist.