WO2015124432A1 - Sensoreinheit mit entkopplungsstruktur und dessen herstellungsverfahren - Google Patents

Sensoreinheit mit entkopplungsstruktur und dessen herstellungsverfahren Download PDF

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WO2015124432A1
WO2015124432A1 PCT/EP2015/052370 EP2015052370W WO2015124432A1 WO 2015124432 A1 WO2015124432 A1 WO 2015124432A1 EP 2015052370 W EP2015052370 W EP 2015052370W WO 2015124432 A1 WO2015124432 A1 WO 2015124432A1
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sensor
substrate
sensor unit
semiconductor device
decoupling
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Johannes Classen
Torsten Kramer
Daniel Christoph Meisel
Hubert Benzel
Jens Frey
Christoph Schelling
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L2924/1531—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
    • H01L2924/15311—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA

Definitions

  • the invention relates to a sensor unit according to the preamble of claim 1.
  • sensor units are well known. It is known, for example, to combine two semiconductor components, which are formed from different wafers, in a wafer bonding process to form a sensor unit.
  • one semiconductor component comprises a sensor structure and the other semiconductor component comprises an integrated circuit.
  • detection is comparatively strongly influenced by external disturbances.
  • thermo-mechanical and / or mechanical stresses - is reduced to a sensor structure of the sensor unit.
  • the Sensor structure is reduced so that the detection properties of the Sensor unit to be improved.
  • the sensor structure is decoupled from the second semiconductor component with respect to thermomechanical and / or mechanical stresses.
  • the interference transmitted via the wafer connection produced by the wafer bonding process between the two semiconductor components is reduced.
  • the decoupling structure is configured such that the sensor structure
  • thermo-mechanically and / or mechanically decoupled from the second semiconductor device decoupling means in particular that mechanical and / or thermo-mechanical stresses - for example due to
  • the sensor unit comprises a via a
  • Semiconductor device is decoupled.
  • the sensor unit is in a Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP) - i. a packaging for semiconductor devices, in particular sensors - integrated - i. in a chip package of the order of one of a wafer - for example, by sawing or breaking - separated semiconductor chip (die).
  • WLCSP Wafer Level Chip Scale Package
  • the stress sensitivity - i. the sensitivity of the sensor unit to external disturbances such as thermal and / or mechanical stresses - at
  • the sensor unit is an inertial sensor unit and / or a pressure sensor unit.
  • the sensor unit is a barometer
  • Decoupling has a trench structure, wherein the
  • the decoupling structure particularly preferably has a trench structure which contains one or more trenches in the first substrate which encircle the sensor structure.
  • the sensor unit preferably has a microelectromechanical system
  • the sensor structure is a MEMS sensor structure with a MEMS sensor element (MEMS core).
  • MEMS core MEMS sensor element
  • the decoupling structure comprises coupling elements for coupling the sensor structure to a mainland structure of the first substrate. This makes it advantageously possible to connect the sensor structure to the mainland structure-in particular exclusively indirectly-via coupling elements, so that the decoupling is achieved. According to a further preferred embodiment, it is provided that the
  • Trench structure extends substantially parallel to the main extension plane of the first substrate, wherein the trench structure surrounds the sensor structure, in particular, the trench structure meandering or frame-shaped, in particular annular.
  • the decoupling structure additionally has a further trench structure.
  • the further trench structure or according to an alternative embodiment encloses the
  • Projection direction - a contact region of the wafer connection and / or a further contact region of the component connection.
  • the further trench structure is meandering.
  • the decoupling structure of the sensor unit according to the invention is configured such that the sensor structure is thermomechanically and / or mechanically decoupled from the second semiconductor component.
  • Such decoupling proves to be advantageous not only for the micromechanical sensor function of the first semiconductor device, but also for the function of the second semiconductor device, in particular, if it is an ASIC device.
  • the wafer connection between the semiconductor components of a sensor unit of the type in question here is preferably produced by silicon direct bonding or eutectic bonding.
  • the two wafers to be joined are pressed against each other at elevated temperature. Wafer bows and surface roughness are compensated by a relatively high contact pressure. Since this contact pressure only over the
  • Bond contact points is introduced into the components to be connected, the bonding process leads to an uneven pressure load of the individual Chip regions. This proves to be particularly problematic for an ASIC device. Namely, in the ASIC processing, the material of the dielectric isolation layers of the ASIC layer structure is optimized with a view to the lowest possible dielectric constant in order to reduce RC delays in the
  • the decoupling structure comprises at least one membrane element, which spans a cavity in the layer structure of the first semiconductor component and is formed in the area above the wafer connection. The cavern under the membrane element can be completed, but it can also over
  • Pressure equalization ports to be connected to the environment.
  • the high contact pressure necessary for bonding processes can be locally applied to the bonding frame, i. the connection area, without damaging the sensitive circuit elements of an ASIC device.
  • the deflection or deformation of the membrane element during the bonding process prevents the contact pressure from being transmitted to the surroundings of the bonding frame.
  • membrane element and cavern contribute to the mechanical decoupling of the connecting region from adjacent chip regions of the sensor unit according to the invention.
  • the membrane elements in the connection area also allow a uniform distribution of the contact pressure during the bonding process and ensure a Topographieausrete, so that the occurrence of local force peaks is avoided.
  • the sensor structure comprises a structural element encompassed by the first substrate and a structural element encompassed by a functional layer of the first semiconductor component Sensor element, wherein the sensor element is connected via the coupling elements with the first substrate exclusively indirectly, wherein in particular the coupling elements are formed from the first substrate and / or from the functional layer.
  • the sensor unit has a cavity and / or a separate further cavity, wherein the cavity and / or further cavity is arranged between the first and second semiconductor component, wherein the wafer connection is a cavity and / or further cavity comprises an enclosing bond frame structure which is configured such that the cavity and / or the separate additional cavity are hermetically sealed or sealed, wherein in particular a ventilation channel extends through the first substrate into the cavity or further cavity.
  • the sensor structure is a pressure sensor structure, wherein a pressure sensor channel is arranged in the first substrate, the pressure sensor channel extending into the sensor unit as far as a membrane of the pressure sensor structure.
  • Semiconductor device is decoupled.
  • the sensor unit has a plated-through hole formed in the first substrate, in particular a silicon through-hole, for electrically contacting the sensor element of the sensor structure.
  • the decoupling structure is a trench structure filled with a filling material, wherein the filling material is in particular a polymer material, wherein the filling material has a shear modulus smaller by at least an order of magnitude than a substrate material, in particular silicon material, of the first substrate.
  • a pressure sensor channel and / or
  • etching in particular by reactive ion etching, and / or by means of a laser beam in the first semiconductor component, in particular the first substrate.
  • the sensor unit is for
  • the sensor structure is a pressure sensor structure and the second semiconductor device has a, in particular as an integrated circuit (ASIC) formed, evaluation structure.
  • ASIC integrated circuit
  • the first semiconductor component sensor chip
  • the second semiconductor component evaluation AS IC
  • FC flip-chip
  • the decoupling structure preferably has a
  • Trench structure one or more trenches, which are, for example grooves for voltage decoupling.
  • the decoupling structure in particular has double bridge elements and / or membrane elements, in particular PorSi membrane elements.
  • the decoupling structure in particular has double bridge elements and / or membrane elements, in particular PorSi membrane elements.
  • Membrane elements arranged along a direction parallel to the normal direction of the first substrate projection direction below the contact areas.
  • FIGS. 1 to 22 show sensor units according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 shows a sensor unit 1 which is designed as a pressure sensor, the sensor unit 1 having a first semiconductor component 10 which is fastened on a second semiconductor component 20 by means of flip-chip technology.
  • the first semiconductor component 10 has a sensor structure 12 and the second semiconductor component 20 has an evaluation structure 22, in particular an integrated circuit (ASIC).
  • the first and second semiconductor components 10, 20 are mechanically and electrically conductively connected to one another via a contact region 41.
  • the evaluation structure 22 on a via 23, which also as a through contact or
  • the via 23 is configured such that an output signal of the sensor structure 12 is guided on a rear side (bottom side in the drawing) of the sensor unit 1.
  • Semiconductor device 10 connected second semiconductor device 20 on a third semiconductor device 30 (for example, on a circuit board of a circuit as shown in Figure 3) are soldered.
  • FIG. 2 shows a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown here corresponds in particular essentially to that shown in FIG.
  • the decoupling structure 50 has a trench structure 51, in particular a groove.
  • the trench structure 51 surrounds the
  • Sensor structure 12 in a plane which is parallel to the main extension plane 100 of a first substrate 11 of the first semiconductor device 10.
  • a first direction 101 parallel to the main extension plane 100 is referred to herein as the X direction
  • a second direction 102 parallel to the main extension plane 100 and perpendicular to the X direction is referred to herein as the Y direction.
  • the decoupling structure 50 is configured here such that thermomechanical and / or mechanical surface tensions - which, for example, via the further contact regions 41 'of the third
  • Semiconductor device 30 (see Figure 3) are transferred to the second semiconductor device 20 and / or via the contact regions 41 of the second semiconductor device 20 to the first semiconductor device 10 - not directly to the Transmit sensor structure 12. This means that the sensor structure 12 of the second and / or third semiconductor device 20, 30 with respect to
  • the grooves of the trench structure 51 extend along the normal direction 103 into the first semiconductor device 10 - i. not completely through - or completely through the first substrate 11 and / or a functional layer 13 of the first semiconductor device 10 therethrough.
  • FIG. 3 shows a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention, wherein the second semiconductor component 20 is mounted on the third semiconductor component 30, in particular a printed circuit board 30.
  • the printed circuit board 30 has a here
  • Temperature expansion coefficient which - is greater than one - in particular by one or more orders of magnitude
  • a trench of the trench structure 51 which in particular also as
  • Voltage decoupling trench 51 extends here through the entire first semiconductor device 10 therethrough.
  • corresponding embodiments of this sensor unit 1 are exemplified in a plan view.
  • FIG. 4 shows a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention which essentially corresponds to the embodiments illustrated in FIGS. 2 and 3, wherein the decoupling structure 50 of the sensor unit 1 here comprises additional membrane elements 55, in particular membranes made of porous silicon (PorSi), having.
  • the membrane elements 55 overlap-partially or completely-along a projection direction parallel to the normal direction 103 with the contact regions 41 and / or further contact regions 41 ', so that the thermally and / or mechanically induced voltages outside the sensor structure 12, in particular outside a pressure sensor membrane 123 of FIG Sensor structure 12, can relax.
  • the membrane elements 55 protrude along a to the main extension plane 100 of the first substrate 11 parallel first direction 101 over an extension of the contact areas 41 addition.
  • FIG. 5 shows a sensor unit 1 according to one embodiment of FIG
  • the present invention in a schematic plan view, which substantially corresponds to the embodiments shown in Figures 2 to 4, in which case the trench structure 51 extends around the sensor structure 12 around.
  • the sensor structure 12 is a pressure sensor structure 12 having a
  • Trench structure 51 has a meandering shape and in particular does not run along a closed path around the sensor structure 12 around. Furthermore, the sensor unit 1 has a strip conductor structure 17 ', which is provided for electrical contacting of the sensor structure 12. In particular, printed conductors of the printed conductor structure 17 'extend between the grooves or trenches of the trench structure 51.
  • the pressure sensor membrane 18 is in this case in particular elastically suspended on a mainland structure 11' of the first semiconductor component 10. As a result, it is advantageously possible to decouple the sensor structure 12 from externally impressed mechanical stresses so that no or almost no mechanical stresses are transmitted to the sensor structure 12. Particularly preferably, the trench structure 12 extends parallel to the main extension plane 100 along the entire first substrate 11.
  • FIG. 6 shows a sensor unit 1 according to one embodiment of the present disclosure
  • FIG. 7 shows a sensor unit 1 according to one embodiment of the present disclosure
  • FIG. 8 shows a sensor unit 1 according to one embodiment of FIG
  • the sensor unit 1 has a first semiconductor component 10 and a second semiconductor component 20.
  • the first semiconductor component 10 comprises a first substrate 11 and a functional layer 13 - in particular a
  • the functional layer 13 comprises a
  • Sensor element 123 in particular a microelectromechanical sensor element 123 (MEMS sensor element or MEMS chip).
  • the sensor element 123 is connected via a suspension element 121 to the first substrate 11, in particular exclusively indirectly.
  • Electrode structure 122 is arranged, which is configured, for example, for the capacitive detection of a deflection of a movable structure of the sensor element 123.
  • the second semiconductor device 20 includes a second substrate 21.
  • the first and second semiconductor devices 10, 20 are over a
  • Wafer connection 40 connected together.
  • the wafer connection 40 comprises a contact region 41 and a bonding frame structure 42.
  • the second semiconductor component 20 is connected via further contact regions 41 '- in particular electrically conductive - to a third semiconductor component 30 - for example a printed circuit board.
  • the second semiconductor component 20 is connected via further contact regions 41 '- in particular electrically conductive - to a third semiconductor component 30 - for example a printed circuit board.
  • the second semiconductor component 20 is connected via further contact regions 41 '- in particular electrically conductive - to a third semiconductor component 30 - for example a printed circuit board.
  • the second semiconductor component 20 is connected via further contact regions 41 '- in particular electrically conductive - to a third semiconductor component 30 - for example a printed circuit board.
  • Semiconductor device 20 an evaluation structure 22 - in particular an integrated electronic circuit - on.
  • plated-through holes 23 preferably extend for the electrically conductive contacting of the evaluation structure 22 -in this case via the further contact regions 41 'and a contact element 23'.
  • the first substrate 11 is in particular a silicon substrate and here has an oxide layer structure 13 'and in particular an electrode structure 122 arranged in a conductor track plane. From the functional layer 13, a sensor element 123 with a movable ME MS structure, for example for acceleration, yaw rate or magnetic sensors, can be used here. educated.
  • the first semiconductor component 10 has in particular further silicon functional layers and oxide insulation layers, which
  • the second semiconductor device 20 comprises in particular a
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • Circuits and a metal oxide stack with the evaluation structure 22, in particular for wiring and for the realization of capacities comprises.
  • the first and second semiconductor devices 10, 20 are interconnected, for example, via a metallic wafer bonding process, in particular by eutectic bonding of aluminum with germanium.
  • a metallic wafer bonding process in particular by eutectic bonding of aluminum with germanium.
  • germanium is deposited on the first semiconductor component 10 as the uppermost layer.
  • the two wafers are then pressed together at temperatures above 430 ° C with sufficient pressure, so that a eutectic liquid phase is formed.
  • the wafer connection 40 then comprises an aluminum-germanium compound, which causes a hermetic encapsulation of the sensor element 123 to be realized by means of a circumferential bonding frame structure 42, and
  • an electrically conductive contact region 41 is formed between the first and second semiconductor components 10, 20.
  • Other metallic bonding methods such as copper-tin bonding or thermo-compressive processes can be realized in an analogous manner.
  • FIG. 9 a sensor unit 1, which has no decoupling structure 50, is shown distorted in order to illustrate a bending or deformation of the sensor unit 1, which may arise, for example, when the first and second semiconductor components 10, 20 are connected to the third
  • the sensor unit 1 is here deformed in the region of a cantilever MEMS element of the sensor element 123 in a different manner than in a region of the electrode structure 122.
  • the distance between a movable MEMS element and the electrode structure 122 thus changes
  • Decoupling structure according to the invention is advantageously a drift resulting from a bending - z. B. of sensitivity, offset and other detection variables - by decoupling the sensor structure 12 (see Figure 10) largely avoided.
  • FIG. 10 shows a schematic plan view of a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention, which essentially corresponds to the embodiments illustrated in FIGS. 8 to 9.
  • the first substrate 11 has a decoupling structure 50, wherein the decoupling structure 50 comprises a trench structure 51.
  • the trench structure 51 extends here along a parallel to a normal direction 103
  • the trench structure extends mainly along a plane parallel to the main extension plane 100.
  • the trench structure 51 has a shape of a circumferential rectangle or ring (see, for example, the plan view shown in FIG. 11).
  • the first comprises
  • Semiconductor device 10 in the functional layer 13 coupling elements 52 for connecting the sensor structure 12 with a mainland structure 11 'of the first substrate 11.
  • a bending stiffness of the first substrate 11 in the region of the coupling elements 52 against a bending stiffness of the first substrate 11 in the region of the mainland structure 11' is reduced .
  • Decoupling structure 50 is in particular configured so that a bending or deformation of the sensor unit 1 impressed from the outside is largely absorbed and is enclosed by the trench structure 51
  • Structural element 120 of the sensor structure 12 is substantially not bent - i. is decoupled.
  • FIG. 12 shows an example of such bending.
  • Electrode structure 122 so greatly reduced that detection by means of the sensor unit 1 is not disturbed by external interference or at least much less than in the prior art.
  • a rigidity of the decoupling structure specifically adapted or adjustable.
  • FIG. 11 shows a schematic plan view of a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the first substrate 11 here has a sensor structure 12 in a to
  • Main extension plane 100 parallel plane surrounding trench structure 51 on. Here is the trench structure within the bond frame structure 42
  • the bond frame structure 42 comprises a eutectic material.
  • the trench structure 51 with one or more further contact portions 41 'of the component connection 40'.
  • FIG. 13 shows a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention. In the illustrated in Figure 13
  • the trench structure 51 extends along one of the
  • a trench depth 51 of the trench structure 51 extending parallel to the normal direction 103 is preferably between 60% and 100%, particularly preferably between 70% and 90%, very particularly preferably approximately 80%, of a trench parallel to the normal direction 103
  • the coupling elements 52 extend exclusively in the first substrate 11 - i.
  • FIG. 14 shows a sensor unit 1, the first semiconductor component 10 having a sensor structure 12 and a separate further sensor structure 12 ', the decoupling structure 50 in this case being a partial structure 50' and another
  • Substructure 50 " wherein the substructure 50 'is configured such that the sensor structure 12 is thermo-mechanically and / or mechanically decoupled from the second semiconductor device 20, wherein the further sub-structure 50" such is configured such that the further sensor structure 12 'is thermo-mechanically and / or mechanically decoupled from the second semiconductor device 20.
  • the further sensor structure 12 ' comprises in particular a further sensor element 123'.
  • the sensor element 123 of the sensor structure 12 and the further sensor element 123 'of the further sensor structure 12' are here arranged in two hermetically separated caverns 60, 60 ', the sensor structure 12 of a cavern 60 and the further sensor structure 12' of another cavern 60 'of the two caverns 60, 60 'is assigned.
  • the sensor structure 12 is configured to detect accelerations
  • the further sensor structure 12 'is configured to detect rotation rates.
  • the hermetic separation of the two caverns 60, 60 ' is achieved here by means of a bonding web 42' of the bonding frame structure 42 (FIG. 15).
  • the two caverns 60, 60 ' have different internal pressures, wherein an internal pressure of the further cavern 60' is adjusted by means of a reseal process.
  • the further cavern 60 ' has a vent hole 16 extending parallel to the normal direction 103 through the first substrate 11, which is at a finished
  • Sensor unit is sealed by a closure 162.
  • a metal film 161 is disposed on the shutter 162. Furthermore, the
  • FIG. 16 shows a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention, which substantially corresponds to the embodiment shown in FIG.
  • the sensor unit 1 is designed here as a pressure sensor unit and has a pressure sensor channel 14.
  • the pressure sensor channel 14 extends along a direction parallel to the normal direction 103 projection direction through the first substrate 11 through to a membrane 18 of the sensor structure 12th
  • FIG. 17 shows a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention, which substantially corresponds to the embodiment shown in FIG.
  • the first one Semiconductor device 10 the further contact region 41 'for connection to a third semiconductor device 30 on.
  • the further contact region 41 ' is here connected to the first substrate 11.
  • the evaluation structure 22 is electrically conductive - in particular via contact elements 23 'arranged in a layer 23 ", a through-connection arranged in a through-hole 15'
  • FIG. 18 shows the sensor unit 1 according to FIG. 17, the sensor unit 1 in this case being the first, second and third
  • Semiconductor device 10, 20, 30 comprises.
  • FIG. 19 shows a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown here essentially corresponds to the other embodiments, in which case the second semiconductor component 20 is designed as a cap or housing of the sensor unit 1.
  • FIG. 20 shows a sensor unit 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown here essentially corresponds to the other embodiments, in which case the trench structure 51 of the decoupling structure 50 has a filling material, wherein the filling material 54 is in particular a polymer material, wherein the filling material 54 is at least an order of magnitude smaller
  • FIG. 21 shows a schematic side view of a sensor unit 1 according to a further embodiment of the present invention.
  • Sensor unit 1 comprises an ME MS component 10 with a sensor structure and an ASIC component 20 with an evaluation circuit 22 for the sensor function of the MEMS component 10.
  • a deflectable sensor element 123 is formed, which via a Suspension member 121 is connected to the MEMS substrate 11.
  • the deflections of the sensor element 123 are capacitively detected by means of an electrode structure 122, which is formed in a further layer 13 'between the MEMS substrate 11 and the functional layer 13.
  • the MEMS device 10 and the ASIC device 20 are connected to each other via a wafer connection 40.
  • the wafer connection 40 comprises a contact region 41 for electrically contacting the MEMS sensor function and a bonding frame structure 42.
  • the electrical signals of the ASIC evaluation circuit 22 are over
  • the wafer connection 40 between the MEMS device 10 and the ASIC device 20 is, for example, a eutectic bond of aluminum with germanium.
  • a top aluminum wiring level of the ASIC device 20 as
  • Bonding surface can be used and a germanium layer on the MEMS device 10 are deposited.
  • the two wafers are then pressed together at temperatures above 430 ° C with a relatively high contact pressure, so that a eutectic liquid phase is formed.
  • a hermetically sealed aluminum-germanium compound in the region of the circumferential bonding frame structure 42 is generated, so that the
  • Sensor element 123 is hermetically capped.
  • Other metallic bonding methods such as copper-tin bonding or thermo-compressive processes can be realized in an analogous manner.
  • the decoupling structure of the sensor unit shown in FIG. 21 comprises a membrane element 55 which spans a cavern 56 in the layer structure of the MEMS component 10 and in the area above
  • Wafer connection 40 and that over the bonding frame 42, is formed.
  • This cavern 56 was generated before the actual MEMS processing in the MEMS substrate 11.
  • the MEMS substrate 11 was initially provided with a doping 57 which serves as a boundary for an APSM process. With this process was then the Cavern generated 56 and the membrane element 55 exposed. Finally, the layer structure with the micromechanical sensor structure was produced on the MEMS substrate 11 preprocessed in this way.
  • the contact pressure required for the wafer bonding process can be limited locally to the area of the bonding frame 42 in order to protect the sensitive circuit elements of the ASIC component 20. This is achieved in that the membrane 55 is deflected by the contact pressure during the bonding process until the restoring force corresponds to the applied external force. This also achieves a very good distribution of the contact pressure over the entire bonding area.
  • Membrane element 55 and the cavity 56 can also be selected so that the cavity 56 is laterally opened during the separation process and thus creates an even more flexible overhang.
  • the opening of the cavern 56 can also take place within the framework of the structuring of the MEMS component 10, for example in a trench process.
  • FIG. 22 shows an alternative realization possibility for a membrane element 55, which spans a cavity 56 in the layer structure of the MEMS component 10 and is formed in the region above the wafer connection 40, specifically above the bonding frame 42.
  • the cavity 56 is located here between the MEMS substrate 11 and the functional layer 13. It was used in a sacrificial layer etching process in FIG.

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Abstract

Es wird eine Sensoreinheit mit einem ersten Halbleiterbauelement und einem zweiten Halbleiterbauelement vorgeschlagen, wobei das erste Halbleiterbauelement ein erstes Substrat und eine Sensorstruktur aufweist, wobei das zweite Halbleiterbauelement ein zweites Substrat aufweist, wobei das erste und zweite Halbleiterbauelement über eine Waferverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Sensoreinheit eine Entkopplungsstruktur aufweist, die derart konfiguriert ist, dass die Sensorstruktur thermisch und/oder mechanisch von dem zweiten Halbleiterbauelement entkoppelt ist.

Description

Beschreibung
Titel
SENSOREINHEIT MIT ENTKOPPLUNGSSTRUKTUR UND DESSEN HERSTELLUNGSVERFAHREN Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Sensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Sensoreinheiten sind allgemein bekannt. Es ist beispielsweise bekannt, zwei Halbleiterbauelemente, die aus unterschiedlichen Wafern gebildet sind, in einem Waferbondprozess zu einer Sensoreinheit zusammenzufügen.
Beispielsweise umfasst das eine Halbleiterbauelement eine Sensorstruktur und das andere Halbleiterbauelement einen integrierten Schaltkreis. Bei solchen bekannten Sensoreinheiten wird eine Detektion jedoch vergleichsweise stark durch äußere Störungen beeinflusst.
Offenbarung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinheit
vorzuschlagen, bei welcher der Einfluss von externen Störeinflüssen - zum Beispiel thermomechanische und/oder mechanische Spannungen - auf eine Sensorstruktur der Sensoreinheit reduziert wird. Die erfindungsgemäße Sensoreinheit und das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung einer Sensoreinheit gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine Sensoreinheit bereitgestellt wird, bei der eine Übertragung von thermomechanischen und/oder mechanischen Spannungen vom zweiten Halbleiterbauelement auf die
Sensorstruktur so reduziert wird, dass die Detektionseigenschaften der Sensoreinheit verbessert werden. Insbesondere ist die Sensorstruktur bezüglich thermomechanischen und/oder mechanischen Spannungen von dem zweiten Halbleiterbauelement entkoppelt. Insbesondere werden dabei die über die durch den Waferbondprozess hergestellte Waferverbindung zwischen den beiden Halbleiterbauelementen übertragenen Störungen reduziert. Erfindungsgemäß ist die Entkopplungsstruktur derart konfiguriert, dass die Sensorstruktur
thermomechanisch und/oder mechanisch von dem zweiten Halbleiterbauelement entkoppelt ist. Entkopplung bedeutet insbesondere, dass mechanische und/oder thermomechanische Spannungen - beispielsweise auf Grund von
Temperaturänderungen oder Verformungen des zweiten Halbleiterbauelements - auf die Sensorstruktur nicht übertragen werden oder nur in vernachlässigbarer Weise - d.h. im Hinblick auf eine Detektion durch die Sensoreinheit - übertragen werden. Bevorzugt umfasst die Sensoreinheit ein über eine
Bauelementverbindung mit dem ersten oder zweiten Halbleiterbauelement verbundenes drittes Halbleiterbauelement, beispielsweise eine Leiterplatte, wobei die Entkopplungsstruktur in diesem Fall derart konfiguriert ist, dass die Sensorstruktur thermisch und/oder mechanisch auch von dem dritten
Halbleiterbauelement entkoppelt ist.
Insbesondere ist die Sensoreinheit in einem Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP) - d.h. einer Verpackung für Halbleiterbauelemente, insbesondere Sensoren - integriert - d.h. in einem Chipgehäuse von der Größenordnung eines aus einem Wafer - beispielsweise durch Sägen oder Brechen - abgetrennten Halbleiter-Chips (Die). In vorteilhafter Weise wird die Stressempfindlichkeit - d.h. die Empfindlichkeit der Sensoreinheit gegenüber äußeren Störungen wie beispielsweise thermische und/oder mechanische Spannungen - bei
erfindungsgemäßen WLCSP reduziert.
Insbesondere ist die Sensoreinheit eine Inertialsensoreinheit und/oder eine Drucksensoreinheit. Beispielsweise ist die Sensoreinheit ein Barometer,
Altimeter, ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor oder eine
Kombination davon zur Verwendung in mobilen Telekommunikationsendgeräten, Smartphones, Tablet-PCs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die
Entkopplungsstruktur eine Grabenstruktur aufweist, wobei sich die
Grabenstruktur entlang einer zur Haupterstreckungsebene des ersten Substrats senkrechten Normalrichtung in das erste Substrat hinein - d.h. insbesondere nicht vollständig hindurch - oder vollständig durch das erste Substrat hindurch erstreckt.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die Entkopplung in besonders effizienter Weise dadurch erreicht wird, dass die Steifigkeit des ersten Substrats durch Anpassung einer Grabenhöhe und/oder Grabentiefe gezielt einstellbar, um - im Hinblick auf die äußeren Störungen - die Entkopplung der Sensorstruktur von dem zweiten und/oder dritten Halbleiterbauelement zu erreichen. Besonders bevorzugt weist die Entkopplungsstruktur eine Grabenstruktur auf, welche ein oder mehrere die Sensorstruktur umlaufende Gräben im ersten Substrat enthält. Bevorzugt weist die Sensoreinheit ein mikroelektromechanisches System
(M EMS) auf, insbesondere ist die Sensorstruktur eine MEMS-Sensorstruktur mit einem MEMS-Sensorelement (MEMS-Kern). Die dabei entstehenden dünneren Bereiche - d.h. Bereiche geringerer Erstreckung des ersten Substrats (MEMS- Substrat) entlang der Normalrichtung - können die Verformung des zweiten Halbleiterbauelementes - welches beispielsweise einen Integrierten Schaltkreis (ASIC) aufweist - und/oder des dritten Halbleiterbauelements - welches beispielsweise eine Applikationsleiterplatte aufweist - aufnehmen bzw.
absorbieren, während das Sensorelement der Sensorstruktur aufgrund seiner vergleichsweise großen Dicke und hohen Steifigkeit nahezu unverformt bleibt. Damit wird die Stabilität von Offset, Empfindlichkeit und weiteren (MEMS)- Sensorparametern gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbessert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Entkopplungsstruktur Koppelelemente zur Kopplung der Sensorstruktur an eine Festlandstruktur des ersten Substrats aufweist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Sensorstruktur an die Festlandstruktur - insbesondere ausschließlich mittelbar - über Koppelelemente anzubinden, sodass die Entkopplung erreicht wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich die
Grabenstruktur hauptsächlich parallel zur Haupterstreckungsebene des ersten Substrats erstreckt, wobei die Grabenstruktur die Sensorstruktur umgibt, wobei insbesondere die Grabenstruktur mäanderförmig oder rahmenförmig, insbesondere ringförmig, ist.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass eine effiziente Entkopplung der Sensorstruktur erreicht wird. Insbesondere weist die Entkopplungsstruktur zusätzlich eine weitere Grabenstruktur auf. Insbesondere umschließt die weitere Grabenstruktur oder gemäß einer alternativen Ausführungsform die
Grabenstruktur - bezüglich einer zur Normalrichtung parallelen
Projektionsrichtung - einen Kontaktbereich der Waferverbindung und/oder einen weiteren Kontaktbereich der Bauelementverbindung. Insbesondere ist die weitere Grabenstruktur mäanderförmig. Insbesondere sind die Kontaktbereiche
Lotbumps oder Bondpads.
Wie bereits erwähnt, ist die Entkopplungsstruktur der erfindungsgemäßen Sensoreinheit so konfiguriert, dass die Sensorstruktur thermomechanisch und/oder mechanisch vom zweiten Halbleiterbauelement entkoppelt ist.
Eine derartige Entkopplung erweist sich nicht nur für die mikromechanische Sensorfunktion des ersten Halbleiterbauelements als vorteilhaft, sondern auch für die Funktion des zweiten Halbleiterbauelements, insbesondere, wenn es sich dabei um ein ASIC-Bauelement handelt.
Die Waferverbindung zwischen den Halbleiterbauelementen einer Sensoreinheit der hier in Rede stehenden Art wird bevorzugt durch Silizium-Direktbonden oder eutektisches Bonden hergestellt. Bei diesen Bondverfahren werden die beiden zu verbindenden Wafer bei erhöhter Temperatur gegeneinander gepresst. Dabei werden Waferbows und Oberflächenrauhigkeiten durch einen relativ hohen Anpressdruck ausgeglichen. Da dieser Anpressdruck nur über die
Bondkontaktstellen in die zu verbindenden Bauelemente eingeleitet wird, führt der Bondprozess zu einer ungleichmäßigen Druckbelastung der einzelnen Chipbereiche. Dies erweist sich insbesondere für ein ASIC-Bauelement als problematisch. Bei der ASIC-Prozessierung wird nämlich das Material der dielektrischen Isolationsschichten des ASIC-Schichtaufbaus im Hinblick auf eine möglichst niedrige Dielektrizitätszahl optimiert, um RC-Delays in den
Leiterbahnen der Verdrahtungsebenen zu minimieren. Da die Dielektrizitätszahl umso kleiner ist, je poröser das dielektrische Material ist, werden zunehmend mechanisch fragile Materialien für die Isolationsschichten des ASIC- Schichtaufbaus verwendet. Deshalb besteht die Gefahr, dass die
Funktionselemente des ASIC-Bauelements aufgrund der geringen mechanischen Stabilität der einzelnen Schichten des ASIC-Schichtaufbaus beim Bondprozess Schaden nehmen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Entkopplungsstruktur deshalb mindestens ein Membranelement, das eine Kaverne im Schichtaufbau des ersten Halbleiterbauelements überspannt und im Bereich über der Waferverbindung ausgebildet ist. Die Kaverne unter dem Membranelement kann abgeschlossen sein, sie kann aber auch über
Druckausgleichsöffnungen an die Umgebung angeschlossen sein.
Mit Hilfe eines solchen Membranelements über einer Kaverne im Schichtaufbau des MEMS-Halbleiterbauelements kann der für Bondprozesse notwendige hohe Anpressdruck lokal auf den Bondrahmen, d.h. den Verbindungsbereich, begrenzt werden, ohne dass die empfindlichen Schaltungselemente eines ASIC- Bauelements dadurch beschädigt werden. Die Auslenkung bzw. Deformation des Membranelements während des Bondprozesses verhindert nämlich, dass der Anpressdruck auf die Umgebung des Bondrahmens übertragen wird. Auf diese Weise tragen Membranelement und Kaverne zur mechanischen Entkopplung des Verbindungsbereichs von angrenzenden Chipbereichen der erfindungsgemäßen Sensoreinheit bei.
Die Membranelemente im Verbindungsbereich ermöglichen zudem eine gleichmäßige Verteilung des Anpressdrucks während des Bondprozesses und sorgen für einen Topographieausgleich, so dass das Auftreten von lokalen Kraftüberhöhungen vermieden wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensorstruktur ein von dem ersten Substrat umfasstes Strukturelement und ein von einer Funktionsschicht des ersten Halbleiterbauelements umfasstes Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement über die Kopplungselemente mit dem ersten Substrat ausschließlich mittelbar verbunden ist, wobei insbesondere die Kopplungselemente aus dem ersten Substrat und/oder aus der Funktionsschicht gebildet sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit eine Kavität und/oder eine separate weitere Kavität aufweist, wobei die Kavität und/oder weitere Kavität zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterbauelement angeordnet ist, wobei die Waferverbindung eine die Kavität und/oder weitere Kavität umschließende Bondrahmenstruktur aufweist, die derart konfiguriert ist, dass die Kavität und/oder die separate weitere Kavität hermetisch abdichtbar oder abgedichtet sind, wobei sich insbesondere ein Belüftungskanal durch das erste Substrat bis in die Kavität oder weitere Kavität erstreckt. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich eine Sensorstruktur mit einem in einer Kavität angeordneten Sensorelement von äußeren Störungen zu entkoppeln.
Insbesondere ist es auch möglich, in besonders effizienter Weise zwei entkoppelte Sensorstrukturen in der Sensoreinheit zu realisieren, wobei jeweils eine Sensorstruktur einer Kavität zugeordnet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensorstruktur eine Drucksensorstruktur ist, wobei in dem ersten Substrat ein Drucksensorkanal angeordnet ist, wobei sich der Drucksensorkanal in die Sensoreinheit hinein bis zu einer Membran der Drucksensorstruktur erstreckt.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, einen Drucksensor bereitzustellen, wobei die Sensorstruktur des Drucksensors von mechanischen und/oder
thermomechanischen Spannungen des zweiten und/oder dritten
Halbleiterbauelements entkoppelt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit eine in dem ersten Substrat ausgebildete Durchkontaktierung, insbesondere Siliziumdurchkontaktierung, zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements der Sensorstruktur aufweist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine vergleichsweise kompakte
Sensoreinheit bereitzustellen, bei welcher dennoch der Einfluss thermischer und/oder mechanischer Spannungen auf die Detektion vergleichsweise gering ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Entkopplungsstruktur eine mit einem Verfüllungsmaterial verfüllte Grabenstruktur ist, wobei das Verfüllungsmaterial insbesondere ein Polymermaterial, ist, wobei das Verfüllungsmaterial ein um wenigstens eine Größenordnung kleineres Schubmodul aufweist als ein Substratmaterial, insbesondere Siliziummaterial, des ersten Substrats.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Sensorstruktur vor Verunreinigungen zu schützen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem dritten Herstellungsschritt
-- die Entkopplungsstruktur und/oder
-- ein Drucksensorkanal und/oder
-- ein Durchkontaktierungsloch und/oder
-- ein Belüftungskanal und/oder
-- eine Isolationsstruktur
durch zeitgesteuertes Ätzen, insbesondere durch reaktives lonentiefätzen, und/oder mittels eines Laserstrahls in dem ersten Halbleiterbauelement, insbesondere dem ersten Substrat strukturiert werden.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, auf vergleichsweise einfache Art und Weise die Entkopplungsstruktur und/oder den Drucksensorkanal und/oder das
Durchkontaktierungsloch und/oder den Belüftungskanal und/oder die
Isolationsstruktur in dem ersten Substrat auszubilden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem dritten Herstellungsschritt in dem ersten Halbleiterbauelement, insbesondere dem ersten Substrat,
-- die Entkopplungsstruktur und/oder -- der Drucksensorkanal und/oder
-- das Durchkontaktierungsloch und/oder
-- der Belüftungskanal und/oder
-- die Isolationsstruktur
gleichzeitig gebildet werden.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Sensoreinheit mit entkoppelter
Sensorstruktur unter vergleichsweise geringem Mehraufwand herzustellen. Durch die gleichzeitige Ausbildung verschiedener Strukturen der
unterschiedlichen Anordnungen wird eine Verbesserung der
Stressempfindlichkeit nahezu ohne zusätzliche Prozesskosten erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Sensoreinheit zur
Druckmessung konfiguriert, wobei die Sensorstruktur eine Drucksensorstruktur ist und das zweite Halbleiterbauelement eine, insbesondere als integrierten Schaltkreis (ASIC) ausgebildete, Auswertestruktur aufweist. Insbesondere wird das erste Halbleiterbauelement (Sensorchip) mittels der Flip-Chip(FC)-Technik auf dem zweiten Halbleiterbauelement (Auswerte- AS IC) montiert. Insbesondere wird das mit dem ersten Halbleiterbauelement verbundene zweite
Halbleiterbauelement mittels FC-Technik auf das dritte Halbleiterbauelement (Leiterplatte) montiert. Bevorzugt weist die Entkopplungsstruktur eine
Grabenstruktur ein oder mehrere Gräben auf, welche beispielsweise Nuten zur Spannungsentkopplung sind. Zusätzlich weist die Entkopplungsstruktur insbesondere Doppelbrückenelemente und/oder Membranelemente, insbesondere PorSi-Membranelemente, auf. Insbesondere sind die
Membranelemente entlang einer zur Normalrichtung des ersten Substrats parallelen Projektionsrichtung unter den Kontaktbereichen angeordnet.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen die Figuren 1 bis 22 Sensoreinheiten gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In Figur 1 ist eine Sensoreinheit 1 dargestellt, die als Drucksensor ausgebildet ist, wobei die Sensoreinheit 1 ein erstes Halbleiterbauelement 10 aufweist, welches mittels Flip Chip-Technik auf einem zweiten Halbleiterbauelement 20 befestigt ist. Hier weist das erste Halbleiterbauelement 10 eine Sensorstruktur 12 und das zweite Halbleiterbauelement 20 eine Auswertestruktur 22, insbesondere einen integrierten Schaltkreis (ASIC) auf. Hier sind das erste und zweite Halbleiterbauelement 10, 20 mechanisch und elektrisch leitfähig über einen Kontaktbereich 41 miteinander verbunden. Hier weist die Auswertestruktur 22 eine Durchkontaktierung 23 auf, welche auch als Durchkontakt oder
Siliziumdurchkontakt bezeichnet wird. Insbesondere ist die Durchkontaktierung 23 derart konfiguriert, dass ein Ausgangssignal der Sensorstruktur 12 auf eine Rückseite (in der Zeichnung die Unterseite) der Sensoreinheit 1 geführt wird. Über einen weiteren Kontaktbereich 41' kann das mit dem ersten
Halbleiterbauelement 10 verbundene zweite Halbleiterbauelement 20 auf einem dritten Halbleiterbauelement 30 (beispielsweise auf eine Leiterplatte einer Schaltung wie in Figur 3 dargestellt) gelötet werden.
In Figur 2 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht insbesondere im Wesentlichen der in Figur 1 dargestellten
Ausführungsform. Hier weist das erste Halbleiterbauelement 10 zur
Spannungsentkopplung zusätzlich eine erfindungsgemäße Entkopplungsstruktur 50 auf. Hier ist weist die Entkopplungsstruktur 50 eine Grabenstruktur 51 - insbesondere eine Nut - auf. Hier umgibt die Grabenstruktur 51 die
Sensorstruktur 12 in einer Ebene, die parallel zur Haupterstreckungsebene 100 eines ersten Substrats 11 des ersten Halbleiterbauelements 10 ist. Eine zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen erste Richtung 101 wird hier als X- Richtung bezeichnet, eine zur Haupterstreckungsebene 100 parallele und zur X- Richtung senkrechte zweite Richtung 102 wird hier als Y- Richtung bezeichnet. Insbesondere ist die Entkopplungsstruktur 50 hier so konfiguriert, dass thermomechanische und/oder mechanische Oberflächenspannungen - welche beispielsweise über die weiteren Kontaktbereiche 41' von dem dritten
Halbleiterbauelement 30 (siehe Figur 3) auf das zweite Halbleiterbauelement 20 und/oder über die Kontaktbereiche 41 von dem zweiten Halbleiterbauelement 20 auf das erste Halbleiterbauelement 10 übertragen werden - nicht direkt bis zur Sensorstruktur 12 übertragen. Das bedeutet, dass die Sensorstruktur 12 vom zweiten und/oder dritten Halbleiterbauelement 20, 30 bezüglich der
thermomechanischen und/oder mechanischen Spannungen weitgehend entkoppelt ist. Optional erstrecken sich die Nuten der Grabenstruktur 51 entlang der Normalrichtung 103 in das erste Halbleiterbauelement 10 hinein - d.h. nicht vollständig hindurch - oder vollständig durch das erste Substrat 11 und/oder eine Funktionsschicht 13 des ersten Halbleiterbauelements 10 hindurch.
In Figur 3 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das zweite Halbleiterbauelement 20 auf dem dritten Halbleiterbauelement 30, insbesondere eine Leiterplatte 30, befestigt ist. Insbesondere weist die Leiterplatte 30 hier einen
Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, der - insbesondere um eine oder mehrere Größenordnungen - größer ist als ein
Temperaturausdehnungskoeffizient von Silizium. Durch Temperaturänderung können beispielsweise Schubkräfte (siehe Pfeile 200) an den weiteren
Kontaktbereichen 41' - hier Bondpads - erzeugt werden, die zu mechanischen Spannungen im ersten und/oder zweiten Halbleiterbauelement 10, 20 führen. Ein Graben der Grabenstruktur 51, welcher insbesondere auch als
Spannungsentkopplungsgraben 51 bezeichnet wird, erstreckt sich hier durch das gesamte erste Halbleiterbauelement 10 hindurch. In Figuren 5 und 6 sind entsprechende Ausführungsformen dieser Sensoreinheit 1 beispielhaft in einer Draufsicht dargestellt.
In Figur 4 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen den in Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen entspricht, wobei die Entkopplungsstruktur 50 der Sensoreinheit 1 hier zusätzliche Membranelemente 55, insbesondere aus porösem Silizium (PorSi) bestehende Membranen, aufweist. Insbesondere überlappen die Membranelemente 55 - teilweise oder vollständig - entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung mit den Kontaktbereichen 41 und/oder weiteren Kontaktbereichen 41', so dass die thermisch und/oder mechanisch induzierten Spannungen außerhalb der Sensorstruktur 12, insbesondere außerhalb einer Drucksensormembran 123 der Sensorstruktur 12, relaxieren können. Insbesondere ragen die Membranelemente 55 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 des ersten Substrats 11 parallelen ersten Richtung 101 über eine Erstreckung der Kontaktbereiche 41 hinaus.
In Figur 5 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, welche im Wesentlichen den in Figuren 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen entspricht, wobei hier die Grabenstruktur 51 um die Sensorstruktur 12 herum verläuft. Hier ist die Sensorstruktur 12 eine Drucksensorstruktur 12 mit einer
Drucksensormembran 18 und einem Piezowiderstand 19. Hier weist die
Grabenstruktur 51 eine Mäanderform auf und verläuft insbesondere nicht entlang einer geschlossenen Bahn um die Sensorstruktur 12 herum. Weiterhin weist die Sensoreinheit 1 eine Leiterbahnenstruktur 17' auf, welche zur elektrischen Kontaktierung der Sensorstruktur 12 vorgesehen ist. Insbesondere verlaufen Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur 17' zwischen den Nuten bzw. Gräben der Grabenstruktur 51. Die Drucksensormembran 18 wird hier insbesondere federelastisch an einer Festlandstruktur 11' des ersten Halbleiterbauelements 10 aufgehängt. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Sensorstruktur 12 gegenüber von außen aufgeprägte mechanische Spannungen zu entkoppeln, sodass kein oder fast keine mechanischen Spannungen auf die Sensorstruktur 12 übertragen werden. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Grabenstruktur 12 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 entlang des gesamten ersten Substrats 11.
In Figur 6 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, welche im Wesentlichen den in Figuren 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen entspricht, wobei die Sensorstruktur 12 hier nicht mittig, sondern an versetzten Stellen an der Festlandstruktur 11' angebunden ist. Auf diese Weise werden hier effektive Befestigungsfedern in dem ersten Substrat 11 erzeugt, auf denen die
Leiterbahnen 17' herausgeführt werden und die den Montagestress
unterdrücken.
In Figur 7 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, welche im Wesentlichen den in Figuren 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen entspricht, wobei hier die Grabenstruktur 51 die Kontaktbereiche 41 umgibt. Im Bereich der Kontaktbereiche 41 wird dadurch eine federelastische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterbauelement 10, 20 erzeugt, sodass die
Sensorstruktur 12 entkoppelt ist. In Figur 8 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Die Sensoreinheit 1 weist ein erstes Halbleiterbauelement 10 und ein zweites Halbleiterbauelement 20 auf. Das erste Halbleiterbauelement 10 umfasst ein erstes Substrat 11 und eine Funktionsschicht 13 - insbesondere eine
polykristalline Siliziumfunktionsschicht. Die Funktionsschicht 13 umfasst ein
Sensorelement 123, insbesondere ein mikroelektromechanisches Sensorelement 123 (MEMS-Sensorelement oder MEMS-Chip). Das Sensorelement 123 ist über ein Aufhängungselement 121 mit dem ersten Substrat 11 - insbesondere ausschließlich mittelbar - verbunden. Weiterhin ist insbesondere zwischen dem ersten Substrat 11 und der Funktionsschicht 13 eine weitere Schicht 13' mit einer
Elektrodenstruktur 122 angeordnet, welche beispielsweise zur kapazitiven Detektion einer Auslenkung einer beweglichen Struktur des Sensorelement 123 konfiguriert ist. Das zweite Halbleiterbauelement 20 umfasst ein zweites Substrat 21. Das erste und zweite Halbleiterbauelement 10, 20 sind über eine
Waferverbindung 40 miteinander verbunden. Die Waferverbindung 40 umfasst einen Kontaktbereich 41 und eine Bondrahmenstruktur 42. Ferner ist das zweite Halbleiterbauelement 20 über weitere Kontaktbereiche 41' - insbesondere elektrisch leitfähig - mit einem dritten Halbleiterbauelement 30 - beispielsweise einer Leiterplatte - verbunden. Insbesondere weist das zweite
Halbleiterbauelement 20 eine Auswertestruktur 22 - insbesondere einen integrierten elektronischen Schaltkreis - auf. Bevorzugt erstrecken sich durch das zweite Substrat 21 des zweiten Halbleiterbauelements Durchkontaktierungen 23 zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung der Auswertestruktur 22 - hier über die weiteren Kontaktbereiche 41' und ein Kontaktelement 23'.
Das erste Substrat 11 ist insbesondere ein Silizium-Substrat und weist hier eine Oxidschichtstruktur 13' und insbesondere eine in einer Leiterbahnebene angeordnete Elektrodenstruktur 122 auf. Aus der Funktionsschicht 13 ist hier beispielsweise ein Sensorelement 123 mit einer beweglichen ME MS -Struktur - beispielsweise für Beschleunigungs-, Drehraten- oder Magnetsensoren - ausgebildet. Das erste Halbleiterbauelement 10 weist insbesondere weitere Silizium-Funktionsschichten und Oxid-Isolationsschichten auf, welche
beispielsweise durch Waferbondverfahren und anschließendes Rückschieifen aufgebracht werden (nicht dargestellt).
Das zweite Halbleiterbauelement 20 umfasst insbesondere einen
komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS), welcher das zweite Substrat 21 mit dotierten Halbleiterschichten 24 zur Realisierung der elektrischen
Schaltkreise und einem Metal-Oxide-Stack mit der Auswertestruktur 22, insbesondere zur Verdrahtung und zur Realisierung von Kapazitäten, umfasst. Das erste und zweite Halbleiterbauelement 10, 20 werden beispielsweise über ein metallisches Waferbondverfahren miteinander verbunden, insbesondere durch eutektisches Bonden von Aluminium mit Germanium. Dabei wird beispielsweise auf der Auswertestruktur 22 eine oberste Aluminium- Verdrahtungsebene als Bondoberfläche genutzt und Germanium auf dem ersten Halbleiterbauelement 10 als oberste Schicht abgeschieden. Die beiden Wafer werden dann bei Temperaturen oberhalb von 430°C mit hinreichendem Druck zusammen gepresst, so dass eine eutektische flüssige Phase entsteht. Die Waferverbindung 40 umfasst dann eine Aluminium-Germanium-Verbindung, welche bewirkt, dass mittels einer umlaufenden Bondrahmenstruktur 42 eine hermetische Kapselung des Sensorelements 123 realisiert wird und
insbesondere ein elektrische leitfähiger Kontaktbereich 41zwischen erstem und zweitem Halbleiterbauelement 10, 20 ausgebildet wird. Andere metallische Bondverfahren wie Kupfer-Zinn-Bonden oder thermokompressive Verfahren sind in analoger Weise realisierbar.
In Figur 9 ist eine Sensoreinheit 1, die keine Entkopplungsstruktur 50 aufweist, verzerrt dargestellt, um eine Verbiegung bzw. Deformation der Sensoreinheit 1 zu illustrieren, die beispielsweise dann entstehen kann, wenn das erste und zweite Halbleiterbauelement 10, 20 zur Verbindung mit dem dritten
Halbleiterbauelement 30 zusammengepresst wird. Die Sensoreinheit 1 wird hier im Bereich eines freitragenden MEMS-Elements des Sensorelements 123 auf andere Weise verformt als in einem Bereich der Elektrodenstruktur 122. Bei einer kapazitiven Auswertung ändert sich somit der Abstand zwischen einem beweglichen MEMS-Element und der Elektrodenstruktur 122. Durch die erfindungsgemäße Entkopplungsstruktur wird in vorteilhafter Weise eine aus einer Verbiegung resultierende Drift - z. B. von Empfindlichkeit, Offset und anderen Detektionsgrößen - durch eine Entkopplung der Sensorstruktur 12 (siehe Figur 10) weitgehend vermieden.
In Figur 10 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, welche im Wesentlichen den in Figuren 8 bis 9 dargestellten Ausführungsformen entspricht. Hier weist das erste Substrat 11 eine Entkopplungsstruktur 50 auf, wobei die Entkopplungsstruktur 50 eine Grabenstruktur 51 umfasst. Die Grabenstruktur 51 erstreckt sich hier entlang einer zu einer Normalrichtung 103 parallelen
Projektionsrichtung vollständig durch das erste Substrat 11 hindurch.
Insbesondere erstreckt sich die Grabenstruktur hauptsächliche entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Ebene. Hier weist die Grabenstruktur 51 eine Form eines umlaufenden Rechtecks oder Rings auf (siehe beispielsweise die in Figur 11 dargestellte Draufsicht). Insbesondere umfasst das erste
Halbleiterbauelement 10 in der Funktionsschicht 13 Kopplungselemente 52 zur Verbindung der Sensorstruktur 12 mit einer Festlandstruktur 11' des ersten Substrats 11. Bevorzugt ist eine Biegesteifigkeit des ersten Substrats 11 im Bereich der Kopplungselemente 52 gegenüber einer Biegesteifigkeit des ersten Substrats 11 im Bereich der Festlandstruktur 11' reduziert. Die
Entkopplungsstruktur 50 ist insbesondere so konfiguriert, dass eine von außen aufgeprägte Verbiegung oder Deformation der Sensoreinheit 1 weitgehend absorbiert wird und ein von der Grabenstruktur 51 umschlossenes
Strukturelement 120 der Sensorstruktur 12 im Wesentlichen nicht verbogen wird - d.h. entkoppelt ist. In Figur 12 ist beispielhaft eine solche Verbiegung dargestellt. Insbesondere wird hierdurch ein Einfluss mechanischer und/oder thermomechanischer Spannungen sowohl auf das Strukturelement als auch auf das Sensorelement 123 - und somit auf die gesamte Sensorstruktur 12 mitsamt Aufhängungselement 121 und die in der Leiterbahnebene angeordnete
Elektrodenstruktur 122 so stark reduziert, dass eine Detektion mittels der Sensoreinheit 1 durch externe Störungen nicht oder zumindest sehr viel weniger als beim Stand der Technik gestört wird. In Abhängigkeit von der Grabenbreite eines umlaufenden Grabens der Grabensstruktur 51 und der Breite und/oder Höhe der Kopplungselemente 52 ist eine Steifigkeit der Entkopplungsstruktur gezielt anpassbar bzw. einstellbar.
In Figur 11 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt. Das erste Substrat 11 weist hier einen die Sensorstruktur 12 in einer zur
Haupterstreckungsebene 100 parallelen Ebene umgebende Grabenstruktur 51 auf. Hier ist die Grabenstruktur innerhalb der Bondrahmenstruktur 42
angeordnet. Insbesondere weist die Bondrahmenstruktur 42 ein eutektisches Material auf. Insbesondere überlappt gemäß der hier dargestellten
Ausführungsform die Grabenstruktur 51 mit einem oder mehreren weiteren Kontaktbereichen 41' der Bauelementverbindung 40'.
In Figur 13 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der in Figur 13 dargestellten
Ausführungsform erstreckt sich die Grabenstruktur 51 entlang einer zur
Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung in das erste Substrat 11 des ersten Halbleiterbauelement 10 hinein, aber insbesondere nicht durch das erste Substrat 11 hindurch. Bevorzugt beträgt eine sich parallel zur Normalrichtung 103 erstreckende Grabentiefe der Grabenstruktur 51 zwischen 60% und 100%, besonders bevorzugt zwischen 70% und 90%, ganz besonders bevorzugt ungefähr 80%, einer sich parallel zur Normalrichtung 103 erstreckenden
Substratdicke des ersten Substrats 11. In diesem Fall erstrecken sich die Kopplungselemente 52 ausschließlich in dem ersten Substrat 11 - d.h.
zusätzliche Koppelemente in einer Funktionsschicht - wie beispielsweise in Figur 10 dargestellt - sind in der hier gezeigten Ausführungsform nicht vorgesehen.
In Figuren 14 bis 20 sind Sensoreinheiten 1 gemäß verschiedener
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Figur 14 ist eine Sensoreinheit 1 dargestellt, wobei das erste Halbleiterbauelement 10 hier eine Sensorstruktur 12 und eine separate weitere Sensorstruktur 12' aufweist, wobei die Entkopplungsstruktur 50 hier eine Teilstruktur 50' und eine weitere
Teilstruktur 50" umfasst, wobei die Teilstruktur 50' derart konfiguriert ist, dass die Sensorstruktur 12 thermomechanisch und/oder mechanisch von dem zweiten Halbleiterbauelement 20 entkoppelt ist, wobei die weitere Teilstruktur 50" derart konfiguriert ist, dass die weitere Sensorstruktur 12' thermomechanisch und/oder mechanisch von dem zweiten Halbleiterbauelement 20 entkoppelt ist.
Weiterhin umfasst hier die weitere Sensorstruktur 12' insbesondere ein weiteres Sensorelement 123'. Das Sensorelement 123 der Sensorstruktur 12 und das weitere Sensorelement 123' der weiteren Sensorstruktur 12' sind hier in zwei voneinander hermetisch getrennten Kavernen 60, 60' angeordnet, wobei die Sensorstruktur 12 einer Kaverne 60 und die weitere Sensorstruktur 12' einer weiteren Kaverne 60' der beiden Kavernen 60, 60' zugeordnet ist. Beispielsweise ist die Sensorstruktur 12 zur Detektion von Beschleunigungen konfiguriert und die weitere Sensorstruktur 12' zur Detektion von Drehraten konfiguriert. Die hermetische Trennung der beiden Kavernen 60, 60' wird hier mittels eines Bondstegs 42' der Bondrahmenstruktur 42 erreicht (Figur 15).
Insbesondere weisen die beiden Kavernen 60, 60' unterschiedliche Innendrücke auf, wobei ein Innendruck der weiteren Kaverne 60' mittels eines Reseal- Prozesses eingestellt wird. Zu diesem Zweck weist die weitere Kaverne 60' ein sich parallel zur Normalrichtung 103 durch das erste Substrat 11 hindurch erstreckendes Belüftungsloch 16 auf, welches bei einer fertiggestellten
Sensoreinheit mittels eines Verschlusses 162 versiegelt ist. Insbesondere ist auf dem Verschluss 162 ein Metallfilm 161 angeordnet. Weiterhin weist die
Sensoreinheit einen ersten und zweiten Durchgangsbereich 61, 62 auf. In Figur 15 ist die in Figur 14 dargestellte Ausführungsform in einer Draufsicht dargestellt.
In Figur 16 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen der in Figur 10 dargestellten Ausführungsform entspricht. Die Sensoreinheit 1 ist hier als Drucksensoreinheit ausgebildet und weist einen Drucksensorkanal 14 auf. Der Drucksensorkanal 14 erstreckt sich entlang einer zur Normalrichtung 103 parallelen Projektionsrichtung durch das erste Substrat 11 hindurch bis hin zu einem Membran 18 der Sensorstruktur 12.
In Figur 17 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen der in Figur 10 dargestellten Ausführungsform entspricht. Hier weist das erste Halbleiterbauelement 10 den weiteren Kontaktbereich 41' zur Verbindung mit einem dritten Halbleiterbauelement 30 auf. Der weitere Kontaktbereich 41' ist hier mit dem ersten Substrat 11 verbunden. Hier ist die Auswertestruktur 22 elektrisch leitfähig - insbesondere über in einer Schicht 23" angeordnete Kontaktelemente 23', eine in einem Durchkontaktierungsloch 15' angeordnete Durchkontaktierung
15 und einen Kontaktbereich 41 - mit dem weiteren Kontaktbereich 41' verbunden. Hier erstreckt sich das Durchkontaktierungsloch 15' durch das erste Substrat 11 hindurch. In Figur 18 ist die Sensoreinheit 1 gemäß Figur 17 dargestellt, wobei die Sensoreinheit 1 hier das erste, zweite und dritte
Halbleiterbauelement 10, 20, 30 umfasst. Hier ist das erste Halbleiterbauelement
10 mit dem dritten Halbleiterbauelement 30 elektrisch leitfähig über die weiteren Kontaktbereiche 41' verbunden.
In Figur 19 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den anderen Ausführungsformen, wobei hier das zweite Halbleiterbauelement 20 als Kappe oder Gehäuse der Sensoreinheit 1 ausgebildet ist. In Figur 20 ist eine eine Sensoreinheit 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den anderen Ausführungsformen, wobei hier die Grabenstruktur 51 der Entkopplungsstruktur 50 ein Verfüllungsmaterial aufweist, wobei das Verfüllungsmaterial 54 insbesondere ein Polymermaterial, ist, wobei das Verfüllungsmaterial 54 ein um wenigstens eine Größenordnung kleineres
Elastizitätsmodul aufweist - d.h. weicher ist - als ein Substratmaterial, insbesondere Siliziummaterial, des ersten Substrats 11.
In Figur 21 ist eine Sensoreinheit 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Die
Sensoreinheit 1 umfasst ein ME MS- Bauelement 10 mit einer Sensorstruktur und ein ASIC-Bauelement 20 mit einer Auswerteschaltung 22 für die Sensorfunktion des MEMS-Bauelements 10.
In der Funktionsschicht 13 über dem Substrat 11 des MEMS-Bauelements 10 ist ein auslenkbares Sensorelement 123 ausgebildet, das über ein Aufhängungselement 121 mit dem MEMS-Substrat 11 verbunden ist. Die Auslenkungen des Sensorelements 123 werden kapazitiv erfasst mit Hilfe einer Elektrodenstruktur 122, die in einer weiteren Schicht 13' zwischen dem MEMS- Substrat 11 und der Funktionsschicht 13 ausgebildet ist.
Das MEMS-Bauelement 10 und das ASIC-Bauelement 20 sind über eine Waferverbindung 40 miteinander verbunden. Die Waferverbindung 40 umfasst einen Kontaktbereich 41 zur elektrischen Kontaktierung der MEMS- Sensorfunktion und eine Bondrahmenstruktur 42.
Die elektrischen Signale der ASIC-Auswerteschaltung 22 werden über
Durchkontaktierungen 23 im ASIC-Substrat 21 auf die Rückseite des ASIC- Bauelements 20 geführt, wo dieses über Lotballs 41' mit einer Leiterplatte 30 verbunden ist.
Bei der Waferverbindung 40 zwischen dem MEMS-Bauelement 10 und dem ASIC-Bauelement 20 handelt es sich beispielsweise um eine eutektische Bondverbindung von Aluminium mit Germanium. Dazu kann beispielsweise eine oberste Aluminium-Verdrahtungsebene des ASIC-Bauelements 20 als
Bondoberfläche genutzt werden und eine Germaniumschicht auf dem MEMS- Bauelement 10 abgeschieden werden. Die beiden Wafer werden dann bei Temperaturen oberhalb von 430°C mit einem relativ hohen Anpressdruck zusammen gepresst, so dass eine eutektische flüssige Phase entsteht. Auf diese Weise wird eine hermetisch dichte Aluminium-Germanium-Verbindung im Bereich der umlaufenden Bondrahmenstruktur 42 erzeugt, so dass das
Sensorelement 123 hermetisch verkappt ist. Andere metallische Bondverfahren wie Kupfer-Zinn-Bonden oder thermokompressive Verfahren sind in analoger Weise realisierbar.
Erfindungsgemäß umfasst die Entkopplungsstruktur der in Fig. 21 dargestellten Sensoreinheit ein Membranelement 55, das eine Kaverne 56 im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements 10 überspannt und im Bereich über der
Waferverbindung 40, und zwar über dem Bondrahmen 42, ausgebildet ist. Diese Kaverne 56 wurde vor der eigentlichen MEMS-Prozessierung im MEMS-Substrat 11 erzeugt. Zur Definition von Position, Form und Ausdehnung der Kaverne 56 wurde das MEMS-Substrat 11 zunächst mit einer Dotierung 57 versehen, die als Begrenzung für einen APSM-Prozess dient. Mit diesem Prozess wurde dann die Kaverne 56 erzeugt und das Membranelement 55 freigelegt. Auf dem so vorprozessierten MEMS-Substrat 11 wurde schließlich der Schichtaufbau mit der mikromechanischen Sensorstruktur erzeugt.
Mit Hilfe des Membranelements 55 bzw. der vergrabenen Kaverne 56 kann der für den Waferbondprozess erforderliche Anpressdruck lokal auf den Bereich des Bondrahmens 42 begrenzt werden, um die empfindlichen Schaltungselemente des ASIC-Bauelements 20 zu schützen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Membran 55 durch den Anpressdruck während des Bondprozesses ausgelenkt wird, bis die Rückstellkraft der anliegenden äußeren Kraft entspricht. Dadurch wird auch eine sehr gute Verteilung des Anpressdrucks über den gesamten Bondbereich erreicht.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Position und Ausdehnung des
Membranelements 55 bzw. der Kaverne 56 auch so gewählt werden können, dass die Kaverne 56 beim Vereinzelungsprozess seitlich geöffnet wird und somit ein noch flexiblerer Überhang entsteht. Die Öffnung der Kaverne 56 kann aber auch im Rahmen der Strukturierung des MEMS-Bauelements 10, beispielsweise in einem Trenchprozess erfolgen.
Fig. 22 zeigt eine alternative Realisierungsmöglichkeit für ein Membranelement 55, das eine Kaverne 56 im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements 10 überspannt und im Bereich über der Waferverbindung 40, und zwar über dem Bondrahmen 42, ausgebildet ist.
Die Kaverne 56 befindet sich hier zwischen dem MEMS-Substrat 11 und der Funktionsschicht 13. Sie wurde in einem Opferschichtätzprozess im
Schichtaufbau auf dem MEMS-Substrat 11 angelegt und anschließend in einem Trenchprozess geöffnet, bei dem Druckausgleichsöffnungen 58 in der
Funktionsschicht 13 erzeugt wurden.
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.

Claims

Ansprüche
1. Sensoreinheit (1) mit einem ersten Halbleiterbauelement (10) und einem zweiten Halbleiterbauelement (20), wobei das erste Halbleiterbauelement (10) ein erstes Substrat (11) und eine Sensorstruktur (12) aufweist, wobei das zweite Halbleiterbauelement (20) ein zweites Substrat (21) aufweist, wobei das erste und zweite Halbleiterbauelement (10, 20) über eine Waferverbindung (40) miteinander verbunden sind, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1) eine Entkopplungsstruktur (50) aufweist, die derart konfiguriert ist, dass die Sensorstruktur (12) thermomechanisch und/oder mechanisch von dem zweiten
Halbleiterbauelement (20) entkoppelt ist.
2. Sensoreinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsstruktur (50) eine Grabenstruktur (51) aufweist, wobei sich die Grabenstruktur (51) entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) des ersten Substrats (11) senkrechten Normalrichtung (103) in das erste Substrat (11) hinein oder vollständig durch das erste Substrat (11) hindurch erstreckt.
3. Sensoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsstruktur (50) Koppelelemente (52) zur Kopplung der Sensorstruktur (12) an eine Festlandstruktur (11') des ersten Substrats (11) aufweist.
4. Sensoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Grabenstruktur (51) hauptsächlich parallel zur Haupterstreckungsebene (100) des ersten Substrats (11) erstreckt, wobei die Grabenstruktur (51) die Sensorstruktur (12) umgibt, wobei insbesondere die Grabenstruktur (51) mäanderförmig oder rahmenförmig, insbesondere ringförmig, ist. Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsstruktur mindestens ein
Membranelement (55) umfasst, das eine Kaverne (56) im Schichtaufbau des ersten Halbleiterbauelements (10) überspannt und im Bereich über der Waferverbindung (40) ausgebildet ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (56) unter dem mindestens einen Membranelement (55) abgeschlossen ist oder mindestens eine Druckausgleichsöffnung (58) aufweist.
Sensoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur (12) ein von dem ersten Substrat (11) umfasstes Strukturelement (120) und ein von einer Funktionsschicht (13) des ersten Halbleiterbauelements (10) umfasstes Sensorelement (123) aufweist, wobei das Sensorelement (123) über die Kopplungselemente (52) mit dem ersten Substrat (11) ausschließlich mittelbar verbunden ist, wobei insbesondere die Kopplungselemente (52) aus dem ersten Substrat (11) und/oder aus der Funktionsschicht (13) gebildet sind.
Sensoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1) eine Kavität (60) und/oder eine separate weitere Kavität (60') aufweist, wobei die Kavität (60) und/oder weitere Kavität (60') zwischen dem ersten und zweiten
Halbleiterbauelement (10, 20) angeordnet ist, wobei die Waferverbindung (40) eine die Kavität (60) und/oder weitere Kavität (60') umschließende Bondrahmenstruktur (42) aufweist, die derart konfiguriert ist, dass die Kavität (60) und/oder die separate weitere Kavität (60') hermetisch abdichtbar oder abgedichtet sind, wobei sich insbesondere ein
Belüftungskanal (16) durch das erste Substrat (11) bis in die Kavität (60) oder weitere Kavität (60') erstreckt.
Sensoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur (12) eine Drucksensorstruktur ist, wobei in dem ersten Substrat (11) ein Drucksensorkanal (14) angeordnet ist, wobei sich der Drucksensorkanal (14) in die Sensoreinheit
(I) hinein bis zu einer Membran (18) der Drucksensorstruktur erstreckt.
10. Sensoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1) eine in dem ersten Substrat
(II) ausgebildete Durchkontaktierung (15), insbesondere
Siliziumdurchkontaktierung, zur elektrischen Kontaktierung des
Sensorelements (123) der Sensorstruktur (12) aufweist.
11. Sensoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsstruktur (50) eine mit einem Verfüllungsmaterial (54) verfüllte Grabenstruktur (51) ist, wobei das Verfüllungsmaterial (54) insbesondere ein Polymermaterial, ist, wobei das Verfüllungsmaterial (54) ein um wenigstens eine Größenordnung kleineres Elastizitätsmodul aufweist als ein Substratmaterial,
insbesondere Siliziummaterial, des ersten Substrats (11).
12. Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinheit (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Herstellungsschritt ein erstes Halbleiterbauelement (10) mit einem ersten Substrat (11) und einer Sensorstruktur (12) bereitgestellt wird, wobei ein zweites Halbleiterbauelement (20) mit einem zweiten Substrat (21) bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Herstellungsschritt das erste und zweite Halbleiterbauelement (10, 20) über eine
Waferverbindung (40) zu der Sensoreinheit (1) miteinander verbunden werden, wobei in einem dritten Herstellungsschritt eine
Entkopplungsstruktur (50) zur thermomechanischen und/oder
mechanischen Entkopplung der Sensorstruktur (12) von dem zweiten Halbleiterbauelement (20) gebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
dritten Herstellungsschritt
-- die Entkopplungsstruktur (50) und/oder
-- ein Drucksensorkanal (14) und/oder -- ein Durchkontaktierungsloch (15') und/oder
-- ein Belüftungskanal (16) und/oder
-- eine Isolationsstruktur
durch zeitgesteuertes Ätzen, insbesondere durch reaktives
lonentief ätzen, und/oder mittels eines Laserstrahls in dem ersten Halbleiterbauelement (10), insbesondere dem ersten Substrat (11) strukturiert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Herstellungsschritt in dem ersten Halbleiterbauelement (10), insbesondere dem ersten Substrat (11),
-- die Entkopplungsstruktur (50) und/oder
-- der Drucksensorkanal (14) und/oder
-- das Durchkontaktierungsloch (15') und/oder
-- der Belüftungskanal (16) und/oder
-- die Isolationsstruktur
gleichzeitig gebildet werden.
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