WO2018054470A1 - Mikromechanisches bauelement - Google Patents

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WO2018054470A1
WO2018054470A1 PCT/EP2016/072575 EP2016072575W WO2018054470A1 WO 2018054470 A1 WO2018054470 A1 WO 2018054470A1 EP 2016072575 W EP2016072575 W EP 2016072575W WO 2018054470 A1 WO2018054470 A1 WO 2018054470A1
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WO
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wafer
mems
asic
micromechanical
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/072575
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Ulm
Johannes Classen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to PCT/EP2016/072575 priority Critical patent/WO2018054470A1/de
Publication of WO2018054470A1 publication Critical patent/WO2018054470A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C1/00238—Joining a substrate with an electronic processing unit and a substrate with a micromechanical structure

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical component and to a method for producing a micromechanical component.
  • Micromechanical sensors for measuring, for example, acceleration, rate of rotation, magnetic field and pressure are known and are mass-produced for various applications in the automotive and consumer sectors.
  • a z-acceleration sensor is realized in which the movable mass of two micromechanical layers (first and second MEMS functional layer) is formed and in which both below and above the movable structure capacitive evaluation electrodes are arranged, namely in
  • a movable MEMS structure is arranged on an evaluation ASIC, preferably a CMOS wafer, wherein the uppermost metal layer of the ASIC as a solid
  • evaluation electrodes are provided in the MEMS wafer, as is known, for example, from DE 10 2012 208 032 A1.
  • an integration density in this case a capacitance per area of the components can be increased, which can lead to reduced noise and / or a smaller area requirement for the components.
  • DE 10 2012 208 032 A1 also discloses an arrangement having two micromechanical layers, which are linked to a vertical integration process.
  • the MEMS wafer is produced surface micromechanically and is mechanically and electrically connected to an ASIC by means of a wafer bonding process.
  • the MEMS wafer has three polycrystalline silicon layers (one wiring level and two micromechanical layers), which can be structured largely independently of one another.
  • the MEMS wafer thereby comprises two micromechanical functional layers and one interconnect plane.
  • the two micromechanical functional layers are connected to one another and form a one-piece or integral mass element.
  • through-holes through silicon, TSV
  • DE 10 2009 029 202 A1 discloses a stacked arrangement of micromechanical components comprising a plurality of MEMS layers, in which a first MEMS structure in a functional layer and at least one further MEMS structure are arranged at least partially in at least one further functional layer.
  • Such structures in which also the integration view is increased, can be realized by means of a process which is known from DE 10 2009 000 167 A1.
  • Waferstapel be bonded together, wherein both wafer composites are formed by a MEMS wafer and a CMOS wafer, such as
  • a support is provided, in particular in the form of an ASIC, a MEMS and a cap.
  • the MEMS device is mounted on the carrier via a standoff structure, wherein the cap is disposed over the micromechanical structure of the MEMS device.
  • the object is achieved with a method for producing a micromechanical device, comprising the steps:
  • connection elements Forming electrically conductive connection elements in the MEMS wafer, wherein the connection elements penetrate the at least two fixed or movable structures in the MEMS wafer and are formed as far as the ASIC wafer;
  • MEMS functional layers are provided, which are either electrically and mechanically connected to each other or only mechanically interconnected. This provides the advantageous option of selectively electrically activating the movable structures of the MEMS layers as electrodes.
  • the object is achieved with a
  • Micromechanical component comprising:
  • a MEMS wafer having at least two solid or movable MEMS structures arranged one above another at least in sections, an ASIC wafer, wherein
  • the MEMS wafer is functionally connected to the ASIC wafer, wherein at least one electrically conductive connection element penetrating the two MEMS structures is formed as far as the ASIC wafer, the wafers being capped by means of a cap wafer.
  • a preferred embodiment of the method provides that the formation of the electrical connection elements is carried out by means of introducing at least one layer of conductive material into contact holes.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that tungsten is used as the conductive material. This results in favorable material and processing properties.
  • a further preferred embodiment of the method provides that a bonding of the ASIC wafer to the MEMS wafer is carried out after the at least partial structuring of the MEMS wafer.
  • the MEMS wafer can first be completely surface micromechanically structured. This allows structuring of bonding steps
  • FIG. 2 shows another conventional micromechanical sensor topology
  • FIG. 3-24 results of individual process steps for producing the micromechanical component according to the invention
  • Fig. 1 shows a result of a conventional standard process for
  • a movable MEMS structure 14 is formed in a monocrystalline MEMS functional layer of a MEMS wafer. It will be appreciated that the moveable MEMS structure 14 is disposed on oxide material stand-off elements on an ASIC wafer 20.
  • a cap wafer 30 seals the arrangement of the MEMS structure 14 on the ASIC wafer 20.
  • FIG. 2 shows a cross section through a further conventional micromechanical component 100 with a MEMS wafer 10 and an ASIC wafer 20.
  • Movable micromechanical MEMS structures 14, 15 are formed in the MEMS wafer 10.
  • RDL distribution layer
  • FIGS. 3 to 25 show results of process steps for producing embodiments of the micromechanical component 10 according to the invention.
  • FIG. 3 shows a simplified cross section through a CMOS wafer, which represents an initial state for an ASIC wafer 20. Recognizable are one Substrate layer 21, a circuit layer 22 and a transistor layer 23. On the ASIC wafer 20, a passivation layer 24 is arranged, for example in the form of a nitride passivation.
  • FIG. 4 shows the cross-section of FIG. 3, wherein the passivation layer 24 has been opened or structured.
  • FIG. 5 it can be seen that an oxide material 40 for spacers has been deposited on the structured passivation layer 24.
  • FIG. 6 shows a structuring of the oxide material 40 in the form of a formation of spacer elements which serve as contact surfaces for subsequent wafer-direct bonding.
  • FIG. 7 shows a cross section through a MEMS wafer 10 with a first substrate layer 11 (preferably a silicon substrate), an insulation layer 12 (preferably an oxide material) disposed thereon and one on the first substrate layer 11 (preferably a silicon substrate), an insulation layer 12 (preferably an oxide material) disposed thereon and one on the first substrate layer 11 (preferably a silicon substrate), an insulation layer 12 (preferably an oxide material) disposed thereon and one on the first substrate layer 11 (preferably a silicon substrate), an insulation layer 12 (preferably an oxide material) disposed thereon and one on the
  • Insulation layer 12 arranged second substrate layer 13 (preferably silicon substrate).
  • the MEMS wafer 10 is thus formed in its basic structure by an SOI wafer.
  • FIG. 8 shows a cross section through the arrangement of FIG. 7, wherein now a first trench of the second substrate layer 13 has been carried out.
  • material of the insulating layer 12 was etched out below the structure of the second substrate layer 13 by means of a gas phase etching step.
  • FIG. 10 indicates that a filling of the opened access holes with a conductive material 16, preferably poly-silicon was performed. Alternatively conceivable is also a metallic backfilling, for example with tungsten. In this way, the first substrate layer 11 can be electrically conductively connected to the second substrate layer 13 in a locally limited manner.
  • FIG. 1 1 indicates that a smooth surface of the second substrate layer 13 is provided for a subsequent wafer bonding by means of a CMP process step (English: chemical mechanical polishing). From the cross-sectional view of FIG. 12, it can be seen that a second trench of the second substrate layer 13 has been implemented, whereby a structure in the first substrate layer 13 has been realized.
  • FIG. 13 shows a cross section of the MEMS wafer 10 after a second gas phase etching step of the insulation layer 12, whereby the insulation layer 12 has been locally released.
  • the second gas phase etching step is preferably timed.
  • FIG. 14 shows the MEMS wafer 10 of FIG. 13 rotated by 180 ° before a wafer bonding with the ASIC wafer 20.
  • FIG. 15 shows a result of wafer bonding of the MEMS wafer 10 to the ASIC wafer 20, preferably in the form of a plasma-activated direct bonding process.
  • FIG. 16 shows a result of loopback and possibly a CMP step of the first substrate layer 11 to target thickness, preferably to about 5 ⁇ m to about 100 ⁇ m.
  • FIG. 17 shows a result of a first trenching of the first substrate layer 11 for applying contact holes 17 in the first substrate layer 11.
  • FIG. 18 shows a patterning of the conductive material 18, as a result of which electrically conductive connections ("conductive posts") through the two
  • Substrate layers 1 1, 13 and an electrically conductive connection to structures of the ASIC wafer 20 are provided.
  • FIG. 20 shows a cross-section through the arrangement of FIG. 19 after trenching of the first substrate layer 11 for a final definition and release of the MEMS structures 14, 15. In this case, also accessible partial regions of the second substrate layer 13 are trimmed.
  • Fig. 21 indicates that MEMS regions are made movable.
  • the figure serves to illustrate that, similar to FIG. 2, movable MEMS structures 14, 15 with a fully differential electrode arrangement, with an upper fixed electrode in the first substrate layer 11 and a lower fixed electrode in an uppermost metallization plane of the ASIC Wafers 20 can be realized.
  • FIG. 22 shows a finished micromechanical component 100, wherein a bonding of a cap wafer 30 to the ASIC wafer 20 is performed. Subsequently, the cap wafer 30 is opened in a bonding pad area and a wire bonding to an external contacting of the micromechanical
  • Device 100 performed. Visible is an external contacting element 50 in the form of a bonding wire.
  • FIG. 23 shows an alternative form of a micromechanical device 100, in which case the cap wafer 30 is bonded to the MEMS wafer 10.
  • Fig. 24 shows a further embodiment of the micromechanical
  • Component 100 with an alternative external electrical contacting by means of plated-through holes 60 in ASIC wafer 20 is also conceivable (not shown) is external electrical contacting via plated-through holes 60 in cap wafer 30.
  • plated-through holes 60 with additional redistribution in the form of a distribution plane (FIG. Engl, redistribution layer, RDL) together with contacting elements 50 in the form of solder balls an electrical contacting of circuit elements of the ASIC wafer 20 can be realized.
  • FIGS. 25 to 31 show an alternative realization of the MEMS wafer 10, in which a surface micromechanical process is carried out for its production.
  • the starting point is a first substrate layer 11, to which an insulation layer 12, preferably an oxide layer, is preferably applied via thermal oxidation.
  • an insulation layer 12 preferably an oxide layer
  • the grown second micromechanical layer is predominantly polycrystalline in this case.
  • Fig. 26 shows an opened insulation layer 12 for forming contact holes.
  • Fig. 27 shows a deposition of a second substrate layer 13 on the
  • Insulation layer 12 either as polycrystalline silicon or epitaxial growth (with a polycrystalline starting layer on the
  • a strong topography of the surface of the second substrate layer 13 is formed. This can optionally be minimized by means of a multiplicity of small contact holes, in which a trench width is smaller than the layer thickness of the second substrate layer 13.
  • Fig. 28 shows a result of a CMP step of the second substrate layer 13 for preparation of a subsequent wafer bonding.
  • the state of the MEMS wafer 10 now substantially corresponds to that of FIG. 11, but here large areas of the second substrate layer 13 are polycrystalline educated.
  • the further process sequence proceeds analogously to FIGS. 12 to 22.
  • FIG. 29 shows a process stage similar to FIG. 20, ie after the second trenching of the first substrate layer 13, in which case the conductive material 18 is structured differently than in the arrangement of FIG. 20.
  • a completely different design of the micromechanical device 100 is realized, namely a capacitive pressure sensor with fully differential
  • FIG. 30 shows that, in addition to the process steps of FIGS. 3 to 20, a gas phase etching step with gaseous HF (hydrogen fluoride) is also carried out.
  • a pressure sensor membrane realized in the second substrate layer 13 and a solid detection electrode arranged above it and realized in the first substrate layer 11 are simultaneously realized.
  • the uppermost metal layer of the ASIC wafer 20 may be used as a counter electrode so that a differential evaluation of the movement of the pressure sensor membrane becomes possible.
  • the distances of the membrane to the upper and lower electrodes are identical (not shown in FIG. 30).
  • Pressure sensor diaphragm is formed.
  • Fig. 31 shows qualitatively a state of the pressure sensor membrane in the deflected state.
  • FIG. 32 shows a basic sequence of a method for producing a micromechanical component 100.
  • a MEMS wafer 10 is provided.
  • step 210 an ASIC wafer 20 is provided.
  • step 220 formation of at least two fixed or movable structures 14, 15, which are arranged one above the other at least in sections, is carried out in the MEMS wafer 10.
  • a connection of the MEMS wafer 10 to the ASIC wafer 20 is performed.
  • step 240 formation of electrically conductive
  • Connecting elements which penetrate at least two fixed or movable structures 14,15 in the MEMS wafer 10 and are formed up to the ASIC wafer 20.
  • a cap wafer 30 is applied to the interconnected wafers 10, 20.
  • the present invention proposes a micromechanical component and a method for its production.
  • the micromechanical component can be used particularly advantageously in order to realize fully differential capacitive electrode arrangements for MEMS elements that can be deflected perpendicular to the chip plane.
  • a fixed bottom electrode is formed by the (preferred) uppermost metal level of the ASIC wafer 20, wherein a solid top electrode is formed in the first substrate layer 11.
  • the movable electrode then lies between the bottom and top electrodes and is formed from regions of the second substrate layer.
  • the MEMS layers can be formed from monocrystalline material using an SOI wafer.
  • SOI wafer As a result, smaller intrinsic stresses are possible, with inhomogeneities in the crystal structure of polycrystalline silicon can lead to intrinsic stresses. This can disadvantageously be noticeable, for example, in slight forward deflections of the sensor structures that are the case in acceleration sensors
  • the layer thicknesses of the MEMS structures are easily scalable, whereby the thicknesses of the first and second substrate layer can be increased more easily than in the case of surface micromechanical methods.
  • micromechanical inertial sensor e.g. usable for an acceleration sensor and / or a rotation rate sensor.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines MEMS-Wafers (10); - Bereitstellen eines ASIC-Wafers (20); - Ausbilden von wenigstens zwei zumindest abschnittsweise übereinander angeordneten festen oder beweglichen Strukturen (14,15) im MEMS- Wafer (10); -Verbinden des MEMS-Wafers (10) mit dem ASIC-Wafer (20); -Ausbilden von elektrisch leitenden Verbindungselementen im MEMS- Wafer (10), wobei die Verbindungselemente die wenigstens zwei festen oder beweglichen Strukturen (14,15) im MEMS-Wafer (10) durchdringen und bis zum ASIC-Wafer (20) ausgebildet werden;und -Aufbringeneines Kappenwafers (30) auf die miteinander verbundenen Wafer(10, 20).

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
Stand der Technik
Mikromechanische Sensoren zur Messung von beispielsweise Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt.
DE 10 2009 000 167 A1 offenbart einen Inertialsensor mit zwei mikromechanischen Ebenen. Damit können Sensortopologien realisiert werden, die erhebliche Performancesteigerungen, zum Beispiel bezüglich einer
Offsetstabilität von Beschleunigungssensoren ermöglichen. Dabei wird ein z- Beschleunigungssensor realisiert, bei dem die bewegliche Masse aus zwei mikromechanischen Schichten (erste und zweite MEMS-Funktionsschicht) gebildet wird und bei dem sowohl unterhalb als auch oberhalb der beweglichen Struktur kapazitive Auswerteelektroden angeordnet sind, nämlich in der
Verdrahtungsschicht auf dem Substratwafer und in der zweiten MEMS- Funktionsschicht.
Mit dieser so genannten volldifferentiellen Elektrodenanordnung kann einerseits ein Kapazitätsbelag (Kapazität/Fläche) erhöht werden und andererseits auch eine gute Robustheit bezüglich Substratverformungen (beispielsweise verursacht durch Montagestress) erzielt werden. Der erstgenannte Aspekt führt zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis, der zweite unter anderem zu einer verbesserten Offsetstabilität des Sensors.
Bekannt sind ferner Ansätze, bei denen ein MEMS- und ein Auswerte-ASIC- Wafer über Waferbondverfahren miteinander mechanisch und elektrisch verbunden werden, was als„vertikale Integration" oder„hybride Integration" oder „3D-lntegration" bezeichnet wird und beispielsweise aus US 7 250 353 B2, US 7 442 570 B2 bekannt ist. Dadurch können Sensortopologien für Inertialsensoren mit Bewegungen senkrecht zur Chipebene realisiert werden. Eine bewegliche MEMS-Struktur ist auf einem Auswerte-ASIC angeordnet, bevorzugt einem CMOS-Wafer, wobei die oberste Metalllage des ASICs als eine feste
Gegenelektrode fungiert.
Eine Erweiterung der vorgenannten Technologie sieht vor, dass zusätzlich zu Auswerteelektroden im CMOS-Wafer Auswerteelektroden im MEMS-Wafer bereitgestellt werden, wie beispielsweise aus DE 10 2012 208 032 A1 bekannt ist. Dadurch kann eine Integrationsdichte, in diesem Fall eine Kapazität pro Fläche der Bauelemente erhöht werden, was zu reduziertem Rauschen und/oder kleinerem Flächenbedarf für die Bauelemente führen kann.
Aus DE 10 2012 208 032 A1 ist auch eine Anordnung mit zwei mikromechanischen Schichten bekannt, die mit einem vertikalen Integrationsprozess verknüpft werden. Der MEMS-Wafer wird dabei oberflächenmikromechanisch hergestellt und wird mittels eines Waferbondverfahrens mit einem ASIC mechanisch und elektrisch verbunden. Der MEMS-Wafer hat dabei außer dem Substrat drei polykristalline Silizium-Schichten (eine Verdrahtungsebene und zwei mikromechanische Schichten), die weitgehend unabhängig voneinander strukturiert werden können. Im Ergebnis umfasst der MEMS-Wafer dadurch zwei mikromechanische Funktionsschichten und eine Leiterbahnebene. Die beiden mikromechanischen Funktionsschichten sind miteinander verbunden und bilden ein einstückiges bzw. integrales Massenelement. Mittels Durchkontaktierungen (engl, through Silicon via, TSV), die im ASIC-Wafer ausgebildet sind, kann von extern eine elektrische Verbindung mit Verdrahtungsebenen des ASIC-Wafers realisiert werden. DE 10 2009 029 202 A1 offenbart eine gestapelte Anordnung von mikromechanischen Bauelementen aus mehreren MEMS-Schichten, bei denen eine erste MEMS-Struktur in einer Funktionsschicht und wenigstens eine weitere MEMS- Struktur zumindest teilweise in wenigstens einer weiteren Funktionsschicht angeordnet sind. Derartige Strukturen, bei denen ebenfalls die Integrationssicht erhöht ist, lassen sich mittels eines Prozesses, der aus DE 10 2009 000 167 A1 bekannt ist, realisieren.
Weiterhin bekannt sind vertikal integrierte Bauelemente, bei denen zwei
Waferstapel aufeinander gebondet werden, wobei beide Waferverbünde von einem MEMS-Wafer und einem CMOS-Wafer gebildet werden, wie
beispielsweise aus DE 10 2012 206 875 A1 bekannt ist, wobei der MEMS-Wafer zunächst über ein Waferbondverfahren auf den CMOS-Wafer aufgebracht wird und somit insgesamt ein Vierfach-Waferstapel gebildet wird. Auch mit dieser Anordnung kann eine Integrationsdichte der Bauelemente erhöht werden. Die Anordnung kann vorteilhaft sein, wenn der Flächenbedarf für MEMS- Funktionsstrukturen und die elektronische Auswerteschaltung ungefähr gleich groß sind.
DE 10 2012 208 053 A1 offenbart ein hybrid integriertes Bauteil und ein
Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei ist ein Träger vorgesehen, insbesondere in Form eines ASIC, ein MEMS und eine Kappe. Das MEMS-Bauelement ist über eine Standoff-Struktur auf dem Träger montiert, wobei die Kappe über der mikromechanischen Struktur des MEMS-Bauelements angeordnet ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen eines MEMS-Wafers;
Bereitstellen eines ASIC-Wafers; Ausbilden von wenigstens zwei zumindest abschnittsweise übereinander angeordneten festen oder beweglichen Strukturen im MEMS-Wafer; - Verbinden des MEMS-Wafers mit dem ASIC-Wafer;
Ausbilden von elektrisch leitenden Verbindungselementen im MEMS- Wafer, wobei die Verbindungselemente die wenigstens zwei festen oder beweglichen Strukturen im MEMS-Wafer durchdringen und bis zum ASIC-Wafer ausgebildet werden; und
Aufbringen eines Kappenwafers auf die miteinander verbundenen Wafer. Auf diese Weise können zwei MEMS-Strukturen in übereinander angeordneten
MEMS-Funktionsschichten bereitgestellt werden, die entweder elektrisch und mechanisch miteinander verbunden oder lediglich mechanisch miteinander verbunden sind. Dadurch wird die vorteilhafte Wahlmöglichkeit bereitgestellt, die beweglichen Strukturen der MEMS-Schichten als Elektroden selektiv elektrisch anzusteuern.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem
mikromechanischen Bauelement, aufweisend:
einen MEMS-Wafer mit wenigstens zwei zumindest abschnittsweise übereinander angeordneten festen oder beweglichen MEMS-Strukturen, einen ASIC-Wafer, wobei
der MEMS-Wafer mit dem ASIC-Wafer funktional verbunden ist, wobei wenigstens ein die beiden MEMS-Strukturen durchdringendes elektrisch leitendes Verbindungselement bis zum ASIC-Wafer ausgebildet ist, wobei die Wafer mittels eines Kappenwafers verkappt sind.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und des mikromechanischen Bauelements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Ausbilden der elektrischen Verbindungselemente mittels eines Einbringens von wenigstens einer Schicht leitfähigen Materials in Kontaktlöcher durchgeführt wird.
Auf diese Weise kann eine elektrische Kontaktierung innerhalb der MEMS- Schichten sehr variabel ausgestaltet werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass als leitfähiges Material Wolfram verwendet wird. Daraus resultieren günstige Material- und Verarbeitungseigenschaften.
Weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sehen vor, dass als ein Kontaktierungselement zum elektrischen Kontaktieren des mikromechanischen Bauelements ein Drahtbondelement ausgebildet wird, oder dass eine
Durchkontaktierung im ASIC-Wafer ausgebildet wird. Dadurch werden vorteilhaft unterschiedliche Möglichkeiten zum elektrischen Kontaktieren des Bauelements bereitgestellt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass ein Bonden des ASIC-Wafers mit dem MEMS-Wafer nach dem zumindest teilweisen Strukturieren des MEMS-Wafers durchgeführt wird. Dadurch kann vorteilhaft der MEMS-Wafer zunächst vollständig oberflächenmikromechanisch strukturiert werden. Dadurch können Strukturierungs- von Verbondungsschritten
voneinander getrennt durchgeführt werden, wodurch ein Herstellungsprozess optimiert sein kann.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche
Bauelemente haben gleich Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 eine herkömmliche mikromechanische Sensortopologie;
Fig. 2 eine weitere herkömmliche mikromechanische Sensortopologie; Fig. 3-24 Ergebnisse von einzelnen Prozessschritten zum Herstellen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
Fig. 25-31 Ergebnisse von einzelnen Prozessschritten von weiteren
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements; und
Fig. 32 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung von Ausführungsformen
Fig. 1 zeigt ein Ergebnis eines herkömmlichen Standardprozesses zur
Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 100, z.B. in Form eines Inertialsensors (Beschleunigungs-, Winkelbeschleunigungs-, Drehratensensor). Dabei ist eine bewegliche MEMS-Struktur 14 in einer einkristallinen MEMS- Funktionsschicht eines MEMS-Wafers ausgebildet. Erkennbar ist, dass die bewegliche MEMS-Struktur 14 auf Abstandselementen (engl, stand-off-element) aus Oxidmaterial auf einem ASIC-Wafer 20 angeordnet ist. Ein Kappenwafer 30 verschließt die Anordnung der MEMS-Struktur 14 auf dem ASIC-Wafer 20.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres herkömmliches mikromechanisches Bauelement 100 mit einem MEMS-Wafer 10 und einem ASIC- Wafer 20. Bewegliche mikromechanische MEMS-Strukturen 14, 15 sind im MEMS-Wafer 10 ausgebildet. Mittels einer Durchkontaktierung 60 mit einer zusätzlichen Umverdrahtung in Form einer Verteilungsebene (engl, redistribution layer, RDL) kann in Kombination mit Kontaktierungselementen 50 in Form von Lötballs eine elektrische Kontaktierung von Schaltungselementen des ASIC- Wafers 20 realisiert werden.
In den nachfolgenden Figuren 3 bis 25 sind Ergebnisse von Prozessschritten zu Herstellen von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementsl OO dargestellt.
Fig. 3 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen CMOS-Wafer, der einen Ausgangszustand für einen ASIC-Wafer 20 darstellt. Erkennbar sind eine Substratschicht 21 , eine Schaltungsschicht 22 und eine Transistorschicht 23. Auf dem ASIC-Wafer 20 ist eine Passivierungsschicht 24 angeordnet, beispielsweise in Form einer Nitridpassivierung.
Fig. 4 zeigt den Querschnitt von Fig. 3, wobei die Passivierungsschicht 24 geöffnet bzw. strukturiert wurde.
In Fig. 5 ist erkennbar, dass auf die strukturierte Passivierungsschicht 24 ein Oxidmaterial 40 für Abstandselemente abgeschieden wurde.
Fig. 6 zeigt eine Strukturierung des Oxidmaterials 40 in Form einer Ausbildung von Abstandselementen, die als Kontaktflächen zum nachfolgenden Wafer- direktbonden dienen.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch einen MEMS-Wafer 10 mit einer ersten Substratschicht 1 1 (vorzugsweise Silizium-Substrat), einer darauf angeordneten Isolationsschicht 12 (vorzugsweise ein Oxidmaterial) und einer auf der
Isolationsschicht 12 angeordneten zweiten Substratschicht 13 (vorzugsweise Silizium-Substrat). Der MEMS-Wafer 10 wird somit in seiner Grundstruktur durch einen SOI-Wafer gebildet.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung von Fig. 7, wobei nunmehr ein erster Trench der zweiten Substratschicht 13 durchgeführt wurde.
Aus Fig. 9 ist erkennbar, dass mittels eines Gasphasenätzschritts Material der Isolationsschicht 12 unterhalb der Struktur der zweiten Substratschicht 13 herausgeätzt wurde.
Fig. 10 deutet an, dass ein Verfüllen der geöffneten Zugangslöcher mit einem leitenden Material 16, bevorzugt Poly-Silizium durchgeführt wurde. Alternativ denkbar ist auch eine metallische Verfüllung, beispielsweise mit Wolfram. Auf diese Weise kann die erste Substratschicht 1 1 örtlich begrenzt elektrisch leitend mit der zweiten Substratschicht 13 verbunden werden. Fig. 1 1 deutet an, dass mittels eines CMP-Prozessschritts (engl, chemical mechanical polishing) eine glatte Oberfläche der zweiten Substratschicht 13 für ein nachfolgendes Waferbonden bereitgestellt wird. Aus der Querschnittansicht von Fig. 12 ist erkennbar, dass ein zweiter Trench der zweiten Substratschicht 13 durchgeführt wurde, wodurch eine Struktur in der ersten Substratschicht 13 realisiert wurde.
Fig. 13 zeigt einen Querschnitt des MEMS-Wafers 10 nach einem zweiten Gasphasenätzschritt der Isolationsschicht 12, wodurch die Isolationsschicht 12 lokal freigestellt wurde. Der zweite Gasphasenätzschritt läuft vorzugsweise zeitgesteuert ab.
Fig. 14 zeigt den MEMS-Wafer 10 von Fig. 13 um 180° verdreht vor einem Waferbonden mit dem ASIC-Wafer 20.
Fig. 15 zeigt ein Ergebnis eines Waferbondens des MEMS-Wafers 10 auf den ASIC-Wafer 20, vorzugsweise in Form eines plasma-aktivierten Direktbondverfahrens.
Fig. 16 zeigt ein Ergebnis eines Rückschleifens und gegebenenfalls eines CMP- Schrittes der ersten Substratschicht 1 1 auf Zieldicke, vorzugsweise auf ca. 5 μηη bis ca. 100 μηι. Fig. 17 zeigt ein Ergebnis eines ersten Trenchens der ersten Substratschicht 1 1 zum Anlegen von Kontaktlöchern 17 in der ersten Substratschicht 1 1 .
Aus der Querschnittansicht von Fig. 18 ist erkennbar, dass die Kontaktlöcher 17 mit einem elektrisch leitfähigen Material 18, vorzugsweise mit Wolfram verfüllt wurden. Die Verfüllung der Kontaktlöcher 17 kann dabei, wie in Fig. 18 dargestellt, vollständig erfolgen. Alternativ können lediglich Seitenwände der Kontaktlöcher 17 mit dem leitfähigen Material 18 belegt werden (nicht dargestellt). Fig. 19 zeigt eine Strukturierung des leitenden Materials 18, wodurch im Ergebnis elektrisch leitende Verbindungen („Leitende Pfosten") durch die beiden
Substratschichten 1 1 , 13 und eine elektrisch leitende Anbindung an Strukturen des ASIC-Wafers 20 bereitgestellt werden.
Fig. 20 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung von Fig. 19 nach einem Trenchen der ersten Substratschicht 1 1 zu einer endgültigen Definition und Freistellung der MEMS-Strukturen 14, 15. Dabei werden auch noch zugängliche Teilbereiche der zweiten Substratschicht 13 getrencht.
Fig. 21 deutet an, dass MEMS-Bereiche beweglich ausgebildet sind. Die Figur dient insbesondere der Illustration, dass sich, ähnlich wie in Fig. 2 dargestellt, bewegliche MEMS-Strukturen 14, 15 mit volldifferentieller Elektrodenanordnung, mit einer oberen Festelektrode in der ersten Substratschicht 1 1 und einer unteren Festelektrode in einer obersten Metallisierungsebene des ASIC-Wafers 20 realisieren lassen.
Fig. 22 zeigt ein fertiges mikromechanisches Bauelement 100, wobei ein Bonden eines Kappenwafers 30 auf den ASIC-Wafer 20 durchgeführt wird. Anschließend wird der Kappenwafer 30 in einem Bondpadbereich geöffnet und es wird ein Drahtbonden zu einer externen Kontaktierung des mikromechanischen
Bauelements 100 durchgeführt. Erkennbar ist ein externes Kontaktierungs- element 50 in Form eines Bonddrahts.
Fig. 23 zeigt eine alternative Form eines mikromechanischen Bauelements 100, wobei in diesem Fall der Kappenwafer 30 auf den MEMS-Wafer 10 gebondet ist.
Fig. 24 zeigt eine weitere Ausführungsform des mikromechanischen
Bauelements 100 mit einer alternativen externen elektrischen Kontaktierung mittels Durchkontaktierungen 60 im ASIC-Wafer 20. Ebenfalls denkbar (nicht dargestellt) ist eine externe elektrische Kontaktierung über Durchkontaktierungen 60 im Kappenwafer 30. Dabei kann mittels der Durchkontaktierungen 60 mit einer zusätzlichen Umverdrahtung in Form einer Verteilungsebene (engl, redistribution layer, RDL) zusammen mit Kontaktierungselementen 50 in Form von Lötballs eine elektrische Kontaktierung von Schaltungselementen des ASIC- Wafers 20 realisiert werden.
Die Figuren 25 bis 31 zeigen eine alternative Realisierung des MEMS-Wafers 10, bei dem zu dessen Herstellung ein oberflächenmikromechanisches Verfahren durchgeführt wird. Ausgangspunkt ist dabei eine erste Substratschicht 1 1 , auf die bevorzugt über eine thermische Oxidation eine Isolationsschicht 12, vorzugsweise eine Oxidschicht aufgebracht wird. Es werden in diesem Fall Standardverfahren der Oberflächen-Mikromechanik verwendet, wobei diese Verfahren aufgrund des niedrigeren Preises für das Rohmaterial einfacher und kostengünstiger sind. Die aufgewachsene zweite mikromechanische Schicht ist in diesem Fall überwiegend polykristallin.
Die in den Figuren dargestellten Schichtdickenverhältnisse von erster und zweiter Substratschicht 1 1 , 13 sind lediglich als exemplarisch zu betrachten. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können ohne grundlegende Änderungen im Prozessfluss auch beide Schichtdicken gleich oder die zweite Schicht dicker als die erste Schicht ausgebildet werden. Fig. 26 zeigt eine geöffnete Isolationsschicht 12 zum Ausbilden von Kontaktlöchern.
Fig. 27 zeigt ein Abscheiden einer zweiten Substratschicht 13 auf der
Isolationsschicht 12, entweder als polykristallines Silizium oder über ein epitaktisches Wachstum (mit einer polykristallinen Startschicht auf der
Oxidschicht 12, nicht dargestellt). Im Bereich des Kontaktlochs entsteht eine starke Topographie der Oberfläche der zweiten Substratschicht 13. Diese kann optional über eine Vielzahl kleiner Kontaktlöcher, bei denen eine Grabenbreite kleiner ist als die Schichtdicke der zweiten Substratschicht 13, minimiert werden.
Fig. 28 zeigt ein Ergebnis eines CMP-Schritts der zweiten Substratschicht 13 zu einer Vorbereitung eines nachfolgenden Waferbondens. Der Zustand des MEMS-Wafers 10 entspricht nun im Wesentlichen demjenigen von Fig. 1 1 , allerdings sind hier große Bereiche der zweiten Substratschicht 13 polykristallin ausgebildet. Die weitere Prozessfolge verläuft analog zu den Figuren 12 bis 22 ab.
Fig. 29 zeigt ein ähnliches Prozessstadium wie Fig. 20, also nach dem zweiten Trenchen der ersten Substratschicht 13, wobei in diesem Fall das leitende Material 18 anders als in der Anordnung von Fig. 20 strukturiert ist. In diesem Fall wird ein völlig anderes Design des mikromechanischen Bauelements 100 realisiert, nämlich ein kapazitiver Drucksensor mit volldifferentieller
Elektrodenanordnung.
Fig. 30 zeigt, dass zusätzlich zu den Prozessschritten der Figuren 3 bis 20 noch ein Gasphasenätzschritt mit gasförmigem HF (Fluorwasserstoff) durchgeführt wird. Dadurch werden gleichzeitig eine in der zweiten Substratschicht 13 realisierte Drucksensormembran und eine darüber angeordnete, in der ersten Substratschicht 1 1 dargestellte feste Detektionselektrode realisiert. Zusätzlich kann die oberste Metalllage des ASIC-Wafers 20 als eine Gegenelektrode verwendet werden, so dass eine differentielle Auswertung der Bewegung der Drucksensormembran möglich wird. Bevorzugt sind die Abstände der Membran zur oberen und unteren Elektrode identisch (in Fig. 30 nicht entsprechend dargestellt).
Aus Fig. 30 ist ferner erkennbar, dass ein„Stempel" aus leitendem Material 18 elektrisch leitend mit der in der zweiten Substratschicht 13 realisierten
Drucksensormembran ausgebildet ist.
Fig. 31 zeigt lediglich qualitativ einen Zustand der Drucksensormembran in ausgelenktem Zustand.
Fig. 32 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements 100.
In einem Schritt 200 wird ein MEMS-Wafer 10 bereitgestellt.
In einem Schritt 210 wird ein ASIC-Wafer 20 bereitgestellt. In einem Schritt 220 wird ein Ausbilden von wenigstens zwei zumindest abschnittsweise übereinander angeordneten festen oder beweglichen Strukturen 14,15 im MEMS-Wafer 10 durchgeführt.
In einem Schritt 230 wird ein Verbinden des MEMS-Wafers 10 mit dem ASIC- Wafer 20 durchgeführt.
In einem Schritt 240 wird ein Ausbilden von elektrisch leitenden
Verbindungselementen im MEMS-Wafer 10 durchgeführt, wobei die
Verbindungselemente die wenigstens zwei festen oder beweglichen Strukturen 14,15 im MEMS-Wafer 10 durchdringen und bis zum ASIC-Wafer 20 ausgebildet werden.
Schließlich wird in einem Schritt 250 ein Aufbringen eines Kappenwafers 30 auf die miteinander verbundenen Wafer 10,20 durchgeführt.
Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen. Besonders vorteilhaft kann das mikromechanische Bauelement eingesetzt werden, um volldifferentielle kapazitive Elektrodenanordnungen für senkrecht zur Chipebene auslenkbare MEMS-Elemente zu realisieren. Dabei wird eine feste Bodenelektrode von der (bevorzugt) obersten Metallebene des ASIC-Wafers 20 gebildet, wobei eine feste Top-Elektrode in der ersten Substratschicht 1 1 ausgeprägt wird. Die bewegliche Elektrode liegt dann zwischen der Boden- und Topelektrode und wird aus Bereichen der zweiten Substratschicht gebildet.
Vorteilhaft können die MEMS-Schichten bei Verwendung eines SOI-Wafers aus einkristallinem Material gebildet werden. Dadurch sind kleinere intrinsische Verspannungen möglich, wobei Inhomogenitäten in der Kristallstruktur von polykristallinem Silizium zu intrinsischen Verspannungen führen können. Dies kann sich nachteilig zum Beispiel in leichten Vorauslenkungen der Sensorstrukturen bemerkbar machen, die bei Beschleunigungssensoren zu
unerwünschten Offsetsignalen führen. Die Schichtdicken der MEMS-Strukturen sind auf einfache Weise skalierbar, wobei die Dicken von erster und zweiter Substratschicht leichter als bei oberflächenmikromechanischen Verfahren vergrößert werden können.
Es ist ferner einfach möglich, bewegliche MEMS-Strukturen mit mechanisch verbundenen, aber elektrisch getrennten Bereichen darzustellen, wobei dies bei einem oberflächenmikromechanischen Ansatz nur mit erhöhtem Aufwand realisierbar ist. Diese Option kann vorteilhaft sein, um das Übersprechen zwischen Funktionselementen eines Sensors zu reduzieren (z.B. Antriebs- und Detektionskreis eines Drehratensensors), oder um so genannte volldifferentielle Auswerte verfahren für Beschleunigungssensoren zu verwenden, bei denen eine gemeinsame Sensormasse in zwei elektrisch getrennte Segmente aufgeteilt wird, die von einem ASIC gegentaktig angesteuert und differentiell ausgewertet werden. Parasitäre Signale, zum Beispiel aufgrund von EMV- oder PSSR- Störungen (engl, power supply rejection ratio), die gleichtaktig wirken, können damit wirkungsvoll unterdrückt werden.
Besonders vorteilhaft ist das mikromechanische Bauelement für einen
mikromechanischen Inertialsensor, z.B. für einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor verwendbar.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der
Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (100), aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen eines MEMS-Wafers (10);
- Bereitstellen eines ASIC-Wafers (20);
Ausbilden von wenigstens zwei zumindest abschnittsweise übereinander angeordneten festen oder beweglichen Strukturen (14,15) im MEMS- Wafer (10);
- Verbinden des MEMS-Wafers (10) mit dem ASIC-Wafer (20);
Ausbilden von elektrisch leitenden Verbindungselementen im MEMS- Wafer (10), wobei die Verbindungselemente die wenigstens zwei festen oder beweglichen Strukturen (14,15) im MEMS-Wafer (10) durchdringen und bis zum ASIC-Wafer (20) ausgebildet werden; und
Aufbringen eines Kappenwafers (30) auf die miteinander verbundenen Wafer (10,20).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Ausbilden der elektrischen
Verbindungselemente mittels eines Einbringens von wenigstens einer Schicht leitfähigen Materials (18) in Kontaktlöcher (17) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als leitfähiges Material Wolfram verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als ein
Kontaktierungselement (50) zum elektrischen Kontaktieren des
mikromechanischen Bauelements (100) ein Drahtbondelement ausgebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zum elektrischen Kontaktieren des mikromechanischen Bauelements (100) eine
Durchkontaktierung (60) im ASIC-Wafer (20) ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Bonden des ASIC-Wafers (20) mit dem MEMS-Wafer (10) nach dem zumindest teilweisen Strukturieren des MEMS-Wafers (10) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Grundmaterial für den MEMS-Wafer (10) eine Anordnung aus einer ersten
Substratschicht (1 1 ), einer auf der ersten Substratschicht (1 1 ) angeordneten Isolierschicht (12) und einer auf der Isolierschicht (12) angeordneten zweiten Substratschicht (13) verwendet wird.
8. Mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend:
einen MEMS-Wafer (10) mit wenigstens zwei zumindest abschnittsweise übereinander angeordneten festen oder beweglichen MEMS-Strukturen (14,15),
- einen ASIC-Wafer (20), wobei
- der MEMS-Wafer (10) mit dem ASIC-Wafer (20) funktional verbunden ist, wobei wenigstens ein die beiden MEMS-Strukturen (14,15)
durchdringendes elektrisch leitendes Verbindungselement bis zum ASIC- Wafer (20) ausgebildet ist, wobei die Wafer (10,20) mittels eines
Kappenwafers (30) verkappt sind.
9. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens eine Struktur (14) des MEMS-Wafers (10) aus einkristallinem Silizium besteht.
10. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden MEMS-Strukturen (14, 15) miteinander elektrisch leitend verbunden oder voneinander elektrisch isoliert sind.
1 1 . Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktierungselement (50) zum elektrischen Kontaktieren des Bauelements (100) am ASIC-Wafer (20) ausgebildet ist und/oder eine Durchkontaktierung (60) des ASIC-Wafers (20) aufweist.
12. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (100) ein
Inertialsensor oder ein Drucksensor oder eine Kombination von Inertialsensor und Drucksensor ist.
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