微机械传感器装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微机械传感器装置。本发明还涉及一种用于制造微机械传感器装置的方法。
【背景技术】
[0002]用于测量例如加速度和转速的微机械传感器是已知的并且对于车辆领域和消费者领域中的不同应用以批量生产制造。尤其已知借助表面微机械的方法所制造的MEMS元件。在此，在硅衬底上沉积并且结构化多个氧化的且多晶的硅层。随后，以罩晶片密封地封闭MEMS晶片。
[0003]图1示出传统的表面微机械的传感器的横截图。在所述示例中，MEMS晶片100包括三个以多晶硅层10、20、30形式的功能层，它们可以彼此尽可能独立地结构化。分别位于其之间的氧化层11、21可以在确定的位置处敞开，以便实现多晶硅层10、20、30之间的贯通接触(Durchkontakte)。第一多晶硅层10优选起电布线层的作用，第二多晶硅层20和第三多晶娃层30可以不仅用于布线而且用于实现可移动的MEMS结构。MEMS结构的暴露例如通过多晶硅层10、20、30下方的氧化层11、21通过以气态HF蚀刻的有针对性的去除实现。
[0004]MEMS元件、例如加速度传感器或者转速传感器具有至少一个机械悬挂部33、至少一个弹簧装置31以及可移动的质量元件和电极元件22、32，它们在图1的示例中不仅在第二多晶娃层20中而且在第二多晶娃层30中实现。在第二多晶娃层20中实现的可移动的质量22的部分区域借助位于第一多晶硅层10中的下方的固定电极12和在第三多晶硅层30中实现的上方的固定电极32形成关于缝隙13和23的电容器装置。
[0005]例如，由用于z加速度传感器的DE 10 2009 000 167 Al以及由用于具有在z方向上的探测偏移的转速传感器的DE 2009 000 345 Al已知用于所述布置的具体的设计拓扑。除作为上方电极的功能以外，第三多晶硅层30的元件也可以定义机械止挡部，所述机械止挡部优选施加与可移动的MEMS结构相同的电势。
[0006]当结构向上偏移并且撞在第三多晶硅层32的位于其上方的元件上时，所述MEMS结构中的问题可能是在第二多晶硅层20中实现的质量元件或者电极元件的机械稳健性。尤其当第二多晶硅层20的层相对薄地构造，例如具有大约I μπι至大约3 μπι厚度时，在出现高的过载(“跌落测试”)时MEMS结构的机械断裂的危险相当高。当第二多晶硅层20和第三多晶硅层30之间的缝隙23小于第三多晶硅层30的上侧和罩止挡部81的下侧之间的缝隙61时，则在罩晶片80中实现的ζ止挡部81不起作用。
[0007]为了避免第二多晶硅层20的结构断裂，例如在DE 2011 080 982 Al中提出第三多晶硅层30的弹性安装的结构，所述结构可以在止挡时吸收机械能量并且由此限制第二多晶硅层20的机械应力。然而，所述结构的设计是耗费的并且需要额外的空间需求。
[0008]例如由US 7250353Β 2、US 7442570 Β2、US 20100109102 AU US 2011 0049652AU US 2011 012247 AU US 2012 0049299 Al 和 DE 10 2007 048604 Al 还已知垂直集成或者混合集成或者3D集成的方法，其中至少一个MEMS晶片和分析处理ASIC晶片通过晶片键合方法机械地且电地彼此连接。
[0009]尤其有用的是与通过娃通道(through-silicon-vias，TSV)和倒装芯片技术组合的所述垂直集成方法，由此可以实现结构和接触作为芯片尺寸封装，这例如由US 20120049299 Al 和 US 2012 0235251 Al 已知。
【发明内容】
[0010]本发明的任务是，改善微机械传感器装置、尤其垂直集成的微机械传感器装置的机械稳健性。
[0011]根据第一方面，所述任务借助微机械传感器装置来解决，所述微机械传感器装置具有:
[0012]-MEMS 元件；
[0013]-ASIC元件，其中在MEMS元件和ASIC元件之间构造键合结构，所述MEMS元件具有:
[0014]-具有交替重叠布置的隔离层和功能层的层布置，其中在功能层的至少一个中构造可在检测方向上移动的检测元件；
[0015]-其中借助另一功能层构造间距元件，所述间距元件用于构造MEMS元件和ASIC元件之间的所限定的间距；
[0016]其特征在于，在检测元件上布置具有间距元件和第一键合层的止挡元件，其中在止挡元件的止挡区域中在ASIC元件上布置隔离层。
[0017]已经存在的层布置通过这种方式用于止挡元件的构造并且布置在可移动的检测元件上。在额外成本小时，这有利地意味着向上的有效的止挡保护，由此在z方向上提供所限定的止挡行为。因此，在止挡情况中以所限定的方式首先实现在ASIC晶片上的止挡。为此有利地，仅仅需要布局的小的匹配以及整个过程的不改变。
[0018]根据另一方面，所述任务借助用于制造微机械传感器装置的方法来解决，所述方法具有以下步骤:
[0019]-提供MEMS元件；
[0020]-提供ASIC元件；
[0021]-在MEMS元件中构造检测元件，其中在检测元件上布置止挡元件，其中在用于止挡元件的止挡区域中在ASIC元件上构造隔离层；
[0022]-在MEMS元件和ASIC元件之间构造键合结构。
[0023]所述传感器装置和所述方法的优选实施方式是从属权利要求的主题。
[0024]传感器装置的一种优选实施方式设置，检测元件具有垂直于检测方向构造的区段。在传感器装置的所述构型中，可以有利地防止在止挡情形中垂直区段可能断裂。
[0025]微机械传感器装置的另一实施方式的特征在于，所述微机械传感器装置具有至少一个与检测元件共同作用的电极。由此支持，没有干扰地实施检测元件与电极的功能性的共同作用。
[0026]传感器装置的另一实施方式的特征在于，止挡元件与ASIC元件的间距大于与电极的探测缝隙。尽管可能发生的向上止挡，但是通过这种方式不实现止挡元件和电极之间的止挡。
[0027]传感器装置的另一实施方式的特征在于，间距元件具有多晶硅层。由此有利地，可以使用在制造过程中已经存在的层来构造间距元件。在此优先地如此实现止挡元件的度量，使得在MEMS晶片和ASIC晶片之间存在一定的所限定的最小间距。
[0028]传感器装置的另一实施方式的特征在于，间距元件的第一键合层由以下组成:锗、铝、金属。通过这种方式能够实现用于将MEMS晶片与ASIC晶片键合的金属的键合结构。
[0029]传感器装置的另一实施方式的特征在于，在止挡方向上与止挡元件相对置地在ASIC上布置氧化物材料。通过这种方式可以有利地防止，在可移动的元件撞到ASIC上时实现电短路。由此，可以有利地避免传感器装置内的损坏。
[0030]传感器装置的另一实施方式的特征在于，检测元件构造在单独的功能层中。通过这种方式有利地提高用于传感器装置的设计多样性。
[0031]以下，借助其他特征和优点根据多个附图详细描述本发明。在此，所描述的所有特征与其在说明书中或者在附图中的表示不相关地以及与其在权利要求书中的引用不相关地构成本发明的主题。相同或功能相同的元件具有相同的参考标记。
【附图说明】
[0032]附图示出:
[0033]图1:传统的微机械传感器装置的横截图；
[0034]图2:传统的垂直集成的传感器装置的横截图；
[0035]图3:图2的传感器装置的部分视图；
[0036]图4:根据本发明的传感器装置的一种实施方式的横截图；
[0037]图5:在止挡情形中图4的传感器装置的横截图；
[0038]图6和7:根据本发明的传感器装置的其他实施方式；
[0039]图8:根据本发明的方法的一种实施方式的原理性流程图。
【具体实施方式】
[0040]以下，概念“所限定的基本间距”理解为MEMS元件和ASIC元件之间的间距，所述间距确保不发生晶片在其他晶片上的串扰。
[0041]图2示出已知的用于微机械构件的垂直集成方案，其包括由MEMS硅衬底、至少一个布线层、至少一个MEMS功能层组成的MEMS元件100以及多个在其上所出现的或者在其上所沉积的氧化物层。所述功能层也可以通过晶片键合方法和随后的回环(Rilckschleifen)施加。优选在CMOS过程中制造的ASIC元件200由娃衬底、用于实现开关电路的掺杂的半导体层和尤其用于布线并且用于实现电容的金属氧化物堆叠组成。
[0042]MEMS元件100和ASIC元件200通过金属的晶片键合方法彼此连接，例如通过铝与锗的共晶键合。在此，例如在ASIC元件200上使用最上方的铝布线层作为键合表面并且锗沉积在MEMS元件100上作为最上方的层。随后，在温度高于约430°C时借助足够的压力将两个晶片100、200压到一起，使得产生共晶的液体形态。铝锗化合物首先借助环绕的键合框引起MEMS结构的密闭封装并且此外能够实现MEMS元件100和ASIC元件200之间的电接通。基本上也可以设想其他的金属键合方法、如铜锡键合或者热压缩方法。ASIC 200的从外以及向外的电通信优选通过金属的通过硅通道(TSVs)进行，所述通过