微机械压力传感器装置以及相应的制造方法与流程

本发明涉及一种微机械压力传感器装置以及相应的制造方法。

背景技术：

尽管可以使用任意的微机械结构元件，但是本发明以及本发明要解决的问题仅仅借助硅基底上的结构元件来阐述。

用于测量例如加速度、转速、磁场和压力的微机械传感器装置是普遍公知的并且被大规模制造用于汽车领域和消费领域中的不同应用。在消费电子装置的趋势尤其是结构元件的小型化、功能集成以及有效的成本降低。

目前，加速度传感器和转速传感器以及加速度传感器和磁场传感器已经被制造为组合式传感器(6d)，此外，存在第一9d模块，其中，分别将3轴的加速度传感器、转速传感器和磁场传感器组合在一个唯一的传感器装置中。

反之，压力传感器目前与上述6d模块和9d模块分开开发和制造。对此的主要原因是必需的介质通道，与惯性传感器和磁场传感器相反，压力传感器需要介质通道，所述介质通道使得用于封装压力传感器的耗费和成本明显升高。将压力传感器分开的其他原因是不同的MEMS制造工艺以及不同的分析处理方法。例如，压力传感器经常使用压阻式电阻来分析处理，而惯性传感器优选被电容式地分析处理。

但是可预见的是：除了惯性量以外也能够测量压力的传感器装置尤其在消费电子领域是令人感兴趣的功能集成可能性扩展。这类集成的7d模块或在集成3轴磁体传感器时的10d模块可例如用于导航应用(室内导航，In-door-Navigation)。所述功能集成既预示成本降低也预示在应用电路板上更低的空间需求。

所谓的垂直集成或混合集成或3D集成的方法是已知的，其中，至少一个MEMS晶片和一个分析处理ASIC晶片通过晶片键合方法互相机械地且电地连接，例如由US 7 250 353 B2或US 7 442 570 B2已知。特别有吸引力的是这种垂直集成方法与硅敷镀通孔(Silizium-Durchkontaktierungen)和倒装芯片技术的组合，由此，外部连接可以作为“裸露晶粒模块(bare die-Modul)”或“芯片级封装”、即没有塑料外封装(Plastikumverpackung)地实现，例如由US 2012/0049299A1或US 2012/0235251A1已知。

US 2013/0001710 A1公开用于形成MEMS传感器装置的方法和系统，其中，处理晶片(Handlingwafer)通过介电层键合到MEMS晶片上。在将MEMS晶片结构化以形成微机械传感器装置之后，将CMOS晶片键合到具有所述传感器装置的所述MEMS晶片上。在工艺结束时，如果必要，可以通过蚀刻或背面磨削进一步加工所述处理晶片。

技术实现要素：

本发明提出一种根据权利要求1的微机械压力传感器装置以及根据权利要求8的相应的制造方法。

优选的扩展方案是各个从属权利要求的主题。

本发明的优点

本发明的构思在于：将构成用于微机械功能层的初始点的晶片通过绝缘层与ASIC晶片、优选与CMOS晶片电绝缘地连接，其中，以后通过一个或多个导电的接触插塞实现到所述ASIC晶片的最上面的印制导线层的电连接。在为形成微机械功能层而将晶片薄化(Abdünnen)之后，在功能层中形成膜片区域作为第一压力探测电极，其中，在所述膜片区域下方在所述最上面的印制导线层中形成第二压力探测电极。这样形成的微机械压力传感器装置可以加罩地或不加罩地使用。

有利地可能的是：除了所述微机械压力传感器装置以外在所述微机械功能层中还集成有一个或多个另外的微机械传感器装置。例如可能的是：在所述微机械功能层中附加于所述微机械压力传感器装置还设置有微机械惯性传感器装置。在此，仅仅需要在所述罩中设置有用于微机械压力传感器装置的压力通道。

根据一种优选的扩展方案，设置有第一接触插塞，该第一接触插塞形成环绕的环。这有利于改善所述膜片区域的气密性。

根据另一种优选的扩展方案，将罩晶片(Kappenwafer)键合到所述微机械功能层上，该罩晶片具有通向所述膜片区域的压力通道。这样能够在不影响功能性的情况下实现保护。

根据另一种优选的扩展方案，将罩晶片键合到所述最上面的印制导线层上，该罩晶片具有通向所述膜片区域的压力通道。这样能够实现保护，其中，键合工艺是简化的。

根据另一种优选的扩展方案，所述膜片区域具有所述微机械功能层的薄化区域。这样能够在更厚的功能层的情况下提高敏感度。

根据另一种优选的扩展方案，在所述微机械功能层上方，在所述膜片区域之外形成键合球(Bondkugeln)，这些键合球通过一个或多个第二接触插塞与所述最上面的印制导线层电连接，这些第二接触插塞被引导穿过所述微机械功能层和穿过所述绝缘层。这样能够实现简单的正面组装可能性。

根据另一种优选的扩展方案，在去除了所述微机械功能层的区域中，在所述绝缘层上方形成键合球，这些键合球通过过孔(Via)与所述最上面的印制导线层电连接。这样能够实现具有更小的组装高度的简单的正面组装可能性。

附图说明

以下借助实施方式参照附图阐述本发明的其他特征和优点。

附图示出：

图1a)-h)示出用于阐述根据本发明的第一实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图；

图2a)、b)示出用于阐述根据本发明的第二实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图；

图3a)、b)示出用于阐述根据本发明的第三实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图；

图4示出用于阐述根据本发明的第四实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图；

图5示出用于阐述根据本发明的第五实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图；

图6示出用于阐述根据本发明的第六实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图；

图7示出用于阐述根据本发明的第七实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图；

图8示出用于阐述根据本发明的第八实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记表示相同的或功能相同的元件。

图1a)-h)示出根据本发明的第一实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

在图1a)中，附图标记1表示具有多个CMOS电路100的CMOS晶片，这些CMOS电路例如包括用于要形成的微机械压力传感器装置的分析处理电路。

所述CMOS晶片具有正面VS和背面RS。在CMOS晶片1的正面VS上形成再布线装置1a，该再布线装置1a具有多个印制导线层LB0、LB1、LB2以及处在这些印制导线层LB0、LB1、LB2之间的绝缘层I。为了简化示图，未单独示出嵌入有印制导线层LB0、LB1、LB2的绝缘层I。印制导线层LB0、LB1、LB2的印制导线区段通过可导电的过孔(Vias)K互相电连接。

在最上面的印制导线层LB0上方设置有结构化的绝缘层6，优选氧化层或者由氧化层和/或氮化层组成的堆叠。

根据图1a)，在绝缘层6中形成槽口A1和A2，最上面的印制导线层LB0在所述槽口A1和A2中露出。也设置有接触孔L1、L2、L3，在这些接触孔L1、L2、L3中以后能够形成接触插塞。当然也能够在更靠后的工艺阶段才形成最后提到的接触孔L1、L2、L3。

与最下面的印制导线层LB2电连接的敷镀通孔15从正面VS出发延伸到CMOS晶片1的内部中，以后通过背面磨削使该敷镀通孔能够从背面RS露出。

露出区域A1和A2相应于要形成的微机械传感器装置，具体来说，区域A1相应于微机械压力传感器装置，区域A2相应于可运动的微机械惯性传感器装置。最上面的印制导线层LB0的在截面A1中借助附图标记7表示的区段相应于所述微机械压力传感器装置的要形成在所述区段A1上的第二压力探测电极。应注意的是：通过绝缘层6的结构化，在已去除绝缘层6的区域中能够省去牺牲层蚀刻。

进一步参照图1b)，在图1a)的结构上将硅晶片2a键合到绝缘层6上，该硅晶片2a作为要从该硅晶片2a中形成的微机械功能层2(参照图1c))的起始点，具体来说，优选借助等离子活化直接键合方法(plasmaaktiviertesDirektbondverfahren)，因为这在400℃以下的相对低的温度下进行，这具有以下优点：通过所述键合不损害在CMOS晶片1中形成的所述CMOS电路。

随后，MEMS晶片2a被背面薄化(zurückdünnen)到例如由硅制成的微机械功能层2的期望厚度，并且被例如由铝制成的第一键合层18覆盖，随后相应于要形成的键合区域地将该第一键合层18结构化，如在图1c)中示出的那样。

在图1d)中图示的下一个工艺步骤中，进行沟槽蚀刻使其穿过微机械功能层2，并且(必要时在先前已沉积且结构化的薄的钛/氮化钛附着层上)随后进行钨层的沉积和结构化。这样能够形成接触插塞P1、P2、P3，所述接触插塞P1、P2、P3被引导穿过绝缘层6直至第一印制导线层LB0，并且将后者与微机械功能层2电连接。接触插塞P1、P2、P3或者完全或者仅仅部分地被填充。

进一步参照图1e)，重新进行沟槽蚀刻步骤，在该沟槽蚀刻步骤中在所述微机械功能层中形成沟道，所述沟道一方面用作电绝缘沟道，另一方面用于所述微机械传感器装置的结构化。尤其在槽口A1上方形成可被加载压力的膜片区域M，该膜片区域M通过接触插塞P1、P2与最上面的印制导线层LB0连接并且通过相应的沟道与微机械功能层2的剩余部分分隔开。

通过沟槽蚀刻步骤在区域A2上方实施用于制造可运动的MEMS元件的结构化，在这种情况下所述可运动的MEMS元件是微机械惯性传感器装置IE。惯性传感器装置IE通过接触插塞P3与最上面的印制导线层LB0电连接。

如上面已提到的那样，通过所述沟槽蚀刻步骤也同时使惯性传感器装置IE的可运动结构现出(freigestellt)，因为在该惯性传感器装置IE的可运动结构下面不再存在绝缘层6，而仅仅存在使最上面的印制导线层LB0露出的槽A2。

这样形成的膜片区域M构成所述微机械压力传感器装置的第一压力探测电极，其中，如上面提到的那样，通过最上面的印制导线层LB0的印制导线区段7形成所述第二压力探测电极。

可选地，可以将用于电接触的接触插塞P1、P2也实施为环绕的环，因为由此能够改善膜片区域M的气密性。

如在图1f)中示出的，随后进行罩晶片3的提供，该罩晶片3在第一实施方式中已具有作为用于所述微机械压力传感器装置的介质进入通道的贯通的压力进入通道3a。

罩晶片3还在惯性传感器装置IE上方具有浅的空腔3b。在罩晶片3上，在所设置的键合区域上存在第二键合层18a，例如锗层。

在图1g)中示出的另一个工艺步骤中，罩晶片3通过在所设置的键合区域上的第一键合层18和第二键合层18a在本例中通过共晶的铝锗键合被键合到微机械功能层2上，其中，在罩晶片3与微机械功能层2之间产生共晶键合连接18′。

通过所述键合将惯性传感器装置IE气密地加罩，其中，由此产生的空腔以附图标记K表示。

与此相反，通过穿过罩晶片3的压力进入通道3a保留了通向所述压力传感器装置的介质进入通道。

在图1h中示出的随后的工艺步骤中，从背面RS进行CMOS晶片1的背面磨削，以便使敷镀通孔15在背面RS上露出。

当在背面RS上沉积另一个绝缘层I′之后，在所述绝缘层上或在所述绝缘层中形成印制导线区段L1、L2，在所述印制导线区段L1、L2上形成键合球K1、K2，例如小焊球，用于将整个组合式传感器装置焊接到相应的衬底上。

应注意的是：替代在罩晶片3中的压力进入通道3a的预先设定的开口，在罩晶片3中事后磨削另一个预先形成的空腔或者用于制造所述压力进入通道的蚀刻步骤或激光穿孔方法也是可行的，尤其如以后还要结合其他实施方式阐述的那样。

图2a)、b)是用于阐述根据本发明的第二实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

在第二实施方式中，所述罩晶片借助附图标记3′表示，在所述罩晶片中形成的贯通的压力进入通道借助附图标记3a′表示，预先形成在所述罩晶片中的空腔借助附图标记3b′表示。

根据图2a)的工艺状态基本上相应于根据图1f)的工艺状态。然而在本实施方式中，在键合区域中去除了微机械功能层2和处在该微机械功能层2下的绝缘层6。因此，为了在所述键合区域中的键合，露出最上面的印制导线层LB0，该最上面的印制导线层LB0在那里露出作为键合面的铝金属层。

在罩晶片3′的所述键合区域中设置有已结合第一实施方式提到的由锗制成的第一键合层18a。在本实施方式中稍微费事的预先结构化的罩晶片3′因此简单地被键合到最上面的印制导线层LB0上，这导致根据图2b)的工艺状态。

与第一实施方式相反，罩晶片3′在所述惯性传感器装置的区域中需要更大的空腔3b′并且在所述压力传感器装置的区域中需要另一个空腔3b″，以便避免罩晶片3′尤其在膜片区域M中贴在所述压力传感器装置上以及压在所述惯性传感器装置IE上。

在根据图2b)的工艺状态之后的另外的工艺化与图1h)类似地进行。

图3a)、b)是用于阐述根据本发明的第三实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

在所述第三实施方式中，与所述第二实施方式相反，所述罩晶片以附图标记3″表示并且具有用于所述惯性传感器装置的槽口3b″′、用于所述压力传感器装置的槽口3b″″以及作为用于所述压力进入通道的预备阶段的预制造的空腔3a″。

参照图3b)，借助锗键合层18a进行罩晶片3″到事先露出的最上面的印制导线层LB0上的键合，此后形成共晶键合连接18′。在所述键合过程之后，磨削(anschleifen)罩晶片3″，以便使压力进入通道3a″露出。

图4是用于阐述根据本发明的第四实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

在根据图4的第四实施方式中，与所述第三种实施方式相反，不进行罩晶片3的磨削(aufschleifen)，而是通过蚀刻方法或者垂直的或斜的激光钻孔使压力进入通道3a″露出，其中，形成贯穿通道3c，其使压力进入通道3a″向外露出。

图5是用于阐述根据本发明的第五实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

在所述第五实施方式中，以附图标记M′表示的膜片区域具有微机械功能层2的薄化区域D，例如能够通过相应的光刻蚀刻工艺制造该薄化区域D。

这具有以下背景：由晶片2a背面磨削得到的微机械功能层2的厚度典型地是30μm并且通过薄化区域D能够提高膜片区域M′的敏感度。

在其他方面，根据图5的工艺状态相应于根据图3b的工艺状态。

图6是用于阐述根据本发明的第六实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

在所述第六实施方式中，与第一实施方式相比，省去了惯性传感器装置IE并且膜片区域M″与处在膜片区域M″下面的槽口A1″一起相应地在微机械功能层2″中相应更大地构型。所述接触插塞这里以附图标记P1″和P2″表示并且所述第二压力探测电极以7″表示。

在其他方面，根据图6的工艺状态相应于根据图1h)的工艺状态。

在该实施方式中，膜片区域M″相对于处理影响自然较差地受到保护，使得在处理和运输所述结构元件时必须采取特别的预防措施。

图7是用于阐述根据本发明的第七实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

在所述第七实施方式中，与第六实施方式相比，省去敷镀通孔15，并且通过正面VS进行接触或组装，其方式是：在微机械功能层2″上方施加并结构化绝缘层IV，在该绝缘层IV上又设置有印制导线L1″和L2″，在所述印制导线L1″和L2″上施加有键合球K1″或K2″，用于将所述结构元件焊接到合适的衬底上。

键合球K1″和K2″通过印制导线L1″或L2″并且通过接触插塞P3″或P4″与最上面的印制导线层LB0连接，具体来说类似于接触插塞P1″和P2″。

图8是用于阐述根据本发明的第八实施方式的微机械压力传感器装置以及相应的制造方法的示意性横截面图。

在所述第八实施方式中，与所述第七实施方式相比，在印制导线区段LDV1或LDV2上设置有键合球K1″或K2″，所述键合球K1″或K2″直接施加在绝缘层6上并且所述键合球K1″或K2″通过过孔K′与最上面的印制导线层LB0连接。

尽管借助优选的实施例描述了本发明，但本发明不局限于此。提到的材料和拓扑结构尤其仅仅是示例性的并且不局限于阐述的示例。

尽管在上面的第一至第五实施方式中描述了微机械压力传感器装置与微机械惯性传感器装置在微机械功能层中的组合，但本发明不局限于此。

相反，在所述微机械功能层中能够将其他的传感器或传感器装置或MEMS结构元件、例如磁场传感器装置(例如基于洛伦兹力的磁场传感器)、旋转加速度传感器、振荡器、射频MEMS等等与所述微机械压力传感器装置组合。