用于制造微机械传感器的方法与流程

本发明涉及一种用于制造微机械传感器的方法。

背景技术：

用于测量加速度和转速的微机械惯性传感器针对在汽车和消费领域中的不同应用批量生产地制造。尤其在惯性传感装置的领域中越来越多地使用所谓的垂直集成、或混合集成或3d集成的方法。在这些制造方法中使至少一个mems晶片和分析处理asic晶片通过晶片键合方法相互机械地和电地连接，如由us7250353b2、us7442570b2、us20100109102a1、us20110049652a1、us20110012247a1、us20120049299a1、de102007048604a1已知。

特别吸引人的是这些垂直集成方法结合呈硅通孔(tsv)形式的电贯通接触部和倒装芯片技术，由此外部的电触点接通部可以作为“裸芯片”模块或芯片级封装实现，即没有塑料重新封装，如由us20120235251a1已知。

在越来越多的功能集成、即将更多个传感参数集成在单个传感器模块中的过程中，已经提出惯性传感器技术的扩展。在此，所提到的功能集成有利地既保证成本降低也保证在应用电路板上的减小的位置需要。用于将压力传感器集成到惯性传感器工艺中的不同扩展方案例如由de102206011545a1、de102006024671a1、de102013213065a1、de102013213071b3已知。

对于压力传感机构的大的挑战在于介质入口的制造。在此，存在众所周知重大的技术困难。

上面提到的文献的大多数包含用于介质入口的所谓的背侧端口(backsideport)，如由de102014200512a1已知。在这里，在整个过程结束时从mems衬底晶片的背侧通过蚀刻过程、优选沟槽过程(深反应离子蚀刻，drie)制造在膜片区域下方的一个或多个入口孔。所提到的蚀刻过程在直接位于衬底晶片上和在压力传感器膜片下方的氧化物处停止。因为氧化物不是良好适合用于传感器膜片的材料(如由于湿气吸收热膨胀系数与硅的不匹配、内应力等)，在膜片下侧上的氧化物层必须尽可能地被移除。这优选通过借助气相中的hf的蚀刻(所谓的气相蚀刻)发生。

这里的问题是，不仅晶片背侧、而且同时对应键合的晶片的外置侧和晶片边缘被蚀刻。如果对应键合的晶片是具有重新布线和钝化平面的asic，那么气相蚀刻会导致asic背侧的损坏。asic背侧针对气相蚀刻的防护不能以简单的措施实现。

de102013213071b3描述了作为背侧端口的替代方案的用于通过所谓的侧面端口来制造介质入口的过程。在这种情况下，介质进入不直接垂直地在膜片区域上方或下方实现，而是介质从侧面通过侧面端口引导到传感器膜片下方的区域中。

由de102009045385a1已知，可能的是，通过在硅层上方的细小的氧化物栅格将深沟槽施加在硅中，并且氧化物栅格随后通过另外的氧化物沉积部又被几乎无表面型貌地封闭，使得随后可以无问题地使用对于半导体而言普遍的或微系统技术上的过程步骤，如层沉积和光刻方法。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是，降低在制造微机械传感器时的上面提到的缺点。

所述任务根据第一方面借助用于制造微机械传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：

-提供具有mems衬底的mems晶片，其中，在mems衬底中在膜片区域中构造限定数量的蚀刻沟，其中，膜片区域构造在第一硅层中，该第一硅层以与mems衬底隔开限定的间距的方式布置；

-提供罩晶片；

-使mems晶片与罩晶片键合；并且

-通过磨削mems衬底构造通向膜片区域的介质入口。

以该方式，实现用于微机械传感器的制造方法，在该微机械传感器中，敏感的膜片区域被尽可能长时间地保护以免受到环境影响或过程步骤的影响(如以液体、颗粒等的形式)。这有利地由此实现：在制造过程结束时才通过磨削(英文，grinding)mems衬底实现介质入口的露出。

用于制造微机械传感器的所述方法的优选实施方式是从属权利要求的主题。

所述方法的有利扩展方案设置为，在构造膜片区域时实施下面的步骤：

a)将氧化物层施加到mems衬底上；

b)在氧化物层中构造贯通开口；

c)在mems衬底的膜片区域中穿过氧化物层的贯通开口地构造蚀刻沟；

d)借助氧化物材料封闭氧化物层的贯通开口；

e)将第一硅层施加到氧化物层上；

f)在第一硅层的膜片区域中构造贯通开口；

g)移除在第一硅层的膜片区域中在贯通开口下方的氧化物层；并且

h)基本上无表面型貌地封闭第一硅层的膜片区域的贯通开口。

以该方式可以使用表面微机械技术的本身已知的和证明有效的方法来构造膜片区域。

所述方法的另外的有利扩展方案设置为，在构造膜片区域时在步骤d)之后实施下面的步骤：

e1)移除氧化物层在膜片区域的区域中的氧化物材料；

f1)使硅功能晶片与mems晶片键合；并且

g1)将硅功能晶片从背侧磨削到膜片区域的限定的目标厚度。

以该方式有利地提供用于制造膜片区域的第一替代过程流。有利地，在这种情况下不必结构化并且再填充硅层。由此可以有利地尽可能避免电短路。

所述方法的另外的有利扩展方案设置为，为了构造膜片区域在步骤d)之后实施下列步骤：

e2)提供预先结构化的多层晶片、优选soi晶片；

f2)将预先结构化的多层晶片与mems晶片借助晶片键合方法连接；

g2)将预先结构化的多层晶片磨回(zurückschleifen)到第二硅层的目标厚度；

h2)在第二硅层上构造键合界面；

i2)在第二硅层中构造贯通开口用于限定与膜片区域的电接触；

j2)打开在第二硅层的在步骤i2)中构造的贯通开口下方的氧化物层；

k2)将金属沉积到在步骤i2)和j2)中构造的贯通开口中并且结构化所述金属以制造在膜片区域和第二硅层之间的电连接；

l2)实施第二沟槽过程以构造在第二硅层中的mems结构元件；并且

m2)移除在步骤l2)中构造的mems结构元件下方的氧化物材料。

以该方式提供用于构造膜片区域的另外的有利替代方案。

所述方法的另外的有利扩展方案设置为，在构造在mems衬底中的蚀刻沟时以在侧面隔开限定的间距的方式构造有附加蚀刻沟，所述附加蚀刻沟构造得比用于介质入口的蚀刻沟以限定的程度更窄。以该方式可以在没有用于膜片区域的附加花费的情况下借助卸载接片实现应力解耦。

所述方法的另外的有利扩展方案设置为，膜片区域构造为压力传感器膜片。以该方式实现用于膜片区域的有用的应用情况。

所述方法的另外的有利扩展方案设置为，微机械传感器构造为微机械压力传感器。以该方式可以提供微机械压力传感器。

所述方法的另外的有利扩展方案设置为，微机械压力传感器构造为用于麦克风的声压传感器。由此提供用于微机械压力传感器的有用的应用情况。

附图说明

下面参照多个附图以其他特征和优点详细描述本发明。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。所述附图尤其考虑用于阐明本发明主要的原理并且不需要按正确比例示出。出于更好的概要性原因设置为，不在所有的附图中画出所有的附图标记。

要明确指出的是，也应要求保护微机械传感器元件，该微机械传感器元件可以通过在该文献中描述的制造方法或所述制造方法的组合来制造。

在附图中示出：

图1至7用于制成微机械压力传感器的介质入口的过程流；

图8至10用于制造微机械压力传感器的介质入口的替代过程流；

图11至14用于制造微机械压力传感器的介质入口的替代过程流；

图15至17用于提供用于微机械压力传感器的应力解耦的措施；和

图18用于制造根据本发明的微机械压力传感器的方法的原理流程。

具体实施方式

本发明的核心思想是提供相对较简单并且成本有利的方法以制造用于微机械传感器的背侧端口、尤其是微机械压力传感器，优选以芯片级封装制造，特别优选制造为与asic垂直集成的构件。所提出的方法在晶片键合之后有利地不需要气相蚀刻。此外，也可以避免施加在技术上要求高的侧面端口。

所提出的方法的其他优点例如是：

可以取消在技术上昂贵的侧面端口的施加。

此外，对于颗粒或在清洁步骤时的介质传播(medienverschleppung)可能易受影响的敏感的膜片区域直至过程流结束时针对外部干扰影响气密地受保护。

此外，所提出的方法的基础思想与用于压力传感器膜片的不同制造方法是兼容的。为此，除了纯表面微机械方法之外，替代地通过晶片键合和背侧磨削来提供功能层也有效。

在所提出的过程开始时施加的深沟槽或蚀刻沟也可以有利地用于施加应力解耦沟。为此要么实施二级的沟槽过程要么实施单级的沟槽过程，在该单级的沟槽过程中利用arde效应(英文，aspectratiodependentetching)。借助应力解耦沟可以有利地防止电路板的机械应力传递到机构上，使得由此结果可以实现改善的或更少扭曲的传感器信号。

所述过程流适用于将电容式压力传感器与惯性传感器(加速度和转速传感器)集成，以便例如实现4d或7d传感器元件。

深沟槽可以附加地施加在用于惯性传感器的分开的传感器空腔区域中，要么作为应力解耦沟要么作为用于惯性传感器的通风通道。通风通道可以用于在晶片键合之后对传感器空腔抽真空或者以限定的气体量或气体种类填充该传感器空腔和/或使抗粘附涂层进入。用于惯性传感器的通风通道随后可以例如通过激光密封方法封闭。

下面参照图1至5详细阐释用于制造微机械传感器的过程流。

图1以原理性的剖视图示出mems衬底1，该mems衬底具有布置在其上的氧化物层2，该氧化物层例如通过沉积方法或通过热氧化布置在mems衬底1上。

下面在氧化物层2中施加细小的栅格。在此，栅格应足够细小地构造，其中，栅格的孔例如至少在一个方向中为约0.5μm大小，使得所述孔可以在下面的氧化物沉积过程中又以小的层厚度简单地并且表面型貌非常少地封闭。

图2示出下面所实施的穿过氧化物栅格的蚀刻沟或深沟槽的构造的结果，其中，氧化物栅格作为用于沟槽过程(如drie过程)的掩膜起作用。在此优选地，在mems衬底1中构造深的蚀刻沟，优选具有约50μm至约400μm的深度。图2的上面的部分图示出局部放大图，在该局部放大图中可看出具有氧化物栅格的布置在其上的部分的深蚀刻沟的局部。

然后借助氧化物材料的沉积进行氧化物栅格的封闭。在此，氧化物沉积部的厚度典型地至少为氧化物栅格中的孔宽度的两倍大。有利地，由此进行氧化物栅格的尽可能无表面型貌的封闭。有利地，由此存在“平面的”或“平坦的”表面，由该表面可以容易限定地进一步处理。

然后优选借助低压化学气相沉积方法(英语，lowpressurechemicalvapourdeposition)进行薄的第一硅层3作为多晶硅的掺杂和沉积。

在图3中看出，随后在第一硅层3中构造出细小的栅格。

然后在第一硅层3的栅格下方移除氧化物材料，如在图4中可看出。在图4中还可看出，随后通过附加的硅层的生长、例如通过低压化学气相沉积方法或通过外延生长实施第一硅层3的栅格的封闭。

以该方式使第一硅层3的膜片区域3a在下侧上悬空。这在这种早的时间点是非常有利的，因为否则膜片区域从背侧的悬空必须在过程流完全结束时在磨削介质入口之后通过气相蚀刻实现。然而如上面已经描绘的那样，这是不可能的或仅能够以高耗费实现。

如在图5中可看出，随后进行第一硅层3在膜片区域3a的侧面的结构化。在图5中还可看出，随后实施第二硅层4的生长、结构化和悬空，以及用于实现用于随后与第二晶片(未示出)晶片键合的键合界面5的另一层的沉积。

在这里取消过程控制的详细细节的显示，因为在此涉及已知的表面微机械学的标准方法。为了阐明随后的用于晶片键合的mems晶片10的准备，在图5中旋转180度地示出整个布置。

下面为了配合精确的晶片键合的目的，使罩晶片20和mems晶片10相对彼此调整。在图6中可看出，罩晶片20、优选具有asic衬底21的asic晶片、预先施加的电贯通接触部或tsv24、晶体管电路23和连接结构22与mems晶片10键合。晶片键合方法优选是金属键合方法，因为通过这种键合方法不仅会确保传感器空腔的围绕膜片区域的密封性，而且也确保mems晶片10和asic晶片20之间的芯片对芯片的电接触。对于适合的金属键合方法的示例是铝-锗、金-硅、铜-锡、铝-铝、铜-铜、金-金。

在图7中可看出，然后通过asic晶片20的背侧磨削实施电贯通接触部24的露出，以及实施钝化部25的施加和结构化、电贯通接触部24经由至少一个布线平面(redistributionlayer，rdl)的触点接通。必要时这在使用凸点下金属部(ubm)以及钎焊球26的情况下进行以用于实现构件在应用电路板(未示出)上的电触点接通。

如在图7中可看出，在过程流结束时才通过在mems晶片10的背侧上的磨削过程建立通向第一硅层3的膜片区域3a的介质入口6。

紧接着还有一些标准过程步骤、如激光标刻和构件通过锯开过程的分离。

因此，在图1至7所描述的过程流中，所有的mems结构通过表面微机械方法来限定。

然而，用于制造mems功能层(膜片层和第二硅层4)的替代方法在没有本发明的基础思想的情况下同样是可能的，即通过介质入口6的之后的磨削来改变所埋入的介质入口的预先施加。

下面详细描述第一替代过程流，该第一替代过程流设置有附加的晶片键合。

该过程如上面参照图1和2所述的那样开始。然后如在图8中表明的那样，移除氧化物层2在将来的膜片区域中的氧化物材料。

如在图9中可看出，然后将硅功能晶片30通过熔合键合方法或直接键合方法与mems衬底1键合。

然后将硅功能晶片30例如借助背侧磨削和化学机械抛光(英语，chemicalmechanicalpolishing，cmp)减薄到膜片层的目标厚度，如在图10中可原理性地看出。如在图10中还可看出，由硅功能晶片30产生的第一硅层3的膜片区域3a在侧面与膜片区域间隔开地结构化，可选地附加地也使氧化物层2结构化。

制成构件的随后的过程可以类似于在图5至7中阐释的过程步骤地实施。

这种第一替代过程流相对于前面所述的过程流的优点例如是：

在这种情况下，膜片区域3a是单晶的并且因此在它的物理特性方面特别好地限定。此外，简化了膜片区域在下侧上、即在面向mems衬底1的深的蚀刻沟或深沟槽的一侧上的悬空。

然而在这里不能在没有其他措施的情况下将衬底触点施加在mems衬底1中，这结果意味着，mems衬底1会电浮动(floaten)。

压力传感器膜片通常是相当薄的，例如<10μm，经常具有明显更小的厚度，由此所述压力传感器膜片具有高的机械敏感性。在厚的硅衬底晶片30的背侧磨削时当然产生在膜片层的厚度方面的相当高的过程公差。

下面描绘另外的替代过程流，在该过程流中的表面微机械方法与在第二替代过程流中相比更不重要。在这里的初始点又是在图1和2中所描述的结构。

在图11中表明，提供预先结构化的多层晶片、优选具有第二硅层4、氧化物层2和第一硅层3的soi晶片，其中，在薄的第一硅层3中构造有之后用于压力传感器的膜片区域。

预先结构化的soi晶片随后与结构化的mems衬底1和布置在其上的氧化物层2通过熔合或直接键合方法连接。

然后，如在图12中可看出，soi晶片从背侧磨回到第二硅层4的目标厚度。在图12中还可看出，然后在第二硅层4上构造相对于罩晶片或asic晶片20的键合界面5。

然后实现第二硅层4的第一沟槽过程用于限定与膜片平面的电接触。

然后使在沟槽中的氧化物材料打开，随后在由此产生的沟中进行金属沉积(如钨)和金属7的结构化以建立膜片层和第二硅层4之间的电连接。

图13示出，为了限定另外的mems结构元件而实施第二硅层4的第一沟槽过程。在这里尤其也制造在第二硅层4中的用于随后的气相蚀刻步骤的入口通道。

由图14可看出，第一硅层3的膜片区域3a在上侧上通过以气态hf实施的气相蚀刻过程而悬空。所述结构的状态与图5的那个结构非常类似，使得另外的过程流可以类似于图5至7的过程步骤地进行。

所提出的过程流的有利扩展方案在于施加附加的沟槽，所述附加的沟槽除了用于压力传感器的介质入口之外满足另外的功能。

图15示出以下布置，在该布置中在侧面与膜片区域间隔开地构造有在mems衬底1中的另外的沟槽或蚀刻沟。在该实施例中，这些另外的蚀刻沟比用于介质入口6的那些蚀刻沟更窄地实施。因为沟槽过程在宽的沟中基于arde效应比在窄的沟中更快地推进，所以在相同的蚀刻持续时间的情况下可以通过沟宽度的合适选择实现不同深度的蚀刻沟。在这种情况下所述另外的蚀刻沟设置有应力解耦沟。

在上下文中，图16示出沿着图17的切线cd的俯视图并且图17示出已完成处理的构件的沿着图16的切线a-b的横截面视图。如在图16中可看出，在mems衬底1中环绕具有蚀刻沟的膜片区域构造有窄的闭合的沟作为应力解耦沟。

替代地，应力解耦沟也可以在至少一个部位上不闭合，因为由至少一侧必须进行膜片区域的电触点接通(未示出)。在这种情况下，电导线的供应通过弹簧接片实现，该弹簧接片具有相当高的挠性，以便确保尽可能好的应力解耦。在这里也可以考虑另外的接片形状、例如作为多层曲折形的接片形状，或者可能的是，在不同的膜片侧上(例如在上侧和下侧上)分别布置有弹簧接片。应力解耦沟的基本想法由de102014210945a1已知。

在mems晶片10的mems衬底1的最后的背侧磨削时磨削出用于介质入口6的通道，而用于应力解耦的深度较小的沟未被磨削出。相应的结构可在图17中看出。

代替arde效应和与此有关的涉及可靠的沟宽度的限制，为了制造介质入口通道和应力解耦沟也可以实施多级的沟槽过程，在该沟槽过程中首先仅实现针对介质入口的、直至一定深度的深沟槽。另外的沟槽步骤同时施加应力解耦沟并且将用于介质入口的深沟槽蚀刻到目标值。

所提出的过程流全部适用于同时制造压力传感器和惯性传感器。由此可以例如制造4d元件(3d加速度和压力)、tpms传感器(1-2d加速度和压力)、7d元件(3d加速度和3d转速和压力)。在此，压力传感器可以有利地设置为用于麦克风的声压传感器。

有利地，所提出的方法也可用于提供合适的空腔内压。为了该目的，附加地设置为，埋入的介质入口设计用于压力传感器，并且在侧面与该介质入口间隔开地，附加地设计有用于另外的传感器、例如加速度或转速传感器的至少一个埋入的通风通道。

然后进行压力传感器元件在埋入的介质入口的区域中的布置和另外的传感器元件、例如加速度或转速传感器在埋入的通风通道的区域中的布置。在此，压力传感器和所述另外的传感器布置在分开的空腔中。在此，空腔通过在芯片中走向的键合接片相对彼此密封地分开。

然后进行用于压力传感器的介质入口和同时用于所述另外的传感器的通风通道的磨削。

然后进行抽真空或用于所述另外的传感器的所期望的内压的调节，必要时附加地进行用于加速度传感器的抗粘附材料(asc材料)的进入和用于所述另外的传感器的通风通道在限定气压的情况下的封闭，其中，例如设置有用于加速度传感器的高内压和用于转速传感器的低内压。所述封闭特别优选地借助激光密封方法进行，如有de102014202801a1已知。

上面提到的可选的附加步骤在附图中未示出。

有利地也可能的是，所述另外的传感器、如加速度和转速传感器配备有根据图16和图17的环绕的应力解耦沟，或者应力解耦沟和用于所述另外的传感器的通风通道相结合。

图18示出所提出的方法的原理流程：

在步骤200中提供具有mems衬底1的mems晶片10，其中，在mems衬底1中在膜片区域中构造有限定数量的蚀刻沟，其中，所述膜片区域构造在第一硅层3中，该第一硅层以与mems衬底1隔开限定的间距的方式布置。

在步骤210中提供罩晶片20。

在步骤220中实施mems晶片10与罩晶片20的键合。

最后，在步骤230中，通过磨削mems衬底1构造通向膜片区域的介质入口6。这例如可以通过使蚀刻通道6露出来实现。

虽然前面已经基于具体的应用示例描述了本发明，但本领域技术人员也可以不实现或仅仅部分地实现公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。