微机械传感器设备和相应的制造方法与流程

1.本发明涉及一种微机械传感器设备和一种相应的制造方法。背景技术：2.虽然也可以使用任意的微机械构件，但本发明和基于本发明的问题参照具有基于硅的惯性传感器的构件进行阐释。3.用于测量例如加速度、转速、磁场和压力的微机械传感器设备通常已知并且针对在车辆和消费领域中的不同应用大批量制造。在消费电子中的趋势尤其是构件的微型化、功能集成和有效的费用降低。4.现今已经将加速度和转速传感器并且同样将加速度和磁场传感器制造为组合传感器(6d)，并且还存在第一9d模块，在所述第一9d模块中在单个传感器设备中分别组合了3轴加速度、转速和磁场传感器。5.微机械压力传感器设备也已经分开地与微机械惯性传感器设备安装在单个壳体中，更确切地说还经常集成在分开的mems芯片上，可能也集成在一个芯片上。这种用于集成惯性和压力传感器设备的建议例如在de 10 2006 011 545 a1和us 2012/0256282 a1中公开。技术实现要素：6.本发明提出一种根据权利要求1所述的微机械传感器设备和根据权利要求7所述的相应的制造方法。7.优选的扩展方案是相应的从属权利要求的主题。8.根据本发明的微机械传感器设备和相应的制造方法能够以合适数量的过程步骤实现组合的压力和惯性传感器设备的紧凑集成。根据本发明的制造方法的特征尤其在于，使用共同的和一般的开沟过程以用于制造作为介质进口的贯通开口并且用于将膜片区域减薄到目标厚度。9.根据优选的扩展方案，在第一微机械功能层中和/或在第二微机械功能层中形成连接通道以用于第一腔和第二腔的流体连接，使得第一和第二参考压力相等。这能够实现，以共同的参考压力工作并且简化制造。10.根据另外的优选扩展方案，罩装置具有第二贯通开口，该第二贯通开口使键合连接区域露出，该键合连接区域与第一微机械功能层电连接。这实现了用于传感器设备的电连接的简单可能性。11.根据另外的优选扩展方案，键合连接部由第二和第三微机械功能层形成。这能够实现，将键合连接部与另外的功能部件共同构造。12.根据另外的优选扩展方案，在第一和第二微机械功能层之间形成第四微机械功能层，其中，在膜片区域的下侧上由第二和第四微机械功能层形成凸模形的可运动的电极区域。这提高了压力传感器区域的电敏感性。13.根据另外的优选扩展方案，至少在第一微机械功能层中在惯性传感器区域和压力传感器区域中形成相应的固定电极区域。这样能够简单地和节省位置地实现固定电极区域。附图说明14.下面参照实施方式基于附图阐释本发明的其他特征和优点。15.附图示出：16.图1a)、b)用于阐释根据本发明的第一实施方式的微机械传感器设备的示意性横截面视图，其中，图1a)和b)示出不同的垂直剖平面；17.图2a)‑f)用于阐释根据本发明的第二实施方式的按照图1a)、b)的微机械传感器设备的制造方法的示意性横截面视图；18.图3a)‑f)用于阐释根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意性横截面视图；19.图4用于阐释根据本发明的第四实施方式的微机械传感器设备的示意性横截面视图；和20.图5用于阐释根据本发明的第一至第四实施方式的微机械传感器设备的示例性产品封装的示意性横截面视图。具体实施方式21.在附图中，相同的附图标记标明相同的或功能相同的元件。22.图1a)、b)是用于阐释根据本发明的第一实施方式的微机械传感器设备的示意性横截面视图，其中，图1a)和b)示出不同的垂直剖平面。23.在图1a)、b)中，附图标记s表明衬底、例如硅晶片衬底，该衬底具有前侧vs和后侧rs。24.在前侧vs上施加有第一绝缘层o1、例如氧化硅层和第二绝缘层n、例如氮化硅层。25.对此，在前侧vs上在横向上间隔开地形成用于感测外部加速度的具有惯性结构ie的惯性传感器区域sb1和用于感测外部压力pa的具有膜片区域m的压力传感器区域sb2。26.尤其地，在第二绝缘层n上施加有第一微机械功能层p1、例如多晶硅层。第一微机械功能层p1这样结构化，使得所述第一微机械功能层在惯性传感器区域sb1和压力传感器区域sb2中具有相应的固定电极区域se1、se2。此外，第一微机械功能层p1具有第一蚀刻通道e1，所述第一蚀刻通道不对传感器设备的功能做出贡献，但在当前的第一实施方式中在所述传感器设备的制造时起作用，如下面阐释的那样。这种蚀刻通道例如由de 102013 213 065a1已知。27.例如同样是多晶硅层的第二微机械功能层p2形成在第一微机械功能层p1上，并且在压力传感器区域sb2中结构化成膜片区域m，该膜片区域与第一微机械功能层p1间隔开。在第一微机械功能层和第二微机械功能层p1、p2之间布置有第三绝缘层o2，该第三绝缘层例如是氧化硅层。所述第三绝缘层在制造过程中用作为牺牲层。28.第三微机械功能层p3施加在第二机械功能层p2上。惯性结构is由第二和第三微机械功能层p2、p3形成，例如呈一个或多个梳电极区域的形式。29.罩装置k、例如硅罩晶片借助于键合框br键合到第三微机械功能层p3上。罩装置k在惯性传感器区域sb1中在第一腔c1中包含预先确定的第一参考压力pp1并且在压力传感器区域sb2中具有第一贯通开口d1，用于将外部压力pa施加到膜片区域m上。30.此外，在膜片区域m下方形成第二腔c2，在该第二腔中包含预先确定的第二参考压力pp2。31.罩装置k具有第二贯通开口d2，该第二贯通开口露出键合连接区域bo，该键合连接区域布置在惯性传感器区域sb1和压力传感器区域sb2旁边并且通过第二和第三微机械功能层p2、p3与第一微机械功能层p1电连接。32.在键合连接区域bo上施加有例如由铝制成的键合接触区域br1。33.图1b)以另外的垂直剖平面示出图1a)的示图并且说明，在第一实施方式中在第一和第二微机械功能层p1、p2中形成连接通道dl，用于第一和第二腔c1、c2的流体连接，使得第一参考压力pp1和第二参考压力pp2相等，即适用pp1＝pp2。34.此外，连接通道dl在牺牲层蚀刻时用于使膜片区域m空置(freistellung)，以便将蚀刻剂、例如气态hf气体引导至膜片区域m下方的作为牺牲层的第三绝缘层o2。35.因此可能的是，借助于在晶片键合时调设的腔压力限定传感器设备的参考压力pp1＝pp2。对于压力传感器设备特别有利的通常是非常低的参考压力，为了运行加速度/转速传感器例如也需要所述参考压力。36.替代地可能的是，不在晶片键合时调设腔c1、c2中的压力，而是通过所谓的激光再密封限定，其中，在晶片键合之后在罩装置k中制造开口孔，调设出期望的参考压力，并且随后通过激光封闭开口孔。37.图2a)‑f)是用于阐释根据本发明的第二实施方式的按照图1a)、b)的微机械传感器设备的制造方法的示意性横截面视图。38.根据图2a)，在衬底s的前侧vs上首先由氧化硅沉积第一绝缘层o1和由氮化硅沉积第二绝缘层n。然后由多晶硅沉积第一微机械功能层p1并且结构化。所述结构化在两阶段的蚀刻过程中进行。首先借助于drie(deep reactive ion etching，深反应离子蚀刻)进行用于打开较小的垂直沟槽的短的开沟蚀刻并且随后进行用于在第一微机械功能层p1内部施加具有基本上圆形的横截面型廓的蚀刻通道e1的短的各向同性的蚀刻步骤，如在de 10 2013 213 065a1中详细描述的那样。39.随后由氧化硅沉积第三绝缘层o2并且结构化，所述第三绝缘层在随后的方法步骤中作为牺牲层部分地移除。在沉积第三绝缘层o2时，完全封闭在第一微机械功能层p1中的蚀刻通道e1的小的上开口。而蚀刻通道e1仅部分地填充并且因此在其纵向方向上对于用于蚀刻作为牺牲层的第三绝缘层o2的蚀刻气体、例如hf气体是保持能通过的。在图2a)中示出蚀刻通道e1以及蚀刻通道，所述蚀刻通道延伸到图片平面中并且具有圆形的横截面，所述蚀刻通道平行于附图平面从左向右走向。40.此外，参照图2b)进行第二微机械功能层p2以及蚀刻停止层as、例如同样是氧化硅层或替代的组合的氮氧化硅层(siliziumoxinitridschicht)的沉积和结构化。蚀刻停止层as这样结构化，使得所述蚀刻停止层保持停留在之后要形成的膜片区域m上方的区域中。41.如在图2c)中示出，随后在第二微机械功能层p2和蚀刻停止层as上由多晶硅沉积第三微机械功能层p3并且结构化。在当前实施方式中，第三微机械功能层p3的厚度明显大于第一和第二微机械功能层p1、p2的厚度。42.然后在第三微机械功能层p3上由铝沉积键合接触区域br1并且结构化。通过在第三绝缘层o2或牺牲层上停止的开沟蚀刻，随后在惯性传感器区域sb1中形成惯性结构ie。在此，第三微机械功能层p3在之后要形成的膜片区域m的区域中被遮盖，即不被蚀刻。这是有利的，因为用于惯性传感器区域sb1的开沟蚀刻必须在惯性结构ie中打开非常窄的沟槽。43.如果第三微机械功能层p3在膜片区域m中已经在相同的过程步骤中移除，那么必须同时在惯性传感器区域sb1中打开非常窄的沟槽并且在压力传感器区域sb2中打开大的面或沟槽。这在蚀刻过程的均匀性方面是重要的，因为大的面积或沟槽通常比狭窄的沟槽更快地蚀刻(所谓的arde效应或者说aspect ratio dependent etching，深宽比相关蚀刻)。因为在整个面上的狭窄的沟槽也必须可靠地打开，所以在大的打开的面上可以进行强烈地横向蚀刻，所述横向蚀刻典型地在关于蚀刻停止层as的边界面上是特别强烈的。该效应也被称为刻槽(notching)。在这种情况下，所述刻槽可以导致膜片区域m的不那么精确限定的横向尺寸并且由此导致在一个衬底s上的或者衬底与衬底之间的传感器元件的敏感性变化。此外，在过蚀刻时产生以下危险，通过在第二微机械功能层p2上的蚀刻停止层as的钝化可能强烈地削弱或者甚至完全耗尽，并且在膜片区域m中会进行到第二微机械功能层上的不期望的蚀刻作用。44.图2d)示出在部分移除牺牲层o2之后的状态，这优选借助于hf气体进行，该hf气体通过惯性结构ie的中间空间在牺牲层中扩散并且扩散到蚀刻通道e1中。在此，牺牲层o2既在惯性结构is的区域中也在要形成的膜片区域m下方的区域中移除。因此，惯性结构is是空置的并且可运动的。而膜片区域m还几乎不能运动，因为第二和第三微机械功能层p2、p3的总刚性是非常高的。45.此外，参照图2d)提供罩装置k，所述罩装置例如呈硅罩晶片的形式。在罩装置k上的键合接触区域br2例如通过锗区域实现，所述锗区域与在第三微机械功能层p3上的键合接触区域br1相对置，由此这些键合接触区域能连接。这能够实现在由铝制成的键合接触区域br1和由锗制成的键合接触区域br2之间的共晶键合，以用于形成键合框br。46.当然，键合接触区域br1也可以由锗制成并且键合接触区域br2由铝制成。47.替代地也可能的是另外的键合方法、如玻璃封接(glasfritt)，另外的金属键合方法、如铜锡、金硅等，但也可以是直接键合方法。48.图2e)示出在通过键合框br将罩装置k成功键合到第三微机械功能层p3上之后的状态。在惯性传感器区域sb的第一腔c1的参考压力pp1等于在要制成的膜片区域m下方的第二腔c2中的第二参考压力pp2。49.在当前示例中，这种共同的参考压力pp1＝pp2直接在键合时调设出。如上面已经提到的那样，在该过程阶段中也可能的是，实施激光再密封过程，以便例如调设出更低的参考压力或者调设出在整个衬底s上的特别均匀的参考压力。但为此必须打开所有位于衬底s上的构件的全部腔c1。50.如在图2f)中示出，作为下一个过程步骤进行在罩装置k上的开沟蚀刻步骤。借助于该开沟蚀刻步骤，同时将键合连接区域bo与位于该键合连接区域上的键合框区域br1通过贯通开口d2露出，也形成用于压力传感器区域sb2的介质进入的贯通开口d1。此外，在该蚀刻步骤中移除在蚀刻停止区域as上方的第三微机械功能层p3，其中，蚀刻停止区域as作为用于开沟蚀刻过程的蚀刻停止部起作用。51.在可选的(未示出的)过程步骤中，还可以将蚀刻停止区域as从膜片区域m移除。通过剩下的蚀刻停止层的类型和厚度必要时可以优化膜片区域m的应力建立(stresshaushalt)，更确切地说尤其在温度变化时膜片区域m的弯曲的可能变型方面。52.图3a)‑f)是用于阐释根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备和相应的制造方法的示意性横截面视图。53.在第三实施方式中，根据图3a)，第一微机械功能层p1不设有蚀刻沟槽，而是仅在电极区域应形成的地方开沟槽。第二微机械功能层p2在要形成的膜片区域中结构化有细小的蚀刻沟槽e2。54.然后参照图3b)进行第一牺牲蚀刻步骤，在该牺牲蚀刻步骤中使要形成的膜片区域m空置，其方式是，将位于所述膜片区域下方的第三绝缘层o2作为牺牲层移除。蚀刻沟槽e2在膜片区域m中的细小的沟槽开口随后通过在膜片区域m中的类似于第一实施方式的蚀刻停止层封闭，其中，如在图3c)中示出的那样，蚀刻停止区域as又留在要形成的膜片区域m中。55.图3d)示出在第三微机械功能层p3的沉积和结构化并且键合接触区域br1由铝的沉积和结构化之后的状态。56.根据图3e)，在另外的牺牲蚀刻步骤中也通过移除位于所述惯性结构下方的第三绝缘层o2使惯性结构ie空置。如已经结合前面的实施方式描述的那样，随后提供用于键合的罩装置k并且随后实施共同的开沟蚀刻步骤以用于露出键合连接区域bo并且形成贯通开口d1、d2。57.在该实施方式中，在第二腔c2中的第二参考压力pp2不通过罩装置k的键合步骤确定，在所述键合步骤中调设出在第一腔c2中的第一参考压力pp1，而是通过以下步骤确定，在所述步骤中蚀刻通道e2通过蚀刻停止区域as封闭。与此相应地，可以不同地调设出参考压力pp1和pp2。58.当然，替代地也可能的是，即使在该实施方式中设置连接通道以用于平衡参考压力pp1、pp2。59.图4是用于阐释根据本发明的第四实施方式的微机械传感器设备的示意性横截面视图。60.在第四实施方式中，不同于上面描述的实施方式，在第一和第二微机械功能层p1、p2之间形成例如由多晶硅制成的第四微机械功能层p1a。在第四实施方式中，膜片区域m在中央区域加固，其方式是，在膜片区域m的下侧上由第二和第四微机械功能层p2、p1a形成凸模形的可运动的电极区域st。因此，电极区域st可以在压力变化时基本上如平面平行的板一样朝着位于所述电极区域下方的第一微机械功能层p1的固定电极se2‘运动。这能够实现传感器设备的压力传感器区域sb2的特别高的电敏感性。61.惯性传感器区域sb1的固定电极se1‘同样由第一和第四微机械功能层p1、p4制造。62.有利的是，在该实施方式中的有用间隙(nutzspalt)可以通过在第一和第二微机械功能层p1、p2之间的牺牲层厚度限定，更确切地说与惯性传感器区域sb的有用间隙无关，该有用间隙通过微机械功能层p2和p3和/或p3和p1a之间的距离限定。因此，以特别有效的方式可能的是，分开地优化压力传感器区域sb2和惯性传感器区域的机械和电特性。63.图5是用于阐释根据本发明的第一至第四实施方式的微机械传感器设备的示例性产品封装的示意性横截面视图。64.根据图5的示例，显示为之前描述的传感器设备的传感器设备sv布置在asic芯片asc上并且通过线键合部b1与所述asic芯片电连接。asic芯片asc的外部电接触通过线键合部b2引导到承载板衬底lp上。然后所述布置承受模塑过程以用于产生模塑封装mo，其中，芯片在侧面浇注以模塑质量mo，但传感器设备sv的上侧为了介质进入尤其在用于压力传感器区域的第一贯通开口的区域中保持空闲。在需要时，还可以进行膜片区域m在第一贯通开口d1的区域中的(未示出的)胶化，以便改善传感器设备的介质和湿气稳固性。产品封装既可以作为lga(land grid array，网格栅阵列)实现，也可以作为具有焊接区域l的bga(ball grid array，球栅阵列)实现，如在图5)中示出的那样。65.虽然已参照优选实施例描述本发明，但本发明不局限于此。尤其地，所提到的材料和拓扑仅是示例性的并且不局限于阐释的示例。