DE102006047203A1

DE102006047203A1 - Mikrophonanordnung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102006047203A1
Application number: DE102006047203A
Authority: DE
Inventors: Franz Schrank
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: US8199963B2; DE102006047203B4; US20080137886A1

Abstract

Eine Mikrophonanordnung umfasst eine Stapelanordnung (1), die einen ersten Halbleiterkörper (10) mit einer Mikrophonstruktur (13) und einen zweiten Halbleiterkörper (80) umfasst. Der zweite Halbleiterkörper (80) umfasst eine erste Hauptfläche (81), auf der eine integrierte Schaltung (83) angeordnet ist, und eine zweite Hauptfläche (82), die dem ersten Halbleiterkörper (10) zugewandt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrophonanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Mikrophonanordnung.
Mikrophonanordnungen werden in Geräten der Mobilfunkkommunikation und der Festnetzkommunikation eingesetzt. Darüber hinaus werden sie beispielsweise bei Diktiergeräten, Sicherheitseinrichtungen und photoakustischen Gasanalysatoren verwendet. Mikrophonanordnungen können als Mikrosystemtechnik-Bauelemente, englisch micro-electro-mechanical systems, mittels Mikrotechniken hergestellt werden.
Dokument US 5,490,220 beschreibt ein Festkörpermikrophon mit einem Kondensator aus einer festen Elektrode und einer beweglichen Platte.
Dokument WO 03/038449 A1 befasst sich mit einem Mikrosensor mit einem Sensorelement und einem integrierten Schaltkreis, auf dem das Sensorelement angeordnet ist.
Dokument DE 102004058879 A1 zeigt ein Mikrophon, das auf einem Bauelement mit einer integrierte Schaltung befestigt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mikrophonanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrophonanordnung bereitzustellen, die einen kompakten Aufbau und eine kosteneffiziente Herstellung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 sowie dem Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß umfasst eine Mikrophonanordnung eine Stapelanordnung. Die Stapelanordnung weist einen ersten und einen zweiten Halbleiterkörper auf. Der erste Halbleiterkörper umfasst eine Mikrophonstruktur. Der zweite Halbleiterkörper weist eine erste und eine zweite Hauptfläche auf. Die erste Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers umfasst eine integrierte Schaltung. Die zweite Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers ist mit dem ersten Halbleiterkörper verbunden.
Es ist ein Vorteil der vorgeschlagenen Stapelanordnung, dass die Mikrophonstruktur und die integrierte Schaltung jeweils mit eigenen und für die Herstellung optimierten Herstellungsverfahren produziert werden können. Somit werden eine hohe Ausbeute und damit eine sehr gute Kosteneffizienz erzielt. Es ist ein weiterer Vorteil der Stapelanordnung, dass mit ihr eine Mikrophonanordnung mit einer geringen Grundfläche realisiert werden kann. Dies ermöglicht einen einfachen Einbau der Mikrophonanordnung. Mit Vorteil kann mit der Stapelanordnung aus zwei Halbleiterkörpern ein steifer Aufbau realisiert werden, so dass ein Einfluss von Verspannungen auf die Mikrophonstruktur gering gehalten werden kann, wie sie beispielsweise durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden können.
Die Mikrophonstruktur kann als MEMS-Bauelement mittels Mikrotechniken hergestellt werden. Die integrierte Schaltung kann mittels einer Bipolar-Integrationstechnik hergestellt werden. Alternativ kann die integrierte Schaltung mittels einer complementary metal-Oxide-semiconductor Integrationstechnik, abgekürzt CMOS-Integrationstechnik, hergestellt werden.
Der erste Halbleiterkörper weist in einer Ausführungsform eine erste und eine zweite Hauptfläche auf. Bevorzugt ist die erste Hauptfläche des ersten Halbleiterkörpers parallel zu der zweiten Hauptfläche des ersten Halbleiterkörpers angeordnet. Ebenfalls ist bevorzugt die erste Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers parallel zu der zweiten Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers angeordnet. Bevorzugt sind die beiden Hauptflächen des ersten Halbleiterkörpers parallel zu den beiden Hauptflächen des zweiten Halbleiterkörpers angeordnet.
Der erste und der zweite Halbleiterkörper sind miteinander fest verbunden. Dies kann bedeuten, dass die erste Hauptfläche des ersten Halbleiterkörpers und die zweite Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers unmittelbar oder über Zwischenschichten fest miteinander verbunden sind. Alternativ kann dies bedeuten, dass die erste Hauptfläche des ersten Halbleiterkörpers und die zweite Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers mittels weiterer Körper beabstandet fest miteinander verbunden sind.
In einer Ausführungsform umfasst der erste Halbleiterkörper eine Ausnehmung, die zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche des ersten Halbleiterkörpers angeordnet ist. Die Mikrophonstruktur umfasst mechanische Strukturen und die Ausnehmung.
In einer Ausführungsform ist die Mikrophonstruktur an der ersten Hauptfläche des ersten Halbleiterkörpers angeordnet. Die erste Hauptfläche des ersten Halbleiterkörpers ist dem zweiten Halbleiterkörper zugewandt. Dies hat den Vorteil, dass ein Medium von der zweiten Hauptfläche aus in Kontakt mit der Mikrophonstruktur zum Bestimmen einer Schallwelle treten kann.
In einer Ausführungsform weist der zweite Halbleiterkörper eine elektrisch leitende Durchkontaktierung zwischen der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche auf. Die Durchkontaktierung kann einen Anschluss auf der ersten Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers mit einem Anschluss der Mikrophonstruktur verbinden. In einer Weiterbildung umfasst die Durchkontaktierung eine elektrisch leitende Schicht, die gegenüber einem Substrat des ersten und des zweiten Halbleiterkörpers isoliert ist. Sie ist auch gegenüber einer Oberfläche des ersten und des zweiten Halbleiterkörpers außer an Anschlussstellen isoliert. Der zweite Halbleiterkörper kann mindestens eine weitere Durchkontaktierung umfassen. Die Durchkontaktierungen können näherungsweise dieselbe Länge aufweisen. Alternativ können die Durchkontaktierungen mindestens zwei unterschiedliche Längen aufweisen. Somit können mit Vorteil Leiterbahnen, die in unterschiedlichen Schichten der Mikrophonstruktur angeordnet sind, mit der ersten Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers und damit mit der integrierten Schaltung verbunden werden.
In einer Ausführungsform weist die Stapelanordnung einen Träger auf. Der zweite Halbleiterkörper kann auf dem Träger angeordnet sein. Bevorzugt ist die erste Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers mit dem Träger verbunden. Auf der ersten Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers können Anschlüsse und weitere Mittel vorgesehen sein, die zur elektrischen Verbindung von Anschlüssen auf der ersten Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers mit Anschlüssen auf dem Träger dienen. Die weiteren Mittel können Bondkugeln umfassen. Der zweite Halbleiterkörper kann somit mittels einer Flip-Chip Technik gehäust werden. Die Bondkugeln, englisch bond balls, können auch als Lötkugeln oder Metallerhebungen, englisch bumps, bezeichnet werden. Der Träger kann eine Leiterplatte, englisch printed circuit board, sein. Zur mechanischen Stabilisierung kann ein Kleber, englische Bezeichnung underfiller, in den Zwischenraum zwischen dem zweiten Halbleiterkörper und dem Träger eingebracht werden.
Die Mikrophonstruktur kann eine kapazitive Struktur zur Schalldetektion aufweisen. In einer Ausführungsform umfasst die kapazitive Struktur zwei Elektroden. In einer Ausführungsform ist eine der Elektroden als Platte ausgeführt und nur am Rand mittels Verbindungen von der Platte zu der Mikrophonstruktur beziehungsweise zu dem ersten Halbleiterkörper gehalten. In einer Ausführungsform ist die erste Elektrode als steife und steif aufgehängte Elektrode und die zweite Elektrode als frei positionierte, flexible Elektrode realisiert. Die zweite Elektrode kann schwingungsfähig sein. Die zweite Elektrode ist auf beiden Seiten frei schwingend in einem freien Volumen angeordnet. In einer Weiterbildung weist die zweite Elektrode eine geringere Dicke als die erste Elektrode auf. Ein Messresultat hängt vor allem aus der Größe der Platten und dem Abstand der beiden Elektroden, welcher von dem Schalldruck beeinflusst wird, ab.
In einer Ausführungsform umfasst die steife Elektrode Ausnehmungen, durch die ein Medium, das von dem Schalldruck beeinflusst wird, fließen kann. Die Ausnehmungen der steifen Elektrode können als Schalleintrittsöffnungen vorgesehen sein. Da sich die steife Elektrode in einer festen Position gegenüber dem ersten Halbleiterkörper und sich die flexible Elektrode in einer in Abhängigkeit von dem Schalldruck ändernden Posi tion zu dem ersten Halbleiterkörper befindet, kann aus dem Abstand zwischen der festen und der flexiblen Elektrode eine Schallinformation gewonnen werden.
In einer Ausführungsform kann die Mikrophonstruktur einen Abstandshalter oder einen Anschlag umfassen, der zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Der Anschlag umfasst mit Vorteil ein nichtleitendes Material. In einer Ausführungsform ist der Abstandshalter oder der Anschlag fest mit beiden Elektroden verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlag mit nur einer der beiden Elektroden fest verbunden, sodass die weitere der beiden Elektroden eine Bewegung relativ zu dem Anschlag ausführen kann. Der Anschlag dient zur Festlegung eines Mindestabstands d zwischen den beiden Elektroden. Mit Vorteil kann somit ein Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden vermieden werden. Es können mehrere Anschläge vorgesehen sein.
Die feste und/oder die freie Elektrode können aus einem monokristallinen Material hergestellt werden. Bevorzugt sind die feste und die flexible Elektrode aus einem polykristallinen Material hergestellt. Der erste und/oder der zweite Halbleiterkörper können Silizium als Grundmaterial aufweisen. Das kristalline Material kann Silizium sein. Das polykristalline Material kann bevorzugt Polysilizium sein.
Erfindungsgemäß sieht ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrophonanordnung folgende Schritte vor: Zur Herstellung einer Mikrophonstruktur wird ein erster Halbleiterkörper verwendet. Eine integrierte Schaltung wird an einer ersten Hauptfläche eines zweiten Halbleiterkörpers hergestellt. Der erste und der zweite Halbleiterkörper werden miteinander verbunden. Es wird eine Stapelanordnung aus dem ersten und dem zweiten Halbleiterkörper gebildet, derart, dass eine zweite Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers dem ersten Halbleiterkörper zugewandt ist.
Mit Vorteil kann somit eine Herstellungstechnik zur Herstellung der Mikrophonstruktur verwendet werden, die für einen derartigen Herstellungsprozess optimiert ist. Beispielsweise können Mikrotechniken zur Herstellung einer MEMS-Mikrophonstruktur vorgesehen werden.
Die Mikrophonstruktur kann mittels einer Dünnfilmtechnik hergestellt werden. Dazu kann der erste Halbleiterkörper als Träger vorgesehen werden. Eine erste und eine zweite Elektrode einer kapazitiven Mikrophonstruktur können in einem Dünnschichtaufbau hergestellt werden. Dabei können in dem Dünnschichtaufbau weitere Schichten auf beiden Seiten der ersten Elektrode und auf beiden Seiten der zweiten Elektrode und somit auch zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet werden. Durch ein Entfernen der weiteren Schichten werden die beiden Elektroden freigelegt. Derartige Schichten werden als Opferschichten, englisch sacrificial layer, bezeichnet.
In einer Weiterbildung wird das Freilegen der ersten und der zweiten Elektrode der Mikrophonstruktur in einem Verfahrensschritt durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Freilegen der beiden Elektroden mittels eines ersten und eines zweiten Verfahrensschrittes durchgeführt. Ein Teil der zweiten Elektrode wird in dem ersten Verfahrensschritt freigelegt, der vor dem Verbinden des ersten und zweiten Halbleiterkörpers vorgesehen ist. Der zweite Verfahrensschritt zum Freilegen ist nach dem Verbinden des ersten und des zweiten Halbleiterkörpers vorgesehen.
In einer Ausführungsform wird die Mikrophonstruktur im Wafermaßstab auf dem ersten Halbleiterkörper und die integrierte Schaltung im Wafermaßstab auf dem zweiten Halbleiterkörper realisiert und anschließend der erste und der zweite Halbleiterkörper als Wafer miteinander zu der Stapelanordnung verbunden. In einer Ausführungsform weist die erste und die zweite Hauptfläche des ersten Halbleiterkörpers den gleichen Wert wie die erste und die zweite Hauptfläche des zweiten Halbleiterkörpers auf. In einer Ausführungsform haben die beiden Hauptflächen des ersten Halbleiterkörpers den gleichen Wert für eine Länge und den gleichen Wert für eine Breite wie die beiden Hauptflächen des zweiten Halbleiterkörpers. Eine derartige Mikrophonanordnung kann beispielsweise mittels Wafersägen aus einer Stapelanordnung, die einen Wafer mit dem ersten Halbleiterkörper und einen Wafer mit dem zweiten Halbleiterkörper umfasst, hergestellt werden.
In einer Ausführungsform werden nach dem Herstellen der Stapelanordnung auf dem ersten und dem zweiten Halbleiterkörper einzelne Mikrophonanordnungen mittels eines Sägeschrittes hergestellt. In einer Ausführungsform wird die so vereinzelte Mikrophonanordnung mit einem Träger verbunden.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Gebiete und Strukturen tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich die Gebiete oder Strukturen in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
1A und 1B zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Mikrophonanordnungen nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
2A bis 2O zeigen ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Mikrophonanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Mikrophonanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, welche eine Stapelanordnung 1 aus einem ersten Halbleiterkörper 10 und einem zweiten Halbleiterkörper 80 umfasst. Der erste Halbleiterkörper 10 weist eine erste Hauptfläche 11, die dem zweiten Halbleiterkörper 80 zugewandt ist, und eine zweite Hauptfläche 12 auf. Der erste Halbleiterkörper 10 umfasst eine Mikrophonstruktur 13, die in einer Ausnehmung 14 angeordnet ist. Der erste Halbleiterkörper 10 weist ein Substrat 20 auf, welche die Ausnehmung 14 zeigt. Das Substrat 20 ist als monokristallines Silizium realisiert. Auf dem Substrat 20 ist eine erste Isolatorschicht 21 abgeschieden. Die erste Isolatorschicht ist als undotiertes Siliziumdioxid mit einer Dicke von näherungsweise einem Mikrometer hergestellt. Auf der ersten Isolatorschicht 21 ist eine zweite Isolatorschicht 22 abgeschieden. Die zweite Isolatorschicht 22 kann Siliziumnitrid aufweisen und eine Dicke von 0,5 Mikrometer zeigen. Über der zweiten Isolatorschicht ist eine erste leitende Schicht 23 abgeschieden. Die erste leitende Schicht 23 ist als Polysiliziumschicht realisiert. Sie befindet sich auf der zweiten Isolatorschicht im Bereich der Mikrophonstruktur innerhalb der Ausnehmung 14 und ist mit einer Stelle unter einer Durchkontaktierung 84 verbunden. Die erste leitende Schicht 23 und die zweite Isolatorschicht 22 weisen Öffnungen 16 auf. In einem Abstand d ist eine zweite leitende Schicht 24 abgeschie den. Diese ist ebenfalls als Polysiliziumschicht realisiert. Die zweite leitende Schicht 24 bildet eine zweite Elektrode der kapazitiven Struktur der Mikrophonstruktur 13. Eine erste Elektrode 15 umfasst die erste leitende Schicht 23. Zwischen der ersten Elektrode 15 und der zweiten Elektrode 17 ist ein Anschlag 18 vorgesehen. Der Anschlag 18 umfasst eine dritte und eine vierte Isolatorschicht 25, 27 als Material. Die beiden Isolatorschichten 25, 27 werden auch als Opferschichten bezeichnet und umfassen P-dotiertes Siliziumdioxid. Die erste Elektrode 15 ist am Rahmen 26 aufgehängt. Die zweite Elektrode 17 ist ebenfalls mit dem Rahmen 26 an Stellen verbunden, welche nicht in 1A gezeigt sind. Im Bereich des Rahmens 26 befindet sich auf der zweiten Isolatorschicht 22 die dritte, fünfte und sechste Isolatorschicht 25, 28, 29.
Der zweite Halbleiterkörper 80 umfasst eine erste Hauptfläche 81 und eine zweite Hauptfläche 82. Die zweite Hauptfläche 82 ist unmittelbar auf der ersten Hauptfläche 11 des ersten Halbleiterkörpers 10 angeordnet. Der zweite Halbleiterkörper 80 umfasst ein Substrat 89, das sich bis zu der zweiten Hauptfläche 82 erstreckt. Das Substrat 89 ist als monokristallines Silizium ausgebildet. Der Halbleiterkörper 80 umfasst darüber hinaus eine aktive Schicht 90, in der eine integrierte Schaltung 83 realisiert ist. Die integrierte Schaltung 83 wertet die von dem Schalldruck abhängigen Kapazitätswerte der kapazitiven Struktur der Mikrophonstruktur 13 aus, welche die erste und die zweite Elektrode 15, 17 umfasst.
Die aktive Schicht 90 ist von einer Passivierungsschicht 91 bedeckt und somit geschützt. In der Passivierungsschicht 91 sind Öffnungen vorgesehen, die einen Kontakt zu Anschlüssen 87 ermöglichen. An den Anschlüssen 87 sind Bondballs 86 angeordnet. Der zweite Halbleiterkörper 80 weist die erste Durch kontaktierung 84 und eine zweite Durchkontaktierung 85 auf. Zur Realisierung der beiden Durchkontaktierungen 84, 85 sind Ausnehmungen in dem zweiten Halbleiterkörper 80 vorgesehen. Die Ausnehmungen erstrecken sich von der ersten Hauptfläche 81 bis zur zweiten Hauptfläche 82 des zweiten Halbleiterkörpers 80. Das Substrat im Bereich der Ausnehmungen ist von einer Isolationsschicht 92 bedeckt. Über der Isolationsschicht 92 befindet sich eine Metallisierungsschicht 93. Die Metallisierungsschicht 93 der ersten Durchkontaktierung 84 verbindet die erste leitende Schicht 23 der ersten Elektrode 15 mit der aktiven Schicht 90. In analoger Weise verbindet die Metallisierungsschicht 93 der zweiten Durchkontaktierung 85 die zweite leitende Schicht 24 der zweiten Elektrode 17 ebenfalls mit der aktiven Schicht 90. Die integrierte Schaltung 83 wird mittels den Anschlüssen 87 und den Bondballs 86 mit elektrischer Energie versorgt und gibt über diese Anschlüsse 87 und Bondballs 86 Signale ab, welche eine Information über den Schalldruck umfassen. Der zweite Halbleiterkörper 80 weist eine Ausnehmung 88 auf, die im Bereich der Mikrophonstruktur 13 des ersten Halbleiterkörpers 10 angeordnet ist. Die Ausnehmung 88 ermöglicht eine Bewegung der flexiblen Elektrode 17 in Richtung des zweiten Halbleiterkörpers 80. Die Ausnehmung 88 dient auch als Reservoir zum Druckausgleich.
Das Medium, in dem der Schalldruck gemessen werden soll, hat Zugang zu der Ausnehmung 14 in dem ersten Halbleiterkörper 10 und somit zur Mikrophonstruktur 13. Da die erste Elektrode 15 aus zwei Schichten, nämlich der zweiten Isolatorschicht 22 und der ersten leitenden Schicht 23 ausgebildet ist und an allen ihren Seiten über Verbindungen zu dem Rahmen 26 eingespannt ist, ist sie als starre Elektrode vorgesehen. Durch die Ausnehmung 14 kann das Medium in die Ausnehmung 88 des zweiten Halbleiterkörpers 80 hinein und hinaus fließen. Durch die Ausnehmungen 16 wird erzielt, dass der Druck auf den beiden Seiten der ersten Elektrode 15 näherungsweise gleich ist, so dass sich die erste Elektrode 15 nicht bewegt, sondern eine feste Position gegenüber dem Rahmen 26 des ersten Halbleiterkörpers 10 aufweist. Die zweite Elektrode 17 ist ausschließlich aus einer Schicht, nämlich der zweiten leitenden Schicht 24 ausgebildet und flexibler als die erste Elektrode 15. Die zweite Elektrode 17 weist keine Ausnehmung auf, so dass zumindest zeitweise ein Druckunterschied auf den beiden Seiten der zweiten Elektrode 17 auftritt, der zu einer Bewegung der zweiten Elektrode 17 in Richtung der ersten Elektrode 15 oder in entgegengesetzte Richtung führt. Aus dem Abstand d zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 15, 17 lässt sich somit eine Information über den Schalldruck gewinnen. Das Medium kann die zweite Elektrode 17 umströmen und in die Ausnehmung 88 des zweiten Halbleiterkörpers 80 gelangen. Da dies jedoch nur in den Bereichen der Öffnungen durchgeführt werden kann, die zwischen der zweiten Elektrode 17 und dem Rahmen 26 vorgesehen sind, geschieht dieser Druckausgleich nur langsam, so dass schnelle Druckänderungen wie etwa der Schalldruck zu einer Auslenkung der zweiten Elektrode 17 führen. Die beiden Elektroden 15, 17 bilden einen Kondensator und sind über die beiden Durchkontaktierungen 84, 85 mit der integrierten Schaltung 83 mit der aktiven Schicht 90 verbunden. In der integrierten Schaltung 83 wird der mittels der beiden Elektroden 15, 17 bereitgestellte Kapazitätswert in ein Strom- oder Spannungssignal umgewandelt. Alternativ wird der Kapazitätswert in ein Digitalsignal umgewandelt. Mit Vorteil ist der zweite Halbleiterkörper 80 gedünnt, so dass die Länge der Durchkontaktierung klein und somit die Streukapazität zwischen der Metallisierungsschicht 93 der beiden Durchkontaktierungen 84, 85 und dem Substrat 89 des zweiten Halbleiterkörpers 80 gering sind.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform umfasst der zweite Halbleiterkörper 80 mindestens eine weitere Durchkontaktierung.
1B zeigt eine beispielhafte Mikrophonanordnung mit einer Stapelanordnung 1, welche eine Weiterbildung der in 1A gezeigten Mikrophonanordnung ist. Die Stapelanordnung 1 gemäß 1B umfasst den ersten und den zweiten Halbleiterkörper 10, 80 sowie einen Träger 100. Der Träger 100 weist Anschlüsse 101 auf. Die Anschlüsse 101 sind über den Bondballs 86 angeordnet. Somit werden die Anschlüsse 87 der integrierten Schaltung 81 über die Bondballs 86 mit den Anschlüssen 101 auf dem Träger 100 verbunden. Zwischen dem Träger 100 und der ersten Hauptfläche 81 des zweiten Halbleiterkörpers 80 ist ein isolierendes Material 102 vorgesehen. Das isolierende Material 102, auch als Underfiller bezeichnet, dient zur mechanischen Stabilisierung der Verbindung zwischen dem Träger 100 und dem zweiten Halbleiterkörper 80. Die Mikrophonanordnung ist somit in Flip-Chip Technik aufbringbar.
2A bis 20 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung der Mikrophonanordnung. 2A zeigt das Substrat 20 des ersten Halbleiterkörpers 10 mit der ersten und der zweiten Hauptfläche 11, 12. Das Substrat 20 ist als Siliziumwafer ausgebildet.
2B zeigt den ersten Halbleiterkörper 10 mit einer ersten Isolatorschicht 21 auf der ersten Hauptfläche 11. Die erste Isolatorschicht 21 wird auf dem Substrat 20 abgeschieden. Sie ist eine nichtdotierte Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von näherungsweise 1 μm. Alternativ wird die erste Isolatorschicht 21 mittels thermischer Oxidation hergestellt.
2C zeigt den ersten Halbleiterkörper 10 mit einer zweiten Isolatorschicht 22, welche auf der ersten Isolatorschicht 21 abgeschieden wird, sowie einer ersten leitenden Schicht 23, die auf der zweiten Isolatorschicht 22 abgeschieden wird. Die zweite Isolatorschicht 22 ist als Nitridschicht ausgebildet. Diese ist eine stöchiometrische Nitridschicht mit einer Dicke von näherungsweise 0,5 μm. Die erste leitende Schicht 23 ist als Polysiliziumschicht realisiert. Mittels einer Fototechnik wird in einem ersten Schritt die erste leitende Schicht 23 strukturiert, so dass sie in den Bereichen entfernt wird, die nicht zur ersten Elektrode 15 und zu dem Anschluss der ersten Elektrode 15 im Bereich der ersten Durchkontaktierung 84 gehören. Mittels einer weiteren Fototechnik werden in einem zweiten Schritt die Ausnehmungen 16 in der ersten leitenden Schicht 23 und in der zweiten Isolatorschicht 22 erzeugt.
2D zeigt den ersten Halbleiterkörper 10, bei dem eine dritte Isolatorschicht 25 auf der ersten Hauptfläche 11 abgeschieden ist. Die dritte Isolatorschicht 25 wird als Opferschicht bezeichnet. Sie ist als P-dotierte Siliziumdioxidschicht realisiert. Die Dicke der dritten Isolatorschicht 25 ist größer als die Summe der Dicken der ersten und der zweiten Isolatorschicht 21, 22. Somit werden die Ausnehmungen 16 von der dritten Isolatorschicht 25 gefüllt. Nach dem Abscheiden der dritten Isolatorschicht 25 erfolgt ein Planarisierungsschritt. Dieser wird mittels eines chemisch-mechanischen Polierschrittes, englisch chemical-mechanical polishing, abgekürzt CMP, durchgeführt.
In einer alternativen Ausführungsform kann die dritte Isolatorschicht 25 eine undotierte Siliziumdioxidschicht sein.
2E zeigt zwei Anschläge 18, welche auch als Ankerstrukturen bezeichnet werden. Zur Herstellung der Anschläge 18 werden zuerst mittels einer Maskentechnik Ausnehmungen in die dritte Isolatorschicht 25 geätzt. Anschließend werden die Ausnehmungen mittels einer vierten Isolatorschicht 27 ausgefüllt. Die vierte Isolatorschicht 27 ist als Nitridschicht ausgebildet. Die vierte Isolatorschicht 27 wird in einem weiteren fototechnischen Schritt derart strukturiert, dass sie ausschließlich im Bereich der beiden Anschläge 18 auftritt und ansonsten auf der ersten Hauptfläche 11 entfernt ist.
2F zeigt den ersten Halbleiterkörper 10 nach einem Aufbringen einer fünften Isolatorschicht 28 und einem Planarisierungsschritt. Dieser wird mittels eines CMP-Verfahrens durchgeführt. Die fünfte Isolatorschicht 28 ist als Siliziumoxidschicht realisiert. Da die Isolatorschicht 28 somit dieselbe Zusammensetzung wie die dritte Isolatorschicht 23 aufweist, ist sie in 2F und folgend nicht als eigene Schicht, sondern als eine Schicht zusammen mit der dritten Isolatorschicht 25 eingezeichnet.
2G zeigt den ersten Halbleiterkörper 10 nach einem Ätzen von Ausnehmungen in der dritten beziehungsweise fünften Isolatorschicht 25, 28.
2H zeigt den ersten Halbleiterkörper 10 nach einem Abscheiden einer zweiten leitenden Schicht 24. Die zweite leitende Schicht 24 ist als Polysiliziumschicht realisiert. Gemäß 2H ist die zweite leitende Schicht 24 in Bereichen weggeätzt, die nicht zu der zweiten Elektrode und zu einer Struktur, welche den Rahmen 26 begrenzt, gehört.
2I zeigt den ersten Halbleiterkörper 10 nach dem Abscheiden einer sechsten Isolatorschicht 29 und einem Planarisierungsschritt. Dieser wird mittels eines CMP-Verfahrens durchgeführt. Die sechste Isolatorschicht 29 ist als Siliziumoxidschicht ausgebildet und weist dieselbe Zusammensetzung wie die dritte sowie die fünfte Isolatorschicht 25, 28 auf. Sie ist somit nicht getrennt von diesen beiden anderen Isolatorschichten 25, 28 gezeichnet.
2J zeigt den ersten Halbleiterköper 10 während einer Durchführung eines weiteren fototechnischen Schrittes. Auf der ersten Hauptfläche 11 wird ein Fotolack 30 abgeschieden, der im Bereich der Mikrophonstruktur 13 in Folge des Belichtungs- und Entwicklungsschrittes des fototechnischen Schrittes entfernt ist. Der Fotolack 30 dient als Ätzmaske bei dem Schritt des Entfernens der sechsten Isolatorschicht 29 oberhalb der zweiten Elektrode 17. Dieser Ätzvorgang kann mittels eines Trockenätzprozess oder nasschemisch erfolgen. Somit wird ein erster Verfahrensschritt durchgeführt, bei dem ein Teil der Opferschichten entfernt wird.
Auch in weiteren Prozessschritten werden Fotolackschichten eingesetzt und fototechnische Schritte durchgeführt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind diese Fotolackschichten jedoch nicht eingezeichnet.
2K zeigt den ersten Halbleiterkörper 10 nach einem Entfernen des Fotolacks 30 sowie den zweiten Halbleiterkörper 80. Der zweite Halbleiterkörper 80 umfasst die erste Hauptfläche 81 und die zweite Hauptfläche 82. an der ersten Hauptfläch3 81 des zweiten Halbleiterkörpers 80 ist in nicht gezeigten Verfahrensschritten die aktiven Schicht 90 realisiert, die die integrierte Schaltung 83 aufweist. 2K zeigt den zweiten Halbleiterkörper 80 bereits im gedünnten Zustand. Im Bereich der Mikrophonstruktur 13 ist eine Ausnehmung 88 in den zweiten Halbleiterkörper 80 geätzt, die sich von der zweiten Hauptfläche 82 in das Substrat 89 erstreckt. Die Ausnehmung 88 wird in einem Trockenätzprozess hergestellt. Alternativ kann die Ausnehmung 88 auch in einem nasschemischen Ätzprozess mittels anisotropen Ätzen hergestellt werden, bei dem anstelle der 90 Grad Winkel der Ausnehmung 88 die aus der Mikromechanik bekannten Winkel auftreten.
2L zeigt die Stapelanordnung 1, in der die erste Hauptfläche 11 des ersten Halbleiterkörpers 10 mit der zweiten Hauptfläche 82 des zweiten Halbleiterkörpers 80 verbunden ist. Zum Verbinden wird ein Waferbondprozess eingesetzt. Der Waferbondprozess entspricht einem Fusion-Bonding-Prozess und wird bei niedrigen Temperaturen durchgeführt. Zur Vorbereitung des Waferbondens werden die beiden Oberflächen, welche aufeinander gebracht werden sollen, mittels eines Plasmas aktiviert. Der Verbindungsprozess erfolgt somit kleberfrei und vermeidet mögliche Langzeitprobleme wie ein Ausgasen von Klebern oder ein Quellen von Klebern in feuchter Atmosphäre.
In einer Ausführungsform wird nicht nur, wie in 2K gezeigt, der erste und der zweite Halbleiterkörper 10, 80 verbunden, sondern ein erster Wafer, der mehrere erste Halbleiterkörper (10) umfasst, und ein zweiter Wafer, der mehrere zweite Halbleiterkörper (80) umfasst. Ergebnis ist dann eine Stapelanordnung (1), welche eine Mehrzahl von Mikrophonanordnungen umfasst.
Alternativ kann als Waferbondprozess ein Bondprozess mit einer Hilfsschicht, englisch adhesive bonding, eingesetzt werden. Dabei kann eine Polymerschicht als Hilfsschicht einge setzt werden. In einer alternativen Ausführungsform wird ein eutektisches Bondverfahren verwendet.
2M zeigt die Stapelanordnung 1 nach einem Durchführen der Prozesse zur Herstellung der Durchkontaktierungen 84, 85. Zur Realisierung der beiden Durchkontaktierungen 84, 85 werden Ausnehmungen in den zweiten Halbleiterkörper 80 und durch einzelne Schichten des ersten Halbleiterkörpers 10 bis zu der ersten und der zweiten leitenden Schicht 23, 24 durchgeführt. Nach dem Ätzvorgang erfolgt ein Abscheiden einer Isolatorschicht 92 an den Wänden der Durchkontaktierung 84, 85. Die Isolatorschicht 92 wird an dem Boden der Durchkontaktierungen 84, 85 entfernt. Über der Isolatorschicht 92 wird eine Metallisierungsschicht 93 abgeschieden. Die Metallisierungsschicht 93 der ersten Durchkontaktierung 84 hat am Boden dieser Durchkontaktierung einen elektrischen Kontakt zu der ersten leitenden Schicht 23. Damit wird ein guter ohmscher Kontakt zwischen der ersten Elektrode 15 und der Metallisierungsschicht 93 realisiert. Die Metallisierungsschicht 93 der zweiten Durchkontaktierung 85 hat eine elektrisch leitende Verbindung zu der zweiten Elektrode 17. Dazu ist eine leitende Verbindung von der zweiten leitenden Schicht 24 zu der Metallisierungsschicht 93 durchgeführt. Das Ätzen der Ausnehmung zur Herstellung der Durchkontaktierung 84, 85 stoppt somit auf der ersten und auf der zweiten leitenden Schicht 23, 24. Elektrische Anschlüsse 87 werden in der aktiven Schicht 90 vorgesehen. Eine Passivierungsschicht 91 wird auf der ersten Hauptfläche 81 des zweiten Halbleiterkörpers 80 abgeschieden, die auch die Wände der Durchkontaktierungen 84, 85 abdeckt.
2N zeigt die Stapelanordnung nach einem Ätzen des ersten Halbleiterkörpers 10 ausgehend von der zweiten Hauptflä che 12. In diesem Ätzprozess wird das Substrat 20 bis zu der ersten Isolatorschicht 21 entfernt. Die Ausnehmung 32 kann mittels eines Trockenätzprozesses hergestellt werden. Alternativ kann zuerst der erste Halbleiterkörper 10 gedünnt werden, so dass ein Teil des Substrates 20 entfernt wird. In den gedünnten ersten Halbleiterkörper 10 kann anschließend mittels eines Trockenätzprozesses die Ausnehmung 32 hergestellt werden. Alternativ kann das Ätzen der Ausnehmung 32 mittels eines nasschemischen Ätzprozesses erfolgen. Zu diesem nasschemischen Ätzprozess kann ein anisotroper Ätzvorgang eingesetzt werden, welcher beispielsweise KOH als Ätzmittel einsetzt. Ein exakter Stopp des Ätzvorganges an der Grenze von dem Substrat 20 zu der ersten Isolatorschicht 21 ist nicht notwendig, da die erste Isolatorschicht 21 in einem folgenden Prozessschritt entfernt wird.
2O zeigt die Stapelanordnung 1, nachdem metallische Bondballs 86 auf den Anschlüssen 87 an der ersten Hauptfläche 81 des zweiten Halbleiterkörpers 80 abgeschieden wurden. Danach erfolgt ein Entfernen der dritten, fünften und sechsten Isolatorschicht 25, 28, 29, so dass sich die Ausnehmung 14 von der ersten zu der zweiten Hauptfläche 11, 12 des ersten Halbleiterkörpers 10 erstreckt. Als Ätzmittel wird Ammoniumfluorid, abgekürzt HF, als Flüssigkeit eingesetzt. Alternativ kann HF in dampfförmiger Form eingesetzt werden. Mit Vorteil sind die dritte, fünfte und sechste Isolatorschichten 25, 28, 29 aus Siliziumdioxid realisiert, weil Ammoniumfluorid sehr gut Siliziumdioxid, jedoch nur in geringem Umfang die zweite und die vierte Isolatorschicht 22, 27, welche Siliziumnitrid aufweisen, und die erste und die zweite leitende Schicht 23, 24, welche Polysilizium aufweisen, angreift. Die Struktur nach dem Entfernen der Opferschichten ist in 1A gezeigt. Zwischen dem Stand gemäß 2O und dem Stand gemäß 1A wird somit der zweite Verfahrensschritt durchgeführt, bei dem Opferschichten entfernt werden, um die beiden Elektroden 15, 17 freizulegen. 1A zeigt das Ergebnis dieses Herstellungsverfahrens.

1: Stapelanordnung
10: erster Halbleiterkörper
11: erste Hauptfläche
12: zweite Hauptfläche
13: Mikrophonstruktur
14: Ausnehmung
15: erste Elektrode
16: Ausnehmung
17: zweite Elektrode
18: Anschlag
20: Substrat
21: erste Isolatorschicht
22: zweite Isolatorschicht
23: erste leitende Schicht
24: zweite leitende Schicht
25: dritte Isolatorschicht
26: Rahmen
27: vierte Isolatorschicht
28: fünfte Isolatorschicht
29: sechste Isolatorschicht
30: Fotolack
31: begrenzende Struktur
32: Ausnehmung
80: zweiter Halbleiterkörper
81: erste Hauptfläche
82: zweite Hauptfläche
83: integrierte Schaltung
84: erste Durchkontaktierung
85: zweite Durchkontaktierung
86: Bondball
87: Anschluss
88: Ausnehmung
89: Substrat
90: aktive Schicht
91: Passivierung
92: Isolationsschicht
93: Metallisierungsschicht
100: Träger
101: Anschluss
102: isolierendes Material

Claims

Mikrophonanordnung, umfassend eine Stapelanordnung (1), die – einen ersten Halbleiterkörper (10) mit einer Mikrophonstruktur (13) und – einen zweiten Halbleiterkörper (80) mit – einer ersten Hauptfläche (81), auf der eine integrierte Schaltung (83) angeordnet ist, und – einer zweiten Hauptfläche (82), die dem ersten Halbleiterkörper (10) zugewandt ist, umfasst.
Mikrophonanordnung nach Anspruch 1, bei der der erste Halbleiterkörper (10) – eine erste Hauptfläche (11), – eine zweite Hauptfläche (12) und – eine Ausnehmung (14), die sich in einem Bereich des ersten Halbleiterkörpers (10) von der ersten Hauptfläche (11) zu der zweiten Hauptfläche (12) des ersten Halbleiterkörpers (10) erstreckt, umfasst.
Mikrophonanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite Halbleiterkörper (80) eine Durchkontaktierung (84, 85) von der ersten zu der zweiten Hauptfläche (81, 82) umfasst.
Mikrophonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Stapelanordnung (1) einen Träger (100) umfasst, auf dem der zweite Halbleiterkörper (80) angeordnet ist, wobei die erste Hauptfläche (81) des zweiten Halbleiterkörpers (80) dem Träger (100) zugewandt ist.
Mikrophonanordnung nach Anspruch 4, bei der auf der ersten Hauptfläche (81) des zweiten Halbleiterkörpers (80) Mittel (86) zur elektrischen Verbindung von Anschlüssen (87) auf der erste Hauptfläche (81) mit Anschlüssen (101) auf dem Träger (100) angeordnet sind.
Mikrophonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der zweite Halbleiterkörper (80) eine Ausnehmung (88) umfasst, die an der zweiten Hauptfläche (82) und der Mikrophonstruktur (13) gegenüberliegend angeordnet ist.
Mikrophonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Mikrophonstruktur (13) eine kapazitive Struktur zur Schallerfassung umfasst, welche – eine erste Elektrode (15), die frei aufgehängt ist, als eine steife Elektrode realisiert ist und Ausnehmungen (16) aufweist, und – eine zweite Elektrode (17), die frei aufgehängt ist, als eine flexible Elektrode realisiert ist und eine geringere Dicke als die erste Elektrode (15) aufweist, umfasst.
Mikrophonanordnung nach Anspruch 7, bei der die Mikrophonstruktur (13) einen Anschlag (18) umfasst, der in einem Bereich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (15, 17) angeordnet ist, der mit höchstens einer der beiden Elektroden (15) fest verbunden ist und zur Festlegung eines minimalen Abstandes d der beiden Elektroden (15, 17) zueinander dient.
Mikrophonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die erste und die zweite Hauptfläche (11, 12) des ersten Halbleiterkörpers (13) die gleiche Länge L aufweist wie die erste und die zweite Hauptfläche (81, 82) des zweiten Halbleiterkörpers (80) und die erste und die zweite Hauptfläche (11, 12) des ersten Halbleiterkörpers (13) die gleiche Breite B aufweist wie die erste und die zweite Hauptfläche (81, 82) des zweiten Halbleiterkörpers (80).
Verfahren zur Herstellung einer Mikrophonanordnung, umfassend folgende Schritte: – Herstellen einer Mikrophonstruktur (13) unter Verwendung eines ersten Halbleiterkörpers (10), – Herstellen einer integrierten Schaltung (83) an einer ersten Hauptfläche (81) eines zweiten Halbleiterkörpers (80) – Verbinden des ersten und des zweiten Halbleiterkörpers (10, 80) zu einer Stapelanordnung (1) derart, dass eine zweite Hauptfläche (82) des zweiten Halbleiterkörpers (80) dem ersten Halbleiterkörper (10) zugewandt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend Herstellen einer Durchkontaktierung (84, 85) in einem Bereich zwischen der ersten Hauptfläche (81) und der zweiten Hauptfläche (82) des zweiten Halbleiterkörpers (80).
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, umfassend Herstellen einer Ausnehmung (88) in dem zweiten Halbleiterkörper (80) an der zweiten Hauptfläche (82).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, umfassend Freilegen einer ersten und einer zweiten Elektrode (15, 17) der Mikrophonstruktur (13) mittels eines ersten Verfahrensschrittes zum Entfernen einer Isolatorschicht (29) und mittels eines zweiten Verfahrensschrittes zum Entfernen einer weiteren Isolatorschicht (25, 28).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, umfassend – Bereitstellen eines ersten Wafers, der mehrere erste Halbleiterkörper (10) umfasst, – Bereitstellen eines zweiten Wafers, der mehrere zweite Halbleiterkörper (80) umfasst, – Verbinden des ersten und des zweiten Wafers zu einer Stapelanordnung (1), welche eine Mehrzahl von Mikrophonanordnungen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, umfassend Verbinden der ersten Hauptfläche (81) des zweiten Halbleiterkörpers (80) mit einem Träger (100).