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DE102021111094A1 - Sensorsystem mit einem mikroelektromechanischen Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems - Google Patents

Sensorsystem mit einem mikroelektromechanischen Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems Download PDF

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DE102021111094A1
DE102021111094A1 DE102021111094.7A DE102021111094A DE102021111094A1 DE 102021111094 A1 DE102021111094 A1 DE 102021111094A1 DE 102021111094 A DE102021111094 A DE 102021111094A DE 102021111094 A1 DE102021111094 A1 DE 102021111094A1
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Germany
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semiconductor
sensor system
semiconductor wafer
sensor element
microelectromechanical
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Dirk Meinhold
Steffen Bieselt
Claudia HENGST
Daniel Koehler
Erhard Landgraf
Sebastian Pregl
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Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Original Assignee
Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
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Publication date
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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Sensorsystem (1100) mit einem ersten Halbleiterdieteil (1101), und mit einem zweiten Halbleiterdieteil (1102), wobei der erste Halbleiterdieteil (1101) ein mikroelektromechanisches Sensorelement (1103) aufweist, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) das mikroelektromechanische Sensorelement (1103) abdeckt, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) eine Durchkontaktierung (1104) zur, insbesondere direkten, elektrischen Kontaktierung des mikroelektromechanischen Sensorelements (1103) aufweist. Ebenso wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems vorgeschlagen.

Description

  • Zur Ansteuerung von mikroelektromechanischen Systemen (engl. microelectromechanical systems, MEMS) werden üblicher Weise integrierte Schaltkreise (ICs) verwendet, welche auf Basis einer CMOS(engl. complementary metal-oxide-semiconductor)-Technologie hergestellt werden. Häufig weisen die MEMS und die ICs Kontaktpads auf, mit welchen sie miteinander verdrahtet werden können. Die Kontaktpads nehmen typischerweise einen nicht unerheblichen Teil der Gesamtfläche der ICs und/oder MEMS ein und begrenzen die weitere Miniaturisierung von Sensorsystemen basierend auf mikroelektromechanischen Sensorelementen.
  • In der US 2020 / 0 131 028 A1 wird ein integriertes CMOS-MEMS-Bauelement vorgeschlagen, welches eine CMOS-Struktur, eine Kappenstruktur und eine MEMS-Struktur aufweist. Die CMOS-Struktur, welche auf einem ersten Substrat hergestellt ist, weist mindestens eine leitende Schicht auf. Die Kappenstruktur weist Durchgangslöcher auf, die durch die Kappenstruktur verlaufen. Auf einer ersten Seite der Kappenstruktur ist eine Isolationsschicht abgeschieden und auf der zweiten Seite der Kappenstruktur ist eine leitende Verbindungsschicht abgeschieden. Die MEMS-Struktur ist zwischen dem ersten Substrat und der Kappenstruktur abgeschieden. Das integrierte CMOS-MEMS-Bauelement weist weiter einen leitenden Verbinder auf, welcher durch eines der Durchgangslöcher und eine Öffnung in der Isolationsschicht hindurch führt. Der leitende Verbinder bildet einen elektrisch leitenden Pfad von der leitenden Verbindungsschicht mit einer leitenden Schicht der CMOS-Struktur.
  • Die seitlich der MEMS-Elemente der MEMS-Struktur angeordneten Verbinder von der leitenden Verbindungssschicht zur leitenden Schicht der CMOS-Struktur begrenzen weiterhin die mögliche Miniaturisierung von Sensorsystemen basierend auf mikroelektromechanischen Sensorelementen.
  • Hiervon ausgehend besteht weiter ein Bedürfnis nach einem Sensorsystem, welches sich stärker Miniaturisieren lässt, und einem Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Diesem Bedürfnis wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche entsprochen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Vorgeschlagen wird ein Sensorsystem mit einem ersten Halbleiterdieteil, und mit einem zweiten Halbleiterdieteil, wobei der erste Halbleiterdieteil ein mikroelektromechanisches Sensorelement aufweist, wobei der zweite Halbleiterdieteil das mikroelektromechanische Sensorelement abdeckt, wobei der zweite Halbleiterdieteil eine Durchkontaktierung zur, insbesondere direkten, elektrischen Kontaktierung des mikroelektromechanischen Sensorelements aufweist. Aufgrund dieser Durchkontaktierungen können die lateralen Abmessungen des Sensorsystems gegenüber herkömmlichen Sensorsystemen geringer ausfallen.
  • In einer ersten Ausgestaltung des Sensorsystems erstrecken sich die Durchkontaktierung durch eine Kontaktfläche zwischen dem ersten Halbleiterdieteil und dem zweiten Halbleiterdieteil hindurch. Eine solche Durchkontaktierung kann eine besonders zuverlässige elektrisch leitende Verbindung mit dem mikroelektromechanischen Sensorelement ermöglichen.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Sensorsystems sieht vor, dass der zweite Halbleiterdieteil ein Halbleiterbauelement aufweist, wobei das Halbleiterbauelement mittels der Durchkontaktierung elektrisch leitend mit dem mikroelektromechanischen Sensorelement verbunden ist. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich um einen Transistor, beispielsweise einen, insbesondere in CMOS-Technologie gefertigten, Feldeffekttransistor oder einen Bipolartransistor handeln. Grundsätzlich ebenfalls denkbar ist es, dass das Halbleiterbauelement eine Diode, insbesondere eine Photodiode oder eine lichtemittierende Diode ist. Die Integration des Halbleiterbauelements und des mikroelektromechanischen Sensorelements kann eine weitere Miniaturisierung des Sensorsystems ermöglichen. Die Verwendung optischer Halbleiterbauelemente kann insbesondere eine kontaktlose Ansteuerung des Sensorsystems ermöglichen. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich um ein vertikales oder laterales Halbleiterbauelement handeln.
  • Insbesondere kann das Halbleiterbauelement Teil eines integrierten Halbleiterschaltkreises zur Auswertung des mikroelektromechanischen Sensorelements sein.
  • Es ist ebenfalls denkbar, dass das Halbleiterbauelement Teil eines Schutzes des mikroelektromechanischen Sensorelements vor elektrostatischen Entladungen ist. Das Halbleiterbauelement kann somit Teil des ESD(engl. Electrostatic discharge)-Schutzes sein. Dies kann zu einer höheren Lebensdauer beitragen.
  • In Beispielen kann das Halbleiterbauelement Teil eines Speichers zum Speichern von Kalibrierdaten des mikroelektromechanischen Sensorelements sein. Die Bereitstellung der Kalibrierdaten direkt im Sensorsystem erhöht die Sicherheit, dass im Betrieb die richtigen Kalibrierdaten dem richtigen mikroelektromechanischen Sensorelement zugeordnet werden.
  • Weiter sehen Beispiele vor, dass das Halbleiterbauelement einen Temperatursensor umfasst. Der Temperatursensor kann es erlauben, die Temperatur in der Nähe des mikroelektromechanischen Sensorelements zu messen. Diese Temperatur kann dazu genutzt werden, um temperaturbedingte Änderungen der Messwerte des mikroelektromechanischen Sensorelements zu kompensieren.
  • Das mikroelektromechanische Sensorelement kann beispielsweise ein Beschleunigungssensorelement und/oder ein Vibrationskreiselinstrument (engl. vibrating structure gyroscope oder Coriolis vibratory gyroscope, oft auch nur kurz als gyroscope bezeichnet) aufweisen.
  • Die Durchkontaktierung kann unmittelbar mit einem Stator und/oder einem Anker eines Rotor des Beschleunigungssensorelements oder dem Vibrationskreiselinstrument elektrisch leitend verbunden sein. Auf eine, insbesondere metallische, Zwischenverbindungsschicht im ersten Halbleiterdieteil kann verzichtet werden.
  • In Ausführungsbeispielen kann der zweite Halbleiterdieteil ein integriertes Sensorelement, insbesondere ein Drucksensorelement, aufweisen. Bei dem Drucksensorelement kann es sich sowohl um ein kapazitives als auch um ein piezoresistives Drucksensorelement handeln. Es ist ebenfalls denkbar, dass es sich bei dem integrierten Sensorelement um ein Magnetsensorelement handelt. Ebenso kann das integrierte Sensorelement ein Temperatursensorelement und/oder ein Feuchtesensorelement aufweisen. Das integrierte Sensorelement kann insbesondere mit einem Prozess hergestellt sein, der kompatibel mit der Herstellung integrierter Schaltkreise ist. Das integrierte Sensorelement kann insbesondere nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers mit dem zweiten Halbleiterwafer und der Herstellung der Durchkontaktierungen hergestellt sein. Zur Herstellung des integrierten Sensorelements kann ein sogenannter Venezia-Prozess verwendet werden, wie er z.B. in der DE 10 2019 201 285 A1 beschrieben ist. Insbesondere können bei der Herstellung des integrierten Sensorelements hohe Prozesstemperaturen verwendet werden, ohne dass die Funktionsfähigkeit des mikroelektromechanischen Sensorelements oder dessen elektrische Anbindung in Mitleidenschaft gezogen wird. Gleiches kann für die Herstellung des oben beschriebenen Halbleiterbauelements gelten. Ein Venezia-Prozess kann insbesondere zur Herstellung eines piezoresistiven Drucksensorelements verwendet werden.
  • In Ausführungsbeispielen kann das Sensorsystem ein Kontaktpad aufweisen, wobei das Kontaktpad auf der einer oder der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite des zweiten Halbleiterdieteils angeordnet ist, wobei das Kontaktpad elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung verbunden ist. Das Kontaktpad kann beispielsweise verwendet werden, um das Sensorsystem mittels Drahtverbindungen mit einer Leiterplatte oder Gehäusekontakten elektrisch zu verbinden.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems offenbart, wobei ein erster Halbleiterwafer bereitgestellt wird, wobei im ersten Halbleiterwafer ein mikroelektromechanisches Sensorelement strukturiert wird, wobei ein zweiter Halbeiterwafer bereitgestellt wird, wobei durch Verbinden des ersten Halbleiterwafers und des zweiten Halbleiterwafers das mikroelektromechanische Sensorelement abgedeckt wird, wobei von einer Kontaktfläche (605) zwischen dem ersten Halbleiterwafer und dem zweiten Halbleiterwafer gegenüberliegenden Seite ein Loch durch den zweiten Halbleiterwafer geätzt wird.
  • Das Loch kann dabei durch die Kontaktfläche (605) hindurch geätzt werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Loch nur bis zur Kontaktfläche geätzt wird. Insbesondere kann sich das Material des ersten Halbleiterwafers und des zweiten Halbleiterwafer an der Kontaktfläche unterscheiden, sodass aufgrund des Materialunterschieds der Ätzvorgang stoppt oder die Ätzgeschwindigkeit jedenfalls wesentlich abnimmt.
  • Das Loch kann mit einer Seitenwandisolierung versehen werden. Auf diese Weise kann die Durchkontaktierung kann eine Durchkontaktierung zum mikroelektromechanischen Sensorelement auch durch eine leitende Schicht des zweiten Halbleiterwafers ermöglicht werden.
  • Die Seitenwandisolierung kann dazu an einem Lochboden des Lochs entfernt werden. Anschließend kann im Loch eine Durchkontaktierung hergestellt werden. Hierzu kann ein leitend dotiertes Halbleitermaterial beispielsweise polykristallines Silizium im Loch abgeschieden werden. Ebenso ist es denkbar, das Loch mit einem Metall oder einer Metallverbindung zu füllen. Hierzu kann beispielsweise Wolfram verwendet werden.
  • Nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers und des zweiten Halbleiterwafers kann ein Halbleiterbauelement im zweiten Halbleiterwafer hergestellt werden. Insbesondere können die bis zum Verbinden des ersten Halbleiterwafers und des zweiten Halbleiterwafers verwendeten Materialien ein Prozessieren des Verbundwafers in einer CMOS-Prozesslinie einer Halbleiterfertigung ermöglichen. Die Einschränkungen hinsichtlich des thermischen Budgets, welches für die Herstellung des Halbleiterbauelements zur Verfügung steht, können minimal sein.
  • Nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers und des zweiten Halbleiterwafers kann ein integriertes Sensorelement, insbesondere ein Drucksensorelement, im zweiten Halbleiterwafer hergestellt werden. Mögliche Varianten und Vorteile wurden oben bereits erläutert.
  • Bei dem ersten Halbleiterwafer und/oder dem zweiten Halbleiterwafer kann es sich insbesondere um einen SOI-Wafer handeln.
  • Beispiele werden nunmehr anhand der Zeichnungen näher läutert. Darin zeigt schematisch:
    • 1 einen ersten Halbleiterwafer;
    • 2 den prozessierten ersten Halbleiterwafer von 1;
    • 3 den prozessierten ersten Halbleiterwafer von 2;
    • 4 den prozessierten ersten Halbleiterwafer von 3;
    • 5 das Verbinden des ersten Halbleiterwafers von 4 mit einem zweiten Halbleiterwafer;
    • 6 den prozessierten Halbleiterwaferverbund von 5;
    • 7 den prozessierten Halbleiterwaferverbund von 6;
    • 8 den prozessierten Halbleiterwaferverbund von 7;
    • 9 den prozessierten Halbleiterwaferverbund von 8;
    • 10 ein Sensorsystem;
    • 11 ein anderes Sensorsystem; und
    • 12 ein weiteres Sensorsystem.
  • 1 zeigt einen ersten Halbleiterwafer 101. Bei dem ersten Halbleiterwafer 101 kann es sich um einen SOI-Wafer (Silion-On-Insulator-Wafer) handeln, der ein Substrat 113, z.B. aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium, eine Isolationsschicht 114, z.B. aus Siliziumxoxid oder Saphir, und eine Halbleiterschicht 115, z.B. eine dünne Schicht aus einem minikristallinem Halbleitermaterial, z.B. Silizium, aufweist.
  • Der erste Halbleiterwafer 101 kann allerdings auch ein Substrat 113 aufweisen, auf welchem zunächst eine Isolationsschicht 114, z.B. aus Siliziumoxid, abgeschieden ist, auf welche anschließend eine polykristalline Halbleiterschicht, z.B. aus Silizium, abgeschieden ist.
  • Unter Verwendung eines ersten Lithographieschrittes kann in die Halbleiterschicht eine erste Struktur eingebracht werden, wie es in der 2 gezeigt ist. Die beispielhaft an dem in der 2 gezeigten ersten Halbleiterwafer 201 dargestellte Struktur kann insbesondere dazu dienen eine Asymmetrie zu erzeugen, bei welcher Bereiche, die später Elektroden der mikroelektromechanisches Sensorelement bilden werden, abgesenkt werden.
  • Mit Hilfe eines zweiten Lithographieschrittes können, wie anhand des in der 3 abgebildeten ersten Halbleiterwafers 301 gezeigt wird, weitere Strukturen eines mikroelektromechanischen Sensorelements, insbesondere der Rotor 315 und der Anker 316 des Rotors eines Beschleunigungssensors, gebildet werden.
  • In der 4 ist der erste Halbleiterwafer 401 nach einem weiteren Prozessschritt dargestellt, bei welchem Strukturen des mikroelektromechanischen Sensorelements 403, insbesondere der Rotor 415 des Beschleunigungssensors 403, unterätzt worden sind, wodurch eine Kavität 417 unterhalb des Rotors 415 gebildet wird. Je nach Material der Isolationsschicht 114 kann zum Unterätzen Flusssäure (HF) oder Xenonfluorid (XeF) verwendet werden.
  • In der oberen Hälfte der 5 ist ein zweiter Halbleiterwafer 502 mit einer Halbleiterschicht 518 und einer Dielektrikumsschicht 512 gezeigt. Bei dem zweiten Halbleiterwafer 502 kann es sich auch um einen SOI-Wafer handeln. Wie in der oberen Hälfte der 5 gezeigt, können mittels eines dritten Lithographieschrittes gefolgt von einem Ätzschritt Ausnehmungen 511 in einen zweiten Halbleiterwafer 502 gebildet werden. Anschließend kann der zweite Halbleiterwafer 502 gedreht und mit dem ersten Halbleiterwafer 401 verbunden werden. Dabei kann beispielsweise direktes Bonden, anodisches Bonden und/oder anodisches Bonden bei Niedrigtemperatur verwendet werden.
  • Insbesondere kann die Dielektrikumsschicht 512 zur Verbindung des zweiten Halbleiterwafers 502 mit dem ersten Halbleiterwafer 401 dienen. Die Ausnehmung 511 kann dazu dienen, eine Kavität zu bilden, in der sich bewegliche Elemente des mikroelektromechanischen Sensorelements 403 frei bewegen können. In einigen Ausführungsbeispielen kann nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers und des zweiten Halbleiterwafers ein Epitaxieschritt von z.B. 20 µm durchgeführt werden, um die Verbindung an der Kontaktebene seitlich abzudichten.
  • Nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers 401 mit dem zweiten Halbleiterwafers 502 kann die Dicke der Halbleiterschicht 518 reduziert werden. Sofern der zweite Halbleiterwafer 502 ein SOI-Wafer ist, kann das Substrat und die Isolationsschicht des SOI-Wafers entfernt werden. Somit kann eine Halbleiterschicht 518 von weniger als 100 µm Dicke verbleiben.
  • Mit Hilfe einer nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers 401 mit dem zweiten Halbleiterwafers 502 auf dem zweiten Halbleiterwafer 502 aufgebrachten und unter Verwendung eines vierten Lithographieschrittes hergestellten Strukturierungsschicht 619 kann ein Loch 604 in die Halbleiterschicht 518 geätzt werden. Hierzu kann ein Das Loch 604 nur kann bis zur Kontaktfläche 605 zwischen dem zweiten Halbleiterwafer 502 und dem ersten Halbleiterwafer 401 reichen. Im Ausführungsbeispiel von 6 wird das Loch 604 durch die Kontaktfläche 605 hindurch geätzt.
  • Wie in der 7 gezeigt wird, kann das Loch 604 mit einer Seitenwandisolierung 709 versehen werden. Beispielsweise kann ein thermisches Oxid als Seitenwandisolierung 709 gebildet werden. Anschließend kann, wie in der 8 gezeigt wird, die Seitenwandisolierung 709 am Lochboden 810 entfernt werden.
  • Die in den 6 und 7 gezeigten Schritte zur Herstellung der Löcher 604 und der Seitenwandisolierungen 709 können auch genutzt werden, um Gräben mit Seitenwandisolierungen zu erzeugen. Die Gräben können Bereiche der Halbleiterschicht 518 vollständig von anderen Bereichen der Halbleiterschicht 518 seitlich isolieren. Diese seitlich isolierten Bereiche, die zudem nach unten durch die Isolationsschicht 114 isoliert sind, können auch als lokale SOI-Bereiche aufgefasst werden. Die lokalen SOI-Bereiche können es erlauben, in das Sensorsystem integrierte Schaltungen mit einem höheren Spannungsniveau vorzusehen.
  • In der 9 ist dargestellt, dass im Loch 604 eine Durchkontaktierung 904 hergestellt ist. Die Durchkontaktierung 904 kann aus Metall, z.B. Wolfram, Kupfer oder Aluminium bestehen. Ebenso kann als Material für die Durchkontaktierung ein dotiertes Halbleitermaterial, z.B. polykristallines Silizium verwendet werden.
  • Nach einem Einebnen der Oberfläche des Wafers kann auf der Oberfläche auf der Durchkontaktierung 904 ein Kontaktpad 1008 unter Verwendung eines fünften Lithographieschrittes aufgebracht werden, wie es in der 10 gezeigt ist. Anschließend kann der Wafer in verschiedene Halbleiterdies geteilt werden, um Sensorsysteme 1000 zu enthalten. Es können folglich mehrere gleiche oder gleichartige Sensorsysteme 1000 aus einem einzigen Wafer hergestellt werden, wodurch der Fertigungsaufwand stark reduziert werden kann. Insbesondere können durch die vorgeschlagenen Durchkontaktierungen und die Bereitstellung der Kontaktpads 1008 oberhalb der mikroelektromechanischen Sensorelemente die lateralen Abmessungen des Sensorsystems 1000 gegenüber herkömmlichen Sensorsystemen verringert sein, so dass sich aus Halbleiterwafern gegebener Größe mehr Sensorsysteme 1000 fertigen lassen. Weiter kann das Sensorsystem 1000 unter Verwendung von nur fünf Lithographieschritten gefertigt werden. Dies kann die für die Herstellung des Sensorsystems 1000 gegenüber herkömmlichen Sensorsystemen benötigte Zeit deutlich herabsetzen. Weitere Lithographieschritte sind nicht notwendiger Weise erforderlich, können allerdings durchgeführt werden, um Passivierungsöffnungen und/oder Substratkontakte zu ermöglichen.
  • 11 zeigt ein weiteres Beispiel eines Sensorsystems 1100. In Bezug auf die Verfahrensschritte zur Erzeugung des ersten Halbleiterdieteils 1101 mit dem Substrat 1113, der Kavität 1117, dem Rotor 1115, dem Stator 1116 und dem mikroelektromechanischen Sensorelement 1103 wird auf die entsprechenden Ausführungen zum Sensorsystem 1000 verwiesen. Bezüglich der Ausnehmung 1111, der Durchkontaktierung 1104, der Seitenwandisolierung 1109 und des Kontaktpads 1108 des zweiten Halbleiterdieteils 1102, welches mit dem ersten Halbleiterdieteil 1101 verbunden ist, wobei eine Kontaktfläche gebildet wird, wird ebenfalls auf die entsprechenden vorstehenden Erläuterungen zum Sensorsystem 1000 verwiesen.
  • Das Sensorsystem 1100 weist ein Halbleiterbauelement 1106 auf, welches nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers, welcher dem ersten Halbleiterdieteil 1101 entspricht, und dem zweiten Halbleiterwafer, welcher dem zweiten Halbleiterdieteil 1102 entspricht, im zweiten Halbleiterwafer gefertigt wurde. Weiter weist das Sensorsystem 1100 ein Drucksensorelement 1107 auf. Das Drucksensorelement 1107 und/oder das Halbleiterbauelement 1106 und/oder das mikroelektromechanische Sensorelement 1103 können mittels im zweiten Hableiterdieteil 1102 integrierter elektrischer Verbindungen und/oder mittels externer Verdrahtungen elektrisch miteinander verbunden sind. Das Sensorsystem 1100 kann insbesondere die kompakte Integration verschiedener Sensorelement ermöglichen. Bei dem Sensorsystem 110 sind das Drucksensorelement 1107 und das Halbleiterbauelement 1106 in unterschiedlichen Ebenen des zweiten Halbleiterdieteils 1102 angeordnet. Alternativ können das Halbleiterbauelement 1106 und das Drucksensorelement 1107 allerdings auch in gleichen Ebenen angeordnet sein. Insbesondere ist es denkbar, wenigstens ein Teil des Drucksensorelements 1107 und wenigstens ein Teil des Halbleiterbauelements 1106 in einem gemeinsamen Prozessschritt zu fertigen. Damit kann die Gesamtanzahl der für die Herstellung des Sensorsystems 1100 erforderlichen Prozessschritte weiter reduziert werden. Bereiche der Halbleiterschicht 115, die nicht für das mikroelektronische Sensorelement 1103 benötigt werden, können in Ausführungsbeispielen auch als vergrabene Schicht (engl. buried layer) für elektronische Schaltungen im zweiten Halbleiterdieteil 1102 genutzt werden.
  • In der 12 ist ein weiteres Beispiel eines Sensorsystems 1200 dargestellt. Bezüglich der Elemente 1213, 1217 ,1215, 1216, 1212, 1211, 1209, 1218, 1204, 1206, 1208, 1201, 1203, 1205, 1202 wird auf die Elemente 1113, 1117 ,1115, 1116, 1112, 1111, 1109, 1118, 1104, 1106, 1108, 1101, 1103, 1105, 1102 in 11 verwiesen. Im Unterschied zum Sensorsystem 1100 weist das Sensorsystem 1200 kein Drucksensorelement auf. Das Halbleiterbauelement 1206 ist Teil eines integrierten Halbleiterschaltkreises zur Auswertung des mikroelektromechanischen Sensorelements 1203.
  • 13 bis 15 zeigen beispielhaft Prozessschritte zur Herstellung eines Sensorsystems, wobei als zweiter Halbleiterwafer 1302 ein SOI-Wafer verwendet wird. Der SOI-Wafer weist einen Trägerwafer 1320, eine Isolationsschicht 1319 und eine dünne, monokristalline Halbleiterschicht 1318 auf. Nach dem Erzeugen der Ausnehmungen 1311 unter Verwendung der Dielektrikumsschicht 1312 und dem Verbinden der Wafer, wie in 14 gezeigt, können die Isolationsschicht 1319 und der Trägerwafer 1320 entfernt werden, so dass nur die dünne Halbleiterschicht 1318 verleibt (vgl. 15). Die dünne Halbleiterschicht 1318 kann eine Dicke von weniger als 100 µm aufweisen. Die Halbleiterschicht 1318 kann sich zudem durch eine hohe Uniformität und Oberflächengüte auszeichnen, welche sie besonders geeignet für die Herstellung von Halbleiterbauelementen unter Verwendung von CMOS-Technologien macht.
  • Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:
    • Beispiel 1. Sensorsystem (1100) mit einem ersten Halbleiterdieteil (1101), und mit einem zweiten Halbleiterdieteil (1102), wobei der erste Halbleiterdieteil (1101) ein mikroelektromechanisches Sensorelement (1103) aufweist, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) das mikroelektromechanische Sensorelement (1103) abdeckt, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) eine Durchkontaktierung (1104) zur, insbesondere direkten, elektrischen Kontaktierung des mikroelektromechanischen Sensorelements (1103) aufweist.
    • Beispiel 2. Sensorsystem (1100) nach Beispiel 1, wobei sich die Durchkontaktierung (1104) durch eine Kontaktfläche (1105) zwischen dem ersten Halbleiterdieteil (1101) und dem zweiten Halbleiterdieteil (1102) hindurch erstreckt.
    • Beispiel 3. Sensorsystem (1100) nach Beispiel 1 oder 2, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) ein Halbleiterbauelement (1106) aufweist, wobei das Halbleiterbauelement mittels der Durchkontaktierung (1104) elektrisch leitend mit dem mikroelektromechanischen Sensorelement (1103) verbunden ist.
    • Beispiel 4. Sensorsystem (1100) nach Beispiel 3, wobei das Halbleiterbauelement (1106) Teil eines integrierten Halbleiterschaltkreises zur Auswertung des mikroelektromechanischen Sensorelements (1103) ist.
    • Beispiel 5. Sensorsystem (1100) nach Beispiel 3 oder 4, wobei das Halbleiterbauelement (1106) Teil eines Schutzes des mikroelektromechanischen Sensorelementes (1103) vor elektrostatischen Entladungen ist.
    • Beispiel 6. Sensorsystem (1100) nach einem der Beispiele 3 bis 5, wobei das Halbleiterbauelement (1106) Teil eines Speichers zum Speichern von Kalibrierdaten des mikroelektromechanischen Sensorelements (1103) ist.
    • Beispiel 7. Sensorsystem (1100) nach einem der Beispiele 3 bis 6, wobei das Halbleiterbauelement (1106) einen Temperatursensor umfasst.
    • Beispiel 8. Sensorsystem (1100) nach einem der Beispiele 1 bis 7, wobei das mikroelektromechanische Sensorelement (1103) ein Beschleunigungssensorelement und/oder ein Vibrationskreiselinstrument aufweist.
    • Beispiel 9. Sensorsystem (1100) nach Beispiel 8, wobei die Durchkontaktierung (1104) unmittelbar mit einem Stator (1116) und/oder einem Anker eines Rotors (1115) des Beschleunigungssensorelements elektrisch leitend verbunden ist.
    • Beispiel 10. Sensorsystem (1100) nach einem der Beispiele 1 bis 9, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) ein integriertes Sensorelement, insbesondere ein Drucksensorelement (1107), aufweist.
    • Beispiel 11. Sensorsystem (1100) nach einem der Beispiele 1 bis 10, wobei das Sensorsystem (1100) ein Kontaktpad (1108) aufweist, wobei das Kontaktpad (1108) auf der einer oder der Kontaktfläche (1105) gegenüberliegenden Seite des zweiten Halbleiterdieteils (1102) angeordnet ist, und wobei das Kontaktpad (1108) elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung (1104) verbunden ist.
    • Beispiel 12. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100), wobei ein erster Halbleiterwafer (101) bereitgestellt wird, wobei im ersten Halbleiterwafer (101) ein mikroelektromechanisches Sensorelement (403) strukturiert wird, wobei ein zweiter Halbeiterwafer (502) bereitgestellt wird, wobei durch Verbinden des ersten Halbleiterwafers (101) und des zweiten Halbleiterwafers (502) das mikroelektromechanische Sensorelement (403) abgedeckt wird, wobei von einer Kontaktfläche (605) zwischen dem ersten Halbleiterwafer (101) und dem zweiten Halbleiterwafer (102)gegenüberliegenden Seite ein Loch (604) durch den zweiten Halbleiterwafer (102) geätzt wird.
    • Beispiel 13. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach Beispiel 12, wobei das Loch (604) durch die Kontaktfläche (605) hindurch geätzt wird.
    • Beispiel 14. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Beispiele 12 oder 13, wobei das Loch (604) mit einer Seitenwandisolierung (709) versehen wird.
    • Beispiel 15. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Beispiele 12 bis 14, wobei die Seitenwandisolierung (709) an einem Lochboden des Lochs (604) entfernt wird.
    • Beispiel 16. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Beispiele 12 bis 15, wobei im Loch eine Durchkontaktierung hergestellt wird.
    • Beispiel 17. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Beispiele 12 bis 16, wobei nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers (101) und des zweiten Halbleiterwafers (102) ein Halbleiterbauelement (1106) im zweiten Halbleiterwafer (102) hergestellt wird.
    • Beispiel 18. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Beispiele 12 bis 17, wobei nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers (101) und des zweiten Halbleiterwafers (102) ein integriertes Sensorelement, insbesondere ein Drucksensorelement, im zweiten Halbleiterwafer (102) hergestellt wird.
    • Beispiel 19. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Beispiele 12 bis 18, wobei der erste Halbleiterwafer (101) und/oder der zweite Halbleiterwafer (102) einen SOI-Wafer umfasst.
  • Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2020/0131028 A1 [0002]
    • DE 102019201285 A1 [0015]

Claims (19)

  1. Sensorsystem (1100) mit einem ersten Halbleiterdieteil (1101), und mit einem zweiten Halbleiterdieteil (1102), wobei der erste Halbleiterdieteil (1101) ein mikroelektromechanisches Sensorelement (1103) aufweist, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) das mikroelektromechanische Sensorelement (1103) abdeckt, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) eine Durchkontaktierung (1104) zur, insbesondere direkten, elektrischen Kontaktierung des mikroelektromechanischen Sensorelements (1103) aufweist.
  2. Sensorsystem (1100) nach Patentanspruch 1, wobei sich die Durchkontaktierung (1104) durch eine Kontaktfläche (1105) zwischen dem ersten Halbleiterdieteil (1101) und dem zweiten Halbleiterdieteil (1102) hindurch erstreckt.
  3. Sensorsystem (1100) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) ein Halbleiterbauelement (1106) aufweist, wobei das Halbleiterbauelement mittels der Durchkontaktierung (1104) elektrisch leitend mit dem mikroelektromechanischen Sensorelement (1103) verbunden ist.
  4. Sensorsystem (1100) nach Patentanspruch 3, wobei das Halbleiterbauelement (1106) Teil eines integrierten Halbleiterschaltkreises zur Auswertung des mikroelektromechanischen Sensorelements (1103) ist.
  5. Sensorsystem (1100) nach Patentanspruch 3 oder 4, wobei das Halbleiterbauelement (1106) Teil eines Schutzes des mikroelektromechanischen Sensorelementes (1103) vor elektrostatischen Entladungen ist.
  6. Sensorsystem (1100) nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, wobei das Halbleiterbauelement (1106) Teil eines Speichers zum Speichern von Kalibrierdaten des mikroelektromechanischen Sensorelements (1103) ist.
  7. Sensorsystem (1100) nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, wobei das Halbleiterbauelement (1106) einen Temperatursensor umfasst.
  8. Sensorsystem (1100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei das mikroelektromechanische Sensorelement (1103) ein Beschleunigungssensorelement und/oder ein Vibrationskreiselinstrument aufweist.
  9. Sensorsystem (1100) nach Patentanspruch 8, wobei die Durchkontaktierung (1104) unmittelbar mit einem Stator (1116) und/oder einem Anker eines Rotors (1115) des Beschleunigungssensorelements elektrisch leitend verbunden ist.
  10. Sensorsystem (1100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, wobei der zweite Halbleiterdieteil (1102) ein integriertes Sensorelement, insbesondere ein Drucksensorelement (1107), aufweist.
  11. Sensorsystem (1100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei das Sensorsystem (1100) ein Kontaktpad (1108) aufweist, wobei das Kontaktpad (1108) auf der einer oder der Kontaktfläche (1105) gegenüberliegenden Seite des zweiten Halbleiterdieteils (1102) angeordnet ist, und wobei das Kontaktpad (1108) elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung (1104) verbunden ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100), wobei ein erster Halbleiterwafer (101) bereitgestellt wird, wobei im ersten Halbleiterwafer (101) ein mikroelektromechanisches Sensorelement (403) strukturiert wird, wobei ein zweiter Halbeiterwafer (502) bereitgestellt wird, wobei durch Verbinden des ersten Halbleiterwafers (101) und des zweiten Halbleiterwafers (502) das mikroelektromechanische Sensorelement (403) abgedeckt wird, wobei von einer Kontaktfläche (605) zwischen dem ersten Halbleiterwafer (101) und dem zweiten Halbleiterwafer (102)gegenüberliegenden Seite ein Loch (604) durch den zweiten Halbleiterwafer (102) geätzt wird.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach Patentanspruch 12, wobei das Loch (604) durch die Kontaktfläche (605) hindurch geätzt wird.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Patentansprüche 12 oder 13, wobei das Loch (604) mit einer Seitenwandisolierung (709) versehen wird.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Patentansprüche 12 bis 14, wobei die Seitenwandisolierung (709) an einem Lochboden des Lochs (604) entfernt wird.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Patentansprüche 12 bis 15, wobei im Loch eine Durchkontaktierung hergestellt wird.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Patentansprüche 12 bis 16, wobei nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers (101) und des zweiten Halbleiterwafers (102) ein Halbleiterbauelement (1106) im zweiten Halbleiterwafer (102) hergestellt wird.
  18. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Patentansprüche 12 bis 17, wobei nach dem Verbinden des ersten Halbleiterwafers (101) und des zweiten Halbleiterwafers (102) ein integriertes Sensorelement, insbesondere ein Drucksensorelement, im zweiten Halbleiterwafer (102) hergestellt wird.
  19. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems (1100) nach einem der Patentansprüche 12 bis 18, wobei der erste Halbleiterwafer (101) und/oder der zweite Halbleiterwafer (102) einen SOI-Wafer umfasst.
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