DE19616014A1

DE19616014A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanische Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE19616014A1
Application number: DE1996116014
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Laermer; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2016-04-24
Also published as: GB2312553A; GB2312553B; FR2747841B1; GB9708043D0; DE19616014B4; FR2747841A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanische Strukturen aufweisenden Halblei terbauelementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, auf der Oberfläche von Halbleiterbau elementen, beispielsweise von integrierte Schaltungen (IC) aufweisenden Silicium-Wafern, mikromechanische Strukturen aufzubringen. Dies können beispielsweise als kapazitive Beschleunigungssensoren, die aus einer federnd aufgehängten seismischen Masse sowie einer Kammstrukturanordnung zur kapazitiven Auswertung der beschleunigungsbedingten Auslenkung der seismischen Masse bestehen, ausgebildete, freibewegliche Sensor elemente sein.

Die traditionellen Verfahren der Oberflächen-Mikro mechanik benutzen zur Realisierung solcher Bauele mente beispielsweise in den Waferaufbau integrierte Opferschichten und darüber aktive Silicium-Schichten, zum Beispiel aus Polysilicium über Siliciumoxid- Inseln, so daß ein massiver Eingriff in den IC-Prozeß vorgenommen werden muß.

Nach einem weiteren bekannten Herstellungsverfahren werden diese Sensorelemente mit Hilfe der LIGA- Technik in galvanisch abgeschiedenen Metallschichten realisiert. Beim LIGA-Verfahren werden durch mit Synchrotronbelichtung hergestellte hohe Röntgenre siststrukturen galvanisch abgeformt und hieraus zu nächst eine erste Prägeform gewonnen. Diese Prägeform wird anschließend zum Prägen unter hohem Druck von auf Wafern aufgebrachten Polymerschichten benutzt, die somit eine Negativform ergeben, die anschließend galvanisch aufgefüllt wird. Die Polymerform wird im Anschluß zerstört, so daß das Sensorelement frei liegt. Hierbei ist nachteilig, daß eine Synchrotron belichtung nur unter großem und damit kostspieligem Aufwand mittels zusätzlicher, für eine Hableiterbau element-Herstellung nicht fertigungsüblichen Synchro tronanlagen durchgeführt werden kann. Weiterhin be steht durch die hohen Prägedrücke während des Ab prägens der Negativstrukturen die Gefahr der Zerstö rung des Wafers, der Prägeform beziehungsweise der in dem Wafer integrierten elektronischen Schaltungen. Weiterhin ist eine genaue Justage beim Prägen der Sensorelemente zu den auf den Wafern enthaltenen Schaltungen problematisch. Durch eine Abnutzung der Prägeform ist es erforderlich, durch Umprägen mehrere Tochterformen zu erstellen, bevor die eigentliche Herstellung der Sensorelemente stattfinden kann. Die Funktion des Prozesses als Ganzes konnte bisher noch nicht praktisch nachgewiesen werden. In jedem Fall stellt das Prägen auf einem IC-Wafer einen gefähr lichen Eingriff in den IC-Prozeß dar.

Aus der DE 44 18 163 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die mikromechanischen Strukturen nachträglich auf ein fertig prozessiertes Halbleiterbauelement strukturiert werden, indem die späteren Strukturen in zusätzlich aufgebrachten Schichten abgeformt und später galvanisch aufgewachsen werden. Hierbei ist nachteilig, daß durch die galvanische Abformung der mikromechanischen Strukturen das gesamte Halbleiter bauelement aus unterschiedlichen Materialien besteht, die in Grenzbereichen der Anwendung der Halbleiter bauelemente aufgrund ihres unterschiedlichen ther mischen Verhaltens zu Ausfällen führen können.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß in ein facher Weise ein kompaktes Halbleiterbauelement mit integrierten mikromechanischen Strukturen geschaffen werden kann. Dadurch, daß die mikromechanischen Strukturen in einem eigenen Wafer erzeugt werden und dieser Wafer unter Zwischenschaltung wenigstens eines elektrischen und mechanischen Verbindungselementes auf den die integrierte Schaltungen aufweisenden Wafer justiert aufgebracht wird, ist es vorteilhaft möglich, ohne Eingriff in den Herstellungsprozeß der integrierten Schaltungen den die mikromechanischen Strukturen enthaltenen weiteren Wafer zu erzeugen und eine elektrische Kopplung und mechanische Einhausung der mikromechanischen Strukturen mit dem Fügen der beiden Wafer zu verbinden. Durch die Anordnung der mikromechanischen Strukturen auf dem die integrierten Schaltungen enthaltenen Wafer wird kein zusätzlicher Platzbedarf auf dem die integrierten Schaltungen auf weisenden Wafer benötigt. Sehr vorteilhaft ist die gleichzeitig erfolgende hermetische Kapselung der mi kromechanischen Strukturen, da diese somit gegen Um welteinflüsse aller Art sicher verpackt angeordnet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk malen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. In den Fig. 1 bis 3 sind die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines mikromecha nische Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelements verdeutlicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 sind die Hauptbestandteile eines Halbleiterbauelements 10 in einer schematischen Schnittdarstellung in ihrem Ausgangszustand gezeigt. Das Halbleiterbauelement 10 besteht aus einem ersten Wafer 12, beispielsweise einem Silicium-Wafer, der hier nicht näher dargestellte, integrierte Schal tungen enthalten kann. Dem ersten Wafer 12 ist ein zweiter Wafer 14 zugeordnet, der hier allgemein mit 16 bezeichnete mikromechanische Strukturen aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll auf die Erzeugung der mikromechanischen Strukturen 16 nicht näher eingegangen werden. Als mikromechanische Struk turen 16 können beispielsweise federnd aufgehängte seismische Massen und Kammstrukturen zum Antrieb der seismischen Massen beziehungsweise zum Abgriff einer beschleunigungsbedingten Auslenkung der seismischen Massen vorhanden sein. Der zweite Wafer 14 ist bei spielsweise ebenfalls ein Silicium-Wafer, der einen für die Erzeugung der mikromechanischen Strukturen 16 geeigneten Schichtaufbau besitzt. Dieser kann bei spielsweise aus einem Silikon-on-Insulatermaterial, epitaktisch verstärktem Polysilicium, auf einem Zwischenoxid mit nachträglicher Oberflächenpolitur bestehen. Das Erzeugen der mikromechanischen Struk turen 16 wird beispielsweise mittels bekannter Ver fahrensschritte einer Kombination von anisotropen Plasmaätzen und isotropen Unterätzen erzeugt. Bei der Herstellung der mikromechanischen Strukturen 16 wer den diesen relativ großflächigen Kontaktbereiche 18 und 19 zum Beaufschlagen beziehungsweise Abgreifen von Signalen der mikromechanischen Strukturen 16 zu geordnet.

Zwischen den Wafern 12 und 14, das heißt zwischen dem Elektronikteil und dem Sensorteil des Halbleiter bauelements 10, ist wenigstens ein elektrisches und mechanisches Verbindungselement 20 angeordnet, dessen Herstellung nachfolgend detaillierter erläutert wird.

Die Oberfläche des fertig prozessierten Wafers 12 wird mit einer Metallstruktur 22 versehen. Hierzu kann beispielsweise eine durchgehende metallische Be schichtung auf dem Wafer 12, beispielsweise eine gesputterte Chrom/Kupfer-Legierung, flächig aufge bracht werden. Auf die Metallstruktur 22 wird eine relativ dicke Photoresistschicht 24, beispielsweise durch Aufschleudern, aufgebracht. Innerhalb der Pho toresistschicht 24 werden mittels bekannter Ver fahren der Photolithographie erste Strukturen 26 und eine zweite Struktur 28 angelegt. Hierzu wird eine nicht dargestellte Maskierung auf die Photoresist schicht 24 aufgebracht und ein Herauslösen bezie hungsweise Herausätzen von Resistmaterial in den spä teren Strukturen 26 und 28 durchgeführt. Die Struk turen 26 sind so angelegt, daß diese geometrisch einerseits auf dem Wafer 12 vorgesehenen Kontaktpads zum elektrischen Kontaktieren der mikromechanischen Strukturen 16 und andererseits den Kontaktbereichen 18 der mikromechanischen Strukturen 16 zugeordnet sind. Die Struktur 28 ergibt einen die Strukturen 26 in der Draufsicht gesehen umlaufenden Graben, wobei die Geometrie der von der Struktur 28 umschlossenen Fläche der Größe der mikromechanischen Strukturen 16 entspricht.

In einem nächsten Verfahrensschritt werden die Struk turen 26 und 28 in der Photoresistschicht 24 bei spielsweise mittels galvanischer Abscheideverfahren, metallisch aufgefüllt. Hierdurch ergeben sich die Photoresistschicht 24 durchdringenden metallischen Bereiche 30 in den Strukturen 26 und ein metallischer Bereich 32 in der Struktur 28, der die metallischen Bereiche 30 quasi wannenförmig umschließt.

Nach erfolgter metallischer Abscheidung kann die Oberfläche 34 mittels geeigneter Verfahren, bei spielsweise durch ein mechanisches Polieren, planari siert und geglättet werden. Hierdurch wird an den dem Wafer 12 abgewandten Seiten der metallischen Bereiche 30 beziehungsweise 32 eine vollkommene ebene Ober fläche erzielt. Der die integrierten Schaltungen 12 aufweisende Wafer ist während dieser Glättungsver fahren durch die Photoresistschicht 24 geschützt, so daß Beschädigungen am Wafer 12 ausgeschlossen werden können.

Nunmehr wird in einem nächsten Verfahrensschritt die Photoresistschicht 24 entfernt, beispielsweise auf allgemein bekannte Art und Weise im Sauerstoff-Plasma verascht. Die Metallstruktur 22 wird anschließend auf der Oberfläche des Wafers 12 und zwischen den hohen metallischen Bereichen 30 und 32 selektiv entfernt, beispielsweise abgeätzt.

Die späteren Kontaktflächen zwischen den metallischen Bereichen 30 und 32 des Verbindungselementes 20 be ziehungsweise den Kontaktbereichen 18 und 19 des Wafers 14 erfahren in einem nächsten Schritt eine ge eignete chemische Vorbehandlung, beispielsweise eine Hydrophilisierung. Hierdurch wird durch Van-der- Waals-Kräfte ein fester Kontakt zwischen den aus Silicium bestehenden Kontaktbereichen 18 und 19 und den metallischen Bereichen 30 beziehungsweise 32 er reicht. Es ist auch möglich, ein lötfähiges Metall zu verwenden oder eine dünne Lotschicht auf zugalvani sieren oder auf zudrucken.

Anschließend werden die Wafer 12 und 14 justiert in Kontakt gebracht, das heißt, diese werden derart übereinander angeordnet, daß die metallischen Be reiche 30 mit den Kontaktbereichen 18 in Berührung kommen. Dadurch, daß die Kontaktbereiche 18 relativ großflächig angelegt wurden, kann das gezielte Fügen der Wafer 12 und 14 mit hinreichend großer Justage genauigkeit erfolgen, ohne daß eine hochpräzise und damit aufwendige Justage notwendig wird. Die metal lischen Bereiche 32 gelangen hierdurch gleichzeitig in Kontakt mit den Kontaktbereichen 19.

Anschließend erfolgt die Herstellung einer festen Verbindung zwischen den metallischen Bereichen 30 und 32 beziehungsweise den Kontaktbereichen 18 und 19. Hierzu kann beispielsweise der Wafer 14 kurz erhitzt werden, während der Wafer 12 gekühlt wird. Dieser Verfahrensschritt kann mittels einer geeigneten Vor richtung, die beispielsweise eine mit dem Wafer 12 in Kontakt kommende Kühleinrichtung und eine mit dem Wa fer 14 in Kontakt kommende Heizeinrichtung aufweist, durchgeführt werden. Hierdurch wird erreicht, daß die Kontaktstelle zwischen den metallischen Bereichen 30 und 32 beziehungsweise den Kontaktbereichen 18 und 19, auf Temperaturen größer als 450°C erwärmt werden können, während gleichzeitig der Wafer 12 und die hier angeordneten integrierten Schaltungen vor einer übermäßigen Erhitzung geschützt werden. Durch die Erwärmung der Kontaktbereiche kommt es zu einer Legierungsbildung zwischen dem Silicium der Kontakt bereiche 18 und 19 und dem Metall der metallischen Bereiche 30 und 32, so daß eine feste mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Wafern 12 und 14 über das Verbindungselement 20 entsteht. Dies kann durch eine zuvor aufgebrachte Lotschicht noch weiter unterstützt werden.

Nach weiteren Ausführungsbeispielen kann anstelle der Legierungserzeugung eine Verbindung zwischen den Kon taktbereichen 18 und 19 beziehungsweise den metal lischen Bereichen 30 und 32 durch andere Techniken, beispielsweise dem Einsatz von Leitklebern oder Loten, erfolgen.

Nach erfolgter Verbindung der Wafer 12 und 14 wird über die metallischen Bereiche 30 eine elektrische Verbindung zwischen den integrierten Schaltungen in dem Wafer 12 und den mikromechanischen Strukturen 16 in dem Wafer 14 zur Signalführung gewährleistet. Die die mikromechanischen Strukturen 16 wandförmig um gebenden metallischen Bereiche 32 sorgen einerseits für eine Erhöhung der Stabilität der mechanischen Verbindung zwischen den Wafern 12 und 14 und an dererseits für eine hermetische Einkapselung der mi kromechanischen Strukturen 16. Die mikromechanischen Strukturen 16 sind hierbei komplett durch den Wafer 14 beziehungsweise den Wafer 12 und dem metallischen Bereich 32 eingekapselt, so daß Umwelteinflüsse auf die Funktionsfähigkeit der empfindlichen mikro mechanischen Strukturen 16 keinen Einfluß haben kön nen. Weiterhin wird durch diese vollkommene Ein kapselung eine Beschädigung der mikromechanischen Strukturen bei weiteren Verfahrensschritten, wie beispielsweise Vereinzeln der Bauelemente 10 und einem späteren Gehäuseeinbau, beispielsweise einer Kunststoffumspritzung, sicher vermieden.

In einem nächsten, in Fig. 3 verdeutlichten Ver fahrensschritt, wird die Oberfläche des Wafers 12 wieder freigelegt, indem die überschüssigen, das heißt, die die mikromechanische Struktur 16 umge benden, für die weitere Funktion des Halbleiterbau elementes 10 nicht notwendigen Abschnitte 36 des Wafers 14, entfernt werden. Das Entfernen der Ab schnitte 36 kann in einfacher Weise mittels einem hier angedeuteten Sägeschnitt 38 erfolgen. Dieser Sägeschnitt kann beispielsweise mechanisch oder mit tels geeigneter Lasertechniken usw. erfolgen. Um si cherzustellen, daß bei diesem Abtrennen der Ab schnitte 36 keine Beschädigung des Wafers 12 erfolgt, können bei der Herstellung des Wafers 14 bereits grabenförmige Vertiefungen 40 vorgesehen sein, die die Solltrennstellen definieren.

Alternativ ist es auch möglich, vor dem Verbinden des Wafers 14 mit dem Wafer 12 die mikromechanischen Strukturen 16 aus einem Waferverbund vorher zu ver einzeln, so daß der in Fig. 3 verdeutlichte Ver fahrensschritt an einem bereits fertig gefügten Halb leiterbauelement 10 entfallen würde.

Alternativ ist es auch möglich, vor dem Verbinden des Wafers 14 mit dem Wafer 12 die IC-Chips des Wafers 12 zu vereinzeln und gegen die Sensorchips des noch kompletten Sensorwafers 14 zu bonden. Die Vereinze lung der Sensoren erfolgt anschließend; dies ist dann vorteilhaft, wenn der IC-Wafer bereits eine schwie rige, das heißt sehr unebene Topographie aufgrund der zahlreichen Halbleiterprozeßschritte aufweist und schwierig ganzflächig zu bonden wäre.

Insgesamt wird es möglich, Halbleiterbauelemente 10 mit integrierten mikromechanischen Strukturen 16 her zustellen, bei denen zur Erzeugung des die elek trische und mechanische Kopplung übernehmenden Ver bindungselementes 20 lediglich eine zusätzliche Mas kenebene notwendig ist. Diese zusätzliche Maskenebene kann nach Abschluß aller Prozessierungsschritte des Wafers 12 aufgebracht werden, so daß ein Eingriff in die Prozessierung der integrierten Schaltungen aus geschlossen ist.

Bei dem fertigen Halbleiterbauelement 10 ergibt sich ferner der Vorteil, da sowohl der Wafer 12 als auch der Wafer 14 aus dem gleichen Siliciummaterial be stehen, daß bei Dauerlast oder bei Lastwechseln ein gleiches thermisches Verhalten auftritt, so daß eine thermische Beeinflussung der Langzeitlebensdauer des Halbleiterbauelements 10 minimiert werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanische Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelementen, da durch gekennzeichnet, daß die mikromechanischen Strukturen (16) in einem eigenen Wafer (14) erzeugt werden und dieser Wafer (14) unter Zwischenschaltung eines Verbindungselementes (20) auf ein die inte grierte Schaltungen aufweisenden Wafer (12) justiert aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (20) auf der Oberfläche des fertig prozessierten Wafers (12) angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (12) mit einer Metallstruktur (-Schicht) (22) versehen wird, auf die anschließend eine Photoresistschicht (24) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Photoresistschicht (24) Öffnungen zur Erzeugung von Strukturen (26, 28) angelegt werden, die der späteren elektrischen und mechanischen Verbindung der Wafer (12, 14) dienen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (26, 28) zu metallischen Strukturen (30, 32) aufgefüllt werden, die Photoresistschicht (24) und die Metallstruktur (22) entfernt werden, so daß lediglich relativ hohe, metallische Bereiche (30, 32) das Verbindungsteil (20) bilden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bereiche (30) eine elektrische Verbindung der integrierten Schaltung des Wafers (12) und der mikromechanischen Strukturen (16) des Wafers (14) übernehmen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bereiche (32) die metallischen Bereiche (30) vollständig, nach Art eines Ringes, umgeben.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer (12, 14) gefügt werden, indem Kontaktbereiche (18, 19) des Wafers (14) mit den metallischen Bereichen (30, 32) in Kon takt gebracht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kontaktbereichen (18, 19) und den metallischen Bereichen (30, 32) eine innige, elek trisch leitende Verbindung hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß im Berührungsbereich eine Legierung zwischen den Materialien der Kontaktbereiche (18, 19) und den Bereichen (30, 32) erzeugt wird, indem der Wafer (14) erwärmt und der Wafer (12) gleichzeitig gekühlt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß funktionsmäßig nicht benötigte Abschnitte (36) des Wafers (14) vorzugs weise an vorher strukturierten Solltrennstellen (40) entfernt werden.

12. Halbleiterbauelement mit auf der Oberfläche eines integrierte Schaltungen aufweisenden Wafers angeord neten mikromechanischen Strukturen, dadurch gekenn zeichnet, daß das Halbleiterbauelement (10) nach we nigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.