本發(fā)明涉及一種微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法。

背景技術：

盡管可以使用任意的微機械結構元件，但是本發(fā)明以及本發(fā)明要解決的問題僅僅借助硅基底上的結構元件來闡述。

用于測量例如加速度、轉(zhuǎn)速、磁場和壓力的微機械傳感器裝置是普遍公知的并且被大規(guī)模制造用于汽車領域和消費領域中的不同應用。在消費電子裝置的趨勢尤其是結構元件的小型化、功能集成以及有效的成本降低。

目前，加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器以及加速度傳感器和磁場傳感器已經(jīng)被制造為組合式傳感器(6d)，此外，存在第一9d模塊，其中，分別將3軸的加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和磁場傳感器組合在一個唯一的傳感器裝置中。

反之，壓力傳感器目前與上述6d模塊和9d模塊分開開發(fā)和制造。對此的主要原因是必需的介質(zhì)通道，與慣性傳感器和磁場傳感器相反，壓力傳感器需要介質(zhì)通道，所述介質(zhì)通道使得用于封裝壓力傳感器的耗費和成本明顯升高。將壓力傳感器分開的其他原因是不同的MEMS制造工藝以及不同的分析處理方法。例如，壓力傳感器經(jīng)常使用壓阻式電阻來分析處理，而慣性傳感器優(yōu)選被電容式地分析處理。

但是可預見的是：除了慣性量以外也能夠測量壓力的傳感器裝置尤其在消費電子領域是令人感興趣的功能集成可能性擴展。這類集成的7d模塊或在集成3軸磁體傳感器時的10d模塊可例如用于導航應用(室內(nèi)導航，In-door-Navigation)。所述功能集成既預示成本降低也預示在應用電路板上更低的空間需求。

所謂的垂直集成或混合集成或3D集成的方法是已知的，其中，至少一個MEMS晶片和一個分析處理ASIC晶片通過晶片鍵合方法互相機械地且電地連接，例如由US 7 250 353 B2或US 7 442 570 B2已知。特別有吸引力的是這種垂直集成方法與硅敷鍍通孔(Silizium-Durchkontaktierungen)和倒裝芯片技術的組合，由此，外部連接可以作為“裸露晶粒模塊(bare die-Modul)”或“芯片級封裝”、即沒有塑料外封裝(Plastikumverpackung)地實現(xiàn)，例如由US 2012/0049299A1或US 2012/0235251A1已知。

US 2013/0001710 A1公開用于形成MEMS傳感器裝置的方法和系統(tǒng)，其中，處理晶片(Handlingwafer)通過介電層鍵合到MEMS晶片上。在將MEMS晶片結構化以形成微機械傳感器裝置之后，將CMOS晶片鍵合到具有所述傳感器裝置的所述MEMS晶片上。在工藝結束時，如果必要，可以通過蝕刻或背面磨削進一步加工所述處理晶片。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種根據(jù)權利要求1的微機械壓力傳感器裝置以及根據(jù)權利要求8的相應的制造方法。

優(yōu)選的擴展方案是各個從屬權利要求的主題。

本發(fā)明的優(yōu)點

本發(fā)明的構思在于：將構成用于微機械功能層的初始點的晶片通過絕緣層與ASIC晶片、優(yōu)選與CMOS晶片電絕緣地連接，其中，以后通過一個或多個導電的接觸插塞實現(xiàn)到所述ASIC晶片的最上面的印制導線層的電連接。在為形成微機械功能層而將晶片薄化(Abdünnen)之后，在功能層中形成膜片區(qū)域作為第一壓力探測電極，其中，在所述膜片區(qū)域下方在所述最上面的印制導線層中形成第二壓力探測電極。這樣形成的微機械壓力傳感器裝置可以加罩地或不加罩地使用。

有利地可能的是：除了所述微機械壓力傳感器裝置以外在所述微機械功能層中還集成有一個或多個另外的微機械傳感器裝置。例如可能的是：在所述微機械功能層中附加于所述微機械壓力傳感器裝置還設置有微機械慣性傳感器裝置。在此，僅僅需要在所述罩中設置有用于微機械壓力傳感器裝置的壓力通道。

根據(jù)一種優(yōu)選的擴展方案，設置有第一接觸插塞，該第一接觸插塞形成環(huán)繞的環(huán)。這有利于改善所述膜片區(qū)域的氣密性。

根據(jù)另一種優(yōu)選的擴展方案，將罩晶片(Kappenwafer)鍵合到所述微機械功能層上，該罩晶片具有通向所述膜片區(qū)域的壓力通道。這樣能夠在不影響功能性的情況下實現(xiàn)保護。

根據(jù)另一種優(yōu)選的擴展方案，將罩晶片鍵合到所述最上面的印制導線層上，該罩晶片具有通向所述膜片區(qū)域的壓力通道。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)保護，其中，鍵合工藝是簡化的。

根據(jù)另一種優(yōu)選的擴展方案，所述膜片區(qū)域具有所述微機械功能層的薄化區(qū)域。這樣能夠在更厚的功能層的情況下提高敏感度。

根據(jù)另一種優(yōu)選的擴展方案，在所述微機械功能層上方，在所述膜片區(qū)域之外形成鍵合球(Bondkugeln)，這些鍵合球通過一個或多個第二接觸插塞與所述最上面的印制導線層電連接，這些第二接觸插塞被引導穿過所述微機械功能層和穿過所述絕緣層。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的正面組裝可能性。

根據(jù)另一種優(yōu)選的擴展方案，在去除了所述微機械功能層的區(qū)域中，在所述絕緣層上方形成鍵合球，這些鍵合球通過過孔(Via)與所述最上面的印制導線層電連接。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)具有更小的組裝高度的簡單的正面組裝可能性。

附圖說明

以下借助實施方式參照附圖闡述本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點。

附圖示出：

圖1a)-h)示出用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖；

圖2a)、b)示出用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖；

圖3a)、b)示出用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖；

圖4示出用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第四實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖；

圖5示出用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第五實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖；

圖6示出用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第六實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖；

圖7示出用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第七實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖；

圖8示出用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第八實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

具體實施方式

在附圖中，相同的附圖標記表示相同的或功能相同的元件。

圖1a)-h)示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

在圖1a)中，附圖標記1表示具有多個CMOS電路100的CMOS晶片，這些CMOS電路例如包括用于要形成的微機械壓力傳感器裝置的分析處理電路。

所述CMOS晶片具有正面VS和背面RS。在CMOS晶片1的正面VS上形成再布線裝置1a，該再布線裝置1a具有多個印制導線層LB0、LB1、LB2以及處在這些印制導線層LB0、LB1、LB2之間的絕緣層I。為了簡化示圖，未單獨示出嵌入有印制導線層LB0、LB1、LB2的絕緣層I。印制導線層LB0、LB1、LB2的印制導線區(qū)段通過可導電的過孔(Vias)K互相電連接。

在最上面的印制導線層LB0上方設置有結構化的絕緣層6，優(yōu)選氧化層或者由氧化層和/或氮化層組成的堆疊。

根據(jù)圖1a)，在絕緣層6中形成槽口A1和A2，最上面的印制導線層LB0在所述槽口A1和A2中露出。也設置有接觸孔L1、L2、L3，在這些接觸孔L1、L2、L3中以后能夠形成接觸插塞。當然也能夠在更靠后的工藝階段才形成最后提到的接觸孔L1、L2、L3。

與最下面的印制導線層LB2電連接的敷鍍通孔15從正面VS出發(fā)延伸到CMOS晶片1的內(nèi)部中，以后通過背面磨削使該敷鍍通孔能夠從背面RS露出。

露出區(qū)域A1和A2相應于要形成的微機械傳感器裝置，具體來說，區(qū)域A1相應于微機械壓力傳感器裝置，區(qū)域A2相應于可運動的微機械慣性傳感器裝置。最上面的印制導線層LB0的在截面A1中借助附圖標記7表示的區(qū)段相應于所述微機械壓力傳感器裝置的要形成在所述區(qū)段A1上的第二壓力探測電極。應注意的是：通過絕緣層6的結構化，在已去除絕緣層6的區(qū)域中能夠省去犧牲層蝕刻。

進一步參照圖1b)，在圖1a)的結構上將硅晶片2a鍵合到絕緣層6上，該硅晶片2a作為要從該硅晶片2a中形成的微機械功能層2(參照圖1c))的起始點，具體來說，優(yōu)選借助等離子活化直接鍵合方法(plasmaaktiviertesDirektbondverfahren)，因為這在400℃以下的相對低的溫度下進行，這具有以下優(yōu)點：通過所述鍵合不損害在CMOS晶片1中形成的所述CMOS電路。

隨后，MEMS晶片2a被背面薄化(zurückdünnen)到例如由硅制成的微機械功能層2的期望厚度，并且被例如由鋁制成的第一鍵合層18覆蓋，隨后相應于要形成的鍵合區(qū)域地將該第一鍵合層18結構化，如在圖1c)中示出的那樣。

在圖1d)中圖示的下一個工藝步驟中，進行溝槽蝕刻使其穿過微機械功能層2，并且(必要時在先前已沉積且結構化的薄的鈦/氮化鈦附著層上)隨后進行鎢層的沉積和結構化。這樣能夠形成接觸插塞P1、P2、P3，所述接觸插塞P1、P2、P3被引導穿過絕緣層6直至第一印制導線層LB0，并且將后者與微機械功能層2電連接。接觸插塞P1、P2、P3或者完全或者僅僅部分地被填充。

進一步參照圖1e)，重新進行溝槽蝕刻步驟，在該溝槽蝕刻步驟中在所述微機械功能層中形成溝道，所述溝道一方面用作電絕緣溝道，另一方面用于所述微機械傳感器裝置的結構化。尤其在槽口A1上方形成可被加載壓力的膜片區(qū)域M，該膜片區(qū)域M通過接觸插塞P1、P2與最上面的印制導線層LB0連接并且通過相應的溝道與微機械功能層2的剩余部分分隔開。

通過溝槽蝕刻步驟在區(qū)域A2上方實施用于制造可運動的MEMS元件的結構化，在這種情況下所述可運動的MEMS元件是微機械慣性傳感器裝置IE。慣性傳感器裝置IE通過接觸插塞P3與最上面的印制導線層LB0電連接。

如上面已提到的那樣，通過所述溝槽蝕刻步驟也同時使慣性傳感器裝置IE的可運動結構現(xiàn)出(freigestellt)，因為在該慣性傳感器裝置IE的可運動結構下面不再存在絕緣層6，而僅僅存在使最上面的印制導線層LB0露出的槽A2。

這樣形成的膜片區(qū)域M構成所述微機械壓力傳感器裝置的第一壓力探測電極，其中，如上面提到的那樣，通過最上面的印制導線層LB0的印制導線區(qū)段7形成所述第二壓力探測電極。

可選地，可以將用于電接觸的接觸插塞P1、P2也實施為環(huán)繞的環(huán)，因為由此能夠改善膜片區(qū)域M的氣密性。

如在圖1f)中示出的，隨后進行罩晶片3的提供，該罩晶片3在第一實施方式中已具有作為用于所述微機械壓力傳感器裝置的介質(zhì)進入通道的貫通的壓力進入通道3a。

罩晶片3還在慣性傳感器裝置IE上方具有淺的空腔3b。在罩晶片3上，在所設置的鍵合區(qū)域上存在第二鍵合層18a，例如鍺層。

在圖1g)中示出的另一個工藝步驟中，罩晶片3通過在所設置的鍵合區(qū)域上的第一鍵合層18和第二鍵合層18a在本例中通過共晶的鋁鍺鍵合被鍵合到微機械功能層2上，其中，在罩晶片3與微機械功能層2之間產(chǎn)生共晶鍵合連接18′。

通過所述鍵合將慣性傳感器裝置IE氣密地加罩，其中，由此產(chǎn)生的空腔以附圖標記K表示。

與此相反，通過穿過罩晶片3的壓力進入通道3a保留了通向所述壓力傳感器裝置的介質(zhì)進入通道。

在圖1h中示出的隨后的工藝步驟中，從背面RS進行CMOS晶片1的背面磨削，以便使敷鍍通孔15在背面RS上露出。

當在背面RS上沉積另一個絕緣層I′之后，在所述絕緣層上或在所述絕緣層中形成印制導線區(qū)段L1、L2，在所述印制導線區(qū)段L1、L2上形成鍵合球K1、K2，例如小焊球，用于將整個組合式傳感器裝置焊接到相應的襯底上。

應注意的是：替代在罩晶片3中的壓力進入通道3a的預先設定的開口，在罩晶片3中事后磨削另一個預先形成的空腔或者用于制造所述壓力進入通道的蝕刻步驟或激光穿孔方法也是可行的，尤其如以后還要結合其他實施方式闡述的那樣。

圖2a)、b)是用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

在第二實施方式中，所述罩晶片借助附圖標記3′表示，在所述罩晶片中形成的貫通的壓力進入通道借助附圖標記3a′表示，預先形成在所述罩晶片中的空腔借助附圖標記3b′表示。

根據(jù)圖2a)的工藝狀態(tài)基本上相應于根據(jù)圖1f)的工藝狀態(tài)。然而在本實施方式中，在鍵合區(qū)域中去除了微機械功能層2和處在該微機械功能層2下的絕緣層6。因此，為了在所述鍵合區(qū)域中的鍵合，露出最上面的印制導線層LB0，該最上面的印制導線層LB0在那里露出作為鍵合面的鋁金屬層。

在罩晶片3′的所述鍵合區(qū)域中設置有已結合第一實施方式提到的由鍺制成的第一鍵合層18a。在本實施方式中稍微費事的預先結構化的罩晶片3′因此簡單地被鍵合到最上面的印制導線層LB0上，這導致根據(jù)圖2b)的工藝狀態(tài)。

與第一實施方式相反，罩晶片3′在所述慣性傳感器裝置的區(qū)域中需要更大的空腔3b′并且在所述壓力傳感器裝置的區(qū)域中需要另一個空腔3b″，以便避免罩晶片3′尤其在膜片區(qū)域M中貼在所述壓力傳感器裝置上以及壓在所述慣性傳感器裝置IE上。

在根據(jù)圖2b)的工藝狀態(tài)之后的另外的工藝化與圖1h)類似地進行。

圖3a)、b)是用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

在所述第三實施方式中，與所述第二實施方式相反，所述罩晶片以附圖標記3″表示并且具有用于所述慣性傳感器裝置的槽口3b″′、用于所述壓力傳感器裝置的槽口3b″″以及作為用于所述壓力進入通道的預備階段的預制造的空腔3a″。

參照圖3b)，借助鍺鍵合層18a進行罩晶片3″到事先露出的最上面的印制導線層LB0上的鍵合，此后形成共晶鍵合連接18′。在所述鍵合過程之后，磨削(anschleifen)罩晶片3″，以便使壓力進入通道3a″露出。

圖4是用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第四實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

在根據(jù)圖4的第四實施方式中，與所述第三種實施方式相反，不進行罩晶片3的磨削(aufschleifen)，而是通過蝕刻方法或者垂直的或斜的激光鉆孔使壓力進入通道3a″露出，其中，形成貫穿通道3c，其使壓力進入通道3a″向外露出。

圖5是用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第五實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

在所述第五實施方式中，以附圖標記M′表示的膜片區(qū)域具有微機械功能層2的薄化區(qū)域D，例如能夠通過相應的光刻蝕刻工藝制造該薄化區(qū)域D。

這具有以下背景：由晶片2a背面磨削得到的微機械功能層2的厚度典型地是30μm并且通過薄化區(qū)域D能夠提高膜片區(qū)域M′的敏感度。

在其他方面，根據(jù)圖5的工藝狀態(tài)相應于根據(jù)圖3b的工藝狀態(tài)。

圖6是用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第六實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

在所述第六實施方式中，與第一實施方式相比，省去了慣性傳感器裝置IE并且膜片區(qū)域M″與處在膜片區(qū)域M″下面的槽口A1″一起相應地在微機械功能層2″中相應更大地構型。所述接觸插塞這里以附圖標記P1″和P2″表示并且所述第二壓力探測電極以7″表示。

在其他方面，根據(jù)圖6的工藝狀態(tài)相應于根據(jù)圖1h)的工藝狀態(tài)。

在該實施方式中，膜片區(qū)域M″相對于處理影響自然較差地受到保護，使得在處理和運輸所述結構元件時必須采取特別的預防措施。

圖7是用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第七實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

在所述第七實施方式中，與第六實施方式相比，省去敷鍍通孔15，并且通過正面VS進行接觸或組裝，其方式是：在微機械功能層2″上方施加并結構化絕緣層IV，在該絕緣層IV上又設置有印制導線L1″和L2″，在所述印制導線L1″和L2″上施加有鍵合球K1″或K2″，用于將所述結構元件焊接到合適的襯底上。

鍵合球K1″和K2″通過印制導線L1″或L2″并且通過接觸插塞P3″或P4″與最上面的印制導線層LB0連接，具體來說類似于接觸插塞P1″和P2″。

圖8是用于闡述根據(jù)本發(fā)明的第八實施方式的微機械壓力傳感器裝置以及相應的制造方法的示意性橫截面圖。

在所述第八實施方式中，與所述第七實施方式相比，在印制導線區(qū)段LDV1或LDV2上設置有鍵合球K1″或K2″，所述鍵合球K1″或K2″直接施加在絕緣層6上并且所述鍵合球K1″或K2″通過過孔K′與最上面的印制導線層LB0連接。

盡管借助優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于此。提到的材料和拓撲結構尤其僅僅是示例性的并且不局限于闡述的示例。

盡管在上面的第一至第五實施方式中描述了微機械壓力傳感器裝置與微機械慣性傳感器裝置在微機械功能層中的組合，但本發(fā)明不局限于此。

相反，在所述微機械功能層中能夠?qū)⑵渌膫鞲衅骰騻鞲衅餮b置或MEMS結構元件、例如磁場傳感器裝置(例如基于洛倫茲力的磁場傳感器)、旋轉(zhuǎn)加速度傳感器、振蕩器、射頻MEMS等等與所述微機械壓力傳感器裝置組合。