用于制造微机电传感器的方法和微机电传感器与流程

1.本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于制造微机电传感器的方法。


背景技术：

2.尤其呈惯性传感器的形式的微机电传感器由现有技术以多种实施方式已知。这种传感器的功能原理通常在于，作用在传感器上的外部线性加速度或旋转引起惯性力，所述惯性力导致在传感器芯中的可运动结构的偏移或偏转，通过所述偏移或偏转可以测量起作用的加速度或旋转。在此，可运动结构可以从单个层中蚀刻出或者由多个层构建。尤其地，可运动结构可以通过以下方式形成：硅层外延地沉积在功能性多晶硅(fp)组成的层上并且在随后的步骤中从所述硅层制作出多个部分结构，所述部分结构通过由fp层形成的、由功能性多晶硅组成的桥(fp
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br
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cke)相互连接。
3.为了提供用于传感器芯的封闭环境，经常通过晶片键合方法将罩施加到传感器晶片上并且传感器芯以该方式包围到腔中。这种晶片键合方法尤其是共晶键合，在所述共晶键合时传感器晶片和罩晶片通过共晶合金相互连接。这种合金通过两个合金对、如锗和铝或者硅和金形成。在此，例如可以将由金组成的附加键合结构施加到两个晶片中的一个晶片上，所述附加键合结构在晶片接合时通过加热与两个晶片的硅连接并且这样形成牢固的材料锁合的连接。以类似的方式，这两个晶片中的一个晶片可以具有由铝组成的键合结构并且另一个晶片可以具有由锗组成的键合结构，使得这两个键合结构在接合时形成期望的共晶连接。相应的键合结构在制造晶片时通过键合层的沉积和随后键合层通过蚀刻的结构化形成。为了确保键合结构形成罩晶片的上边缘、即所述键合结构尽可能超过罩晶片的其余结构伸出，通常在通过另外的蚀刻过程产生罩晶片的其余结构之前进行键合结构的形成。
4.为了防止传感器由于可运动结构的特别强烈的偏移而受损，通常在腔中布置有止挡结构，所述止挡结构限制可运动结构的最大偏移。针对向上(即朝着罩)的振幅，罩晶片例如可以具有止挡面，可运动结构在大偏移的情况下机械碰撞到所述止挡面上。在此，止挡结构的高度、即止挡面在罩晶片内部的水平通过以下方式限制，在制作止挡结构之前已经剥除材料，尤其通过在构造键合结构时进行的过蚀刻。以该方式，得出用于在可运动结构的上边缘和止挡面之间的距离的限制因素。尤其地，在过大距离时可能出现，在功能性fp桥的运动被止挡面拦住之前，所述功能性fp桥从下方碰撞到传感器晶片的固定结构。在碰撞时可能出现fp桥的断裂，由于所述断裂损坏或者甚至毁坏传感器。


技术实现要素：

5.在该背景下，本发明的任务是提供一种方法，在所述方法中这样产生罩晶片的止挡结构，使得避免功能性fp桥的断裂。
6.在根据主权利要求的方法中，通过施加硬掩模实现，通过硬掩模遮盖的面在随后的蚀刻过程中不承受材料剥除，通过所述蚀刻过程产生罩晶片的结构。已经证明，这种掩模
的施加尤其适用于防止在产生键合结构时引起的过蚀刻以不利的方式减小止挡结构的止挡面的高度水平。
7.下面，为了描述几何比例，参照罩晶片或传感器晶片的主延伸平面。垂直于主延伸平面的方向被称为垂直方向，而由此不应暗示涉及重力方向。概念“上方”和“下方”关于垂直方向理解。罩晶片通过彼此相继的沉积和蚀刻过程结构化。关于每个结构或关于罩晶片的结构的每个平行于主延伸平面取向的面能够基于垂直方向给出高度水平并且尤其与另外的结构和所述另外的结构的面的高度水平比较。罩晶片通过彼此相继的沉积和蚀刻过程设有不同的结构，其中，加工通常仅在罩晶片的一侧上进行，所述侧在下面被称为上侧。未加工的罩晶片的属于该侧的面限定这种结构的最大高度水平，这种结构仅通过剥除过程产生。这种通过剥除产生的结构例如是罩晶片的止挡结构，所述止挡结构在与传感器晶片接合之后将传感器晶片的可运动结构的运动至少在垂直方向上限界为最大振幅。通过施加硬掩模确保，形成之后由晶片材料蚀刻出的止挡结构的止挡面的被掩盖的面具有最大可供使用的高度水平并且最大振幅可以相应小得形成。在根据本发明的方法的第二步骤中产生键合结构，通过所述键合结构在制造过程的随后部分中使罩晶片和传感器晶片材料锁合地相互连接。优选地，该连接通过共晶键合进行。键合结构例如可以由金形成，所述金在加热时与两个晶片的硅连接成共晶合金。优选地，键合结构部分地或完全地由锗组成并且在连接到由铝组成的另外的键合结构上，使得在加热时借助于共晶的锗
‑
铝合金得出材料锁合。
8.已经证明，在由之前施加的键合材料形成键合结构的蚀刻过程中发生过蚀刻，即不仅剥除键合材料的期望部分，也移除罩晶片的表面的材料，由此减小对于另外的结构化部可供使用的最大高度水平。通过过蚀刻引起的高度水平的移动位于微米范围中并且引起止挡结构的止挡面的相应改变的垂直定位。通过根据本发明的硬掩模的施加有利地抑制高度水平的减小并且止挡面位于未加工的晶片的初始面的水平上。
9.根据本发明的优选实施方式，传感器芯的可运动结构包括两个通过多晶硅桥相互连接的部分结构，其中，多晶硅桥在可运动结构的静止状态中在偏移方向上与传感器芯的固定结构间隔开。可运动结构例如可以通过以下方式产生：外延硅层生长到功能性多晶硅层(fp层)上，然后由所述外延硅层蚀刻出两个部分结构。在此，这两个部分结构位于fp层上面。由fp层形成两个部分结构的连接元件，所述连接元件在下面被称为fp桥。可运动结构也可以替代地具有盆的形状，在所述盆中一个或多个部分结构形成边缘并且fp层形成底部。
10.在这种结构中产生以下问题：fp桥由于碰撞到传感器晶片的固定结构上会承受损坏。部分结构可以在可运动结构的大偏移的情况下通过与一个或多个止挡结构的机械接触而停止，fp桥的这种碰撞潜在地导致桥的损坏或损毁并且因此必须避免。因此优选地，罩晶片的止挡面这样定位，使得在接合之后在止挡面和尤其在可运动结构或一个或两个部分结构的上侧上的面之间的距离小于fp桥相对于传感器芯的固定结构的距离。以该方式，通过可运动结构碰撞到止挡面上有利地避免，fp桥碰撞到固定结构上并且由此出现损坏。
11.根据本发明的另外的优选实施方式，在第一步骤之前进行的第三步骤中将氧化物层施加到罩晶片上并且通过氧化物层的蚀刻产生保护结构，所述保护结构在罩晶片与传感器晶片连接时针对键合结构的材料的侵入保护传感器芯。在键合时至少局部地加热由罩晶片和传感器芯形成的传感器，由此使合金对连接成期望的共晶合金。通过保护结构有利地避免，键合结构或合金的例如软的或液态的材料流入到传感器芯中。
12.根据本发明的另外的优选实施方式，在第一步骤之前进行的第四步骤中通过蚀刻在罩晶片的表面上产生凹陷部并且在第一步骤中将另外的硬掩模施加到罩晶片的另外的部分区域上，其中，所述另外的部分区域位于凹陷部内部并且罩晶片的被掩盖的另外的部分区域确定罩电极的面。优选地，第四步骤在第三步骤之后进行。在根据本发明的方法的该实施方式中，除了止挡结构之外附加地形成罩电极作为罩晶片的部件。为了防止该罩电极位于与止挡结构相同的那个高度水平上，在真正形成罩电极之前形成凹陷部，在该凹陷部中通过硬掩模限定在接合之后指向传感器晶片的面。由此，类似于在根据本发明的方法的第一步骤中，在蚀刻键合结构时避免另外的材料剥除。通过在凹陷部中的定位实现，罩电极的面位于比止挡结构的止挡面低的高度水平上。因此，在接合之后在可运动结构和止挡面之间的距离小于在可运动结构和罩电极之间的距离。这样在大偏移时在可运动结构碰撞到罩电极上之前有利地停止所述可运动结构。
13.根据本发明的另外的优选实施方式，在第二步骤之后进行的第五步骤中通过蚀刻产生凹口以用于形成腔。在罩晶片与传感器晶片接合时，罩晶片的凹口形成腔的上部分，传感器芯包围到所述腔中。
14.根据本发明的另外的优选实施方式，在第二步骤之后的第六步骤中移除硬掩模。如果在第一步骤中也已经施加另外的硬掩模，那么该另外的硬掩模优选同样在第六步骤中移除。优选地，该步骤在第五步骤之前进行。
15.根据本发明的另外的优选实施方式，在第六步骤之前进行的第七步骤中使键合结构和/或保护结构设有保护漆，所述保护漆在移除硬掩模时针对材料剥除保护键合结构和/或保护结构。优选地，该步骤在第二步骤之后进行。
16.本发明的另外的主题是根据权利要求8的微机电传感器。
17.根据本发明的传感器的优选实施方式，罩晶片具有罩电极，所述罩电极布置在罩晶片的凹陷部中，其中，可运动结构在静止状态中沿偏移方向通过第三距离与罩电极的面间隔开，其中，第三距离大于或等于第二距离。
18.替代于或附加于根据本发明的微机电传感器的前述实施方式，在传感器中也可以单独地或组合地应用结合所述方法阐释的有利构型和特征。
附图说明
19.图1a至8a示意性示出在根据现有技术的制造方法的不同的连续阶段中的罩晶片。
20.图1b至8b示意性示出在根据本发明的制造方法的实施方式的不同阶段中的罩晶片。
21.图1c至8c示意性示出在根据本发明的制造方法的另外的实施方式的不同阶段中的罩晶片。
22.图9a示意性示出根据现有技术的、通过传感器晶片和罩晶片的接合形成的传感器。
23.图9b示意性示出根据本发明的微机电传感器的通过传感器晶片和罩晶片的接合形成的实施方式。
24.图9c示意性示出根据本发明的微机电传感器的通过传感器晶片和罩晶片的接合形成的另外的实施方式。
具体实施方式
25.在下面的附图中，图1c至9c相应于在根据本发明的方法的实施方式的罩晶片2或由此形成的传感器1的制造过程中的不同阶段。图1b至9b示出根据本发明的方法的变型方案，在所述方法中除了止挡结构7之外附加地形成罩电极17作为罩晶片2的部件。图1a至9a示出根据现有技术的制造方法。不同的制造过程的相应阶段相继示出(例如参见图1a、1b、1c的顺序，这些图示出在开始加工罩晶片时的各个第一子步骤)，由此能够良好地突出区别、尤其是缺少的或附加的子步骤。在不同的附图中，相同的或等效的部件总是设有相同的附图标记并且因此通常分别也仅提到或命名一次。
26.如在图1a至1c示出，在开始加工罩晶片2时通过氧化物的沉积和结构化形成具有在1.1μm和1.7μm之间的典型厚度15’的保护结构15。如下面关于图9a至9c描述的那样，该保护结构15用于在加热键合材料4’、25时防止键合材料4’、25侵入到传感器芯5中并且微机电结构的功能性组件受妨碍或受损。
27.如在图2b中示出的那样，在紧接着保护氧化物15的沉积和结构化的子步骤中产生罩晶片2的凹陷部10。在随后的子步骤中，在通过凹陷部10的键合面10’限定的平面中形成罩晶片2的罩电极17。在图2a和2c中示出的制造方法中缺少该子步骤，在所述制造方法中不进行罩电极17的这种形成。
28.下面，如在图3b和3c中示出的那样，在罩晶片2的表面上沉积硬掩模氧化物8”。如在图4b和4c中可看出，然后通过结构化由硬氧化物层8”形成硬掩模8或8’，所述硬掩模分别遮盖晶片表面的确定的部分区域9、9’并且针对在随后的蚀刻中的剥除进行防护。在图4c中的没有罩电极17的变型方案中，掩模8遮盖部分区域9，所述部分区域针对剥除保护晶片2的部分区域，所述剥除之后将形成止挡结构7的止挡面7’。在图4b中的变型方案中，硬掩模8、8’遮盖两个部分区域9、9’，在这两个部分区域中的第一部分区域9又限定止挡结构7的止挡面7’，而在凹陷部10中的另外的部分区域9’限定罩电极17的面17’。根据图3b、3c和4b、4c的硬掩模8的产生相应于根据本发明的方法的第一步骤，并且在按照对应于根据现有技术的方法的图3a和4a中缺少所述硬掩模的产生。
29.在下面的子步骤中产生键合结构4，之后通过所述键合结构使罩晶片2与传感器晶片3连接。针对该目的，沉积锗层并且通过蚀刻结构化所述锗层。这相应于根据本发明的方法的第二步骤的实施方式。如在图5a至5c中可看出，在此通过过蚀刻形成附加的高度差16，即通过蚀刻不仅使锗层结构化，而且附加地从罩晶片2的其余面剥除材料。在现有技术中，如在图5a中示出的那样，通过这样形成的表面16’限定平面，所述平面形成所有随后的结构化过程的起始点并且因此所述平面限定随后形成的结构的最大高度。而在图5b和5c中，在根据本发明的方法的变型方案中，通过掩模8或8’遮盖的区域针对过蚀刻受防护，从而被遮盖的面保留在原始的高度水平上并且由此尤其高于图5a中的表面16，所述表面通过由现有技术已知的方法形成。
30.在下面的子步骤中，如在图6b和6c中画出的那样，保护结构15和键合结构4设有保护漆18并且移除硬掩模8、8’。在此，保护漆18用于在移除硬掩模8、8’时对保护结构15和键合结构4进行保护。
31.如在图7a至7c示出，随后实施腔挖掘，即通过借助于漆掩模挖掘确定的区域来建立凹口19，所述凹口之后在与传感器晶片3接合时形成腔，传感器芯5包围到该腔中。在此，
如在图7b和7c中示出的那样，同时构造出止挡结构7或罩电极(在图7b中)的保留部分。在根据现有技术的方法中，在该子步骤中形成止挡结构7”的整个高度，该止挡结构的止挡面7
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位于在图5a中示出的表面16’的水平上。因此，如由图7a与图7b和7c的比较可看出，通过根据本发明的方法的变型方案制造的、在图7b和7c中示出的止挡结构7的止挡面7’明显高于通过传统的方法产生的止挡面7
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。
32.在图8a至8c中示出罩晶片2的结构的通过不同的方法产生的高度差27、27’、28。各个最高点通过保护结构15的上侧29形成。在图8a中的由现有技术已知的方法中，在最高水平29和止挡结构7”的止挡面7
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之间的高度差27’典型地为2.5μm至3.5μm。而在图8b和8c中的根据本发明的方法的两个实施方式中，高度差27仅通过保护结构15的厚度确定并且典型地为1.1μm至1.7μm。在最高水平29和罩电极17的向上指向的面17’之间的距离30选择得稍微大于距离27并且在组成的传感器1中确定在罩电极的面17’和可运动结构6的上边缘之间的高度差22，如在下面的图9b中可看出。
33.在图9a至9c中示出通过不同的方法产生的、由罩晶片2和传感器晶片3组成的传感器1。在保护结构15外部在罩晶片2和传感器晶片3之间布置有由锗键合结构4和铝键合结构4’组成的连接元件25。对于随后的共晶键合，由合金对4、4’形成共晶合金，该共晶合金使罩晶片2和传感器晶片3材料锁合地相互连接。在附图中仅看出连接元件25的一部分，该连接元件整体上完全围绕传感器芯5并且在共晶键合时使腔与外部空间严密地分开。保护结构15同样围绕整个传感器芯5并且防止在连接元件25熔化时液态的合金材料达到传感器芯中。
34.传感器晶片3具有由两个部分结构12、12’组成的可运动结构6，这两个部分结构通过fp桥13相互连接。在部分结构12和12’之间布置有传感器芯的固定结构14。在可运动结构6沿偏移方向11运动时，运动的幅度通过罩晶片2的止挡结构7限界。在剧烈偏移时，部分结构12碰撞到止挡结构7的止挡面7’上并且以该方式防止大于在止挡面7’和部分结构12之间的距离21或21’的偏移。优选地，止挡结构7这样构型，使得部分结构12和部分结构12’在剧烈偏移时碰撞到止挡结构7上并且以该方式停止。在此，在图9a中的根据现有技术制造的传感器1中产生以下问题：距离21’小于fp桥13和固定结构14之间的距离20，使得在偏移的振幅相应大的情况下存在以下危险：fp桥13碰撞到固定结构14上并且在此机械受损或甚至损毁。
35.而在图9b和9c的通过根据本发明的方法的实施方式制造的传感器1中，距离21明显小于并且尤其小于在fp桥13和固定结构14之间的距离20。以该方式，在fp桥13可能受损之前，可运动结构6由止挡结构7的面7’拦截。在图9b中的具有罩电极17的变型方案中，在罩晶片2的上边缘和罩电极17之间的距离22等于在fp桥13和固定结构14之间的距离20。以该方式确保，可运动结构6在剧烈偏移时既不由于在fp桥13和固定结构14之间的机械接触受损，也不由于在可运动结构6和罩电极17之间的接触受损。