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Dokumentenidentifikation DE102006007729A1 23.08.2007
Titel Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Substrats, entsprechendes MEMS-Substrat und MEMS-Prozess unter Verwendung des MEMS-Substrats
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Benzel, Hubert, 72124 Pliezhausen, DE;
Illing, Matthias, 72127 Kusterdingen, DE;
Lärmer, Franz, 71263 Weil der Stadt, DE;
Armbruster, Simon, 72810 Gomaringen, DE;
Schelling, Christoph, 72762 Reutlingen, DE;
Brasas, Joerg, 72141 Walddorfhäslach, DE;
Grundmann, Armin, 72827 Wannweil, DE
DE-Anmeldedatum 20.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006007729
Offenlegungstag 23.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse B81C 1/00(2006.01)A, F, I, 20060220, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B81B 7/02(2006.01)A, L, I, 20060220, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Substrats, ein entsprechendes MEMS-Substrat und einen MEMS-Prozess unter Verwendung des MEMS-Substrats. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (1); Vorsehen einer Kaverne (12a) in einer Oberfläche (OF) des Halbleitersubstrats (1); Abscheiden einer Halbleiter-Funktionsschicht (15) über der Oberfläche (OF) des Halbleitersubstrats (1), welche einen Membranbereich (MB) über der Kaverne (12a) und einen Schaltungsbildungsbereich (CC) neben der Kaverne (12a) bildet.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Substrats, ein entsprechendes MEMS-Substrat und einen MEMS-Prozess unter Verwendung des MEMS-Substrats.

Obwohl prinzipiell auch auf zahlreiche andere mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von piezoresistiven Drucksensoren erläutert.

Heutzutage sind die meisten der marktgängigen MEMS-(micro electro mechanical system) Produkte als Hybrid aufgebaut. Dieser Ansatz ist modular, kommt mit kürzeren Entwicklungszeiten als ein monolithischer Aufbau aus und erlaubt eine unabhängige Optimierung der elektrischen Schaltungen und mikromechanischen Bauelemente. Allerdings stößt der hybride Ansatz an seine Grenzen, da die Verbindungen (z.B. Bond-Flächen und Bond-Drähte) zwischen mikromechanischen Bauelementen und mikroelektronischen Schaltungen unerwünschte parasitäre Eigenschaften aufweisen, welche die Leistungsdaten begrenzen. Daher sind integrierte MEMS-Produkte immer stärker gefragt, die diese störenden Einflüsse von Verbindungen zwischen den mikroelektronischen und den mikromechanischen Komponenten nicht mehr aufweisen.

Mikromechanische Komponenten erfordern jedoch oft Epitaxie-Prozesse, welche bei moderneren IC-Prozessen nicht mehr vorhanden sind. Insbesondere die heutzutage bekannten piezo-resistiven Drucksensoren erfordern einen Epitaxie-Schritt zur Ausbildung der Sensormembran. Aus der DE 100 32 579 A1 und der DE 10 2004 036 032 A1 ist es bekannt, wie mittels porösem Silizium derartige einkristalline Silizium-Membranen über einer Vakuumkaverne hergestellt werden können (sog. APSM-Prozess für advanced porous silicon membrane). Allerdings ist der Epitaxie-Schritt zur Ausbildung der Sensormembran nicht Bestandteil eines üblichen IC-Prozesses, z.B. eines üblichen CMOS-Prozesses. Für eine Verzahnung der Fertigung des mikromechanischen Bauelements und des IC-Prozessablaufs müsste der standardmäßige IC-Fertigungsprozess geändert werden, was erhebliche Kosten verursachen würde.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Substrats nach Anspruch 1 bzw. das erfindungsgemäße MEMS-Substrat nach Anspruch 6 bzw. der erfindungsgemäße MEMS-Prozess unter Verwendung des MEMS-Substrats nach Anspruch 7 weisen den Vorteil auf, dass sie ein MEMS-Substrat bereitstellen, das in einem IC-Prozess, z.B. CMOS-Prozess, weiterbearbeitet werden kann, ohne dass es eines Epitaxie-Schritts im IC-Prozess bedarf. Die derart vorprossessierten MEMS-Substrate werden als Startmaterial für den eigentlichen IC-Prozess verwendet. Durch die genaue Spezifikation der Epitaxie, insbesondere bezüglich der Dotierung der Funktionsschicht, bei der Herstellung des erfindungsgemässen MEMS-Substrats wird sichergestellt, dass die Eigenschaften der durch den IC-Prozess zu bildenden Schaltung im gewünschten Bereich liegen.

Die Erfindung ermöglicht eine weitere Kostensenkung bei monolithisch integrierten MEMS-Produkten durch dichter packende IC-Prozesse. Dies macht sich insbesondere bei sogenannten Consumer-Anwendungen, z. B. integrierten Silizium-Mikrofonen, Drucksensoren, Druckwandler etc., sehr positiv bemerkbar.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass die Dotierung der Halbleiterfunktionsschicht frei gewählt werden kann, um einen beliebigen Ausgangspunkt für den späteren IC-Prozess vorzusehen.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die Kaverne durch folgende Schritte hergestellt: Bilden einer Maske auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, welche eine Öffnung entsprechend dem zu bildenden Membranbereich aufweist; Vorsehen eines Dotierungsgitters von einem zweiten Dotierungstyp in der Oberfläche des Halbleitersubstrats, welches vom ersten Dotierungstyp ist; Porösätzen eines der Kaverne entsprechenden Bereichs des Halbleitersubstrats; und Entfernen des porösen Bereichs.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung überlappen der Membranbereich (MB) und der Schaltungsbildungsbereich (CC) wenigstens zum Teil bzw. sind wenigstens zum Teil identisch.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1a–c zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungsschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Substrats gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

2a, b zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Schritte eines MEMS-Prozesses unter Verwendung des MEMS-Substrats nach 1c gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.

1a–c zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungsschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Substrats gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 1a bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Halbleitersubstrat, z. B. einen p-dotierten Silizum-Wafer. Auf der Oberfläche OF des Halbleitersubstrats 1 wird zunächst eine Maske 10 aus Siliziumnitrid gebildet, welche eine Öffnung 10a entsprechend einem später zu bildenden Membranbereich MB aufweist. Danach erfolgt ein Implantationsschritt, bei dem ein Dotierungsgitter 5 mit Gittersegmenten 5a in der Oberfläche OF des Halbleitersubstrats 1 gebildet wird, wobei die Dotierungssegmente vom zweiten Leitungstyp n sind.

Weiter mit Bezug auf 1b erfolgt dann ein an sich bekannter Prozess zum Porösätzen (z.B. anodisch oder stromlos) eines Bereichs 12 des Halbleitersubstrats 1 unter Verwendung der Siliziumnitrid-Maskenschicht 10 als Maske. Im Anschluss daran wird die Siliziumnitrid-Maskenschicht 10 gemäß einer ersten Prozessvariante entfernt.

Weiter mit Bezug auf 1c erfolgt anschließend eine Temperung, wobei eine thermische Umwandlung des porösen Bereichs 12 erfolgt, bei dem das Dotierungsgitter 5 über einer bei der Umwandlung des porösen Bereichs 12 entstandenen Kaverne 12a zurückbleibt. Mit anderen Worten wird hierbei eine Kaverne 12a gebildet, die von dem Dotierungsgitter 5 überspannt ist.

Schließlich erfolgt mit Bezug auf 1c ein Epitaxie-Schritt, bei dem eine Halbleiterfunktionsschicht 15 aus beliebig dotiertem bzw. undotiertem einkristallinen Silizium über der Oberfläche OF des Halbleitersubstrats 1 abgeschieden wird, welche den Membranbereich MB über der Kaverne 12a und einen Schaltungsbildungsbereich CC neben der Kaverne 12a bildet. Die ungefähren lateralen Erstreckungen dieser Bereiche sind in 1c mit I bzw. II angedeutet. Die entsprechende Dotierung der Halbleiterfunktionsschicht 15 ist dabei entsprechend der später zu erstellenden elektronischen Schaltung bzw. mikromechanischen Bauelementes anpassbar. Beim Epitaxie-Prozess zur Bildung der Funktionsschicht 15 kann eine beliebige Atmosphäre innerhalb der Kaverne 12a eingestellt werden, beispielsweise Vakuum oder ein vorbestimmter Druck eines Gases, wie z. B. eines Edelgases.

Bei einer zweiten Prozessvariante erfolgt ein Ätzprozess, bei dem der poröse Bereich 12 entfernt wird. Der Ätzprozess zum Entfernen des porösen Bereichs 12 muss dabei nicht notwendigerweise selektiv zum n-dotierten Dotierungsgitter 5 sein, da poröses Silizium aufgrund seiner Mikrokapillarstruktur eine wesentlich höhere Ätzrate als kristallines Silizium aufweist.

Bei einer dritten Prozessvariante wird das Porösätzen in einer Elektropolitur mit geänderten physikalischen Parametern eines anodischen Prozesses fortgeführt, bei dem der poröse Bereich 12 gänzlich entfernt wird.

Somit ist durch den Front-End-Prozess gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein MEMS-Substrat geschaffen, welches sich für einen anschließenden IC-Prozess eignet, der keinen Epitaxie-Schritt aufweist.

2a, b zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Schritte eines MEMS-Prozesses unter Verwendung des MEMS-Substrats nach 1c gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Mit Bezug auf 2a, b findet beim IC-Prozess das Bilden eines mikromechanischen Bauelementes in Form eines piezoresistiven Drucksensors im Membranbereich MB und das Bilden einer mikroelektronischen Schaltung in Form eines MOSFET im Schaltungsbildungsbereich CC statt. Die Funktionsschicht 15 ist bei diesem Beispiel p-dotiert.

Insbesondere wird gemäss 2a im Membranbereich MB ein auf mechanische Spannungen sensitiver Widerstandsbereich 30b (z.B. Piezowiderstand) vom zweiten Leitungstyp n implantiert und anschließend ein Zuleitungsbereich 30a ebenfalls vom zweiten Leitungstyp n. Im Schaltungsbildungsbereich CC wird beim vorliegenden Beispiel eine Wanne 20 vom zweiten Leitungstyp n in die p-dotierte Funktionsschicht 15 implantiert. Bezugszeichen 25a und 25b bezeichnen p+-dotierte Source- bzw. Drain-Bereiche des MOSFET-Transistors.

Wie in 2b dargestellt, wird anschliessend eine Isolationsschicht 40 aus Siliziumoxid über der resultierenden Struktur abgeschieden, wonach ein Gatebereich 45 über einem zuvor gebildeten Gatedielektrikumsbereich 41 im Schaltungsbildungsbereich CC vorgesehen wird.

Schließlich werden metallische Zuleitungen 50a, 50b, 50c vorgesehen, die auf der Isolationsschicht 40 aus Siliziumoxid und entsprechende Durchkontaktierungen aufweisen, wodurch der Anschlussbereich 50a den Zuleitungsbereich 30a des mikromechanischen Bauelements kontaktiert und wobei die Zuleitungsbereiche 50b bzw. 50c den Source-Bereich 25a bzw. den Drain-Bereich 25b im Schaltungsbildungsbereich kontaktieren.

Auf diese Art und Weise erhält man durch einen CMOS-Prozess ohne Epitaxie-Schritt ein mikromechanisches Bauelement im Membranbereich, nämlich im vorliegenden Fall den piezoresistiven Drucksensor, wohingegen man im Schaltungsbildungsbereich CC einen MOSFET-Transistor erhält.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Insbesondere können einzelne Prozessschritte auch untereinander in ihrer Reihenfolge vertauscht werden, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.

Obwohl beim obigen Beispiel das MEMS-Substrat unter Verwendung der Maske aus Siliziumnitrid gebildet worden ist, ist es auch möglich, eine Randdotierung im Halbleitersubstrat vorzusehen, welche den porös zu machenden Bereich seitlich umgibt. Eine derartige Flankierung des Dotierungsgitters hat dabei idealerweise eine höhere Tiefenerstreckung als das Dotierungsgitter selbst. Auch kann für einen anodischen Prozess eine Aufdotierung der Rückseite des Substrats vorgesehen werden.

Die beim obigen Beispiel gezeigte Schaltung in Form eines MOS-Transistors bzw. das mikromechanische Bauelement in Form eines piezoresistiven Drucksensors sind beispielhaft und können beliebig modifiziert werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Substrats mit den Schritten:

Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (1);

Vorsehen einer Kaverne (12a) in einer Oberfläche (OF) des Halbleitersubstrats (1);

Abscheiden einer Halbleiter-Funktionsschicht (15) über der Oberfläche (OF) des Halbleitersubstrats (1), welche einen Membranbereich (MB) über der Kaverne (12a) und einen Schaltungsbildungsbereich (CC) neben der Kaverne (12a) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (12) durch folgende Schritte hergestellt wird:

Bilden einer Maske (10) auf der Oberfläche (OF) des Halbleitersubstrats (1), welche eine Öffnung (10a) entsprechend dem zu bildenden Membranbereich (MB) aufweist;

Vorsehen eines Dotierungsgitters (5) von einem zweiten Dotierungstyp (n) in der Oberfläche (OF) des Halbleitersubstrats (1), welches vom ersten Dotierungstyp (p) ist;

Porösätzen eines der Kaverne (12a) entsprechenden Bereichs (12) des Halbleitersubstrats (1); und

Entfernen des porösen Bereichs (12).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Bereich (12) durch einen thermischen Umlagerungsprozess entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Bereich (12) durch einen Ätzprozess entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Bereich (12) durch anodisches Elektropolieren entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranbereich (MB) und der Schaltungsbildungsbereich (CC) wenigstens zum Teil überlappen bzw. identisch sind. MEMS-Substrat mit:

einem Halbleitersubstrat (1) von einem ersten Dotierungstyp (p);

einer Kaverne (12a) in einer Oberfläche (OF) des Halbleitersubstrats (1); und

einer Halbleiter-Funktionsschicht (15) über der Oberfläche (OF) des Halbleitersubstrats (1), welche einen Membranbereich (MB) über der Kaverne (12a) und einen Schaltungsbildungsbereich (CC) neben der Kaverne (12a) bildet.
MEMS-Prozess unter Verwendung des MEMS-Substrats nach Anspruch 7 mit den Schritten:

Bilden eines mikromechanischen Bauelements im Membranbereich (MB), welches zumindest eine auf mechanische Spannungen sensitive Komponente (30b) aufweist; und

Bilden einer mikroelektronischen Schaltung im Schaltungsbildungsbereich (CC).
MEMS-Prozess nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden einer mikroelektronischen Schaltung ein CMOS-Prozess angewendet wird. MEMS-Prozess nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf mechanische Spannungen sensitive Komponente (30b) einen piezoresistiven Widerstand aufweist. MEMS-Prozess nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement eine kapazitive Wandlereinrichtung aufweist.






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