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Dokumentenidentifikation DE102006004209B3 06.09.2007
Titel Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Müller, Karl-Heinz, 84149 Velden, DE;
Winkler, Bernhard, 80937 München, DE
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 30.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006004209
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse B81C 1/00(2006.01)A, F, I, 20060130, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B81B 7/00(2006.01)A, L, I, 20060130, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Bereich zur Bildung einer integrierten Schaltung wird zunächst eine erste Schicht (140) auf einem tiefer gelegten Teil im Substrat (100) erzeugt. Anschließend wird eine Membranschicht (160) auf der ersten Schicht (140) erzeugt und zumindest ein Kanal (170), der die Membranschicht (160) vollständig durchdringt, wird in die Membranschicht (160) eingebracht. Nachfolgend wird ein Bereich der ersten Schicht (140) unterhalb der Membranschicht (160) entfernt, um einen Hohlraum (150) zu bilden. Abschließend wird der Kanal (170) verschlossen und eine planare Oberfläche (200; 220) gebildet.

Beschreibung[de]

Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, insbesondere auf ein mikromechanisches Bauelement mit einem Bereich zur Bildung von integrierten Schaltungen, also beispielsweise mikromechanische Sensoren, wie etwa integrierte Drucksensoren oder integrierte Beschleunigungssensoren.

Für die Herstellung von integrierten Sensorelementen gibt es in der Oberflächenmikromechanik die Möglichkeit, Hohlräume für solche Bauelemente zusammen mit anderen elektrischen Bauelementen in einer integrierten Schaltung herzustellen. Dabei haben die Prozessschritte zur Herstellung der Mikromechanikkomponenten (Mikromechanik-Prozessschritte) zum Teil erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der prozessierten elektrischen Bauelemente. Eine Konsequenz, die sich hieraus ergibt, besteht häufig in einer Einschränkung der Freiheitsgrade bei der Prozessführung zum Herstellen und Verschließen von Hohlräumen in diesen Bauelementen. Dadurch müssen zum Teil auch Nachteile bei den Eigenschaften der Mikromechanikbauelemente in Kauf genommen werden. Ein Beispiel für eine solche Einschränkung bzw. einen solchen Nachteil bei den Eigenschaften eines solchen Mikromechanikbauelements besteht darin, dass besonders bei modernen Prozessen und Bauelementen es sehr darauf ankommen kann, dass die vorgesehenen Dotierungsprofile nicht verschoben werden.

Zur Lösung dieser Problematik werden bisher vorwiegend Zwei-Chip-Lösungen verwendet, wobei ein Chip die Mikromechanik-Strukturen enthält und ein zweiter Chip die Auswertelektronik zur Verarbeitung der von dem ersten Chip erhaltenen Signale. Beide Bausteine werden getrennt prozessiert.

Eine gegenseitige Prozess-Beeinflussung in Form von Prozess-Einflüssen des jeweils anderen Herstellungsprozesses können hierbei vermieden werden. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch in den erheblichen Mehrkosten, die durch die getrennte Prozessführung und die getrennten Chips entstehen. Außerdem entsteht durch die getrennte Prozessierung der beiden Chips ein zusätzlicher Package-Aufwand, was einerseits den Bauraum des fertigen Bauelements und andererseits die Herstellungskosten erhöht. Darüber hinaus können bestimmte Anwendungen, die beispielsweise auf eine Auswertung besonders kleiner Signale angewiesen sind, mit diesem Konzept nicht realisiert werden, da beispielsweise die betreffenden Signale über Bonddrähte transportiert werden müssen, über die Störsignale besonders leicht in den Sensor einkoppeln können.

Eine andere Lösung wird anhand des in 2 gezeigten schematischen Aufbaus und anhand des in 3 gezeigten Rasterelektronenmikroskopbildes näher beschrieben und erläutert. Die Hohlraumstrukturen werden hierbei nach der Herstellung der elektrischen Bauelemente prozessiert. Wechselseitige Prozesseinflüsse haben ein zum Teil aufwendiges Nachjustieren der elektronischen Bauelemente in diesem Fall zur Folge.

Durch eine gelochte Platte, die beispielsweise aus Poly-Silizium (Poly-Si), Siliziumoxid (Si-Oxid) oder Siliziumnitrid (Si-Nitrid) bestehen kann, kann ein Hohlraum freigeätzt werden. 2a zeigt diesen Zwischenzustand eines integrierten Sensorelements schematisch. Auf einem Substrat 800 ist eine Opferschicht 810 aufgebracht, die im fertigen Bauelement die Rolle des Abstandshalters für die in 2a auch als Deckel bezeichnete Membranschicht 820 übernimmt. Die Membranschicht 820 weist eine Mehrzahl von Löchern 830 auf. Durch die Löcher 830 ist ein Hohlraum 840 freigeätzt worden. 2a zeigt also einen freigeätzten Hohlraum 840 mit gelöchtertem Deckel 820. Anschließend wird, wie 2b zeigt, eine Verschlussschicht 850 auf die Membranschicht 820 und die Opferschicht 810 aufgebracht, die jedoch die Löcher 830 in der Membranschicht noch nicht vollständig verschlossen hat. Als Verschlussschichtmaterial wird häufig hochdotiertes Silikatglas verwendet, wie beispielsweise Borphosphorsilikatglas (BPSG = Borophosphosilicate glass) oder Phosphorsilikatglas (PSG = Phosphorsilicatglass). 2b zeigt schematisch das Bauelement nach der BPSG-Abscheidung. In einem folgenden Prozessschritt wird das Bauelement erhitzt, woraufhin die Verschlussschicht 850 zähflüssig wird und die Löcher 830 verschließt, wie dies in 2c schematisch gezeigt ist. 2c zeigt schematisch das Bauelement nach dem Verfließen des BPSG. Neben dem Prinzipschema, das 2 zeigt, zeigt 3 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (REM = Rasterelektronenmikroskop, SEM = scanning electron microscope) eines Querschnitts durch ein entsprechendes Bauelement mit einem auf diese Art und Weise gefertigten Hohlraum. Bei dem in 3 gezeigten Bauelement ist die Hohlraumstruktur mit BPSG verschlossen worden. In 3 sind mit den in 2 bereits verwendeten Bezugszeichen die entsprechenden Strukturen gekennzeichnet. Dieses Herstellungskonzept ist beispielsweise in der Patentschrift DE 10022266 A1 beschrieben.

Nachdem also der Hohlraum 840 durch die gelochte Platte bzw. Membranschicht 820 freigeätzt wurde, wird diese bzw. die Löcher 830 der Membranschicht 820 mit hochdotiertem Silikatglas, beispielsweise PSG oder BPSG, verschlossen. Das Verschließen mit hochdotiertem Silikatglas ist hierbei möglich, weil es bei hohen Temperaturen, im Falle von BPSG normalerweise ab ca. 700°C, zähflüssig wird und sich wie eine gut benetzende Flüssigkeit verhält. Durch seine Oberflächenspannung gleicht es Unebenheiten in der Topologie aus und verschließt kleine Öffnungen, im vorliegenden Fall die Löcher 830, gasdicht. Dieser Prozessschritt wird auch als „Verfließen" oder mit dem englischen Fachterm „Reflow" bezeichnet.

Die DE 69429381 T2 bezieht sich auf ein Verfahren zum Mikro-Bearbeiten eines in der Oberfläche eines Siliziumkörpers integrierten Sensors. Das Verfahren zur Mikro-Bearbeitung der Oberfläche eines Siliziumsubstrats, das eine minimale Anzahl von Prozessschritten umfasst, beinhaltet einen preferierten Ätzprozess, bei dem eine Chlor-Plasma-Ätzung eingesetzt wird, die in der Lage ist, eine laterale Ätzung an einer vergrabenen N+-Lage unterhalb der Oberfläche des Substrats durchzuführen. Ein solches Verfahren kann beispielsweise angewendet werden, um ein Messelement zu erzeugen, das ein kleines mikro-bearbeitetes Element, etwa eine Brücke, einen Kantilever, eine aufgehängte Masse oder ein kapazitives Element, die über einen Hohlraum unterstützt werden, in einem volumenmäßigen Siliziumsubstrat auszubilden. Das Verfahren ermöglicht auch eine Ausbildung eines solchen Messelements auf dem gleichen Substrat wie die steuernden, integrierten Schaltungen. Das Verfahren eignet sich dazu, die dimensionalen Charakteristika der mikro-bearbeiteten Elemente zu optimieren oder die micro-bearbeiteten Elemente zu kapseln.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements zu schaffen, das eine Integration von Hohlräumen in integrierte Schaltungen ermöglicht, ohne die elektrischen Bauelemente der integrierten Schaltungen durch die Hohlraumherstellungsprozessschritte stärker zu beeinflussen.

Hochdotiertes Silikatglas, das zwar prinzipiell für einen Hohlraumverschluss gut geeignet ist, kann üblicherweise jedoch erst nach der Herstellung der elektrischen Bauelemente, dem sog. Grundprozess, verwendet werden, da von dem hochdotierten Silikatglas eine sehr hohe Kontaminationsgefahr für das (prozessierte) Bauelement ausgeht. Bereits dieser Hohlraumherstellungsprozess mit dem Teilschritt des Verfließens, der nach dem Grundprozess ausgeführt wird, beeinflusst üblicherweise die auf dem Wafer enthaltenen integrierten Schaltungen bzw. die prozessierten elektrischen Bauelemente, so dass deren Eigenschaften, beispielsweise elektrische Widerstände, Kapazitäten oder andere elektrische, mechanische, optische, akustische oder andere physikalische Größen, in nicht vorhersagbarer Art und Weise verändert werden können, was einen erheblichen Nachteil dieses Herstellungsprozesses darstellt.

Ein gasdichter Verschluss durch Abscheiden undotierter Oxide ist prinzipiell auch möglich, jedoch nur unter sehr schwierigen Bedingungen, weil sich hier im Rahmen des Abscheidprozesses immer Wachstumslinien bilden. Außerdem zeigen undotierte Oxide bei hohen Temperaturen kein Fließverhalten, so dass Öffnungen bzw. Löcher daher nur mit relativ großen Schichtdicken verschlossen werden können, da ein Loch bereits während der Abscheidung zuwachsen muss. Ein nachträgliches Schließen von Öffnungen oder Löchern durch ein Verfließen ist in diesem Fall nicht möglich.

Die EP 0714017 A1 bezieht sich auf einen Drucksensor, insbesondere auf einen mikromechanisch herstellbaren Drucksensor, bei der in einer Hilfsschicht, die mit einer Membranschicht bedeckt ist, durch Aussparungen in dieser Membranschicht ein Hohlraum hergestellt und diese Aussparung anschließend durch Anteile einer Verschlussschicht verschlossen wurden. Hierbei können noch weitere Schichten, die im Bereich der Membran entfernt sind, aufgebracht sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eins mikromechanischen Bauelements gemäß Anspruch 1 oder durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 9 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Bereich zur Bildung einer integrierten Schaltung mit folgenden Schritten:

Erzeugen einer Ausnehmung in einem Substrat;

Erzeugen einer ersten Schicht in der Ausnehmung;

Erzeugen einer Membranschicht auf der ersten Schicht;

Einbringen zumindest eines Kanals in die Membranschicht, der die Membranschicht vollständig durchdringt;

Entfernen eines Bereichs der ersten Schicht unterhalb der Membranschicht, um einen Hohlraum zu bilden;

Verschließen des zumindest einen Kanals; und

Bilden einer planaren Oberfläche,

wobei die erste Schicht und die Membranschicht so in der Ausnehmung erzeugt werden, dass der Hohlraum in der Ausnehmung angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Bereich zur Bildung einer integrierten Schaltung mit folgenden Merkmalen:

einer Ausnehmung in dem Substrat;

einer ersten Schicht in der Ausnehmung;

einer Membranschicht auf der ersten Schicht, die einen Hohlraum in der ersten Schicht überdeckt; und

einer planaren Oberfläche,

wobei der Bereich zur Bildung der integrierten Schaltung außerhalb eines Bereichs liegt, in der die Membranschicht gebildet ist; und

wobei die erste Schicht und der Hohlraum in der Ausnehmung angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung löst das oben geschilderte Problem der Beeinflussung der Eigenschaften der integrierten Schaltungen dadurch, indem bei einem integrierten Prozess die Hohlraumstrukturen bzw. der Hohlraum vor den elektrischen Bauelementen in Form der integrierten Schaltungen prozessiert werden, so dass der Einfluss der Hohlraumherstellung auf die elektrischen Eigenschaften möglichst bzw. weitgehendst reduziert wird. Durch die Entkopplung der Herstellungsschritte zur Herstellung des Hohlraums und der Herstellungsschritte zur Herstellung der integrierten Schaltungen, also der beiden Prozessmodule, kann der Hohlraumverschluss ohne ein fließfähiges Material durch den neuartigen erfindungsgemäßen Verschlussprozess realisiert werden. Vorzugsweise wird der Hohlraum durch Aufoxidieren bzw. Oxidation einer gelochten Platte aus Silizium verschlossen. Dieser Oxidationsprozess findet bei hohen Temperaturen, typischerweise bei Temperaturen über 1000°C statt und ist möglich, da er vor der Herstellung der elektrischen Bauelemente in Form der integrierten Schaltungen abläuft, so dass die zu der Oxidation des Poly-Siliziums notwendigen Temperaturen die integrierten Schaltungen nicht in Mitleidenschaft ziehen können.

Grundsätzlich sind auch andere Verschlussarten möglich. So können z.B. bei einem hohen Aspektverhältnis der Ätzkanäle in der Membranschicht diese Kanäle durch Abscheidung eines undotierten Materials verschlossen werden.

Erfindungsgemäß werden also durch geeignete Wahl der Prozessführung bei integrierten Prozessen mit mikromechanischen Strukturen Störeinflüsse zwischen Mikromechanik und elektrischen Bauelementen und die damit verbundenen Nachteile vermieden.

Da das mikromechanische Bauelement eine planare Oberfläche ausweist, können weitere Herstellungsprozessschritte zur Herstellung der integrierten Schaltung einfacher und zuverlässiger durchgeführt werden.

Vorzugsweise wird die Membran in einer Vertiefung des Substarts angeordnet, was die Erzeugung einer planaren Oberfläche der Struktur ohne wesentliche Erhöhung der Gesamtdicke ermöglicht.

Vorzugsweise erfolgt das Verschließen des zumindest einen Kanals durch die Membranschicht durch eine Oxidation oder eine Nitrierung des Membranmaterials so dass keine zusätzliche Schicht oder zusätzliches Material aufgebracht werden muss.

Darüber hinaus kann die Membranschicht aus einem halbleitenden Material, beispielsweise Silizium oder Poly-Silizium, hergestellt sein, um eine gute elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Bauelement unterhalb der ersten Schicht einen dotierten Bereich, so dass eine elektrische Kontaktierung des Hohlraums substratseitig erfolgen kann. Zusammen mit der guten elektrischen Leitfähigkeit, die die Membranschicht aufgrund ihrer Erzeugung und des Verschließens der Kanäle, die diese vollständig durchdringen, aufweisen kann, ist somit eine elektrische Kontaktierung des Hohlraums sowohl substratseitig, wie auch oberflächenseitig möglich.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1(a)–(d) eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements;

2(a)–(c) eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements; und

3 ein Rasterelektronenmikroskopbild eines mikromechanischen Bauelements, das gemäß dem Verfahren nach 2 hergestellt wurde.

Bezugnehmend auf 1 wird nun ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements und dessen Struktur näher erläutert.

Wie in 1a zu sehen ist, wird zunächst ein Substrat 100 bereitgestellt. Auf dem Substrat 100 wird eine Oxidschicht 110 und darauf eine Nitritschicht 120 abgeschieden. Die beiden Schichen 110, 120 werden mittels Lithographie und einem Ätzschritt strukturiert. Die Nitritschicht 120 dient hierbei als Hartmaske zum Ätzen einer Vertiefung bzw. Ausnehmung 125 in dem Substrat 100, die sich ausgehend von einer Substratoberfläche in das Substrat 100 erstreckt. Mit dieser Vertiefung, oder genauer gesagt ihrer Dimensionierung, stellt man die spätere Opferschichtdicke und Poly-Membrandicke ein. Die Ausnehmung 125 wird in ein Bereich gebildet, der nicht durch die strukturierte Nitridschicht geschützt ist. Durch Implantation wird in dem so geöffneten Substrat 100 eine niederohmige Wanne 130 erzeugt. Hierbei dient ebenfalls die Nitridschicht 120 als Hartmaske. Diese Wanne 130 dient als untere Elektrode des späteren mikromechanischen Bauelementes.

In einem nächsten Prozessschritt wird eine weitere Oxidschicht 140 abgeschieden, die die Substratoberfläche und den Boden 135 der Ausnehmung 125 bedeckt. Die weitere Oxidschicht 140 dient als Opferschicht für die später entstehende Hohlraumstruktur, wobei der Begriff „Opferschicht" angibt, dass Teile der Opferschicht 140 im weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses entfernt werden, um einen Hohlraum 150 zu bilden. Die Opferschicht 140 weist eine Dicke auf, die im Wesentlichen der Höhe des später entstehenden Hohlraums 150 entspricht. Auf die Opferschicht 140 wird eine Siliziumschicht 160, die auch als Membranschicht 160 bzw. Silizium-Membran oder gelochte Polymembran bezeichnet wird, abgeschieden. Anders ausgedrückt wird die Tiefe der Vertiefung durch die Dicke der Opferschicht 140 und der Membranschicht 160 bestimmt. In die Membranschicht 160 werden schmale Ätzlöcher bzw. Kanäle 170 geätzt werden. Die Kanäle 170 weisen hierbei einen Durchmesser von typischerweise 0,05 bis 1,0 µm, vorzugsweise von ca. 0,2 bis 0,4 µm auf. Die Kanäle 170 werden ebenfalls mit Hilfe lithographischer Methoden strukturiert und geätzt.

In einem nächsten Schritt wird mit Hilfe einer nasschemischen Ätzung durch die Kanäle bzw. Ätzlöcher 170 der Hohlraum 150 geätzt bzw. freigelegt, so dass sich die in 1a dargestellte Struktur ergibt.

Anschließend erfolgt eine Oxidation, um die Membranschicht 160 mit den Kanälen 170 aufzuoxidieren, so dass die Membranschicht 160 durch ein thermisches Oxid 180 bedeckt ist und die Löcher bzw. Kanäle 170 geschlossen sind, wodurch der abgeschlossene Hohlraum 150 entsteht. Wie zu erkennen ist, hat sich auf dem Boden 135 des Hohlraums 150 aufgrund der Oxidation eine dünne Oxidschicht 185 gebildet, da die Kanäle zu Beginn des Oxidationsschrittes noch nicht verschlossen sind. Die verschlossenen Kanäle 170 sind in 1(b) bis 1(d) durch die schraffierten Bereiche 180a dargestellt. Obwohl bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Kanäle vollständig gefüllt sind, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Eine weitere Möglichkeit einen Hohlraumverschluss zu realisieren, also die Löcher bzw. Kanäle 170 zu schließen, besteht darin, diese durch Abscheiden eines Verschlussmaterials zu verschließen. Das abgeschiedene Material, das den Hohlraum verschließt, kann beispielsweise im Rahmen des Abscheidens einer Planarisierungsschicht erfolgen, so dass das Material, das die Löcher bzw. Kanäle 170 zumindest teilweise auffüllt ebenfalls aus dem Material einer später aufgebrachten Planarisierungsschicht besteht.

In der weiteren Folge der Prozessschritte wird zur Planarisierung eine Planarisierungsschicht, z.B. eine Oxidschicht, auf der Struktur aus 1c abgeschieden. In einem folgenden chemisch-mechanischen Polierschritt (CMP = Chemical-Mechanical Polishing) wird die Planarisierungsschicht bis zu der Nitridschicht 120 entfernt, so dass die Nitridschicht 120 freiliegt und in der Vertiefung 125 ein Teil 190 der Planarisierungsschicht zurückbleibt. Hierdurch erhält das mikromechanische Bauelement eine planare bzw. planarisierte Oberfläche 200. Die sich ergebende Struktur ist in 1c gezeigt.

Die Nitridschicht 120 wird in einem nächsten Prozessschritt durch ein Ätzen bzw. eine Ätzung entfernt. Anschließend wird die Oxidschicht 110 auf dem Substrat 100, ein Teil der Planarisierungsschicht bzw. das Planarisierungsoxid 190 in der Ausnehmung, ein Teil der Oxidschicht 140 und das thermische Oxid 180 auf der Membranschicht 160 durch Rückätzung entfernt, um die planare Oberfläche 220 zu erzeugen. Diese Ätzschritte können im Allgemeinen ohne Lithographie-Schritte durchgeführt werden. Diese Ätzschritte können darüber hinaus hoch selektiv bezogen auf das Material des Substrats 100 und/oder in Bezug auf die Membranschicht 160 bzw. Polymembran 160 erfolgen, indem diese Ätzschritte nasschemisch mit entsprechenden Ätzlösungen durchgeführt werden, die eine hohe Selektivität bezüglich verschiedener Materialien aufweisen. In 1d ist die so entstehende Hohlraumstruktur mit planarer Oberfläche 220 dargestellt.

Je nach Prozessbedingung kann es dazu kommen, dass die Membranschicht nicht bündig mit der Oberfläche des mikromechanischen Bauelements abschließt, sondern eine geringe Stufe aufweist. Hierbei wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter einer geringen Stufe eine Höhendifferenz verstanden, die typischerweise geringer als 50 % und vorzugsweise geringer als 20 % der Schichtdicke einer Schicht oder einer Struktur des betreffenden Bauelements ist, die eine dickste Schicht des Bauelements darstellt.

Anschließend können außerhalb des Membranbereichs, also außerhalb des Bereichs, in dem die Hohlraumstruktur entstanden ist, mit Hilfe eines Standardprozesses elektrische Bauelemente als Teil einer integrierten Schaltung hergestellt werden.

Der Hohlraum 150 eignet sich z. B. als Membran für einen Drucksensor. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist beispielsweise die Erhöhung der Güte von Spulenelementen, die auf dem Hohlraum angeordnet sein können. Hierdurch kann eine Wechselwirkung eines solchen Spulenelements mit dem Substrat 100 reduziert werden. Das Prinzip kann auf Elemente angewendet werden, die thermisch vom Substrat entkoppelt werden sollen.

Die vorliegende Erfindung schafft somit ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Hohlraums 150 in Oberflächenmikromechanik in integrierten Schaltungen, wie sie beispielsweise in mikromechanischen Sensoren, etwa in integrierten Drucksensoren oder anderen Sensoren eingesetzt werden kann. Durch die Verwendung einer Verschluss-Oxidation ermöglicht sie so eine Lösung des Problems, Hohlräume in integrierten Schaltungen herstellen zu können, ohne elektrische Bauelemente, die mit der Hohlraumstruktur auf einem Chip integriert werden sollen, durch die Hohlraumherstellungsprozess-Schritte zu beeinflussen. Diese neue Methode zum Verschließen von Hohlräumen ermöglicht unter Anderem eine gasdichte Abschließung eines entsprechenden Hohlraums.

Durch die Prozessierung der Hohlraumstrukturen vor der Prozessierung von elektrischen Bauelementen als integrierte Schaltungen ist es besonders vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Bereich zur Bildung integrierter Schaltungen eine geeignete Wahl der Prozessführung ermöglicht, so dass wechselseitige Störeinflüsse zwischen Prozessschritten zur Herstellung mikromechanischer Strukturen und Prozessschritten zur Herstellung elektrischer Bauelemente weitgehendst vermieden werden können. Des Weiteren ermöglicht diese Prozessführung eine Vermeidung einer nachteiligen Beeinflussung von Eigenschaften elektrischer Bauelemente durch die Prozessierung der mikromechanischen Strukturen.

Dadurch, dass die Membran bzw. die Membranschicht 160 in eine Substratausnehmung, also in eine Vertiefung des Substrats 100 eingebracht wurde, können beispielsweise auch sehr dicke Membranen bzw. Membranschichten 160 mit Dicken von 1 µm oder mehr realisiert werden. Typischerweise können so Membranschichten 160 mit Dicken zwischen 0,5 µm und 20 µm und vorzugsweise zwischen 0,9 µm und 2 µm realisiert werden. Nach dem Abschluss der Herstellung der Membran, dem Verschließen der Membran und der Planarisierung, also nach dem Abschluss des Membranprozesses, weist das mikromechanische Bauelement eine ebene, planare Oberfläche auf, was einen sehr wichtigen Vorteil für die weitere Prozessierung des Bauelements, und hier insbesondere für die Prozessierung der integrierten Schaltungen, darstellt. Die planare Oberfläche des mikromechanischen Bauelements ermöglicht so eine besonders einfache und effiziente Integration des Bauelements in weitere Herstellungsprozesse, beispielsweise einen 0,25 µm-Prozess, der auch als Quarter-Micron-Prozess bezeichnet wird. Der Grund hierfür liegt in der besonders einfachen Topologie, die beispielsweise eine Fokussierung im Rahmen weiterer Lithographie-Schritte ermöglicht.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Bereich zur Bildung integrierter Schaltungen besteht darin, die Dicke der Membranschicht, also die Membrandicke, so zu wählen, dass das mikromechanische Bauelement in einen Standard-STI-CMOS-Prozess eingebunden werden kann (STI = shadow trench insulation = Flachgraben-Isolation; CMOS = complementary metal oxid semiconductor = komplementäre Metalloxidhalbleiterschaltung). So ist es möglich, Standard-STI-CMOS-Gräben in der Membranschicht unterzubringen, so dass keine zusätzlichen Silizium-Ätzungen (Si-Ätzungen) durchgeführt werden müssen.

Grundsätzlich ist es auch möglich, erfindungsgemäße Mikromechanische Bauelemente mit einem Bereich zur Bildung integrierter Schaltungen nicht in einer Substratausnehmung zu platzieren, sondern diese auf der Oberfläche des Substrats anzuordnen. In diesem Fall unterscheidet sich das Verfahren zur Herstellung des entsprechenden mikromechanischen Bauelements im Wesentlichen durch die zur Planarisierung notwendigen Prozessschritte. In diesem Fall kann beispielsweise eine zusätzliche Füllschicht auf die verschlossene Membranschicht aufgebracht werden, die dann beispielsweise mit Hilfe eines Rückätzprozesses oder eines chemisch-mechanischen Polierens (CMP) planarisiert wird.

Auch andere Anordnungen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sind möglich. So kann durchaus der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Hohlraum sehr tief, beispielsweise mehrere 10 µm, in das Innere des Substrats verlagert werden. Ebenso ist es auch denkbar, dass die Membranschicht des mikromechanischen Bauelements unmittelbar an der Oberfläche des Substrats angeordnet ist und/oder eine geringe Dicke aufweist, um beispielsweise besonders kleine Druckdifferenzen bei einer Verwendung als Drucksensor nachweisen zu können.

100
Substrat
110
Oxidschicht
120
Nitridschicht
125
Ausnehmung
130
Wanne
135
Boden der Ausnehmung
140
Opferschicht
150
Hohlraum
160
Membranschicht
170
Kanäle
180
thermisches Oxid
180a
verschlossener Kanal
185
Oxidschicht in dem Hohlraum
190
Planarisierungsschicht
200
planare Oberfläche
220
planare Oberfläche mit freigelegter Membran
800
Substrat
810
Opferschicht
820
Membranschicht
830
Loch
840
Hohlraum
850
Verschlussschicht


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Bereich zur Bildung einer integrierten Schaltung mit folgenden Schritten:

Erzeugen einer Ausnehmung (125) in einem Substrat (100);

Erzeugen einer ersten Schicht (140) in der Ausnehmung (125);

Erzeugen einer Membranschicht (160) auf der ersten Schicht (140);

Einbringen zumindest eines Kanals (170) in die Membranschicht (160), der die Membranschicht (160) vollständig durchdringt;

Entfernen eines Bereichs der ersten Schicht (140) unterhalb der Membranschicht (160), um einen Hohlraum (150) zu bilden;

Verschließen des zumindest einen Kanals (170); und

Bilden einer planaren Oberfläche (200; 220),

wobei die erste Schicht (140) und die Membranschicht (160) so in der Ausnehmung (125) erzeugt werden, dass der Hohlraum (150) in der Ausnehmung (125) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner folgenden Schritt umfasst:

Erzeugen einer integrierten Schaltung in dem dafür vorgesehenen Bereich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Schritt des Verschließens des zumindest einen Kanals (170) einen Schritt des Oxidierens, des Nitrierens oder einen Schritt des Abscheidens eines Verschlussmaterials umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Entfernens des Bereichs der ersten Schicht (140) unterhalb der Membranschicht (160) einen Schritt des Ätzens umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tiefe der Ausnehmung (125) in dem Substrat (100) durch die Dicke der ersten Schicht (140) und die Dicke der Membranschicht (160) bestimmt ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Bildens einer planaren Oberfläche (200; 220) ein Auffüllen der Ausnehmung (125) und ein Planarisieren der sich ergebenden Struktur umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Bildens einer planaren Oberfläche (200; 220) derart durchgeführt wird, dass die Membranschicht (160) bündig mit der Oberfläche des mikromechanischen Bauelements abschließt, oder dass eine Oberfläche der Membranschicht (160) zu der Oberfläche des mikromechanischen Bauelements eine geringe Höhendifferenz aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner folgenden Schritt umfasst:

Erzeugen eines dotierten Bereichs (130) in dem Substrat (100) unterhalb der ersten Schicht (140).
Mikromechanisches Bauelement mit einem Bereich zur Bildung einer integrierten Schaltung mit folgenden Merkmalen:

einer Ausnehmung (125) in dem Substrat (100);

einer ersten Schicht (140) in der Ausnehmung (125);

einer Membranschicht (160) auf der ersten Schicht (140), die einen Hohlraum (150) in der ersten Schicht (140) überdeckt; und

einer planaren Oberfläche (200; 220),

wobei der Bereich zur Bildung der integrierten Schaltung außerhalb eines Bereichs liegt, in der die Membranschicht (160) gebildet ist; und

wobei die erste Schicht (140), die Membranschicht (160) und der Hohlraum (150) in der Ausnehmung (125) angeordnet sind.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 9, bei dem die Membranschicht (160) ein halbleitendes Material umfasst. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 10, bei dem die Membranschicht (160) Silizium und Siliziumoxid oder Silizium und Siliziumnitrid aufweist. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Membranschicht (160) einen kanalförmigen Bereich aufweist, der eine höhere Konzentration eines Nitrids oder eines Oxids des halbleitenden Materials aufweist, als ein Bereich der Membranschicht (160), der nicht an der Oberfläche der Membranschicht (160) und in dem kanalförmigen Bereich liegt. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Substrat (100) unterhalb der ersten Schicht (140) einen dotierten Bereich (130) aufweist. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die Membranschicht (160) bündig mit der planaren Oberfläche (220) ist, oder bei dem eine Oberfläche der Membranschicht (160) zu der Oberfläche des mikromechanischen Bauelements eine geringe Höhendifferenz aufweist.






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