DE102010003488A1 - Method for manufacturing integrated micro-electromechanical system component of flux sensor, involves achieving mechanical mobility of structural elements by removal of layer portions of layer stack of substrate rear side - Google Patents

Method for manufacturing integrated micro-electromechanical system component of flux sensor, involves achieving mechanical mobility of structural elements by removal of layer portions of layer stack of substrate rear side Download PDF

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Abstract

The method involves manufacturing a multi-level interconnect layer stack (MLS) on a front side of a silicon substrate (1) with a monolithic integrated microelectronic circuit (3). A recess is formed in the substrate, which reaches a substrate rear side up to the substrate front side facing the interconnect layer stack. Mechanical mobility of membranes (7) is achieved by removal of dielectric sheets (D1-D4) of the interconnect layer stack of the substrate rear side by the recess, where the sheets suppress the mechanical mobility. An independent claim is also included for an integrated micro-electromechanical system (MEMS) component including a substrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Integriertes MEMS-Bauelement umfassend ein Substrat, das eine monolithisch integrierte mikroelektronische Schaltung enthält, einen Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel auf dem Substrat, und eine MEMS-Schichtstruktur mit mikromechanischen Strukturelementen, die im Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel ausgebildet ist, wobei die mikromechanischen Strukturelemente der MEMS-Schichtstruktur mechanisch beweglich sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten mikromechanischen System(MEMS)-Bauelements.The invention relates to an integrated MEMS component comprising a substrate which contains a monolithically integrated microelectronic circuit, a multilevel interconnect layer stack on the substrate, and a MEMS layer structure with micromechanical structural elements which is formed in the multilevel interconnect layer stack, wherein the micromechanical structural elements of the MEMS layer structure are mechanically movable. The invention further relates to a method for producing an integrated micromechanical system (MEMS) component.

Aus der Veröffentlichung WO 2009/003958 A1 ist es bekannt, die Anfertigung mikromechanischer Strukturelemente in einen CMOS-Fertigungsprozesses zu integrieren (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor). Die Integration erfolgt dort im Zuge eines so genannten Back-End-of-Line(BEOL)-Prozesses, also bei der Herstellung eines Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels. Zu dessen Herstellung werden durch Isolationsschichten getrennte Metallebenen strukturiert, die zur elektrischen Verbindung zuvor erzeugter mikroelektronischer Bauelemente dienen. Solche mikroelektronischen Bauelemente können zum Beispiel Transistoren einer auf der Oberfläche eines Substrates integrierten Schaltung sein. Gleichzeitig mit diesem BEOL-Prozess werden auch mikromechanische Strukturelemente erzeugt. Auf diese Weise können mikromechanische Strukturelemente wie beispielsweise Aktuatoren und Sensoren direkt und ohne prozesstechnischen Zusatzaufwand mit mikroelektronischen Schaltungen als sogenanntes MEMS verbunden werden. Derart hergestellte MEMS-Bauelemente erweisen sich insbesondere bei hohen Frequenzen im GHz-Bereich als vorteilhaft. MEMS-Bauelemente nach dieser Bauart besitzen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten z. B. als Schalter für hochfrequente Signale, oder Sensoren.From the publication WO 2009/003958 A1 It is known to integrate the production of micromechanical structural elements in a CMOS manufacturing process (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor). The integration takes place there in the course of a so-called back-end-of-line (BEOL) process, ie in the production of a multi-level interconnect layer stack. For its production, separate metal layers are structured by insulating layers, which serve for the electrical connection of previously produced microelectronic components. Such microelectronic components may, for example, be transistors of a circuit integrated on the surface of a substrate. Simultaneously with this BEOL process also micromechanical structural elements are produced. In this way, micromechanical structural elements such as actuators and sensors can be connected directly and without additional process complexity with microelectronic circuits as so-called MEMS. MEMS devices produced in this way prove to be advantageous, especially at high frequencies in the GHz range. MEMS devices according to this design have a variety of applications such. B. as a switch for high-frequency signals, or sensors.

Nachteilig bei den bekannten Aufbauprinzipien ist, dass die gegen mechanische Einflüsse sehr empfindliche MEMS-Schichtstruktur, die die mikromechanischen Strukturelemente enthält, vor der eigentlichen Verkappung des Bauelements geschützt werden muss. Das erfolgt nach dem Stand der Technik durch Aufbringen einer speziellen Kappe auf das Bauelement. Diese spezielle Kappe bedingt, dass die gebräuchlichen Verfahren zur Verkappung von mikroelektronischen Schaltungen einschließlich zu deren elektrischen Kontaktierung stark modifiziert werden müssen.A disadvantage of the known construction principles is that the MEMS layer structure, which is very sensitive to mechanical influences and contains the micromechanical structural elements, must be protected from the actual capping of the component. This is done according to the prior art by applying a special cap on the device. This special cap requires that the conventional methods of capping microelectronic circuits, including their electrical contacting, have to be greatly modified.

Beispielsweise wird in der EP 1 101 730 vorgeschlagen, die auf dem Wafer aufgebrachten mikromechanischen Strukturen zunächst mit einem Opfermaterial zu beschichten, anschließend ein Verkappungsmaterial aufzubringen und dann das Opfermaterial zu entfernen, sodass sich die mechanische Struktur in einem geschützten Hohlraum befindet.For example, in the EP 1 101 730 proposed to first coat the micromechanical structures applied to the wafer with a sacrificial material, then apply a capping material and then remove the sacrificial material so that the mechanical structure is in a protected cavity.

In einem aus der US 6,969,635 bekannten Verfahren werden zwei strukturierte Wafer miteinander verbondet, um einen effektiven Schutz der mechanischen Strukturen zu erreichen, und anschließend in einzelne Chips aufgeteilt.In one of the US 6,969,635 In known processes, two structured wafers are bonded together in order to achieve effective protection of the mechanical structures, and then divided into individual chips.

Die Schrift DE 600 16 701 beschreibt eine Lösung für eine vakuumdichte Verkappung, bei der drei Wafer verwendet werden. Bei der Herstellung von MEMS-Bauelementen sind auch Lösungen bekannt, bei denen nicht nur die Oberseite sondern auch die Unterseite eines Wafers strukturiert wird. Beispielsweise beschreibt die US 7,318,349 eine solche Lösung für die Herstellung eines Beschleunigungssensors zum Freilegen der Referenzmasse. Es werden dort jedoch keine Ausführungen zur Verkappung der nunmehr ja beidseitig, also auf der Substratvorderseite und der Substratrückseite zu schützenden mechanischen Struktur gemacht.The font DE 600 16 701 describes a solution for a vacuum-tight capping using three wafers. In the manufacture of MEMS devices, solutions are also known in which not only the upper side but also the underside of a wafer is patterned. For example, this describes US 7,318,349 Such a solution for the production of an acceleration sensor to expose the reference mass. However, there are no comments on the capping of the now yes on both sides, ie on the substrate front and the back of the substrate to be protected mechanical structure made.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines integrierten mikroelektromechanischen System(MEMS)-Bauelements umfasst:

  • – Herstellen eines Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels auf einer Substratvorderseite eines Substrats, das eine monolithisch integrierte mikroelektronische Schaltung enthält;
  • – Anlegen einer MEMS-Schichtstruktur mit mikromechanischen Strukturelementen im Zuge des Herstellens des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels, wobei die mikromechanischen Strukturelemente der MEMS-Schichtstruktur unmittelbar berührend in sie umgebende Schichtabschnitte des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels eingebettet werden, die eine mechanische Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente zunächst unterdrücken;
  • – Herstellen einer Ausnehmung im Substrat, die von einer dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel abgewandten Substratrückseite bis zur dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel zugewandten Substratvorderseite reicht;
  • – Herstellen der mechanischen Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente mittels Entfernen der die mechanische Beweglichkeit unterdrückenden Schichtabschnitte des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels von der Substratrückseite her durch die Ausnehmung hindurch.
A method according to the invention for producing an integrated microelectromechanical system (MEMS) component comprises:
  • Forming a multi-level interconnect layer stack on a substrate front side of a substrate including a monolithically integrated microelectronic circuit;
  • - Creating a MEMS layer structure with micromechanical structure elements in the course of producing the multilevel interconnect layer stack, wherein the micromechanical structure elements of the MEMS layer structure are embedded directly touching in surrounding layer portions of the multilevel interconnect layer stack, which initially suppress a mechanical mobility of the micromechanical structure elements;
  • - Producing a recess in the substrate, which extends from a the multi-level interconnect layer facing away from the substrate back to the multi-level interconnect layer stack facing substrate front side;
  • - Producing the mechanical mobility of the micromechanical structure elements by removing the mechanical mobility suppressing layer portions of the multi-level interconnect layer stack from the substrate back through her through the recess.

Die mikromechanischen Strukturelemente der in den Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel eingebetteten MEMS-Schichtstruktur werden erfindungsgemäß im Unterschied zum Stand der Technik vollständig von der Rückseite des Substrates her herausgearbeitet, erhalten also ihre vorgesehene mechanische Beweglichkeit durch einen Zugriff von derjenigen Seite des Substrats her, die dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel abgewandt ist. Durch diese für die Strukturierung eines Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels ungewöhnliche Verfahrensführung wird ermöglicht, in bevorzugten Ausführungsbeispielen die Verkappung der integrierten Schaltung des MEMS-Bauelements mit einer Schutzschicht auf der Substratvorderseite nach herkömmlichen Verfahren durchzuführen, ohne auf die mechanische Empfindlichkeit der MEMS-Schichtstruktur Rücksicht nehmen zu müssen. Dies erleichtert die weitere Prozessierung des MEMS-Bauelements und erlaubt es insbesondere, bekannte Herstellungsverfahren und Verkappungstechniken für die integrierten elektronischen Schaltungen einer MEMS-Bauelement-Struktur mit einer in den Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel integrierten MEMS-Schichtstruktur zu verwenden.In contrast to the prior art, the micromechanical structural elements of the MEMS layer structure embedded in the multilevel interconnect layer stack are completely worked out from the rear side of the substrate, and thus receive their intended mechanical mobility through access by that side of the substrate that faces away from the multilevel interconnect layer stack. This procedure, which is unusual for the structuring of a multilevel interconnect layer stack, makes it possible to perform the capping of the integrated circuit of the MEMS component with a protective layer on the front side of the substrate in accordance with conventional methods, without having to consider the mechanical sensitivity of the MEMS layer structure , This facilitates the further processing of the MEMS device and in particular makes it possible to use known fabrication methods and capping techniques for the integrated electronic circuits of a MEMS device structure with a MEMS layer structure integrated in the multi-level interconnect layer stack.

Weiterhin bietet das Verfahren den Vorteil, dass die MEMS-Schichtstruktur nicht – wie im Stand der Technik üblich – am Ende der Verfahrensführung über einem Siliziumsubstrat hergestellt wird. Dadurch wird die Dämpfung von RF-Signalen z. B. bei einer als RF-Schalter ausgeführten MEMS-Schichtstruktur verringert, was für die Hochfrequenzeigenschaften des RF-Schalters vorteilhaft ist.Furthermore, the method offers the advantage that the MEMS layer structure is not produced - as usual in the prior art - at the end of the process control over a silicon substrate. As a result, the attenuation of RF signals z. For example, in a MEMS layer structure designed as an RF switch, which is advantageous for the high-frequency characteristics of the RF switch.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander zur Bildung weiterer Ausführungsbeispiele kombiniert werden, es sei denn, sie sind als einander ausschließend offenbart.Hereinafter, embodiments of the method according to the invention will be described. The additional features of the embodiments may be combined with each other to form further embodiments, unless they are disclosed as excluding each other.

Während die elektronischen Schaltungen des MEMS nach bekannten Verfahren mit elektrischen Anschlüssen versehen und verkappt werden können, erfolgt in einem Ausführungsbeispiel die Verkappung der mechanischen Strukturen auf der Rückseite des Silizium-Substrates in einem zusätzlichen Verfahrensschritt.While the electronic circuits of the MEMS can be provided with electrical connections and capped by known methods, in one embodiment the capping of the mechanical structures on the back side of the silicon substrate takes place in an additional method step.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird nach dem Herstellen der mechanischen Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente die Ausnehmung von der Substratrückseite her abgedeckt. Da das Siliziumsubstrat in typischen Ausführungsformen auf der Rückseite im Unterschied zur reliefartigen Oberfläche der Schutzschicht der integrierten Schaltungen auf der Substratvorderseite eben ist, kann die Verkappung hier vorteilhaft durch eine einfache planare Abdeckplatte mit einer einfachen Verbindungstechnologie erfolgen. Beispielsweise kann die Substratrückseite nach dem Herstellen der mechanischen Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente mit einer planen Abdeckplatte durch Kleben, Bonden oder Schweißen verbunden werden. Die Abdeckplatte kann beispielsweise aus Silizium, Glas, Metall oder Kunststoff ausgeführt sein.In one exemplary embodiment, after the mechanical mobility of the micromechanical structural elements has been established, the recess is covered by the substrate back side. In typical embodiments, since the silicon substrate is planar on the rear side, unlike the relief-like surface of the protective layer of the integrated circuits on the front side of the substrate, the capping can advantageously be effected by a simple planar cover plate with a simple connection technology. For example, after the mechanical mobility of the micromechanical structural elements has been established, the substrate rear side can be connected to a planar cover plate by gluing, bonding or welding. The cover plate may be made of silicon, glass, metal or plastic, for example.

Zur Verkappung der mikromechanischen Strukturelemente kann das Siliziumsubstrat alternativ mit einem weiteren Trägersubstrat verbunden werden. Das weitere Trägersubstrat kann ebenfalls ein Siliziumsubstrat sein. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das weitere Trägersubstrat eine Leiterplatte, die mehrere MEMS- und andere elektronische Bauelemente trägt und elektrisch miteinander verbindet.To cap the micromechanical structure elements, the silicon substrate can alternatively be connected to a further carrier substrate. The further carrier substrate may likewise be a silicon substrate. In an alternative embodiment of the invention, the further carrier substrate is a printed circuit board which carries a plurality of MEMS and other electronic components and connects them to one another electrically.

Die durch die Abdeckplatte abzudeckende Ausnehmung kann zuvor mit einem inerten Gas gefüllt werden.The recess to be covered by the cover plate may be previously filled with an inert gas.

Die Abdeckung hat in einer bevorzugten Ausführungsformen eine Öffnung, die ausgebildet ist, einen Druckausgleich zwischen einem die MEMS-Schichtstruktur umgebenden, fluidisch füllbaren Innenraum des MEMS-Bauelementes und einem das MEMS-Bauelement als Ganzes umgebenden Außenraum zuzulassen.In a preferred embodiment, the cover has an opening which is designed to allow a pressure equalization between a fluidically fillable interior of the MEMS component surrounding the MEMS layer structure and an outer space surrounding the MEMS component as a whole.

Die Schutzschicht wird vorzugsweise vor dem Herstellen der Ausnehmung auf einer Oberseite des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels abgeschieden, entweder oberhalb der zuletzt hergestellten Metallebene, also nach Herstellung mindestens einer Zwischenschicht, oder unmittelbar anschließend an die zuletzt hergestellte Metallebene.The protective layer is preferably deposited on an upper side of the multilevel interconnect layer stack before the recess is made, either above the metal level produced last, ie after the production of at least one intermediate layer, or immediately subsequent to the last metal layer produced.

Das Herstellen der Ausnehmung umfasst typischerweise ein anisotropes Ätzverfahren. Bewährt hat sich das Verwenden eines vertikalen Trockenätz-Verfahrens, insbesondere eines Tiefätz-Prozesses (z. B. DRIE, Abkürzung von deep reactive ion etching, tiefes reaktives Ionenätzen), beispielsweise nach dem Bosch-Prozess (vgl. WO 99/10922 ). Aber auch andere Ätzverfahren sind denkbar, so etwa ein nasschemisches Verfahren. Bei einem Siliziumsubstrat kann mit die Ausnehmung beispielweise mit KOH geätzt werden.The fabrication of the recess typically comprises an anisotropic etching process. It has proven useful to use a vertical dry etching process, in particular a deep etching process (eg DRIE, abbreviation for deep reactive ion etching, deep reactive ion etching), for example according to the Bosch process (cf. WO 99/10922 ). But other etching methods are conceivable, such as a wet-chemical method. In the case of a silicon substrate, the recess can be etched with KOH, for example.

Auch das anschließende Entfernen der die mechanische Beweglichkeit unterdrückenden Schichtabschnitte des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels erfolgt vorzugsweise durch Ätzen. Hierbei wird ein nasschemisches Ätzverfahren bevorzugt.The subsequent removal of the mechanical mobility suppressing layer sections of the multilevel interconnect layer stack is preferably carried out by etching. Here, a wet-chemical etching process is preferred.

Die Schutzschicht wird unter dem Gesichtspunkt einer solchen Verfahrensführung beim Herstellen der Ausnehmung und beim Freilegen der MEMS-Schichtstruktur bevorzugt aus einem Material hergestellt, das eine Beschädigung des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels von einer Oberseite des MEMS-Bauelements her während des Herstellens der Ausnehmung und während des Entfernens der die mechanische Beweglichkeit unterdrückenden Schichtabschnitte des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels verhindert. Geeignet ist beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid.The protective layer is preferably made of a material that damages the multi-level interconnect layer stack from an upper surface of the MEMS device during fabrication of the recess and during removal, from the viewpoint of such process guidance in fabricating the recess and exposing the MEMS layer structure prevents the mechanical mobility suppressing layer portions of the multi-level interconnect layer stack. For example, silicon oxide or silicon nitride is suitable.

Das Herstellen der mechanischen Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente kann beispielsweise ein Freilegen einer mechanisch verformbaren Membran umfassen. Um eine solche Membran freizulegen werden vorzugsweise Öffnungen in der Membran erzeugt und wird die Membran danach durch Hinterätzen freigelegt. Die Membran wird in einer Fortbildung dieses Beispiels mechanisch schwingungsfähig ausgebildet. The production of the mechanical mobility of the micromechanical structural elements may comprise, for example, an exposure of a mechanically deformable membrane. To expose such a membrane, preferably openings are made in the membrane and the membrane is then exposed by overetching. The membrane is formed mechanically viable in a further development of this example.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch ebenso in vielen anderen Anwendungsfällen einsetzbar. Andere Anwendungsfälle von MEMS-Schichtstrukturen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in den Leitbahnschichtstapel integriert werden können, bilden weitere mikroelektromechanische Sensoren wie etwa Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren oder elektrostatische Aktoren.However, the method according to the invention can also be used in many other applications. Other applications of MEMS layer structures which can be integrated into the interconnect layer stack with the method according to the invention form further microelectromechanical sensors such as pressure sensors, acceleration sensors, rotation rate sensors or electrostatic actuators.

Einen weiteren Aspekt der Erfindung bildet ein Integriertes MEMS-Bauelement, umfassend:

  • – ein Substrat, das eine monolithisch integrierte mikroelektronische Schaltung enthält,
  • – einen Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel auf dem Substrat,
  • – eine MEMS-Schichtstruktur mit mikromechanischen Strukturelementen, die im Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel ausgebildet ist, wobei die mikromechanischen Strukturelemente der MEMS-Schichtstruktur mechanisch beweglich sind;
  • – eine Ausnehmung im Substrat, die von einer dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel abgewandten Substratrückseite bis zur dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel zugewandten Substratvorderseite und darüber hinaus bis zur MEMS-Schichtstruktur reicht.
Another aspect of the invention is an integrated MEMS device comprising:
  • A substrate containing a monolithically integrated microelectronic circuit,
  • A multilevel interconnect layer stack on the substrate,
  • A MEMS layer structure with micromechanical structure elements which is formed in the multilevel interconnect layer stack, wherein the micromechanical structure elements of the MEMS layer structure are mechanically movable;
  • A recess in the substrate, which extends from a substrate back side facing away from the multilevel interconnect layer stack to the substrate front side facing the multilevel interconnect layer stack and, furthermore, to the MEMS layer structure.

Das erfindungsgemäße integrierte MEMS-Bauelement teilt die oben beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hervorzuheben sind neben der Eignung dieser Struktur zur Verwendung bekannter Prozesstechnik für ihre Herstellung insbesondere die verbesserten Hochfrequenzeigenschaften des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements in vielen Ausführungsformen.The integrated MEMS component according to the invention shares the above-described advantages of the method according to the invention. In addition to the suitability of this structure for the use of known process technology for their production, particular emphasis should be given to the improved high-frequency properties of the MEMS device according to the invention in many embodiments.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander zur Bildung weiterer Ausführungsbeispiele kombiniert werden, es sei denn, sie sind als einander ausschließend offenbart.Hereinafter, embodiments of the MEMS device according to the invention will be described. The additional features of the embodiments may be combined with each other to form further embodiments, unless they are disclosed as excluding each other.

Die Ausnehmung ist, wie oben im Zusammenhang mit dem Verfahrensaspekt der Erfindung näher erläutert wurde, vorzugsweise von der Substratrückseite her abgedeckt, insbesondere in Form einer Abdeckplatte oder eines Trägersubstrats, das an der Substratrückseite mit dem Substrat verbunden ist. Die abgedeckte Ausnehmung kann mit einem inerten Gas gefüllt sein. Die Abdeckung der Ausnehmung hat in bevorzugten Ausführungsformen eine Öffnung, die ausgebildet ist, einen Druckausgleich zwischen einem die MEMS-Schichtstruktur umgebenden, fluidisch füllbaren Innenraum des MEMS-Bauelementes und einem das MEMS-Bauelement als Ganzes umgebenden Außenraum zuzulassen.The recess is, as has been explained in more detail above in connection with the method aspect of the invention, preferably covered by the substrate back, in particular in the form of a cover plate or a carrier substrate which is connected to the substrate back to the substrate. The covered recess may be filled with an inert gas. In preferred embodiments, the cover of the recess has an opening which is designed to allow a pressure equalization between a fluidically fillable interior of the MEMS component surrounding the MEMS layer structure and an outer space surrounding the MEMS component as a whole.

Die zusätzlichen Merkmale weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich unmittelbar aus der obigen Beschreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The additional features of further embodiments of the device according to the invention emerge directly from the above description of embodiments of the method according to the invention.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further embodiments of the invention are described in the dependent claims.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:Hereinafter, further embodiments will be explained with reference to the figures. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Bauelements im Rahmen einer CMOS-Fertigung in einem MEMS ersten Fertigungszustand 1 An embodiment of a method for producing a MEMS device in the context of a CMOS fabrication in a MEMS first manufacturing state

2 das Ausführungsbeispiel der 1 in einem nachfolgenden MEMS zweiten Fertigungszustand 2 the embodiment of 1 in a subsequent MEMS second manufacturing state

3 das Ausführungsbeispiel der 1 in einem nachfolgenden MEMS dritten Fertigungszustand 3 the embodiment of 1 in a subsequent MEMS third manufacturing state

4 das Ausführungsbeispiel der 1 in einem nachfolgenden vierten MEMS Fertigungszustand 4 the embodiment of 1 in a subsequent fourth MEMS manufacturing state

Die 1 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS-Bauelements B im Rahmen einer CMOS-Fertigung. Verfahrensschritte, die zur Herstellung mikroelektronischer Schaltungen im Rahmen der (Front-end-of-Line, FEOL) CMOS-Fertigung erforderlich sind, sind hier der Einfachheit halber nicht dargestellt, weil sie als solche bekannt sind.The 1 to 4 show an embodiment of a method for producing a MEMS device B in the context of a CMOS fabrication. Process steps that are required for the production of microelectronic circuits in the context of (front-end-of-line, FEOL) CMOS fabrication are not shown here for the sake of simplicity, because they are known as such.

Die CMOS-Prozesstechnologie ist wie ihre verwandten MOS-Technologien (z. B. NMOS, PMOS, BiMOS, BiCMOS) in der Halbleiterindustrie von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Daher ist eine Integrierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens in einen solchen Prozess von großem Vorteil. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch im Rahmen dieser wie auch anderer Prozesse der Halbleitertechnologie durchgeführt werden, da es erst einsetzt, wenn der Leitbahnschichtstapel hergestellt wird.CMOS process technology, like its related MOS technologies (eg, NMOS, PMOS, BiMOS, BiCMOS), is of great economic importance in the semiconductor industry. Therefore, an integrability of the method according to the invention in such a process of great advantage. However, the method according to the invention can be carried out within the framework of these as well as other processes of semiconductor technology, since it only starts when the interconnect layer stack is produced.

In 1 ist der Fertigungszustand des MEMS-Bauelements B dargestellt, nachdem während eines CMOS-FEOL-Prozesses auf der Oberfläche des Silizium-Substrats eine oder mehrere mikroelektronische Schaltungen 3 und in den ersten Prozessschritten des Back-End-of-Line(BEOL)-Prozesses ein Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel MLS aufgebracht wurde. Dieser enthält strukturierte, gegeneinander isolierte Metallisierungsebenen, hier mit M1 bis M5 gekennzeichnet, und dazwischen liegende dielektrische Schichten D1 bis D4. Die hier dargestellte Anzahl von fünf Metallisierungsebenen ist rein examplarisch. Für die Erfindung ist wesentlich, dass ausreichend Ebenen vorhanden sind, um eine MEMS-Schichtstruktur, in den Figuren mit MEM gekennzeichnet, im Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel unterzubringen.In 1 the state of manufacture of the MEMS device B is shown after during a CMOS FEOL process on the surface of the silicon substrate one or more microelectronic circuits 3 and in the first process steps of the back-end-of-line (BEOL) process, a multilevel interconnect layer stack MLS has been applied. This contains structured, mutually insulated metallization levels, here labeled M1 to M5, and intervening dielectric layers D1 to D4. The number of five metallization levels shown here is purely examplary. It is essential to the invention that there are sufficient levels to accommodate a MEMS layer structure, labeled MEM in the figures, in the multi-level interconnect layer stack.

Bestimmte Strukturen der Metallisierungsebenen M1 bis M5 dienen dabei zusammen mit Vias 4 als Leiterbahnen 5 zur elektrischen Verbindung der mikroelektronischen Schaltungen 3. Andere Strukturen der Metallisierungsebenen M1 bis M5 werden als vorbereitete Funktionselemente eines mechanischen Systems verwendet und dienen also als MEMS-Schichtstruktur MEM. Vorliegend ist eine Membran 7 in die Schichtstruktur eingebettet worden, die später durch elektrische Ansteuerung die elektronische Schaltung 3 gegen eine Elektrode 9 mechanisch verformbar freigelegt werden soll.Certain structures of metallization levels M1 to M5 serve together with vias 4 as conductor tracks 5 for the electrical connection of the microelectronic circuits 3 , Other structures of the metallization levels M1 to M5 are used as prepared functional elements of a mechanical system and thus serve as a MEMS layer structure MEM. In the present case is a membrane 7 embedded in the layer structure, which later by electrical control the electronic circuit 3 against an electrode 9 mechanically deformable exposed.

Der Stapel von strukturierten Metallisierungsebenen M1 bis M5 ist in diesem Verfahrensstadium der 1 bereits durch eine Schutzschicht 2 abgedeckt. Da Antriebselemente für mechanische Systeme vergleichsweise zu mikroelektronischen Schaltungen einen erhöhten Spannungs- oder Strombedarf besitzen können, sind im Sinne eines Ausführungsbeispiels Leiterbahnen 8 der Metallisierungsebene M5 verstärkt, d. h. mit einer erhöhten Dicke ausgeführt worden.The stack of structured metallization levels M1 to M5 is at this stage of the process 1 already through a protective layer 2 covered. Since drive elements for mechanical systems can have an increased voltage or current requirement compared to microelectronic circuits, strip conductors are in the sense of an exemplary embodiment 8th the metallization M5 amplified, that has been carried out with an increased thickness.

Die MEMS-Schichtstruktur MEM, die auch als mikromechanische Struktur bezeichnet werden kann, wird erfindungsgemäß im Unterschied zum Stand der Technik von einer Rückseite R des Siliziumsubstrates herausgearbeitet, d. h. von derjenigen Substratseite, die den Metallisierungsebenen M1 bis M5 abgewandt ist. Wie in 2 dargestellt, wird dafür zunächst durch Ätzen eine (auch als Kavität bezeichnete) Ausnehmung 10 in das Substrat 1 eingebracht. Beispielsweise kann dafür ein Silizium-Tiefätz-Prozess, etwa nach dem bekannten Boschverfahren verwendet werden. Der Ätzvorgang wird an einer Isolationsschicht 6 gestoppt, die beispielsweise als Siliziumnitrid-Schicht ausgeführt ist.In contrast to the prior art, the MEMS layer structure MEM, which can also be referred to as a micromechanical structure, is produced according to the invention from a back side R of the silicon substrate, ie from that side of the substrate which faces away from the metallization planes M1 to M5. As in 2 is shown, first by etching (also referred to as cavity) recess 10 in the substrate 1 brought in. For example, a deep silicon etching process can be used for this, for example using the known Bosch process. The etching process is carried out on an insulating layer 6 stopped, which is designed for example as a silicon nitride layer.

Das Freilegen der Funktionselemente des mechanischen Systems, also der MEMS-Schichtstruktur MEM, erfolgt anschließend durch nasschemisches Ätzen. Der Zustand nach dem Freilegen ist in 3 dargestellt.The exposure of the functional elements of the mechanical system, ie the MEMS layer structure MEM, is then carried out by wet-chemical etching. The state after the exposure is in 3 shown.

Entfernt dabei werden alle dielektrischen Schichten D1 bis D4, die üblicherweise als isolierende Oxidschichten ausgebildet sind. Der bevorzugt orthogonal zur Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 wirkende Ätzvorgang wird durch metallische Schichten der Metallisierungsebenen M1 bis M5 gestoppt.Removes all dielectric layers D1 to D4, which are usually formed as insulating oxide layers. The preferred orthogonal to the surface of the silicon substrate 1 acting etching is stopped by metallic layers of metallization levels M1 to M5.

Für eine Hinterätzung der als Membran 7 vorgesehenen MEMS-Schichtstruktur MEM in der Metallisierungsebene M3 können Öffnungen in der Membran erzeugt werden (hier nicht dargestellt). Dies wird sinnvollerweise bereits beim Strukturieren der Membran 7 im Rahmen der Herstellung des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels MLS berücksichtigt.For an undercut of the as a membrane 7 provided MEMS layer structure MEM in the metallization M3 openings can be created in the membrane (not shown here). This makes sense already when structuring the membrane 7 considered in the context of the production of the multi-level interconnect layer stack MLS.

Im Ergebnis der Nassätzung werden die in 3 dargestellten Strukturen der mechanischen Funktionselemente freigelegt, also die Membran 7 und die Elektrode 9. Im Rahmen des Nassätz-Schrittes wird anfangs die Siliziumnitridschicht 6 im Bereich des Ausnehmung entfernt, um den Zugang zu den erwähnten Strukturen zu ermöglichen.As a result of the wet etching, the in 3 shown structures of the mechanical functional elements exposed, so the membrane 7 and the electrode 9 , As part of the wet etching step, the silicon nitride layer initially becomes 6 removed in the region of the recess to allow access to the structures mentioned.

Der Schutz der empfindlichen mikromechanischen Strukturen in der Kavität 10 erfolgt durch eine Abdeckplatte beispielsweise durch eine Glasplatte 11, wie in 4 dargestellt ist. Die Befestigung der Glasplatte 11 auf der Substratrückseite R erfolgt beispielsweise durch Bonden oder Kleben, also durch einen zusätzlichen Prozessschritt, nachdem das MEMS-Bauelement B den CMOS-Fertigungsprozess komplett durchlaufen hat.The protection of sensitive micromechanical structures in the cavity 10 takes place through a cover plate, for example by a glass plate 11 , as in 4 is shown. The fastening of the glass plate 11 on the substrate rear side R, for example, by bonding or gluing, so by an additional process step after the MEMS device B has completed the CMOS manufacturing process.

Denkbar sind auch andere, hier nicht dargestellte Arten der rückseitigen Verkappung, etwa durch eine elastische Folie, die beispielsweise aus Metall gefertigt sein kann. Die Kavität 10 kann dabei mit einem Schutzgas, einer Flüssigkeit oder einfach nur mit Luft gefüllt sein. In einer weiteren Ausführungsvariante ist die Kavität 10 evakuiert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Abdeckung mit einer Öffnung 12 zum Druckausgleich zwischen der Kavität 10 und der Umgebung versehen. Die Öffnung 12 kann jedoch auch fortgelassen werden.Also conceivable are other types of rear capping, not shown here, such as an elastic film, which may be made of metal, for example. The cavity 10 can be filled with a protective gas, a liquid or just with air. In a further embodiment, the cavity 10 evacuated. In another embodiment, the cover with an opening 12 for pressure equalization between the cavity 10 and the environment provided. The opening 12 but can also be omitted.

Einem Ausführungsbeispiel für einen RF-Schalter entsprechend, bilden die verstärkten Leiterbahnen 8 und die Elektrode 9 einen elektrostatischen Antrieb für die Membran 7. Wird eine Spannung zwischen den Leiterbahnen 8 und der Membran 7 angelegt, bewegt sich die Membran 7 in Richtung der Elektrode 9, wodurch die Kapazität zwischen der Elektrode 9 und der Membran 7 verändert wird oder sogar ein Kontakt hergestellt wird.According to an exemplary embodiment of an RF switch, the reinforced conductor tracks form 8th and the electrode 9 an electrostatic drive for the membrane 7 , Will a voltage between the tracks 8th and the membrane 7 applied, the membrane moves 7 in the direction of the electrode 9 , reducing the capacitance between the electrode 9 and the membrane 7 is changed or even a contact is made.

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  • WO 99/10922 [0017] WO 99/10922 [0017]

Claims (14)

Verfahren zur Herstellung eines integrierten mikroelektromechanischen System(MEMS)-Bauelements, umfassend: – Herstellen eines Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (MLS) auf einer Substratvorderseite (V) eines Substrats (1), das eine monolithisch integrierte mikroelektronische Schaltung (3) enthält, – Anlegen einer MEMS-Schichtstruktur (MEM) mit mikromechanischen Strukturelementen (7, 9) im Zuge des Herstellens des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (MLS), wobei die mikromechanischen Strukturelemente (7, 9) der MEMS-Schichtstruktur (MEM) unmittelbar berührend in Schichtabschnitte (D2, D3) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (MLS) eingebettet werden, die eine mechanische Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente (7, 9) zunächst unterdrücken; – Herstellen einer Ausnehmung (10) im Substrat (1), die von einer dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel abgewandten Substratrückseite (R) bis zur dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel zugewandten Substratvorderseite (V) reicht; – Herstellen der mechanischen Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente (7) mittels Entfernen der die mechanische Beweglichkeit unterdrückenden Schichtabschnitte (D2, D3) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (MLS) von der Substratrückseite (R) her durch die Ausnehmung hindurch.A method of manufacturing an integrated microelectromechanical system (MEMS) device, comprising: - forming a multi-level interconnect layer stack (MLS) on a substrate front side (V) of a substrate ( 1 ), which is a monolithically integrated microelectronic circuit ( 3 ), - applying a MEMS layer structure (MEM) with micromechanical structure elements ( 7 . 9 ) in the course of producing the multilevel interconnect layer stack (MLS), wherein the micromechanical structural elements ( 7 . 9 ) of the MEMS layer structure (MEM) are embedded directly touching in layer sections (D2, D3) of the multi-level interconnect layer stack (MLS), the mechanical mobility of the micromechanical structure elements ( 7 . 9 ) first suppress; - making a recess ( 10 ) in the substrate ( 1 extending from a substrate back side (R) facing away from the multilevel interconnect layer stack to the substrate front side (V) facing the multilevel interconnect layer stack; Producing the mechanical mobility of the micromechanical structural elements ( 7 ) by removing the mechanical mobility suppressing layer portions (D2, D3) of the multi-level interconnect layer stack (MLS) from the substrate rear side (R) forth through the recess. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Herstellen der mechanischen Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente (7) die Ausnehmung (10) von der Substratrückseite (R) her abgedeckt wird.Method according to Claim 1, in which after the mechanical mobility of the micromechanical structural elements ( 7 ) the recess ( 10 ) is covered by the substrate rear side (R). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Substratrückseite (R) nach dem Herstellen der mechanischen Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente (7) mit einer Abdeckplatte oder einem Trägersubstrat (11) verbunden wird.Method according to Claim 1 or 2, in which the substrate rear side (R) after the mechanical mobility of the micromechanical structural elements ( 7 ) with a cover plate or a carrier substrate ( 11 ) is connected. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem vor dem Herstellen der Ausnehmung (10) eine Schutzschicht (2) auf dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel (MLS) abgeschieden wird.Method according to one of the preceding claims, in which prior to the manufacture of the recess ( 10 ) a protective layer ( 2 ) is deposited on the multilevel interconnect layer stack (MLS). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Herstellen der Ausnehmung (10) das Durchführen eines Tiefätz-Prozesses nach dem Boschverfahren umfasst.Method according to one of the preceding claims, in which the production of the recess ( 10 ) comprises performing a deep etching process according to the Bosch method. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Entfernen der die mechanische Beweglichkeit unterdrückenden Schichtabschnitte (D2, D3) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (MLS) nasschemisches Ätzen umfasst.The method of any one of the preceding claims, wherein removing the mechanical mobility suppressing layer portions (D2, D3) of the multi-level interconnect layer stack (MLS) comprises wet chemical etching. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Schutzschicht (2) aus einem Material hergestellt wird, das ein Ätzen des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (MLS) von einer Oberseite (O) des MEMS-Bauelements her während des Herstellens der Ausnehmung (10) und während des Entfernens der die mechanische Beweglichkeit unterdrückenden Schichtabschnitte (D2, D3) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (MLS) verhindert.Method according to Claim 4, in which the protective layer ( 2 ) is fabricated from a material which comprises etching the multilevel interconnect layer stack (MLS) from an upper side (O) of the MEMS device during fabrication of the recess (FIG. 10 ) and during the removal of the mechanical mobility suppressing layer sections (D2, D3) of the multilevel interconnect layer stack (MLS). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Herstellen der mechanischen Beweglichkeit der mikromechanischen Strukturelemente ein Freilegen einer mechanisch verformbaren Membran (7) umfasst, wobei zum Freilegen der Membran Öffnungen in der Membran erzeugt werden und die Membran danach durch Hinterätzen freigelegt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the production of the mechanical mobility of the micromechanical structural elements is an exposure of a mechanically deformable membrane ( 7 ), wherein to expose the membrane openings are produced in the membrane and the membrane is then exposed by etching over. Integriertes MEMS-Bauelement (B), umfassend: – ein Substrat (1), das eine monolithisch integrierte mikroelektronische Schaltung (3) enthält, – einen Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel (MLS) auf einer Substratvorderseite (V) eines Substrats (1), – eine MEMS-Schichtstruktur (MEM) mit mikromechanischen Strukturelementen (7, 9), die im Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel ausgebildet ist, wobei die mikromechanischen Strukturelemente der MEMS-Schichtstruktur mechanisch beweglich sind; – eine Ausnehmung (10) im Substrat, die von einer dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel abgewandten Substratrückseite (R) bis zu dem Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel zugewandten Substratvorderseite (V) und darüber hinaus bis zur MEMS-Schichtstruktur (MEM) reicht.Integrated MEMS device (B) comprising: - a substrate ( 1 ), which is a monolithically integrated microelectronic circuit ( 3 ), a multilevel interconnect layer stack (MLS) on a substrate front side (V) of a substrate ( 1 ), - a MEMS layer structure (MEM) with micromechanical structural elements ( 7 . 9 ) formed in the multi-level interconnect layer stack, wherein the micromechanical structure elements of the MEMS layer structure are mechanically movable; A recess ( 10 ) in the substrate, which extends from a substrate rear side (R) facing away from the multilevel interconnect layer stack to the substrate front side (V) facing the multilevel interconnect layer stack and, moreover, to the MEMS layer structure (MEM). Integriertes MEMS-Bauelement nach Anspruch 9, bei dem die Ausnehmung (10) von der Substratrückseite (R) her mit einer Abdeckung (11) abgedeckt ist.Integrated MEMS device according to Claim 9, in which the recess ( 10 ) from the substrate rear side (R) with a cover ( 11 ) is covered. Integriertes MEMS-Bauelement nach Anspruch 10, bei dem die Abdeckung in Form einer Abdeckplatte oder eines Trägersubstrats (11) an der Substratrückseite mit dem Substrat (1) verbunden ist.The integrated MEMS device according to claim 10, wherein the cover is in the form of a cover plate or a carrier substrate ( 11 ) at the substrate rear side with the substrate ( 1 ) connected is. Integriertes MEMS-Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die MEMS-Schichtstruktur (MEM) eine mechanisch verformbare Membran (7) umfasst, die Öffnungen aufweist.Integrated MEMS device according to claim 10 or 11, in which the MEMS layer structure (MEM) comprises a mechanically deformable membrane ( 7 ) having openings. Integriertes MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, mit einer Öffnung in der Abdeckung (11), die ausgebildet ist, einen Druckausgleich zwischen einem die MEMS-Schichtstruktur umgebenden Innenraum des MEMS-Bauelementes und einem das MEMS-Bauelement als Ganzes umgebenden Außenraum zuzulassen.Integrated MEMS device according to one of Claims 10 to 12, with an opening in the cover ( 11 ), which is designed to allow a pressure equalization between an inner space surrounding the MEMS layer structure of the MEMS component and an outer space surrounding the MEMS component as a whole. Flusssensor, umfassend ein integriertes MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 13. Flow sensor comprising an integrated MEMS device according to one of claims 9 to 13.
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