DE10047500B4

DE10047500B4 - Mikromechanische Membran und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10047500B4
Application number: DE10047500A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr. Benzel; Frank Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP5264032B2; JP2002176183A; US20030062579A1; DE10047500A1; US6649989B2

Abstract

Mikromechanische Membran (9) mit einem auf seiner Oberfläche (5) teilweise N-dotierten P-Substrat (3),
wobei
– die oberste Schicht eine N-Epitaxieschicht (1) ist, und
– auf dem P-Substrat (3) eine oder mehrere N-Epitaxieschichten (7, 7') angeordnet sind, die im Membranbereich (1') N-dotierte Bereiche (6, 6', 6'') bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß
die verschiedenen N-Epitaxieschichten (7, 7') und die Membran, bestehend aus dem Membranbereich (1') und den N-dotierten Bereichen (6, 6', 6''), unterschiedlich dick ausgebildet sind, wobei vorgesehen ist, dass innerhalb der N-dotierten Bereiche (6, 6', 6'') Schichtunterbrechungen vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikromechanische Membran mit einem auf seiner Oberfläche teilweise N-dotierten P-Substrat, wobei eine oberste Schicht eine N-Epitaxieschicht ist, sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Membran.
Bei mikromechanischen Drucksensoren wird eine Membran durch anisotropes Ätzen mit einem PN-Ätzstopp definiert. Die Ätzfront stoppt an der Grenzfläche zwischen dem P-dotierten Substrat und einer N-dotierten Schicht. Die Einspannung der Membran wird dabei durch den Rand der geätzten Kaverne definiert. Die druckabhängige Durchbiegung der Membran wird über die Widerstandsänderung piezoresistiver Widerstände auf der Oberfläche der Membran gemessen. Entscheidend für die Empfindlichkeit der Widerstände ist die Lage der Widerstände relativ zur Einspannung der Membran.
Es ist bereits eine mikromechanische Membran aus der DE 43 09 207 A1 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Halbleitervorrichtung mit einem piezoresistiven Drucksensor, der eine Membran aufweist, die durch eine leitende Epitaxialschicht (Epitaxieschicht) gebildet und auf einem Halbleitersubstrat entgegengesetzter Leitfähigkeit aufgebracht ist. An der vom Halbleiter abgewandten Membranaußenfläche ist wenigstens ein Piezowiderstand eingebracht, und die Membraninnenfläche ist durch eine das Halbleitersubstrat durchdringende Öffnung freigeätzt. Zwischen dem Halbleitersubstrat und der Epitaxialschicht ist eine ringförmig strukturierte, leitende Zwischenschicht eingebracht, die den an die Membraninnenfläche angrenzenden Bereich der Öffnung festlegt. Die Zwischenschicht besitzt hierbei eine Leitfähigkeit, die der des Halbleitersubstrats entgegengesetzt ist. Diese Membran mit unterschiedlichen Dotierungen gewährleistet nur begrenzte Dickenunterschiede in der Membran, die durch die Eindringtiefe der Dotierung bestimmt sind. Zudem weist die hier aufgezeigte Membran nur eine Epitaxieschicht auf.
Aus der Schrift DE 34 02 629 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung bekannt, bei der eine versenkte Ätzstoppschicht (13a) erzeugt wird. Bei der nachfolgenden rückseitigen Ätzung dient diese Ätzstoppschicht (13a) zur Bildung einer ebenen Grundfläche auf der Rückseite der Membran.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikromechanische Membran derart auszubilden und anzuordnen, daß präzise geformte Einspannungen bzw. Membranbereiche mit stark unterschiedlicher Steifigkeit gewährleistet sind.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß auf dem P-Substrat eine oder mehrere N-Epitaxieschichten angeordnet sind, die im Membranbereich P-dotiert sind. Hierdurch wird erreicht, daß während der abschließenden Ätzung der Membran bzw. des P-dotierten Bereiches die Einspann- bzw. Aufliegestellen der Membran definiert sind und nicht durch die Unterätzung an den Seitenflächen. Der Randbereich der Ätzung innerhalb des P-dotierten Substrats liegt unterhalb der zusätzlich angeordneten N-Epitaxieschichten und beeinflußt das Verhalten bzw. die Einspannung der Membran nicht. Eine genaue Definition der Einspannung der Membran ist beispielsweise sehr wichtig für Drucksensoren, da durch die Lage der piezoresistiven Widerstände relativ zur Einspannung (Membrankante), die Empfindlichkeit bezüglich Druck beeinflußt wird.
Vorteilhaft ist es hierzu, daß das Substrat vor dem Abscheiden der N-Epitaxieschicht lokal N-dotiert wird und daß die N-Epitaxieschicht während des Abscheidens N-dotiert und anschließend lokal p-dotiert oder während des Abscheidens P-dotiert und anschließend im Randbereich lokal N-dotiert wird oder die Epitaxieschicht undotiert abgeschieden und anschließend der Randbereich lokal mit einer N-Dotierung und der mittlere Bereich der Epitaxieschicht mit einer P-Dotierung versehen wird. Durch diese Art der Dotierung ist eine durchgehende Dotierung möglich, so daß die einzelnen N-Epitaxischichten dicker ausgeführt werden. Die hier vorgestellte variable Anzahl von N-Epitaxieschichten erlaubt aber deutlich größere Dicken bei der Einspannung der Membran.
Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, daß an der lokal P-dotierten N-Epitaxieschicht oder dem lokal N-dotierten P-Substrat eine N-dotierte Membranschicht oder die Membran anliegt. Die so gebildete Membran bzw. Versteifung der Membran ist im Einspannbereich wesentlich dicker und damit deutlich stabiler.
Ferner ist es vorteilhaft, daß der P-dotierte Bereich der verschiedenen N-Epitaxieschichten oder des lokal N-dotierten P-Substrats in den einzelnen N-Epitaxieschichten bzw. in der Dotierungsschicht unterschiedlich groß ausgebildet ist oder ausgehend von der Membranschicht oder einer Membran schichtweise groß- oder kleinflächiger ausgebildet ist als in der vorhergehenden Schicht. Somit kann eine beliebige Versteifungsform unterhalb der Membran gestaltet werden und die Membran entsprechend ihrem Einsatzgebiet angepaßt werden.
Vorteilhaft ist es hierzu auch, daß der P-dotierte Bereich der verschiedenen N-Epitaxieschichten oder des lokal N-dotierten P-Substrats in verschiedenen Teilbereichen der jeweiligen Schicht, wie der Mitte der mikromechanischen Membran oder unterhalb der Membran, angeordnet ist und die N-dotierten Bereiche sowie die P-dotierten Bereiche jeweils einer N-Epitaxieschicht abwechselnd, nebeneinander und/oder symmetrisch zur Mitte der mikromechanischen Membran angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist es auch vorgesehen, daß die verschiedenen N-Epitaxieschichten unterschiedlich dick ausgebildet sind.
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß die bisher als N-dotiert bezeichneten Bereiche auch P-dotiert ausgebildet und die bisher als P-dotiert bezeichneten Bereiche N-dotiert ausgebildet werden können. Somit kann die Grunddotierung der verschiedenen Schichten frei gewählt werden und die entsprechende lokal vorgesehene Dotierung angepaßt werden.
Schließlich ist es von Vorteil, daß die Membranschicht als N-Epitaxieschicht ausgebildet ist und das P-Substrat an seiner nach außen gerichteten Seite eine Ätzmaske aufweist, die den unterhalb der Membran freizulegenden Bereich dem Ätzmittel freigibt.
Letztlich ist es von Vorteil, daß ein P-Substrat einseitig lokal im Randbereich N-dotiert wird, auf diese Schicht eine N-Epitaxieschicht abgeschieden bzw. aufgetragen wird, die entsprechend der vorhergehenden Substratschicht mittig P-dotiert ist, und eine zweite N-Epitaxieschicht entsprechend der ersten N-Epitaxieschicht aufgetragen wird, wobei die zweite N-Epitaxieschicht im Membranbereich oder in zusätzlichen Bereichen P-dotiert wird. Danach wird eine rein N-dotierte Membranschicht auf die N-Epitaxieschicht abgeschieden bzw. aufgetragen, wobei auf die freie Oberfläche des Substrats eine Ätzmaske aufgetragen wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1–5 Verfahrensschritte zur Herstellung einer mikromechanischen Membran mit einem P-Substrat und im Randbereich lokal P-dotierten N-Epitaxieschichten,
6 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß 5 mit unterschiedlich versteifter Membran,
7 ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß 5 mit einer weiteren Versteifungsvariante.
Eine mikromechanische Membran 9 wird durch Aufbringen verschiedener unterschiedlich dotierter Epitaxieschichten 1, 7, 7' auf ein Substrat 3 hergestellt.
In 1 ist mit 3 das P-dotierte Substrat bezeichnet, das die Grundlage für die Herstellung der mikromechanischen Membran bildet. Das Substrat 3 ist auf seiner Oberfläche 5 lokal N-dotiert, d. h. es weist neben seiner generellen P-Dotierung auf seiner Oberfläche 5 einen N-dotierten Bereich 6 auf. Der N-dotierte Bereich 6 erstreckt sich auf den Randbereich der Oberfläche 5 eines Chips, so daß auf der Oberfläche 5 ein mittlerer P-dotierter Bereich 8 bestehen bleibt. Die dotierte Schicht 6 erreicht hierbei eine Dicke bzw. Höhe von 3–10 μm.
In 2 ist gemäß einem weiteren Verfahrensschritt auf das Substrat 3 bzw. auf seine lokal N-dotierte Oberfläche 5 (vgl. 1) eine lokal P-dotierte N-Epitaxieschicht 7 aufgebracht. Die N-Epitaxieschicht bleibt hierbei entsprechend dem N-dotierten Bereich 6 des Substrats 3 ebenfalls an ihrem Randbereich 6' N-dotiert. Die N-Epitaxieschicht 7 wird entweder während des Abscheidens N-dotiert und anschließend lokal P-dotiert oder während des Abscheidens P-dotiert und anschließend im Randbereich 6' lokal N-dotiert. Möglich ist auch die Epitaxischicht undotiert abzuscheiden und anschließend den Randbereich 6' lokal mit einer N-Dotierung und dem Bereich 8' mit einer P-Dotierung zu versehen. Letztlich entsteht ein N-dotierter Randbereich 6' sowie ein P-dotierter Bereich 8' in der Mitte der N-Epitaxieschicht 7.
In 3 ist nach einem weiteren Verfahrensschritt auf eine Oberfläche 5' (vgl. 2) eine zweite N-Epitaxieschicht 7' abgeschieden bzw. aufgelegt, die entsprechend der ersten N-Epitaxieschicht 7 ebenfalls im mittleren Bereich lokal P-dotiert ist bzw. einen äußeren N-dotierten Bereich 6'' und einen inneren P-dotierten Be reich 8'' aufweist. Diese unterschiedlich dotierten Bereiche sind entsprechend der später vorgesehenen Membranform ausgebildet.
Gemäß 4 ist durch den nächsten Verfahrensschritt auf eine Oberfläche 5'' (vgl. 3) der zweiten N-Epitaxieschicht 7' eine N-dotierte Membranschicht 1 aufgebracht bzw. aufgelegt.
Die so gebildete mikromechanische Membran (4) weist also das im Wesentlichen rein P-dotierte Substrat 3 und die rein N-dotierte Membranschicht 1 auf, die zwei N-Epitaxieschichten 7, 7' zwischen sich aufnehmen. Die N-Epitaxieschichten 7, 7' sowie die Oberfläche 5 des Substrats 3 sind hierbei lokal unterschiedlich dotiert, d. h. es wechseln sich in der jeweiligen Schicht 7, 7' N- und P-dotierte Bereiche ab, wobei die P-dotierten Bereiche mittig vorgesehen sind. Es ist je nach Ausführungsform auch möglich, die P-dotierten Bereiche außermittig vorzusehen.
Auf einer verbleibenden Außenfläche 10 des Substrats 3 ist gemäß 5 eine Ätzmaske 4 vorgesehen. Die Ätzmaske 4 deckt das Substrat 3 in den Randbereichen ab, so daß ein mittlerer Bereich frei bleibt. Die Ätzung bzw. die Ätzfront startet an dieser freien Oberfläche und wird über einen PN-Ätzstopp gestoppt, d. h. die Grenze der Ätzung wird über die N-dotierten Bereiche definiert. Bei der Ätzung wird also nur der mittlere P-dotierte Bereich angegriffen bzw. freigeätzt, und der N-dotierte Randbereich 6, 6', 6'' bleibt bestehen. Damit ist der zuvor P-dotierte Bereich bzw. das Substrat 3 dort, wo die Ätzmaske dem Ätzmittel einen Zugang gibt, entfernt. Ein noch bestehender P-dotierter Teilbereich 12 wird nur auf seiner Flanke 13 im entstande nen trapezförmigen Freiraum 11 durch das Ätzmittel angegriffen, so daß sich diese entsprechend der Ätzzeit zum Randbereich hin fortpflanzt. Der Bereich, der die Ätzgrenze innerhalb des P-dotierten Bereichs bildet, ist gestrichelt angedeutet, da diese Grenze auf Grund der Unterätzung nicht genau definiert werden kann.
Durch den nun im mittleren Bereich entstandenen Freiraum 11 bildet die Membranschicht 1 in diesem Bereich eine freie Membran 1 Die Membran 1' weist im wesentlichen die Größe der zuvor vorhandenen P-dotierten Bereiche 8, 8', 8'' der N-Epitaxieschichten 7, 7' auf, da diese bei der Ätzung entfernt wurden und somit die Entstehung der Membran 1' möglich wurde.
In 6 und 7 sind zwei Varianten im Hinblick auf die Gestaltung der P-dotierten Bereiche 8, 8', 8'' bzw. der daraus entstehenden Membran 1' gezeigt.
Die Ausdehnung des Freiraums 11 zum Randbereich hin ist hierbei wesentlich größer ausgebildet als in 5, d. h. der frei schwingende Bereich der Membranschicht 1, also die Membran 1', ist gemäß 6 und 7 wesentlich breiter ausgebildet. Im mittleren Bereich der Membran 1', anschließend an die Membranschicht 1, sind N-dotierte Bereiche 6, 6', 6'' vorgesehen, die als Versteifung 14 der Membran 1' dienen. Diese Bereiche waren bei der Herstellung als N-dotierte Bereiche 6, 6', 6'' in der jeweiligen N-Epitaxieschicht ausgebildet.
Entsprechend 7 ist die Versteifung 14 beliebig formbar, so daß innerhalb der Versteifung 14 beliebige Freiräume 11 entsprechend den zuvor P-dotierten Bereichen gebildet sind.
Der hier dargestellte Freiraum 11 bzw. seine Teilgebiete 11 sind im Querschnitt idealisiert rechteckförmig ausgebildet, wobei der Freiraum 11 bzw. seine Projektionsfläche senkrecht zur Oberfläche 5 von der Ätzmaske 4 ausgehend zur Membran 1' hin kleiner wird bzw. stufenförmig auf die Größe der Membran 1' abnimmt.

Claims

Mikromechanische Membran (9) mit einem auf seiner Oberfläche (5) teilweise N-dotierten P-Substrat (3), wobei – die oberste Schicht eine N-Epitaxieschicht (1) ist, und – auf dem P-Substrat (3) eine oder mehrere N-Epitaxieschichten (7, 7') angeordnet sind, die im Membranbereich (1') N-dotierte Bereiche (6, 6', 6'') bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen N-Epitaxieschichten (7, 7') und die Membran, bestehend aus dem Membranbereich (1') und den N-dotierten Bereichen (6, 6', 6''), unterschiedlich dick ausgebildet sind, wobei vorgesehen ist, dass innerhalb der N-dotierten Bereiche (6, 6', 6'') Schichtunterbrechungen vorgesehen sind.
Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die N-Epitaxieschichten (7, 7', 7'') im Membranbereich (1') einen P-dotierten Bereich (8, 8', 8'') aufweisen.
Membran nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der lokal P-dotierten N-Epitaxieschicht (7) die N-dotierte Membranschicht (1) oder die Membran (1') anliegt.
Membran nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der P-dotierte Bereich (8, 8', 8'') der verschiedenen N-Epitaxieschichten (7, 7') oder des lokal N-dotierten P-Substrats (3) in den einzelnen N-Epitaxieschichten (7, 7') unterschiedlich groß ausgebildet ist.
Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der P-dotierte Bereich (8, 8', 8'') der verschiedenen N-Epitaxieschichten (7, 7') oder des lokal N-dotierten P-Substrats (3) ausgehend von der Membranschicht (1) oder eines Membranbereichs (1') schichtweise großflächiger ausgebildet ist als in der vorhergehenden Schicht.
Membran nach einem Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der P-dotierte Bereich (8, 8', 8'') der verschiedenen N-Epitaxieschichten (7, 7') oder des lokal N-dotierten P-Substrats (3) ausgehend von der Membranschicht (1) oder des Membranbereichs (1') schichtweise kleinflächiger ausgebildet ist als in der vorhergehenden Schicht.
Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der P-dotierte Bereich (8, 8', 8'') der verschiedenen N-Epitaxieschichten (7, 7') oder des lokal N-dotierten P-Substrats (3) in verschiedenen Teilbereichen der jeweiligen Schicht, wie der Mitte der mikromechanischen Membran (9) oder unterhalb des Membranbereichs (1') angeordnet ist.
Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die N-dotierten Bereiche (6, 6', 6'') und die P-dotierten Bereiche (8, 8', 8'') jeweils einer N-Epitaxieschicht (7, 7') abwechselnd, nebeneinander und/oder symmetrisch zur Mitte der mikromechanischen Membran (9) angeordnet sind.
Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das P-Substrat (3) an seiner nach außen gerichteten Seite eine Ätzmaske (4) aufweist.
Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die bisher mit „N-dotiert” bezeichneten Bereiche (6, 6', 6'') P-dotiert ausgebildet und die bisher mit „P-dotiert” bezeichneten Bereiche (8, 8', 8'') N-dotiert ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Membran nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – ein P-Substrat (3) wird einseitig lokal außerhalb des Membranbereichs N-dotiert, – auf diese Schicht wird eine N-Epitaxieschicht (7) aufgetragen, die entsprechend der vorhergehenden Substratschicht mittig im Membranbereich P-dotiert ist, – eine zweite N-Epitaxieschicht (7') wird entsprechend der ersten N-Epitaxieschicht (7) aufgetragen, – die zweite N-Epitaxieschicht (7') wird im Membranbereich oder in zusätzlichen Bereichen P-dotiert, – eine rein N-dotierte Membranschicht (1) wird auf die N-Epitaxieschicht (7') aufgetragen, – auf die freie Oberfläche des Substrats (3) wird eine Ätzmaske (4) aufgetragen und – Entfernen des Substrats (3) und der P-dotierten Bereiche (8, 8', 8'') in Abhängigkeit von der Ätzmaske (4) zur Erzeugung eines freien Membranbereichs (1').
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die N-Epitaxieschicht (7) während des Abscheidens N-dotiert und anschließend lokal P-dotiert oder während des Abscheidens P-dotiert und anschließend im Randbereich (6') lokal N-dotiert wird oder undotiert abgeschieden wird und im Randbereich (6') lokal N-dotiert und im Membranbereich (8') lokal P-dotiert wird.