DE102005004878A1

DE102005004878A1 - Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102005004878A1
Application number: DE102005004878A
Authority: DE
Inventors: Franz Laermer; Silvia KRONMÜLLER; Christina Leinenbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: US7262071B2; JP2006212773A; FR2882996B1; FR2882996A1; US20060170012A1; JP5032030B2; DE102005004878B4

Abstract

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit einem zumindest bereichsweise leitfähigen Substrat (1); einer elastisch auslenkbaren zumindest bereichsweise leitfähigen Membran (M), welche gewölbt und vom Substrat (1) elektrisch isoliert über einer Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehen ist, wobei die Membran (M) einen Innenbereich (I; I') und einen Randbereich (RB; RB') aufweist; und einem Hohlraum (H), der zwischen dem Substrat (1) und der Membran (M) vorgesehen ist; wobei der Innenbereich (I; I') einen gegenüber dem Randbereich (RB; RB') modifizierten Querschnitt aufweist, wodurch eine Durchbiegung des Innenbereichs (I; I') im Vergleich zum Fall eines identischen Querschnitts verringert ist. Die Erfindung schafft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Obwohl prinzipiell auf eine Vielzahl mikromechanischer Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von kapazitiven Drucksensoren erläutert.

Ausgangspunkt zur Erläuterung der zugrundeliegenden Problematik ist ein kapazitiver Drucksensor, z.B. ein Relativdrucksensor, bei dem die Kapazität einer oberen Membran zu einer vom Substrat oder anderweitig gebildeten Gegenplatte, z.B. in Form einer unteren Polysiliziumelektrode, als Elektrodenpaar ausgewertet wird. Die Auslenkung der Membranmitte einer allseitig eingespannten Membran hängt bekanntlich über einen weiten Bereich linear proportional vom angelegten Druck bzw. der Druckdifferenz ab. Die Kapazität des aus Membran und Gegenelektrode gebildeten Kondensators hängt reziprok vom Plattenabstand ab, so dass primär ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang zwischen angelegtem Druck oder Druckdifferenz und der Messkapazität besteht. Wird als Messgröße die reziproke Kapazität ausgewertet, erhält man ein Signal, das proportional zum angelegten Druck ist.

Da bei derartigen Drucksensoren die Membranauslenkung in Membranmitte einer Abhängigkeit proportional zum Druck folgt, liegt in diesen Varianten in erster Näherung ein annähernd lineares Verhalten bei der Auswertung der reziproken Kapazität vor. Eine derartige Auswertung erhält man beispielsweise bei einer Kapazitäts-Frequenz-Konversion (C/f-Wandler), wo sich die Ausgangsfrequenz einer geeigneten elektronischen Oszillatorschaltung mit dem Messelement als frequenzbestimmendem Bauteil der Rückkopplungsschleife in an sich bekannter Weise proportional zur reziproken Kapazität verhält. Andere ebenfalls an sich bekannte Schaltungsprinzipien, beispielsweise das "Switched Capacitor"-Prinzip oder zeitdiskrete Prinzipien, können die bei Übertragung einer festen Ladungsmenge auf die Messzelle entstehende Spannung auswerten und so die gewünschte Proportionalität erreichen. Eine weitere zeitkontinuierliche Möglichkeit besteht darin, einen konstanten Wechselstrom in die Messkapazität einzuprägen und die daraus resultierende Wechselspannung zu ermitteln. In der Praxis sind viele an sich bekannte Schaltungsprinzipien in der Lage, eine annähernd druckproportionale Ausgangsspannung aus den bekannten Sensorelementen zu generieren.

Die Messkapazität bzw. die Veränderung der Messkapazität wird jedoch in diesen Vorrichtungen nicht nur aus der unmittelbaren Membranmitte gebildet, sondern über die gesamte Ausdehnung der Membran hinweg, wo immer diese einer unteren Gegenplatte gegenübersteht. Um eine ausreichende Messkapazität zur Verfügung zu stellen, wird man diese Gegenplatte nicht nur auf eine enge Umgebung der Membranmitte begrenzen, sondern eine gewisse Fläche vorsehen, über die das Messsignal gebildet wird. Je größer die Fläche gewählt wird, umso größer ist die Grundkapazität und die Kapazitätsvariation der Messvorrichtung, umso weiter ausgedehnt allerdings auch der Bereich der Membran, der zur Messsignalbildung beiträgt.

Da die Membran als Ganzes bei Druckbeaufschlagung im Querschnitt einer gekrümmten Biegelinie folgt, tragen damit mehr und mehr gekrümmte Bereiche der Membran außerhalb von deren Mitte oder Mittenbereich zur Messsignalbildung bei, was Nichtlinearitäten zur Folge hat, d.h. ein Verhalten der reziproken Kapazität, das nicht mehr proportional zum Druck verläuft. Diese Nichtlinearitäten nehmen zu, je mehr Membranfläche außerhalb der Membranmitte zur Messsignalbildung mit herangezogen wird, und nimmt entsprechend ab, je weniger Membranfläche außerhalb der Membranmitte zur Messsignalbildung beiträgt. Vom Standpunkt eines möglichen linearen Sensorverhaltens wäre also eine Auswertung anzustreben, die vermöge einer flächenmässig eng begrenzten Gegenelektrode die Auswertung auf den Bereich der Membranmitte selbst eng begrenzt. Diese Forderung steht im Widerspruch zur Erfordernis einer ausreichenden Messkapazität für die elektronische Signalverarbeitung, die große Kondensatorflächen verlangt, so dass eine realisierbare Lösung nach den früheren Ansätzen immer einen Kompromiss zwischen einer ausreichenden Messkapazität, d.h. Auswertung einer genügend großen Membranfläche um die Membranmitte herum, und einer noch tolerierbaren oder zumindest noch kompensierbaren Nichtlinearität, die damit zwangsläufig verbunden ist, darstellt. Eine Nichtlinearitätskorrektur ist ein aufwändiges Verfahren, da bei dieser Methode ein Korrekturdatensatz zu jedem Sensorelement hinterlegt werden muss, über den eine numerische Linearisierung der vom Sensor gelieferten Daten nachträglich möglich und durchführbar ist. Nichtlineares Verhalten gilt daher bisher als Hauptnachteil kapazitiver Relativdrucksensoren.

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 weisen den Vorteil auf, dass sie einen einfachen und sicheren Prozess zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen, insbesondere kapazitiven Drucksensoren, vorschlagen, der sich besonders kostengünstig umsetzen lässt. Die Erfindung ermöglicht insbe sondere einen kapazitiven Relativdrucksensor, welcher durch die erfindungsgemäße Herstellungsweise ein deutlich verbessertes Linearitätsverhalten aufweist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die Membran bereichsweise in ihrem Querschnitt bzw. ihrer Schichtdicke moduliert bzw. ein komplexerer Membranaufbau vorgesehen wird, der Teile enthält, die weniger bzw. gar nicht an einer Durchbiegung teilnehmen.

Kritische Prozessschritte werden weitestgehend vermieden, ebenso wie exotische Prozessschritte, wie z.B. ein Aufkleben von Wafern auf Trägerwafer o.ä.. Kernstück des Prozesses ist eine Trenchätzung von der Waferrückseite in Verbindung mit einer darauf folgenden Opferschichtätzung unter der späteren Membran, welche eine äußerst hohe Selektivität aufweist. Dank dieser sehr hohen Selektivität wird erreicht, dass ohne weitere Schutzmaßnahmen des umgebenden Siliziums die Opferschicht-Ätztechnik durchgeführt werden kann, ohne die bestehenden Siliziumstrukturen anzugreifen, was den Gesamtprozess nochmals deutlich vereinfacht.

Der erfindungsgemässe Prozessablauf ist uneingeschränkt IC-prozesskompatibel, so dass auch eine elektrische Auswerteschaltung zur Signalwandlung und Signalverarbeitung auf der Wafervorderseite integriert werden kann, wo dies aufgrund der vorgesehenen Applikation sinnvoll erscheint.

Alle eingesetzten Mikrostrukturierungsverfahren mit Ausnahme der HF-Dampfätzung sind nämlich grundsätzlich gänzlich kompatibel zu ebenfalls auf dem Wafer vorhandenen integrierten Schaltkreisen. Da die optionelle HF-Dampfätzung von der Waferrückseite her stattfindet, erreicht sie die empfindlichen Strukturen der Wafervorderseite nicht, wenn prozesstechnisch für eine Medientrennung Waferrückseite/Wafervorderseite gesorgt ist, beispielsweise durch eine geeignete Waferaufnahme beim HF-Dampfätzen mit O-Ringdichtungen zur Wafervorderseite und/oder Waferrückseite. Technische Lösungen, die diese Medientrennungen garantieren können, sind grundsätzlich bekannt bzw. dem mit der HF-Dampfätztechnik und den entsprechenden Ätzapparaturen vertrauten Fachmann geläufig. Wo eine HF-Dampfätzung von der Vorderseite anfällt, namentlich bei den Absolutdrucksensorvarianten mit Prozessierung ausschliesslich von der Wafervorderseite, sind die benötigten Prozesszeiten mit HF-Dampf bei der Entfernung von dünnen Oxiden im Membranbereich so kurz, dass andere funktionale Oxide nicht oder nur geringfügig durch die HF-Dampfeinwirkung geschädigt werden.

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

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Innenbereich gegenüber dem Randbereich verdickt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Innenbereich gegenüber dem Randbereich eine zusätzliche Schicht auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Innenbereich einen gegenüber dem Randbereich stempelförmig in den Hohlraum abgehängten Bereich auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Hohlraum mit einem Medium gefüllt, wobei eine oder mehrere von unter der Membran durch das Substrat verlaufenden Perforationsöffnungen vorgesehen ist/sind und die Perforationsöffnung(en) einen Zugang zu dem Hohlraum von einer Rückseite des Substrats her schaffen, so dass ein im Hohlraum befindliches Volumen des Mediums bei einer Auslenkung der Membran veränderbar ist.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1A-L zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements in Form eines kapazitiven Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2A-L zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements in Form eines kapazitiven Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1A-L zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements in Form eines kapazitiven Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die der ersten Ausführungsform zugrunde liegende Idee besteht in der Überwindung des Einflusses von gekrümmten Membranteilen auf die Messkapazität und damit der Überwindung von Nichtlinearitäten der Sensorelemente, indem die Krümmung der Membranelektrode in dem Bereich, wo eine Messkapazitätsbildung erfolgt, also das Messsignal in Verbindung mit einer unteren Gegenelektrode entsteht, reduziert oder gänzlich unterdrückt wird.
Bei der ersten Ausführungsform wird ein innerer Teil der Membran durch eine Verdickung versteift, so dass die Krümmung für einen Großteil der Fläche, der zur Messsignalbildung beiträgt, reduziert wird. Die äußeren Teile der Membran (der Randbereich) bleibt dagegen unverdickt, so dass die Krümmung auf den engen Randbereich beschränkt bleibt, der nur in geringem Maße zur Gesamtkapazität beiträgt.
1A zeigt ein Siliziumwafersubstrat 1 mit einer an der Wafervorderseite V vorgesehenen Siliziumnoxidschicht 1a und einer darüber liegenden Opferschicht 5 aus SiGe, vorzugsweise aus Si_1-xGe_x mit x = 0,1 – 0,8, besonders bevorzugt mit x = 0,2 – 0,5. Gemäß 1B wird die Opferschicht 5 in einem folgenden Prozessschritt zur Bildung einer darüber befindlichen SiGe-Oxidschicht 5a oxidiert. Diese Oxidschicht dient später als Ätzstopp und auch als Diffusionsbarriere für Ge, um eine Ausdiffusion von Ge-Atomen ins angrenzende Polysiliziummaterial bei nachfolgenden Hochtemperaturprozessschritten zu verhindern; eine solche Interdiffusion von Ge würde das angrenzende funktionale Silizium ebenfalls in SiGe verwandeln und die Selektivität der nachfolgenden Opferschichtätzung z.B. durch ClF₃ beeinträchtigen. In dem Zusammenhang ist besonders vorteilhaft, wenn der Ge-Anteil der SiGe-Opferschicht so gering gewählt wird, dass in das thermisch aufgewachsene Oxid kein oder nur sehr wenig Ge als Fremdatome mit eingebaut werden und ein mehr oder weniger reines Siliziumoxid auf der SiGe-Opferschicht gebildet wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Ge-Anteil z.B. kleiner als 50 at% gewählt wird. Ein Siliziumoxid mit einem verschwindend geringen Ge-Anteil stellt eine besonders wirksame Diffusionsbarriere für Ge dar.
Gemäß 1C wird dann eine Polysiliziumschicht 20 über der SiGe-Oxidschicht 5a abgeschieden. Nachfolgend wird gemäß 1D die Polysiliziumschicht 20 mittels einer photolithographischen Technik inselartig strukturiert.
Dann werden mittels eines weiteren photolithographischen Prozessschritts die Opferschicht 5 und die darauf befindliche SiGe-Oxidschicht 5a ebenfalls inselartig strukturiert, wobei die laterale Ausdehnung dieser Inseln größer ist als diejenige der strukturierten Polysiliziumschicht 20. Für die Strukturierung der Schichten 5, 5a wird dieselbe Photomaske verwendet, jedoch zwei unterschiedliche Ätz schritte, wobei der erste Ätzschritt zum Durchätzen der SiGe-Oxidschicht 5a dient und auf der Opferschicht 5 aus SiGe stoppt, und der zweite Ätzschritt zum Durchätzen der SiGe-Opferschicht 5 mit Stopp auf der darunter liegenden Oxidschicht 1a dient. Beide Ätzschritte sind vorzugsweise Plasmaätzschritte. Dies führt zum in 1E gezeigten Prozesszustand.
Nachfolgend wird die Struktur gemäß 1F getempert und dabei kurzzeitig oxidiert, z.B.
l0 Minuten bis 1 Stunde lang bei 900°C bis 1000°C, um eine Oxidschicht 25 auf der Opferschicht 5 und der Polysiliziumschicht 20 zu bilden. Die Temperung liegt auch im Interesse von mechanischen Schichteigenschaften, d.h. der Reduktion von Stress und Stressgradienten. Die Oxidschicht 25 wächst auf dem SiGe der Opferschicht 5 schneller auf als auf dem Germanium-freien Polysilizium der Polysiliziumschicht 20. Dies liegt daran, dass der Germaniumanteil im SiGe die Oxidaufwachsgeschwindigkeit gegenüber Germanium-freiem Silizium deutlich beschleunigt, und zwar um einen Faktor 1,5 bis 5. An dieser Stelle wird beispielsweise die Funktion der vorstehend beschriebenen Diffusionsbarriere zwischen SiGe-Opferschicht und darüber befindlichem Membran-Polysilizium benötigt, um während der hohen Temperatur der Temperung und Oxidation eine Interdiffusion von Ge-Atomen aus dem SiGe ins Polysilizium hinein zu verhindern. Ausserdem ist es im Sinne eines Unterbindens späterer Ge-Interdiffusionen wiederum vorteilhaft, wenn auch bei diesem zweiten Oxidationsprozess auf dem SiGe-Opferschichtmaterial ein weitgehend Ge-freies Siliziumoxid aufwächst, was bei einem Ge-Gehalt von beispielsweise < 50% in der SiGe-Schicht erreicht werden kann.
Nachfolgend wird gemäß 1G die Oxidschicht 25 zurückgeätzt, vorzugsweise in einem Plasmaätzprozess für Oxid, der auf dem Silizium der Schicht 20 stoppt oder nahezu stoppt. Der Vorteil eines derartigen Plasmaätzprozesses ist es, dass die Oxidätzgeschwindigkeit weniger von Details des Oxids abhängt, es insbesondere also keine Rolle spielt, ob im Oxid etwas Germanium gelöst ist oder nicht. Vorzugsweise enthält das Oxid kein oder nur sehr wenig Ge, wie vorstehend ausgeführt wurde. Man erhält so eine oxidfreie Oberfläche der Polysiliziumschicht 20, umgeben von einer leicht gedünnten Oxidschicht 25, die vom SiGe der Opferschicht 5 ausgeht.
Gemäß 1H wird die Struktur mit einer weiteren Polysiliziumschicht 30 überzogen, welche gemäß 1I strukturiert wird, wonach ein Fenster 6 in der Oxidschicht 1a zum Freilegen der Wafervorderseite des Siliziumwafersubstrats 1 gebildet wird.
Gemäß 1J wird vorderseitig eine leitfähige Schicht aus Metall abgeschieden und derart strukturiert, dass sie im Membranbereich nicht mehr vorhanden ist, sondern nur im Bereich 9'a die leitfähige Polysiliziumschicht 20 außerhalb des Membranbereichs und im Bereich 9'b das Siliziumwafersubstrat 1 durch das Fenster 6 kontaktiert. Ausserdem wird auf der Waferrückseite R eine Maskierschicht 12' aus dickem Photolack, beispielsweise 5-10 μm dick, oder aus einer dicken Oxidschicht für den nachfolgenden Trenchprozess gebildet.
Mit Bezug auf 1K erfolgt dann ein einstufiger Tiefenätzprozess zum Trenchen, wobei ein Perforationsloch oder mehrere Perforationslöcher 15''' von der Waferrückseite R zur Wafervorderseite V hin getrieben werden. Der Tiefenätzprozess kann ein Plasmaätzverfahren sein, wie beispielsweise in der DE 4241045 C2 offenbart. Der Trenchprozess stoppt auf der Oxidschicht 1a, welches nachfolgend in einem weiteren Oxidätzschritt durchgeätzt wird, der wiederum an der Opferschicht 5 stoppt.
Gemäß 1L schließlich wird mittels der ClF-Opferschicht-Ätztechnik die SiGe-Opferschicht 5 selektiv zur Freilegung der Membran M herausgeätzt. Die noch verbleibenden Oxidschichten 1a, 25 können je nach Anforderung mittels einer HF-Dampfätzung unter der Membran M entfernt werden.
Damit liegt ein Relativdrucksensor mit kapazitiver Auswertungsmöglichkeit zwischen Membran M und dem Siliziumsubstrat 1 vor, wobei der Innenbereich I der Membran M im Vergleich zu deren Randbereich RB durch den Polysiliziumbereich 20 in seiner Dicke verbreitert und versteift ist und somit deutlich weniger gekrümmt ist als bei bekannten Lösungen. Entsprechend verringern sich die prinzipbedingten Nichtlinearitäten aufgrund der Verringerung Membrankrümmung der auslenkbaren Kondensatorplatte KP.
In Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, anstelle des Substrats als Gegenelektrode eine untere Polysiliziumelektrode vorzusehen, die vergraben unter der Membran herausgeführt und kontaktiert werden kann. Dies bedeutet einen größeren prozesstechnischen Aufwand, hat aber beispielsweise den Vorteil, dass die Fläche der Gegenelektrode geometrisch eingeschränkt werden kann auf den Innenbereich der Membran, nämlich dort, wo sie in ihrer Dicke versteift ist. Außerdem reduzieren sich dadurch die parasitären Kapazitäten. In einer weiteren Abwandlung dieser Ausführung ist es möglich, anstelle der Rückseitentrenchstrukturierung eine Strukturierung der Membran von der Wafervorderseite durchzuführen, so dass Ätzöffnungen in der Membran entstehen, durch die wiederum mittels des Ätzgases ClF₃ eine selektive Opferschichtätzung der Opferschicht 5 aus SiGe durchgeführt werden kann. Nach Abschluss der Opferschichtätzung können diese Ätzöffnungen durch Abscheideprozesse, z.B. PECVD-Prozesse, wieder verschlossen werden, wodurch ein definierter Referenzdruck in der gebildeten Kaverne unter der Membran eingeschlossen wird. Auf diese Weise entsteht in naheliegender Weise ein Absolutdrucksensor für Vorderseitendruckbeaufschlagung. Der Vorteil der SiGe-Opferschichttechnik besteht wieder darin, dass eine selektive ClF₃-Ätzung von SiGe gegenüber Si möglich ist, ohne den prozessseitigen Aufwand von Passivierungen für funktionales Silizium erhöhen zu müssen. Außerdem bleiben im Gegensatz zur HF-Dampfätztechnik funktionale Oxide, z.B. das Isolationsoxid, enthalten. Es ist an dieser Stelle anzumerken, dass allfällige HF-Dampfätzschritte zum Entfernen der dünnen Oxide unter der Membran bei der vorliegenden Erfindung nur eine sehr kurze Zeitdauer beanspruchen und daher den Schichtaufbau an anderen Stellen nicht oder nur geringfügig beeinträchtigen.
2A-L zeigen schematische Querschnittsansichten der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements in Form eines kapazitiven Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die der vorliegenden zweiten Ausführungsform zugrunde liegende Idee besteht darin, den zur Signalentstehung beitragenden Teil der Membran als eine separate Elektrodenfläche mechanisch mehr oder weniger komplett von dieser abzukoppeln, so dass im Bereich der Messkapazität überhaupt keine Krümmung mehr auftritt.
Gemäß 2A wird auf einem Siliziumwafersubstrat 1 eine Oxidschicht 1a abgeschieden bzw. thermisch gebildet und darüber die Opferschicht 5 aus SiGe mit einem Ge-Gehalt von 0,1-0,8 vorzugsweise von 0,2-0,5 vorgesehen. Weiter mit Bezug auf 1B wird die Opferschicht aus SiGe thermisch oxidiert, um eine SiGe-Oxidschicht 5a darüber zu bilden. Diese SiGe-Oxidschicht stellt wieder einen Ätzstopp und auch eine Diffusionsbarriere für Ge dar und wächst besonders vorteilhaft ohne Einschluss von Ge-Fremdatomen, also als weitgehend reines Siliziumoxid auf, wenn der Ge-Anteil im SiGe entsprechend niedrig, z.B. < 50 at% gewählt wird. Eine Ge-freie oder annähernd Ge-freie Siliziumoxidschicht stellt eine besonders gute Diffusionsbarriere für Ge dar. Wie in 2C gezeigt, wird über der SiGe-Oxidschicht 5a eine Polysiliziumschicht 20 ganzflächig abgeschieden und nachfolgend getempert, z.B. bei 900°C bis 1000°C über eine Zeitdauer von beispielsweise 10 Minuten bis 1 Stunde, und darüber eine dünne Oxidschicht 25' abgeschieden bzw. thermisch aufgewachsen, wie in 2C gezeigt. Letzteres kann während des Temperschritts geschehen. Die Temperung verfolgt auch das Ziel, die mechanischen Eigenschaften des Polysiliziums zu verbessern. Dabei ist wesentlich, dass während der Hochtemperaturbehandlung keine Ge-Interdiffusion ins Polysilizium hinein stattfinden kann, was durch die Oxiddiffusionsbarriere erreicht wird.
Nachfolgend wird gemäß 2D mittels einer einzigen Maske zuerst die dünne obere Oxidschicht 25' selektiv bis zur Polysiliziumschicht 20 geätzt. Die Oxidätzung stoppt selbstständig auf der Polysiliziumschicht 20. Anschließend wird der Ätzprozess umgestellt auf einen selektiven Ätzprozess für Poly silizium, womit die Polysiliziumschicht 20 durchgeätzt wird bis zu einem Stopp auf der darunter befindlichen SiGe-Oxidschicht 5a. Nach dem Stopp auf der SiGe-Oxidschicht 5a wird zuletzt der Ätzprozess wieder zurückgesetzt auf eine Chemie, die selektiv Oxid ätzt und auf der darunter befindlichen Opferschicht 5 aus SiGe stoppt. Vorteilhafterweise setzt man hierfür Plasmaätzprozesse ein, da diese sich leicht durch Wahl der entsprechenden Gase sowohl für Oxidätzen selektiv gegenüber Si oder SiGe oder auch Si-Ätzen oder SiGe-Ätzen selektiv gegenüber Oxid einrichten lassen. Im Falle einer selektiven Oxidätzung benutzt man Prozessgase wie CHF₃, CF₄ und CHF₃, C₄F₈ + CF₄ usw.. Für die selektive Si- oder SiGe-Ätzung kann man vorteilhaft den in der DE 4241045 C2 offenbarten Prozess einsetzen. Dabei ist es möglich, diese Schritte nacheinander oder in einer und derselben Plasmaätzanlage durchzuführen. Beim Wechsel von Oxid- auf Polysilizium- oder zurück zum Oxidätzen werden nur die Prozessgase umgestellt. Prinzipiell ist es sogar möglich, diese Schritte nacheinander durchzuführen, ohne den Wafer aus der Anlage zwischendurch ausladen zu müssen. Die Ätzstopps können jeweils mit an sich bekannten Methoden zur Endpunkterkennung detektiert werden, z.B. optischer Emissionsspektroskopie am Plasma oder Laserendpunkterkennung usw.. Das Resultat dieser vorzugsweise nur mit einer einzigen Maske nacheinander ausgeführten drei Ätzschritte zeigt 2D.
Gemäß 2E wird dieser Schichtaufbau mit einer weiteren SiGe-Opferschicht 40 überdeckt. Wie in 2F dargestellt, erfolgt dann eine Durchätzung des Schichtstapels bis zur untersten Oxidschicht 1a zur Festlegung des Membranbereichs und ein Vorsehen eines Fensters 7 im Membranbereich, wobei sich dieses Fenster 7 bis zur Oxidschicht 25 erstreckt. Auch hierfür wird vorzugsweise der Plasmaätzprozess gemäß der DE 4241045 C2 eingesetzt, da dieser eine sehr hohe Selektivität gegenüber Oxid aufweist, so dass ein sehr dünnes Oxid in Form der Schicht 25' ausreicht, um den Prozess zu stoppen, und ein ausreichend langes Überätzen auf diesem sehr dünnen Oxid zu gestatten, solange bis außerhalb des Membranbereichs die Ätzung bis zur Oxidschicht 1a fortgeschritten ist. Sollte die dünne Oxidschicht 25' während dieses Überätzens durchbrechen, wäre sehr schnell die vergrabene Polysiliziumstruktur zerstört, d.h. weggeätzt, was in jedem Fall zu vermeiden ist.
Gemäß 2G wird die so erhaltene Struktur einer weiteren thermischen Oxidation unterworfen, um eine Oxidschicht 45 über dem Membranbereich zu bilden. Zu beachten ist hierbei, dass SiGe deutlich schneller um einen Faktor 1,5 bis 5, oxidiert als Germanium-freies Silizium. Die während der Oxidation aufgewachsene Oxidschicht 45 ist also nur dünn auf der Polysiliziumschicht 20 und deutlich dicker dagegen auf den offenen SiGe-Flächen der Schicht 40 bzw. 5. In dem Zusammenhang ist es wieder vorteilhaft, wenn das auf der SiGe-Schicht aufgewachsene Oxid kein oder nur sehr wenig Ge-Fremdatome inkorporiert, was durch einen ausreichend niedrigen Ge-Gehalt der SiGe-Schicht, z.B. < 50 % erreicht werden kann. Der Ge-Anteil soll andererseits hoch genug sein, um die Wachstumsbe schleunigung der Oxidbildung auf dem SiGe-Material zu erreichen, was in der Praxis einem Wertebereich von 0,2-0,5 bzw. 0,3-0,4 für den Ge-Anteil im SiGe-Material entspricht.
Dies ermöglicht ein unmaskiertes ganzflächiges Rückätzen des Oxids im Fenster 7, vorzugsweise mit einem an sich bekannten Plasmaätzprozess für Oxid, welcher selektiv auf der Polysiliziumschicht 20 stoppt, um die Polysiliziumoberfläche im Fenster 7 freizulegen. Da die Oxidschicht auf der SiGe-Oberfläche deutlich dicker ist als auf der Polysiliziumoberfläche, bleibt sie auf den SiGe-Bereichen auch nach dem Rückätzen in ausreichender Dicke erhalten, wie sie im nachfolgenden Prozess noch als Diffusionsbarriere für Germanium benötigt wird. Diesen Prozesszustand zeigt 2H.
In 2I ist der Zustand gezeigt, nachdem erneut eine Polysiliziumschicht 50 ganzflächig aufgebracht und strukturiert worden ist. Außerdem ist auf der rechten Seite das Fenster 6 zum Freilegen und Kontaktieren des Siliziumwafersubstrats 1 gezeigt. Darüber hinaus wurde auf der Rückseite die Maskierschicht 12' aus dickem Photolack oder Oxid für den nachfolgenden Trenchprozess aufgebracht.
Gemäß 2J erfolgt dann die Abscheidung und Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht, vorzugsweise eines Kontaktmetalls wie z.B. Aluminium oder AlCu oder AlSiCu in die Bereiche 9'a, 9'b zur Kontaktierung der Polysiliziumschicht 50 auf der linken Seite von 2J bzw. zur Kontaktierung des Siliziumsubstrats 1 im Fenster 6 auf der rechten Seite von 2J.
Gemäß 2K erfolgt dann der Trenchätzprozess von der Waferrückseite R her, welcher zunächst auf der Oxidschicht 1a stoppt und nach deren Durchbrechen in einem weiteren Ätzprozess bis zur Opferschicht 5 fortgesetzt wird. Auch hierfür benutzt man einen Plasmaätzprozess auf der Basis von Prozessgasen wie CHF₃, C₄F₈, CF₄, C₃F₈ usw. oder Mischungen derselben, da damit ein selektives Durchätzen des Oxids mit Stopp auf SiGe möglich ist. Außerdem kann dieser Plasmaätzschritt prinzipiell in derselben Anlage durchgeführt werden wie der Trenchätzschritt. Sofern eine geeignete Endpunkterkennung vorhanden ist, können die beiden Strukturierungsschritte sogar unmittelbar nacheinander und ohne Umladung des Wafers in ein und derselben Anlage oder in separaten Kammern von ein und derselben Anlage durchgeführt werden, was zeit- und kostensparend wirkt.
Gemäß 2L schließlich werden die Opferschicht 5 und die Opferschicht 40 in einer ClF₃-Opferschichtätzung selektiv entfernt, um die Membran M und den darunter befindlichen Hohlraum H freizulegen. Ebenfalls ist auch hier die Entfernung der im Membranbereich verbleibenden Oxidschichten 1a, 5a, 25', 45 mittels einer HF-Dampfätzung möglich, die nur eine sehr kurze Zeitspanne beansprucht und aufgrund der kurzen Einwirkungszeit andere Oxidschichten nur wenig angreift.
Die im Innenbereich I' der Membran M befindliche untere Polysiliziumstruktur wirkt nunmehr als mechanisch von möglichen Durchbiegungen der Membran M abgekoppelte, elektrisch aber an diese angekoppelte Kondensatorplatte KP'. Der von ihr und der unteren Gegenelektrode gebildete Kondensator weist ein streng druckproportionales Verhalten der reziproken Kapazität auf, ohne dass Nichtlinearitäten vorhanden wären und ohne Erfordernis einer sonst erforderlichen Korrektur dieser Nichtlinearitäten. Der Randbereich RB' der Membran M trägt dabei nicht merklich zu Kapazität bei. Im Ergebnis wird also ein linearer Relativdrucksensor erhalten.
In Abwandlung dieser Ausführungsform ist es auch möglich, einen Absolutdrucksensor zu erzeugen. Hierzu kann anstelle des Rückseitentrenchprozesses eine Perforation der Membran von der Vorderseite eingeätzt werden. Durch Anlegen von Ätzlöchern, vorzugsweise von nur wenigen Ätzlöchern, wird dem Prozessgas ClF₃ bei der nachfolgenden Opferschichtätzung Zutritt zu den Opferschichten eröffnet. Dank der großen Reichweite, der Ätzgeschwindigkeit und Selektivität der ClF₃ gegenüber des SiGe genügen hierzu vorteilhafterweise nur wenige Ätzlöcher, beispielsweise in Bereichen der Membran wo sie nicht stören, d.h. mechanisch einen möglichst geringen Einfluss auf das Membranverhalten ausüben können. Diese bevorzugten Stellen für die Ätzöffnungen sind z.B. Orte mit besonders geringem mechanischen Stress unter Membranbeaufschlagung mit einem Druck, z.B. in der Nähe der Membranmitte, oder besonders bevorzugt an den Wendepunkten der Biegelinie der ausgelenkten Membran (Stressumkehrpunkte etwa 1/4 des Membrandurchmessers vom Rand der Membran entfernt).
Diese Ätzöffnungen werden nach Abschluss der Opferschichtätzung z.B. durch ein CVD-Verfahren wieder hermetisch verschlossen, wobei auch ein definierter Referenzdruck in der Kaverne unter der Membran M eingeschlossen werden kann, indem entsprechende Prozessbedingungen während der CVD-Abscheidung gewählt werden. Die SiGe-Opferschichttechnik gestattet so die Herstellung einer relativ komplexen Struktur mir einer frei an der druckempfindlichen Membran M aufgehängten Kondensatorplatte, die sich bei einer Durchbiegung der Membran M selbst nicht mitkrümmt, was sonst auch einen kapazitiven Absolutdrucksensor mit hoher Linearität möglich macht.
Ebenso ist es in Abwandlung der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise möglich, zusätzlich eine untere Polysiliziumelektrode unter der Membran bzw. unter der Polysiliziumplatte an der Membran vorzusehen, die aus dem Membranbereich vergraben herausgeführt und vorderseitig metallisiert und kontaktiert werden kann. Anstelle des Substrats als unterer Gegenelektrode kann dann vorteilhaft diese untere Polysiliziumelektrode als untere Gegenelektrode zur Kapazitätsauswertung herangezogen werden. Der prozessseitige Aufwand ist durch diese Maßnahme zwar höher, dafür erhält man vorteilhaft die Möglichkeit, die untere Gegenelektrode auf die Fläche der oberen Polysiliziumplatte an der Membran zu begrenzen. Wenn die Flächen von unterer Gegenelektrode und oberer Polysiliziumplatte aufeinander abgestimmt und angepasst sind, können die Kapazitätsbeiträge von Randbereichen der Membran zur Messkapazität noch weiter reduziert bzw. völlig eliminiert werden, was die aus diesen Randbereichen resultierenden Nichtlinearitäten des reziproken Kapazitätsverhaltens der Messzelle noch weiter reduziert bzw. eliminiert.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere können einzelne Prozessschritte auch untereinander in ihrer Reihenfolge vertauscht werden, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen. So kann z.B. die Waferrückseitenprozessierung vor der Wafervorderseitenprozessierung erfolgen oder in sich abgeschlossen werden oder die Wafervorderseitenprozessierung kann zuerst erfolgen oder in sich abgeschlossen werden und danach die Waferrückseitenprozessierung stattfinden. Es können aber auch einzelne Verfahrensschritte auf der Wafervorderseite und auf der Waferrückseite einander im Gesamtprozessablauf sukzessive abwechseln, also einmal wird die Wafervorderseite prozessiert und dann wieder die Waferrückseite usw., und zwar jeweils über einen oder mehrere Schritte hinweg. Die oben erläuterten Prozessflüsse sind in vieler Hinsicht als vorteilhaft anzusehen, ist aber nicht der einzig mögliche Prozessablauf im Sinne der vorliegenden Erfindung.

1: Siliziumwafersubstrat
5, 40: Opferschicht
V: Wafervorderseite
R: Waferrückseite
6, 7: Fenster
9'a, 9'b: leitfähige Schicht
12': Maskierschicht
15''': Perforationslöcher
M: Membran
I, I': Innenbereich
RB, RB: Randbereich
KP, KP: auslenkbare Kondensatorplatte
20, 30, 50: Polysiliziumschicht
1a: Oxidschicht
5a: SiGe-Oxidschicht, bevorzugt annähernd reines Siliziumoxid
25, 25', 45: Oxidschicht
H: Hohlraum

Claims

Mikromechanisches Bauelement mit: einem zumindest bereichsweise leitfähigen Substrat (1); einer elastisch auslenkbaren zumindest bereichsweise leitfähigen Membran (M), welche gewölbt und vom Substrat (1) elektrisch isoliert über einer Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehen ist, wobei die Membran (M) einen Innenbereich (I; I') und einen Randbereich (RB; RB') aufweist; und einem Hohlraum (H), der zwischen dem Substrat (1) und der Membran (M) vorgesehen ist; wobei der Innenbereich (I; I') einen gegenüber dem Randbereich (RB; RB') modifizierten Querschnitt aufweist, wodurch eine Durchbiegung des Innenbereichs (I; I') im Vergleich zum Fall eines identischen Querschnitts verringert ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbereich (I) gegenüber dem Randbereich (RB) verdickt ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbereich (I) gegenüber dem Randbereich (RB) eine zusätzliche Schicht (20) aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbereich (I') einen gegenüber dem Randbereich (RB') stempelförmig in den Hohlraum (H) abgehängten Bereich (KP') aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (H) mit einem Medium gefüllt ist; eine oder mehrere von unter der Membran (M) durch das Substrat (1) verlaufenden Perforationsöffnungen (15''') vorgesehen ist/sind; und die ein oder mehreren Perforationsöffnungen (15''') einen Zugang zu dem Hohlraum (H) von einer Rückseite (R) des Substrats (1) her schaffen, so dass ein im Hohlraum (H) befindliches Volumen des Mediums bei einer Auslenkung der Membran (M) veränderbar ist.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement mit den Schritten: Bereitstellen eines zumindest bereichsweise leitfähigen Substrats (1); Erstellen einer elastisch auslenkbaren zumindest bereichsweise leitfähigen Membran (M), welche gewölbt und vom Substrat (1) elektrisch isoliert über einer Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehen ist, wobei die Membran (M) einen Innenbereich (I; I') und einen Randbereich (RB; RB') aufweist und Vorsehen von einem Hohlraum (H) zwischen dem Substrat (1) und der Membran (M); wobei die Membran (M) derart gestaltet wird, dass der Innenbereich (I; I') einen gegenüber dem Randbereich (RB; RB') modifizierten Querschnitt aufweist, wodurch eine Durchbiegung des Innenbereichs (I; I') im Vergleich zum Fall eines identischen Querschnitts verringert ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (M) über einem auf dem Substrat (1) vorgesehenen Opferschichtbereich (5; 5, 40) durch Vorsehen einer Mehrzahl von strukturierten Schichten (20, 25, 30; 5a, 20, 25', 45, 50) vorgeformt wird und anschliessend der Opferschichtbereich (5; 5, 40) durch einen Ätzprozess selektiv gegenüber der Membran (M) entfernt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Opferschicht (5; 5, 40) SiGe mit einem Ge-Anteil von 0,1-0,8, bevorzugt von 0,2-0,5 verwendet wird.
Herstellungsverfahren nach Ansprach 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzgas für die Opferschichtätzung ClF₃, ClF₅, XeF₂, BrF₃, IF₃ oder IF_S, bevorzugt ClF₃, verwendet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzstopps und Diffusionssperren zwischen SiGe- und Si-Schichten eine Oxidschicht (1a) aufgebracht oder durch thermische Oxidation aufgewachsen werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Ge-Gehalt in dem Opferschichtbereich (5; 5, 40) so niedrig gewählt wird, dass eine thermisch aufgewachsene SiGe-Oxidschicht kein oder annähernd kein Ge enthalten.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge-Gehalt in dem Opferschichtbereich (5; 5, 40) so hoch gewählt wird, dass die Aufwachsgeschwindigkeit einer thermischen Oxidschicht gegenüber einem Aufwachsen auf Silizium um einen Faktor 1,5-10 beschleunigt. erfolgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der der Ge-Gehalt in in dem Opferschichtbereich (5; 5, 40) zwischen 0,3 und 0,4 at% liegt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenbereich (I) gegenüber dem Randbereich (RB) eine zusätzliche Schicht (20) vorgesehen wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenbereich (I') ein gegenüber dem Randbereich (RB') stempelförmig in den Hohlraum (H) abgehängter Bereich (KP') vorgesehen wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (H) mir einem Medium gefüllt wird; eine oder mehrere von unter der Membran (M) durch das Substrat (1) verlaufenden Perforationsöffnungen (15''') vorgesehen wird; wobei die eine oder mehrere Perforationsöffnungen (15''') einen Zugang zu dem Hohlraum (H) von einer Rückseite (R) des Substrats (1) her schaffen, so dass ein im Hohlraum (H) befindliches Volumen des Mediums bei einer Auslenkung der Membran (M) veränderbar ist.