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STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Bei der Herstellung von Bulkmikromechanik-Membransensoren wird in einen Wafer von der Rückseite her eine tiefe Kaverne mittels eines anisotropen KOH-Ätzprozesses geätzt, bis lediglich eine dünne Membran zurückbleibt. Um mit diesem Prozess beispielsweise eine 1 μm dicke Siliziummembran herzustellen, müssen bei einer Waferdicke von 360 μm 359 μm Silizium weggeätzt werden. Dies ist ein äußerst zeitaufwändiger Prozess, und da der Ätzprozess auch die Seitenwände der Kaverne angreift (es wird eine pyramidenstumpfähnliche Struktur herausgeätzt), ist der benötigte Flächenanteil deutlich größer als die eigentliche Membranfläche. Das Verhältnis von notwendiger Fläche zur Membranfläche wird mit zunehmender Waferdicke immer schlechter. Membrane können nur eingeschränkt dimensioniert werden, da die Ätzung entlang festgelegter Kristallebenen erfolgt. An die Substrate werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Dickenspezifikation gestellt, da die Substratdicke bei konstanter Ätzzeit direkt die Membrandicke beeinflusst. Desweiteren ist dieser Prozess ein Rückseitenprozess, d. h. die Substrate müssen beidseitig poliert sein, und Beschädigungen der Vorderseite des Wafers sind durch die Prozessführungen leicht möglich.
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Bei der Herstellung von Oberflächenmikromechanik-Membransensoren muss beim Vorsehen von thermisch isolierten Membranen unterhalb der Membranen das Silizium entfernt werden. Dies geschieht in der Regel durch Zugangsöffnungen (Poren) in der Membranschicht, durch welche z. B. mittels ClF3-Ätzen das darunter liegende Silizium entfernt wird. Um zu vermeiden, dass sich Schmutz, Feuchtigkeit oder andere Fremdstoffe zwischen Membran und Siliziumsubstrat ablagern können, müssen diese Zugangsöffnungen nach dem Ätzvorgang wieder verschlossen werden. Das Verschließen der Zugangsöffnungen bedingt aber aufgrund der mit Standardverfahren erzielbaren großen Öffnungsdurchmesser dicke Verschlussschichten.
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Prinzipiell kann diesem Problem durch kleine Zugangsöffnungen mit einem Durchmesser < 500 nm begegnet werden, wie sie beispielsweise mittels Stepperbelichtungen in Photolack realisiert werden. Bei der Übertragung der Photolackstruktur in beispielsweise eine Oxidschicht kommt es jedoch zu einer Vergrößerung der Struktur und somit zu einem größeren Lochdurchmesser. Der kleinste Lochdurchmesser ist im günstigsten Fall identisch mit der in der Photolackschicht realisierten Struktur.
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Die
DE 100 30 352 A1 offenbart ein mikromechanisches Bauelement und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Das mikromechanische Bauelement weist eine Membran auf, die in einem freitragenden Bereich mit mindestens einem Stabilisierungselement versehen ist. Beim Herstellungsverfahren wird zunächst ein Oberflächenbereich eines Substrats bis in eine einstellbare Tiefe unter Bildung von porösem Silizium geätzt, der von einem n-dotierten Bereich umgeben ist, der durch die Ätzung nahezu nicht angegriffen wird. Über dem porösen Bereich wird eine Membranschicht abgeschieden und anschließend perforiert, wonach der poröse Bereich durch die Perforationen der Membranschicht durch Ätzen entfernt wird.
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Aus G. Lammel, Ph. Renaud, Free-standing, mobile 3D porous silicon microstructures, Sensors and Actuators 85 (2000), S. 356–360 ist es bekannt, durch einen zweistufigen Ätzprozess zunächst einen porösen Bereich an der Oberfläche eines Siliziumsubstrats unter Verwendung einer Maske zu bilden, wonach in einem Elektropolitur-Ätzschritt ein Hohlraum unter dem porösen Bereich gebildet wird, und zwar derart, dass der poröse Bereich sich teilweise abhebt.
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Die Druckschrift
DE 101 38 759 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Kavität in einem Substrat und einer über der Kavität angeordneten porösen Membranschicht. Die Druckschrift
US 6,191,467 B1 offenbart ein Halbleiterbauteil mit einer Isolierschicht mit Löchern über einer Kavität in einem Substrat. Die Druckschrift
DE 103 23 559 A1 offenbart eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Hohlraum in einem Substrat unter einer Membran. Die Druckschrift
US 5,155,601 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines siliziumbasierten Drucksensors.
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Dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. dem entsprechenden Herstellungsverfahren nach Anspruch 3 liegt die Idee zugrunde, einen Oberflächenbereich eines Substrats zunächst mit Poren zu versehen, dann unter dem Porenbereich einen Hohlraum zu schaffen, wonach der poröse Bereich einer Oxidation zum Verengen bzw. Schließen der Poren unterworfen wird. Der Hohlraum wird vorzugsweise mittels Elektropolitur im selben Ätzmedium wie die poröse Membran oder alternativ in einem speziell für diesen Prozessschritt optimierten Ätzmedium durchgeführt.
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Der Membranbereich besteht vorzugsweise aus makroporösem Silizium mit mittleren Porendurchmessern im Bereich von beispielsweise 50 nm bis 3 μm. Die Verwendung von derartigen Makroporen bietet eine im Vergleich zu Nano- und Mesoporen deutlich erhöhte mechanische Stabilität der porösen Membran während der gesamten Prozessführung und im späteren Einsatz im Sensorelement.
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Zur mechanischen Aufhängung der Membran dient eine gegenüber dem Ätzprozess inerte, vorzugsweise implantierte Dotiermaske. Die makroporöse Membran wird vorzugsweise mittels einer dünnen Schicht verschlossen (beispielsweise Si3N4, SiO2). Hierbei wird in dem Hohlraum ein Vakuum oder eine definierte Gasatmosphäre eingeschlossen. Vor diesem Verschluss wird durch den besagten Oxidationsschritt erreicht, dass der Durchmesser der Poren in der Membran deutlich reduziert wird. Dies vereinfacht den Verschlussprozess der Membran erheblich und senkt die laterale Wärmeleitfähigkeit der Membran deutlich.
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Man erhält somit eine Membran, welche sowohl thermisch als auch mechanisch vom Substratmaterial entkoppelt ist. Dies bedingt hervorragende thermische Isolationseigenschaften bei gleichzeitiger guter Elastizität und Stabilität. Letzteres spielt im späteren Einsatz als Sensorelement eine bedeutende Rolle, da bei konventionellem Aufbau die Membranzerstörung durch Partikelbeschuss ein großes Problem darstellt. Dieses Problem ist beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht vorhanden.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch eine besonders einfache Prozessführung Prozesszeiten von unter 20 min für die Prozessierung von Membran und Hohlraum einstellbar sind. Das bevorzugte elektrochemische Ätzverfahren stellt außerdem einen besonders kostengünstigen Prozess dar. Die im Vergleich zur herkömmlichen Bulkmikromechanik gewonnene Designfreiheit stellt neben der Möglichkeit zur deutlichen Reduzierung der notwendigen Chipfläche einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
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Eingesetzt werden kann der erfindungsgemäße Gegenstand z. B. bei allen Sensoren, welche eine gute thermische und mechanische Isolierung zum Siliziumsubstrat brauchen. Hier sind z. B. Luftmassensensoren, sonstige Gassensoren, Mikro-Hotplates, Thermosensoren etc. zu nennen.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die Porenschicht im ersten Ätzschritt elektrolytisch mit zufallsverteilten Poren in das Halbleitersubstrat geätzt.
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Erfindungsgemäß wird die Porenschicht im ersten Ätzschritt mit einer Maske in das Halbleitersubstrat geätzt.
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Erfindungsgemäß weist die Maske einen Dotierungsbereich des zweiten Leitungstyps in der Oberfläche des Halbleitersubstrats auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Dotierungsbereich einen Implantationsbereich auf, der ein Muster von implantierten Zonen und nicht-implantierten Zonen aufweist, wobei die nicht-implantierten Zonen die Poren festlegen.
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Erfindungsgemäß ist der Dotierungsbereich ein Implantationsbereich oder ein Epitaxiebereich, der den gesamten Membranbereichüberdeckt, wobei die Poren im ersten Ätzschritt durch eine Grabenätzung des Implantationsbereichs unter Verwendung einer strukturierten Maskierschicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats festgelegt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Maske eine strukturierte Maskierschicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen das Vorsehen der Porenschicht im ersten Ätzschritt und das Vorsehen des Hohlraums unterhalb der Porenschicht im Halbleitersubstrat im zweiten Ätzschritt elektrolytisch.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die oxidierte Porenschicht mit durchgehenden oxidierten Poren gebildet, wonach mindestens eine Verschlussschicht oberhalb der oxidierten Porenschicht vorgesehen wird. Bei verbleibenden Zwischenräumen nach Oxidation der Stege, vorzugsweise im Bereich unter 400 nm, kann die im Hohlraum eingeschlossene Atmosphäre durch den Abscheideprozess der Verschlussschicht eingestellt werden, der Druck liegt dabei vorzugsweise unter 1 mbar. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der durch den Oxidationsprozess eingestellte Spannungszustand in der Membran deutlich geringer ausfällt, wenn nach der Oxidation geringe Freiräume übrig bleiben. Zum anderen wird die laterale Wärmeleitfähigkeit reduziert, da es sich um ein laterales Mehrschichtsystem handelt. Der LPCVD-Prozess führt aufgrund seiner Konformität zu einer Beschichtung der Seitenwände der oxidierten Siliziumstege. Aufgrund dessen kommt es vermehrt zu einer Phononstreuung an den Grenzflächen. Man erhält somit eine Membran, welche sowohl thermisch als auch mechanisch vom Substratmaterial entkoppelt ist. Dies bedingt hervorragende thermische Isolationseigenschaften bei gleichzeitig guter Elastizität und Stabilität.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die oxidierte Porenschicht derart gebildet wird, dass die Poren verschlossen werden und sie den Hohlraum hermetisch verschließt. Bei der Oxidation der Siliziumstege tritt ein Volumenzuwachs von ca. 44% von Siliziumoxid gegenüber Silizium auf. Bei entsprechender Dimensionierung können die Poren zwischen den Stegen sogar vollständig geschlossen werden. Bei vollständigem Verschluss bleibt eine gewisse Restmenge an Sauerstoff in dem Hohlraum. Durch weitergehende Oxidation bei hohen Temperaturen wird dieser verbraucht, indem auch Wände und Boden des Hohlraums oxidiert werden. Dieser Prozess schreitet so lange voran, bis sämtlicher Sauerstoff im Hohlraum verbraucht ist und sich ein Vakuum eingestellt hat.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der erste Leitungstyp der p-Typ und der zweite Leitungstyp der n-Typ.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1A–F zeigen schematische Darstellungen der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2A–F zeigen schematische Darstellungen der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3A–D zeigen schematische Darstellungen der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4A–D zeigen schematische Darstellungen der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Herstellungschrittes eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Herstellungschrittes eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
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1A–F zeigen schematische Darstellungen der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1A ist eine schematische Draufsicht auf ein p-dotiertes Siliziumhalbleitersubstrat 1 gezeigt, in das ein ringförmiger n-dotierter Rahmenbereich 2 implantiert ist. Bezugszeichen 3 bezeichnet einen späteren Membranbereich, welcher vom n-dotierten ringförmigen Rahmenbereich 2 eingeschlossen ist, da die spätere Membran daran aufgehängt ist.
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Bei den vorliegenden Ausführungsformen hat das Siliziumhalbleitersubstrat 1 einen spezifischen Widerstand von ρ ≥ 1 Ωcm (entsprechend einer Dotierstoffkonzentration von n ≤ 1·1016 cm–3. Der ringförmige Rahmenbereich 2 wird durch eine Implantation eines entsprechenden Dotierstoffs, beispielsweise Phosphor, hergestellt. Diese Implantationszone wird von der Dotierung her so eingestellt, dass nur ein geringer oder gar kein Ätzangriff bei den nachfolgenden elektrochemischen Prozessschritten entsteht.
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1B zeigt eine 1A entsprechende Querschnittsansicht. Zusätzlich vorgesehen auf der Oberfläche des Siliziumhalbleitersubstrats 1 ist gemäß 1B eine Maskierschicht 4, beispielsweise Si3N4, und zwar durch einen üblichen Abscheideprozess mit nachfolgender Strukturierung. Diese Maskierschicht 4 ist gegenüber einem später verwendeten Ätzmedium resistent und ermöglicht es insbesondere, den Stromfluss für den elektrochemischen Ätzvorgang genauer kontrollieren zu können.
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Weiter mit Bezug auf 1C erfolgt dann die Ausbildung einer makroporösen Schicht MP der späteren Membran mittels eines elektrochemischen Ätzprozesses in einem flusssäurehaltigen Ätzmedium, wobei im Membranbereich 3 Poren 5 in einem Oberflächenbereich des Substrats 1 gebildet werden, zwischen denen Substrat-Stege 15 aus Silizium stehen bleiben.
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Vorzugsweise wird hierbei ein organisches Lösungsmittel als Netzmittel zur Reduzierung der Oberflächenspannung verwendet. Dieser organische Zusatz erlaubt das Einstellen der HF-Konzentration, und des Weiteren spielt er eine wichtige Rolle bei der ablaufenden Elektrochemie zur Ausbildung der Makroporen im p-dotierten Siliziumhalbleitersubstrat 1. Als organischer Zusatz eignen sich insbesondere DMF, DMSO, ACN, wie beispielsweise offenbart in M. Christophersen, et al., Mat. Scie. Eng. B 69–70 (2000), 194–198, oder S. Lust et al., J. Electrochem. Soc. Vol. 149, Nr. 6 (2002), C338–C344.
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Die Ausbildung der makroporösen Schicht MP kann sowohl mit einer geordneten als auch einer zufälligen Anordnung der Poren 5 erfolgen. Beim vorliegenden Beispiel ist die Anordnung der Poren 5 zufällig, da der entsprechende Ätzprozess unmaskiert erfolgt. Eine geordnete Anordnung der Poren wird in den folgenden Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei ein weiterer Prozessschritt notwendig ist, in dem die Lage der Poren durch eine Maske vorgegeben wird.
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Von der Prozessführung jedenfalls ist die Verwendung einer zufälligen Anordnung der Poren 5 deutlich einfacher. Es wird hierbei somit in vorteilhafter Weise von einem selbstorganisierenden Prozess profitiert, bei dem auf kostenintensive Strukturierungsschritte verzichtet werden kann.
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Für den elektrochemischen Ätzprozess werden HF-Konzentrationen im Bereich von 1–20%m verwendet, die Ätzrate der Porenbildung liegt im Bereich von 1 μm/min bei einem Porendurchmesser zwischen 50 nm und 3 μm. Je nach Wahl der Substratdotierung können sowohl der mittlere Porendurchmesser als auch die mittlere Wandstärke der Stege 15 eingestellt werden, wobei durch die verwendete elektrische Stromdichte ebenfalls Einfluss auf diese Größen genommen werden kann. Insbesondere bedingt eine höhere elektrische Stromdichte auch größere Porendurchmesser und kleinere Wandstärken der Stege 15.
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Die Dicke der makroporösen Schicht MP liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 20 μm, wobei Prozesszeiten von typischerweise 15 min erforderlich sind. Jedenfalls sollte sich die Dicke zweckmäßigerweise bis unterhalb der Eindringtiefe des ringförmigen Rahmenbereichs 2 erstrecken.
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Weiter mit Bezug auf 1D erfolgt nach der Ausbildung der makroporösen Schicht MP, der späteren Membran, die Ausbildung eines Hohlraums 11 unterhalb der makroporösen Schicht MP durch einen weiteren elektrochemischen Ätzschritt, einen Elektropolitur-Ätzschritt. Dieser Elektropolitur-Ätzschritt kann im selben Ätzmedium durch Erhöhung der elektrischen Stromdichte über einen kritischen Stromdichtewert erfolgen, oder aber in einem speziell auf die Elektropolitur angepassten Ätzmedium. Hierfür bieten sich höher konzentrierte HF/Alkohol-H2O-Mischungen an, vorzugsweise mit HF-Konzentrationen um 20%m. Hierbei sind Elektropolitur-Ätzraten von über 200 nm/s erreichbar. Besonders vorteilhaft sind die daraus resultierenden notwendigen kurzen Prozesszeiten von typischerweise unter 5 min für Hohlräume 11 von typischerweise mehreren 10 μm Tiefe.
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Da hierbei jedoch, je nach anliegendem Potenzial, leicht Gasblasen (Sauerstoff) an der Grenzfläche Elektrolyt/Substrat gebildet werden, könnte eine poröse Schicht von geringer Stabilität und geringen Porendurchmessern, wie es bei nano- und mesoporösem Material der Fall ist, leicht während des Elektropolierens zerstört werden. Die vorliegende Ausführungsform umgeht dieses Problem durch die Anwendung der makroporösen Schicht MP, wodurch die spätere Membran selbst deutlich stabiler ist und die großen Porendurchmesser einen einfacheren Abtransport des beim Elektropoliturätzen gebildeten Gases zulassen. Da dieser Elektropolitur-Ätzschritt ein isotroper Prozess ist, muss verhindert werden, dass die makroporöse Schicht MP bei der Elektropolitur aus dem Substrat herausgelöst wird. Hierzu dient der ätzresistente n-dotierte ringförmige Rahmenbereich 2.
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Der makroporöse Bereich MP selbst wird während des Elektropolitur-Ätzschrittes nicht angegriffen, da für den Auflösungsprozess von Silizium Löcher notwendig sind. Der poröse Bereich MP ist jedoch von Löchern verarmt, und aus dem Substrat 1 können keine Löcher in den makroporösen Bereich MP eindringen, da dieser ja nach einigen wenigen Sekunden vom Substrat durch die Elektropolitur elektrisch abgetrennt ist.
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Weiter mit Bezug auf 1E wird nach Fertigstellung des Hohlraums 11 die isolierende Maskierschicht 4 durch Lagerung in hochkonzentrierter Flusssäure vollständig gelöst, um spätere Stufen auf der Oberfläche zu vermeiden. Im darauf folgenden Prozessschritt werden die Durchmesser der Poren 5 durch partielle Oxidation der Porenwände zu oxidierten Stegen 15' und zu verengten Poren 5' deutlich verkleinert, da SiO2 aufgrund seiner geringeren Dichte ein größeres Volumen als Silizium einnimmt. Auch bildet sich ein oxidierter Bereich 2' des Rahmenbereich 2 am Übergang zum Membranbereich 3. Des Weiteren wird hierdurch die laterale Wärmeleitfähigkeit des nunmehr oxidierten Porenbereichs MP' drastisch herabgesenkt.
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Anschließend mit Bezug auf 1F erfolgt die Abscheidung einer Verschlussschicht 10 zum Verschließen der oxidierten Porenschicht MP' und Ausbildung der Membran 30 im Membranbereich 3. Vorzugsweise erfolgt die Abscheidung der Verschlussschicht 10 mit einem Niederdruckprozessschritt. Da der hierbei vorhandene Prozessdruck später im Hohlraum 11 eingeschlossen bleibt, ist die senkrechte Wärmeleitfähigkeit umso kleiner, je besser das Vakuum im Hohlraum 11 ist. Mittels eines LPCVD-Prozesses beispielsweise können Drucke im Bereich von 0,1 mbar erreicht werden.
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Da die Porendurchmesser nach Oxidation vorzugsweise im Bereich von unter 500 nm liegen, ist die Oberflächenrauhigkeit nach Abscheidung der Verschlussschicht 10 sehr gering, so dass weitere Lithographieschritte möglich sind. Bei zu hoher Oberflächenrauhigkeit kann je nach Bedarf ein zusätzlicher Plasma-Planarisierungsschritt zur Glättung erfolgen. Bei dem bevorzugten Beispiel besteht die Verschlussschicht 10 aus SiO2, Si3N4 oder SiN.
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In weiteren Prozessschritten kann nun die Abscheidung und Strukturierung der eigentlichen Sensorelemente auf der Membran 30 erfolgen, insbesondere Heizungs- und Temperaturfühlerelemente sowie eine darüber liegende abschließende Deckschicht. Diese Prozessschritte werden hier nicht weiter ausgeführt, da sie im Stand der Technik wohlbekannt sind.
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2A–F zeigen schematische Darstellungen der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2A bezeichnet Bezugszeichen 1 ein p-dotiertes Halbleitersubstrat, in dem, wie bei der obigen ersten Ausführungsform, ein n-dotierter ringförmiger Rahmenbereich 2a implantiert ist. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform jedoch sind im Membranbereich 3a Dotierungsbalken 21a vorgesehen, welche ebenfalls als Ätzmaske dienen, die den Membranbereich 3a streifenförmig vorstrukturieren. Mit anderen Worten bilden diese Dotierungsstreifen 21a eine Maske über dem Membranbereich 3a.
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Wie aus 2B erkenntlich, ist die Implantationstiefe der Dotierungsstreifen 21a dieselbe wie diejenige des ringförmigen Rahmenbereichs 2a, denn sie werden im selben Herstellungsschritt wie der Rahmenbereich 2a in das Halbleitersubstrat 1 eingebracht.
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Weiter mit Bezug auf 2C erfolgt dann die Ausbildung von streifenförmigen Poren 5a einer Makroporenschicht MPa durch einen Elektropolitur-Ätzschritt. Die verbleibenden Stege sind dabei durch die Dotierstreifen 21a vorgegeben, welche bei der Elektropolitur im flusssäurehaltigen Elektrolyten nicht angegriffen werden.
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Unmittelbar im Anschluss an die Bildung der Poren 5a und Dotierstreifen-Stege 21a, also zweckmäßigerweise in einem einzigen fortgesetzten Ätzschritt, wird der Hohlraum 11 unterhalb der Makroporenschicht MPa gebildet, wie in 2D dargestellt.
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Wie in 2E gezeigt, erfolgt dann, wie bei der ersten Ausführungsform, ein Oxidieren der Stege 21a zu oxidierten Stegen 21a' und der freiliegenden Seite des ringförmigen Rahmenbereichs 2a zum oxidierten ringförmigen Rahmenbereich 2a'. Schließlich verbleiben im oxidierten porösen Bereich MPa' nach der Oxidierung verengte Poren 5a' mit einem Durchmesser von typischerweise 100 bis 500 nm.
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Diese Poren 5a' werden gemäß 2F, wie bei der ersten Ausführungsform, durch einen LPCVD-Prozess verschlossen. Da diese Abscheidung konform (nicht in der Zeichnung dargestellt) verläuft, also auch in den Zwischenräumen der Stege 5a', ist zum Verschluss eines Zwischenraums von beispielweise 400 nm eine Abscheidung einer 200 nm dicken Schicht notwendig.
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3A–D zeigen schematische Darstellungen der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 3A wird in einem Implantationsschritt in ein p-dotiertes Halbleitersubstrat 1 ein ringförmiger n-dotierter Rahmenbereich 2b implantiert, der im Inneren auch vollständig durch einen Dotierungsblock 21b gefüllt ist. Mit anderen Worten wird ein durchgehender Dotierungsbereich 2b, 21b erzeugt, und die gestrichelte Linie in 3a bezeichnet nur virtuell eine spätere Trennung in Rahmenbereich 2b und Membranbereich 3b. Eine Alternative hierzu wäre die Verwendung einer durchgehenden n-dotierten Epitaxieschicht.
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Weiter mit Bezug auf 3b wird über der resultierenden Struktur ganzflächig die Maskierschicht 4 aus Siliziumnitrid abgeschieden und derart strukturiert, dass sie im Membranbereich 3b Maskierschichtstreifen 41b bildet, welche analog angeordnet sind, wie die Dotierungsgebiete 21b bei der zweiten Ausführungsform.
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Im darauf folgenden Prozessschritt erfolgt eine Vorstrukturierung zur Bildung eines Porenbereichs MPb mit Poren 5b (gleiche Geometrie wie bei der zweiten Ausführungsform) und dazwischen liegenden Stegen 21b aus dem durchgehenden Implantationsbereich. Dieser Trenchätzprozess muss derart angelegt sein, dass er zumindest den Dotierbereich in seiner Tiefe vollkommen durchtrennt. Dieser Zustand ist in 3C gezeigt.
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Weiter mit Bezug auf 3D erfolgt dann, wie bei der vorherigen zweiten Ausführungsform, die Elektropoliturätzung zur Erzeugung des Hohlraums 11 unterhalb des Porenbereichs MPb, der zuvor durch das Trenchätzen erzeugt worden ist.
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Die weiteren Prozessschritte verlaufen analog zu 2E und F der zweiten Ausführungsform.
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4A–D zeigen schematische Darstellungen der wesentlichen Herstellungschritte eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der vierten Ausführungsform wird gemäß 4A lediglich der n-dotierte ringförmige Rahmenbereich 2c im p-dotierten Halbleitersubstrat 1 vorgesehen, der in der Mitte den Membranbereich 3c einschließt. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 wird dann die Maskierschicht 4 aus Siliziumnitrid vorgesehen und im Membranbereich 3c derart strukturiert, dass Maskierschichtstreifen 41c gebildet werden, die die gleiche Gestalt haben wie die Maskierschichtstreifen 41b der dritten Ausführungsform bzw. die Dotierungsstreifen 21a der zweiten Ausführungsform.
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Weiter mit Bezug auf 4C erfolgt dann ein Elektropolitur-Ätzschritt zur Bildung von streifenförmigen Poren 5c mit dazwischen liegenden Stegen 21c im Porenbereich MPc, wonach gemäß 4D unmittelbar im Anschluss der Hohlraum 11 unter dem zuvor gebildeten Porenbereich MPc gebildet wird.
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Die weiteren Prozessschritte entsprechen den Prozessschritten gemäß 3E und F.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Herstellungschrittes eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der in 5 gezeigten fünften Ausführungsform wird keine Verschlussschicht oberhalb der Oberfläche des Halbleitersubstrats im Membranbereich vorgesehen, sondern ausgehend vom Prozesszustand gemäß 2D die Oxidation so lange durchgeführt, bis die Poren im oxidierten Porenbereich MPd' vollständig geschlossen sind. Dies lässt sich durch eine entsprechende Dimensionierung der Poren erzielen. Die oxidierten Stege 21d' bzw. der oxidierte Rahmenbereich 2d' bilden dann die Membran 30d im Membranbereich 3d.
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Da die Oxidation vorzugsweise bei Umgebungsdruck stattfindet, verbleibt im Hohlraum 11 nach Verschluss der Membran 30d eine Restmenge an Sauerstoff. Dies führt zu einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit von der Membran über den Hohlraum am Substrat. Indem man das Substrat 1 nach Veränderung des Oxidationsprozesses noch eine gewisse Zeit bei Oxidationstemperatur lagert, kann man den Druck im Hohlraum 11 deutlich reduzieren. Der verbleibende Sauerstoff führt nämlich zu einer weiteren Oxidation der Wände bzw. des Bodens des Hohlraums 11, und dieser Prozess schreitet so lange fort, bis sämtlicher Sauerstoff im Hohlraum 11 verbraucht ist und sich ein Vakuum eingestellt hat.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Herstellungschrittes eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der in 6 gezeigten sechsten Ausführungsform werden ausgehend von 2A zusätzlich oberhalb der implantierten Streifen 21a Maskierschichtstreifen 41a vorgesehen. Somit lässt sich die Genauigkeit der vertikalen Porenätzung verbessern.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Obwohl bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen das Substrat ein p-dotiertes Substrat ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einem n-dotierten Substrat umgesetzt werden. Da hierbei das Substrat zweckmäßigerweise von der Rückseite her beleuchtet werden muss, um die Ausbildung der Poren bzw. die Elektropolitur zur späteren Erzeugung des Hohlraums zu ermöglichen, wird das Verfahren lediglich von der Ausführung her komplexer, ohne dass dabei jedoch besondere Nachteile entstehen. Auch sind verschiedene Substratorientierungen (nicht nur (100)) denkbar. Da die Porenorientierung im Wesentlichen der (100)-Richtung im Kristall entspricht, ist es denkbar, von einer Porenorientierung, welche nicht senkrecht zur Substratoberfläche steht, hinsichtlich der Membranstabilität zusätzlich zu profitieren.
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Allgemein kann durch die Wahl der Tiefe der Siliziumstege die Dicke der späteren Membran beliebig eingestellt werden. Es sind mit diesem Verfahren Membrandicken zwischen einigen 100 nm und mehreren 10 μm einstellbar. Für eine Anwendung als thermisch isolierende Membran in einem Sensorelement wird die Dicke der Membran vorzugsweise kleiner als 5 μm gewählt, um die laterale Wärmeleitfähigkeit gering zu halten.
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Anstelle der Stege kann jegliche andere Geometrie mit Poren, beispielsweise ein beliebiges Gitter, gewählt werden. BEZUGSZEICHENLISTE:
| 1 | p-dotiertes Siliziumhalbleitersubstrat |
| 2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e | n-dotierter ringförmiger Rahmenbereich |
| 3, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e | Membranbereich |
| 4 | Maskierschicht |
| MP, MPa, MPb, MPc, MPe | Makroporenschicht |
| 5, 5a, 5b, 5c, 5e | Poren |
| 5', 5a' | oxidierte Poren |
| 15, 21a, 21b, 21c | Stege |
| 11 | Hohlraum |
| 15', 21a' | oxidierte Stege |
| MP', MPa', MPd' | oxidierte Porenschicht |
| 10 | Verschlussschicht |
| 30, 30a, 30d | Membran |
| 40, 41a, 41b, 41c | Maskierschichtbereiche |
