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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit mindestens
einer Membran, bei dem die Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau
auf einem Halbleitersubstrat realisiert ist. Weiterhin betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen mikromechanischen
Bauelements.
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Derartige
mikromechanische Bauelemente mit einer freitragenden Membran können bspw.
als Sensorbauelemente von Drucksensoren oder auch als Massenflusssensoren
zur Messung von Fluidströmen
eingesetzt werden. Eine wichtige praktische Anwendungsmöglichkeit
für ein
Bauelement der genannten Art stellen Sensoren dar, die auf thermischen
Effekten basieren, wie z.B. Massenflusssensoren, adiabatische Gas-Wärmeableitungssensoren, thermische
Neigungswinkelsensoren, Wärmeleitfähigkeitsgassensoren
oder thermische Infrarotdetektoren. Die Sensorbauelemente derartiger
Sensoren umfassen in der Regel Temperaturfühler und/oder -heizer, die
thermisch möglichst
weitgehend von ihrer Umgebung entkoppelt sind. Je besser die thermische Entkoppelung
ist, umso geringer sind die Wärmeverluste
und damit der Energieverbrauch und umso höher ist die Sensorempfindlichkeit.
Die freitragende Membran eines solchen mikromechanischen Bauelements
dient bei den erwähnten
Anwendungen als thermisch isolierter Bereich. Zur Mi nimierung der Wärmeableitung über das
Substrat und um die Wärmekapazität der Membran
klein zu halten, sollte die Membran möglichst dünn ausgeführt sein. Außerdem erweist
es sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft, die Membran aus
einem dielektrischen Werkstoff mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit
und niedriger Wärmekapazität zu realisieren.
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Aus
der
DE 195 27 861
A1 ist ein Fluidstromsensor in Gestalt eines mikromechanischen
Bauelements mit einer freitragenden Membran beschrieben, das als
Sensorbauelement für
einen Massenflusssensor dient. Die Herstellung dieses Sensorbauelements
geht von einem Siliziumsubstrat aus, auf dessen Oberseite eine Membranschicht
abgeschieden wird. Auf der Membranschicht werden dann Heizelemente
und Temperaturfühler
in Form von Leiterbahnen erzeugt. Das Freilegen der Membran erfolgt
in einem gesonderten Prozessschritt, in dem von der Rückseite
ausgehend eine Kaverne in das Siliziumsubstrat geätzt wird.
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Die
DE 101 30 379 A1 beschreibt
einen mikromechanischen Massenflusssensor mit einem Schichtaufbau
auf der Oberseite eines Siliziumsubstrats und einem, aus einer leitenden
Schicht in Schichtaufbau herausstrukturierten Heizelement, bei dem
die thermische Isolation zwischen dem Heizelement und dem Siliziumsubstrat
durch einen Siliziumdioxidblock erreicht ist, der unterhalb des
Heizelementes entweder im Schichtaufbau auf dem Siliziumsubstrat
oder in der Oberseite des Siliziumsubstrats hergestellt ist. Auf
diese Weise sind die Sensorelemente oberflächenmikromechanisch, also ohne
Wafer-Rückseitenprozesse,
herstellbar.
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Die
WO 03/022732 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Membran
auf einem Halbleitersubstrat, in das Kerben eingebracht werden,
die mit einem dielektrischen Material aufgefüllt werden, in die Öffnungen
eingebracht werden. Durch die Öffnungen
in der dielektrischen Schicht wird eine isotrope Ätzung des
Halbleitersubstrats selektiv zu dem ersten dielektrischen Material
durchgeführt,
wonach ein zweites dielektrisches Material aufgebracht wird, so
dass die Öffnung
der ersten dielektrischen Schicht verschlossen werden und eine Membran
gebildet wird. Bei dem Verfahren werden lediglich zwei Lithographieschritte
benötigt,
so dass die Membranen weitgehend kompatibel zu bestehenden CMOS-, BICMOS
bzw. Bipolarprozessen hergestellt werden können.
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Die
DE 103 05 442 beschreibt
schließlich
ein mikromechanisches Bauelement mit einer freitragenden Membran,
die in einem reinen Vorderseitenprozess erzeugt werden kann. Dazu
wird eine Membranschicht auf einem Substrat abgeschieden. Zum Freilegen
der Membran werden Löcher
in der Membranschicht erzeugt. Ausgehend von der Vorderseite wird dann
in einem isotropen Ätzschritt
das Substratmaterial im Bereich unter den Löchern entfernt, wobei das Substrat
bis zu der Tiefe der dabei erzeugten Kaverne als Opferschicht bezeichnet
werden kann. Eine Strukturierung der Rückseite des Substrats zum Freilegen
der Membran ist hier nicht erforderlich.
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Aus
der
DE 101 44 847
A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Membran auf
massiven Oxidsäulen
hergestellt wird. Die Säulen
werden durch Abscheidung in Gräben
des Substrats erzeugt, anschließend
wird das Substrat unter der Membran zurückgeätzt. Durch die massiven Säulen ist
eine Wärmeisolation
zum Substrat limitiert.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit vorgeschlagen, ein
mikromechanisches Bauelement der eingangs genannten Art durch eine Vorderseitenprozessierung
zu realisieren, dessen Membran eine hohe Stabilität aufweist.
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Gemäß den Verfahrensschritten
des unabhängigen
Anspruchs 10 bzw. bei dem Bauelement gemäß unabhängigem Anspruch 1 wird durch
Trenchen bzw. Grabenätzen
eine Säulenstruktur
erzeugt, welche die eigentliche Membran trägt und stabilisiert. Eine Teiloxidation
der Säulen
in einem ersten Schritt ermöglicht
in einem zweiten Schritt eine signifikante Erniedrigung der Wärmeleitfähigkeit
durch Herauslösen
des verbliebenen Halbleiterkerns, insbesondere des Siliziumkerns
der Säulen.
Danach erst werden die eigentlichen dielektrischen Membranschichten abgeschieden.
Diese Verfahrensweise weist wesentliche Vorteile gegenüber den
bisher bekannten Verfahren auf, bei denen die Opferschicht durch
ein in einer Membranschicht hineingeätztes Ätzloch erst nachträglich entfernt
bzw. die massiven Siliziumstege bzw. Siliziumsäulen vollständig durchoxidiert und anschließend ohne
Opferschichtätzen
durch Schichtabscheidung überwachsen
werden. Demgegenüber wird
bei dem vorliegenden Verfahren das Opfermaterial vor dem Abscheiden
der ersten Membranschicht herausgeätzt.
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Ein
wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
das erfindungsgemäße Verfahren
die Erzeugung einer gestützten
dielektrischen Membran ermöglicht.
Dabei erfolgt eine Teiloxidation von durch Trenchen erzeugten Stützstrukturen.
Die Oberseiten der Stützstrukturen
werden durch eine Nitridschicht während des Oxidationsschritts
geschützt.
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Die
Hohlsäulen
werden dann durch Opferschichtätzen
des Kerns nach Entfernen der Nitridmaskierung erzeugt.
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Die
Vorteile liegen in einer erhöhten
Stabilität der
Membranstrukturen sowie in einer geringeren Wärmeleitfähigkeit und somit einer höheren Sensitivität des Sensors.
Im Vergleich mit dem Stand der Technik sind weniger lithographische
Schritte notwendig, da keine Ätzlöcher mit
nachfolgendem Verschluss derselben erforderlich sind. Mechanische Schwachstellen
durch Ätzzugangslöcher werden
zudem vermieden.
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Gemäß dem unabhängigen Anspruch
1 wird die Stützstruktur
durch eine oder mehrere Hohlsäulen
gebildet, die im Wesentlichen aus Siliziumoxid bestehen. Diese Stützstruktur
ist in wenigstens eine Kaverne des Halbleitersubstrats eingebettet
und wird von einer Deckschicht verschlossen, die als dielektrische
Membranschicht ausgebildet ist. Die wenigstens eine Kaverne kann
durch Ätzen,
insbesondere durch Plasmaätzen,
hergestellt sein. Die Verschlussschicht kann insbesondere durch
eine Abscheidung von Siliziumoxid gebildet sein. Eine Teilmetallisierung der
Verschlussschicht ermöglicht
eine Kontaktierung des Bauteils.
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
zur Herstellung eines derartigen Bauteils umfasst zumindest die
folgenden Verfahrensschritte: zunächst wird ein Halbleitersubstrat
mit einer strukturierten Siliziumnitridschicht bedeckt, wonach mittels eines
Grabenätzverfahrens
Säulen-
bzw. Stützstrukturen
in das Halbleitersubstrat eingebracht werden. Auf diesen Säulenstrukturen
und/oder auf der Oberfläche
des Halbleitersubstrats wird anschließend eine Siliziumdioxidschicht
erzeugt. Danach wird zuerst die Nitridschicht entfernt und dann
die in ihrem Inneren aus Halbleitermaterial bestehenden Säu lenkerne
bzw. das Halbleitermaterial zwischen den einzelnen Säulenkernen
unter Ausbildung von Hohlsäulen
herausgeätzt.
Auf diesen verbleibenden Hohlsäulen,
bestehend im Wesentlichen aus Siliziumoxid, wird anschließend eine
Verschlussschicht abgeschieden, wobei Hohlräume verbleiben.
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Die
Hohlsäulen
können
insbesondere durch Opferschichtätzen
des Halbleiterkerns der Säulen gebildet
werden. Der Verschluss kann insbesondere durch eine Siliziumdioxidschicht
gebildet werden. Ein optionaler Planarisierungs- bzw. Glättungsschritt
erleichtert das nachfolgende Aufbringen einer funktionalen Metallisierungsschicht.
Diese kann anschließend
mit einer Deck- bzw. Passivierungsschicht versehen werden.
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Wie
oben erwähnt,
kann ein derartiges erfindungsgemäßes Bauelement in vorteilhafter
Weise in Sensoren eingesetzt werden, die auf thermischen Effekten
beruhen. Insbesondere können
in diesem Zusammenhang die Einsatzmöglichkeiten
- – in Fluidmassenflusssensoren,
- – in
thermischen Beschleunigungssensoren,
- – in
thermischen Drehratensensoren,
- – in
thermischen Neigungswinkelsensoren,
- – in
adiabatischen Gas-Wärmeableitungssensoren,
- – in
thermischen chemischen Sensoren,
- – in
thermischen Heizplattenanwendungen,
- – in
hochdynamischen Temperatursensoren,
- – in
Luftfeuchtesensoren,
- – in
Infrarotdetektoren, insbesondere in Gassensoren oder Infrarotkameras,
- – in
Thermopiles und
- – für Hochfrequenz-Anwendungen
genannt
werden. Darüber
hinaus sind weitere Einsatzmöglichkeiten
denkbar, die jedoch nicht abschließend aufgezählt werden können.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die 1 bis 6 zeigen
in schematischen Prinzipdarstellungen aufeinanderfolgende Verfahrensschritte
zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bauteilstruktur. Die 7 bis 13 zeigen
in schematischen Prinzipdarstellungen ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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Ein
erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement
in Form eines thermischen Membransensors auf Halbleiterbasis kann
mittels der nachfolgend beschriebenen Verfahrens- und Strukturierungsschritte
hergestellt werden. Dabei wird zunächst eine Siliziumnitridschicht 16 ganzflächig auf einem
Halbleitersubstrat 8, insbesondere einem Siliziumsubstrat
abgeschieden. Die Siliziumnitridschicht 16 wird derart
strukturiert, dass nur innerhalb eines später herauszubildenden Membranbereichs 12 Siliziumnitrid 16 stehen
bleibt, während
es in den übrigen
Oberflächenbereichen
entfernt wird. Im weiteren Verfahrensablauf wird eine Ätzmaske 10 bzw.
eine sog. Trenchmaske aufgebracht, die ein Herstellen von Gräben mittels
eines Ätzverfahrens – dem sog. Trenchätzen – ermöglicht.
Diese Trenchmaske bzw. Ätzmaske 10 kann
sowohl aus Siliziumdioxid (SiO2) bestehen
oder wahlweise auch eine reine Lackmaske sein. Der Zustand im Sensorbereich
bzw. im Membranbereich 12 nach der Strukturierung der Maskierschicht 10 ist
in 1a schematisch dargestellt. Unterhalb der Trenchmaske 10 befindet
sich im Membranbereich 12 zudem noch eine Oxidationsmaske 16, bestehend
aus Si3N4.
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Die
schematische Darstellung der 1b zeigt
eine Draufsicht auf die Trenchmaske 10 des Membranbereichs 12 entsprechend 1a.
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In
einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden durch einen Grabenätzprozess
bzw. einen sog. Trenchprozess die Stützstrukturen 18 im
späteren
Membranbereich 12 erzeugt, indem Gräben 19 in die Tiefe
des Halbleitersubstrats 8 eingebracht werden. Optional
kann zuvor die verbliebene Nitridschicht 16 separat strukturiert
werden (vgl. 2a). Diese aus dem Siliziumsubstrat 8 herausstrukturierten
Stützstrukturen 18 können sowohl
in Säulenform (2b) als auch zur Stabilitätserhöhung miteinander
vernetzt in Form von verbundenen Säulen oder Mäandern oder dergleichen ausgeführt werden.
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Nach
Entfernen der Trenchmaske 10 kann der Wafer 6 thermisch
oxidiert werden. Das Entfernen der Trenchmaske 10 kann
z.B. durch Gasphasenätzen
oder durch eine sog. gepufferte Oxid-Ätzung
(buffered oxid etch – BOE)
im Falle einer Oxidmaske oder durch sog. Lackstrippen z.B. im Sauerstoffplasma
im Falle einer Lackmaske erfolgen. Die auf den Stirnseiten der Stützstrukturen 18 verbliebenen
Nitriddeckel 20 auf den herausgeätzten bzw. „getrenchten" Säulen 22 der
Stützstrukturen 18 verhindern
dabei eine Oxidation der Säulenköpfe 23.
Der Wafer 6 ist nun ganzflächig mit Siliziumoxid 24 bedeckt,
außer
an den Säulenköpfen 23 (vgl. 3a und 3b).
Das verbliebene Siliziumnitrid 20 wird anschließend beispielsweise
mittels eines Trockenätzschrittes
entfernt.
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Mit
einer selektiven Ätzung,
bspw. in einem Trockenätzprozess
mit ClF3 oder XeF2,
werden nun in einem nachfolgenden Verfahrensschritt jeweils die massiven
Siliziumkerne aus den Säulen 22 der
Stützstrukturen 18 herausgeätzt. Es
verbleiben jeweils Hohlsäulen 26,
die eine sehr geringe Wärmeleitung aufweisen,
da die Wände 28 aus
schlecht Wärme
leitendem Siliziumoxid 24 bestehen (vgl. 4a).
Die 4b zeigt eine Hohlsäule 26 in einer schematischen
Draufsicht.
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Die
schematische Darstellung der 5 verdeutlicht
einen nachfolgenden Verfahrensschritt, bei dem die Bereiche der
Hohlsäulen 26 durch
eine Abscheidung jeweils verschlossen werden. Dieser Verschluss 30 kann
bspw. eine Siliziumdioxidschicht (SiO2 bzw.
PECVD-Oxid) sein, die mittels eines plasmaunterstützten chemischen
Gasphasenabscheidungsverfahrens, eines sog. PECVD-Verfahrens (PECVD – Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition) aufgebracht werden kann. Vorzugsweise
handelt es sich dabei um eine nicht-konforme Abscheidung. Durch
den Verschluss des Bereichs der Hohlsäulen 26 wird die eigentliche
Membran 12 des Sensorbauteils gebildet (siehe 5).
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Nachfolgend
kann optional ein Planarisierungsschritt durchgeführt werden
(vgl. 6). Diese Planarisierung kann bspw. mittels eines
sog. CMP-Verfahrens (CMP – Chemisch
mechanisches Polieren) oder mittels einer Plasma-Planarisierung bzw.
mittels eines Sputterverfahrens erfolgen. Auf diese geglättete oder
auch eine Topologie aufweisende Oberfläche wird nachfolgend eine funktionale
Metallisierungsschicht 32 abgeschieden. Oberhalb der Metallebene 32 werden
die bekannten Deck- und/oder
Passivierungsschichten 34 sowie die notwendigen Kontaktschichten 36,
bspw. zur Herstellung von Bondkontakten, abgeschieden und somit das
Sensorelement fertig prozessiert, wie dies in 6 dargestellt
ist.
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Beschreibung
eines weiteren Ausführungsbeispiels
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Anhand
der 7 bis 13 wird nachfolgend ein weiteres
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Auf dem Halbleitersubstrat 8 des
Wafers 6 wird wiederum ganzflächig die Siliziumnitridschicht 16 aufgebracht.
Die Siliziumnitridschicht 16 wird daraufhin derart strukturiert,
dass sie nur in Bereichen bestehen bleibt, die später als
Zugang für das
Gasphasenätzen
des Halbleitersubstrats 8 dienen sollen (siehe 7).
Anschließend
wird die Ätzmaske 10 für einen
nachfolgenden Trench-Prozess aufgebracht. Die Ätzmaske 10 kann dabei
als reine Lackmaske oder auch als eine durch Fotolithographie strukturierte
Hartmaske aus z.B. Siliziumoxid ausgestaltet sein. 8 zeigt,
dass mittels eines Plasma-Ätzverfahrens,
beispielsweise Hochraten-Trenchen, die tiefen Stützstrukturen in das Halbleitersubstrat 8 hineingeätzt werden.
Dabei entstehen Gräben 19 bzw.
inverse Säulen,
die im weiteren Verfahren als Basis für die Säulenkerne 22 dienen. Eine
Tiefenausdehnung eines der Gräben 19 reicht vorzugsweise
von wenigen Mikrometern bis zu mehreren hundert Mikrometern. Für den Fall,
dass für
die Maskierung des Trench-Prozesses eine strukturierte Hartmaske
verwendet wird, muss diese vor den nachfolgenden Verfahrensschritten
mittels eines Ätzprozesses
(Plasma-, Gasphasen- oder nasschemisches Ätzen) selektiv zur darunter
liegenden Siliziumnitridschicht 16 entfernt werden.
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9 zeigt
prinzipiell eine durch thermische Oxidation auf alle nicht von der
Siliziumnitridschicht 16 bedeckten Oberflächen des
Wafers 6 aufgewachsene Schicht Siliziumoxid 24.
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Die
Dicke dieser Schicht definiert die spätere Wandstärke der Stützstrukturen sowie die Oxiddicke einer
integralen Verbindung der Stützstrukturen
an ihrer Oberseite. Die Dicke des Siliziumoxids 24 ist
im Prozess frei wählbar,
je nach gewünschtem
Einsatzzweck des mikromechanischen Bauelements.
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In
einem weiteren Ätzschritt,
beispielsweise mittels Plasmaätzen,
wird die Siliziumnitridschicht 16 selektiv zum Siliziumoxid 24 entfernt.
Die so geschaffenen Öffnungen
dienen als Zugang für
ein selektives Gasphasenätzen
(beispielsweise mittels ClF3 oder XeF2) des Halbleitersubstrats 8. Das
Halbleitersubstrat 8 wird zwischen den Stützstrukturen
sodann bis maximal zur Tiefe des Trenches entfernt, so dass die Stützstrukturen
noch mit dem Halbleitersubstrat 8 verbunden bleiben.
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10 zeigt
einen Schnitt, der gleichermaßen
durch Trench-Öffnungen
und Zugänge
für das Gasphasenätzen geht,
und daher Unterbrechungen im Siliziumoxid 24 zwischen den
einzelnen Stützstrukturen
zeigt. Wesentlich (in 10 nicht sichtbar) ist aber,
dass die aus Siliziumoxid 24 bestehenden Stützstrukturen
an ihrer Oberseite miteinander integral verbunden sind. Zwischen
den Hohlsäulen 26 sind
Kavernenzwischenräume 38 angeordnet.
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11 zeigt,
dass die Öffnungen
im Siliziumoxid 24 mit der dielektrischen Deckschicht 30 (beispielsweise
Silizium-Oxid) verschlossen werden. Optional kann die so entstandene
Oberfläche
noch planarisiert werden, beispielsweise durch CMP (Chemical Mechanical
Polishing) oder durch ein Plasma-Planarisierungs-Verfahren,
um eine möglichst ebene
Oberfläche
zu erzeugen. Als Ergebnis der beschriebenen Prozessschritte erhält man schließlich das
mikromechanische Bauelement in Form der Membran 12.
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Bei
dem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass die
Form der Stützstrukturen
und der Ätzzugänge frei
wählbar
ist. 12 zeigt in einer Aufsicht, wie die genannten
Elemente angeordnet sein können: eine
Vielzahl von Langlöchern 41 für die Trench-Zugänge und
eine Vielzahl von Rundlöchern 40 für die Zugänge für das Gasphasenätzen. Alternativ
können die
Zugangsöffnungen
für das
Trenchen und/oder das Gasphasenätzen
auch rund, quadratisch, kreuzförmig
oder als Mäander
ausgestaltet sein.
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Minimale Öffnungsweiten
für die
genannten Zugangsöffnungen
werden durch die erreichbaren Ätzraten
bzw. -tiefen bestimmt. Eine maximale Öffnungsweite der Zugänge bedingt
eine entsprechend dicke Abscheidung der Deckschicht 30,
um sicherzustellen, dass der Hohlraum unter der Membran 12 dicht
gegen die Umgebung abgeschlossen ist. Mit Hilfe eines Optimierungsprozesses
lässt sich
die Öffnungsweite
der Stützstrukturen
in Relation zu einer erforderlichen Mindestdicke der Membran 12 optimieren.
Der Abstand der Stützstrukturen
untereinander ist dabei frei wählbar.
Optional kann ein Randbereich der Membran 12 durch einen
umlaufenden Trenchgraben 42 klar definiert werden. Auf
diese Weise lässt
sich eine Membrangröße sehr
exakt festlegen.
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13 zeigt
eine alternative Variante ohne umlaufenden Trenchgraben 42.
Dabei ist sicherzustellen, dass die Zugänge für das Gasphasenätzen (Rundlöcher 40)
deutlich gegen die Zugänge
für das Trenchen
(Langlöcher 41)
zurückgezogen
sind (bei isotroper Ätzung
größer als
die mittels Gasphasenätzung erzielte Ätztiefe),
um die Bildung von Membranen 12, die mechanisch nicht unterstützt sind,
zu vermeiden. Man erkennt, dass eine Ätzfront 43 nicht über die
oxidischen Stützstrukturen
(Langlöcher 41) hinausgeht.
Anders ausgedrückt
sollte ein Abstand der äußersten
Rundlöcher 40 zu
den äußersten Langlöchern 41 größer sein
als eine gewünschte Ätztiefe,
bzw. sollten die Langlöcher 41 bis
in einen Bereich angeordnet sein, in dem nicht mehr gasphasengeätzt wird.
Bei dieser Variante ist eine Ausgestaltung der Membran 12 im
Wesentlichen durch eine Zeitdauer des Gasphasenätzens, während der sich die Ätzfront 43 im
wesentlichen kreisförmig
ausbreitet, festlegbar.
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Als
besonders vorteilhaft wird bei der weiteren Ausführungsform angesehen, dass
unterstützte, dielektrische
Membranen in OMM-Technik (Oberflächen-Mikromechanik-Technik)
herstellbar sind, die thermisch gut gegen das Halbleitersubstrat 8 isoliert sind
und im Vergleich zu freitragenden Membranen 12 eine hohe
mechanische Stabilität
aufweisen. Das beschriebene Verfahren erlaubt vorteilhaft eine beliebige
geometrische Ausgestaltung der Stützstrukturen (z.B. in Form
von Säulen,
Mäandern,
linienförmigen Strukturen,
etc.) sowie im Wesentlichen beliebige Abstände zwischen den Stützstrukturen.
Daraus resultiert sowohl eine gute Wärmeisolation der Membran 12 gegenüber dem
Halbleitersubstrat 8 als auch eine einfache, robuste Prozessführung.
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Die
besonderen Vorteile des beschriebenen Ausführungsbeispiels liegen in der
Verbindung der Stützstrukturen
an ihrer Oberseite mit einer dünnen Schicht
aus Siliziumoxid 24, die nach dem Gasphasenätzen des
Halbleitersubstrats 8 und vor dem Abscheiden der membranbildenden
Deckschicht 30 vorhanden ist. Dadurch ist ein im Wesentlichen
beliebig wählbarer
Abstand der Stützstrukturen
zueinander möglich,
da die Deckschicht 30 auf der Schicht aus Siliziumoxid 24 aufwachsen
kann und somit nur die Zugangsöffnungen
für das
Trennen bzw. das Gasphasenätzen,
die deutlich kleiner als die Abstände zwischen den Stützstrukturen
sein können,
verschlossen werden müssen.
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Dies
erlaubt zusätzliche
Freiheiten im Design der Stützstrukturen
und eine Verwendung von dünneren
Deckschichten 30. Weiterhin wird als vorteilhaft angesehen,
dass im Gegensatz zum Konzept mit freistehenden Hohlsäulen die
Gefahr, dass einzelne Hohlsäulen 26 durch
Fehler im Prozess unterätzt
werden oder durch mechanische Spannungen im Oxid am Säulenfuss
verkippen, reduziert ist. Die Gefahr der Verkippung ist durch die
Verbindung und Stabilisierung der Stützstrukturen 28 an
der Oberfläche
weitgehend ausgeschlossen. Durch den genannten großen Abstand
zwischen den Stützstrukturen lässt sich
ferner eine Wärmeableitung
vorteilhaft verringern bzw. eine thermische Entkopplung verbessern.
Als weiterer Vorteil wird angesehen, dass selbst bei einem Unterätzen der
Stützstrukturen
diese an der Oberseite immer noch miteinander verbunden sind und
dadurch die mechanische Stabilität
der Membran 12 gesteigert ist.
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Im
Vergleich zu bekannten unterstützten Membranen,
die auf volloxidischen Stützstrukturen basieren,
ist die Wärmeableitung
zum Substrat deutlich verringert.
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Die
in der Beschreibung, den Patentansprüchen und den Figuren offenbarten
Aspekte der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Erfindung
wesentlich sein.
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- 6
- Wafer
- 8
- Halbleitersubstrat
- 10
- Ätzmaske
- 12
- Membranbereich
- 16
- Siliziumnitridschicht
- 18
- Stützstruktur
- 19
- Graben
- 20
- Nitriddeckel
- 22
- Säulenkern
- 23
- Säulenkopf
- 24
- Siliziumoxid
- 26
- Hohlsäule
- 28
- Wand
der Hohlsäule
- 30
- Deckschicht
- 32
- Metallisierungsschicht
- 34
- Passivierungsschicht
- 36
- Kontaktschicht
- 38
- Kavernenzwischenraum
zwischen den Hohlsäulen
- 40
- Rundloch
- 41
- Langloch
- 42
- umlaufender
Trenchgraben
- 43
- Ätzfront