DE102005023699B4 - Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Membran - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat (8), wobei der Schichtaufbau wenigstens eine dielektrische Membranschicht (30, 34) umfasst, die oberhalb einer im Halbleitersubstrat (8) befindlichen Stützstruktur (28) angeordnet ist, und die Stützstruktur (28) durch eine oder mehrere Hohlsäulen (26), bestehend im Wesentlichen aus Siliziumoxid, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die aufeinander folgenden Verfahrensschritte – Beschichten eines Halbleitersubstrats (8) mit einer Siliziumnitridschicht (16), – Strukturieren der Nitridschicht (16), – Herstellung von Säulen- bzw. Stützstrukturen (28) im Halbleitersubstrat (8) mittels Grabenätzen, – Beschichten der Säulenstrukturen (28) und/oder der nicht mit Nitrid maskierten Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) mit einer Siliziumoxidschicht (24), – Entfernen des Maskiernitrids, – Entfernen der aus Halbleitermaterial bestehenden Säulenkerne (22) bzw. von die Säulenkerne (22) umgebendem Halbleitermaterial durch einen Ätzschritt unter Ausbildung von Hohlsäulen (26), und – Abscheiden einer Deckschicht (30) auf den Hohlsäulen (26) umfasst.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit mindestens einer Membran, bei dem die Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert ist.
• Stand der Technik
• 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 Minimierung 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.
• 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.
• 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. Dabei werden zur Herstellung einer thermisch isolierten Membran mittels einer Ätzmaske annähernd senkrechte Gräben in einer darunter befindlichen Siliziumschicht eingebracht, wobei zwischen den Gräben Stege aus Silizium stehen bleiben. Anschließend werden die Stege thermisch vollständig aufoxidert, bevor der so erzeugte als thermische Isolation wirkende Siliziumdioxidblock durch Abscheidung einer Siliziumdioxid-Verschlussschicht abgedeckt wird.
• 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.
• Die DE 103 05 442 A1 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.
• 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.
• Aus der Schrift DE 103 52 001 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement bekannt, bei dem zur Herstellung einer stabilen Membran eine Mehrzahl von vertikalen spaltenförmigen Hohlräumen in einem unter der Membran befindlichen Siliziumdioxidblock ausgebildet werden, die durch eine planarisierte Oxid-Verschlussschicht abgeschlossen werden. Der Zweck dieses Aufbaus liegt in der Verminderung der vertikalen Wärmeableitung.
• Vorteile der Erfindung
• 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.
• Gemäß den Verfahrensschritten des unabhängigen Anspruchs 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.
• 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.
• Die Hohlsäulen werden dann durch Opferschichtätzen des Kerns nach Entfernen der Nitridmaskierung erzeugt.
• 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.
• 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.
• 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 Säulenkerne 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.
• 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.
• Wie oben erwähnt, kann ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes 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.
• Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die 1 bis 6 zeigen in schematischen Prinzipdarstellungen aufeinanderfolgende erfindungsgemäße Verfahrensschritte zur Herstellung einer Bauteilstruktur. Die 7 bis 13 zeigen in schematischen Prinzipdarstellungen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
• Ein mikromechanisches Bauelement in Form eines thermischen Membransensors auf Halbleiterbasis kann mittels der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen 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.
• Die schematische Darstellung der 1b zeigt eine Draufsicht auf die Trenchmaske 10 des Membranbereichs 12 entsprechend 1a.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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).
• 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.
• Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels
• 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.
• 9 zeigt prinzipiell eine durch thermische Oxidation auf alle nicht von der Siliziumnitridschicht 16 bedeckten Oberflächen des Wafers 6 aufgewachsene Schicht Siliziumoxid 24.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 Trenchen bzw. das Gasphasenätzen, die deutlich kleiner als die Abstände zwischen den Stützstrukturen sein können, verschlossen werden müssen.
• 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.
• Im Vergleich zu bekannten unterstützten Membranen, die auf volloxidischen Stützstrukturen basieren, ist die Wärmeableitung zum Substrat deutlich verringert.
• 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.
• Bezugszeichenliste

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

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat (8), wobei der Schichtaufbau wenigstens eine dielektrische Membranschicht (30, 34) umfasst, die oberhalb einer im Halbleitersubstrat (8) befindlichen Stützstruktur (28) angeordnet ist, und die Stützstruktur (28) durch eine oder mehrere Hohlsäulen (26), bestehend im Wesentlichen aus Siliziumoxid, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die aufeinander folgenden Verfahrensschritte – Beschichten eines Halbleitersubstrats (8) mit einer Siliziumnitridschicht (16), – Strukturieren der Nitridschicht (16), – Herstellung von Säulen- bzw. Stützstrukturen (28) im Halbleitersubstrat (8) mittels Grabenätzen, – Beschichten der Säulenstrukturen (28) und/oder der nicht mit Nitrid maskierten Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) mit einer Siliziumoxidschicht (24), – Entfernen des Maskiernitrids, – Entfernen der aus Halbleitermaterial bestehenden Säulenkerne (22) bzw. von die Säulenkerne (22) umgebendem Halbleitermaterial durch einen Ätzschritt unter Ausbildung von Hohlsäulen (26), und – Abscheiden einer Deckschicht (30) auf den Hohlsäulen (26) umfasst.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlsäulen (26) bzw. Kaverne durch ein Opferschichtätzen des Halbleiterkerns der Säulen (22) bzw. des Halbleitermaterials aus einem Kavernenzwischenraum (38) zwischen den Säulen gebildet werden.
3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtkonforme Deckschicht (30) durch eine Siliziumdioxidschicht gebildet wird.
4. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (30) planarisiert bzw. geglättet wird.
5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (30) mit einer funktionalen Metallisierungsschicht (32), mit einer Passivierungsschicht (34) und/oder mit einer Kontaktschicht (36) bedeckt wird.

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