DE102005046156B3

DE102005046156B3 - Vorrichtung mit Funktionselement und Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102005046156B3
Application number: DE200510046156
Authority: DE
Inventors: Oliver Freudenberg; Dana Pitzer; Michael Schier; Matthias Schreiter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: WO2007036422A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Funktionselement (18) und einem Si-Substrat (22) mit Membran (29), auf der das Funktionselement (18) angeordnet ist. Die Membran (29) umfasst eine nitridische Schicht (23) und eine metallische Schicht (21), wobei die metallische Schicht (21) auf dem Si-Substrat (22) und die nitridische Schicht (23) auf der metallischen Schicht (21) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Funktionselement und einem Siliziumsubstrat mit Membran, auf der das Funktionselement angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
Der zunehmende Bedarf an integrierten Chiplösungen im Bereich Sensorik und Aktorik hat in den letzten Jahren zu verstärkten Bestrebungen geführt, die entsprechenden Funktionselemente zur thermischen bzw. akustischen Entkopplung von dem Siliziumsubstrat auf dünnen, stresskompensierten Membranen aufzubringen.
Bei den bestehenden Lösungen wird dabei in der Regel auf Schichtpakete zurückgegriffen, bei denen sich die Spannungsanteile (Druck- bzw. Zugspannungen) der Einzelschichten gegenseitig kompensieren. Typisch für derartige dielektrische Membranen sind beispielsweise Aufbauten aus SiO₂ als Druckkomponente und Si₃N₄ als Zugkomponente, die mittels CVD-Verfahren abgeschieden werden. Die SiO₂-Schicht hat dabei als unterste Schicht auch die Funktion eines geeigneten Ätzstopps beim rückseitigen Freilegen der Membran, durch Abtrag des Si-Substrats durch einen Ätzprozess.

Ein üblicher Prozessablauf, wie er aus dem Stand der Technik (beispielsweise DE 195 25 071 A1 ), bekannt ist, wird in 1(a)–(e) gezeigt. Zunächst erfolgt die Abscheidung der Membran, aus Einzellagen aus SiO₂ 10 und Si₃N₄ 11 auf einem Siliziumwafer 12. Anschließend wird auf der Si₃N₄-Schicht 11 eine Schichtfolge abgeschieden, die die Basis für das entsprechende Bauelement (Funktionselement) liefert. Beispielsweise kann diese Schichtfolge aus einer Grundelektrode 13, einer Funktionsschicht 14 und einer Topelektrode 15 bestehen, vgl. 1(b).

Wie in 1(c) gezeigt, werden im nachfolgenden Schritt diese Schichten 13, 14, 15 zum Aufbau des entsprechenden Funktionselements mittels fotolithografischer Verfahren strukturiert. Anschließend erfolgt die Deposition und Strukturierung der Hardmask auf der Rückseite des Si-Wafers, vgl. 1(d).

Abschließend werden Bereiche der Membran unter dem jeweiligen Funktionselement von der Rückseite des Siliziumwafers 12 freigelegt, wodurch die gewünschte Kopplung des Funktionselements vom Trägermaterial erreicht wird, vgl. 1(e). Beispielsweise kann hier ein reaktiver Trockenätzprozess verwendet werden. Ein entscheidender Vorteil gegenüber nasschemischen Verfahren ist hier die Realisierung senkrechter Ätzflanken, was eine effiziente Materialausnutzung sicherstellt.

Eine mikromechanische Resonanzstruktur mit ähnlichem Schichtaufbau geht aus der DE 197 26 355 A1 hervor. Die Resonanzstruktur dient dem Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren treten jedoch mehrere Probleme auf, die eine reproduzierbare Herstellung von Funktionselementen auf einer stressfreien Membran wesentlich erschweren.

Aufgrund der geringen Selektivität der angewendeten Ätzverfahren bei der vorderseitigen Strukturierung der Funktionselemente kommt es zu einem partiellen und möglicherweise inhomogenem Abtrag der oberen Schicht der Membran. Dabei wird das Kompensationsgleichgewicht, das aus den verschiedenen Einzelschichten gebildet wird, empfindlich gestört, was sich insbesondere bei dünnen Membranen negativ bemerkbar macht. Die Folge sind Aufwölbungen der freigelegten Membran, wenn diese unter Druckstress gelangt. Insbesondere Anwendungen im Bereich der Aktorik, wie zum Beispiel Piezomikrofone, erfordern jedoch eine reproduzierbare Realisierung möglichst stressfreier Membranen.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei der Freilegung der Membran von der Rückseite des Siliziumwafers eine Beeinträchtigung des Aufbaus durch so genanntes "Notching" auftritt. Hierbei handelt es sich um einen Effekt, der bei Trockenätzverfahren auftritt, wenn bis zur oxidischen Ätzstopp schicht abgetragen wird. Aufgrund der isolierenden Eigenschaften dieser Schicht wird die Ladungsableitung behindert, was zu partiellen Aufladungen (Raumladungswolken) führen kann. Die Folge ist ein stärkerer horizontaler Abtrag, wodurch die ursprüngliche Struktur deutlich verbreitert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit einem Funktionselement, das auf einer Membran angeordnet ist, deren Gesamtstress sich auch bei einseitigem Abdünnen des Substrats nicht verändert, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen und weiterführende, besondere Merkmale der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Funktionselement, das auf einer Membran eines Siliziumsubstrats angeordnet ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Funktionselement um ein Dünnschicht-Bauelement, z.B. um ein Sensor- oder Aktorelement, wie z. B. Pyrosensor oder Piezomikrofon.

Erfindungsgemäß weist die Membran eine nitridische und eine metallische Schicht auf, wobei die metallische Schicht auf dem Siliziumsubstrat und die nitridische Schicht auf der metallischen Schicht angeordnet ist. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die metallische Schicht aus Aluminium.

Durch den metallischen Ätzstopp wird der unerwünschte Notching-Effekt unterdrückt, da eine Ableitung von Ladungsträgern ermöglicht wird. Als besonders vorteilhaft hat sich in der Praxis eine Schichtdicke der metallischen Schicht im Be reich von 10 bis 100 nm erwiesen, die die erfindungsgemäße Wirkung sicherstellt ohne die Gesamtdicke der Membran wesentlich zu beeinflussen und gleichzeitig den Notching-Effekt besonders wirksam verhindert.

Auf der metallischen Schicht ist erfindungsgemäß eine nitridische Schicht vorgesehen, deren allgemeine Struktur mit Si_xN_yO_z mit x, y > 0 und z ≥ 0 angegeben werden kann, die jedoch vorzugsweise aus Si₃N₄ besteht.

Die Schichtdicke der nitridischen Schicht liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 5 μm, die die erfindungsgemäßen Wirkungen und gleichzeitig die gewünschten Eigenschaften der Membran, wie thermische und/oder akustische Isolation, besonders zuverlässig sicherstellt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform dieser nitridischen Schicht handelt es sich um eine in sich stresskompensierte PE-CVD-Nitridschicht, bestehend aus einer Mehrzahl nur einiger Nanometer dicker und sich gegenseitig stresskompensierender Einzellagen. Aufgrund des gezielten Aufbaus der Si₃N₄-Schicht in sehr dünnen stresskompensierenden Lagen wird durch einen teilweisen Abtrag der Membran beim Strukturierungsverfahren der Funktionselemente das Stressverhalten der Membran nicht wesentlich beeinflusst. Auf diese Weise lässt sich der Membranstress technologisch besser kontrollieren, und unerwünschte Aufwölbungen der freigelegten Membran werden zuverlässig verhindert.

Der erfindungsgemäße Aufbau mit einer vorzugsweise als Funktionselement ausgestalteten Struktur auf einer freitragenden Membran eines Siliziumsubstrats unter Verwendung der Schichtfolge aus metallischem Ätzstopp und nitridischer Deckschicht ist insbesondere im Bereich der Aktorik vorteilhaft. Beispielsweise kann das Dünnschicht-Funktionselement eine piezoelektrische Membran für Applikationen z.B. als Mikrofon umfassen. Ein weiterer Anwendungsbereich liegt im Bereich der Erstellung so genannter BAW(Bulk Acoustic Wave)- Resonatoren auf der Basis piezoakustischer Volumenresonatoren.

Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, umfassend die Schritte: Abscheiden einer metallischen Schicht auf einem Siliziumsubstrat, Abscheiden einer nitridischen Schicht auf der metallischen Schicht, Aufbau eines Funktionselements auf der metallischen Schicht und Freilegen einer Membran durch Materialabtrag von der Unterseite des Siliziumsubstrats.

Erfindungsgemäß kommt dabei bevorzugt ein PE-CVD(Plasma Enhanced Chemical Wafer Deposition)-Verfahren zum Einsatz. Bei diesem aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten plasma-unterstützten CVD-Verfahren wird in kapazitiver (Parallelplatten-Reaktor) oder induktiver Anordnung ein Niederdruckplasma erzeugt, welches das Arbeitsgas in niederschlagende Schichtkomponenten und flüchtige Komponenten zerlegt.

Durch gezielte Steuerung der Anregungsfrequenz kann dabei eine Schichtfolge bestehend aus Einzelschichten hergestellt werden, die in sich spannungskompensiert ist.

Der Materialabtrag zur Freilegung der Membran von der Unterseite des Siliziumsubstrats kann durch einen Trockenätzprozess erfolgen, wobei die metallische Schicht als Ätzstopp fungiert.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
1(a) bis (e) zeigt die Verfahrensschritte eines Ablaufs zur Herstellung eines Funktionselements, das auf einer Membran eines Siliziumsubstrats angeordnet ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
2(a) bis (e) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bezugnehmend auf 2 wird im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung eines piezoakustischen Resonatorelements beschrieben. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen entsprechende Teile.
Zunächst wird eine Aluminiumschicht 21 mit einer Schichtdicke von 100 nm auf einem Siliziumsubstrat 22 abgeschieden. Danach wird auf der Al- Schicht 21 mittels PE-CVD-Verfahren eine Si₃N₄-Schicht 23, bestehend aus mehreren in sich stresskompensierten Einzellagen abgeschieden, 2a. Danach werden, wie in 2b gezeigt, eine Pt-Grundelektrode 13, eine AlN-Funktionsschicht 14 und eine Pt-Topelektrode 15 auf der Si₃N₄-Schicht 23 abgeschieden.
Mittels fotolithografischer Verfahren wird danach aus den Schichten 13, 14, 15 durch Mikrostrukturierung ein Dünnschicht Funktionselement 18 erstellt, 2c. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein piezoakustisches Resonatorelement (FBAR, Film Bulk Acoustic Wave-Resonator) 18. Nachfolgend wird auf der Rückseite des Siliziumsubstrats 12 eine Hardmask 16 aufgebracht und strukturiert, vergleiche 2d.
Im letzten Schritt wird, wie in 2e gezeigt, durch Trockenätzung des Si-Wafers 12 von der Rückseite her die Membran 29, bestehend aus der Aluminiumschicht 21 und der Si₃N₄-Deckschicht 23, hergestellt mit dem Si-Wafer 22 als Träger im Randzonenbereich, auf dem die freitragende Membran 29 getragen wird.
Im Ergebnis resultiert ein FBAR-Resonator in Dünnschichtbauweise, der auf einer stressfreien Membran 29 eines Substrats 22 angeordnet ist.

Claims

Vorrichtung mit – einem Funktionselement (18) und – einem Si-Substrat (22) mit Membran (29), auf der das Funktionselement (18) angeordnet ist, wobei die Membran (29) eine nitridische Schicht (23) und eine metallische Schicht (21) umfasst, und die metallische Schicht (21) auf dem Si-Substrat (22) und die nitridische Schicht (23) auf der metallischen Schicht (21) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (21) aus Aluminium besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der metallischen Schicht 10 bis 100 nm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nitridische Schicht (23) aus Si₃N₄ besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nitridische Schicht (23) aus einer Mehrzahl von stresskompensierten Einzelschichten besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (18) eine piezoelektrische Membran umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (18) einen piezoakustischen Resonator umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, mit den Schritten – Abscheiden einer metallischen Schicht (21) auf einem Siliziumssubstrat, – Abscheiden einer nitridischen Schicht (23) auf der metallischen Schicht, – Aufbau eines Funktionselements (18) auf der metallischen Schicht (21) und – Freilegen der Membran (29) durch Materialabtrag von der Unterseite des Siliziumsubstrats (22).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nitridische Schicht (23) durch ein PE-CVD-Verfahren abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abscheidung der nitridischen Schicht (23) eine Mehrzahl von nitridischen Einzelschichten bei unterschiedlicher Anregungsfrequenz abgeschieden werden, derart, dass eine in sich stresskompensierte nitridische Schicht (23) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag durch einen Trockenätzprozess des Siliziumsubstrats (22) erfolgt, wobei die metallische Schicht (21) als Ätzstopp fungiert.