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Mikromechanisches
Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikromechanisches
Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements,
insbesondere auf ein mikromechanisches Bauelement mit einem Bereich
zur Bildung von integrierten Schaltungen, also beispielsweise mikromechanische
Sensoren, wie etwa integrierte Drucksensoren oder integrierte Beschleunigungssensoren.
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Für die Herstellung
von integrierten Sensorelementen gibt es in der Oberflächenmikromechanik die
Möglichkeit,
Hohlräume
für solche
Bauelemente zusammen mit anderen elektrischen Bauelementen in einer
integrierten Schaltung herzustellen. Dabei haben die Prozessschritte
zur Herstellung der Mikromechanikkomponenten (Mikromechanik-Prozessschritte)
zum Teil erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der prozessierten
elektrischen Bauelemente. Eine Konsequenz, die sich hieraus ergibt,
besteht häufig
in einer Einschränkung
der Freiheitsgrade bei der Prozessführung zum Herstellen und Verschließen von
Hohlräumen
in diesen Bauelementen. Dadurch müssen zum Teil auch Nachteile
bei den Eigenschaften der Mikromechanikbauelemente in Kauf genommen
werden. Ein Beispiel für
eine solche Einschränkung
bzw. einen solchen Nachteil bei den Eigenschaften eines solchen
Mikromechanikbauelements besteht darin, dass besonders bei modernen Prozessen
und Bauelementen es sehr darauf ankommen kann, dass die vorgesehenen
Dotierungsprofile nicht verschoben werden.
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Zur
Lösung
dieser Problematik werden bisher vorwiegend Zwei-Chip-Lösungen verwendet,
wobei ein Chip die Mikromechanik-Strukturen enthält und ein zweiter Chip die
Auswertelektronik zur Verarbeitung der von dem ersten Chip erhaltenen
Signale. Beide Bausteine werden getrennt prozessiert.
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Eine
gegenseitige Prozess-Beeinflussung in Form von Prozess-Einflüssen des
jeweils anderen Herstellungsprozesses können hierbei vermieden werden.
Der Nachteil dieser Lösung
besteht jedoch in den erheblichen Mehrkosten, die durch die getrennte Prozessführung und
die getrennten Chips entstehen. Außerdem entsteht durch die getrennte
Prozessierung der beiden Chips ein zusätzlicher Package-Aufwand, was
einerseits den Bauraum des fertigen Bauelements und andererseits
die Herstellungskosten erhöht.
Darüber
hinaus können
bestimmte Anwendungen, die beispielsweise auf eine Auswertung besonders
kleiner Signale angewiesen sind, mit diesem Konzept nicht realisiert
werden, da beispielsweise die betreffenden Signale über Bonddrähte transportiert
werden müssen, über die
Störsignale
besonders leicht in den Sensor einkoppeln können.
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Eine
andere Lösung
wird anhand des in 2 gezeigten schematischen
Aufbaus und anhand des in 3 gezeigten
Rasterelektronenmikroskopbildes näher beschrieben und erläutert. Die Hohlraumstrukturen
werden hierbei nach der Herstellung der elektrischen Bauelemente
prozessiert. Wechselseitige Prozesseinflüsse haben ein zum Teil aufwendiges
Nachjustieren der elektronischen Bauelemente in diesem Fall zur
Folge.
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Durch
eine gelochte Platte, die beispielsweise aus Poly-Silizium (Poly-Si),
Siliziumoxid (Si-Oxid) oder Siliziumnitrid (Si-Nitrid) bestehen
kann, kann ein Hohlraum freigeätzt
werden.
2a zeigt diesen Zwischenzustand
eines integrierten Sensorelements schematisch. Auf einem Substrat
800 ist
eine Opferschicht
810 aufgebracht, die im fertigen Bauelement die
Rolle des Abstandshalters für
die in
2a auch als Deckel
bezeichnete Membranschicht
820 übernimmt. Die Membranschicht
820 weist
eine Mehrzahl von Löchern
830 auf.
Durch die Löcher
830 ist
ein Hohlraum
840 freigeätzt
worden.
2a zeigt also einen
freigeätzten
Hohlraum
840 mit gelöchtertem Deckel
820.
Anschließend
wird, wie
2b zeigt, eine
Verschlussschicht
850 auf die Membranschicht
820 und
die Opferschicht
810 aufgebracht, die jedoch die Löcher
830 in
der Membranschicht noch nicht vollständig verschlossen hat. Als
Verschlussschichtmaterial wird häufig
hochdotiertes Silikatglas verwendet, wie beispielsweise Borphosphorsilikatglas (BPSG
= Borophosphosilicate glass) oder Phosphorsilikatglas (PSG = Phosphorsilicatglass).
2b zeigt schematisch das
Bauelement nach der BPSG-Abscheidung.
In einem folgenden Prozessschritt wird das Bauelement erhitzt, woraufhin
die Verschlussschicht
850 zähflüssig wird und die Löcher
830 verschließt, wie
dies in
2c schematisch
gezeigt ist.
2c zeigt
schematisch das Bauelement nach dem Verfließen des BPSG. Neben dem Prinzipschema,
das
2 zeigt, zeigt
3 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme
(REM = Rasterelektronenmikroskop, SEM = scanning electron microscope)
eines Querschnitts durch ein entsprechendes Bauelement mit einem
auf diese Art und Weise gefertigten Hohlraum. Bei dem in
3 gezeigten Bauelement ist
die Hohlraumstruktur mit BPSG verschlossen worden. In
3 sind mit den in
2 bereits verwendeten Bezugszeichen die
entsprechenden Strukturen gekennzeichnet. Dieses Herstellungskonzept
ist beispielsweise in der Patentschrift
DE 10022266 A1 beschrieben.
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Nachdem
also der Hohlraum 840 durch die gelochte Platte bzw. Membranschicht 820 freigeätzt wurde,
wird diese bzw. die Löcher 830 der
Membranschicht 820 mit hochdotiertem Silikatglas, beispielsweise
PSG oder BPSG, verschlossen. Das Verschließen mit hochdotiertem Silikatglas
ist hierbei möglich,
weil es bei hohen Temperaturen, im Falle von BPSG normalerweise
ab ca. 700°C,
zähflüssig wird
und sich wie eine gut benetzende Flüssigkeit verhält. Durch
seine Oberflächenspannung
gleicht es Unebenheiten in der Topologie aus und verschließt kleine Öffnungen,
im vorliegenden Fall die Löcher 830,
gasdicht. Dieser Prozessschritt wird auch als „Verfließen" oder mit dem englischen Fachterm „Reflow" bezeichnet.
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Die
DE 69429381 T2 bezieht
sich auf ein Verfahren zum Mikro-Bearbeiten eines in der Oberfläche eines
Siliziumkörpers
integrierten Sensors. Das Verfahren zur Mikro-Bearbeitung der Oberfläche eines
Siliziumsubstrats, das eine minimale Anzahl von Prozessschritten
umfasst, beinhaltet einen preferierten Ätzprozess, bei dem eine Chlor-Plasma-Ätzung eingesetzt
wird, die in der Lage ist, eine laterale Ätzung an einer vergrabenen
N
+-Lage unterhalb der Oberfläche des
Substrats durchzuführen.
Ein solches Verfahren kann beispielsweise angewendet werden, um
ein Messelement zu erzeugen, das ein kleines mikro-bearbeitetes
Element, etwa eine Brücke,
einen Kantilever, eine aufgehängte
Masse oder ein kapazitives Element, die über einen Hohlraum unterstützt werden,
in einem volumenmäßigen Siliziumsubstrat
auszubilden. Das Verfahren ermöglicht
auch eine Ausbildung eines solchen Messelements auf dem gleichen
Substrat wie die steuernden, integrierten Schaltungen. Das Verfahren
eignet sich dazu, die dimensionalen Charakteristika der mikro-bearbeiteten
Elemente zu optimieren oder die micro-bearbeiteten Elemente zu kapseln.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements zu schaffen,
das eine Integration von Hohlräumen
in integrierte Schaltungen ermöglicht, ohne
die elektrischen Bauelemente der integrierten Schaltungen durch
die Hohlraumherstellungsprozessschritte stärker zu beeinflussen.
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Hochdotiertes
Silikatglas, das zwar prinzipiell für einen Hohlraumverschluss
gut geeignet ist, kann üblicherweise
jedoch erst nach der Herstellung der elektrischen Bauelemente, dem
sog. Grundprozess, verwendet werden, da von dem hochdotierten Silikatglas
eine sehr hohe Kontaminationsgefahr für das (prozessierte) Bauelement
ausgeht. Bereits dieser Hohlraumherstellungsprozess mit dem Teilschritt des
Verfließens,
der nach dem Grundprozess ausgeführt
wird, beeinflusst üblicherweise
die auf dem Wafer enthaltenen integrierten Schaltungen bzw. die prozessierten
elektrischen Bauelemente, so dass deren Eigenschaften, beispielsweise
elektrische Widerstände,
Kapazitäten
oder andere elektrische, mechanische, optische, akustische oder
andere physikalische Größen, in
nicht vorhersagbarer Art und Weise verändert werden können, was
einen erheblichen Nachteil dieses Herstellungsprozesses darstellt.
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Ein
gasdichter Verschluss durch Abscheiden undotierter Oxide ist prinzipiell
auch möglich,
jedoch nur unter sehr schwierigen Bedingungen, weil sich hier im
Rahmen des Abscheidprozesses immer Wachstumslinien bilden. Außerdem zeigen
undotierte Oxide bei hohen Temperaturen kein Fließverhalten,
so dass Öffnungen
bzw. Löcher
daher nur mit relativ großen
Schichtdicken verschlossen werden können, da ein Loch bereits während der
Abscheidung zuwachsen muss. Ein nachträgliches Schließen von Öffnungen
oder Löchern
durch ein Verfließen
ist in diesem Fall nicht möglich.
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Die
EP 0714017 A1 bezieht
sich auf einen Drucksensor, insbesondere auf einen mikromechanisch
herstellbaren Drucksensor, bei der in einer Hilfsschicht, die mit
einer Membranschicht bedeckt ist, durch Aussparungen in dieser Membranschicht ein
Hohlraum hergestellt und diese Aussparung anschließend durch
Anteile einer Verschlussschicht verschlossen wurden. Hierbei können noch
weitere Schichten, die im Bereich der Membran entfernt sind, aufgebracht
sein.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eins mikromechanischen
Bauelements gemäß Anspruch
1 oder durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines
mikromechanischen Bauelements mit einem Bereich zur Bildung einer
integrierten Schaltung mit folgenden Schritten:
Erzeugen einer
Ausnehmung in einem Substrat;
Erzeugen einer ersten Schicht
in der Ausnehmung;
Erzeugen einer Membranschicht auf der ersten Schicht;
Einbringen
zumindest eines Kanals in die Membranschicht, der die Membranschicht
vollständig
durchdringt;
Entfernen eines Bereichs der ersten Schicht unterhalb
der Membranschicht, um einen Hohlraum zu bilden;
Verschließen des
zumindest einen Kanals; und
Bilden einer planaren Oberfläche,
wobei
die erste Schicht und die Membranschicht so in der Ausnehmung erzeugt
werden, dass der Hohlraum in der Ausnehmung angeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit
einem Bereich zur Bildung einer integrierten Schaltung mit folgenden Merkmalen:
einer
Ausnehmung in dem Substrat;
einer ersten Schicht in der Ausnehmung;
einer
Membranschicht auf der ersten Schicht, die einen Hohlraum in der
ersten Schicht überdeckt;
und
einer planaren Oberfläche,
wobei
der Bereich zur Bildung der integrierten Schaltung außerhalb
eines Bereichs liegt, in der die Membranschicht gebildet ist; und
wobei
die erste Schicht und der Hohlraum in der Ausnehmung angeordnet
sind.
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Die
vorliegende Erfindung löst
das oben geschilderte Problem der Beeinflussung der Eigenschaften
der integrierten Schaltungen dadurch, indem bei einem integrierten
Prozess die Hohlraumstrukturen bzw. der Hohlraum vor den elektrischen Bauelementen
in Form der integrierten Schaltungen prozessiert werden, so dass
der Einfluss der Hohlraumherstellung auf die elektrischen Eigenschaften möglichst
bzw. weitgehendst reduziert wird. Durch die Entkopplung der Herstellungsschritte
zur Herstellung des Hohlraums und der Herstellungsschritte zur Herstellung
der integrierten Schaltungen, also der beiden Prozessmodule, kann
der Hohlraumverschluss ohne ein fließfähiges Material durch den neuartigen
erfindungsgemäßen Verschlussprozess
realisiert werden. Vorzugsweise wird der Hohlraum durch Aufoxidieren
bzw. Oxidation einer gelochten Platte aus Silizium verschlossen.
Dieser Oxidationsprozess findet bei hohen Temperaturen, typischerweise
bei Temperaturen über
1000°C statt
und ist möglich,
da er vor der Herstellung der elektrischen Bauelemente in Form der
integrierten Schaltungen abläuft,
so dass die zu der Oxidation des Poly-Siliziums notwendigen Temperaturen
die integrierten Schaltungen nicht in Mitleidenschaft ziehen können.
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Grundsätzlich sind
auch andere Verschlussarten möglich.
So können
z.B. bei einem hohen Aspektverhältnis
der Ätzkanäle in der
Membranschicht diese Kanäle
durch Abscheidung eines undotierten Materials verschlossen werden.
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Erfindungsgemäß werden
also durch geeignete Wahl der Prozessführung bei integrierten Prozessen
mit mikromechanischen Strukturen Störeinflüsse zwischen Mikromechanik
und elektrischen Bauelementen und die damit verbundenen Nachteile vermieden.
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Da
das mikromechanische Bauelement eine planare Oberfläche ausweist,
können
weitere Herstellungsprozessschritte zur Herstellung der integrierten
Schaltung einfacher und zuverlässiger durchgeführt werden.
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Vorzugsweise
wird die Membran in einer Vertiefung des Substarts angeordnet, was
die Erzeugung einer planaren Oberfläche der Struktur ohne wesentliche
Erhöhung
der Gesamtdicke ermöglicht.
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Vorzugsweise
erfolgt das Verschließen
des zumindest einen Kanals durch die Membranschicht durch eine Oxidation
oder eine Nitrierung des Membranmaterials so dass keine zusätzliche
Schicht oder zusätzliches
Material aufgebracht werden muss.
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Darüber hinaus
kann die Membranschicht aus einem halbleitenden Material, beispielsweise
Silizium oder Poly-Silizium,
hergestellt sein, um eine gute elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Bauelement unterhalb der ersten Schicht einen dotierten
Bereich, so dass eine elektrische Kontaktierung des Hohlraums substratseitig
erfolgen kann. Zusammen mit der guten elektrischen Leitfähigkeit,
die die Membranschicht aufgrund ihrer Erzeugung und des Verschließens der Kanäle, die
diese vollständig
durchdringen, aufweisen kann, ist so mit eine elektrische Kontaktierung des
Hohlraums sowohl substratseitig, wie auch oberflächenseitig möglich.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1(a)–(d)
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines
mikromechanischen Bauelements;
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2(a)–(c)
eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens zur Herstellung
eines mikromechanischen Bauelements; und
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3 ein
Rasterelektronenmikroskopbild eines mikromechanischen Bauelements,
das gemäß dem Verfahren
nach 2 hergestellt wurde.
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Bezugnehmend
auf 1 wird nun ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung eines mikromechanischen Bauelements und dessen Struktur
näher erläutert.
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Wie
in 1a zu sehen ist, wird zunächst ein Substrat 100 bereitgestellt.
Auf dem Substrat 100 wird eine Oxidschicht 110 und
darauf eine Nitritschicht 120 abgeschieden. Die beiden
Schichen 110, 120 werden mittels Lithographie
und einem Ätzschritt strukturiert.
Die Nitritschicht 120 dient hierbei als Hartmaske zum Ätzen einer
Vertiefung bzw. Ausnehmung 125 in dem Substrat 100,
die sich ausgehend von einer Substratoberfläche in das Substrat 100 erstreckt.
Mit dieser Vertiefung, oder genauer gesagt ihrer Dimensionierung,
stellt man die spätere
Opferschichtdicke und Poly-Membrandicke
ein. Die Ausnehmung 125 wird in ein Bereich gebildet, der
nicht durch die strukturierte Nitridschicht geschützt ist. Durch
Implantation wird in dem so geöffneten Substrat 100 eine
niederohmige Wanne 130 erzeugt. Hierbei dient ebenfalls
die Nitridschicht 120 als Hartmaske. Diese Wanne 130 dient
als untere Elektrode des späteren
mikromechanischen Bauelementes.
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In
einem nächsten
Prozessschritt wird eine weitere Oxidschicht 140 abgeschieden,
die die Substratoberfläche
und den Boden 135 der Ausnehmung 125 bedeckt.
Die weitere Oxidschicht 140 dient als Opferschicht für die später entstehende
Hohlraumstruktur, wobei der Begriff „Opferschicht" angibt, dass Teile
der Opferschicht 140 im weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses
entfernt werden, um einen Hohlraum 150 zu bilden. Die Opferschicht 140 weist eine
Dicke auf, die im Wesentlichen der Höhe des später entstehenden Hohlraums 150 entspricht.
Auf die Opferschicht 140 wird eine Siliziumschicht 160, die
auch als Membranschicht 160 bzw. Silizium-Membran oder
gelochte Polymembran bezeichnet wird, abgeschieden. Anders ausgedrückt wird
die Tiefe der Vertiefung durch die Dicke der Opferschicht 140 und
der Membranschicht 160 bestimmt. In die Membranschicht 160 werden
schmale Ätzlöcher bzw. Kanäle 170 geätzt werden.
Die Kanäle 170 weisen hierbei
einen Durchmesser von typischerweise 0,05 bis 1,0 µm, vorzugsweise
von ca. 0,2 bis 0,4 µm
auf. Die Kanäle 170 werden
ebenfalls mit Hilfe lithographischer Methoden strukturiert und geätzt.
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In
einem nächsten
Schritt wird mit Hilfe einer nasschemischen Ätzung durch die Kanäle bzw. Ätzlöcher 170 der
Hohlraum 150 geätzt
bzw. freigelegt, so dass sich die in 1a dargestellte
Struktur ergibt.
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Anschließend erfolgt
eine Oxidation, um die Membranschicht 160 mit den Kanälen 170 aufzuoxidieren,
so dass die Membranschicht 160 durch ein thermisches Oxid 180 bedeckt
ist und die Löcher bzw.
Kanäle 170 geschlossen
sind, wodurch der abgeschlossene Hohlraum 150 entsteht.
Wie zu erkennen ist, hat sich auf dem Boden 135 des Hohlraums 150 aufgrund
der Oxidation eine dünne
Oxidschicht 185 gebildet, da die Kanäle zu Beginn des Oxidationsschrittes
noch nicht verschlossen sind. Die verschlossenen Kanäle 170 sind
in 1(b) bis 1(d) durch
die schraffierten Bereiche 180a dargestellt. Obwohl bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
die Kanäle
vollständig
gefüllt
sind, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Eine
weitere Möglichkeit
einen Hohlraumverschluss zu realisieren, also die Löcher bzw.
Kanäle 170 zu
schließen,
besteht darin, diese durch Abscheiden eines Verschlussmaterials
zu verschließen.
Das abgeschiedene Material, das den Hohlraum verschließt, kann
beispielsweise im Rahmen des Abscheidens einer Planarisierungsschicht
erfolgen, so dass das Material, das die Löcher bzw. Kanäle 170 zumindest
teilweise auffüllt
ebenfalls aus dem Material einer später aufgebrachten Planarisierungsschicht
besteht.
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In
der weiteren Folge der Prozessschritte wird zur Planarisierung eine
Planarisierungsschicht, z.B. eine Oxidschicht, auf der Struktur
aus 1c abgeschieden. In einem folgenden chemisch-mechanischen
Polierschritt (CMP = Chemical-Mechanical Polishing)
wird die Planarisierungsschicht bis zu der Nitridschicht 120 entfernt,
so dass die Nitridschicht 120 freiliegt und in der Vertiefung 125 ein
Teil 190 der Planarisierungsschicht zurückbleibt. Hierdurch erhält das mikromechanische
Bauelement eine planare bzw. planarisierte Oberfläche 200.
Die sich ergebende Struktur ist in 1c gezeigt.
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Die
Nitridschicht 120 wird in einem nächsten Prozessschritt durch
ein Ätzen
bzw. eine Ätzung
entfernt. Anschließend
wird die Oxidschicht 110 auf dem Substrat 100,
ein Teil der Planarisierungsschicht bzw. das Planarisierungsoxid 190 in
der Ausnehmung, ein Teil der Oxidschicht 140 und das thermische
Oxid 180 auf der Membranschicht 160 durch Rückätzung entfernt,
um die planare Oberfläche 220 zu
erzeugen. Diese Ätzschritte
können
im Allgemeinen ohne Lithographie-Schritte
durchgeführt
werden. Diese Ätzschritte
können
darüber
hinaus hoch selektiv bezogen auf das Material des Sub strats 100 und/oder
in Bezug auf die Membranschicht 160 bzw. Polymembran 160 erfolgen,
indem diese Ätzschritte
nasschemisch mit entsprechenden Ätzlösungen durchgeführt werden,
die eine hohe Selektivität
bezüglich
verschiedener Materialien aufweisen. In 1d ist
die so entstehende Hohlraumstruktur mit planarer Oberfläche 220 dargestellt.
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Je
nach Prozessbedingung kann es dazu kommen, dass die Membranschicht
nicht bündig
mit der Oberfläche
des mikromechanischen Bauelements abschließt, sondern eine geringe Stufe
aufweist. Hierbei wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter
einer geringen Stufe eine Höhendifferenz
verstanden, die typischerweise geringer als 50 % und vorzugsweise
geringer als 20 % der Schichtdicke einer Schicht oder einer Struktur
des betreffenden Bauelements ist, die eine dickste Schicht des Bauelements
darstellt.
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Anschließend können außerhalb
des Membranbereichs, also außerhalb
des Bereichs, in dem die Hohlraumstruktur entstanden ist, mit Hilfe
eines Standardprozesses elektrische Bauelemente als Teil einer integrierten
Schaltung hergestellt werden.
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Der
Hohlraum 150 eignet sich z. B. als Membran für einen
Drucksensor. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist beispielsweise
die Erhöhung der
Güte von
Spulenelementen, die auf dem Hohlraum angeordnet sein können. Hierdurch
kann eine Wechselwirkung eines solchen Spulenelements mit dem Substrat 100 reduziert
werden. Das Prinzip kann auf Elemente angewendet werden, die thermisch vom
Substrat entkoppelt werden sollen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft somit ein neuartiges Verfahren zur
Herstellung eines Hohlraums 150 in Oberflächenmikromechanik
in integrierten Schaltungen, wie sie beispielsweise in mikromechanischen
Sensoren, etwa in integrierten Drucksensoren oder anderen Sensoren
eingesetzt werden kann. Durch die Verwendung einer Verschluss-Oxidation ermöglicht sie
so eine Lösung
des Problems, Hohlräume
in integrierten Schaltungen herstellen zu können, ohne elektrische Bauelemente,
die mit der Hohlraumstruktur auf einem Chip integriert werden sollen,
durch die Hohlraumherstellungsprozess-Schritte zu beeinflussen.
Diese neue Methode zum Verschließen von Hohlräumen ermöglicht unter Anderem
eine gasdichte Abschließung
eines entsprechenden Hohlraums.
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Durch
die Prozessierung der Hohlraumstrukturen vor der Prozessierung von
elektrischen Bauelementen als integrierte Schaltungen ist es besonders vorteilhaft,
dass das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Bereich
zur Bildung integrierter Schaltungen eine geeignete Wahl der Prozessführung ermöglicht,
so dass wechselseitige Störeinflüsse zwischen
Prozessschritten zur Herstellung mikromechanischer Strukturen und
Prozessschritten zur Herstellung elektrischer Bauelemente weitgehendst vermieden
werden können.
Des Weiteren ermöglicht diese
Prozessführung
eine Vermeidung einer nachteiligen Beeinflussung von Eigenschaften
elektrischer Bauelemente durch die Prozessierung der mikromechanischen
Strukturen.
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Dadurch,
dass die Membran bzw. die Membranschicht 160 in eine Substratausnehmung,
also in eine Vertiefung des Substrats 100 eingebracht wurde,
können
beispielsweise auch sehr dicke Membranen bzw. Membranschichten 160 mit
Dicken von 1 µm
oder mehr realisiert werden. Typischerweise können so Membranschichten 160 mit
Dicken zwischen 0,5 µm
und 20 µm
und vorzugsweise zwischen 0,9 µm
und 2 µm
realisiert werden. Nach dem Abschluss der Herstellung der Membran,
dem Verschließen
der Membran und der Planarisierung, also nach dem Abschluss des
Membranprozesses, weist das mikromechanische Bauelement eine ebene,
planare Oberfläche
auf, was einen sehr wichtigen Vorteil für die weitere Prozessierung
des Bauelements, und hier insbesondere für die Prozessierung der integrierten
Schaltungen, darstellt. Die planare Oberfläche des mikromechanischen Bauelements
ermöglicht
so eine besonders einfache und effiziente Integration des Bauelements
in weitere Herstellungsprozesse, beispielsweise einen 0,25 µm-Prozess,
der auch als Quarter-Micron-Prozess bezeichnet wird. Der Grund hierfür liegt
in der besonders einfachen Topologie, die beispielsweise eine Fokussierung
im Rahmen weiterer Lithographie-Schritte ermöglicht.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem Bereich zur
Bildung integrierter Schaltungen besteht darin, die Dicke der Membranschicht,
also die Membrandicke, so zu wählen,
dass das mikromechanische Bauelement in einen Standard-STI-CMOS-Prozess
eingebunden werden kann (STI = shadow trench insulation = Flachgraben-Isolation; CMOS =
complementary metal oxid semiconductor = komplementäre Metalloxidhalbleiterschaltung).
So ist es möglich,
Standard-STI-CMOS-Gräben
in der Membranschicht unterzubringen, so dass keine zusätzlichen
Silizium-Ätzungen
(Si-Ätzungen)
durchgeführt
werden müssen.
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Grundsätzlich ist
es auch möglich,
erfindungsgemäße Mikromechanische
Bauelemente mit einem Bereich zur Bildung integrierter Schaltungen nicht
in einer Substratausnehmung zu platzieren, sondern diese auf der
Oberfläche
des Substrats anzuordnen. In diesem Fall unterscheidet sich das
Verfahren zur Herstellung des entsprechenden mikromechanischen Bauelements
im Wesentlichen durch die zur Planarisierung notwendigen Prozessschritte. In
diesem Fall kann beispielsweise eine zusätzliche Füllschicht auf die verschlossene
Membranschicht aufgebracht werden, die dann beispielsweise mit Hilfe
eines Rückätzprozesses
oder eines chemisch-mechanischen
Polierens (CMP) planarisiert wird.
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Auch
andere Anordnungen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements
sind möglich.
So kann durchaus der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte
Hohlraum sehr tief, beispielsweise mehrere 10 µm, in das Innere des Substrats
verlagert werden. Ebenso ist es auch denkbar, dass die Membranschicht
des mikromechanischen Bauelements unmittelbar an der Oberfläche des
Substrats angeordnet ist und/oder eine geringe Dicke aufweist, um
beispielsweise besonders kleine Druckdifferenzen bei einer Verwendung
als Drucksensor nachweisen zu können.
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- 100
- Substrat
- 110
- Oxidschicht
- 120
- Nitridschicht
- 125
- Ausnehmung
- 130
- Wanne
- 135
- Boden
der Ausnehmung
- 140
- Opferschicht
- 150
- Hohlraum
- 160
- Membranschicht
- 170
- Kanäle
- 180
- thermisches
Oxid
- 180a
- verschlossener
Kanal
- 185
- Oxidschicht
in dem Hohlraum
- 190
- Planarisierungsschicht
- 200
- planare
Oberfläche
- 220
- planare
Oberfläche
mit freigelegter Membran
- 800
- Substrat
- 810
- Opferschicht
- 820
- Membranschicht
- 830
- Loch
- 840
- Hohlraum
- 850
- Verschlussschicht