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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von MEMS-Strukturen
(Micro Electro Mechanical Systems) auf Siliziumbasis, vorzugsweise von
mehrlagig abscheidbaren MEMS-Strukturen.
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Stand der Technik
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Insbesondere
für eine
Verwendung in Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren, die
auf kapazitiven Messverfahren beruhen (kapazitive MEMS), umfassen
derartige Strukturen im Wesentlichen eine leitfähige Funktionsschicht, die
feststehende und bewegliche Bereiche enthält. Bewegliche Bereiche werden
während
der Herstellung üblicherweise
durch eine sogenannte Opferschicht fixiert, die am Ende des Fertigungsprozesses
durch aus der Mikromechanik- bzw. Halbleitertechnologie bekannte
Verfahrensschritte selektiv entfernt wird.
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Es
ist bekannt, Opferschichten aus Siliziumoxid in Verbindung mit epitaktisch
gewachsenen Funktionsschichten aus polykristallinem Silizium einzusetzen.
Diese Technologie schließt
eine nachträglich
Einstellung verschiedener Schichtparameter der Funktionsschicht,
insbesondere der Leitfähigkeit, durch
Eintreiben eines drei- oder fünfwertigen
Dotierstoffes ein. Aus der polykristallinen Struktur folgt außerdem die
Notwendigkeit, durch zusätzliche
Temperschritte herstellungsbedingte Stressgradienten in den beweglichen
Bereichen der Funktionsschicht zu kompensieren, um Deformationen
dieser beweglichen Bereiche ohne das Auftreten bestimmungsgemäßer Belastungen
zu vermeiden. Das Verfahren erlaubt nur relativ niedrige Ätzraten
und Unterätzweiten.
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Es
ist weiterhin bekannt, die Opferschicht aus Siliziumoxid durch eine
Opferschicht aus Silizium-Germanium zu ersetzen. Diese lässt sich
beispielsweise durch ClF3-Gasphasenätzen selektiv entfernen.
Die erreichbaren Ätzraten
und Unterätzweiten
sind gegenüber
dem Verfahren mit Opferschichten aus Siliziumoxid deutlich größer. Problematisch
ist jedoch das Diffusionsverhalten von Germanium, welches in Prozessschritten
mit länger
anhaltenden thermischen Belastungen, beispielsweise während des
Eintreibens erforderlicher Dotierstoffe, dazu führt, dass Germanium aus der
Opferschicht in die Funktionsschicht diffundiert. Durch daraus folgende
Schichtverschmelzungen können
sich ursprünglich
ausgebildete Strukturen verändern
und in ihrer Funktionsfähigkeit
beeinträchtigt
werden.
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Es
ist bekannt, dieses Problem in Strukturen aus polykristallinen Schichten
dadurch zu mindern, dass die Opferschicht mit einer Diffusionsbarriere
gegenüber
Germanium umgeben wird. Das bedeutet jedoch einen zusätzlichen
Verfahrensschritt, der strukturabhängig, insbesondere wenn Kontaktlöcher zu „vergrabenen
Leiterbahnen" erforderlich
sind, einen teilweise erheblichen Mehraufwand mit sich bringt und
mit entsprechenden Mehrkosten verbunden ist.
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Ein
weiterer Nachteil der genannten Verfahren besteht in der generell
recht sensiblen Kompensation von Stressgradienten durch das Eintreiben
der Dotierstoffe. Der Erfolg dieser Kompensation hängt empfindlich
von der Vermeidung späterer
thermischer Überlastungen
der dotierten Schichten ab, weshalb bei einer gewünschten
Integration mehrerer Sensorelemente in einen Chip die Sensorelemente lateral
versetzt werden müssen,
um sie während
der Herstellung thermisch zu entkoppeln. Dadurch erhöhen sich
Platzbedarf und Kosten der MEMS-Struktur und des fertigen Bauelementes.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das die Herstellung
von komplexen MEMS-Strukturen mit hoher Effektivität auf engem Raum
ermöglicht
und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Technische Lösung
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden in den Ansprüchen
2 bis 10 angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Abscheidung weitgehend einkristalliner Funktions-
und Opferschichten. Offensichtlich erfolgt durch den damit verbundenen
Wegfall der Korngrenzen eine wirksame Behinderung insbesondere der
Diffusion von Germanium. Dadurch wird der Einsatz von Opferschichten
aus Silizium-Germanium möglich, ohne
dass eine zusätzliche
Barriere gegenüber
Germanium aufgebracht werden muss, um dessen Diffusion zu begrenzen.
Die Anwendung des Verfahrens erfolgt zur Herstellung von MEMS-Strukturen
mit mindestens einer Funktionsschicht aus Silizium, die Strukturen
enthält,
die durch Entfernen einer Opferschicht freigestellt werden. Erfindungsgemäß werden mindestens
eine Opferschicht und mindestens eine Funktionsschicht so abgeschieden,
dass sie einkristallin aufwachsen, wobei die Opferschicht aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht
besteht.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Vorteilhafterweise
werden mehrere Funktionsschichten und Opferschichten übereinander
abgeschieden, wobei alle Funktionsschichten und alle Opferschichten
so abgeschieden werden, dass sie einkristallin aufwachsen, und die
Opferschichten jeweils aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht bestehen.
Die Mehrfachabscheidung ist möglich,
da durch die relativ hohen Aufwachsgeschwindigkeiten die Erwärmung der
Gesamtanordnung nur einen relativ kurzen Zeitraum beansprucht, in
dem eine Diffusion von Germanium, die zudem durch fehlende Korngrenzen
behindert wird, vernachlässigt
werden kann. Vorteilhafterweise erfolgt das Entfernen des Opfermaterials
durch ClF3-Gasphasenätzen. Somit lassen sich die
Vorteile großer
Unterätzweiten
und hoher Ätzgeschwindigkeiten
nutzen, ohne den zusätzlichen
Aufwand für
das Aufbringen einer zusätzlichen
Isolationsschicht zur Verhinderung der Diffusion von Germanium treiben
zu müssen.
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Vorteilhafterweise
werden dementsprechend Prozessparameter zumindest zeitweise so eingestellt,
dass das epitaktische Wachstum mit einer Aufwachsgeschwindigkeit
von mindestens 3 μm/min
erfolgt.
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Wird
eine Einstellung des Leitwertes der Siliziumschichten erforderlich,
ist es vorteilhaft, diesen durch eine In-Situ-Dotierung einzustellen. Stressgradienten
können
so vermieden werden.
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Der
Wechsel zwischen Siliziumschichten und Silizium-Germanium-Mischschichten erleichtert durch Überwachung
der Plasmaemission und/oder massenspektroskopisch nachweisbarer
Species die Vermeidung falscher Ätztiefen
und damit das Auftreten von Fehlstrukturierungen.
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Zur
Erzielung der vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sollten mindestens folgende Schritte umfasst sein:
- – Bereitstellung
eines SOI-Wafers (Silicon an Insulator) mit einer einkristallinen
Startschicht aus Silizium,
- – Strukturierung
der einkristallinen Startschicht aus Silizium,
- – epitaktisches
Abscheiden eines Opfermaterials in Form von einkristallinem Silizium-Germanium,
- – Strukturierung
der einkristallinen Opferschicht,
- – epitaktisches
Abscheiden einer Funktionsschicht aus einkristallinem Silizium,
- – Strukturieren
der Funktionsschicht aus einkristallinem Silizium,
- – erneutes
epitaktisches Abscheiden des Opfermaterials in Form von einkristallinem
Silizium-Germanium,
- – Strukturierung
der zuletzt abgeschiedenen einkristallinen Opferschicht,
- – epitaktisches
Abscheiden einer Kappenschicht aus einkristallinem Silizium,
- – Durchstrukturierung
der Kappenschicht bis auf die zuletzt abgeschiedene Opferschicht,
- – Entfernen
des Opfermaterials,
- – Verschließen der Öffnungen
in der Kappenschicht.
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Je
nach Bedarf und Komplexität
der angestrebten Funktionsstruktur können die Schritte der Abscheidung
und Strukturierung einer Opferschicht und der Abscheidung und Strukturierung
einer Funktionsschicht mehrmals wiederholt werden, bevor ein Abschluss
mit einer Kappenschicht erfolgt.
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Die
Justage einzelner Schichten zueinander kann mit Vorteil durch am
Waferrand eingebrachte Marken erfolgen. Wird direkt beim ersten Ätzen eine Oxidfläche freigelegt,
die so groß ist,
dass sie während
der folgenden Epitaxieprozesse nicht zuwächst, können dort Marken platziert
werden, die während der
gesamten Herstellung der MEMS-Struktur zugänglich sind. Vorteilhaft ist
es, sich dazu der selektiven Epitaxie zu bedienen. Dazu werden die
Prozessparameter so eingestellt, dass auf Siliziumoxid keine Abscheidung
erfolgt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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An
einem Ausführungsbeispiel
wird das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert. Die
zugehörigen
schematischen Darstellungen zeigen auszugsweise:
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1 einen
unstrukturierten SOI-Wafer;
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2 einen
SOI-Wafer mit strukturierter Startschicht;
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3 einen
SOI-Wafer mit einer zusätzlichen
ersten strukturierten Opferschicht;
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4 einen
SOI-Wafer mit einer ersten strukturierten Funktionsschicht;
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5 einen
SOI-Wafer mit einer zweiten strukturierten Funktionsschicht;
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6 einen
SOI-Wafer mit einer geschlossenen Kappenschicht;
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7 einen
SOI-Wafer mit vollständig
freigelegter Funktionsstruktur; und
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8 einen
SOI-Wafer mit versiegelter und kontaktierter MEMS-Struktur.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt
einen unstrukturierten SOI-Wafer als Ausgangsmaterial für die Herstellung
von mehrlagig abscheidbaren MEMS-Strukturen. Ein derartiger Wafer
besteht aus einer dicken Siliziumschicht 1, die gleichzeitig
als mechanischer Träger
dient, auf der als Isolationsschicht 2 eine Siliziumoxidschicht
abgeschieden ist. Auf der Isolationsschicht 2 befindet
sich eine einkristalline Startschicht 3 aus Silizium. Auf
derartigen SOI-Wafern ist es möglich,
durch entsprechende Strukturierung einzelne elektrisch voneinander
isolierte Bereiche zu erzeugen, die als Startschicht für späteres epitaktisches
Aufwachsen weiterer Schichten dienen können.
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2 zeigt
einen SOI-Wafer mit strukturierter Startschicht 3. Die
Strukturierung erfolgt durch einen Ätzschritt. Vorlie gend sind
mehrere Bereiche der Startschicht 3 elektrisch voneinander
isoliert, da die geätzten
Gräben 4 bis
zur Isolationsschicht 2 reichen. Die einzelnen auf diese
Weise freigelegten Bereiche der Startschicht 3 bilden die
Sockel der späteren
MEMS-Strukturen.
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Es
können
auch leitende Verbindungen zwischen einzelnen Strukturen definiert
werden. Oftmals muss die Siliziumschicht dazu einen bestimmten Leitwert
aufweisen. Der Leitwert kann durch Dotierung des Siliziums eingestellt
werden. Um Schichtstress und Leitwertschwankungen innerhalb der Strukturen
zu vermeiden, wird der Leitwert der Startschicht 3 durch
eine In-Situ-Dotierung während
der Abscheidung weiterer Schichten beibehalten. Eine nachträgliche Dotierung
und thermische Überlastung einzelner
Strukturbereiche kann dadurch vermieden werden.
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Ist
die Startschicht 3 aus einkristallinem Silizium strukturiert,
wird Opfermaterial in Form von einkristallinem Silizium-Germanium
abgeschieden. Dabei dient die Fläche
der nach der Strukturierung der Startschicht 3 verbliebenen
Siliziumbereiche für
das Aufwachsen einer zunächst
geschlossenen Opferschicht 5 als Startschicht, um ein epitaktisches Wachstum
zu ermöglichen.
Die genaue Einstellung der Dicke der Opferschicht 5, welche
für die
Erstreckung später
auszubildender Hohlräume
in der fertigen Funktionsstruktur entscheidend ist, erfolgt beispielsweise
durch einen CMP-Schritt (chemisch-mechanisches Polieren), als dessen Ergebnis
eine polierte Oberfläche
zur Verfügung
steht, die wiederum als Startstruktur für weiteres epitaktisches Wachstum dienen
kann. In 3 ist außerdem sichtbar, dass die Ätzgräben 4 aus
der vorangegangenen Strukturierung mit dem Opfermaterial gefüllt werden.
Die polierte Opferschicht 5 wird anschließend durch
einen Ätzschritt
strukturiert, um Kontaktlöcher 6 zu
einzelnen Bereichen der Startschicht 3, die als Sockel
oder Leiterbahn dienen können,
herzustellen. Um ein zu tiefes Ätzen
zu vermeiden, kann während
dieses Prozessschrittes die Plasmaemission überwacht werden. Verschwinden
Emissionslinien, die eine Präsenz
von Germanium indizieren, ist eine Durchstrukturierung der Opferschicht 5 ablesbar
und der Ätzvorgang
wird abgebrochen.
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4 zeigt
einen SOI-Wafer mit einer ersten strukturierten Funktionsschicht 7 aus
einkristallinem Silizium. Diese wird zunächst epitaktisch auf der Opferschicht 5 abgeschieden
und anschließend
in einem Trenchprozess strukturiert. Da keine Schicht vorhanden
ist, die einen Ätzstopp
verursacht und ein zu weites Überätzen unter
Umständen
ungewollte Verbindungen zwischen leitfähigen Bereichen herstellen
könnte,
sollte in diesem Prozessschritt in jedem Fall die Ätztiefe überwacht
werden. Das kann beispielsweise durch ein Massenspektrometer erfolgen,
dem die Abgase des Trenchers zugeleitet werden. Wird Germanium detektiert,
erfolgt ein Abbruch des Ätzvorganges.
Im Ergebnis dieses Schrittes besteht eine strukturierte Funktionsschicht 7,
deren Bereiche sich teilweise auf der Opferschicht abstützen und
teilweise mit Bereichen der Startschicht 3 in elektrisch
leitender Verbindung stehen.
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Die
in den 3 und 4 ablesbaren Schritte der Abscheidung
und Strukturierung einer Opferschicht und der Abscheidung und Strukturierung
einer Funktionsschicht können
mehrmals wiederholt werden, um mehrere Strukturen übereinander
zu platzieren, bis eine angestrebte Funktionsstruktur ausgebildet
ist. So können
beispielsweise Beschleunigungssensoren auf einem Chip übereinander
aufgebaut werden, deren Detektionsrichtungen um 90° versetzt
liegen, was ohne Vergrößerung der
Chipfläche
zu zweiachsigen Beschleunigungssensoren führt. Des Weiteren sind kaskadierte
Strukturen realisierbar. So können
Drehratensensoren hergestellt werden, deren Detektionsstrukturen
(Beschleunigungssensoren) auf oder unter einem Schwinger (Oszillator)
angeordnet werden.
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5 zeigt
einen SOI-Wafer mit einer zweiten strukturierten Funktionsschicht 8 aus
einkristallinem Silizium und einer zweiten Opferschicht 9 aus einkristallinem
Silizium- Germanium.
Wichtig ist dabei, dass die Strukturierung so erfolgt, dass die
durch das Opfermaterial erfüllten
Zonen jeweils zusammenhängende
und durch die letzte Siliziumschicht hindurch erreichbare Bereiche
bilden.
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6 zeigt
einen SOI-Wafer mit einer geschlossenen Kappenschicht 10.
Zwischen der Kappenschicht 10 und der obersten Funktionsschicht 8 befindet
sich eine letzte Opferschicht 11 aus einkristallinem Silizium-Germanium,
die an Stellen, an denen später
eine Kontaktierung zu erfolgen hat, durchbrochen ist. Das Aufbringen
der letzten Opferschicht 11, deren Strukturierung und das
Aufbringen der Kappenschicht 10 erfolgen, nachdem die Funktionsstruktur
vollständig
ausgebildet ist.
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Anschließend werden
gemäß 7 Zugänge 12 in
der Kappenschicht 10 strukturiert, über die das gesamte Opfermaterial
in einem Schritt durch ClF3-Gasphasenätzen herausgelöst werden
kann. Dadurch wird die mechanische Funktionsfähigkeit der Funktionsstrukturen
hergestellt.
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Zu
beachten ist dabei, dass auch Strukturen 13, die einer
späteren
Kontaktierung der MEMS-Strukturen dienen sollen, vom Rest der Kappenschicht 10 getrennt
werden müssen,
was durch Ätzen
eines ringförmigen
Zugangs 14 erfolgen kann. Wenn sich in diesem Fall Instabilitäten einzelner Strukturen
ergeben würden,
könnte
die Öffnung
der ringförmigen
Zugänge 14 auch
vor der Öffnung
der restlichen Zugänge 12 in
der Kappenschicht vorgenommen werden. In diesem Fall müsste ein
Verschließen
der ringförmigen
Zugänge 14 mit
einem isolierenden Material, das gleichzeitig der Abstützung der
zu stabilisierenden Struktur dienen würde, erfolgen, bevor das Herauslösen des
Opfermaterials durch ClF3-Gasphasenätzen veranlasst
wird. Bei ausreichend stabilen Strukturen kann auf diese Form der
mehrfachen Strukturierung der Kappenschicht 10 verzichtet
werden, wodurch alle erforderlichen Zugänge 12, 14 in
einem Prozessschritt durch Ätzen
geöffnet
werden können.
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Nach
der Entfernung des Opfermaterials wird die Kappenschicht 10 wieder
hermetisch verschlossen. 8 zeigt einen Ausschnitt aus
einem SOI-Wafer mit versiegelter und kontaktierter MEMS-Struktur.
Er weist beispielhaft vier mechanisch auslenkbare Strukturen 15, 16, 17, 18 auf,
von denen jeweils zwei übereinander
angeordnet sind. Die für
das Herauslösen
des Opfermaterials erforderlichen Zugänge in der Kappenschicht 10 wurden
vorliegend durch plasmagestütztes
nicht konformes Abscheiden eines Oxides 19 bei niedriger
Temperatur, beispielsweise auf der Basis von Silan oder TEOS, hermetisch
verschlossen. Durch die plasmagestützte Oxidabscheidung lässt sich
durch entsprechende Einstellung der Plasmaparameter in Abstimmung
mit den geometrischen Randbedingungen der Zugänge in der Kappenschicht 10 sichern,
dass kein zu tiefes Eindringen des Plasmas in die strukturbedingten Hohlräume der
Anordnung erfolgt. Dadurch wird verhindert, dass in tiefergelegenen
Bereichen eine Oxidabscheidung erfolgen und mechanische Eigenschaften
des Systems verändern
kann.
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Vor
dem Vereinzeln des Bauelementes mit der erfindungsgemäß hergestellten
MEMS-Struktur erfolgt vorzugsweise unter Zuhilfenahme der Sputtertechnologie
die Prozessierung von Bondpads 20 auf Strukturen 13,
die der Kontaktierung dienen.