DE102006049259A1

DE102006049259A1 - Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes mit einer Dünnschicht-Verkappung

Info

Publication number: DE102006049259A1
Application number: DE102006049259A
Authority: DE
Inventors: Silvia Kronmueller; Ando Feyh; Tino Fuchs; Christina Leinenbach; Marco Lammer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2008-04-30
Also published as: WO2008046682A1; JP2010506740A; US20100003790A1; ATE530496T1; US7851248B2; CN101528589A; EP2084102A1; EP2084102B1

Abstract

Es wird eine Verkappungstechnologie bereitgestellt, bei der trotz Freilegung der mit einer Silizium-Germanium-Füllschicht (4, 3) umgebenen Strukturen (2) mittels ClF<SUB>3</SUB>-Ätzens durch Mikroporen in der Silizium-Verkappung (7) hindurch dabei ein Ätzangriff auf die Silizium-Kappe (7, 11) verhindert wird, nämlich entweder durch besonders selektive (etwa 10000 : 1 oder höher) Einstellung des Ätzprozesses selbst oder dadurch, die Einsicht, dass das Oxid einer Germanium-reichen Schicht (5, 10) nicht stabil, sondern leicht lösbar ist, zum Schutz der Silizium-Kappe (7, 11) zu nutzen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes mit einer Kappenschicht aus Silizium.
Die Verkappung empfindlicher mikromechanischer Sensorelemente erfolgt konventionell durch Aufbonden/Aufkleben eines Kappenwafers auf den vollständig prozessierten Sensorwafer. Zum Einschluss einer definierten Atmosphäre bzw. eines definierten Druckes muss dieser Prozessschritt unter den selben Bedingungen erfolgen. Der Kappenwafer wird vorstrukturiert, üblicherweise mit KOH-Ätzen, um die Beweglichkeit der Sensorstrukturen sicherzustellen. Eines der Probleme bei diesem aufwändigen Verfahren besteht darin, dass die Sensorstrukturen bei Aufbringen der Verkappung frei beweglich und daher extrem empfindlich gegen Stöße und Partikelverunreinigungen sind.
Eine seit neuerem bekannte Verkappungstechnologie, die Dünnschicht-Verkappung, verzichtet auf einen Kappenwafer und bildet stattdessen einen Hohlraum zwischen den freizulegenden mikromechanischen Strukturen und einer mit einem üblichen Depositionsprozess erzeugten Siliziumschicht (Kappenschicht) aus. Diese Methode beruht darauf, eine unterhalb einer bereits bestehenden Silizium(Si)-Kappenschicht liegende Füllschicht durch Ätzen zu entfernen, um so den Hohlraum zu schaffen. Zum Heranführen des Ätzgases an die Füllschicht wird üblicherweise eine Perforation der Kappenschicht erzeugt, die später – nach Wegätzen der Füllschicht und ggf. weiterer Opferschichten – durch Abscheiden einer Verschlussschicht wieder versiegelt wird. Wenn Ätzgas durch die Si-Kappenschicht geleitet werden soll, sind jedoch mehr oder weniger aufwändige Maßnahmen nötig, damit das Ätzgas nicht auch die Si-Kappenschicht angreift.
In diesem Zusammenhang ist aus der DE 100 06 035 A1 eine Dünnschichtverkappung (Füllpoly-Technologie) bekannt, bei der die Si-Kappenschicht mit einer Perforation aus Trenches versehen wird, die durch ein konventionelles Tiefenätzverfahren hergestellt werden. Um die Füll-Epipoly-Si-Schicht mit dem Ätzgas ClF₃ selektiv in Bezug auf die Si-Kappenschicht ätzen zu können, werden eine Seitenwandpassivierung der Trenches sowie weitere Schutzschichten vorgeschlagen.
Die DE 10 2004 036 803 A1 offenbart ein zur Dünnschichtverkappung einsetzbares Ätzverfahren, bei dem mit ClF₃ als Ätzmedium in Kombination mit einer zu entfernenden (Füll)schicht aus Silizium-Germanium (Si_1-xGe_x)-Legierung eine sehr hohe, erwünschte Selektivität gegenüber Polysilizium von etwa 4000:1 erreichbar ist. Im Zusammenhang mit der Herstellung einer PolySi-Kappenschicht ist diese Selektivität ausreichend, um das Ätzgas – ohne Angriff der Kappe – durch konventionell mittels Maskentechnik in der Kappenschicht erzeugte Trenches zu leiten. Um diese relativ großen (Mikrometerbereich) Trenches bzw. Öffnungen in der Kappe versiegeln zu können, ist jedoch, wie in der genannten Offenlegungsschrift erwähnt, eine Verschlussschicht mit einer relativ großen Dicke von etwa 1 bis 20 μm erforderlich. Bei derart dicken Verschlussschichten besteht jedoch immer die Gefahr, dass die unter den großen Öffnungen freiliegenden mikromechanischen Strukturen unerwünschterweise mitbeschichtet werden. Andererseits ist zu bedenken, dass die bei dem bekannten Verfahren zur Verfügung stehende Selektivität nicht hoch genug ist, um bei porosifiziertem Kappensilizium, dessen Öffnungen im Nanometerbereich liegen, einen Angriff des Ätzgases auf das in Form kleiner Körnchen vorliegende poröse Si-Material zu verhindern.
Aus der DE 199 61 578 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Si-Kappe mit Mikroporen versehen wird. Dabei wird als konventionelle Füll- bzw. Opferschicht ein Oxid auf Siliziumbasis verwendet, das mittels HF-Dampfätzen – einem gegenüber dem Kappensilizium ausreichend selektiven, aber relativ langsamen Prozess – weggeätzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Dünnschicht-Verkappungstechnologie bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein alternatives Verfahren gemäß Anspruch 2 gelöst. Weiterbildungen und bevorzugte Maßnahmen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei der ersten erfindungsgemäßen Lösung wird das genannte Ziel durch Abscheiden einer Silizium-Germanium (SiGe)-Füllschicht auf einem Substrat, Abscheiden einer Silizium-Kappenschicht auf die SiGe-Füllschicht, Erzeugung von Mikroporen in der Si-Kappenschicht, deren Durchmesser im Nanometerbereich liegen, wodurch eine poröse Si-Kappenschicht erzeugt wird, sowie durch Entfernen der SiGe-Füllschicht durch Gasphasenätzen mit durch die Mikroporen herangeführtem ClF₃ erreicht, wobei die ClF₃-Ätzparameter und die Si_1-xGe_x-Zusammensetzung der Füllschicht so eingestellt werden, dass die Selektivität gegenüber der porösen Si-Kappenschicht groß genug ist, um diese nicht anzugreifen. Anschließend erfolgt noch ein Versiegeln der Mikroporen durch Abscheiden einer Verschlussschicht auf die poröse Si-Kappenschicht.
Bei der zweiten erfindungsgemäßen Lösung wird das genannte Ziel erreicht durch Abscheiden einer SiGe-Füllschicht auf einem Substrat und Ausbilden einer Germanium(Ge)-reichen- Schicht, wobei diese entweder durch einen nach oben zunehmenden Germanium-Konzentrationsgradienten der SiGe-Füllschicht selbst, oder durch Abscheiden einer zusätzlichen Germanium(Ge)-Schicht auf die SiGe-Füllschicht gebildet wird, durch anschließendes Abscheiden einer Si-Kappenschicht auf die Ge-reiche-Schicht, darauf folgende Erzeugung von Mikroporen in der Si-Kappenschicht und in der Ge-reichen-Schicht, deren Durchmesser im Nanometerbereich liegen, wodurch poröse Schichten erzeugt werden, weiter durch thermisches Oxidieren der porösen Schichten und anschließendes Entfernen des Oxids der porösen Ge-reichen-Schicht mittels eines Oxidlöse-Prozesses, sowie durch Entfernen der SiGe-Füllschicht und der Ge-reichen-Schicht durch Gasphasenätzen mit durch die Mikroporen herangeführtem ClF₃. Abschließend erfolgt noch ein Versiegeln der Mikroporen durch Abscheiden einer Verschlussschicht auf die poröse Si-Kappenschicht.
Die Grundidee ist die Bereitstellung einer Dünnschicht-Verkappungstechnologie, bei der trotz Freilegung der mit einer SiGe-(Opfer)Füllschicht umgebenen Sensorstrukturen mittels ClF₃-Ätzen durch kleine Poren in der Si-Verkappung hindurch und den mit dieser Prozessführung verbundenen Vorteilen ein Ätzangriff auf die Si-Kappe auf prozesstechnisch wenig aufwändige Weise verhindert wird, nämlich entweder durch besonders selektive (etwa 10000:1 oder höher) Einstellung des Ätzprozesses selbst oder dadurch, die Einsicht, dass das Oxid einer Ge-Schicht im Gegensatz zum oxidierten porösen Si nicht stabil, sondern leicht lösbar ist, in der angegebenen Weise in den erfindungsgemäßen Zusammenhang zu stellen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich die allgemeinen Vorteile der Dünnschicht-Technologie realisieren. Das heißt, es sind keine Bondprozesse und keine Kappenwafer erforderlich. Die Verkappung ist direkt auf den Sensorstrukturen integriert. Durch die geringe Höhe von max. einigen 10 μm wird das Volumen des Sensorelements reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform der zweiten erfindungsgemäßen Lösung ist es von Vorteil, dass die Ge-reiche-Schicht eine Dicke von nur etwa 30 bis 100 nm aufweist. Außerdem kann die thermische Oxidierung vorteilhaft bei Temperaturen von etwa 200 bis 400 Grad Celsius erfolgen, so dass keine thermische Beeinträchtigung der SiGe bzw. Ge-reichen-Schicht stattfindet. Von besonderem Vorteil bei allen Varianten der zweiten erfindungsgemäßen Lösung ist die Möglichkeit, das Oxid der Ge-reichen-Schicht einfach in Wasser oder Wasserdampf aufzulösen.
Als besonders vorteilhaft wird eine Ausführungsform der Erfindung angesehen, bei der vor Abscheidung der SiGe-Füllschicht unter den freizulegenden mikromechanischen Strukturen eine SiGe-Opferschicht aufgebracht wird, und bei der die Si-Ge-Opfer- und Füllschichten in einem Schritt weggeätzt und die Strukturen freigelegt werden.
Alternativ dazu besteht bei allen Varianten der beiden erfindungsgemäßen Lösungen die Möglichkeit, dass die Abscheidung der SiGe-Füllschicht auf mikromechanische Strukturen erfolgt, die bereits mit Hilfe einer nicht aus SiGe bestehenden Opferschicht freigelegt wurden.
Bei allen Varianten der Erfindung besteht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung darin, dass der Durchmesser der Mikroporen im Bereich von 2–20 nm liegt. Dadurch kann die Verschlussschicht eine sehr geringe Dicke um 100 nm aufweisen, so dass die freigelegten Sensorstrukturen bei der Versiegelung der Kappe nicht mehr in Mitleidenschaft gezogen werden.
Derart feine Mikroporen können im Übrigen auf einfache Weise durch elektrochemisches Ätzen oder durch einen stromlosen Stain-Etch-Prozess erzeugt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 bis 5 zeigen, jeweils im Schnitt, das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in einem Ausführungsbeispiel, wobei 4 ein vergrößertes Detail aus der 3 darstellt.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein Herstellungsstadium dargestellt, in dem bereits mikromechanische Strukturen 2, beispielsweise eine Kammstruktur für einen Drehraten- oder Beschleunigungssensor, auf einem Siliziumsubstrat 1 strukturiert, aber noch nicht durch Ätzen einer unterhalb der Strukturen 2 befindlichen Opferschicht 3 – vorzugsweise auf SiGe-Opferschicht-Basis – freigelegt worden sind. Es sind jedoch auch Abwandlungen mit z.B. Poly-Si-Opferschichten 3 vorstellbar, bei denen die Strukturen 2 vor den im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritten freizulegen sind.
In jedem Fall werden die Sensorstrukturen 2 anschließend mit einer Silizium-Germanium (SiGe) Füllschicht 4 abgedeckt. Sie sind somit bis zum Ätzen der SiGe-Opferschicht 3 ortsfest und daher unempfindlich gegenüber mechanischen Stößen. Die SiGe-Füllschicht 4 wird später mittels ClF₃-Ätzen hochselektiv gegenüber den Silizium-Sensorstrukturen 2 entfernt und ist insofern auch eine Opferschicht. Auf die SiGe-Füllschicht 4 wird die in 1 erkennbare (einige 100 nm bis einige Mikrometer dicke) Poly-Si Schicht 7 abgeschieden. Diese wird anschließend, wie bei den weiteren Verfahrensschritten gemäß 2 bis 5 noch näher beschrieben, porosifiziert und dient später als Dünnschichtkappe 7. Zunächst jedoch wird das SiGe der Füllschicht 4 vorzugsweise p-dotiert. Hierauf erfolgt die Abscheidung einer dünnen Germanium Schicht 5 mit einer Dicke von einigen 10–100 nm, ebenfalls p-dotiert, vgl. 1. Alternativ, statt zusätzlicher Ge-Schicht 5, kann lediglich die SiGe-Füllschicht 4 mit einem Ge-Konzentrationsgradienten abgeschieden werden, so dass in ihrem oberem, substratfernen Bereich eine Ge-reiche-(Teil)schicht 5 resultiert.
Gegebenenfalls ist die Bereitstellung eines elektrischen Kontakts 6 zum Substrat 1 für die spätere Porenbildung erforderlich, vgl. 1. Dieser Anschluss kann auch über die SiGe-Schicht 4 oder die Polty-Si-Schicht 7 erfolgen. Auf der Gereichen-Schicht 5 erfolgt die Abscheidung der bereits erwähnten dicken polty-Si Schicht 7, p-dotiert. Diese stellt die spätere Kappe 7 dar.
Die Poly-Si Schicht 7 und die Ge-reiche-Schicht 5 werden mittels elektrochemischem Ätzen in Flusssäure (HF) bereichsweise porosifiziert, so dass der in 2 dargestellte Zustand mit den porösen Schichten 9 und 10 resultiert. Hierzu wird zuvor eine Ätzmaske 8, vgl. 1, abgeschieden und strukturiert. Vorzugsweise finden hierbei Schichten 8 aus SiN, Si₃N₄ oder n-Dotierungen Anwendung.
Alternativ zum elektrochemischen Ätzen kann auch ein an sich bekannter stromloser Ätzprozess (sog. Stain-Etch) verwendet werden. Hier erfolgt die Mikroporenbildung in einem Gemisch aus HF und einem Oxidationsmittel (z.B. H₂O₂, HNO₃). Bei diesem stromlosen Verfahren kann der elektrische Kontakt 6 zum Substrat 1 entfallen.
Nachfolgend werden die in 2 erkennbaren porösen Schichten 9 und 10 thermisch oxidiert, so dass der Zustand gemäß 3 resultiert. Diese Oxidation erfolgt vorzugsweise bei geringen Temperaturen um 200–400°C, so dass keine thermische Beeinflussung der SiGe-Füllschicht 4 bzw. der Ge-reichen-Schicht 5 stattfindet. Das Oxid der Ge-reichen-Schicht 5 ist im Gegensatz zum oxidierten porösen Silizium 11 nicht stabil und kann z.B. in H₂O oder H₂O-Dampf gelöst werden. Das oxidierte poröse Silizium 11 stellt nun Zugangslöcher für den ClF₃-Ätzprozess dar. Nach unten wird der Zugang durch die poröse Ge-reiche-Schicht 10 sichergestellt, deren Oxidfilm, wie beschrieben, entfernt wurde. Da Oxid im ClF₃-Ätzprozess inert ist, wird der poröse Silizium-Bereich 11 (spätere Kappe 7) nicht angegriffen. Die poröse Ge-reiche-Schicht 10 dagegen wird in ClF₃ rasch entfernt. Anschließend werden die SiGe-Füllschicht 4 und die SiGe-Opferschicht 3 in einem Schritt mit ClF₃ geätzt. Diese Verfahrensschritte sind in 4 in einem vergrößerten Ausschnitt verdeutlicht, wobei die Region 14 des Ätzangriffes angedeutet ist.
Wie in 5 zu erkennen ist, werden durch die ClF₃-Ätzung freigelegte Sensorstrukturen 12 erzeugt. Bei Verwendung eines SiGe-Opferschicht-MEMS Prozesses wird die Füllschicht 4 und die Opferschicht 3 in einem Schritt entfernt. Es ist jedoch, wie bereits erwähnt, auch vorstellbar, MEMS-Prozesse ohne Si-Ge-Opferschicht 3 mit diesem Verfahren zu verkappen: In diesem Falle werden die bereits vorab freigelegten Sensorstrukturen 12 mit der SiGe-Füllschicht 4 abgedeckt. Der weitere Verlauf stimmt mit dem oben beschriebenen überein.
Durch geeignete Wahl der ClF₃-Ätzparameter und der SiGe-Zusammensetzung, also des jeweiligen Si- bzw. Ge-Anteils, kann auch ohne Einsatz einer Ge-reichen-Schicht 5 eine entsprechend hohe Selektivität zwischen der SiGe-Füllschicht- und der Ätzung des porosifizierten Si in ClF₃ eingestellt werden, so dass auf eine Oxidation sogar vollständig verzichtet werden kann. Dies vereinfacht den Prozess erheblich, da auch der Oxidlöse-Prozess entfällt.
Abschließend, vgl. 5, wird die poröse Kappe 7 bzw. 11 mittels Abscheidung einer dünnen Verschlussschicht 13 versiegelt. Die Öffnungen, das heißt Mikroporen dieser Kappe 7, liegen im Bereich von 2–20, insbesondere weniger als 5 nm Durchmesser und können daher mit für einen zuverlässigen Verschluss ausreichend Verschlussschichten 13 mit einer Dicke um 100 nm verschlossen werden, ohne dass die darunterliegende Sensorstruktur 12 mitbeschichtet wird. Bei dem Verschluss kann, je nach Depositionsverfahren, ein Prozessvakuum oder eine definierte Prozessatmosphäre eingeschlossen werden.
Außerdem kann vor der Verkappung eine ASC (Anti-Stiction-Coating) Schicht durch das poröse Silizium 7, 11 auf den freigelegten MEMS-Strukturen 12 abgeschieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei sämtlichen Sensoren auf Siliziumbasis, welche eine Verkappung benötigen, anwendbar.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes mit einer Kappenschicht aus Silizium, mit mindestens folgenden Schritten: – Abscheiden einer Silizium-Germanium-Füllschicht (4) auf einem Substrat (1), – Abscheiden einer Silizium-Kappenschicht (7) auf die Silizium-Germanium-Füllschicht (4), – Erzeugung von Mikroporen in der Silizium-Kappenschicht (7), deren Durchmesser im Nanometerbereich liegen, wodurch eine poröse Silizium-Kappenschicht (9) erzeugt wird, – Entfernen der Silizium-Germanium-Füllschicht (4) durch Gasphasenätzen mit durch die Mikroporen herangeführtem ClF₃, wobei die ClF₃-Ätzparameter und die Si_1-xGe_x-Zusammensetzung der Füllschicht (4) so eingestellt werden, dass die Selektivität gegenüber der porösen Silizium-Kappenschicht (9) groß genug ist, um diese nicht anzugreifen, – Versiegeln der Mikroporen durch Abscheiden einer Verschlussschicht (13) auf die poröse Silizium-Kappenschicht (9)
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes mit einer Kappenschicht aus Silizium, mit mindestens folgenden Schritten: – Abscheiden einer Silizium-Germanium-Füllschicht (4) auf einem Substrat (1) und Ausbilden einer Germanium-reichen-Schicht (5), wobei diese entweder durch einen nach oben zunehmenden Germanium-Konzentrationsgradienten der Silizium-Germanium-Füllschicht (4), oder durch Abscheiden ei ner zusätzlichen Germanium-Schicht (5) auf die Silizium-Germanium-Füllschicht (4) gebildet wird, – Abscheiden einer Silizium-Kappenschicht (7) auf die Germanium-reiche-Schicht (5), – Erzeugung von Mikroporen in der Silizium-Kappenschicht (7) und in der Germanium-reichen-Schicht (5), deren Durchmesser im Nanometerbereich liegen, wodurch poröse Schichten (9, 10) erzeugt werden, – Thermisches Oxidieren der porösen Schichten (9, 10) und anschließendes Entfernen des Oxids der porösen Germaniumreichen-Schicht (10) durch einen Oxidlöse-Prozess, – Entfernen der Silizium-Germanium-Füllschicht (4) und der Germanium-reichen-Schicht (5, 10) durch Gasphasenätzen mit durch die Mikroporen herangeführtem ClF₃, – Versiegeln der Mikroporen durch Abscheiden einer Verschlussschicht (13) auf die poröse Silizium-Kappenschicht (11).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Germanium-reiche-Schicht (5, 10) eine Dicke von etwa 30 bis 100 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Oxidierung bei Temperaturen von etwa 200 bis 400 Grad Celsius erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid der Germanium-reichen-Schicht (10) in Wasser oder Wasserdampf gelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor Abscheidung der Silizium-Germanium-Füllschicht (4) unter den freizulegenden mikromechanischen Strukturen (2) eine Silizium-Germanium-Opferschicht (3) aufgebracht wird, und dass die Silizium-Germanium-Opfer- und Füllschichten (3, 4) in einem Schritt weggeätzt und die Strukturen (2, 12) freigelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Silizium-Germanium-Füllschicht (4) auf bereits mit Hilfe einer nicht aus Silizium-Germanium bestehenden Opferschicht freigelegte mikromechanische Strukturen (12) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Mikroporen im Bereich von 2–20 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussschicht (13) eine Dicke um 100 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroporen durch elektrochemisches Ätzen oder durch einen stromlosen Stain-Etch-Prozess erzeugt werden.