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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung und ein
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung.
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Aus
„Laminated
High-Aspect-Ratio Microstructures in a conventional CMOS Process", u.a. G.K. Fedder
in IEEE Micro Electro Mechanical Systems, S. 13, Workshop (San Diego,
CA) 11-15. Feb. 1996, ist ein Verfahren zur Herstellung
einer Mikrostruktur (MEMS) bekannt. Dabei werden Mikrostrukturen
zusammen mit CMOS-Strukturen eines Standard-CMOS-Prozesses integriert. Die Mikrostruktur wird
im CMOS-Prozess durch eine Kombination von Aluminiumschichten, Siliziumdioxidschichten
und Siliziumnitridschichten hergestellt. Das Siliziumsubstrat, das
als Opfermaterial dient, wird im Bereich der Mikrostruktur zunächst anisotrop
und nachfolgend isotrop geätzt,
so dass die Mikrostruktur unterätzt wird.
Die Metallschichten und die Dielektrikumschichten, die für die CMOS-Strukturen
normalerweise zur elektrischen Verbindung genutzt werden, dienen
in Doppelfunktion der Strukturierung der Mikrostruktur. Ein ähnliches
Herstellungsverfahren mit der isotropen Ätzung eines Siliziumsubstrats
ist in der
US 5,717,631 offenbart.
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Eine
Verbesserung dieser zu einem CMOS-Prozess kompatiblen Herstellung
einer Mikrostruktur soll in „Post-CMOS Processing for High-Aspect-Ratio
Integrated Silicon Microstructures", H. Xie u.a. IEEEE/ASME Journal of
Microelectromechanical Systems, Vol. 11, Issue 2, pp. 93-101, April
2002 offenbart sein, wobei das Siliziumsubstrat von der
Rückseite
des Wafers durch eine anisotrope Ätzung lokal gedünnt wird.
Nachfolgend wird die Mikrostruktur durch anisotrope Ätzung von
der Vorderseite des Wafers freigelegt.
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Aus
der
US 2002/0127822
A1 und der
US 6,528,887
B2 sind Mikrostrukturen auf einem SOI-Substrat (engl. Silicon
On Insulator) bekannt. Die zuvor vergrabene Isolatorschicht der
SOI-Struktur dient als Opferschicht und wird zur Freilegung der Mikrostruktur
durch Ätzung
entfernt. Weiterhin sind Maßnahmen
vorgesehen, die ein unerwünschtes
Anhaften der Mikrostruktur an der Oberfläche des Substrates verhindern
sollen. Auch in der
DE
100 17 422 A1 dient eine vergrabene Oxidschicht als Opferoxid, das
zur Freilegung der Mikrostruktur aus polykristallinem Silizium geätzt wird.
Die Mikrostruktur aus polykristallinem Silizium wird durch im polykristallinen
Silizium geätzte
Gräben
strukturiert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Halbleiteranordnung mit
einer freitragenden Mikrostruktur anzugeben, wobei elektrische oder
mechanische Eigenschaften möglichst
verbessert sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die Halbleiteranordnung mit den Merkmalen des
unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Demzufolge
ist eine Halbleiteranordnung vorgesehen, die ein Substrat, eine
Bauelementeschicht aus einem einkristallinen Halbleitermaterial und
eine Isolatorschicht aufweist. Die Isolatorschicht ist zwischen
dem Substrat und der Bauelementeschicht ausgebildet und isoliert
die Bauelementeschicht vom Substrat. Eine derartige Anordnung wird auch
als SOI (engl. Silicon On Insulator) oder SOS (Silicon On Saphir)
bezeichnet. Die Isolatorschicht ist dabei vorzugsweise aus einem
Dielektrikum, wie Siliziumdioxid gebildet. Das Substrat ist beispielsweise aus
einem Halbleitermaterial gebildet.
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Vorteilhafterweise
weisen die Bauelementeschicht und/oder das Substrat Silizium auf.
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Die
Halbleiteranordnung weist weiterhin eine Anzahl von Bauelementen
auf, die in der Bauelementeschicht ausgebildet sind. Das einzige
Bauelement oder die mehreren Bauelemente werden vorzugsweise in
einem Standard-Prozess
zur Herstellung von MOSFET, DMOS-Feldeffekttransistoren und/oder
Bipolartransistoren ausgebildet. Mehrere Bauelemente sind dabei
vorzugsweise zu einem Schaltkreis zum Ansteuern eines Aktors und/oder
in einem Messschaltkreis zum Messen eines Sensorsignals eines Sensors
verschaltet.
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Weiterhin
weist die Halbleiteranordnung eine Grabenstruktur auf. Die Grabenstruktur
grenzt an die Isolatorschicht an. Die Grabenstruktur ist dabei zumindest
teilweise, vorteilhafterweise jedoch vollständig mit Dielektrikum verfüllt. Dies
ermöglicht
zumindest ein Bauelement, üblicherweise
jedoch mehrere Bauelemente, innerhalb der Bauelementeschicht in lateraler
Richtung zu isolieren. Eine derartige Grabenstruktur weist eine
Anzahl von insbesondere tiefen Gräben (engl. deep trench) auf,
die zusammen die Grabenstruktur bilden. Da das zumindest eine Bauelement
durch die Isolatorschicht auch in vertikaler Richtung gegenüber dem
Substrat isoliert ist, ist das zumindest eine Bauelement vorteilhafterweise allseitig
in einer Box isoliert und lediglich durch die Anschlüsse elektrisch
verbunden. Dabei wird – wie
in der Halbleiterfertigung üblich – unter
der lateralen Richtung eine Richtung in einer Waferebene und unter
vertikaler Richtung eine Richtung in eine Wafertiefe, senkrecht
zur Waferebene verstanden.
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Weiterhin
weist die Halbleiteranordnung eine freitragende Mikrostruktur auf.
Eine derartige Anordnung kann als MEMS (engl. Micro-Electro-Mechanical
System) ausgebildet sein. MEMS ist insbesondere die Kombination
aus zumindest einem die freitragende Mikrostruktur bildenden mechanischen
Element und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat bzw. Chip.
Die freitragende Mikrostruktur ist dabei vorzugsweise ein Sensor
und/oder ein Aktor und/oder Bestandteil eines elektronischen oder
elektromechanischen Bauelementes.
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Freitragend
ist die Ausführung
einer Mikrostruktur, wenn diese zumindest bereichsweise nicht an
anderes festes Material der Halbleiteranordnung angrenzt. Vorzugsweise
ist die Mikrostruktur zur Erfüllung
ihrer Funktion nicht durch weitere äußere Lastaufnahmeelemente abgestützt. Vorzugsweise
ist die freitragende Mikrostruktur in Material der Halbleiteranordnung
zumindest einseitig fest eingespannt. Alternativ oder in Kombination
können
auch andere Lagerungen (Festlager/Loslager) vorgesehen sein.
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Die
freitragende Mikrostruktur ist in einem Strukturbereich ausgebildet,
der durch die Grabenstruktur festgelegt ist. Der Strukturbereich
ist hierzu durch die Grabenstruktur vorzugsweise zumindest lateral
innerhalb der Bauelementeschicht begrenzt. Die Grabenstruktur weist
daher synergetisch zu der Funktion der Isolierung des zumindest
einen Bauelementes die Funktion der Festlegung des Strukturbereichs
für die
freitragende Mikrostruktur auf, so dass die freitragende Mikrostruktur
mithin nicht außerhalb des
durch die Grabenstruktur definierten Strukturbereichs ausgebildet
wird. Daher ist der Strukturbereich der Bereich auf dem Halbleiterchip,
in dem die freitragende Mikrostruktur ausgebildet ist. Die freitragende Mikrostruktur
ist durch diese Festlegung zur Grabenstruktur positioniert. Durch
die Festlegung mittels der Grabenstruktur werden die Grenzen des
Strukturbereichs vorzugsweise zumindest in lateraler Richtung definiert.
Vorzugsweise legt die Grabenstruktur einen Raum zumindest in lateraler
Richtung fest, wobei innerhalb dieses Raumes die freitragende Mikrostruktur
freigelegt und/oder beweglich ist.
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Die
freitragende Mikrostruktur ist in einer Ausgestaltungsvariante beweglich
ausgebildet. Beispielsweise kann die bewegliche freitragende Mikrostruktur die
Form eines Kragarmes aufweisen, der nur ein Auflager hat. Eine deratige
Form eines Kragarmes kann auch als Kantilever bezeichnet werden. Dieser
wird bei einer Bewegung auf Schub, Torsion oder Biegung beansprucht.
Das Auflager ist hierzu beispielsweise eine Einspannung, in der
alle sechs Freiheitsgrade fixiert sind. Für eine entsprechende Bewegung
ist die bewegliche freitragende Mikrostruktur vorzugsweise zumindest
abschnittsweise elastisch ausgebildet.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist eine Anzahl von Öffnungen in der Bauelementeschicht
vorgesehen. Dabei ist zumindest eine Öffnung der Anzahl von Öffnungen
innerhalb des Strukturbereichs ausgebildet und durch die Grabenstruktur
begrenzt. Bevorzugt ist zur Ausbildung der zumindest einen Öffnung das
monokristalline Halbleitermaterial der Bauelementeschicht innerhalb
des Strukturbereichs entfernt. Die Grabenstruktur weist folglich
eine weitere synergetische Funktion zur Begrenzung der Öffnung auf.
Diese Begrenzung ist dabei zu dem zumindest einem Bauelement ausgerichtet.
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In
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die
freitragende Mikrostruktur innerhalb einer hermetisch gekapselten
Kavität
ausgebildet ist. Dabei ist die Kavität durch eine Deckschicht verschlossen.
In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung wird die Kavität zumindest
teilweise durch die zumindest eine Öffnung innerhalb des Strukturbereichs
gebildet. Die Deckschicht weist vorzugsweise ein Dielektrikum auf.
In Ausgestaltungsvarianten kann die Deckschicht durch einen gebondeten
Deckelwafer oder eine abgeschiedene Schicht ausgebildet sein.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Weiterbildungsvariante ist die freitragende
Mikrostruktur in lateraler Richtung auslenkbar. Bevorzugt ist dabei
vorgesehen, dass die Auslenkung der freitragenden Mikrostruktur
in lateraler Richtung durch die Grabenstruktur begrenzt ist. Vorteilhafterweise
bildet die Grabenstruktur zumindest einen mechanischen Anschlag
für die
freitragende Mikrostruktur. Alternativ oder in Kombination kann
ein Anschlag auch außerhalb
der Bauelementeschicht ausgebildet werden, indem dieser beispielsweise
durch einen Dielektrikumbereich oder eine Metallbahn oberhalb der
Bauelementeschicht ausgebildet ist.
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Gemäß einer
zweiten vorteilhaften Weiterbildungsvariante, die auch mit der ersten
Weiterbildungsvariante kombinierbar ist, ist vorgesehen, dass die
freitragende Mikrostruktur in vertikaler Richtung auslenkbar ist.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die freitragende Mikrostruktur
in vertikaler Richtung in zumindest eine Öffnung der Anzahl der Öffnungen hinein
auslenkbar ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Weiterbildungsvariante
sieht vor, dass die vertikale Auslenkung durch die Isolatorschicht oder
die Bauelementeschicht begrenzt ist. Vorteilhafterweise bildet die
Isolatorschicht oder die Bauelementeschicht zumindest einen mechanischen
Anschlag für
die freitragende Mikrostruktur.
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In
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weist die Halbleiteranordnung
Leitbahnen auf. Die Leitbahnen sind vorzugsweise in einer Anzahl
von Leitungsebenen ausgebildet. Vorteilhafterweise weisen die Leitbahnen
ein Metall und/oder ein Silizid und/oder ein dotiertes Halbleitermaterial,
wie beispielsweise polykristallines Silizium auf. Mehrere Leitbahnen
sind zum Anschluss der Anzahl von Bauelementen strukturiert. Zumindest
eine Leitbahn der Leitbahnen ist als Elektrode der freitragenden
Mikrostruktur strukturiert. Hierzu ist die als Elektrode strukturierte
Leitbahn vorzugsweise auf oder in der freitragenden Mikrostruktur
angeordnet. Auch ist es möglich
die Mikrostruktur aus einer leitfähigen Elektrode bestehend auszubilden
um beispielsweise eine freitragende Leitbahn als Schmelzsicherung
zu realisieren. Bevorzugt ist die Elektrode mit dem zumindest einen
Bauelement über
eine Leitbahn elektrisch verbunden. Die freitragende Mikrostruktur
kann vorteilhafterweise durch elektrostatische Kräfte bewegt werden.
Alternativ oder Kombination zu der Elektrode kann auch eine integrierte
Windung einer Spule durch eine Leitbahn innerhalb der freitragenden
Mikrostruktur ausgebildet sein. In beiden Fällen ist die freitragende Mikrostruktur
vorzugsweise als Aktor oder als Sensor ausgebildet.
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In
einer anderen vorteilhaften Weiterbildungsvariante ist eine Elektrode
für die
freitragende Mikrostruktur vorgesehen, die innerhalb des Strukturbereichs
durch einen dotierten Elektrodenbereich der Bauelementeschicht gebildet
ist. Vorzugsweise wird ein Dotierstoff in den Elektrodenbereich
bereits während
der Herstellung des zumindest einen Bauelementes eingebracht. Der
Elektrodenbereich ist vorzugsweise durch die Grabenstruktur begrenzt.
Alternativ kann der Elektrodenbereich auch durch eine Ätzung der
Bauelementeschicht strukturiert sein.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildungsvariante weist die freitragende
Mikrostruktur eine in Richtung der Isolatorschicht ausgebildete
Erhebung auf. Die Erhebung weist einen sich in Richtung der Isolatorschicht
verjüngenden
Querschnitt auf. Beispielsweise ist die Erhebung als Kegel ausgebildet.
Ausgestaltungen der Weiterbildungsvariante sehen weitere Erhebungen
in anderen Auslenkrichtung vor. Beispielsweise kann eine Erhebung
mit sich verjüngendem
Querschnitt in Richtung der Grabenstruktur ausgebildet sein.
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Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung
einer Halbleiteranordnung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch das
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Demzufolge
ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung vorgesehen.
Zunächst werden
ein Substrat, eine Bauelementeschicht aus einkristallinem Halbleitermaterial
und eine zwischen dem Substrat und der Bauelementeschicht angeordnete
Isolatorschicht ausgebildet.
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In
nachfolgenden Prozessschritten wird in der Bauelementeschicht eine
Anzahl von Bauelementen ausgebildet. Während oder vor der Ausbildung
der Bauelemente wird in der Bauelementeschicht eine, zumindest teilweise
mit einem Dielektrikum verfüllte
Grabenstruktur ausgebildet. Zur Ausbildung der Grabenstruktur wird
eine Anzahl von vorzugsweise tiefen Gräben (deep trench) geätzt, in
die Dielektrikum abgeschieden wird.
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Zusätzlich zur
Isolierung des zumindest einen Bauelementes legt die Grabenstruktur
einen Strukturbereich festlegt. Zur Festlegung des Strukturbereichs
wird die Grabenstruktur vorteilhafterweise geometrisch mittels einer
lithographischen Erstellung einer Maskierung und einem anschließenden Ätzschritt
ausgebildet. Diese Strukturierung erzeugt u.a. den Strukturbereich
und seine Grenzen innerhalb derer eine freitragende Mikrostruktur
ausgebildet wird. Die Mikrostruktur wird demzufolge innerhalb dieses durch
die Grabenstruktur festgelegten Strukturbereichs ausgebildet. Vorzugsweise
erfolgt die Ausbildung der Mikrostruktur nach der Ausbildung der
Anzahl von Bauelementen vorteilhafterweise in einem zusätzlichen
Modul eines so genannten Back-End-Prozess (BEOL – engl. Back End Of Line), so
dass die Bauelemente vorteilhafterweise durch die Ausbildung der
Mikrostruktur nicht mehr verändert
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildungsvariante wird zur Ausbildung der freitragenden
Mikrostruktur innerhalb des Strukturbereichs das Halbleitermaterial
der Bauelementeschicht geätzt.
Hierzu werden zunächst
Schichten oberhalb der Bauelementeschicht beispielsweise durch Ätzung entfernt und
eine Oberfläche
der Bauelementeschicht für
den Ätzangriff
freigelegt. Vorzugsweise wird bei der Ätzung die Isolatorschicht nicht
oder nur geringfügig geätzt. Vorzugsweise
wird bei der Ätzung
die Grabenstruktur nicht oder nur geringfügig geätzt. Das Ätzmittel für die Ätzung des Halbleitermaterials
im Strukturbereich wirkt dabei derart selektiv, dass die Isolatorschicht
als vertikale Ätzstoppschicht
wirkt, und/oder dass die Grabenstruktur als laterale Ätzstoppschicht
wirkt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Ausbildung
der freitragenden Mikrostruktur eine Ätzung durch eine Maskierung
maskiert wird. Zur Ausbildung der Maskierung wird vorzugsweise eine
Maskenschicht lithographisch strukturiert, wobei das Material der
Maskenschicht mit einer entsprechenden Selektivität für eine Maskierung
beim Ätzangriff
gewählt
wird. Die Maskierung ist dabei zu der Grabenstruktur ausgerichtet.
Die Ausrichtung kann dabei durch Justage der Lithographie der Maskierung
zur Lithographie der Grabenstruktur erfolgen. Zur Justage ist es
lediglich erforderlich, dass die Öffnung der Maskierung innerhalb
des durch die Grabenstruktur festgelegten Strukturbereich positioniert ist
und nicht über
den Strukturbereich hinausragt. Hierbei sollte vorzugsweise eine
Breite eines betroffenen Grabens der Grabenstruktur breiter als
eine mögliche
Dejustage der beiden Lithographieschritte ausgebildet werden. Alternativ
zur Justage der beiden Lithographieschritte könnte die Ausrichtung zwar auch
selbstjustierend erfolgen, jedoch ist es ausreichend, wenn die Öffnung innerhalb
eines vom der Grabenstruktur umzäunten
Gebiets ausgebildet wird, da eine Unterätzung der Maskierung in der
Bauelementeschicht durch die Grabenstruktur lateral begrenzt wird.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung wird zur Ausbildung der Mikrostruktur
innerhalb des Strukturbereichs ein mit Dielektrikum verfüllter flacher
Graben ausgebildet. Eine derartige Struktur wird auch als STI-Struktur (Shallow
Trench Isolation) bezeichnet. Alternativ wird zur Ausbildung der Mikrostruktur
ein lokales Oxid ausgebildet. Die Struktur eines lokalen Oxids wird
auch als LOGOS-Struktur (LOCal Oxidation of Silicon) bezeichnet.
Die Struktur des mit Dielektrikum verfüllten flachen Grabens beziehungsweise
des lokalen Oxids wird dabei mit einem sich in Richtung des Substrats
verjüngenden
Querschnitt ausgebildet. Der mit Dielektrikum verfüllte flache
Graben oder das lokale Oxid werden vorzugsweise in der Bauelementeschicht
des Strukturbereichs ausgebildet.
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In
einer wiederum anderen Weiterbildungsvariante ist vorgesehen, dass
zur Ausbildung der freitragenden Mikrostruktur eine oberhalb und/oder
unterhalb der freitragenden Mikrostruktur ausgebildete Opferschicht
zur Freilegung der freitragenden Mikrostruktur entfernt wird. Dabei
ist die Opferschicht nicht mit der Bauelementeschicht oder der Isolatorschicht identisch,
sondern eine separate zu diesem Zweck ausgebildete Schicht, die
beispielsweise durch einen Ätzangriff
zur Freilegung entfernt wird. Die Opferschicht kann beispielsweise
polykristallines Silizium, amorphes Silizium, Metall oder Silizid
aufweisen. Vorzugsweise ist eine Struktur der Opferschicht zu der
Grabenstruktur ausgerichtet.
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Gemäß einer
wiederum anderen Weiterbildungsvariante wird in die Bauelementeschicht
innerhalb des Strukturbereichs ein Elektrodenbereich dotiert. Der
dotierte Elektrodenbereich bildet dabei eine Elektrode für die freitragende
Mikrostruktur. Zur Dotierung kann der Dotierstoff während der
Herstellung der Anzahl von Bauelementen beispielsweise eindiffundiert
oder implantiert werden.
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Die
zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln
als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche
Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige
mögliche
Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren
erläutert.
Diese dort dargestellten Möglichkeiten
von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht
abschließend.
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Im
Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer
Darstellungen näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1a bis 1e schematische
Schnittansichten zu verschiedenen Herstellungsprozesszeitpunkten
von einem Teil einer Halbleiteranordnung eines ersten Ausführungsbeispiels;
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1f eine
schematische Schnittansicht eines Teils einer Halbleiteranordnung
eines zweiten Ausführungsbeispiels;
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2a bis 2g schematische
Schnittansichten zu verschiedenen Herstellungsprozesszeitpunkten
von einem Teil einer Halbleiteranordnung eines dritten Ausführungsbeispiels;
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3a bis 3d schematische
Schnittansichten zu verschiedenen Herstellungsprozesszeitpunkten
von einem Teil einer Halbleiteranordnung eines vierten Ausführungsbeispiels;
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4a bis 4c schematische
Schnittansichten zu verschiedenen Herstellungsprozesszeitpunkten
von einem Teil einer Halbleiteranordnung eines fünften Ausführungsbeispiels; und
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5a bis 5e schematische
Schnittansichten zu verschiedenen Herstellungsprozesszeitpunkten
von einem Teil einer Halbleiteranordnung eines sechsten Ausführungsbeispiels.
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Eine
freitragende Mikrostruktur kann als Sensor oder als Aktor ausgebildet
sein. Auch eine kombinierte Funktion als Aktor und Sensor ist möglich. Alternativ
oder in Kombination kann die freitragende Mikrostruktur als elektronisches
oder elektromechanisches Bauelement ausgebildet sein. Aktoren können beispielsweise
nach dem Wirkprinzip der elektrischen, magnetischen, thermischen
oder Strömungsenergie
arbeiten. Beispielsweise kann als Aktor ein induktiv arbeitender
Elektromotor, ein thermischer Aktor, beispielsweise ein Bimetall-Aktor,
ein Hydraulik- oder Pneumatik-Aktor, ein Piezoaktor, ein magnetostriktiver
Aktor, ein rheologischer Aktor oder eine Formgedächtnislegierung verwendet werden.
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Wird
die freitragende Mikrostruktur als Sensor verwendet, der auch als
(Mess-)Fühler
bezeichnet werden kann, so können
mittels der freitragenden Mikrostruktur eine oder mehrere bestimmte
physikalische Eigenschaften, wie z. B. Druck, Schallwechseldruck,
Schall, Beschleunigung oder Kraft erfasst werden, für die eine
Vielzahl von Messprinzipien zur Verfügung steht.
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Mittels
der auf einem Halbleiterchip integrierten freitragenden Mikrostruktur
können
also beispielsweise ein Schwinger, wie ein Streckschwinger, Biegeschwinger
oder Dickenschwinger, ein Inertialsensor, wie ein Beschleunigungssensor,
ein mikromechanischer Schalter, ein mikromechanischer Resonator,
eine Drucksensormembran, ein (vertikaler) mechanischer Differentialkondensator,
ein mechanisch beweglicher Spiegel, ein Dehnmessstreifen, ein Biegebalken,
ein optischer Schalter, ein mikromechanischer Elektromotor, ein
MEMS-Mikrophon, Mikroventil, Schmelzsicherung, einmal oder mehrfach programmierbarer
Speicher oder ein Durchflusssensor realisiert werden. Diese Anwendungen
sind dabei nicht abschließend
sondern lediglich bevorzugt.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Halbleiteranordnung mit einer freitragenden Mikrostruktur 150 ist
in 1e schematisch als Detailschnittansicht durch
einen Halbleiterchip dargestellt. Zusätzlich zur freitragenden Mikrostruktur 150 weist
die Halbleiteranordnung eine Anzahl von Bauelementen auf, wobei
in 1e exemplarisch ein Feldeffekttransistor 140 dargestellt
ist. Die Integration auf einem Halbleiterchip erlaubt selbstverständlich die
Ausbildung ganzer Schaltkreise die in 1e nur
für eine bessere
Verständlichkeit
nicht dargestellt sind. Zumindest ein Bauelement (140)
des Schaltkreises ist mit der freitragenden Mikrostruktur 150 elektrisch verbunden.
Handelt es sich bei der freitragenden Mikrostruktur um einen Sensor,
dient der Schaltkreis vorteilhafterweise der Messsignalauswertung
oder -erzeugung. Beispielsweise kann mittels des Schaltkreises eine
resonante Schwingung bei Drehratensensoren angeregt werden. Handelt
es sich bei der freitragenden Mikrostruktur um einen Aktor, dient
der Schaltkreis vorteilhafterweise der Ansteuerung des Aktors.
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Die
Halbleiteranordnung weist eine SOI-Struktur (Silicon On Insulator)
mit einem Substrat 1 aus Silizium, mit einer Isolatorschicht 2 aus
Siliziumdioxid und mit einer Bauelementeschicht 3 aus monokristallinem
Silizium. Die Isolatorschicht 2 isoliert dabei die Bauelementeschicht 3 gegenüber dem Substrat 1.
In der Bauelementeschicht 3 ist der Feldeffekttransistor 140 ausgebildet
und weist in dieser ein Drainhalbleitergebiet 142 und ein
Sourcehalbleitergebiet 141 auf. Das Drainhalbleitergebiet 142 ist mit
der Leitbahn 162 aus Metall und das Sourcehalbleitergebiet 141 ist
mit der Leitbahn 161 aus Metall angeschlossen. Weiterhin
ist eine Gate-Elektrode 171 aus dotiertem polykristallinem
Silizium durch ein Gate-Oxid von dem Kanalbereich des Feldeffekttransistors 140 isoliert.
Die Gate-Elektrode 171 ist ebenfalls durch eine Leitbahn 160 aus
Metall angeschlossen. Zusätzlich
zu den Leitbahnen 160, 161, 162 für das Bauelement 140 sind
beispielhaft eine weitere Leitbahnen 163 aus Metall und
eine Leitbahn 172 aus polykristallinem Silizium für weitere
(nicht dargestellte) Bauelemente des Schaltkreises angedeutet.
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Die
Isolatorschicht 2 bewirkt eine dielektrische, vertikale
Isolation des Bauelementes 140. Weiterhin ist in der Bauelementeschicht 3 eine
Grabenstruktur 13 ausgebildet, die mehrere mit Dielektrikum gefüllte Gräben 131, 132 und 133 aufweist.
Die Gräben 132 und 133 isolieren
das Bauelement 140 dabei in lateraler Richtung, so dass
das Halbleitermaterial des Bauelements 140 in einer Box
aus Dielektrikum gekapselt und somit allseitig isoliert ist.
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Die
zwei Gräben 131 und 132 legen
einen Strukturbereich 151 fest, innerhalb dessen die freitragende
Mikrostruktur 150 ausgebildet ist. Im Bauelementebereich 3 ist
eine Öffnung 108 eingebracht,
in die die freitragende Mikrostruktur 150 hineinragt. Die Öffnung 108 ist
dabei durch die beiden Gräben 131 und 132 begrenzt,
so dass das Bauelement 140 in unmittelbarer Nähe zu dieser Öffnung 108 und
damit in unmittelbarer Nähe
zur der freitragenden Mikrostruktur 150 angeordnet werden
kann. Diese unmittelbare Nähe
zwischen dem Bauelement 140 und der Mikrostruktur ermöglicht sehr
kurze Zuleitungen. Kurze Zuleitungen verbessern u.a. die Störsicherheit und
reduzieren die Signalverluste auf dieser Zuleitung.
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Die
freitragende Mikrostruktur 150 weist ein isolierendes Dielektrikum 157 und
eine Elektrode 156 aus einer Metallbahn auf. Weiterhin
weist die Mikrostruktur 150 eine Erhebung 158 in
Richtung der Isolatorschicht 2 auf. Diese Erhebung 158 weist
einen sich in Richtung der Isolatorschicht verjüngenden Querschnitt auf. Diese
Ausbildung der Erhebung 158 vermindert das ungewollte Anhaften
der freitragenden Mikrostruktur 150 an der Isolatorschicht 2.
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In
einem exemplarischen Anwendungsbeispiel für die freitragende Mikrostruktur 150 ist
diese Bestandteil einer (nicht weiter dargestellten) Membran zur
Messung von Schall. Zur Messung kann beispielsweise die Kapazität zwischen
der Elektrode 156 der freitragenden Mikrostruktur 150 und
dem Substrat 1 gemessen werden.
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In
den 1a bis 1e sind
verschiedene schematische Schnittanschichten zu unterschiedlichen
Zeitpunkten der Herstellung der Halbleiteranordnung dargestellt.
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1a zeigt
das Ausgangsmaterial mit einer SOI-Struktur, dem Substrat 1,
der Isolatorschicht 2 und der Bauelementeschicht 3 aus
monokristallinem Silizium. 1b zeigt
eine Ansicht nach der Prozessierung zur Herstellung der Bauelemente.
Das so genannte Backend wird abgeschlossen, bevor die Freilegung
der freitragenden Mikrostruktur (150, vergl. 1e)
erfolgt. Während
der Prozessierung zur Herstellung der Bauelemente sind für die spätere freitragende
Mikrostruktur (150, vergl. 1e) bereits
eine Grabenstruktur 13 mit zwei mit Dielektrikum gefüllte Gräben 131 und 132 vorgesehen.
Ebenso vorgesehen ist ein kleines unten rund oder spitz zulaufendes STI-Gebiet 158 (STI:
engl. Shallow Trench Isolation) als spätere Erhebung zur Vermeidung
von so genannten Stiction-Effekten zwischen der freitragenden Mikrostruktur
(150, vergl. 1e) und der Isolatorschicht 2.
Es ist möglich
mehrere STI-Gebiete analog zu dem in 1b dargestellten
vorzusehen. Die Anzahl der Leitbahnebenen mit metallischen Leitbahnen 156, 162, 163, 180 oder
Leitbahnen 172 aus polykristallinem Silizium kann beliebig
variiert werden.
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In 1c wirkt
die oberste strukturierte Metallebene 180 als Maskierung
für einen
anisotropen Oxid-Ätzprozess,
in dem das Oxid 190 in den Öffnungen der Maskierung 180 anisotrop
bis hinunter auf die Oberfläche
des Bauelementeschicht 3 aus monokristallinem Silizium
geätzt
wird. Alternativ zur 1c kann auch eine weiter unten
liegende Metallebene als Maskierung verwendet werden, so dass sich
Abstufungen ergeben können.
Auch können
durch eine Verwendung unterschiedlicher Metallschichten als Ätzmasken
freitragende Mikrostrukturen (150, vergl. 1e)
mit unterschiedlicher Dicke erzeugt werden. Diese können beispielsweise
unterschiedliche Funktionen aufweisen oder unterschiedlichen Messbereichen
zugeordnet sein.
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Nachfolgend
erfolgt ein anisotroper Silizium-Ätzprozess in einen Opferbereich 31 der
Bauelementeschicht 3 hinein. Dies ist in 1d dargestellt, wobei
nach der anisotropen Ätzung
ein Restopferbereich 31' unterhalb
der späteren
freitragenden Mikrostruktur (150, vergl. 1e)
verbleibt. Diese anisotrope Silizium-Ätzung dient einer Vorfertigung
für die anschließende isotrope
Silizium-Ätzung.
Dadurch lässt
sich die Ätzzeit
verkürzen,
da die laterale Ätzrate
meist geringer ist als die vertikale. Der Ätzschritt der anisotropen Silizium-Ätzung ist
jedoch prinzipiell entbehrlich und kann durch eine entsprechend
längere
isotrope Ätzung
des Siliziums 31 ersetzt werden. Zur isotropen Siliziumätzung dienen
die mit Dielektrikum gefüllten
Gräben 131 und 132 als
laterale Stoppschicht, so dass in aktive Halbleiterbereiche 30 eines angrenzenden
Bauelementes (140 vergl. 1e) nicht
hinein geätzt
wird. Der Zustand nach der isotropen Siliziuim-Ätzung ist in 1e dargestellt.
Später könnte die
obere Metallschicht 180 ganz oder teilweise entfernt werden
(in 1e nicht dargestellt). Das dargestellte Verfahren
kann vorteilhaft in eine SOI-Technologie integriert werden.
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Die 1f zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel
einer Halbleiteranordnung mit einer Mikrostruktur 150.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
der 1e sind in der 1f zwei
zusätzliche
mit Dielektrikum verfüllte
Gräben 135 und 136 der
Grabenstruktur 13 vorgesehen, wobei Halbleitermaterial
der Bauelementeschicht 3 zwischen den Gräben 131, 132, 135, 136 durch
den (an-)isotropen Ätzprozess
herausgeätzt
ist, so dass drei Öffnungen 105, 106 und 107 gebildet
werden. Das aus den beiden inneren Gräben 135 und 136 stammende
Dielektrikum der Grabenstruktur 13 bildet zwei Anschläge und begrenzt
eine laterale Auslenkung 159 der freitragenden Mikrostruktur 150.
Das Ausführungsbeispiel
der 1f kann den Vorteil aufweisen, dass ein Abstand
zweier Gräben
der Grabenstruktur maximale Auslenkung des Sensors/Aktors definiert
und somit eine Überlastung
der freitragenden Mikrostruktur vermeidbar ist.
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In
den Ausführungsbeispielen
der 1e und 1f ist
das Substrat 1 als durchgehende Schicht dargestellt. Alternativ
hierzu kann auch das Substrat strukturiert werden (in den Figuren
nicht dargestellt), so dass voneinander isolierte Substratbereiche
erzeugt werden können.
Hierzu weist das Substrat vorzugsweise eine leitfähige Schicht
auf, die in mehrere voneinander isolierte, leitfähige Substratbereiche strukturiert
ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit
einen oder mehrere Substratbereich beispielsweise mittels einer
Durchkontaktierung anzuschließen,
so dass auch das Potential gegenüber
der freitragenden Mikrostruktur 150 einstellbar ist. Auch
ist es möglich
durch eine Strukturierung des Substrats 1 dieses lokal
unterhalb der freitragenden Mikrostruktur 150 zu entfernen
(in 1e und 1f nicht
dargestellt). Ist das Substrat lokal entfernt ist ein Zugänglichmachen
der freitragenden Struktur von der Substratseite aus möglich, um
beispielsweise die freitragenden Struktur mit einem weichmagnetischen Material
magnetisch zu koppeln.
-
Die 2g zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
Halbleiteranordnung mit einer freitragenden Mikrostruktur 250.
Wiederum sind ein Substrat 1, eine Isolatorschicht 2 und
eine Bauelementeschicht 3 mit einer Grabenstruktur 13 mit
den Gräben 232 und 231 vorgesehen.
Die Grabenstruktur 13 grenzt einen Strukturbereich 251 in
lateraler Richtung von aktiven Bereichen 30 in der Bauelementeschicht 3 ab.
Innerhalb dieses Strukturbereichs 251 ist die Mikrostruktur 250 positioniert
zu einer Öffnung 208 ausgebildet.
Die Mikrostruktur 250 weist eine Elektrode 256 ein
isolierendes Dielektrikum 257 und eine Erhebung 258 auf.
Weiterhin sind Leitbahnen 262, 263, 272 und
ein Gate-Elektrode 271 voneinander durch ein Dielektrikum 290 isoliert.
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Zusätzlich ist
ein Deckel mit einer ersten Deckschicht 211 aus Siliziumdioxid
und einer zweiten Deckschicht 210 aus Silizium vorgesehen,
die als Deckelwafer ausgebildet und auf eine Maskierung 280 gebondet
oder geklebt sind. Alternativ kann als Deckel auch ein Borsilikatglas-Wafer
verwendet werden. Die Deckschichten 210, 211 ermöglichen
eine hermetische Kapselung der Öffnung 208 und
einen Schutz der freitragenden Mikrostruktur 250 gegen Verschmutzung
oder einen Schutz vor Feuchtigkeit. Weiterhin ermöglicht der
Deckel einen definierten und/oder konstanten Druck in der Öffnung 208.
Die freitragende Mikrostruktur 250 kann in diesem Ausführungsbeispiel
exemplarisch als Beschleunigungssensor verwendet werden. Die maximale
vertikale Auslenkung 252 ist durch einen definierten Abstand der
freitragenden Mikrostruktur 250 zu einem Oxid 290 festgelegt.
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Anhand
der 2a bis 2g wird
im Folgenden der Herstellungsprozess zur Erzeugung einer Halbleiteranordnung
gemäß 2g näher erläutert.
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Gemäß 2a ist
wiederum die Maskierung 280 vorgesehen. Weiterhin ist unterhalb
der Maskierung 280 eine Opferschicht 220 aus Silizium,
das einkristallin, polykristallin oder amorph sein kann, ausgebildet.
Dabei ist das Temperaturbudget während der
Abscheidung zu beachten, falls tiefer liegende Metallschichten (262, 263, 256)
vorhanden sind.
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Gemäß 2b wird
in einem ersten anisotropen Ätzschritt,
der selektiv das Dielektrikum 290 ätzt, die Oberfläche der
Maskierung 280 und die Oberfläche der Opferschicht 220 innerhalb
von Öffnungen 209 in
der Maskierung 280 freigelegt. Die Dielektrikum-Ätzung stoppt
daher auf der Opferschicht 220.
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Gemäß 2c erfolgt
nachfolgend eine anisotrope Silizium-Ätzung, die selektiv Öffnungen 209' in die Opferschicht 220 ätzt und
eine Opferrestschicht 220' lateral
an diese Öffnungen 209' angrenzend
hinterlässt.
Die anisotrope Silizium-Ätzung stopp
daher auf der Oberfläche
des Dielektrikums 290.
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Gemäß 2d werden
in einem nächsten Prozessschritt
die Öffnungen 209' aus 2c durch einen
anisotropen Dielektrikum-Ätzschritt
bis auf ein Opfergebiet 31 der Bauelementeschicht 3 zu
tieferen Öffnungen 209'' tiefgeätzt.
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Nachfolgend
erfolgt ein anisotroper Silizium-Ätzprozess in einen Opferbereich 31 der
Bauelementeschicht 3 hinein. Dies ist in 2e dargestellt, wobei
nach der anisotropen Ätzung
ein Restopferbereich 31' unterhalb
der späteren
freitragenden Mikrostruktur (250, vergl. 2g)
verbleibt. Diese anisotrope Silizium-Ätzung dient einer Vorfertigung
für die anschließende isotrope
Silizium-Ätzung.
Dadurch lässt
sich die Ätzzeit
verkürzen,
da die laterale Ätzrate
meist geringer ist als die vertikale. Der Ätzschritt der anisotropen Silizium-Ätzung ist
jedoch prinzipiell entbehrlich und kann durch eine entsprechend
längere
isotrope Ätzung
des Siliziums 31 ersetzt werden. Zur isotropen Siliziumätzung dienen
die mit Dielektrikum gefüllten
Gräben 231 und 232 als
laterale Stoppschicht, so dass in aktive Halbleiterbereiche 30 eines angrenzenden
Bauelementes nicht hinein geätzt wird.
Der Zustand nach der isotropen Silizium-Ätzung ist in 2f dargestellt.
-
Mit
der isotropen Silizium-Ätzung
wird dabei auch die Opferrestschicht 220' entfernt. Diese Entfernung definiert
zwei übereinander
liegende Stege. Der untere ist dabei die gewünschte freitragende Mikrostruktur 250.
Durch eine Strukturierung der oben eingefügten Opferschicht 220 lässt sich
eine Erhebung auch an dem oberen Steg formen (in 2f nicht dargestellt)
um beispielsweise Stiction-Effekte zu reduzieren.
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Der
obere freitragende Steg kann auch zum Zwecke der Kapselung der freitragenden
Mikrostruktur 250 in Doppelfunktion synergetisch genutzt
werden. Hierzu werden dieser obere Steg und andere Oberflächenbereiche
(im Ausführungsbeispiel
der 2g Maskenbereiche 280) mit einem Deckelwafer gebondet,
der die Deckschichten 210 und 211 bildet. Alternativ
zu einem oxidierten Siliziumwafer kann hierzu auch ein Glas-Wafer
verwendet werden. Vorteilhaft ist dabei, dass der Deckel-Wafer nicht
strukturiert werden muss.
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Gemäß 3d ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
Halbleiteranordnung mit einer freitragenden Mikrostruktur 350 schematisch
in Schnittansicht dargestellt.
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Wiederum
sind ein Substrat 1, eine Isolatorschicht 2 und
eine Bauelementeschicht 3 mit einer Grabenstruktur 13 mit
den Gräben 332 und 331 vorgesehen.
Die Grabenstruktur 13 grenzt einen Strukturbereich 351 in
lateraler Richtung von aktiven Bereichen 30 in der Bauelementeschicht 3 ab.
Innerhalb dieses Strukturbereichs 351 ist die Mikrostruktur 350 positioniert
zu einer Öffnung 308.
Die Mikrostruktur 350 weist eine Elektrode 356 und
ein isolierendes Dielektrikum 357 auft. Dargestellt ist
eine Halbleiteranordnung mit zwei im Oxid 390 vergrabenen
polykristallinen Siliziumschichten 346 und 320 als
Elektroden 346 beziehungsweise Opferschicht 320.
Gefertigt werden soll z. B. ein mikromechanischer Resonator, bei
dem ein freitragender Steg 350 mit polykristallinem Silizium 356 als
freitragende Mikrostruktur 350 elektrostatisch von den
zwei lateral benachbarten Elektroden 346 angetrieben wird.
Der Steg 350 weist – um
Kurzschlüsse
zu vermeiden – eine
dielektrische Isolation 357 auf. Auch die von dem Steg 350 lateral beabstandeten
Elektroden 346 sind durch Dielektrikum 390 isoliert.
Die konkrete Anordnung und deren elektromechanische Eigenschaften
sind dabei sehr flexibel auszubilden, so dass das Ausführungsbeispiel
der 3d nur eine von vielen möglichen Realisierungen darstellt.
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Anhand
der 3a bis 3d wird
im Folgenden der Herstellungsprozess zur Erzeugung einer Halbleiteranordnung
gemäß 3d näher erläutert.
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Gemäß 3a wird
von einer Anordnung mit polykristallinen Siliziumschichten 320, 346 und 356 ausgegangen.
Gemäß 3b ist
wiederum die Maskierung 380 vorgesehen. Unterhalb der Maskierung 380 ist
die Opferschicht 320 aus Silizium ausgebildet.
-
In
einem ersten anisotropen Ätzschritt,
der selektiv das Dielektrikum 390 ätzt wird durch Öffnungen 309 in
der Maskierung 380 bis hinunter auf ein Opfergebiet 31 der
Bauelementeschicht 3 geätzt.
Die Dielektrikum-Ätzung
stoppt daher auf dem Opfergebiet 31. Insbesondere werden
bei der Ätzung die Randbereiche
der oberen polykristallinen Siliziumschicht 320 freigelegt,
welche später
als Opferschicht 320 zur Erzeugung der Wafer-Level-Kapselung 310 dient.
Wie schon zu 2 erläutert kann die Polysilizium-Schicht 320 auch
erste im Zuge der Ätzung strukturiert
werden. Hingegen ermöglicht
die Freilegung der Randbereiche der Opferschicht 320 gemäß 3b einen
schnelleren Prozess.
-
Nachfolgend
erfolgt ein Silizium-Ätzprozess in
einen Opferbereich 31 der Bauelementeschicht 3 hinein.
Dies ist in 3c dargestellt. Dieser kann wiederum
aus einer kombinierten anisotropen/isotropen Ätzung oder aus einer rein isotropen Ätzung bestehen.
Zur Siliziumätzung
dienen die mit Dielektrikum gefüllten
Gräben 331 und 332 als
laterale Stoppschicht, so dass in aktive Halbleiterbereiche 30 eines angrenzenden
Bauelementes nicht hinein geätzt wird.
Der Zustand nach der isotropen Silizium-Ätzung ist in 3c dargestellt.
-
Mit
der isotropen Silizium-Ätzung
wird dabei auch die Opferschicht 320 entfernt. Diese Entfernung definiert
zwei übereinander
liegende Stege. Der untere ist dabei die gewünschte freitragende Mikrostruktur 350.
Gemäß 3d erfolgt
das Verschließen
der Öffnungen 309' in der obersten
Schicht mit Hilfe des Waferbondens.
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Gemäß 4c ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
Halbleiteranordnung mit einer freitragenden Mikrostruktur 450 schematisch
in Schnittansicht dargestellt.
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Wiederum
sind ein Substrat 1, eine Isolatorschicht 2 und
eine Bauelementeschicht 3 mit einer Grabenstruktur 13 mit
den Gräben 432 und 431 vorgesehen.
Die Grabenstruktur 13 grenzt einen Strukturbereich 451 in
lateraler Richtung von aktiven Bereichen 30 in der Bauelementeschicht 3 ab.
Innerhalb dieser Strukturbereichs 451 ist die Mikrostruktur 450 positioniert
zu einer Öffnung 408 ausgebildet.
Die Mikrostruktur 450 weist eine Elektrode 456 und
ein isolierendes Dielektrikum 457 auf.
-
Dargestellt
ist eine Halbleiteranordnung mit drei im Oxid 490 vergrabenen
polykristallinen Siliziumschichten 446 als Elektroden 446 beziehungsweise
Opferschichten 420, 421. Gefertigt werden soll
z. B. ein mikromechanischer Resonator (MEMS-Resonator), bei dem
ein freitragender Steg 450 mit polykristallinem Silizium 456 als
freitragende Mikrostruktur 450 elektrostatisch von den
zwei lateral benachbarten Elektroden 446 angetrieben wird.
Der Steg 450 weist – um
Kurzschlüsse
zu vermeiden – eine
dielektrische Isolation 457 auf. Auch die von dem Steg 450 lateral
beabstandeten Elektroden 446 sind durch Dielektrikum 490 isoliert.
-
Innerhalb
des Strukturbereiches 451 ist die Bauelementeschicht 3 zur
Ausbildung einer Elektrode 32 mit Dotierstoff dotiert.
Ein unterer Bereich 31 kann hingegen undotiert verbleiben.
Gefertigt werden soll ein mikromechanischer Resonator bei dem die kapazitive
Kopplung zu der darunter liegenden Elektrode 32 (hochdotierte
Siliziumschicht) durch Verringerung des Abstandes verbessert werden
soll. Aus diesem Grund sind die über
der Elektrode 32 liegende Oxid-Schicht (490) sowie
die untere Opferschicht 421 (vergl. 4a) aus
polykristallinem Silizium besonders dünn ausgeführt. Die erforderlichen nm-Abstände zu der
Elektrode 32 lassen sich durch eine Opferschicht-Ätzung erzielen,
wie dies lateral aufgrund einer nicht ausreichenden lithographischen Auflösung nicht
möglich
wäre. Dies
ist kann neben der einfachen Kapselung der Strukturen ein Vorteil dieses
Ausführungsbeispiels
sein.
-
Anhand
der 4a bis 4c wird
im Folgenden der Herstellungsprozess zur Erzeugung einer Halbleiteranordnung
gemäß 4c näher erläutert.
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Gemäß 4a wird
von einer Anordnung mit polykristallinen Siliziumschichten 420, 421, 446 und 456 ausgegangen.
Gemäß 4b ist wiederum
die Maskierung 480 vorgesehen. Unterhalb der Maskierung 480 ist
die Opferschicht 420 aus Silizium ausgebildet.
-
In
einem ersten anisotropen Ätzschritt
wird selektiv das Dielektrikum 490 durch Öffnungen 409 in der
Maskierung 480 bis hinunter auf die Opferschicht 421 geätzt. Die
Dielektrikum-Ätzung
stoppt daher auf dieser Opferschicht 421. Insbesondere
werden bei der Ätzung
die Randbereiche der oberen polykristallinen Siliziumschicht 420 freigelegt,
welche später
als Opferschicht 420 zur Freilegung der freitragenden Mikrostruktur 450 dient.
-
Nachfolgend
erfolgt ein isotroper Silizium-Ätzprozess
der die Opferschichten 420 und 421 entfernt. Dies
ist in 4c dargestellt. Die vom Oxid 457 umschlossene
Elektrode 456 aus polykristallinem Silizium und die seitlichen
Elektroden 446 bleiben erhalten. Die seitlichen Elektroden 446 sind
für die
dargestellte Oszillator-Variante nicht unbedingt erforderlich, da
die unten liegende Elektrode 32 genutzt wird. Diese seitlichen
Elektroden 446 können aber
ggf. zum Einstellen der Schwingungseigenschaften etc. genutzt werden.
An die Ätzung
anschließend
kann wiederum eine Kapselung durch Abscheidung einer dicken Oxidschicht
a. A. oder durch Bonden mit einem Deckelwafer erfolgen.
-
Die 5e zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
Halbleiteranordnung mit einer freitragenden Mikrostruktur 550 in
einer schematischen Schnittdarstellung. Wiederum sind ein Substrat 1, eine
Isolatorschicht 2 und eine Bauelementeschicht 3 mit
einer Grabenstruktur 13 mit den Gräben 532 und 531 vorgesehen.
Die Grabenstruktur 13 grenzt einen Strukturbereich 551 in
lateraler Richtung von aktiven Bereichen 30 in der Bauelementeschicht 3 ab.
Innerhalb dieses Strukturbereichs 551 ist die Mikrostruktur 550 positioniert
zu einer Öffnung 508 ausgebildet. Die
Mikrostruktur 550 weist zwei Elektroden 556 und 556', eine zwischen
den Elektroden 556 und 556' angeordnete Aluminiumnitridschicht 557 und
eine flache Erhebung 558 aus Siliziumdioxid auf. Weiterhin sind
Leitbahnen 562, 563, 572 und ein Gate-Elektrode 571 voneinander
durch ein Dielektrikum 590 isoliert. Die freitragende Struktur
ist dabei als FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) ausgebildet. Der FBAR
der 5e ist dabei als Dickenschwinger ausgebildet.
Alternativ können
auch andere Schwinger, wie ein Streckschwinger, Radialschwinger
oder Torsionsschwinger ausgebildet werden.
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Anhand
der 5a bis 5e wird
im Folgenden der Herstellungsprozess zur Erzeugung einer Halbleiteranordnung
gemäß 5e näher erläutert.
-
Ausgehend
von einer SOI-Struktur gemäß 5a ist
gemäß 5b wiederum
die Maskierung 580 vorgesehen. Während des Prozesses zur Herstellung
der Bauelemente sind bereits ein STI-Gebiet 558 als späterer Träger des
FBAR sowie die strukturierte AIN-Schicht 555 und die Elektroden 556 und 556' aus Metall
ausgebildet. Vorteilhaft ist dabei, dass eine Planarisierung mittels
chemisch-mechanischem Polierens des STI-Gebietes vor einer AIN-Abscheidung
erfolgen kann.
-
Gemäß 5b wird
in einem ersten anisotropen Ätzschritt,
der selektiv das Dielektrikum 590 ätzt, die Oberfläche der
Maskierung 580, die Oberfläche der einen Elektrode 556 und
die Oberfläche
des Opfergebietes 31 innerhalb der breiten Öffnung 509 in
der Maskierung 580 freigelegt. Die Dielektrikum-Ätzung stoppt daher auf dem
Opfergebiet 31.
-
Nachfolgend
erfolgt ein anisotroper Silizium-Ätzprozess in einen Opferbereich 31 der
Bauelementeschicht 3 hinein. Dies ist in 5d dargestellt, wobei
nach der anisotropen Ätzung
ein Restopferbereich 31' unterhalb
der späteren
freitragenden Mikrostruktur (550, vergl. 5e)
verbleibt. Diese anisotrope Silizium-Ätzung dient einer Vorfertigung
für die anschließende isotrope
Silizium-Ätzung.
Dadurch lässt
sich die Ätzzeit
verkürzen,
da die laterale Ätzrate
meist geringer ist als die vertikale. Der Ätzschritt der anisotropen Silizium-Ätzung ist
jedoch prinzipiell entbehrlich und kann durch eine entsprechend
längere
isotrope Ätzung
des Siliziums 31 ersetzt werden.
-
Zur
isotropen Siliziumätzung
dienen die mit Dielektrikum gefüllten
Gräben 531 und 532 als
laterale Stoppschicht, so dass in aktive Halbleiterbereiche 30 eines
angrenzenden Bauelementes nicht hinein geätzt wird. Die Silizium-Ätzung sollte mit hoher Selektivität zum Siliziumdioxid,
Metall und Aluminiumnitrid erfolgen, da auch kleine Aluminiumnitrid-Bereiche
bei der freitragenden Mikrostruktur 550 freiliegen können. Der
Zustand nach der isotropen Silizium-Ätzung ist in 5e dargestellt.
Vorteile des Ausführungsbeispiels
der 5e sind eine Platz sparende Vollintegration und
eine einfache Kapselung. Auch ist eine geringe akustische Leckage
möglich.
Freitragende Strukturen weisen aufgrund der mechanischen Entkopplung
durch den Luftspalt eine geringere akustische Leckwelle ins Substrat
auf.
-
Die
Erfindung ist selbstverständlich
nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern
umfasst auch nicht dargestellte Ausführungsvarianten. So können verschiedene
Merkmale der Ausführungsbeispiele
untereinander ausgetauscht oder kombiniert werden. Alternative Ausgestaltungen
sehen beispielsweise als freitragende Mikrostruktur eine kammförmige, spiralförmige oder mäanderförmige Struktur
vor. Ebenfalls ist eine flächig-gelochte
Mikrostruktur für
eine vereinfachte Unterätzung
möglich.
-
- 1
- Substrat
- 2
- Isolatorschicht
- 3
- Bauelementeschicht
aus einkristallinem
-
- Halbleitermaterial
- 13
- Grabenstruktur
- 30
- aktives
Halbleitergebiet
- 31,
31'
- Opfergebiet
der Bauelementeschicht
- 32
- Elektrode
für die
freitragende Mikrostruktur
- 33
- einkristallines
Halbleitergebiet
- 108,
208, 308, 408, 508
- Öffnung in
der Bauelementeschicht
- 109,
109', 209, 209', 209'', 209''', 309, 409, 509,
509'
- Ätzöffnung
- 210,
211, 310
- Deckschicht
- 220,
220', 320, 420, 420', 421
- Opferschicht
- 131,
132, 133, 135, 136, 231, 232, 331, 332, 431, 432, 531, 532
- mit
Dielektrikum gefüllter Graben
- 140
- Feldeffekttransistor (MOSFET)
- 141
- Source-Halbleitergebiet
- 142
- Drainhalbleitergebiet
- 346,
446
- Elektrode
für Mikrostruktur
- 150,
250, 350, 450, 550
- freitragende
Mikrostruktur
- 151,
251, 351, 451, 551
- Strukturbereich
- 252
- vertikale
Auslenkung
- 557
- Aluminiumnitridschicht (AIN)
- 156,
256, 356, 456, 556, 556'
- Elektrode
der freitragenden Mikrostruktur
- 157,
257, 357, 457
- Dielektrikum
der Mikrostruktur
- 158,
258, 358, 558
- Erhebung
(STI, LOGOS)
- 159
- laterale
Auslenkung
- 160
- Gate-Anschlussmetallisierung
- 161
- Source-Anschlussmetallisierung
- 162,
262, 562
- Drain-Anschlussmetallisierung
- 163,
263, 563
- Metall-Leitbahn
einer Metallisierungsebene
- 171,
271, 571
- Gateelektrode
(polykristallines Silizium)
- 172,
272, 572
- Leitbahn
aus polykristallinem Silizium
- 180,
280, 380, 480, 580
- Maskierung
- 190,
290, 390, 490, 590
- Dielektrikum,
Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG)