DE102007019638A1

DE102007019638A1 - Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit Trenchstruktur zur Rückseitenkontaktierung

Info

Publication number: DE102007019638A1
Application number: DE102007019638A
Authority: DE
Inventors: Roland Scheurer; Heribert Weber; Eckhard Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2008-10-30
Also published as: JP2010526672A; WO2008132028A3; EP2150487A2; JP5383657B2; US8564078B2; US20100133630A1; US20120049301A1; US8138006B2; WO2008132028A2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements vorgeschlagen. Hierbei soll in einem Substrat mindestens eine Trenchstruktur mit einer Tiefe kleiner als die Substratdicke erzeugt werden. Auf einer ersten Seite des Substrats wird zudem eine Isolationsschicht und eine Auffüllschicht auf dem Substrat erzeugt oder aufgebracht. Die Auffüllschicht weist ein Auffüllmaterial auf, das die Trenchstruktur im wesentlichen vollständig auffüllt. Durch eine anschließende Planarisierung innerhalb einer Ebene der Auffüllschicht oder der Isolationsschicht oder des Substrats, wird eine plane erste Seite des Substrats erzeugt. Anschließend erfolgt eine weitere Planarisierung der zweiten Seite des Substrats. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines mechanischen Bauelements nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der europäischen Patentschrift EP 0 316 799 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bekannt. Bei dem Verfahren wird in eine Halbleiterkristallschicht und in eine Siliziumoxidschicht eine Senke (Drain) geformt. Die Senke ist dabei Ausgangspunkt für die Rückseitenkontaktierung des so gebildeten Halbleiterelements. Die Herstellung der Senke ist jedoch sehr aufwändig und zeitintensiv.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit Trenchstruktur zur Rückseitenkontaktierung gemäß dem Hauptanspruch beziehungsweise den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass in besonders einfacher und kostengünstiger Weise eine Verfüllung von Trenchstrukturen mit leitfähigem Material möglich ist und durch eine anschließenden Planarisierung der Rückseite des Substrates besonders einfach und kostengünstig eine Rückseitenkontaktierung möglich ist. Zudem kann die verwendete Auffüllschicht zur Füllung der Trenchstrukturen vorteilhaft auch gleichzeitig als Funktionsschicht genutzt werden, wenn die Auffüllschicht nicht vollständig durch die Planarisierung der Vorderseite abgetragen wird.
Bevorzugt ist das verwendete Huffüllmaterial, welches die Auffüllschicht bildet, ein dotiertes Material und/oder es werden Bereiche mit polykristallinem und/oder monokristallinem Material auf der ersten Seite des Substrats erzeugt. Als Auffüllmaterial ist beispielsweise dotiertes Polysilizium oder Epitaktisches-Polysilizium (EPI-Polysilizium) verwendbar. Durch die Verwendung von dotiertem Auffüllmaterial entsteht in vorteilhafter Weise ein niedriger elektrischer Widerstand innerhalb der aufgefüllten Trenchstruktur. In Bereichen, in denen das Substrat vor der Epitaxie ungeschützt war (also in strukturierten Bereichen der hierdurch zumindest teilweise entfernten Isolationsschicht), kann monokristallines Silizium aufwachsen. In Bereichen, in denen die Isolationsschicht nicht strukturiert wurde, wächst hingegen polykristallines Silizium bei der Epitaxie auf. In vorteilhafter Weise sind so integrierte Schaltungen im mikromechanischen Bauelement möglich. Beispielsweise sind durch die monokristallinen Bereiche CMOS-Schaltungen herstellbar.
Weiterhin bevorzugt wird das Substrat auf der zweiten Seite bis zu einer Ebene in der Trenchstruktur planarisiert. Weiterhin bevorzugt wird auf das Substrat von der zweiten Seite ausgehend mindestens eine Schicht aufgetragen und/oder erzeugt. Bevorzugt ist die erzeugte Schicht eine dritte Isolationsschicht. Durch die Planarisierung der zweiten Seite ist es vorteilhaft möglich, eine Durchkontaktierung des mikromechanischen Bauelements zu ermöglichen, ohne dabei das Durchtrenchen des Substrats vornehmen zu müssen. Insbesondere die Problematik des Durchtrenchens von Trenchstrukturen mit unterschiedlichen Querschnitten, wodurch unterschiedliche Ätzraten entstehen, kann so umgangen werden. Somit sind auch Kombinationen aus Trenchstrukturen mit unterschiedlichen Breiten und Geometrien als Durchkontaktierung vorteilhaft verwendbar. Die dritte Isolationsschicht auf der zweiten Seite ist bevorzugt nicht durchgehend, sondern weist bevorzugt im Bereich der Durchkontaktierung Aussparungen oder Lücken auf. Hierdurch wird vorteilhaft die Rückseitenkontaktierung von der zweiten Seite des mikromechanischen Bauelements im Bereich der verfüllten Trenchstruktur möglich.
Bevorzugt wird nach dem Planarisieren der zweiten Seite des Substrats zumindest auf Teilbereichen der zweiten Seite des Substrats mindestens eine Schicht erzeugt und/oder mindestens eine Struktur aufgebracht. Beispielsweise kann eine Metallisierung im Bereich der Durchkontaktierung in die Lücken oder Aussparungen der dritten Isolationsschicht auf der zweiten Seite des Substrats aufgetragen werden. Die Metallisierung kann dabei weiterhin beispielsweise mit Löt-Bumps in Kontakt stehen. In vorteilhafter Weise ist so beispielsweise eine Flip-Chip-Verbindung zwischen mikromechanischen und/oder integrierten Bauelementen herstellbar. Denkbar ist jedoch auch die Anbringung oder Erzeugung von Verdrahtungsebenen auf der zweiten Seite des Substrats als Struktur. Die Justage der Schichten und/oder der Strukturen auf der zweiten Seite des Substrats kann dabei in vorteilhafter Weise anhand der freigelegten Trenchstruktur erfolgen. Die freigelegte Isolationsschicht und/oder die Auffüllschicht in der Trenchstruktur weist gegenüber dem Substrat einen so großen Kontrast auf, dass die Justage der Schichten und/oder Strukturen auf der zweiten Seite des Substrats im wesentlichen auch ohne Infrarot- oder Vorder-zu-Rückseitenjustage erfolgen kann.
Weiterhin bevorzugt wird nach der Planarisierung der ersten Seite des Substrats mindestens eine Maskenschicht eine zweite Isolationsschicht auf die erste Seite des Substrats aufgetragen und/oder erzeugt. Weiterhin bevorzugt wird auch eine schmale Trenchstruktur gebildet. Die Maskenschicht ist bevorzugt eine Hartmaskenschicht. Die Hartmaskenschicht ist bevorzugt eine Siliziumoxidschicht und/oder eine Photolackschicht und wird vorzugsweise durch eine HF-Gasphasenätzung oder ein Sauerstoffplasma entfernt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird. Das mikromechanische Bauelement weist mindestens eine Trenchstruktur auf, wobei die Trenchtiefe im wesentlichen gleich der Dicke des mikromechanischen Bauelements ist. Hierdurch ist die Rückseitenkontaktierung des mikromechanischen Bauelements auf der zweiten Seite des Substrats durch die Trenchstruktur möglich. In vorteilhafter Weise haben bei dem mikromechanischen Bauelement durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren gapabhängige Ätzraten beim Trenchen im wesentlichen keinen Einfluss mehr. Vorteilhaft lassen sich auch beispielsweise zwei erfindungsgemäße mikromechanische Bauelemente über eine Flip-Cip-Verbindung miteinander verbinden. Selbstverständlich können die mikromechanischen Bauelemente auch integriert sein und trotzdem mittels einer Flip-Chip-Verbindung miteinander verbunden werden.
Bevorzugt weist das mikromechanische Bauelement einen Kappenwafer auf, wobei der Kappenwafer bevorzugt durch anodisches Bonden und/oder Sealglasbonden mit dem Substrat oder mit Schichten auf dem Substrat verbunden ist. Insbesondere eine anodische Bondung des Kappenwafers sichert eine langlebige Verbindung zwischen Kappenwafer und Substrat, so dass ein Ausfall des mikromechanischen Bauelements durch ein Ablösen des Kappenwafers vermieden werden kann.
Bevorzugt weist das mikromechanische Bauelement ein Gitter und/oder eine Ausnehmung und/oder eine Leiterbahn und/oder einen Schaltungsbereich auf. Das Gitter ist bevorzugt ein n-dotiertes Silizium Gitter und bildet vorzugsweise eine Membran aus. Die Ausnehmung befindet sich bevorzugt auf der ersten Seite des Substrats und endet vor der Membran oder vor der Auffüllschicht. Die Schaltungen können integrierte Schaltungen aber auch Widerstände oder ähnliches sein.
Vorzugsweise weist das mikromechanische Bauelement bewegliche Sensorstrukturen und/oder Bereiche mit monokristallinem Material und/oder polykristallinem Material auf.
Bevorzugt weist die Auffüllschicht dotiertes Auffüllmaterial auf, wobei das Auffüllmaterial und/oder die Bereiche mit monokristallinem Material und/oder polykristallinem Material und/oder das Substratmaterial aus Silizium und/oder aus Germanium und/oder aus Silizium-Germanium bestehen.
Bevorzugt ist das mikromechanische Bauelement ein Sensor. Vorzugsweise ein Drucksensor oder ein Beschleunigungssensor oder ein Drehratensensor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1A bis L stellen schematisch die Herstellungsschritte eines mikromechanischen Bauelements mit zwei Trenchstrukturen dar.
2A bis H stellen schematisch die Herstellungsschritte eines mikromechanischen Bauelements mit einer Membran dar.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den 1A bis L ist schematisch die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 dargestellt. In einem Substrat 2 sind durch Trenchen Trenchstrukturen 3 hergestellt worden. Hierbei wurde vor dem Trenchen die Maskenschicht 14 aufgetragen beziehungsweise erzeugt, so dass das darunter befindliche Substrat 2 vor dem Ätzmedium während des Trenchvorgangs geschützt war (1A). Die Tiefe der Trenchstrukturen 3 ist abhängig von der späteren Dicke des mikromechanischen Bauteils 1 und im wesentlichen frei wählbar. Die Trenchstrukturen 3 weisen im Ausführungsbeispiel unterschiedliche Tiefen auf, die durch die unterschiedlichen Ätzraten, hervorgerufen beispielsweise durch die unterschiedlichen Breiten der Trenchstrukturen, resultieren. Durch thermische Oxidation oder Abscheiden wird eine Isolationsschicht 4 erzeugt bzw. gebildet (1B). Die Isolationsschicht 4 besteht bevorzugt aus Siliziumoxid. Anschließend wird eine Auffüllschicht 5, beispielsweise aus dotierten Polysilizium oder dotierten EPI-Silizium, abgeschieden (1C). Die Auffüllschicht 5 gelangt dabei auch in die Trenchstrukturen 3 und verschließt beziehungsweise verfüllt diese. In vorteilhafter Weise sind so Bereiche zur späteren Durchkontaktierung entstanden, die unkompliziert mit der Auffüllschicht 5 beispielsweise in Form von dotiertem Material befüllt sind. Verschiedenen Ebenen, in denen eine Planarisierung vorgenommen werden kann, sind in den 1C und 1E dargestellt. In der 1C soll bis zur Linie A sowohl die (oberhalb des Substrats 2 befindliche) Auffüllschicht 5 als auch die Isolationsschicht 4 durch die Planarisierung abgetragen werden. Die 1E hingegen stellt (alternativ zur Vorgehensweise gemäß 1C) einen Abtrag nur bis zur Linie B in der Auffüllschicht 5 durch die Planarisierung dar. Die 1F stellt das mikromechanische Bauelement 1 dar, wobei auch eine zweite Seite 9 des Substrats 2 planarisiert wurde. Bevorzugt erfolgt die Planarisierung, oder auch Rückdünnung genannt, bis in die Ebene derjenigen Trenchstruktur, welche die geringste Tiefe aufweist. Die Durchkontaktierung mittels der Trenchstrukturen 3 wird somit vorteilhaft gapunabhängig. Auf der zweiten Seite 9 des Substrats 2 ist eine Schicht 10 im Bereich der Trenchstrukturen 3 aufgetragen, wobei die Schicht 10 in Kontakt zum Huffüllmaterial in den Trenchstrukturen 3 steht. Die Schicht 10 ist bevorzugt eine Metallisierung, beispielsweise aus Aluminium. Weiterhin weist die zweite Seite 9 des Substrats 2 eine dritte Isolationsschicht 15 auf. Die dritte Isolationsschicht 15 weist dabei im Bereich der Trenchstrukturen 3 Ausnehmungen auf, in welche die Schicht 10 verläuft. Durch die Rückdünnung bis in die Ebene derjenigen Trenchstruktur mit geringster Tiefe und der Schicht 10 wird eine Rückseitenkontaktierung möglich. Die dritte Isolationsschicht 15 besteht bevorzugt aus Siliziumoxid. In der 1F ist weiterhin ein Kappenwafer 17 angedeutet. In der 1G ist, beispielsweise durch ein LOCOS-Verfahren vorbereitet, ein Bereich 8 mit monokristallinem Silizium auf dem Substrat 2 aufgewachsen. Die Auffüllschicht 5 besteht dabei außerhalb des Bereichs 8 aus polykristallinem Silizium, wodurch ein Bereich 7 mit polykristallinem Silizium entsteht. Durch die Bereiche 7, 8 können auch integrierte Schaltungen in dem mikromechanischen Bauelement 1 ermöglicht werden. Die 1H bis 1J zeigen weitere Ausführungsformen mit unterschiedlichen Ebene zur Rückdünnung des Substrats 2 und unterschiedliche Gestaltungen des mikromechanischen Bauelements 1. Hierbei wird beispielsweise auf der ersten Seite 6 des Substrats 2 eine zweite Isolationsschicht 15' erzeugt und eine weitere Schicht 28 aufgetragen (1I). Die weitere Schicht 28 besteht bevorzugt aus Aluminium und ist zur elektrischen Kontaktierung geeignet (1J). Die Linie C deutet an, in welcher Ebene eine Rückdünnung des Substrats 2 erfolgen soll. Weist das Substrat 2, wie in der 1J dargestellt, an der ersten Seite 6 und an der zweiten Seite 9 eine Metallisierung in Form der Schichten 10, 28 auf, so kann das so gebildete mikromechanische Bauelement 1 mit einem anderen mikromechanischen Bauelement 1' verbunden werden. Die 1K stellt eine solche Verbindung von zwei mikromechanischen Bauelementen 1, 1' dar. Hierbei erfolgt eine Kontaktierung der beiden mikromechanischen Bauelernente 1, 1' beispielsweise mittels Löt-Bumps 23. Die 1L stellt schematisch ein anderes Beispiel für eine Kontaktierung 24 mit einem Schaltungsbereich 21 dar.
In den 2A bis 2F ist schematisch die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements 1, welches eine Membran als Gitter 18 aufweist, dargestellt. In der 2A weist dabei das Substrat 2 bereits eine Trenchstruktur 3, die mit Huffüllmaterial befüllt ist, und eine planarisierte Oberfläche auf. Eine zweite Isolationsschicht 15' und eine Ätzmaske 14 als Maskenschicht 14 sind auf dem Substrat 2 aufgetragen (2B). Unterhalb des Gitters 18 befindet sich bevorzugt eine Kavität, die beispielsweise durch die Umlagerung von porösem Silizium entstanden ist. Das Gitter 18 ist bevorzugt ein n-dotiertes Siliziumgitter. In der 2C ist zudem eine weitere Auffüllschicht 13 dargestellt, in die beispielsweise Schaltungsbereiche 21 eingebracht sind. Es wird dann bevorzugt ein schmaler Trench gebildet und diese mit einer anderen Isolationsschicht 15'' aufgefüllt (2D). Auf diese Weise entsteht ein verfüllter Isolationstrench. Wird der Isolationstrench so ausgeführt, dass im Bereich oberhalb der Trenchstruktur 3 ein lateraler, elektrisch isolierter Bereich Y innerhalb der leitfähigen weiteren Auffüllschicht 13 entsteht, so kann dieser Bereich Y, mit Hilfe einer Verdrahtungsebene Z und entsprechenden Kontaktlöchern X in der zweiten Isolationsschicht 15', elektrisch mit Schaltungsbereichen 21 verbunden werden. Man erhält auf diese Weise eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltungsbereichen 21 und der elektrisch leitfähigen Auffüllschicht 5. Oberhalb der Verdrahtungsebene Z wird eine vierte Isolationsschicht 15''' aufgetragen. Die 2E bis 2F stellen schematisch Ausführungsbeispiele für die Gestaltung der zweiten Seite 9 des Substrats 2 dar. Beispielsweise kann eine Struktur 11 als Verdrahtungsebene vorgesehen sein, die sich zwischen zwei Isolationsschichten 15 und 15''' befindet und über Kontaktlöcher W und W' einen elektrischen Anschluss zur Auffüllschicht 5 ermöglicht. Weiter kann das Substrat 2 eine Ausnehmung aufweisen, welche unterschiedlich gestaltet sein kann. Beispiele hierzu sind in den 2E bis 2H dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0316799 B1 [0001]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements (1), wobei das mikromechanische Bauelement (1) ein Substrat (2) aufweist, wobei das Substrat (2) eine erste Seite (6) und eine zweite Seite (9) aufweist, wobei in dem Substrat (2) mindestens eine Trenchstruktur (3) mit einer Tiefe kleiner als die Substratdicke erzeugt wird und wobei eine Isolationsschicht (4) auf der ersten Seite (6) des Substrats (2) erzeugt wird, wobei eine Auffüllschicht (5) aus Auffüllmaterial auf die erste Seite (6) des Substrats (2) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenchstruktur (3) im wesentlichen von dem Auffüllmaterial aufgefüllt wird und eine Planarisierung innerhalb einer Ebene der Auffüllschicht (5) oder der Isolationsschicht (4) oder des Substrats (2) erfolgt und eine weitere Planarisierung des Substrates (2) von der zweiten Seite (9) des Substrats (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffüllmaterial ein dotiertes Material ist und/oder Bereiche (7, 8) mit polykristallinem und/oder monokristallinem Material auf der ersten Seite (6) des Substrats (2) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) auf der zweiten Seite (9) bis zu einer Ebenen innerhalb der Trenchstruktur (3) planarisiert wird und/oder auf der zweiten Seite (9) des Substrats (3) mindestens eine Schicht (10), bevorzugt eine dritte Isolationsschicht (15), erzeugt oder aufgetragen wird und/oder mindestens eine Struktur (11) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Planarisierung der ersten Seite (6) des Substrats (3) mindestens eine Maskenschicht (12, 14) und/oder mindestens eine weitere Auffüllschicht (13) und/oder eine weitere Schicht (28) und/oder eine zweite Isolationsschicht (15') auf der ersten Seite (6) des Substrats (2) erzeugt und/oder aufgebracht wird.
Mikromechanisches Bauelement (1) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauelement (1) mindestens eine Trenchstruktur (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenchtiefe im wesentlichen gleich der Dicke des mikromechanischen Bauelements (1) ist, wodurch eine Rückseitenkontaktierung des mikromechanischen Bauelements (1) auf einer zweiten Seite (9) des Substrats (3) möglich ist.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (1) einen Kappenwafer (17) aufweist und der Kappenwafer (17) anodisch gebondet und/oder Sealglasgebondet mit dem Substrat (2) ist
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (1) ein Gitter (18) und/oder eine Ausnehmung (19) und/oder eine Leiterbahn (20) und/oder einen Schaltungsbereich (21) aufweist.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (1) bewegliche Sensorstrukturen (27) aufweist und/oder Bereiche (8, 7) mit monokristallinem Material und/oder polykristallinem Material aufweist.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (1) ein Sensor, insbesondere ein Drucksensor oder ein Beschleunigungssensor oder ein Drehratensensor ist.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Huffüllmaterial der Auffüllschicht (5) und/oder das Substratmaterial (2) und/oder die Bereiche (7, 8) aus Silizium und/oder Germanium und/oder Silizium-Germanium sind.