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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen
Membranstruktur mit feststehendem Gegenelement, ausgehend von einem
Halbleitersubstrat, nämlich einem p-dotierten Si-Substrat.
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Eine
bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die Herstellung von mikromechanischen Mikrofonen, wie sie beispielsweise
bei Hörgeräten oder Mobiltelefonen zum Einsatz
kommen. Auch für Applikationen mit akustischer Schnittstelle,
wie z. B. Notebooks oder Kameras, werden immer öfter mikromechanische
Mikrofone verwendet. Derartige Mikrofone umfassen eine membranartige
Struktur, die durch den Schalldruck ausgelenkt wird. Die Membranauslenkungen
werden meist kapazitiv mit Hilfe einer feststehenden Gegenelektrode
erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
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In
der
DE 10 2004
036 032 A1 wird ein oberflächenmikromechanisches
Verfahren zur Herstellung eines Membransensors beschrieben. Ausgangsmaterial
für das bekannte Verfahren ist ein p-dotiertes Si-Substrat.
Zunächst wird in einem gitterförmigen Oberflächenbereich
dieses Substrats eine n-Dotierung erzeugt, bevor das Substratmaterial
in einem Bereich unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur porös
geätzt wird. Auf der Substratoberfläche wird dann über
der n-dotierten Gitterstruktur und dem porös geätzten
Bereich eine geschlossenen Epitaxieschicht abgeschieden. Gleichzeitig
oder in einem nachfolgenden Temperschritt lagert sich das poröse Siliziummaterial
so um, dass in dem ursprünglich porösen Bereich
unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur eine Kaverne entsteht.
Auf diese Weise wird eine Membran freigelegt, die aus dem die Kaverne überspannenden
Bereich der n-dotierten Gitterstruktur mit der darauf abgeschiedenen
Epitaxieschicht gebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der hier in Rede stehenden Erfindung wird eine Modifikation des
bekannten Verfahrens vorgeschlagen, das zudem zur Herstellung einer
mikromechanischen Membranstruktur mit feststehendem Gegenelement
weiterentwickelt ist.
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Dementsprechend
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren, das von
einem p-dotierten Si-Substrat ausgeht, die folgenden Prozessschritte:
- – n-Dotierung mindestens eines zusammenhängenden
gitterförmigen Bereichs der Substratoberfläche;
- – porös Ätzen eines Substratbereichs
unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur;
- – Oxidation des porösen Siliziums;
- – Erzeugen mindestens einer Opferschicht über der
n-dotierten Gitterstruktur;
- – Abscheidung und Strukturierung mindestens einer dicken
Epitaxieschicht;
- – Entfernen der Opferschicht zwischen der dicken Epitaxieschicht
und der n-dotierten Gitterstruktur und Erzeugen einer Kaverne im
Si-Substrat unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur durch Entfernen des
oxidierten porösen Siliziums (oxPorSi);
so dass
die freigelegte n-dotierte Gitterstruktur eine Membranstruktur bildet
und in der strukturierten dicken Epitaxieschicht mindestens ein
feststehendes Gegenelement ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass eine Prozessierung der Substratvorderseite
ausreicht, um die angestrebte dreidimensionale, mehrschichtige Bauelementstruktur
mit einer mikromechanischen Membran und einem feststehenden Gegenelement
zu realisieren. Das erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf einer geschickten Kombination von bewährten
oberflächenmikromechanischen Prozessblöcken, die
ursprünglich für andersartige Bauelementstrukturen
entwickelt wurden. D. h., jeder einzelne Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen
Verfahrens lässt sich durch eine bekannte, gut handhabbare,
gut kontrollierbare und deshalb insgesamt kostengünstige
oberflächenmikromechanische Prozessfolge darstellen. Zudem
sind alle diese Prozessschritte CMOS-kompatibel, so dass das erfindungsgemäße
Herstellungsverfahren auch einfach durch eine Prozessfolge zur monolithischen
Integration einer Auswerteschaltung ergänzt werden kann. Schließlich
sei noch erwähnt, dass die erfindungsgemäß gefertigten
Bauelemente nicht nur in der Herstellung besonders kostengünstig
sind sondern auch in der Montage, da die nicht prozessierte Rückseite dieser
Bauelemente den Einsatz einer kostengünstigen Aufbau- und
Verbindungstechnik zulässt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren bietet eine besonders
hohe Designfreiheit zur Optimierung der Bauelementstruktur für
verschiedene Anwendungen. So kann die Empfindlichkeit der Membranstruktur durch
unterschiedliche Auslegung der Membranaufhängung, d. h.
der Art, wie die Membran mit dem Randbereich der Kaverne verbunden
ist, beeinflusst werden. Zudem sind die mechanischen und akustischen
Eigenschaften des Bauelements aufgrund der einkristallinen und unverspannten
Si-Membran in Bezug auf die Empfindlichkeit besonders vorteilhaft.
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Gemäß einer
ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Membranaufhängung einfach durch den Randbereich
der n-dotierten Gitterstruktur gebildet, der kontinuierlich in den
Randbereich der Kaverne übergeht. Zur Steigerung der Membranempfindlichkeit
werden in einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Verfahrensvariante
im Randbereich der n-dotierten Gitterstruktur n-dotierte Stege ausgebildet,
so dass lediglich diese Stege in den Randbereich der Kaverne übergehen
und Federaufhängungen für die Gitterstruktur bilden.
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Eine
andere Möglichkeit der Membranaufhängung besteht
darin, die n-dotierte Gitterstruktur über die dicke Epitaxieschicht
an den Randbereich der Kaverne anzubinden. Dazu wird die Opferschicht im
Bereich der n-dotierten Gitterstruktur geöffnet, so dass
die dicke Epitaxieschicht in einem Kontaktbereich direkt auf der
n-dotierten Gitterstruktur abgeschieden wird.
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Soll
die Auslenkung der Membranstruktur mit Hilfe des feststehenden Gegenelements
kapazitiv erfasst werden, so muss dieses sowohl gegen das Substrat
als auch gegen die n-dotierte Gitterstruktur elektrisch isoliert
sein. Bei den drei voranstehend erwähnten Verfahrensvarianten
kann dies einfach durch eine geeignete Strukturierung der Opferschicht und
der dicken Epitaxieschicht erreicht werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Membranaufhängung in einer ersten dünnen
Epitaxieschicht unterhalb der dicken Epitaxieschicht realisiert.
Dazu wird mindestens eine erste Opferschicht über der n-dotierten
Gitterstruktur erzeugt und im späteren Membranbereich so
strukturiert, dass eine darüber abgeschiedene erste dünnere
Epitaxieschicht in direktem Kontakt zur n-dotierten Gitterstruktur
steht. Diese Epitaxieschicht wird dann so strukturiert, dass eine
darüber erzeugte zweite Opferschicht bereichsweise direkt
auf der ersten Opferschicht angeordnet ist. Erst danach wird die
das feststehende Gegenelement bildende dicke Epitaxieschicht abgeschieden. Nach
Entfernen der Opferschichten im Membranbereich bildet die erste
Epitaxieschicht eine mechanische Aufhängung für
die Membranstruktur. Durch entsprechende Strukturierung der ersten
Epitaxieschicht lassen sich bei dieser Verfahrensvariante auch einfach
Federaufhängungen für die Membranstruktur zur
Steigerung der Empfindlichkeit realisieren.
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Die
voranstehende Verfahrensvariante eignet sich nicht nur zur Realisierung
einer vorteilhaften mechanischen Aufhängung für
die Membranstruktur sondern auch zur Realisierung von vergrabenen
Leiterbahnen, beispielsweise zum elektrischen Anschluss der Membranstruktur.
In diesem Fall ist es von Vorteil, die erste dünnere Epitaxieschicht
stark zu dotieren. Eine vollständige elektrische Isolation
der Membranstruktur gegen das Substrat kann hier einfach durch entsprechende
Strukturierung der n-dotierten Gitterstruktur, der Opferschichten
und der Epitaxieschichten erzielt werden.
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Die
Empfindlichkeit der Membranstruktur kann auch durch einen mehrstufigen
und daher für eine Druckbeaufschlagung „transparenteren” Aufbau des
feststehenden Gegenelements gesteigert werden. Dazu wird die erste
dünnere Epitaxieschicht so strukturiert, dass über
dem späteren Membranbereich ein Epitaxiebereich verbleibt.
Bei der Strukturierung der zweiten Opferschicht wird dann über
diesem Epitaxiebereich mindestens eine Kontaktöffnung erzeugt,
so dass die dicke Epitaxieschicht über die Kontaktöffnung
mit der ersten Epitaxieschicht verbunden ist und zusammen mit der
ersten dünneren Epitaxieschicht ein mehrstufiges feststehendes
Gegenelement bildet.
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Alle
voranstehend erläuterten Varianten des erfindungsgemäßen
Verfahrens können zudem durch eine Strukturierung der Substratrückseite
mit Bulk-Prozessen ergänzt werden, um das Rückseitenvolumen
zu vergrößern oder einen Rückseitenzugang
zur Membranstruktur zu erzeugen.
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Schließlich
sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass sich das erfindungsgemäße
Verfahren nicht nur sehr gut zur Herstellung eines mikromechanischen
Mikrofons mit kapazitivem Wandlerprinzip eignet, sondern beispielsweise
auch zur Herstellung eines kapazitiven Beschleunigungssensors zum
Erfassen von senkrecht zur Substratoberfläche wirkenden
Beschleunigungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen
Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits
auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1a–1h veranschaulichen
die einzelnen Verfahrensschritte einer ersten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens anhand schematischer Schnittansichten (untere Bildhälfte)
und entsprechender Draufsichten (obere Bildhälfte) einer
ersten Bauelementstruktur 100 während der Herstellung;
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2 zeigt
eine Variante des in 1a dargestellten Verfahrensschritts
zur Optimierung der Membranaufhängung;
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3a, 3b zeigen
eine Variante der in den 1e–h
dargestellten Verfahrensschritte zur Realisierung einer Membranaufhängung über
die dicke Epitaxieschicht;
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4a–4j veranschaulichen
die einzelnen Verfahrensschritte einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens anhand schematischer Schnittansichten (untere Bildhälfte)
und entsprechender Draufsichten (obere Bildhälfte) einer
vierten Bauelementstruktur 400 während der Herstellung;
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5 zeigt
eine Variante des in 4f dargestellten Verfahrensschritts
zur Optimierung der Membranaufhängung;
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6a–6e veranschaulichen
eine Variante der in den 4f und 4g dargestellten
Verfahrensschritte zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Mikrofonbauelements 600;
und
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7a–7d veranschaulichen
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit einer Rückseitenprozessierung des Ausgangssubstrats.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Anhand
der 1a bis 1h wird
nachfolgend eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben, das hier beispielhaft zur Herstellung eines einfachen
mikromechanischen Mikrofons mit kapazitivem Wandlerprinzip eingesetzt wird.
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Das
Verfahren geht von einem p-dotierten Si-Substrat 1 aus.
In einem ersten Verfahrensschritt, der in 1a dargestellt
ist, wird eine n-Dotierung 2 in einen zusammenhängenden
gitterförmigen Bereich der Substratoberfläche
eingebracht. Dies kann beispielsweise durch Implantation oder Diffusion
erfolgen.
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Anschließend
soll das Si-Substrat 1 in einem Bereich 3 unterhalb
der n-dotierten Gitterstruktur 2 porös geätzt
werden. Dieser Bereich 3 ist in 1c dargestellt.
Davor wird zur lateralen Definition dieses Bereichs 3 eine
Silizium-Nitrid Si3N4-Maske 4 auf der Substratoberfläche
abgeschieden und entsprechend strukturiert, was in 1b dargestellt
ist.
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1c zeigt
die Substratstruktur nach einer Anodisierung der offenliegenden
Bereiche mittels Flusssäure (HF) und elektrischem Strom.
Durch die Anodisierung wird der p-dotierte Si-Bereich 3,
der nicht unter der Si3N4-Maske 4 liegt, porös
geätzt. Im Unterschied dazu wird das n-dotierte Silizium
der Gitterstruktur 2 während der Anodisierung
nicht angegriffen.
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Nach
der Anodisierung wird die Si3N4-Maske 4 wieder entfernt.
Anschließend erfolgt eine thermische Oxidation des porösen
Siliziums im Bereich 3, wobei oxPorSi entsteht, was in 1d dargestellt ist.
Dabei wird zwar auch die n-dotierte Gitterstruktur 2 oberflächlich
anoxidiert, sie bleibt aber im Kern einkristallin.
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Im
nächsten Verfahrensschritt wird eine Opferschicht 5 auf
der Substratoberfläche erzeugt. Dabei handelt es sich typischerweise
um ein Oxid, wie z. B. Tetra-Ethyl-Orthosilikat (TEOS). Diese Opferschicht 5 wird
strukturiert, wobei hier lediglich eine Kontaktöffnung 6 im
Randbereich der n-dotierten Gitterstruktur 2 erzeugt wird.
Ansonsten überdeckt die Opferschicht 5 die n-dotierte
Gitterstruktur 2 und den darunter liegenden oxPorSi-Bereich 3 vollständig, wie
aus 1e ersichtlich.
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Anschließend
erfolgt die Abscheidung einer dicken Epitaxieschicht 7,
die hier aus polykristallinem Silizium besteht. 1f verdeutlicht,
dass diese Epitaxieschicht 7 im Bereich der Kontaktöffnung 6 in
direktem Kontakt zur n-dotierten Gitterstruktur 2 steht. Die
Kontaktierung der n-dotierten Gitterstruktur 2 erfolgt über
Bondpads 8, die oberhalb dieses Kontaktbereichs angeordnet
werden, während Bondpads zur Kontaktierung der späteren
Backplane auf dem entsprechenden Bereich der Epitaxieschicht 7 angeordnet
werden. Dazu wird auf der dicken Epitaxieschicht 7 eine
Metallisierung abgeschieden und strukturiert. Die Metallisierung
besteht typischerweise aus Aluminium, wie z. B. AlSi-Cu.
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In
den beiden nun folgenden Verfahrensschritten werden die funktionalen
Strukturen des Bauelements 100, wie es in 1h dargestellt
ist, freigelegt. Zunächst wird die dicke Epitaxieschicht 7 strukturiert.
Die Strukturierung erfolgt hier in einem Deep-RIE Trenchprozess,
wobei der Trench auf der vergrabenen Opferschicht 5 stoppt,
was durch 1g veranschaulicht wird.
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In
einem Ätzschritt wird nun zunächst die Opferschicht 5 im
Bereich über der n-dotierten Gitterstruktur 2 entfernt
und anschließend auch das darunter liegende oxPorSi. Der Ätzangriff
erfolgt über die Trenchöffnungen 9 in
der dicken Epitaxieschicht 7. Um ein Verkleben der dünnen
Strukturen zu vermeiden, wird hier vorteilhafterweise HF-Gasphasenätzen
eingesetzt. Bei diesem Ätzschritt entsteht eine Kaverne 10 im
Si-Substrat 1, die von der nun freigelegten n-dotierten
Gitterstruktur 2 überspannt wird. Diese dient
als schalldruckempfindliche Membran 11. Über der
Membran 11 und in einem Abstand zu dieser befindet sich
die strukturierte Epitaxieschicht 7, die als feststehendes
Gegenelement 12 bzw. Backplane dient. Diese Bauelementstruktur 100 ist
in 1h dargestellt. Zur Wandlung von Schall in ein elektrisches
Signal werden die n-dotierte Membran 11 und die Backplane 12 kapazitiv
gegeneinander ausgewertet.
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2 veranschaulicht
eine Variante des voranstehend in Verbindung mit den 1a bis 1h beschriebenen
Verfahrens, die sich lediglich im Layout des zusammenhängenden
n-dotierten Bereichs 20 von der in 1a dargestellten
n-dotierten Gitterstruktur 2 unterscheidet. Der zusammenhängende n-dotierte
Bereich 20 setzt sich hier aus einer Gitterstruktur 21,
einem Rahmen 22 für die Gitterstruktur 21 und
vier stegartigen Federaufhängungen 23 zusammen, über
die die quadratische Gitterstruktur 21 an allen vier Seiten
mit dem Rahmen 22 verbunden ist. Der so präparierte
Halbleiterträger 200 wird dann wie in Verbindung
mit den 1b bis 1h beschrieben
prozessiert. Dabei entsteht eine „freischwebende” n-dotierte
gitterförmige Membran 21, die nur über
die vier stegartigen Federaufhängungen 23 mit
dem Rahmen 22 verbunden ist, der im Randbereich der Kaverne
angeordnet ist. Über das Design der Federaufhängungen 23,
d. h. Geometrie und Dicke, lassen sich die mechanischen bzw. akustischen Eigenschaften
der Membran 21 gezielt beeinflussen.
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Die 3a, 3b beziehen
sich auf eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei der die Membranaufhängung in der dicken Epitaxieschicht 37 erzeugt
wird. Diese Verfahrensvariante unterscheidet sich von der in Verbindung
mit den 1a bis 1h beschriebenen
Prozessführung zunächst nur in der Strukturierung
der Opferschicht 35, die über der n-dotierten
Gitterstruktur 32 erzeugt worden ist. Während
die Kontaktöffnung 6 in der Opferschicht 5 gemäß 1e im
Randbereich der n-dotierten Gitterstruktur 2 angeordnet
wurde, werden hier Kontaktöffnungen 36 über
der freizulegenden Gitterstruktur 32 erzeugt, so dass die
danach abgeschiedene dicke Epitaxieschicht 37 an mehreren Stellen über
dem oxPorSi-Bereich 33 in direktem Kontakt zu der freizulegenden
Gitterstruktur 32 steht, was besonders gut durch 3a veranschaulicht wird.
Die dicke Epitaxieschicht 37 wurde hier so strukturiert,
dass die als Trägerstrukturen 313 dienenden Bereiche
der dicken Epitaxieschicht 37 durch Trenchgräben 39 gegen
die Backplane 312 elektrisch isoliert sind.
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3b zeigt
die resultierende Bauelementstruktur 300 nach dem Entfernen
der Opferschicht 35 und des oxPorSi im Bereich 33.
Die in der strukturierten Epitaxieschicht 37 ausgebildeten
Trägerstrukturen 313 sind direkt mit der Membran 311 verbunden und über
die verbleibenden Bereiche der Opferschicht 35 gegen das
Si-Substrat 31 elektrisch isoliert. Schließlich
sei noch erwähnt, dass im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei Bondpads 381 und 382 auf der dicken Epitaxieschicht 37 erzeugt wurden.
Das Bondpad 381, das auf einer der Trägerstrukturen 313 angeordnet
ist, dient zum elektrischen Anschluss des Membran 311,
während die Backplane 312 über das Bondpad 382 angeschlossen
wird. Die Epitaxieschicht 37 wird hier also sowohl zur
Realisierung der mechanischen Membranaufhängung als auch
des elektrischen Anschlusses der Membran 311 verwendet.
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Anhand
der 4a bis 4j wird
eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben zur Herstellung eines Mikrofons mit optimierter mechanischer
Aufhängung und elektrischer Isolation bzw. Kontaktierung über
epitaktisches Poly-Si.
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Auch
diese Verfahrensvariante geht von einem p-dotierten Si-Substrat 41 aus.
In einem ersten Verfahrensschritt wird eine n-Dotierung in die Substratoberfläche
eingebracht, die einen quadratischen gitterförmigen Bereich 421 und
einen davon abgesetzten Rahmen 422 umfasst, was in 4a dargestellt
ist.
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4b zeigt,
dass anschließend eine Silizium-Nitrid Si3N4-Maske 44 auf
der Substratoberfläche abgeschieden wird. Diese Maske 44 definiert
die lateralen Abmessungen eines Bereichs 43, in dem das
Si-Substrat 41 unterhalb der n-dotierten Bereichs 421, 422 porös
geätzt wird, was in 4c dargestellt ist.
Danach wird die Si3N4-Maske 44 wieder entfernt. Das poröse
Silizium im Bereich 43 wird dann durch thermische Oxidation
in oxPorSi umgewandelt, was in 4d dargestellt
ist.
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Im
nächsten Verfahrensschritt wird eine erste Opferschicht 451 auf
der Substratoberfläche erzeugt. Dabei handelt es sich typischerweise
um ein Oxid, wie z. B. Tetra-Ethyl-Orthosilikat (TEOS). Diese Opferschicht 451 wird
strukturiert, wobei hier lediglich vier Kontaktöffnungen 46 über
dem quadratischen gitterförmigen Bereich 421 erzeugt
werden, wie aus 4e ersichtlich.
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Anschließend
erfolgt die Abscheidung und Strukturierung einer ersten dünnen
Epitaxieschicht 471 zur Realisierung einer mechanischen
Membranaufhängung und vergrabener Leiterbahnen. Dementsprechend
besteht die Epitaxieschicht 471 hier aus stark dotiertem,
polykristallinen Silizium. Nach der Strukturierung verbleiben lediglich
vier Bereiche dieser ersten Epitaxieschicht 471, was durch 4f verdeutlicht
wird. Jeder dieser Bereiche der Epitaxieschicht 471 erstreckt
sich vom Bereich des n-dotierten Rahmens 422 bis über
eine Kontaktöffnung 46, wo die Epitaxieschicht 471 in
direktem Kontakt zum n-dotierten gitterförmigen Bereich 421 steht.
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Über
der so strukturierten ersten Epitaxieschicht 471 wird eine
zweite Opferschicht 452 abgeschieden und strukturiert,
was in 4g dargestellt ist. Bei der
Strukturierung wird eine Öffnung 453 über
einem Epitaxieschichtbereich 471 erzeugt.
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4h zeigt,
dass dann eine zweite dicke Epitaxieschicht 472 abgeschieden
wird. Diese steht im Bereich der Öffnung 453 in direktem
Kontakt zum angrenzenden Epitaxieschichtbereich 471 und über die
entsprechende Kontaktöffnung 46 zum n-dotierten
gitterförmigen Bereich 421. Auf der dicken Epitaxieschicht 472 wird
zur Erzeugung von Bondpads 48 eine Metallisierung abgeschieden
und strukturiert.
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Erst
danach wird die dicke Epitaxieschicht 472 strukturiert,
was durch 4i veranschaulicht wird. Dabei
handelt es sich um den ersten Schritt zum Freilegen der funktionalen
Strukturen des Bauelements 400.
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In
einem Ätzschritt werden nun zunächst die Opferschichten 451 und 452 im
Bereich über der n-dotierten Gitterstruktur 421 entfernt
und anschließend auch das darunter liegende oxPorSi. Der Ätzangriff
erfolgt über die Trenchöffnungen 49 in
der dicken Epitaxieschicht 472. Bei diesem Ätzschritt
entsteht eine Kaverne 410 im Si-Substrat 41, über
die dann auch das Opferschichtmaterial zwischen der n-dotierten
Gitterstruktur 421 und der ersten dünnen Epitaxieschicht 471 herausgeätzt
wird. Die so freigelegte n-dotierte Gitterstruktur 421 ist über
die Epitaxieschichtbereiche 471 mit dem Randbereich der
Kaverne 410 verbunden, so dass sie die Kaverne 410 überspannt
und als schalldruckempfindliche Membran 411 dient. Über
der Membran 411 und in einem Abstand zu dieser befindet
sich die strukturierte dicke Epitaxieschicht 472, die als
feststehendes Gegenelement 412 bzw. Backplane dient. Diese
Bauelementstruktur 400 ist in 4j dargestellt.
Zur Wandlung von Schall in ein elektrisches Signal werden die n-dotierte
Membran 411 und die Backplane 412 kapazitiv gegeneinander
ausgewertet.
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Durch
die in Verbindung mit den 4a bis 4j beschriebene
Prozessführung ergibt sich eine vollständige elektrische
Isolation der frei schwebenden n-dotierten Membran 411 vom
Substrat 41. Dies bedeutet geringere parasitäre
Kapazitäten und geringere Leckströme. Auch hier
können die mechanischen und akustischen Eigenschaften der
Membran 411 über das Design, d. h. die Geometrie
und Dicke, der Aufhängungen 471 eingestellt werden.
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5 veranschaulicht
eine Variante des voranstehend in Verbindung mit den 4a bis 4j beschriebenen
Verfahrens, die sich lediglich im Layout der ersten Epitaxieschicht 571 von
der in 4f dargestellten strukturierten
ersten Epitaxieschicht 471 unterscheidet. Die einzelnen
nach der Strukturierung verbleibenden Epitaxieschichtbereiche 571 sind hier
als Federaufhängungen ausgelegt, über die die n-dotierte
quadratische Gitterstruktur 521 an allen vier Seiten mit
dem n-dotierten Rahmen 522 verbunden ist. Der so präparierte
Halbleiterträger 500 wird dann wie in Verbindung
mit den 4g bis 4j beschrieben
weiter prozessiert.
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Anhand
der 6a bis 6e wird
eine Variante des in den 4 bzw. 5 dargestellten
Verfahrens erläutert. Zur Herstellung eines Mikrofons mit verbesserter
Empfindlichkeit wird hier nicht nur die mechanische Membranaufhängung
durch Strukturierung einer ersten dünnen Epitaxieschicht 671 optimiert,
sondern auch eine mehrstufige Backplane 612 erzeugt, die
für den akustischen Schall „transparent” ist.
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Wie
im Fall der Verfahrensvariante gemäß den 4, wird über der n-Dotierung 621/622 in
der Oberfläche des Substrats 61 und über
dem oxPorSi-Bereich 63 eine erste Opferschicht 651 gebildet und
strukturiert, wobei vier Kontaktöffnungen 66 über der
quadratischen n-dotierten Gitterstruktur 621 erzeugt werden,
die in einem n-dotierten Rahmen 622 ausgebildet ist. Anschließend
wird eine erste dünne Epitaxieschicht 671 abgeschieden
und strukturiert. Danach verbleiben zum einen vier als Federaufhängungen
ausgelegte Bereiche dieser ersten Epitaxieschicht 671,
die sich jeweils vom Randbereich der zu erzeugenden Kaverne bis über
eine Kontaktöffnung 66 erstrecken, wo die Epitaxieschicht 671 in
direktem Kontakt zur n-dotierten Gitterstruktur 621 steht.
Zum anderen wird bei der Strukturierung der ersten Epitaxieschicht 671 eine
Art Raster über dem Membranbereich erzeugt. Die Geometrie
der verbleibenden Epitaxieschichtbereiche 671 wird besonders gut
durch die Draufsicht der 6a veranschaulicht.
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Über
der so strukturierten ersten Epitaxieschicht 671 wird eine
zweite Opferschicht 652 abgeschieden und strukturiert,
was in 6b dargestellt ist. Bei der
Strukturierung der zweiten Opferschicht 652 wird zum einen
eine Öffnung 653 über einem Epitaxieschichtbereich 671 erzeugt,
der in elektrischem Kontakt zur n-dotierten Gitterstruktur 621 steht,
und zum anderen eine Grabenstruktur 654, die zumindest
teilweise dem Raster in der strukturierten Epitaxieschicht 671 über
dem Membranbereich entspricht.
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Im
Bereich dieser Grabenstruktur 654 wächst die nachfolgend
abgeschiedene zweite dicke Epitaxieschicht 672 direkt auf
der ersten dünnen Epitaxieschicht 671 auf, was
in 6c dargestellt ist.
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6d zeigt
die Bauelementstruktur 600 nach der Strukturierung der
zweiten dicken Epitaxieschicht 672, und 6e zeigt
die Bauelementstruktur 600 nach dem Entfernen der Opferschichten 651 und 652 im
Membranbereich. Dabei ist eine mehrstufige Backplane 612 entstanden,
die durch den Rasterbereich der ersten Epitaxieschicht 671 in Verbindung
mit den darüber liegenden Bereichen der zweiten dicken
Epitaxieschicht 672 gebildet wird. Die Membran 611,
die durch die n-dotierte Gitterstruktur 621 gebildet wird,
wurde durch Entfernen des darunter liegenden oxPorSi 63 freigelegt.
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In
Verbindung mit den 7a bis 7d wird
eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben, die mit allen vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten
kombinierbar ist und die Realisierung eines Rückseitenzugangs
vorsieht. Dieser dient entweder zur Vergrößerung
des Rückvolumens der Membran oder auch der Schalleinleitung. Die 7a bis 7d zeigen
nur die für die Realisierung des Rückseitenzugangs
erforderlichen Verfahrensschritte.
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7a zeigt
den Zustand eines erfindungsgemäß prozessierten
Halbleiterträgers 700 vor dem Beginn der Rückseitenprozessierung.
Diese Figur entspricht 4h.
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7b veranschaulicht
die mehrstufige Strukturierung der Substratrückseite, die
beispielsweise durch Trenchen erfolgen kann. In einem ersten Schritt
wird dabei ein Trench 701 bis kurz vor den oxPorSi Bereich 43 durchgeführt.
In einem zweiten Schritt wird dann der Boden dieses Trench strukturiert.
Dazu kann ein fotolithographisches Verfahren, beispielsweise unter
Verwendung einer Sprühbelackung, eingesetzt werden. Anschließend
kann der zweite Trench durchgeführt werden, der dann bis
in den oxPorSi Bereich 43 hineinführt und das
oxidierte PorSi als Stoppschicht nutzt. Dabei entsteht eine Substratstruktur 701 unterhalb
der zu erzeugenden Membran und eine Zugangsöffnung 702.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Rückseitenprozessierung
damit abgeschlossen.
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Die 7c und 7d entsprechen
den 4i und 4j. Sie
veranschaulichen die abschließenden Prozessschritte, die
wieder auf der Substratvorderseite stattfinden. Zunächst
wird gemäß 7c die
zweite dicke Epitaxieschicht 472 strukturiert, um dann
gemäß 7d die
Opferschichten 451 und 452 zusammen mit dem oxPorSi
im Membranbereich und darunter zu entfernen. Die unterhalb der dabei
entstehenden Kaverne 410 verbleibende Substratstruktur 701 bildet
eine zweite rückseitige Backplane für die Membran 411.
Bei Kontaktierung der zweiten Backplane kann auf diese Weise auch
eine differentielle und damit besonders empfindliche Auswertung
erfolgen.
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Abschließend
sei noch darauf hingewiesen, dass sich das erfindungsgemäße
Verfahren auch sehr gut zur Herstellung anderer mikromechanischer Sensoren
eignet. Das Verfahren bietet mindestens zwei unabhängig
voneinander elektrisch wie auch mechanisch strukturierbare Schichten,
nämlich die einkristalline n-dotierte Schicht und mindestens
eine Epitaxieschicht. Die Kopplung dieser beiden Schichten kann
frei wählbar an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
Dabei sind sowohl elektrische als auch mechanische Brücken
einfach realisierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004036032
A1 [0003]