DE102008062499A1

DE102008062499A1 - Mems-Bauelemente und Verfahren zur Herstellung derselben

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Publication number: DE102008062499A1
Application number: DE102008062499A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Raberg; Florian Schoen; Werner Weber; Bernhard Winkler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: US8198690B2; DE102008062499B4; US9266719B2; US20090179286A1; US7851875B2; US20100301434A1; US20120164774A1

Abstract

Es werden Mikroelektromechanisches-System-Bauelemente (MEMS-Bauelemente) und Verfahren zur Herstellung derselben offenbart. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement ein erstes halbleitendes Material und zumindest einen in dem ersten halbleitenden Material angeordneten Graben, wobei der zumindest eine Graben eine Seitenwand aufweist. Über einen oberen Abschnitt der Seitenwand des zumindest einen Grabens in dem ersten halbleitenden Material und über einen Abschnitt einer oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials neben der Seitenwand ist eine Isoliermaterialschicht angeordnet. Ein zweites halbleitendes Material oder ein leitfähiges Material ist in dem zumindest einen Graben und zumindest über die Isoliermaterialschicht angeordnet, die über den Abschnitt der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials neben der Seitenwand angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von MEMS-Bauelementen (MEMS = microelectromechanical system, mikroelektromechanisches System) und insbesondere auf die Herstellung von Resonatoren und anderen beweglichen Elementen von MEMS-Bauelementen.
MEMS-Bauelemente umfassen eine relativ neue Technologie, die Halbleiter mit sehr kleinen mechanischen Bauelementen kombiniert. MEMS-Bauelemente sind in Mikrobearbeitung hergestellte Sensoren, Betätigungsglieder und andere Strukturen, die durch die Hinzufügung, das Wegnehmen, die Modifikation und Strukturierung von Materialien unter Verwendung von Techniken, die ursprünglich für die Integrierte-Schaltung-Industrie entwickelt wurden, gebildet werden. MEMS-Bauelemente werden bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. bei Sensoren für Bewegungssteuerungen, Tintenstrahldrucker, Airbags, Mikrofone und Gyroskope. Die Anwendungen, bei denen MEMS-Bauelemente eingesetzt werden, nehmen weiterhin zu und umfassen derzeit Anwendungen wie z. B. Mobiltelefone, Automobile, globale Positionsbestimmungssysteme (GPS – global positioning systems), Videospiele, Unterhaltungselektronik, Automobilsicherheit und Medizintechnologie, um einige Beispiele zu nennen.
Die Herstellung von MEMS-Bauelementen stellt in vielerlei Hinsicht eine Herausforderung dar. Ein Erzeugen kleiner beweglicher Teile von MEMS-Bauelementen anhand von in der Halbleitertechnologie verwendeten Lithographieverfahren weist bei vielen Anwendungen Einschränkungen auf. Ein Verringern der Größe von Zwischenräumen zwischen beweglichen und ortsfesten Teilen von MEMS-Bauelementen ist auf minimale Strukturgrößen beschränkt, die beispielsweise unter Verwendung eines bestimmten Lithographiesystems und -verfahrens druckfähig sind.
Somit werden in der Technik verbesserte Strukturen für MEMS-Bauelemente und Verfahren zur Herstellung derselben benötigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Mikroelektromechanisches-System-Bauelemente (MEMS-Bauelemente) sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch Mikroelektromechanisches-System-Bauelemente gemäß Anspruch 1 und 9 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.
Durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die neuartige MEMS-Bauelemente und Verfahren zur Herstellung derselben liefern, werden diese und andere Probleme allgemein gelöst oder umgangen und werden allgemein technische Vorteile erzielt, wobei eine Opferschicht aus Isoliermaterial dazu verwendet wird, neuartige MEMS-Strukturen zu bilden, die sublithographische Abmessungen aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein MEMS-Bauelement ein erstes halbleitendes Material und zumindest einen in dem ersten halbleitenden Material angeordneten ersten Graben. Der zumindest eine Graben weist eine Seitenwand auf. Eine Schicht aus Isoliermaterial ist über einen oberen Abschnitt der Seitenwand des zumindest einen Grabens in dem ersten halbleitenden Material und über einen Abschnitt einer oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials neben der Seitenwand angeordnet. Ein zweites halbleitendes Material oder ein leitfähiges Material ist in dem zumindest einen Graben und zumindest über die Isoliermaterialschicht angeordnet, die über den Abschnitt der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials neben der Seitenwand angeordnet ist.
Im Vorstehenden wurden die Merkmale und technischen Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ziemlich grob umrissen, um ein besseres Verständnis der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung zu vermitteln. Nachstehend werden zusätzliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben, die den Gegenstand der Patentansprüche der Erfindung bilden. Fachleuten sollte einleuchten, dass das Konzept und die spezifischen offenbarten Ausführungsbeispiele ohne weiteres als Basis zum Modifizieren oder Entwerfen anderer Strukturen oder Verfahren zum Erfüllen derselben Zwecke der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Fachleuten sollte auch einleuchten, dass derartige äquivalente Konstruktionen nicht von der Wesensart und dem Schutzumfang der Erfindung, wie sie bzw. er in den angehängten Patentansprüchen dargelegt ist, abweichen.
Zum Zweck eines umfassenderen Verständnisses der vorliegenden Erfindung und der Vorteile derselben wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 4 Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements in verschiedenen Stufen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei eine dünne Isoliermaterialschicht dazu verwendet wird, einen Raum oder Zwischenraum zwischen zwei halbleitenden Merkmalen zu bilden;
5 bis 9 Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements in verschiedenen Stufen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine Draufsicht auf das in 9 gezeigte MEMS-Bauelement, wobei das MEMS-Bauelement einen rechteckförmigen Resonator aufweist;
11 bis 13 Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements in verschiedenen Stufen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die dünne Isoliermaterialschicht, die dazu verwendet wird, den Zwischenraum zu bilden, auf oberen Oberflächen von Merkmalen eine größere Dicke aufweist als an Seitenwänden derselben;
14 bis 16 Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements in verschiedenen Stufen gemäß einem wieder anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die zum Bilden des Zwischenraums verwendete dünne Isoliermaterialschicht an Seitenwänden von Merkmalen eine größere Dicke aufweist als auf oberen Oberflächen derselben; und
17 eine Draufsicht eines wieder anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem das MEMS-Bauelement einen kreisförmigen Resonator umfasst.
Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein auf entsprechende Teile, wenn nichts anderes angegeben ist. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung deutlich zu veranschaulichen, und sie sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet.
Die Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend ausführlich erörtert. Jedoch sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte liefert, die in einer großen Vielfalt spezifischer Zusammenhänge verkörpert werden können. Die erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele sind lediglich eine Veranschaulichung spezifischer Möglichkeiten, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sie schränken den Schutzumfang der Erfindung nicht ein.
MEMS-Resonatoren bieten im Vergleich zu Quarz-Resonatoren beträchtliche Vorteile in Bezug auf Größe, Stoßfestigkeit, Verhalten bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie Integrierbarkeit in Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-Schaltungsanordnungen (CMOS-Schaltungsanordnungen, CMOS = complementary metal oxide semiconductor). Eine Herausforderung bei MEMS-Bauelementen ist die hohe Bewegungswiderstandsfähigkeit des Bauelements im Vergleich zu Quarz, was einen direkten Ersatz eines Quarz-Resonators durch einen Silizium-Resonator bei manchen Anwendungen verhindert. Außerdem werden oft hohe Spannungen zwischen den Elektroden benötigt, um ein ausreichendes Signal zu erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern Strukturen für elektrostatisch betätigte Silizium-MEMS-Resonatoren und Verfahren zur Herstellung derselben. Die neuartigen MEMS-Bauelemente weisen sublithographische vertikale Zwischenräume, die Abmessungen von nur einigen wenigen Nanometern aufweisen, zwischen kristallinen Siliziumelektroden auf. Die MEMS-Bauelemente weisen hohe Resonatorqualitätsfaktoren und hervorragende Elektrische-Kopplung-Faktoren auf, was zu geringen Bewegungswiderstandsfähigkeitswerten für MEMS-Resonatoren und geringen Betätigungsspannungen, die mit standardmäßigen CMOS-Schaltungsanordnungen kompatibel sind, führt.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf Ausführungsbeispiele in spezifischen Kontexten beschrieben, nämlich in MEMS-Bauelementen implementiert, die bewegliche Elemente aufweisen, die Resonatoren aufweisen. Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch bei anderen Anwendungen implementiert werden, z. B. bei MEMS-Bauelementen, die Sensoren, Betäti gungsglieder, Beschleunigungsmessgeräte umfassen, und bei anderen MEMS-Strukturen, die beispielsweise lose oder bewegliche Teile und Elemente aufweisen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erzielen technische Vorteile, indem sie neuartige MEMS-Bauelemente und Verfahren zur Herstellung derselben liefern. 1 bis 4 zeigen Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements 100 in verschiedenen Stufen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine dünne Isoliermaterialschicht dazu verwendet wird, einen Raum oder Zwischenraum zwischen zwei halbleitenden Merkmalen oder zwischen einem halbleitenden Merkmal und einem leitfähigen Merkmal zu bilden.
Unter Bezugnahme zunächst auf 1 ist, um das MEMS-Bauelement 100 herzustellen, ein Arbeitsstück 102 vorgesehen. Das Arbeitsstück 102 kann ein Halbleitersubstrat 104 oder einen Körper umfassen, der Silizium oder andere Halbleitermaterialien aufweist, die beispielsweise durch eine Isolierschicht 106 bedeckt sind. Das Arbeitsstück 102 kann auch andere, nicht gezeigte aktive Komponenten oder Schaltungen umfassen. Das Arbeitsstück 102 kann andere leitfähige Schichten oder andere Halbleiterelemente, z. B. Transistoren, Dioden usw., umfassen. Anstelle von Silizium können Verbindungshalbleiter, beispielsweise GaAs, InP, Si/Ge oder SiC, verwendet werden. Das Substrat 104 weist bei manchen Ausführungsbeispielen vorzugsweise zum Beispiel Einkristall-Silizium auf, obwohl das Substrat 104 alternativ dazu amorphes Silizium oder polykristallines Silizium (Polysilizium) aufweisen kann.
Das Arbeitsstück 102 umfasst eine über das Substrat 104 angeordnete Isolierschicht 106. Die Isolierschicht 106 weist vorzugsweise eine Dicke von z. B. etwa 500 nm auf, obwohl die Isolierschicht 106 alternativ dazu auch andere Abmessungen aufweisen kann. Die Isolierschicht 106 kann Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Kombinationen derselben aufweisen, obwohl auch andere Isolatoren verwendet werden können. Die Isolierschicht 106 wird hierin auch als vergrabene Oxidschicht bezeichnet.
Über die Isolierschicht 106 ist ein halbleitendes Material 108 angeordnet. Das halbleitende Material 108 kann eine Dicke von etwa 1 bis 20 μm aufweisen, und es kann bei manchen Anwendungen eine Dicke von zum Beispiel etwa 10 μm aufweisen. Das halbleitende Material 108 umfasst vorzugsweise ähnliche Materialien, wie sie beispielsweise für das Substrat 104 beschrieben wurden. Alternativ dazu kann das halbleitende Material 108 auch andere Materialien und Abmessungen aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das halbleitende Material 108 vorzugsweise Einkristall-Silizium. Das halbleitende Material 108 kann auch amorphes Silizium oder Polysilizium umfassen. Das halbleitende Material 108 wird hierin auch als erstes halbleitendes Material bezeichnet.
Das Arbeitsstück 102 umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen beispielsweise ein Silizium-Auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat, SOI = silicon an insulator). Alternativ kann ein Substrat 104, das massives Silizium umfasst, vorgesehen sein, kann die Isolierschicht 106 über das Substrat 104 gebildet sein und kann das erste halbleitende Material 108 über die Isolierschicht 106 gebildet sein. Das Arbeitsstück 102 umfasst das Substrat 104, die Isolierschicht 106 und das erste halbleitende Material 108.
In dem ersten halbleitenden Material 108 ist zumindest ein Graben 110 gebildet, wie in 1 gezeigt ist. In den 1 bis 4 ist lediglich ein Graben 110 gezeigt; jedoch ist vorzugsweise z. B. eine Mehrzahl von Gräben 110 gleichzeitig über die Oberfläche des Arbeitsstücks 102 hinweg gebildet. Der Graben 110 kann gebildet werden, indem eine Schicht aus lichtempfindlichem Material (nicht gezeigt) über das Arbeitsstück 102 aufgebracht wird, indem die Schicht des lichtempfindlichen Materials unter Verwendung einer Lithographiemaske und eines Lithographiesystems (ebenfalls nicht gezeigt) strukturiert wird, indem die Schicht aus lichtempfindlichem Material entwickelt wird und indem die Schicht aus lichtempfindlichem Material als Maske verwendet wird, während freiliegende Abschnitte des halbleitenden Materials 108 weggeätzt werden.
Der Graben 110 weist vorzugsweise eine Breite von mehreren hundert nm bis etwa ein μm oder mehr sowie eine Tiefe auf, die beispielsweise die gesamte Dicke des halbleitenden Materials 108 umfasst. Alternativ dazu kann der Graben 110 andere Abmessungen aufweisen.
Der Graben 110 ist vorzugsweise in einer ersten Region 112 des Arbeitsstücks 102 gebildet. Die erste Region 112 des Arbeitsstücks 102 kann eine Region umfassen, in der beispielsweise eine Elektrode oder ein anderes Element eines MEMS-Bauelements 100 gebildet wird. Die erste Region 112 des Arbeitsstücks 102 umfasst vorzugsweise eine Region, bei der bei manchen Ausführungsbeispielen ein Abschnitt des ersten halbleitenden Materials 108 an dem Substrat 104 anhaften oder befestigt bleibt. Die erste Region 112 ist zu einer zweiten Region 114 des Arbeitsstücks 102 benachbart, wie gezeigt ist. Die zweite Region 114 umfasst eine Region, in der später Trägermaterial um einen Abschnitt des halbleitenden Materials 108 herum beseitigt wird. Die zweite Region 114 wird hierin beispielsweise auch als Freigaberegion bezeichnet. Die zweite Region 114 umfasst eine Region, in der beispielsweise ein Resonator oder ein anderes bewegliches Element des MEMS-Bauelements 100 gebildet wird.
Der in dem ersten halbleitenden Material 108 gebildete zumindest eine Graben 110 weist eine erste Seitenwand, z. B. die in 1 gezeigte linke Seitenwand, und eine zweite, der ersten Seitenwand gegenüberliegende Seitenwand, z. B. die rechte Seitenwand in 1, auf. Nachdem der Graben 110 gebildet ist, wird die obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht 106 am Boden des Grabens 110 freiliegend gelassen, wie gezeigt ist.
Eine Isoliermaterialschicht 115 ist über die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108, die erste und die zweite Seitenwand des zumindest einen Grabens 110 in dem ersten halbleitenden Material 116 und die freiliegende obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht 106 gebildet, wie in 2 gezeigt ist. Die Isoliermaterialschicht 115 umfasst in der zweiten Region 114 des Arbeitsstücks 102 eine Opfermaterialschicht. Die Isoliermaterialschicht 115 wird später aus der zweiten Region 114 und aus Abschnitten der ersten Region 112 beseitigt. Abschnitte der Isoliermaterialschicht 115 verbleiben neben der ersten Seitenwand, und verkleiden diese weiterhin, um ein zweites halbleitendes Material 116 in der ersten Region 112 an das erste halbleitende Material 108 anzuhaften, wie nachstehend näher beschrieben wird. Die Isoliermaterialschicht 115 wird bezüglich des in 5 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispiels hierin z. B. auch als zweite Isoliermaterialschicht bezeichnet.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 weist die Isoliermaterialschicht 115 bei manchen Ausführungsbeispielen beispielsweise vorzugsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid auf, das als sehr dünner Film aufgebracht ist und eine Dicke von etwa 100 nm oder weniger aufweist. Die Isoliermaterialschicht 115 kann anhand von Dünnfilmaufbringung oder anhand eines Ofenverfahrens wie z. B. Oxidation oder Nitridhärtung gebildet werden. Die Isoliermaterialschicht 115 kann auch unter Verwendung von bei niedrigem Druck stattfindender chemischer Aufdampfung (LPCVD – low pressure chemical vapor deposition) oder Atomschichtaufbringung (ALD – atomic layer deposition) aufgebracht werden. Die Isoliermaterialschicht 115 kann beispielsweise LPCVD-Tetraethyloxysilan (TEOS) umfassen. Die Isoliermaterialschicht 115 kann beispielsweise andere Materialien und Abmessungen aufweisen und kann unter Verwendung anderer Verfahren aufgebracht werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Isoliermaterialschicht 115 konform und weist auf oberen Oberflächen und an den Seitenwänden des Grabens 110 im Wesentlichen dieselbe Abmessung auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Isoliermaterialschicht 115 nicht-konform, was unter Bezugnahme auf die in den 11 bis 16 gezeigten Ausführungsbeispiele hierin noch näher beschrieben wird.
Ein Material 116 ist über die Isoliermaterialschicht 115 angeordnet. Das Material 116 wird bei manchen Ausführungsbeispielen hierin beispielsweise auch als zweites halbleitendes Material oder leitfähiges Material 116 bezeichnet. Das Material 116 füllt den zumindest einen Graben 110 und bedeckt die Isoliermaterialschicht 115. Das Material 116 kann eine Dicke von etwa 20 bis 100 nm oder mehr über einer oberen Oberfläche der Isoliermaterialschicht 115, z. B. über die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 aufweisen, obwohl das Material 116 alternativ dazu auch andere Abmessungen aufweisen kann. Das Material 116 umfasst vorzugsweise ein Material, das einem nachfolgenden Ätzvorgang für die Opferschicht, z. B. die Isoliermaterialschicht 115, gegenüber resistent ist.
Das Material 116 kann ein zweites halbleitendes Material umfassen, das ein Halbleitermaterial wie z. B. Polysilizium umfasst, obwohl die Schicht aus dem zweiten halbleitenden Material 116 andere Materialien umfassen kann, als Beispiele z. B. amorphes oder kristallines Silizium. Das zweite halbleitende Material 116 kann dotiert sein, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das zweite halbleitende Material 116 vorzugsweise Polysilizium, das mit einem Dotanden wie z. B. As, B oder P dotiert ist, um die Leitfähigkeit zu verbessern, obwohl alternativ auch andere Dotanden verwendet werden können. Das zweite halbleitende Material 116 kann in situ dotiertes Polysilizium umfassen, das unter Verwendung von beispielsweise LPCVD oder anderen Ver fahren aufgebracht ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das zweite halbleitende Material 116 beispielsweise amorphes oder Einkristall-Silizium umfassen.
Das Material 116 kann bei manchen Ausführungsbeispielen auch ein leitfähiges Material umfassen. Das leitfähige Material 116 kann ein Metall wie z. B. W, Al oder andere Metalle, die beispielsweise mit den Bearbeitungsverfahren des MEMS-Bauelements 100 kompatibel sind, umfassen. Das leitfähige Material 116 kann auch eine oder mehrere Verkleidungen umfassen, die beispielsweise mit einer oder mehreren Schichten oder Legierungen dieser Metalle kombiniert sind.
Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 wird unter Verwendung einer Schicht aus lichtempfindlichem Material und eines Lithographieverfahrens strukturiert, wobei Abschnitte des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 von der oberen Oberfläche der Isoliermaterialschicht 115 entfernt werden, wie in 2 gezeigt ist. Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 kann beispielsweise unter Verwendung eines nasschemischen Ätzvorgangs strukturiert werden, obwohl auch andere Verfahren verwendet werden können. Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 wird in dem zumindest einen Graben 110 und über einen Abschnitt der Isoliermaterialschicht 115 auf der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 neben zumindest der ersten Seitenwand des zumindest einen Grabens 110 belassen.
Beispielsweise erstreckt sich das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 nach dem Strukturieren vorzugsweise von der ersten Seitenwand um eine Abmessung d₁ neben der ersten Seitenwand, z. B. auf der linken Seite des Grabens 110, über das erste halbleitende Material 108. Die Abmessung d₁ kann z. B. etwa 0,5 bis 5 μm betragen, obwohl die Abmessung d₁ alternativ auch andere Beträge aufweisen kann. Die Abmessung d₁ wird hierin auch als erste Abmessung be zeichnet. Die Abmessung d₁ ist vorzugsweise relativ breit, so dass ein Abschnitt der Isoliermaterialschicht 115 nach dem anschließenden Ätzvorgang der Isoliermaterialschicht 115 unter dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 verbleibt, was hierin nachstehend näher beschrieben werden soll.
Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 erstreckt sich vorzugsweise von der zweiten Seitenwand um eine Abmessung d₂ neben der zweiten Seitenwand, z. B. auf der rechten Seite des Grabens 110, über das erste halbleitende Material 108. Die Abmessung d₂ kann z. B. etwa 400 nm oder weniger betragen, obwohl die Abmessung d₂ alternativ auch andere Beträge aufweisen kann. Die Abmessung d₂ wird hierin auch als zweite Abmessung bezeichnet. Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 kann sich beispielsweise um etwa 10 bis 100 nm über der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 erstrecken.
Die Abmessung d₁ ist vorzugsweise größer als die Abmessung d₂. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Abmessung d₁ beispielsweise um etwa 50% größer als die Abmessung d₂. Die relative Größe der Abmessungen d₁ und d₂ wird vorzugsweise gesteuert, um zu gewährleisten, dass ein vorbestimmter Anteil oder Abschnitt der Isoliermaterialschicht 115 beispielsweise nach dem anschließenden Ätzvorgang der Isoliermaterialschicht 115 unter dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 verbleibt.
Auf Grund von Lithographieschwankungen kann der Anteil oder die Abmessung d₂, mit dem bzw. mit der sich das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 über die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 neben der zweiten Seitenwand erstreckt, variieren, z. B. von einem Rand 118 bis zu einem Rand 120, wie sie in der 2 gestrichelt gezeigt sind. Jedoch ist der Rand 118 oder 120 des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 zumin dest über die Isoliermaterialschicht 115 angeordnet, die entlang der zweiten Seitenwand angeordnet ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Stärker bevorzugt ist der Rand 118 oder 120 des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 beispielsweise über einen Abschnitt des ersten halbleitenden Materials 108 angeordnet. Die Abmessung d₂ ist gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beispielsweise vorzugsweise ein positiver Wert; jedoch kann die Abmessung d₂ alternativ dazu auch null betragen.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist der Rand des Grabens des aktiven Zwischenraums 124, der später geätzt werden soll, sorgfältig definiert, um den Rand des Hebels des Resonators oder beweglichen Elements 130 (siehe 3), der aus dem ersten halbleitenden Material 108 auf der rechten Seite der 2 in der Freigaberegion 114 gebildet ist, gut zu definieren. Lithographieschwankungen, z. B. von dem Rand 118 bis 120, in 2 gezeigt, werden bei der Definition des Randes des aktiven Zwischenraums 124 vorzugsweise berücksichtigt. Um dies zu erzielen, ist die Elektrode oder das zweite halbleitende Material oder das leitfähige Material 116 dahin gehend definiert, die kleine Überlappung der Abmessung d₂, die je nach der verwendeten Prozesstechnologie bei manchen Ausführungsbeispielen etwa 100 bis 400 nm aufweist, mit dem darunter liegenden Bauelement, z. B. über das erste halbleitende Material 108, aufzuweisen. Im Gegensatz zu dem aktiven Zwischenraum 124 ist der elektrisch inaktive Zwischenraum 122 vor dem Ätzmittel des anschließenden Ätzvorgangs, der dazu verwendet wird, die Isoliermaterialschicht 115 von dem aktiven Zwischenraum 124 zu entfernen, durch die große Überlappung, die Abmessung d₁ aufweist, die etwa 0,5 μm bis mehrere, z. B. 5, μm beträgt, zwischen der Elektrode oder dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 und der Bauelementschicht oder dem ersten leitfähigen Material 108 neben dem inaktiven Zwischenraum 122 geschützt. Beispielsweise ist die Überlappung auf der linken Seite, die die Abmessung d₁ aufweist, dahin gehend entworfen, viel breiter zu sein als z. B. die Höhe des aktiven Zwischenraums 124, wobei die Höhe des aktiven Zwischenraums 124 gemäß manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen gleich der Dicke des ersten halbleitenden Material 108 ist.
Abschnitte der Isoliermaterialschicht 115 werden anschließend unter Verwendung eines Ätzvorgangs beseitigt, wie in 3 gezeigt ist. Die Region 122, die die Isoliermaterialschicht 115 neben der ersten Seitenwand aufweist, weist einen inaktiven Zwischenraum auf, und die Region 124 neben der zweiten Seitenwand weist einen aktiven Zwischenraum auf. Zumindest ein Abschnitt der Isoliermaterialschicht 115 wird in dem inaktiven Zwischenraum 122 belassen, und vorzugsweise wird die ganze Isoliermaterialschicht 115 aus dem aktiven Zwischenraum 124 beseitigt. Der aktive Zwischenraum 124 wird hierin beispielsweise auch als erster Zwischenraum 124 bezeichnet.
Beispielsweise nach dem Strukturieren des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 wird das MEMS-Bauelement 100 einem Ätzvorgang, z. B. einem nasschemischen Ätzvorgang, unterworfen, um Abschnitte der Isoliermaterialschicht 115 zu entfernen. Alternativ dazu können auch andere Ätzverfahren dazu verwendet werden, Abschnitte der Isoliermaterialschicht 115 zu beseitigen. Der Ätzvorgang beseitigt die gesamte Isoliermaterialschicht 115 von der freiliegenden oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108. Das Ätzmittel des Ätzvorgangs tritt auch in die Öffnungen 132 auf der linken und der rechten Seite des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116, z. B. unter dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116, ein, wodurch Abschnitte der Isoliermaterialschicht 115 unter dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 beseitigt werden.
Beispielsweise wird die Isoliermaterialschicht 115 um einen Anteil oder eine Abmessung d₃ lateral von unterhalb des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 beseitigt. Ein Abschnitt der Isoliermaterialschicht 115 wird neben der ersten Seitenwand und dem inaktiven Zwischenraum 122 belassen, wie gezeigt ist. Der Abschnitt der belassenen Isoliermaterialschicht 115 weist eine Abmessung d₄ auf, die sich entlang der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 von dem inaktiven Zwischenraum 122 weg erstreckt. Die beseitigte Isoliermaterialschicht 115 unterhalb des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 bildet einen Zwischenraum 125, der eine Abmessung d₅ aufweist, die im Wesentlichen gleich z. B. der Dicke der Isoliermaterialschicht 115 ist. Der Zwischenraum 125 weist eine Breite auf, die sich von dem inaktiven Zwischenraum 122 der Abmessung d₃ weg erstreckt.
Der Ätzvorgang führt auch zur Beseitigung der Isoliermaterialschicht 115 neben der zweiten Seitenwand und dem aktiven Zwischenraum 124. Das Ätzmittel des Ätzvorgangs dringt in die Öffnung 132 neben der zweiten Seitenwand ein und führt zur vollständigen Beseitigung der Isoliermaterialschicht 115 von der zweiten Seitenwand und dem aktiven Zwischenraum 124, wie in 3 gezeigt ist. Die Dicke des aktiven Zwischenraums 124 weist eine Abmessung d₆ auf, die im Wesentlichen gleich z. B. der Dicke der Isoliermaterialschicht 115 an der zweiten Seitenwand vor der Beseitigung der Isoliermaterialschicht 115 ist.
An diesem Punkt kann die Isoliermaterialschicht 115 unter dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 in dem zumindest einen Graben 110 belassen werden, wie gezeigt ist. Die Isoliermaterialschicht 115 befindet sich auch entlang der ersten Seitenwand in dem inaktiven Zwischenraum 122 und zwischen der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 und des zweiten halbleitenden Materials o der leitfähigen Materials 116 neben der ersten Seitenwand, z. B. zur rechten Seite des Zwischenraums 125.
Die Isoliermaterialschicht 115 weist eine dünne Opferschicht auf, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dazu verwendet wird, die Dicke des aktiven Zwischenraums 124 zu definieren. Die Dicke und Abmessungen der Isoliermaterialschicht 115 bestimmen die Abmessungen der Zwischenräume 124 und 125, die gebildet werden, wenn Abschnitte des Isoliermaterials 115 beseitigt werden. Nach dem Aufbringen der Isoliermaterialschicht 115 kann die Isoliermaterialschicht 115 beispielsweise eine Abmessung d₅ auf oberen Oberflächen, z. B. auf der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 und auf der unteren Oberfläche des Grabens 110, z. B. auf der oberen Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht 106, aufweisen. Die Isoliermaterialschicht 115 kann eine Abmessung d₆ an Seitenwänden des Grabens 110 aufweisen. Bei dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Isoliermaterialschicht 115 konform und weist an den Seitenwänden des Grabens 110 und den oberen Oberflächen des ersten halbleitenden Materials 108 und der vergrabenen Oxidschicht 106 im Wesentlichen dieselbe Abmessung auf. Somit sind die Abmessung d₅ und d₆ bei diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise im Wesentlichen gleich.
Wenn Abschnitte der Isoliermaterialschicht 115 beseitigt sind, weist der Zwischenraum 125 die Abmessung d₅ auf, die durch die Abmessung d₅ der Isoliermaterialschicht 115 auf der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 vor der Beseitigung der Isoliermaterialschicht 115 definiert wurde. Die Öffnung 132 neben der ersten Seitenwand und dem inaktiven Zwischenraum 122 weist beispielsweise ebenfalls im Wesentlichen die Abmessung d₅ auf. Gleichermaßen weist der aktive Zwischenraum 124 dann, wenn Abschnitte der Isoliermaterialschicht 115 beseitigt sind, die Abmessung d₆ auf, die durch die Abmessung d₆ der Isoliermaterialschicht 115 an den Seitenwänden des ersten halbleitenden Materials 108 vor der Beseitigung der Isoliermaterialschicht 115 definiert ist. Die Öffnung 132 neben der zweiten Seitenwand und dem aktiven Zwischenraum 124 weist die Abmessung d₅ auf, z. B. die Abmessung d₅ der Isoliermaterialschicht 115 auf der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 neben der zweiten Seitenwand vor der Beseitigung der Isoliermaterialschicht 115.
Da das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 eine größere Breite (z. B. Abmessung d₁) über das erste halbleitende Material 108, das sich von der ersten Seitenwand weg erstreckt, aufweist als die Breite (z. B. Abmessung d₂) des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 über das erste halbleitende Material 108, das sich von der zweiten Seitenwand weg erstreckt, verbleibt nach dem Ätzvorgang für die Isoliermaterialschicht 115 vorteilhafterweise ein Abschnitt der Isoliermaterialschicht 115 weiterhin zwischen der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 und dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 neben der ersten Seitenwand vorhanden. Nach dem Ätzvorgang wird jedoch die gesamte Isoliermaterialschicht 115 zwischen der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 und dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 neben der zweiten Seitenwand beseitigt, und auch die gesamte Isoliermaterialschicht 115, die die zweite Seitenwand verkleidet, wird beseitigt. Wiederum sind die Abmessungen d₁ und d₂ gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise dahin gehend entworfen, diese Ergebnisse zu erzielen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann in dem ersten halbleitenden Material 108, wie in 3 gezeigt ist, entweder vor oder nach dem Ätzvorgang zumindest ein Freigabeloch 126 gebildet werden, um die Isoliermaterialschicht 115 von der zweiten Seitenwand zu entfernen, wie in 3 gezeigt ist. Ein weiterer Ätzvorgang (oder es kann derselbe, zuvor beschriebene Ätzvorgang fortgesetzt werden) kann dazu verwendet werden, zusätzliche Abschnitte der Isoliermaterialschicht 115 und auch einen Abschnitt der vergrabenen Oxidschicht 106 zu beseitigen, wie in 4 gezeigt ist. Man beachte, dass die vergrabene Oxidschicht 106 und die Isoliermaterialschicht 115 vorzugsweise Materialien umfassen, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beispielsweise unter Verwendung desselben Ätzvorgangs geätzt werden können. Die vergrabene Oxidschicht 106 wird unter einem Abschnitt des ersten halbleitenden Materials 108 unter dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116, das bei manchen Ausführungsbeispielen eine Elektrode 116 umfassen kann, belassen.
Das Ätzmittel des Ätzvorgangs tritt in die Freigabelöcher 126 und in die Öffnungen 132 ein und beseitigt dabei die vergrabene Oxidschicht 106 zumindest unter dem ersten halbleitenden Material 108 neben der zweiten Seitenwand. Der Ätzvorgang kann auch zumindest einen Abschnitt der vergrabenen Oxidschicht 106 unter einem Abschnitt des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 in dem Graben 110 beseitigen, wie in 4 gezeigt ist. Die vergrabene Oxidschicht 106 weist eine Dicke auf, die eine Abmessung d₇ umfasst. Der unter dem ersten halbleitenden Material 108 neben der zweiten Seitenwand und dem aktiven Zwischenraum 124 in der zweiten Region 114 gebildete Zwischenraum 128 weist eine Abmessung d₇ auf, die beispielsweise im Wesentlichen gleich der Dicke der vergrabenen Oxidschicht 106 ist.
In der ersten Region 112 kann die Isoliermaterialschicht 115 auch zwischen zumindest einem Abschnitt des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 und dem Substrat 104 in dem Graben 110 beseitigt werden, wobei ein Zwischenraum 134 gebildet wird, der eine Abmessung (d₅ + d₇) aufweist, die beispielsweise im Wesentlichen gleich den Abmessungen der Isoliermaterialschicht 115 und der vergrabenen Oxidschicht 106 vor deren Beseitigung ist.
Der unter dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 gebildete Zwischenraum 134 wird hierin beispielsweise auch als zweiter Zwischenraum 134 bezeichnet. Der unter dem ersten halbleitenden Material 108, z. B. unter einem beweglichen Abschnitt des ersten halbleitenden Materials 108, gebildete Zwischenraum 128 wird hierin beispielsweise auch als dritter Zwischenraum 128 bezeichnet. Der bewegliche Abschnitt des ersten halbleitenden Materials 108 in der zweiten Region 114 wird hierin beispielsweise auch als bewegliches Element 130 oder Resonator 130 bezeichnet.
Die Öffnungen 132 können bei manchen Ausführungsbeispielen beispielsweise kleiner sein als die Freigabeöffnungen 126, so dass lediglich ein kleiner Teil des Ätzmittels in die Öffnungen 132 eindringt und somit lediglich ein kleiner Abschnitt der Isoliermaterialschicht 115 während des Teils des Ätzvorgangs, der zum Beseitigen eines Abschnitts der vergrabenen Oxidschicht 106 verwendet wird, neben der ersten Seitenwand oder dem inaktiven Zwischenraum 122 beseitigt werden kann.
Nach dem Ätzvorgang (oder den Ätzvorgängen) ist das erste halbleitende Material 108 neben der zweiten Seitenwand oder dem aktiven Zwischenraum 122, z. B. auf der rechten Seite der Figur, vollständig freigegeben. Somit umfasst das freigegebene erste halbleitende Material 108 in der zweiten Region 114 ein bewegliches Element 130 des ersten halbleitenden Materials 108, das vollständig freigegeben ist und das innerhalb der rechten Seite des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 und des Substrats 104 schwebt. Vorteilhafterweise bleibt ein Abschnitt des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 bei manchen Ausführungsbeispielen z. B. um die Abmessung d₂ über den Rand des beweglichen Elements 130 angeordnet, wodurch das bewegliche Element 130 vertikal in dem MEMS-Bauelement 100 zurückgehalten wird. Alternativ dazu kann die Abmessung d₂ null betragen, so dass das bewegliche Element 130 während des Betriebs auf eine Höhe oberhalb der oberen Oberfläche des MEMS- Bauelements 100 angehoben werden kann, z. B. entlang des rechten Randes des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116 nach oben.
Vorteilhafterweise ist das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 in unmittelbarer Nähe zu dem beweglichen Element 130 angeordnet und liefert dadurch eine laterale Stütze für das bewegliche Element 130, während es um die Abmessung d₆ des aktiven Zwischenraums 124 beabstandet angeordnet ist und während es optional auch eine vertikale Stütze liefert, während es durch die Abmessung d₅ der Öffnung 132, die auch die Abmessung des Raums zwischen dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116 und dem beweglichen Element 130 ist, beabstandet angeordnet ist. Das bewegliche Element 130 ist nicht mit dem Substrat 104 verbunden und kann sich in dem MEMS-Bauelement 100 frei bewegen. Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 neben dem beweglichen Element 130 in der vertikalen und/oder horizontalen Richtung kann als mechanischer Anschlag für das bewegliche Element 130 fungieren oder kann eine Beschädigung des beweglichen Elements 130 und des MEMS-Bauelements 100 während der Handhabung verhindern, indem es die Bewegung des beweglichen Elements 130 beispielsweise beschränkt oder steuert. Das bewegliche Element 130 ist auf eine Bewegung innerhalb des aktiven Zwischenraums 124 und unter der Öffnung 132 beschränkt, falls die Abmessung d₂ beispielsweise größer als null ist. Das bewegliche Element 130 wird hierin beispielsweise auch als Resonator oder schwingendes Element bezeichnet.
Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 kann bei manchen Ausführungsbeispielen beispielsweise eine Elektrode des MEMS-Bauelements 100 umfassen. Vorteilhafterweise ist die Elektrode 116 mittels eines Abschnitts der Isoliermaterialschicht 115 entlang der ersten Seitenwand, z. B. bei 136 und auch auf der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 neben der ersten Seitenwand, z. B. bei 138, an dem Arbeitsstück 102 befestigt. Die Isoliermaterialschicht 115, die die Elektrode 116 entlang der ersten Seitenwand an das Arbeitsstück 102 anhaften lässt, weist eine Abmessung auf, die im Wesentlichen gleich der Dicke des ersten halbleitenden Materials 108 minus der Abmessung d₅ eines Abschnitts des Zwischenraums 134 ist. Die Isoliermaterialschicht 115, die die Elektrode 116 an dem Arbeitsstück 102 neben der ersten Seitenwand auf der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 108 anhaften lässt, weist eine Breite oder Abmessung d₄ auf. Die befestigte Elektrode 116 liefert eine hervorragende Gefügebeständigkeit für die Elektrode oder das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116 des MEMS-Bauelements 100.
Da die dünne Isoliermaterialschicht 115 dazu verwendet wird, die Dicke des Zwischenraums 124 und der Öffnung 132 zu definieren, können sehr geringe Abmessungen für den aktiven Zwischenraum 124 und die Öffnung 132 erzielt werden, wodurch eine verbesserte elektromechanische Kopplung zwischen der Elektrode 116 und dem beweglichen Element 130 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung geliefert wird. Beispielsweise kann die dünne Isoliermaterialschicht 115 vorteilhafterweise derart gebildet sein, dass die Isoliermaterialschicht 115 Abmessungen einer sublithographischen Auflösung aufweist, die z. B. kleiner sind als eine minimale Strukturgröße, als wenn der Zwischenraum 124 unter Verwendung des Lithographiesystems und der Lithographieverfahren, die zum Bilden anderer Materialschichten des MEMS-Bauelements 100 verwendet werden, gedruckt oder gebildet würde.
Man beachte, dass ein einziger Ätzvorgang zum Freigeben des ersten halbleitenden Materials 108 in der Freigaberegion 114 des MEMS-Bauelements 100 verwendet werden kann. Beispielsweise kann 3 ein MEMS-Bauelement 100 an einem Punkt in dem Herstellungsprozess zeigen, das teilweise den Ätzvorgang durchlaufen hat, und 4 kann das MEMS-Bauelement 100 bei Abschluss des Ätzvorganges zeigen.
Das bewegliche Element 130 umfasst gemäß manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen Resonator. Das bewegliche Element 130 kann beispielsweise auch andere bewegliche Teile und Elemente, die bei MEMS-Bauelementen 100 verwendet werden, umfassen. Das bewegliche Element 130 kann beispielsweise ein schwingendes Element, ein Betätigungsglied, einen Sensor, einen Schalter, ein Beschleunigungsmessgerät und andere Arten von beweglichen Elementen umfassen.
Bei dem in 1 bis 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist lediglich eine Seite des beweglichen Elements 130 gezeigt; jedoch können auch andere Seiten des beweglichen Elements 130 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung freigegeben werden.
Beispielsweise zeigen 5 bis 9 Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements 200 in verschiedenen Stufen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei zumindest zwei gegenüberliegende Seiten eines beweglichen Elements 230 freigegeben werden. Für die verschiedenen Elemente, die zum Beschreiben der 1 bis 4 verwendet wurden, werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Um eine Wiederholung zu vermeiden, ist hier nicht jedes in 5 bis 9 gezeigte Bezugszeichen erneut ausführlich beschrieben. Vielmehr werden für die verschiedenen Materialschichten x02, x04, x06, x08 usw., wie sie für die 1 bis 4 beschrieben wurden, wobei in den 1 bis 4 x = 1 gilt und in den 5 bis 9 x = 2 gilt, vorzugsweise ähnliche Materialien verwendet. Als Beispiel werden für das Arbeitsstück 202, das in den 5 bis 9 gezeigt ist, vorzugsweise auch die bevorzugten und alternativen Materialien und Abmessungen verwendet, die in der Beschreibung für die 1 bis 4 für das Arbeitsstück 102 beschrieben sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Isoliermaterialschicht 215 (siehe 8) eine zweite Isoliermaterialschicht 215 umfassen, und eine optionale erste Isoliermaterialschicht 240 kann über das Arbeitsstück 202 gebildet werden, wie in 5 gezeigt ist, bevor das erste halbleitende Material 208 mit einer Mehrzahl von Gräben 210a, 210b, 244a und 244b, wie in 6 gezeigt ist, strukturiert wird. Die erste Isoliermaterialschicht 240 umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen vorzugsweise z. B. Siliziumdioxid. Die erste Isoliermaterialschicht 240 umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen vorzugsweise dasselbe Material wie die zweite Isoliermaterialschicht 215 und/oder dasselbe Material wie die vergrabene Oxidschicht 206. Die erste Isoliermaterialschicht 240 umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen vorzugsweise ein Material, das unter Verwendung desselben Ätzmittels und desselben Ätzvorgangs wie bei der zweiten Isoliermaterialschicht 215 und/oder desselben Materials wie bei der vergrabenen Oxidschicht 206 ätzbar ist. Alternativ dazu kann die erste Isoliermaterialschicht 240 bei anderen Ausführungsbeispielen ein anderes Material aufweisen als die zweite Isoliermaterialschicht 215 oder die vergrabene Oxidschicht 206. Die erste Isoliermaterialschicht 240 kann beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder sonstige Isoliermaterialien umfassen. Die erste Isoliermaterialschicht 240 weist vorzugsweise eine Dicke von z. B. etwa 50 nm oder weniger auf, obwohl die erste Isoliermaterialschicht 240 alternativ dazu auch andere Abmessungen aufweisen kann. Die erste Isoliermaterialschicht 240 kann beispielsweise mittels CVD, LPCVD, ALD oder physikalischen Aufdampfens (PVD – physical vapor deposition) aufgebracht werden, obwohl auch andere Verfahren dazu verwendet werden können, die erste Isoliermaterialschicht 240 zu bilden.
Die erste Isoliermaterialschicht 240 wird als Hartmaske verwendet, um das erste halbleitende Material 208 mit Gräben zu strukturieren. Beispielsweise wird über die erste Isoliermaterialschicht 240 eine Schicht aus Photoresist 242 gebildet, und die Schicht aus Photoresist 242 wird unter Verwendung einer Lithographiemaske mit der gewünschten Struktur für die Gräben 210a, 210b, 244a und 244b strukturiert. Die Schicht aus Photoresist 242 wird als Maske verwendet, um die erste Isoliermaterialschicht 240 zu strukturieren, und dann wird die erste Isoliermaterialschicht 240 oder sowohl die erste Isoliermaterialschicht 240 als auch die Schicht aus Photoresist 242 als Maske verwendet, um die erste Schicht aus halbleitendem Material 208 zu schützen, während freiliegende Abschnitte der ersten Schicht aus halbleitendem Material 208 weggeätzt werden und dabei in der ersten Schicht aus halbleitendem Material 208 und auch in der ersten Isoliermaterialschicht 240 Gräben 210a, 210b, 244a und 244b bilden, wie in 6 gezeigt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Gräben 210a und 210b Gräben auf, in denen Elektroden 216a bzw. 216b gebildet werden, und optionale Gräben 244a und 244b können Bereiche aufweisen, die bei der fertig gestellten Struktur Gräben bleiben. Alternativ dazu werden bei dem MEMS-Bauelement 200 beispielsweise eventuell keine Gräben 244 und 244b gebildet.
Anschließend wird, wie auch in 6 gezeigt ist, die zweite Isoliermaterialschicht 215 über die strukturierte erste Isoliermaterialschicht 240, über die Seitenwände des ersten halbleitenden Materials 208 und die obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht 206, die an der unteren Oberfläche der Gräben 210a, 210b, 244a und 244b freiliegend ist, aufgebracht.
Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 216 wird anschließend über die zweite Isoliermaterialschicht 215 aufgebracht, wie in 7 gezeigt ist. Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 216 wird unter Verwendung von Lithographie strukturiert, wodurch Abschnitte des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 216a und 216b in den Gräben 210a bzw. 210b verbleiben und E lektroden bilden. Ein Abschnitt des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 216c kann auch in anderen Bereichen des MEMS-Bauelements 200 zurückgelassen werden, wie gezeigt ist. Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 216 wird aus den Gräben 244a und 244b beseitigt. Das zwischen den Gräben 210a und 210b angeordnete erste halbleitende Material 208 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel das bewegliche Element 230 des MEMS-Bauelements 200. Z. B. durch Strukturieren des ersten halbleitenden Materials 208 unter Verwendung von Lithographie, z. B. unter optionaler Verwendung der ersten Isoliermaterialschicht 240 und der zweiten Isoliermaterialschicht 215 als Hartmaske, können Freigabelöcher 226 in dem beweglichen Element 230 gebildet werden.
Ein oder mehrere Ätzvorgänge werden dazu verwendet, Abschnitte der zweiten Isoliermaterialschicht 215, der vergrabenen Oxidschicht 206 und optional auch der ersten Isoliermaterialschicht 240 wegzuätzen und dabei die in 9 gezeigte Struktur zu hinterlassen. Falls die erste Isoliermaterialschicht 240 dieselben oder ähnliche Materialien aufweist wie die zweite Isoliermaterialschicht 215 und die vergrabene Oxidschicht 206, werden die Öffnungen 232 durch den Anteil der Dicke oder Abmessung d₈ der ersten Isoliermaterialschicht 240 geweitet, wodurch der Ätzvorgang zum Bilden der aktiven Zwischenräume oder ersten Zwischenräume 224 ermöglicht wird. Somit kann die erste Isoliermaterialschicht 240 dazu verwendet werden, den Raum, z. B. die Öffnungen 232, zwischen dem ersten halbleitenden Material 208 und den Abschnitten des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 216a und 216b (und auch des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 216c), die über das erste halbleitende Material 208 angeordnet sind, auf vorteilhafte Weise zu erhöhen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Elektroden 216a und 216b symmetrisch um ein bewegliches Element 230 herum gebildet. Die vergrabene Oxidschicht 206 ist unter dem beweglichen Element 230 vorzugsweise vollständig beseitigt, wodurch der dritte Zwischenraum 228 gebildet wird, so dass sich das bewegliche Element 230 in dem MEMS-Bauelement 200 frei bewegen kann. Zumindest ein Abschnitt der vergrabenen Oxidschicht 206 kann z. B. auch unter dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 216a und 216b beseitigt werden, wodurch die zweiten Zwischenräume 234 in den Gräben 210a und 210b gebildet werden. Vorteilhafterweise sind die aktiven Zwischenräume 224 des MEMS-Bauelements 200 auf Grund der Dünnheit des Opfermaterials, das die zweite Isoliermaterialschicht 215 aufweist und zum Bilden der aktiven Zwischenräume 224 verwendet wurde, sehr schmal und weisen eine Abmessung d₆ auf. Bei manchen Ausführungsbeispielen erstrecken sich die Elektroden 216a und 216b vorzugsweise um eine Abmessung d₂ über das bewegliche Element 230, um als mechanischer Anschlag über Rändern des beweglichen Elements 230 zu fungieren, z. B. in der vertikalen Richtung in dem MEMS-Bauelement 200.
Da die aktiven Zwischenräume 224 und die inaktiven Zwischenräume 222 an Seitenwänden der Gräben 210a und 210b aus derselben Isoliermaterialschicht 215 gebildet sind, weisen die aktiven Zwischenräume 224 und die inaktiven Zwischenräume 222 im Wesentlichen dieselbe Abmessung oder Dicke d₆ auf. Die inaktiven Zwischenräume 222 sind beispielsweise zumindest teilweise mit der Isoliermaterialschicht 215 gefüllt, was eine Befestigung des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 216a und 216b an dem Arbeitsstück 202 liefert.
10 zeigt eine Draufsicht auf das in 9 gezeigte MEMS-Bauelement 200. Das bewegliche Element 230 kann bei manchen Ausführungsbeispielen beispielsweise einen Resonator umfassen. Der Resonator 230 kann an einer oder mehreren Positionen verankert sein. Beispielsweise weist der Resonator 230 bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Anker 246 auf, der an zwei gegenüberliegenden Enden angeordnet ist und der mit dem Arbeitsstück 202, das Materialschichten zu Grunde liegt, gekoppelt ist. Jedoch kann sich der Resonator 230 zwischen den zwei Ankern 246 frei in dem aktiven Zwischenraum 224 bewegen. Alternativ dazu kann der Resonator 230 z. B. lediglich an einem Ende einen Anker 246 aufweisen, nicht gezeigt.
Bei den bisherigen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen umfassen die Isoliermaterialschichten 115 und 215 eine konforme Materialschicht. Die Isoliermaterialschichten 115 und 215 können auch nicht-konform sein. Beispielsweise zeigen 11 bis 13 Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements 300 in verschiedenen Stufen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die dünne Isoliermaterialschicht 315, die zum Bilden des inaktiven und des aktiven Zwischenraums 322 und 324 verwendet wird, auf oberen Oberflächen der Gräben 310 eine größere Dicke oder Abmessung d₅ aufweist als an Seitenwänden derselben, die eine dünnere Abmessung d₆ aufweisen. Wiederum werden für die verschiedenen Elemente, die zum Beschreiben der vorherigen Figuren verwendet wurden, gleiche Bezugszeichen verwendet, und um eine Wiederholung zu vermeiden, wird jedes in den 11 bis 13 gezeigte Bezugszeichen hierin nicht erneut ausführlich beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Isoliermaterialschicht 315 unter Verwendung eines nicht-konformen Aufbringungsvorganges gebildet werden, der dazu führt, dass sich die Isoliermaterialschicht 315 auf oberen Oberflächen in einer größeren Dicke d₅ bildet. Das Bilden der Isoliermaterialschicht 315 kann eine Verwendung eines anisotropen Aufbringungsvorgangs umfassen, bei dem eine Isoliermaterialschicht 315 zurückgelassen wird, die über die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 308 und über die obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht 306 in den Gräben 310 eine größere Dicke d₅ aufweist als über die erste und die zweite Seitenwand der Gräben 310, die die Abmessung d₆ aufweisen, wie in 11 gezeigt ist. Dies führt zu einer breiteren Öffnung 332 neben der ersten und der zweiten Seitenwand der in 12 gezeigten Gräben 310, was den Ätzvorgang, der zum Freigeben der vergrabenen Oxidschicht 306 aus Abschnitten des MEMS-Bauelements 300 verwendet wird, in 13 gezeigt, ermöglicht. Vorteilhafterweise kann die Dicke der Isoliermaterialschicht 315 dahin gehend eingestellt werden, beispielsweise die gewünschte Größe der Öffnung 332 zu erzielen.
14 bis 16 zeigen Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements 400 in verschiedenen Stufen gemäß einem wieder anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die dünne Isoliermaterialschicht 415, die zum Bilden des inaktiven und des aktiven Zwischenraums 422 und 424 verwendet wird, an Seitenwänden von Merkmalen eine größere Dicke d₆ aufweist als auf oberen Oberflächen, die eine dünnere Abmessung d₅ aufweisen. Wiederum werden für die verschiedenen Elemente, die zum Beschreiben der vorherigen Figuren verwendet wurden, gleiche Bezugszeichen verwendet, und um eine Wiederholung zu vermeiden, wird jedes in den 14 bis 16 gezeigte Bezugszeichen hierin nicht erneut ausführlich beschrieben.
Die Isoliermaterialschicht 415 kann konform sein, wie sie bei diesem Ausführungsbeispiel aufgebracht ist, und es kann ein anisotroper Ätzvorgang verwendet werden, um einen Abschnitt der Isoliermaterialschicht 415 von der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 408 und auch von der vergrabenen Oxidschicht 406 zu beseitigen. Beispielsweise kann nach dem Bilden der Isoliermaterialschicht 415 ein Verfahren zum Herstellen des MEMS-Bauelements 400 ein anisotropes Ätzen der Isoliermaterialschicht 415 umfassen, wodurch eine Isoliermaterialschicht 415 zurückgelassen wird, die über die erste und die zweite Seitenwand des Grabens 410 eine größere Abmessung oder Dicke d₆ aufweist als über die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 408 und als über die obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht 406, die die Abmessung d5 aufweist. Man beachte, dass der anisotrope Ätzvorgang zu ver jüngten Seitenwänden an den Ecken und Rändern der Oberseite des Grabens 410 führen kann, wie in 14 bei 450 gestrichelt gezeigt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 432 neben dem inaktiven Zwischenraum 422 und dem aktiven Zwischenraum 424 verschmälert, wie in 15 und 16 gezeigt ist. Vorzugsweise können die Öffnungen 432 schmäler gemacht werden, um den Anteil an Isoliermaterialschicht 415, der neben dem inaktiven Zwischenraum 422 beseitigt wird, zu begrenzen und dadurch einen starken baulichen Halt für die Elektroden zu gewährleisten, die bei manchen Ausführungsbeispielen aus dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 416 gebildet sind, wie in 16 gezeigt ist.
Man beachte, dass die in 5 bis 9 gezeigte optionale erste Isoliermaterialschicht 240 beispielsweise auch bei den in den 11 bis 13 und 14 bis 16 gezeigten Ausführungsbeispiele implementiert und enthalten sein kann, um gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine weitere Steuerung der Abmessungen d₅ der Öffnungen 332 und 432 neben den inaktiven Zwischenräumen 322 und 422 und den aktiven Zwischenräumen 324 und 424 zu liefern, in den Figuren nicht gezeigt.
Der Anteil der Isoliermaterial-Opferschicht 115, 215, 315 und 415, der beseitigt wird, der z. B. die Abmessungen d₅ und d₆ aufweist, kann vorteilhafterweise dadurch gesteuert werden, dass die Größe der Öffnungen 132, 232, 332 und 432 nach Wunsch entworfen wird, z. B. indem die Abmessung d₅ oder die Abmessung (d₅ + d₈) unter Verwendung von anisotropen Aufbringungs- oder Ätzvorgängen für die Isoliermaterialschichten 115, 215, 315 und 415 gesteuert wird, und auch indem die optionale erste Isoliermaterialschicht 240, die z. B. die Abmessung d₈ aufweist, aufgenommen oder nicht aufgenommen wird.
Die aus dem hierin beschriebenen ersten halbleitenden Material 108, 208, 308 und 408 gebildeten beweglichen Elemente 130, 230, 330 und 430 können eine Vielzahl von Formen aufweisen. Die beweglichen Elemente 130, 230, 330 und 430 können bei einer Draufsicht auf die MEMS-Bauelemente 100, 200, 300 und 400 beispielsweise die Form eines Rechtecks, Quadrats, Achtecks, Vielecks, Kreises oder einer Ellipse aufweisen, obwohl auch andere Formen verwendet werden können. Die beweglichen Elemente 130, 230, 330 und 430 können auch die Form einer Gabel, z. B. ähnlich einer Stimmgabel, aufweisen. Das in 10 gezeigte Ausführungsbeispiel veranschaulicht ein MEMS-Bauelement 200, das beispielsweise einen Resonator 230 mit einer Rechtecksform aufweist. Als weiteres Beispiel zeigt 17 eine Draufsicht eines wieder anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem ein MEMS-Bauelement 500 einen kreisförmigen Resonator 530 umfasst. Der Resonator 530 kann einen oder mehrere optionale Anker 552 umfassen, die in anderen Materialschichten oberhalb oder unterhalb des Resonators 530 angeordnet sind, wie beispielsweise gestrichelt gezeigt ist.
Nach den hierin beschriebenen Herstellungsprozessschritten für die MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500 können anschließend andere Herstellungsprozessschritte abgeschlossen werden, um einen elektrischen Kontakt mit Abschnitten der MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500 herzustellen oder um die Strukturen der MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500 beispielsweise einer Vakuumkapselung zu unterziehen, nicht gezeigt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500, die unter Verwendung der hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurden und die die hierin beschriebenen neuartigen Strukturen aufweisen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen beispielsweise auch Verfahren zum Herstellen der hierin beschriebenen MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500.
Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung umfassen ein Bereitstellen von Verfahren zum Herstellen von MEMS-Bauelementen 100, 200, 300, 400 und 500, bei denen z. B. der sich bewegende Halbleiterabschnitt 130, 230, 330, 430 oder 530, der einen Resonator 130, 230, 330, 430 oder 530 oder ein sonstiges bewegliches MEMS-Element umfassen kann, von einem benachbarten Halbleitermaterial, z. B. dem zweiten halbleitenden Material oder leitfähigen Material 116, 216a, 216b, 316, 416 und 516, das Elektroden umfassen kann, eng beabstandet ist. Ein Abschnitt des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116, 216a, 216b, 316, 416 und 516 kann bei manchen Ausführungsbeispielen über die Ränder der Resonatoren 130, 230, 330, 430 oder 530 angeordnet sein, wodurch ein mechanischer Anschlag für die beweglichen Elemente 130, 230, 330, 430 oder 530 in den MEMS-Bauelementen 100, 200, 300, 400 und 500 geliefert wird.
Das zweite halbleitende Material oder leitfähige Material 116, 216a, 216b, 316, 416 und 516 ist durch einen sehr schmalen Zwischenraum, z. B. den aktiven Zwischenraum 124, 224, 324, 424 und 524, der eine Breite von weniger als einer minimalen Strukturgröße aufweisen kann, die durch das zum Herstellen der MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500 verwendete Lithographiesystem druckbar ist, von den Resonatoren 130, 230, 330, 430 oder 530 beabstandet. Die aktiven Zwischenräume 124, 224, 324, 424 und 524 und die inaktiven Zwischenräume 122, 222, 322, 422 und 522 können gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine Dicke von etwa 100 nm oder weniger aufweisen.
Die große laterale Nähe des zweiten halbleitenden Materials oder leitfähigen Materials 116, 216a, 216b, 316, 416 und 516 zu den beweglichen Elementen 130, 230, 330, 430 oder 530 liefert eine verbesserte elektromechanische Kopplung für die MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500. Da der aktive Zwischenraum 124, 224, 324, 424 und 524 unter Verwendung ei ner dünnen Isoliermaterial-Opferschicht 115, 215, 315, 415 und 515 gebildet wird, kann beispielsweise ein sehr kleiner Zwischenraum 124, 224, 324, 424 und 524 erzielt werden.
Eine Verwendung einer nicht-konformen Opferschicht für die Isoliermaterialschichten 115, 215, 315, 415 und 515 kann bei manchen Anwendungen weitere Vorteile liefern. Eine Verwendung von Isoliermaterialschichten 115, 215, 315, 415 und 515, bei denen das Material an Seitenwänden dünner ist als auf oberen Oberflächen, kann bei manchen Anwendungen weniger parasitäre Kapazitäten liefern und kann auch bei Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen die schwebenden Teile (z. B. die beweglichen Elemente 130, 230, 330, 430 und 530) einen stärkeren lateralen Halt von den Verankerungselektroden 116, 216a, 216b, 316, 416 und 516 erfordern. Eine Verwendung von Isoliermaterialschichten 115, 215, 315, 415 und 515, bei denen das Material an Seitenwänden dicker ist als auf oberen Oberflächen, kann bei Anwendungen vorteilhaft sein, die beispielsweise einen stärkeren vertikalen Halt für die Verankerungselektroden 116, 216a, 216b, 316, 416 und 516 erfordern.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind ohne weiteres in existierenden Herstellungsabläufen für MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500 implementierbar, wobei beispielsweise für eine Implementierung der Erfindung wenige zusätzliche Verarbeitungsschritte erforderlich sind. Sehr schmale Zwischenräume, z. B. aktive Zwischenräume 124, 224, 324, 424 und 524 können anhand der hierin beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Eine hohe Genauigkeit der Abmessung des aktiven Zwischenraums 124, 224, 324, 424 und 524 wird erzielt, da ein Aufbringungsvorgang, eine Oxidation oder ein Nitridhärtungsvorgang verwendet wird, um den aktiven Zwischenraum 124, 224, 324, 424 und 524 zu definieren (z. B. durch die Bildung der Isoliermaterial-Opferschicht 115, 215, 315, 415 und 515), wobei Variationen der Abmessung des aktiven Zwischenraums 124, 224, 324, 424 und 524 von z. B. etwa 1 nm oder weniger erzielbar sind.
Hierin sind Silizium-Resonatorbauelemente 100, 200, 300, 400 und 500 beschrieben, die unterhalb von 100 nm liegende vertikale Abmessungen der aktiven Zwischenräume 124, 224, 324, 424 und 524 zwischen den Elektroden 116, 216a, 216b, 316, 416 und 516 und einer Struktur eines einkristallinen Resonators 130, 230, 330, 430 und 530 aufweisen. Die beweglichen Elemente 130, 230, 330, 430 und 530 können eine Form eines Balkens, eines Rades, einer Platte oder sonstige Formen aufweisen und können beispielsweise bei elektrostatisch betriebenen MEMS-Bauelementen 100, 200, 300, 400 und 500 implementiert sein. MEMS-Bauelemente 100, 200, 300, 400 und 500 können unter Verwendung der hierin beschriebenen Techniken, die eine geringe Bewegungswiderstandsfähigkeit und einen hohen Qualitätsfaktor aufweisen, und die dahin gehend angepasst sind, bei standardmäßigen, CMOS-kompatiblen Betriebsspannungen zu arbeiten, hergestellt werden.
Obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile ausführlich beschrieben wurden, sollte man verstehen, dass hierin verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der Erfindung, wie sie bzw. er durch die angefügten Patentansprüche definiert ist, abzuweichen. Beispielsweise wird Fachleuten ohne weiteres einleuchten, dass viele der hierin beschriebenen Merkmale, Funktionen, Prozesse und Materialien variiert werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Überdies soll der Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die in der Spezifikation beschriebenen, bestimmten Ausführungsbeispiele des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Materialzusammensetzung, Mittel, Maschinen und Schritte beschränkt sein. Wie Fachleuten anhand der Offenbarung der vorliegenden Erfindung ohne weiteres einleuchten wird, können gemäß der vorliegenden Erfindung Prozesse, Vorrichtung, Herstellung, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die derzeit existieren oder später zu entwickeln sind und die im Wesentlichen dieselbe Funktion erfüllen oder im Wesentlichen dasselbe Ergebnis erzielen wie die hierin beschriebenen entsprechenden Ausführungsbeispiele, verwendet werden. Demgemäß sollen die angehängten Patentansprüche in ihrem Schutzumfang derartige Prozesse, Maschinen, Herstellung, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte umfassen.

Claims

Mikroelektromechanisches-System-Bauelement (MEMS-Bauelement) (100; 200; 300; 400; 500), das folgende Merkmale aufweist: ein erstes halbleitendes Material (108); zumindest einen in dem ersten halbleitenden Material (108) angeordneten Graben (110), wobei der zumindest eine Graben eine Seitenwand aufweist; eine Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515), die über einen oberen Abschnitt der Seitenwand des zumindest einen Grabens (110) in dem ersten halbleitenden Material (108) und über einen Abschnitt einer oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials neben der Seitenwand angeordnet ist; und ein zweites halbleitendes Material oder leitfähiges Material (116), das in dem zumindest einen Graben und zumindest über die Isoliermaterialschicht angeordnet ist, die über den Abschnitt der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials neben der Seitenwand angeordnet ist.
MEMS-Bauelement (100; 200; 300; 400; 500) gemäß Anspruch 1, bei dem die Seitenwand eine erste Seitenwand umfasst, bei dem der zumindest eine in dem ersten halbleitenden Material (108) angeordnete Graben (110) eine der ersten Seitenwand gegenüberliegende zweite Seitenwand aufweist, ferner mit einem Zwischenraum zwischen dem zweiten halbleitenden Material oder dem leitfähigen Material (116) und der zweiten Seitenwand des zumindest einen Grabens (110) in dem ersten halbleitenden Material (108).
MEMS-Bauelement (100; 200; 300; 400; 500) gemäß Anspruch 2, bei dem die Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) eine erste Dicke an der ersten Seitenwand aufweist, bei dem der Zwischenraum eine zweite Dicke aufweist, wobei die zweite Dicke im Wesentlichen dieselbe ist wie die erste Dicke.
MEMS-Bauelement (100; 200; 300; 400; 500) gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem der Zwischenraum eine Dicke von etwa 100 nm oder weniger aufweist.
MEMS-Bauelement (100; 200; 300; 400; 500) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem sich ein Abschnitt des zweiten halbleitenden Materials oder des leitfähigen Materials um eine erste Abmessung neben der Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515), die über die erste Seitenwand des zumindest einen Grabens angeordnet ist, über das erste halbleitende Material erstreckt, und bei dem sich ein Abschnitt des zweiten halbleitenden Materials oder des leitfähigen Materials um eine zweite Abmessung neben dem Zwischenraum zwischen dem zweiten halbleitenden Material oder dem leitfähigen Material und der zweiten Seitenwand des zumindest einen Grabens in dem ersten halbleitenden Material über das erste halbleitende Material erstreckt, wobei die zweite Abmessung geringer ist als die erste Abmessung.
MEMS-Bauelement (100; 200; 300; 400; 500) gemäß Anspruch 5, bei dem die erste Abmessung um etwa 50% oder mehr größer ist als die zweite Abmessung.
MEMS-Bauelement (100; 200; 300; 400; 500) gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem die erste Abmessung etwa 0,5 bis 5 μm aufweist und bei dem die zweite Abmessung etwa 400 nm oder weniger aufweist.
MEMS-Bauelement (100; 200; 300; 400; 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) eine zweite Isoliermaterialschicht umfasst, ferner mit einer ersten Isoliermaterialschicht, die zumindest unter der ersten Isoliermaterialschicht über den Abschnitt der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials neben der Seitenwand angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches-System-Bauelement (MEMS-Bauelement), das folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (104); eine über das Substrat (104) angeordnete vergrabene Oxidschicht (106); ein über die vergrabene Oxidschicht (106) angeordnetes erstes halbleitendes Material (108); zumindest einen Graben (110), der in dem ersten halbleitenden Material (108) und der vergrabenen Oxidschicht (106) angeordnet ist, wobei der zumindest eine Graben (110) eine erste Seitenwand und eine der ersten Seitenwand gegenüberliegende zweite Seitenwand aufweist; eine Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515), die über zumindest einen Abschnitt der ersten Seitenwand des zumindest einen Grabens und über einen Abschnitt einer oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials (108) neben der ersten Seitenwand des zumindest einen Grabens angeordnet ist; ein zweites halbleitendes Material oder ein leitfähiges Material (116), das in dem zumindest einen Graben (110) und zumindest über die Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) angeordnet ist, die über den Abschnitt der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials (108) neben der ersten Seitenwand angeordnet ist; und einen in einem oberen Abschnitt des zumindest einen Grabens (110) angeordneten ersten Zwischenraum, wobei der erste Zwischenraum zwischen dem zweiten halbleitenden Material oder dem leitfähigen Material (116) und der zweiten Seitenwand des zumindest einen Grabens (110) in dem ersten halbleitenden Material (108) angeordnet ist.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 9, bei dem das erste halbleitende Material Einkristall-Silizium umfasst, bei dem das zweite halbleitende Material Polysilizium umfasst oder bei dem das leitfähige Material W, Al, zumindest eine Verkleidung oder Kombinationen derselben umfasst.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem das erste halbleitende Material neben dem ersten Zwischenraum ein bewegliches Element umfasst, das einen Resonator, ein schwingendes Element, ein Betätigungsglied, einen Sensor, einen Schalter oder ein Beschleunigungsmessgerät umfasst.
MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der zumindest eine Graben einen ersten Graben benachbart zu einer ersten Seite eines Abschnitts des ersten halbleitenden Materials aufweist und bei dem der zumindest eine Graben ferner einen zweiten Graben benachbart zu einer zweiten Seite des Abschnitts des ersten halbleitenden Materials aufweist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 12, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen zweiten Zwischenraum, der zwischen dem Substrat und dem zweiten halbleitenden Material oder dem leitfähigen Material in einem unteren Abschnitt des zumindest einen Grabens angeordnet ist; und einen dritten Zwischenraum, der zwischen dem Substrat und dem Abschnitt des ersten halbleitenden Materials zwischen dem ersten Graben und dem zweiten Graben angeordnet ist, wobei der Abschnitt des ersten halbleitenden Materials zwischen dem ersten Graben und dem zweiten Graben ein bewegliches Element umfasst, und wobei das zweite halbleitende Material oder das leitfähige Material auf der ersten Seite und der zweiten Seite des beweglichen Elements in dem ersten Graben beziehungsweise in dem zweiten Graben Elektroden aufweist.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 13, bei dem das bewegliche Element bei einer Draufsicht auf das MEMS-Bauelement im Wesentlichen eine Form eines Rechtecks, Quadrats, Achtecks, Vielecks, Kreises, einer Ellipse oder einer Gabel aufweist.
MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem die über den Abschnitt der ersten Seitenwand angeordnete Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) eine erste Dicke aufweist, bei dem der erste Zwischenraum eine zweite Dicke aufweist, wobei die zweite Dicke im Wesentlichen dieselbe ist wie die erste Dicke, bei dem die Isoliermaterialschicht über den Abschnitt der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials eine dritte Dicke aufweist, bei dem die vergrabene Oxidschicht eine vierte Dicke aufweist, und bei dem der zweite Zwischenraum eine fünfte Dicke aufweist, wobei die fünfte Dicke die dritte Dicke und die vierte Dicke umfasst.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 15, bei dem die dritte Dicke im Wesentlichen dieselbe ist wie die erste Dicke oder die zweite Dicke, oder bei dem die dritte Dicke größer oder geringer als die erste Dicke oder die zweite Dicke ist.
Verfahren zum Herstellen eines Mikroelektromechanisches-System-Bauelements (MEMS-Bauelements), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Arbeitsstücks (102; 202), wobei das Arbeitsstück ein Substrat, eine über das Substrat angeordnete vergrabene Oxidschicht und ein über die vergrabene Oxidschicht angeordnetes erstes halbleitendes Material aufweist, wobei das erste halbleitende Material eine obere Oberfläche aufweist; Bilden zumindest eines Grabens in dem ersten halbleitenden Material, wobei eine obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht an dem Boden des zumindest einen Grabens freigelegt wird, wobei der zumindest eine Graben eine erste Seitenwand und eine der ersten Seitenwand gegenüberliegende zweite Seitenwand aufweist; Bilden einer Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) über die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials, die erste und die zweite Seitenwand des zumindest einen Grabens und die obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht; Anordnen eines zweiten halbleitenden Materials oder eines leitfähigen Materials über die Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515); Beseitigen von Abschnitten des zweiten halbleitenden Materials oder des leitfähigen Materials, wobei das zweite halbleitende Material oder das leitfähige Material in dem zumindest einen Graben und über einen Abschnitt der Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) auf der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials neben zumindest der ersten Seitenwand des zumindest einen Grabens zurückgelassen wird; und Beseitigen der Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) von einem Abschnitt der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials und von der zweiten Seitenwand des zumindest einen Grabens.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Bilden der Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) ein Bilden eines konformen Materials umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem das Beseitigen der Abschnitte des zweiten halbleitenden Materials oder des leitfähigen Materials folgende Schritte umfasst: Zurücklassen eines Anteils des zweiten halbleitenden Materials oder des leitfähigen Materials, der eine erste Abmessung über das erste halbleitende Material neben der ersten Seitenwand aufweist; und Zurücklassen eines Anteils des zweiten halbleitenden Materials oder des leitfähigen Materials, der eine zweite Abmessung über das erste halbleitende Material neben der zweiten Seitenwand aufweist, wobei die erste Abmessung größer ist als die zweite Abmessung.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das Beseitigen der Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) ferner ein Beseitigen eines Abschnitts der Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) auf der oberen Oberfläche des ersten halbleitenden Materials von unterhalb des zweiten Isoliermaterials neben der ersten Seitenwand umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, das ferner ein Bilden zumindest eines Freigabelochs (126) in dem ersten Isoliermaterial neben der zweiten Seitenwand und ein Beseitigen zumindest der vergrabenen Oxidschicht zumindest von unterhalb des ersten Isoliermaterials neben der zweiten Seitenwand umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das Beseitigen der vergrabenen Oxidschicht ferner ein Beseitigen zumindest eines Abschnitts der vergrabenen Oxidschicht von unterhalb des zweiten halbleitenden Materials oder des leitfähigen Materials in dem zumindest einen Graben umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, bei dem das Beseitigen der vergrabenen Oxidschicht ein Bilden eines Resonators oder eines schwingenden Elements umfasst und ferner ein Bilden eines Ankers neben zumindest einem Ende des Resonators oder des schwingenden Elements oberhalb des Resonators oder des schwingenden Elements oder unterhalb des Resonators oder des schwingenden Elements umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, das ferner ein anisotropes Ätzen der Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) nach dem Bilden der Isoliermaterialschicht (115; 215; 315; 415; 515), ein Zurücklassen einer Isoliermaterialschicht (115; 215; 315; 415; 515), die über die erste und die zweite Seitenwand des zumindest einen Grabens eine größere Dicke aufweist als über die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials und die obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht, umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem das Bilden der Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) ein Verwenden eines anisotropen Aufbringungsprozesses umfasst, wobei eine Isoliermaterialschicht (240; 115; 215; 315; 415; 515) zurückgelassen wird, die über die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials und die obere Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht eine größere Dicke aufweist als über die erste und die zweite Seitenwand des zumindest einen Grabens.