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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere einen Druck-, Beschleunigungs- oder Drehratensensor, mit oberhalb eines Substrates beweglich aufgehängten Funktionskomponenten sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Strukturen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf einen in der Technologie der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbaren mikromechanischen Beschleunigungssensor erläutert.
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Beschleunigungssensoren, und insbesondere mikromechanische Beschleunigungssensoren in der Technologie der Oberflächen- bzw. Volumenmikromechanik, gewinnen immer größere Marktsegmente im Kraftfahrzeugausstattungsbereich und ersetzen in zunehmendem Maße die bisher üblichen piezoelektrischen Beschleunigungssensoren.
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Die bekannten mikromechanischen Beschleunigungssensoren funktionieren üblicherweise derart, dass die federnd gelagerte seismische Masseneinrichtung, welche durch eine externe Beschleunigung in mindestens eine Richtung auslenkbar ist, bei Auslenkung eine Kapazitätsänderung an einer damit verbundenen Differentialkondensatoreinrichtung bewirkt, die ein Maß für die Beschleunigung ist.
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In der
DE 195 37 814 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von oberflächenmikromechanischen Sensoren beschrieben.
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Dabei wird zunächst auf einem Siliziumsubstrat eine erste Isolationsschicht aus thermischem Oxid (ca. 2,5 μm dick) abgeschieden. Auf diese Isolationsschicht wird eine dünne (ca. 0,5 μm dicke) Polysiliziumschicht abgeschieden. Diese wird nachfolgend aus der Gasphase (POCI3; I1') dotiert und über einen fotolithografischen Prozess strukturiert. Diese zu vergrabene leitende Polysiliziumschicht ist so in einzelne gegeneinander isolierte Bereiche unterteilt, die als Leiterbahnen oder vertikal liegende Flächenelektroden dienen.
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Über die bisher aufgebrachten Schichten wird eine zweite Isolationsschicht abgeschieden. Diese besteht aus Oxid, das aus der Gasphase erzeugt wird. In einem fotolithografischen Prozess erfolgt eine Strukturierung der oberen Isolationsschicht. Dadurch werden Kontaktlöcher in die obere Isolationsschicht eingebracht, durch die die darunterliegende leitende Polysiliziumschicht kontaktiert werden kann.
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Anschließend wird eine dünne Polysiliziumschicht, die als Keim für eine nachfolgende Siliziumabscheidung dient, aufgebracht. In einem weiteren Prozessschritt erfolgt dann die Abscheidung, Planarisierung und Dotierung einer dicken polykristallinen Siliziumschicht. Diese Abscheidung erfolgt in einem Epitaxiereaktor. Auf die dicke Siliziumschicht wird dann eine strukturierte Metallschicht aufgebracht.
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In einem weiteren fotolithografischen Prozess erfolgt die Strukturierung der dicken Siliziumschicht. Dazu wird auf der Oberseite der Schicht eine Fotomaske aufgebracht, die auch einen Schutz der Metallschicht in der nachfolgenden Ätzung bewirkt. Durch Öffnungen der Fotolackmaske hindurch erfolgt anschließend eine Plasmaätzung der dicken Siliziumschicht nach dem in der
DE 42 410 45 offenbarten Verfahren, wobei in der dicken Siliziumschicht Gräben mit hohem Aspektverhältnis eingebracht werden. Die Gräben erstrecken sich von der Oberseite der dicken Siliziumschicht bis zur zweiten Isolationsschicht. Die Schicht wird so in einzelne Bereiche unterteilt, die gegeneinander isoliert sind, sofern sie nicht über die vergrabene Leitschicht miteinander verbunden sind.
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Durch die Gräben hindurch erfolgt dann die Entfernung der beiden Opferschichten im Bereich der frei beweglichen Strukturen des Sensors. Das Entfernen der Oxidschichten erfolgt durch ein Dampfätzverfahren mit flusssäurehaltigen Medien nach dem in der
DE 43 172 74 bzw.
DE 19 704 45 offenbarten Verfahren.
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12a, b sind Darstellungen zum Erläutern eines beispielhaften Herstellungsprozesses für einen Beschleunigungssensor, und zwar 12b eine schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 12a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängten Funktionskomponenten in der xy-Ebene.
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In 12a, b bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Halbleitersubstrat. Aufgebracht auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 1 ist eine Isolationsschicht I aus Siliziumoxid. Oberhalb der Isolationsschicht I aus Siliziumoxid befinden sich Leiterbahnbereiche I1, I2, welche aus einer Leiterbahnschicht L aus Polysilizium durch bekannte Ätzprozesse herausstrukturiert worden sind. Bezugszeichen 15 bezeichnet eine mikromechanische Funktionsschicht aus Polysilizium mit oberhalb des Substrats 1 beweglich aufgehängten Funktionskomponenten BF, welche eine Mehrzahl von Trenches bzw. Gräben T, T' aufweist, wobei mit T die Perforationsgräben der Funktionskomponenten BF und mit T' die Randgräben der Funktionskomponenten BF bezeichnet sind. Mit dem Leiterbahnbereich I2 im Kontaktbereich K elektrisch verbunden ist die mikromechanische Funktionsschicht 15 durch einen Träger 15a der über eine Federeinrichung F mit den beweglichen Funktionskomponenten BF verbunden ist. Auch die Federeinrichtung F ist aus der mikromechanischen Funktionsschicht 15 aus Polysilizium herausstrukturiert. Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen 80 einen Bondrahmen, der über entsprechende Bereiche der Leiterbahnschicht L mit der Isolationsschicht I und darüber mit dem Substrat 1 verbunden ist.
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Bei einem derartigen mikromechanischen Sensor werden beim Beweglichmachen der beweglich aufgehängten Funktionskomponenten durch Freistellen vom Untergrund, beispielsweise durch Entfernen einer Siliziumoxid-Opferschicht aus dem Bereich O mittels HF-Gasphasenätzen, die vergrabenen Leiterbahnbereiche I1, I2, I3 freigelegt und unterätzt. Aus diesem Grund müssen die Leiterbahnbereiche I1, I2, I3 mit einer derartigen Breite B ausgelegt werden, dass trotz Unterätzungen U eine sichere Anbindung zum Substrat 1 auch nach dem Opferschichtätzen der Opferschicht stets gewährleistet ist.
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Durch die Notwendigkeit breiter Leiterbahnen steigen jedoch die parasitären Kapazitäten, was sich auf die Sensorperformance auswirken kann. Weiter kann der intrinsische Stress innerhalb der Leiterbahnbereiche I1, I2, I3, die beispielsweise aus Polysilizium bestehen, dazu führen, dass sich die freigelegten Enden nach oben biegen und die Masse in ihrer Bewegungsfreiheit behindert oder ganz blockiert wird. Breite Leiterbahnen erfordern zudem eine relativ große Chipfläche, die für weitere Leiterbahnführungen nicht mehr zur Verfügung steht. Große Chipabmessungen können daher die Folge sein.
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Durch diese beiden Forderungen ist man im Design von Sensoren stark beschränkt. Verwendet man zusätzlich isolierende Ätz-Stopp-Schichten, wie z. B. Nitridschichten, so kann das ungewünschte Unterätzen der Leiterbahn-Schichten verhindert werden. Nachteilig an diesem Verfahren sind der zusätzliche Aufwand und vor allem einige negative Eigenschaften, die derartige zusätzliche Nitridschichten haben. Sie werden ebenfalls in HF leicht angeätzt und erzeugen dabei unerwünschte Reste. Nitridschichten haben zudem einen hohen, nicht erwünschten Stress. Auch machen die Oberflächenladungen solcher Schichten oft Probleme.
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Da durch das Opferschicht-Ätzverfahren bewegliche Strukturen freigestellt werden sollen, kann das Ätzen der Opferschicht nicht mit einem flüssigen Medium erfolgen. Die hohen Oberflächenspannungen in einem flüssigen Medium sorgen beim Verdampfen oder Abschleudern des Mediums dafür, dass die beweglichen Funktionskomponenten BF auf die Unterlage gezogen werden und dort haften bleiben. Für das Freistellen von beweglichen MEMS-Strukturen sollte also immer ein Opferschicht-Ätzverfahren verwendet werden, welches ohne flüssige Phase auskommt.
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Es ist aus
"Gas-phase-selective-etching of native oxide"; Miki, IEEE Transactions on electron devices, Band 37, Nr. 1, Januar 1990 bekannt, dass sich PSG(Phosphorsilikatglas)-Schichten in der HF-Gasphase durch eine bestimmte HF-Gasphasen-Zusammensetzung selektiv zu Oxiden ätzen lassen).
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Weiterhin ist bekannt, dass PSG-Schichten an sich nicht als Opferschichten für MEMS-Bauelemente geeignet sind. Sie hinterlassen einerseits Phosphorsäurereste, die sich nur durch Reinigungen in Flüssigkeiten entfernen lassen, und andererseits bindet Phosphorsäure Wasser sehr gut, das bei der Gasphasen-Reaktion mit HF-Dampf erzeugt wird.
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Dieses Wasser fungiert als Katalysator, daher werden sehr hohe Ätzraten für PSG erreicht, wobei gerade bei hohen Ätzraten das Wasser nicht abtransportiert werden kann. Als Folge kleben mechanisch bewegliche Strukturen an deren Unterlage. Aufgrund dieser Effekte ist es nicht möglich, PSG kontrolliert mit geringer Ätzrate und ohne Kleberisiko als Opferschicht zu verwenden.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 bzw. das mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 13 bzw. 15 weisen den Vorteil auf, dass selektiv einzelne Bereiche, wie z. B. Leiterbahnbereiche, vor einer Unterätzung geschützt werden können, und andererseits große Ätzraten und Unterätzweiten erreicht werden können. Aufgrund der großen Ätzraten kann die Anzahl der Perforationsgräben deutlich reduziert werden und damit die Strukturen stabilisiert werden.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, als Opferschicht eine Kombination von zwei verschiedenen Opferschichten zu verwenden, die selektiv gegeneinander und gegenüber den beweglichen Funktionskomponenten ätzbar sind, z. B. eine PSG-Schicht und eine andere Oxidschicht mit geringem oder verschwindendem Phosphorgehalt.
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Aus der PSG-Schicht werden primäre Ätzkanäle gebildet. In einem ersten Gasphasen-Ätzschritt werden mit hoher Ätzrate PSG-Kanäle, die möglichst lang angelegt werden können, selektiv zu der anderen Oxidschicht geätzt. Die PSG-Ätzkanäle sind so angelegt, dass die beweglich zu machenden Strukturen noch nicht von der anderen Oxidschicht freigestellt werden. Die beweglich zu machenden Strukturen werden nach dem ersten Gasphasen-Ätzschritt vorzugsweise nur noch durch schmale Oxidstrukturen der anderen Oxidschicht fixiert. Nach dem ersten Gasphasen-Ätzschritt kann optional eine flüssige Reinigung zur Entfernung der Phosphorsäurereste erfolgen. In einem zweiten Gasphasen-Ätzschritt werden dann die verbleibenden schmalen Oxidstrukturen der anderen Oxidschicht geätzt. Es wird vorzugsweise nur so wenig Oxid geätzt, dass die beweglichen Strukturen gerade freigestellt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sehr große Unterätzweiten erzielt werden. Es kann mit weniger Perforationslöchern gearbeitet werden, d. h. bei gleicher Fläche können größere Kapazitäten erreicht werden. Die Unterätzung kann in den gewünschten Bereichen weitgehend oder ganz vermieden werden. Es werden deutlich schmälere vergrabene Leiterbahnen und stabilere Leiterbahnen sowie stabilere Aufhängungen möglich. Durch diese hohe Ätzrate der PSG-Schichten kann die Gesamtätzzeit reduziert werden. Durch die deutlich höheren Unterätzweiten können die Ätzzugänge räumlich von den eigentlichen beweglichen Strukturen getrennt werden. Damit wird es, falls dies gewünscht ist, leichter möglich, nach dem Opferschicht-Ätzschritt die Ätzzugänge wieder zu verschließen, ohne die beweglichen Strukturen dadurch zu schädigen.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a, b und 2a, b Darstellungen zum Erläutern des Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1b, 2b eine jeweilige schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 1a, 2a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängten Funktionskomponenten in der xy-Ebene;
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3a, b und 4a, b Darstellungen zum Erläutern des Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 3b, 4b eine jeweilige schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 3a, 4a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängten Funktionskomponenten in der xy-Ebene;
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5a, b bis 7a, b Darstellungen zum Erläutern des Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen Drucksensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 5b, 6b, 7b eine jeweilige schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 5a, 6a, 7a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängte Funktionskomponente in der xy-Ebene;
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8a, b bis 11a, b Darstellungen zum Erläutern des Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 8b, 9b, 10b, 11b eine jeweilige schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 8a, 9a, 10a, 11a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängten Funktionskomponenten in der xy-Ebene; und
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12a, b Darstellungen zum Erläutern eines beispielhaften Herstellungsprozesses für einen Beschleunigungssensor, und zwar 12b eine schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 12a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängten Funktionskomponenten in der xy-Ebene.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.
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1a, b und 2a, b sind Darstellungen zum Erläutern des Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1b, 2b eine jeweilige schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 1a, 2a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängten Funktionskomponenten in der xy-Ebene.
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In 1a, b bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Halbleitersubstrat, auf dem eine erste elektrische Isolationsschicht I aus beispielsweise Siliziumoxid aufgebracht wird. Auf der ersten Isolationsschicht I wird eine erste Leiterbahnschicht L aus Polysilizium aufgebracht und in Leiterbahnbereiche I1, I2, I3 strukturiert. Die Leiterbahnschicht L aus Polysilizium ist möglichst hoch dotiert, um einen geringen elektrischen Widerstand zu realisieren und die Strukturierung erfolgt mittels bekannter Verfahren, sodass sie zur elektrischen Verdrahtung dienen kann. Auf die Leiterbahnschicht L aus Polysilizium wird eine erste Opferschicht O1 aus Siliziumoxid, beispielsweise TEOS-Oxid, abgeschieden. Im Anschluss daran werden Bereiche einer zweiten Opferschicht O2 aus PSG in die erste Opferschicht O1 eingebettet, wobei diese Bereiche unmittelbar unter späteren Gräben T, T' zum Opferschichtätzen liegen, wie nachstehend erläutert wird.
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Nach Einbetten der Bereiche der zweiten Opferschicht O2, was beispielsweise durch einen Ätzprozess zum Ätzen der ersten Opferschicht O1 und einem anschließenden Auffüllprozess mit Rückpolieren erfolgen kann, wird ein Kontaktstöpsel K aus Polysilizium zum Anschluss an den Leiterbahnbereich I2 in der ersten und zweiten Opferschicht O1, O2 durch einen an sich bekannten Prozess gebildet.
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Weiterhin werden im Bereich eines späteren Bondrahmens 80 die erste und zweite Opferschicht O1, O2 von dem darunterliegenden Bereich der Leiterbahnschicht L entfernt. Im Anschluss daran wird eine mikromechanische Funktionsschicht 15 aus Polysilizium in gewünschter Dicke abgeschieden und strukturiert. Beim Strukturieren entstehen entsprechend den beweglich aufgehängten Funktionskomponenten durchgehende Gräben T bzw. Randgräben T', welche sich durch die gesamte mikromechanische Funktionsschicht 15 bis hinunter zur zweiten Opferschicht O2 aus PSG erstrecken.
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Siliziumoxidstöpsel S der ersten Opferschicht O1, welche beim Strukturieren der ersten Opferschicht O1 verbleiben, liegen relativ zentral unterhalb der beweglich aufgehängten Funktionskomponenten BF und weisen eine wesentlich geringere laterale Ausdehnung auf als die Funktionskomponenten BF. Über sie ist die mikromechanische Funktionsschicht 15 mit der ersten Opferschicht 15 verbunden.
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Mit dem Leiterbahnbereich I2 im Kontaktbereich K elektrisch verbunden ist die mikromechanische Funktionsschicht 15 durch einen Träger 15a der über eine Federeinrichung F mit den beweglichen Funktionskomponenten BF verbunden ist. Auch die Federeinrichtung F ist aus der mikromechanischen Funktionsschicht 15 aus Polysilizium herausstrukturiert. Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen 80 einen Bondrahmen, der über entsprechende Bereiche der Leiterbahnschicht L mit der Isolationsschicht I und darüber mit dem Substrat 1 verbunden ist.
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Zur Vermeidung von Wiederholungen wird für weitere Details auf die obige Beschreibung von 12 verwiesen.
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Weiter mit Bezug auf 2a, b wird ein erster HF-Gasphasen-Ätzschritt durchgeführt, der auf hohe Selektivität zwischen der zweiten PSG-Opferschicht O2 und der ersten Siliziumoxid-Opferschicht O1 sowie zwischen der zweiten PSG-Opferschicht O2 und der mikromechanischen Funktionsschicht 15 ausgelegt ist.
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Somit lassen sich gemäß 1b sämtliche Bereiche der zweiten Opferschicht O2 entfernen, ohne dass die erste Opferschicht O1 wesentlich angegriffen wird. Nach diesem ersten Gasphasen-Ätzschritt hängen die beweglichen Funktionskomponenten BF nur noch an den Siliziumoxidstöpseln S der ersten Opferschicht O1, sind also nur noch relativ schwach an der ersten Opferschicht O1 befestigt.
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Anschließend erfolgt ein optionaler Reinigungsschritt, beispielsweise ein Spülschritt mit deionisiertem Wasser, um mögliche Phosphorsäurereste aus den Graben T, T' und den darunterliegenden Hohlräumen, wo die zweite Opferschicht O2 entfernt worden ist, zu entfernen.
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In einem darauffolgenden zweiten HF-Gasphasen-Ätzschritt mit geänderter Zusammensetzung wird dann die erste Opferschicht O1 aus Siliziumoxid derart selektiv gegenüber der mikromechanischen Funktionsschicht 15 geätzt, dass sie die beweglichen Funktionskomponenten BF freigibt.
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Aufgrund der Vorätzung der zweiten Opferschicht O2 im ersten Gasphasen-Ätzschritt ist die Ätzdauer für den zweiten Gasphasen-Ätzschritt geringer als beim Stand der Technik, weshalb dieser Ätzschritt derart gesteuert werden kann, dass eine wesentlich geringere Unterätzung U' unterhalb der Leiterbahnbereiche I1, I2, I3 auftritt. Somit lassen sich die Leiterbahnbereiche I1, I2, I3 auch wesentlich schmaler auslegen als bei bisher bekannten Verfahren.
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3a, b und 4a, b sind Darstellungen zum Erläutern des Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 3b, 4b eine jeweilige schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 3a, 4a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängten Funktionskomponenten in der xy-Ebene.
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Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 3a, b und 4a, b entfallen die Siliziumoxidstöpsel S der ersten Ausführungsform und werden durch Polysiliziumstöpsel S' der mikromechanischen Funktionsschicht 15 ersetzt.
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Dazu werden entsprechende Bereiche der zweiten Opferschicht O2 in einem üblichen photolithographischen Prozessschritt entfernt, welche dann beim Abscheiden der mikromechanischen Funktionsschicht 15 aus Polysilizium zur Bildung der Stöpsel S' wieder aufgefüllt werden. Nach dem Entfernen der zweiten Opferschicht O2 im ersten Gasphasen-Ätzschritt besteht die Verbindung der mikromechanischen Funktionsschicht 15 aus Polysilizium und der ersten Opferschicht O1 aus Siliziumoxid nur noch im Bereich dieser Polysiliziumstöpsel S'.
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Analog wie bei der ersten Ausführungsform erfolgt der zweite Gasphasen-Ätzschritt zum Ätzen der ersten Opferschicht O1 nach dem optionalen Reinigungsschritt, wobei die beweglichen Funktionskomponenten BF beweglich gemacht werden. Gesteuert über die Prozessdauer des zweiten Gasphasen-Ätzschritts lässt sich, wie in 4a, b dargestellt, sogar erreichen, dass überhaupt keine Unterätzung der Leiterbahnbereiche I1, I2, I3 auftritt. Weiterhin haben die Polysilizium-Stöpsel S' nicht nur eine Bedeutung für die zweiphasige Gasphasenätzung, sondern können auch gleichzeitig als Anschlagstrukturen für die beweglichen Funktionskomponenten BF vorgesehen werden, welche eine übermäßige Auslenkung bzw. ein Anhaften an den Leiterbahnbereichen I1, I2, I3 verhindern.
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Ansonsten ergeben sich keine weiteren Unterschiede zur ersten Ausführungsform.
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5a, b bis 7a, b sind Darstellungen zum Erläutern des Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen Drucksensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 5b, 6b, 7b eine jeweilige schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 5a, 6a, 7a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängte Funktionskomponente in der xy-Ebene.
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Bei der dritten Ausführungsform handelt es sich im Unterschied zu den ersten beiden oben beschriebenen Ausführungsformen um einen Membransensor, beispielsweise einen Drucksensor, wobei Bezugszeichen 15b für den Membranbereich als bewegliche Funktionskomponente BF' steht. L1' bezeichnet einen einzelnen Leiterbahnbereich als Gegenelektrode zum Membranbereich 15b.
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Aufgrund der hohen Ätzrate der zweiten Opferschicht O2 aus PSG können im Vergleich zum Stand der Technik bei dieser Ausführungsform wie auch bei den anderen Ausführungsformen weniger Gräben für die Opferschichtätzung vorgesehen werden. Beim vorliegenden Beispiel liegen diese Gräben T'' vorteilhafterweise außerhalb bzw. an der Peripherie des Membranbereich 15b. Der Einfluss, den ein Verschlussverfahren auf den Funktionsbereich BF' bzw. Membranbereich 15b hat, kann damit verringert werden.
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Analog zu den vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsformen weist der bewegliche Funktionsbereich BF' Polysiliziumstöpsel S' auf, welche einerseits beim Opferätzen als Haftungspunkte der mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium der ersten Opferschicht O1 und andererseits als Anschläge nach dem Beweglichmachen der beweglichen Funktionskomponente BF' dienen. Wie in 6a), b) dargestellt, ist auch hier die Dauer des zweiten Gasphasen-Ätzschrittes zum Ätzen der ersten Opferschicht O1 derart bemessen, dass überhaupt keine Unterätzung der Leiterbahn I1' unterhalb der beweglichen Funktionskomponente BF' auftritt.
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Die zweiphasige HF-Gasphasenätzung mit dem in 6a, b gezeigten Resultat erfolgt analog zu den beiden bereits erläuterten Ausführungsformen.
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In einem abschließenden Prozessschritt, der in 7a, b illustriert ist, erfolgt das Abscheiden einer Verschlussschicht 50, beispielsweise aus Siliziumnitrid, welche die Gräben T' aufgrund des hohen Aspektverhältnisses nur teilweise von oben her auffüllt.
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8a, b bis 11a, b sind Darstellungen zum Erläutern des Herstellungsprozesses für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 8b, 9b, 10b, 11b eine jeweilige schematische Querschnittsdarstellung in der xz-Ebene und 8a, 9a, 10a, 11a eine entsprechende Ausschnittsdraufsicht auf die beweglich aufgehängten Funktionskomponenten in der xy-Ebene.
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Bei der vierten Ausführungsform handelt es sich um ein Mehrschichtsystem, wobei der Unterschied zur ersten Ausführungsform darin besteht, dass oberhalb der beweglichen Funktionskomponenten noch eine Dünnschichtkappe 110 aus einer weiteren Verkappungsschicht 100 aus Polysilizium strukturiert wird.
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Im Einzelnen werden dazu nach dem Prozesszustand gemäß 3a, b eine dritte Opferschicht O3 aus PSG und eine vierte Opferschicht O4 aus einem anderen Siliziumoxid in einer Ebene abgeschieden und strukturiert. Dabei erfolgt das Bilden der vierten Opferschicht O4 in einer Peripherie der dritten Opferschicht O3, wo nach dem zweiphasigen Opferschichtätzen eine Anbindung der Verkappungsschicht 100 an den Bondrahmen 80 über die vierte Opferschicht O4 gewünscht ist. Die dritte Opferschicht O3 aus PSG füllt dabei die Gräben T, T' der mikromechanischen Funktionsschicht 15 aus Polysilizium teilweise von oben her auf und verschließt sie somit.
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Im Anschluss daran wird eine fünfte Opferschicht O5 aus einem anderen Siliziumoxid, beispielsweise TEOS-Oxid, auf der dritten und vierten Opferschicht O3, O4 abgeschieden und entsprechend von später zu bildenden Polysiliziumstöpseln S'' der anschließend abzuscheidenden Verkappungsschicht 100 aus Polysilizium sowie entsprechend der Anbindung dieser Verkappungsschicht 100 an die vierte Opferschicht O4 strukturiert.
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Nach der anschließenden Abscheidung der Verkappungsschicht 100 aus Polysilizium werden im Randbereich des Bondrahmens 80 außerhalb der beweglichen Funktionskomponenten BF Gräben T''' gebildet, welche bis zur darunterliegenden dritten Opferschicht O3 aus PSG verlaufen. Somit entsteht eine quasi multidimensionale Anordnung von Ätzkanälen, welche später sowohl senkrecht als auch waagrecht verlaufen.
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Wie in 9a, b dargestellt, erfolgt dann zunächst in dem ersten Gasphasen-Ätzschritt ein selektives sukzessives Ätzen der dritten Opferschicht O3 durch die Gräben T''' und dann der zweiten Opferschicht O2 durch die Gräben T''' und T, T' gegenüber der ersten und vierten Opferschicht O1, O4 und gegenüber den Funktionskomponenten BF. Nach diesem ersten Gasphasen-Ätzschritt sind die beweglichen Funktionskomponenten BF von der Dünnschichtkappe 110 gelöst und mit der ersten Opferschicht O1 aus Siliziumoxid nur über die Polysilizumstöpsel S' verbunden.
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Nach dem optionalen Reinigungsschritt erfolgt der bereits erwähnte zweite Gasphasen Ätzschritt zum Entfernen der ersten und fünften Opferschicht O1, O5 aus Siliziumoxid und zum teilweisen Entfernen der vierten Opferschicht O4 aus Siliziumoxid, wobei im Randbereich der Dünnschichtkappe 110 eine geringfügige Unterätzung U'' auftritt, jedoch unter den Leiterbahnbereichen I1, I2, I3 keine Unterätzung auftritt, da die Ätzdauer des zweiten Gasphasen-Ätzschritts entsprechend gewählt ist. Die freigelegten Polysilizium-Stöpsel S' dienen als untere Anschlagsstrukturen für die beweglichen Funktionskomponenten BF, während die Polysilizium-Stöpsel S'' der Dünnschichtkappe 110 als obere Anschlagsstrukturen für die beweglichen Funktionskomponenten BF dienen.
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In Analogie zu 7a, b erfolgt dann gemäß 11a), b) eine Abscheidung einer Siliziumnitridschicht 50' als Verschlussschicht für die Dünnschichtkappe 110.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Bei den obigen Ausführungsformen wird stets von PSG-Schicht und anderer Oxidschicht gesprochen. Unter PSG-Schichten sollen alle Arten von Oxidschichten verstanden werden, die sich dadurch auszeichnen, dass es sich bei der Schicht um eine nicht-leitende dielektrische Schicht handelt, die Schicht Phosphor enthält und die Schicht in HF-Dampf eine relativ große Ätzrate aufweist, wie z. B. PSG oder BPSG.
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Unter anderen Oxidschichten sollen alle Arten von dotierten oder undotierten Oxiden verstanden werden, die sich dadurch auszeichnen, dass es sich bei dieser Schicht um eine nicht-leitende dielektrische Schicht handelt, die Schicht wenig oder gar keinen Phosphor enthält und die Schicht in HF-Dampf eine relativ geringe Ätzrate aufweist, wie z. B. thermisches Oxid, TEOS-Oxid, Silan-Oxid oder BSG.
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Auch ist die angegebene Auswahl der weiteren Schichtmaterialien nur beispielhaft und beliebig variierbar.
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Obwohl in den obigen Ausführungsformen zwei diskrete Gasphasen-Ätzschritte mit einem optionalen dazwischen liegenden Reinigungsschritt beschrieben wurden, ist es auch möglich, einen gerampten Gasphasen-Ätzschritt durchzuführen, bei dem zunächst ein Gasphasen-Ätzschritt durchgeführt wird, der auf hoher Selektivität zwischen PSG und Siliziumoxid ausgelegt ist, und dann nach einem Übergangsschritt, beispielsweise mit einem Inertgas, ein Gasphasen-Ätzschritt, der optimiert ist, die anderen Siliziumoxidstrukturen zu ätzen, welche die beweglichen Funktionskomponenten halten.
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Bei diesem Ätzregime ist es insbesondere günstig, Ätzkanalgeometrien vorzusehen, welche an den Polysiliziumstöpseln der beweglichen Funktionskomponenten enden. Mögliche Phosphorsäurereste fallen beim Gasphasenätzen in diesen Strukturen nicht an. Ein mögliches Kleberisiko verursacht durch derartige Phosphorsäurereste an den Anschlagstrukturen wird durch diesen Aufbau vermieden.
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Besonders bevorzugte, aber nicht ausschließliche Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind Drucksensoren, Drehratensensoren, Beschleunigungssensoren, deren aktuelle Größe durch die bisherigen breiten Leiterbahnbereiche begrenzt ist. Mit der erfindungsgemäßen Opferschichttechnik werden kleinere Sensoren möglich. Das erfindungsgemäße Opferschicht-Ätzverfahren kann z. B. auch für MEMS-Mikrophone eingesetzt werden. Bei Mikrophonen muss sehr weit unterätzt werden, was effektiv erleichtert wird, da durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die gesamte Ätzzeit im Vergleich zur Verwendung einer einzigen Opferschicht stark reduziert werden kann.
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Obwohl die obigen Ausführungsformen zwei übereinanderliegende Opferschichten erwähnen, ist es selbstverständlich auch möglich, weitere Opferschichten bzw. Zwischenschichten zwischen den Opferschichten vorzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19537814 A1 [0005]
- DE 4241045 [0009]
- DE 4317274 [0010]
- DE 1970445 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Gas-phase-selective-etching of native oxide”; Miki, IEEE Transactions on electron devices, Band 37, Nr. 1, Januar 1990 [0017]
