DE102010039180B4 - Method for producing semiconductor chips and corresponding semiconductor chip - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterchips mit folgenden Schritten:
Bereitstellen einer Anordnung aus einem Wafersubstrat (10), einer ersten Schicht (12) aus einem isolierenden Material auf dem Wafersubstrat (10) und einer Schicht (14) aus einkristallinem Silizium auf der ersten isolierenden Schicht (12);
Strukturieren der Schicht (14) aus einkristallinem Silizium und der darunterliegenden ersten Schicht (12) aus dem isolierenden Material derart, dass beide Schichten (12, 14) in einem definierten lateralen Bereich (16) stehenbleiben, wodurch ein Block (17) gebildet wird;
Bilden einer vergrabenen Schicht (20) aus einem leitfähigen Material in lateralen Bereichen der Anordnung ausserhalb des definierten lateralen Bereiches (16);
Aufbringen einer Startschicht (26) aus polykristallinem Silizium auf laterale Bereiche der Anordnung ausserhalb des definierten lateralen Bereiches (16);
epitaktisches Abscheiden von Silizium auf der Schicht (14) aus einkristallinem Silizium und auf der Startschicht (26) aus polykristallinem Silizium, wodurch eine epitaktisch abgeschiedene Siliziumschicht (31) mit lateral benachbarten einkristallinen und polykristallinen Bereichen gebildet wird;
wobei die epitaktisch abgeschiedene Schicht (31) aus Silizium zum Ausbilden von Funktionsbereichen strukturiert wird;
wobei beim Strukturieren der epitaktisch abgeschiedene Schicht (31) in einem aus einkristallinem Silizium bestehenden Bereich (28) eine Feder (36) einer mikromechanischen Struktur ausgebildet wird, welche vollständig aus einkristallinem Silizium besteht, welche mit einem beweglichen Element (38) verbunden ist, das einkristallines und polykristallines Silizium aufweist; und
Freilegen der Feder (36) und des beweglichen Elements (38) mittels eines Gasphasenätzprozesses, so dass das bewegliche Element (38) an einer Seite der Feder (36) aufgehängt ist, wobei die Feder (36) auf der anderen Seite mit dem Wafersubstrat (10) gekoppelt ist.

Figure DE102010039180B4_0000
Method for producing semiconductor chips with the following steps:
Providing an assembly of a wafer substrate (10), a first layer (12) of an insulating material on the wafer substrate (10), and a layer (14) of single crystal silicon on the first insulating layer (12);
Patterning the layer (14) of monocrystalline silicon and the underlying first layer (12) of the insulating material such that both layers (12, 14) remain in a defined lateral area (16), thereby forming a block (17);
Forming a buried layer (20) of conductive material in lateral regions of the assembly outside the defined lateral region (16);
Depositing a start layer (26) of polycrystalline silicon on lateral areas of the arrangement outside the defined lateral area (16);
epitaxially depositing silicon on the monocrystalline silicon layer (14) and on the polycrystalline silicon start layer (26), thereby forming an epitaxially deposited silicon layer (31) having laterally adjacent single crystalline and polycrystalline regions;
wherein the epitaxially deposited layer (31) is patterned of silicon to form functional regions;
wherein in structuring the epitaxially deposited layer (31) in a region (28) made of monocrystalline silicon, a spring (36) of a micromechanical structure consisting entirely of monocrystalline silicon connected to a movable element (38) is formed single crystal and polycrystalline silicon; and
Exposing the spring (36) and the movable member (38) by means of a gas phase etching process such that the movable member (38) is on one side of the spring (36) is suspended, wherein the spring (36) is coupled on the other side with the wafer substrate (10).
Figure DE102010039180B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterchips und einen entsprechenden Halbleiterchip.The present invention relates to a method for producing semiconductor chips and a corresponding semiconductor chip.

Die DE 10 2008 040 851 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterchips, wobei eine Siliziumschicht epitaktisch gleichzeitig auf einer Schicht aus einkristallinem Silizium und auf einer Startschicht aus polykristallinem Silizium aufgewachsen wird.The DE 10 2008 040 851 A1 discloses a method of making semiconductor chips wherein a silicon layer is epitaxially grown simultaneously on a layer of single crystal silicon and on a polycrystalline silicon start layer.

Stand der TechnikState of the art

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen Schichten aus einkristallinem Silizium auf einer Schicht aus isolierendem Material (Silicon On Insulator SOI) bereitgestellt werden können. Diese werden zur Herstellung von elektronischen Bauelementen oder elektromechanischen Mikrostrukturen (MEMS) verwendet. Allerdings müssen bei der Verwendung von SOI-Substraten Kontaktflächen, Leiterbahnen und Elektroden oberhalb der Schaltkreise oder der mikromechanischen Strukturen angebracht werden.Various methods are known with which layers of monocrystalline silicon can be provided on a layer of insulating material (Silicon On Insulator SOI). These are used to make electronic components or electromechanical microstructures (MEMS). However, when using SOI substrates, pads, traces, and electrodes must be placed above the circuits or micromechanical structures.

Weiterhin ist die Herstellung von polykristallinen mikromechanischen Strukturen bekannt. Dabei wird auf einer Oxidschicht eine polykristalline Silizium-Startschicht abgeschieden, die über eine epitaktische Abscheidung aufgedickt wird. Durch geeignete Prozessführung können unter den mikromechanischen Strukturen Kontaktflächen, Leiterbahnen und Elektroden integriert werden. Dies ist beispielsweise in der DE 195 37 814 A1 beschrieben.Furthermore, the production of polycrystalline micromechanical structures is known. In this case, a polycrystalline silicon starting layer is deposited on an oxide layer, which is thickened by an epitaxial deposition. By means of suitable process control, contact surfaces, interconnects and electrodes can be integrated under the micromechanical structures. This is for example in the DE 195 37 814 A1 described.

Außerdem ist bekannt, dass Oxidschichten mittels einer epitaktischen Abscheidung von lateral benachbarten einkristallinen Bereichen einkristallin überwachsen werden können. Dies ist beispielsweise in den nachstehenden Publikationen [1], [2] und [3] beschrieben:

  1. [1] „A micromachining technique for a thin silicon membrane using merged epitaxial lateral overgrowth of silicon and SiO2 for an etch-stop‟, James J. Pak, Abul E. Kabir, Gerold W. Nedeck, James H. Logsdon, David R. DeRoo and Steven E. Staller, TRANSDUCERS '91, 1991 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Digest of Technical Papers (Cat. No.91CH2817-5), San Francisco, CA, USA, 24-27 June 1991 / 1991 / 4160016.
  2. [2] „Automatic etch stop on buried oxide using epitaxial lateral overgrowth‟, Gennisen P.T.J., Bartek M., French P.J., Sarro P.M., Wolffenbuttel R.F., Proceedings of the International Solid-State Sensors and Actuators Conference - TRANSDUCERS '95; Stockholm, Sweden, 25-29 June 1995 / 1995 / 5248250 CA Conference Paper (C)
  3. [3] „A new epitaxial lateral overgrowth silicon bipolar transistor‟, Gerold W. Neudeck, IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-8, No. 10, October 1987
In addition, it is known that oxide layers can be monocrystalline overgrown by means of an epitaxial deposition of laterally adjacent monocrystalline regions. This is described, for example, in the following publications [1], [2] and [3]:
  1. [1] "A micromachining technique for a thin silicon membrane using a merged epitaxial lateral overgrowth of silicon and SiO 2 for an etch-stop", James J. Pak, Abul E. Kabir, Gerold W. Nedeck, James H. Logsdon, David R. DeRoo and Steven E. Staller, TRANSDUCERS '91, 1991 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Digest of Technical Papers (Cat. No. 91CH2817-5), San Francisco, CA, USA, 24-27 June 1991/1991/4160016 ,
  2. [2] "Automatic etch stop on buried oxide using epitaxial lateral overgrowth", Gennisen PTJ, Bartek M., French PJ, Sarro PM, Wolffenbuttel RF, Proceedings of the International Solid-State Sensors and Actuators Conference - TRANSDUCERS '95; Stockholm, Sweden, 25-29 June 1995/1995/5248250 CA Conference Paper (C)
  3. [3] "A new epitaxial lateral overgrowth silicon bipolar transistor", Gerold W. Neudeck, IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-8, no. 10, October 1987

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Halbleiterchips nach Anspruch 1 und der durch ein solches Verfahren erhältliche Halbleiterchip nach Anspruch 6 stellen Siliziumschichten mit gemischten einkristallinen und polykristallinen Bereichen bereit, wobei unter den polykristallinen Bereichen Kontaktflächen, Leiterbahnen und Elektroden angeordnet werden können.The method according to the invention for producing semiconductor chips according to claim 1 and the semiconductor chip obtainable by such a method according to claim 6 provide silicon layers with mixed monocrystalline and polycrystalline regions, wherein contact surfaces, interconnects and electrodes can be arranged under the polycrystalline regions.

Die vorliegende Erfindung geht von einem SOI-Wafer mit dünner, einkristalliner Schicht aus. Die einkristalline Schicht wird teilweise entfernt und nur in einem definierten Bereich stehengelassen. In den Bereichen, in denen die einkristalline Schicht entfernt wurde, wird eine vergrabene leitfähige Schicht angelegt, über der eine Polysilizium-Startschicht aufgebracht wird. Anschließend wird in einer epitaktischen Abscheidung Silizium aufgewachsen. Dabei wird in den einkristallinen Bereichen entsprechend einkristallines Silizium aufgewachsen, während in den polykristallinen Bereichen entsprechend der Unterlage polykristallines Silizium aufgewachsen wird. Mit dieser Methode gibt es beim Anlegen der einkristallinen Bereiche keine Einschränkungen in der Größe oder im lateralen Vorhalt zu benachbarten Funktionsstrukturen. So können mehrere einkristalline Strukturen dicht nebeneinander angeordnet werden. Die einkristallinen Bereiche lassen sich beliebig innerhalb von Funktionsstrukturen anordnen, so dass bekannte Layouts nahezu ohne Änderung übernommen werden können. Außerdem kann bei diesem Verfahren ein Epitaxieprozess verwendet werden, der sehr robust und schnell und damit kostengünstig ist.The present invention is based on a SOI wafer with a thin, monocrystalline layer. The monocrystalline layer is partially removed and allowed to stand only in a defined range. In the areas in which the monocrystalline layer has been removed, a buried conductive layer is applied, over which a polysilicon starter layer is applied. Subsequently, silicon is grown in an epitaxial deposition. In this case, monocrystalline silicon is accordingly grown in the monocrystalline regions, while in the polycrystalline regions corresponding to the substrate polycrystalline silicon is grown. With this method, there are no restrictions in the size or in the lateral lead to adjacent functional structures when creating the monocrystalline regions. Thus, several monocrystalline structures can be arranged close to each other. The monocrystalline regions can be arranged arbitrarily within functional structures, so that known layouts can be adopted with almost no change. In addition, in this method, an epitaxial process can be used, which is very robust and fast and therefore inexpensive.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.In the dependent claims are advantageous developments and improvements of the respective subject of the invention.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche der Schicht aus einkristallinem Silizium vor dem epitaktischen Abscheiden höher angeordnet als die Oberfläche der Startschicht aus polykristallinem Silizium und/oder das einkristalline Silizium hat eine Oberflächenorientierung in 100-Richtung. Mit einer solchen Anordnung dominiert das einkristalline Wachstum gegenüber dem polykristallinen Wachstum, da die 100-Richtung die schnelle Wachstumsrichtung im Standard-Epitaxie-Prozess ist. Indem gleichzeitig der Schichtaufbau so gewählt wird, dass vor dem Epitaxie-Prozess die einkristalline Siliziumschicht höher angeordnet ist als die polykristalline Startschicht, wird der einkristalline Wachstumsprozess in 100-Richtung immer einen Höhenvorsprung vor der polykristallinen Wachstumsfront haben. Im Allgemeinen wird sich unter diesen Bedingungen unter 54° eine Grenzfläche zwischen dem einkristallinen und dem polykristallinen Bereich, also entlang der langsamen Wachstumsrichtung, bilden. Mit diesen Maßnahmen lassen sich besonders große einkristalline Bereiche erzeugen.According to a preferred embodiment of the invention, the surface of the layer of monocrystalline silicon is arranged higher than the surface of the starting layer of polycrystalline silicon before the epitaxial deposition and / or the monocrystalline silicon has a surface orientation in the 100 direction. With such an arrangement, monocrystalline growth dominates over polycrystalline growth because the 100-direction is the fast growth direction in the standard epitaxy process. By simultaneously selecting the layer structure such that the monocrystalline silicon layer is arranged higher than before the epitaxy process the polycrystalline starting layer, the monocrystalline growth process in the 100 direction will always have a height advantage in front of the polycrystalline growth front. In general, under these conditions, below 54 °, an interface between the monocrystalline and the polycrystalline region, ie along the slow growth direction, will form. With these measures, it is possible to produce particularly large monocrystalline regions.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Anlegen einer vergrabenen Schicht aus leitfähigem Material folgende Teilschritte: Entfernen der ersten Schicht aus isolierendem Material in den Bereichen der Anordnung außerhalb des definierten Bereiches; Ausbilden einer zweiten Schicht aus isolierendem Material auf der gesamten Oberfläche der Anordnung; Abscheiden und Dotieren einer Schicht aus polykristallinem Silizium auf der gesamten Oberfläche der zweiten Schicht aus isolierendem Material; Strukturieren der Schicht aus polykristallinem Silizium, so dass sie zumindest aus dem definierten Bereich entfernt wird; Ausbilden einer dritten Schicht aus isolierendem Material auf der gesamten Oberfläche der Anordnung; und Entfernen der zweiten und dritten Schicht aus isolierendem Material in dem definierten Bereich.According to a preferred embodiment of the invention, the application of a buried layer of conductive material comprises the following substeps: removal of the first layer of insulating material in the regions of the arrangement outside the defined range; Forming a second layer of insulating material over the entire surface of the assembly; Depositing and doping a layer of polycrystalline silicon on the entire surface of the second layer of insulating material; Patterning the layer of polycrystalline silicon so that it is removed at least from the defined area; Forming a third layer of insulating material over the entire surface of the assembly; and removing the second and third layers of insulating material in the defined area.

Bei der zweiten und dritten Schicht aus isolierendem Material handelt es sich bevorzugt um jeweils eine Oxidschicht, die entweder durch thermische Oxidation der freiliegenden Siliziumschichten oder beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung von Tetraethylorthosilikat (TEOS-LPCVD) bei Niederdruck erzeugt wird. Das Entfernen der Schichten aus isolierendem Material in dem definierten Bereich erfolgt vorzugsweise, nachdem die Startschicht aus polykristallinem Silizium auf die gesamte Oberfläche der Anordnung aufgebracht und anschließend in dem definierten Bereich wieder entfernt wurde.The second and third layers of insulating material are preferably each an oxide layer, which is produced either by thermal oxidation of the exposed silicon layers or, for example, by chemical vapor deposition of tetraethyl orthosilicate (TEOS-LPCVD) at low pressure. The removal of the layers of insulating material in the defined area is preferably carried out after the starting layer of polycrystalline silicon has been applied to the entire surface of the arrangement and then removed again in the defined area.

Vorzugsweise wird die dritte Schicht aus isolierendem Material vor Aufbringen der Startschicht aus polykristallinem Silizium zum Anlegen von Kontaktbereichen strukturiert. Preferably, the third layer of insulating material is patterned prior to deposition of the polycrystalline silicon seed layer to provide contact areas.

Gemäß der Erfindung wird außerdem die epitaktisch abgeschiedene Schicht zum Ausbilden von Funktionsbereichen strukturiert, was vorzugsweise mittels eines anisotropen Ätzprozesses, auch Trenchprozess genannt, geschieht. Bei den Funktionsbereichen kann es sich entweder um Schaltkreise von elektronischen Bauelementen handeln oder um elektromechanische Mikrostrukturen, wie sie bei Sensoren zur Anwendung kommen. Zuvor kann die epitaktisch abgeschiedene Schicht durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert werden.According to the invention, the epitaxially deposited layer is also patterned to form functional regions, which is preferably done by means of an anisotropic etching process, also called trench process. The functional areas may be either circuits of electronic components or electromechanical microstructures as used in sensors. Previously, the epitaxially deposited layer can be planarized by chemical mechanical polishing.

Gemäß der Erfindung wird beim Strukturieren der epitaktischen Schicht in einem aus einkristallinem Silizium bestehenden Bereich eine Feder einer mikromechanischen Struktur ausgebildet. Für solche Federn ist es wünschenswert, dass sie nur in einkristallinen Bereichen liegen. Dadurch lässt sich die Offsetstreuung, die bei polykristallinem Material durch die stochastische Verteilung der einkristallinen Bereiche und deren Übergangsbereichen entstehenden Spannungen auftreten und sich bei immer kleiner werdenden Bauteilen immer stärker bemerkbar macht, drastisch reduzieren.According to the invention, when structuring the epitaxial layer in a region consisting of monocrystalline silicon, a spring of a micromechanical structure is formed. For such springs, it is desirable that they lie only in monocrystalline regions. As a result, the offset scattering which occurs in the case of polycrystalline material due to the stochastic distribution of the monocrystalline regions and their transition regions occurring stresses and makes more and more noticeable with ever smaller components, can be drastically reduced.

Zum Freilegen der Feder werden die Schichten aus isolierendem Material vorzugsweise mittels eines Gasphasenätzprozesses teilweise entfernt. Dazu werden beim Strukturieren der epitaktischen Schicht zusätzlich Löcher in einem Abstand, der kleiner als der Unterätzungsgrad ist, in der epitaktischen Schicht erzeugt, um den Zugang zu den zu ätzenden Schichten zu ermöglichen.To expose the spring, the layers of insulating material are preferably partially removed by means of a gas phase etching process. To this end, in patterning the epitaxial layer, additional holes are formed in the epitaxial layer at a distance smaller than the undercutting degree to allow access to the layers to be etched.

Bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten entsprechend auch für den erfindungsgemäßen Halbleiterchip.Preferred embodiments and advantages of the method according to the invention also apply correspondingly to the semiconductor chip according to the invention.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:

  • 1 ein erstes Stadium der Herstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 2 ein zweites Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 3 ein drittes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 4 ein viertes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 5 ein fünftes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 6 ein sechstes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 7 ein siebtes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 8 ein achtes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 9 ein neuntes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 10 ein zehntes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 11 ein elftes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Querschnittsansicht;
  • 12a, b ein zwölftes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Draufsicht und in Querschnittsansicht; und
  • 13a, b ein dreizehntes Stadium der Herstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips in Draufsicht und in Querschnittsansicht.
Show it:
  • 1 a first stage of manufacturing an embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 2 a second stage of the production of the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 3 a third stage of the production of the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 4 a fourth stage of manufacturing the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 5 a fifth stage of the production of the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 6 a sixth stage of manufacturing the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 7 a seventh stage of manufacturing the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 8th an eighth stage of manufacturing the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 9 a ninth stage of manufacturing the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 10 a tenth stage of manufacturing the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 11 an eleventh stage of manufacturing the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in cross-sectional view;
  • 12a, b a twelfth stage of manufacturing the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in plan view and in cross-sectional view; and
  • 13a, b a thirteenth stage of the production of the embodiment of a semiconductor chip according to the invention in plan view and in cross-sectional view.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 ist eine Querschnittsansicht eines SOI-Substrats, welches das Ausgangsstadium des Herstellungsverfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet. 1 FIG. 12 is a cross-sectional view of an SOI substrate constituting the initial stage of the manufacturing process according to a preferred embodiment of the present invention. FIG.

Das SOI-Substrat umfasst einen Silizium-Wafer 10 mit einer Oxidschicht 12 auf der Wafer-Oberfläche und einer dünnen Schicht 14 aus einkristallinem Silizium auf der Oberfläche der Oxidschicht 12.The SOI substrate comprises a silicon wafer 10 with an oxide layer 12 on the wafer surface and a thin layer 14 of monocrystalline silicon on the surface of the oxide layer 12 ,

2 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 is a cross-sectional view of a second process stage of the manufacturing method according to the preferred embodiment of the invention.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden sowohl die dünne einkristalline Siliziumschicht 14 als auch die darunter liegende Oxidschicht 12 in Teilbereichen entfernt, so dass beide Schichten nur in einem definierten lateralen Bereich 16 stehenbleiben, wodurch ein Block 17 gebildet wird.According to the preferred embodiment, both the thin monocrystalline silicon layer 14 as well as the underlying oxide layer 12 removed in subregions, leaving both layers only in a defined lateral area 16 stop, creating a block 17 is formed.

3 ist eine Querschnittsansicht eines dritten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 FIG. 12 is a cross-sectional view of a third process stage of the manufacturing process according to the preferred embodiment of the invention. FIG.

Nach dem Strukturieren der beiden Schichten 12 und 14 wird eine Oxidschicht 18 auf der gesamten Oberfläche der Anordnung abgeschieden. Dies geschieht entweder durch thermische Oxidation der beiden freiliegenden Siliziumschichten oder beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung von Tetraethylorthosilikat bei Niederdruck (TEOS-LPCVD).After structuring the two layers 12 and 14 becomes an oxide layer 18 deposited on the entire surface of the device. This is done either by thermal oxidation of the two exposed silicon layers or, for example, by chemical vapor deposition of tetraethyl orthosilicate at low pressure (TEOS-LPCVD).

4 ist eine Querschnittsansicht eines vierten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 4 FIG. 12 is a cross-sectional view of a fourth process stage of the manufacturing process according to the preferred embodiment of the invention. FIG.

Auf der Oberfläche der Oxidschicht 18 wird zum Anlegen einer vergrabenen Leiterbahn oder Elektrode eine Schicht 20 aus polykristallinem Silizium abgeschieden. Diese Polysiliziumschicht 20 wird dotiert, um leitfähig zu sein.On the surface of the oxide layer 18 For example, a layer is created to apply a buried trace or electrode 20 deposited from polycrystalline silicon. This polysilicon layer 20 is doped to be conductive.

5 ist eine Querschnittsansicht eines fünften Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5 FIG. 12 is a cross-sectional view of a fifth process stage of the manufacturing method according to the preferred embodiment of the invention. FIG.

In dem definierten lateralen Bereich 16 sowie optional von den Seitenwänden des Blocks 17 wird das polykristalline Silizium wieder entfernt. In diesem Schritt kann gleichzeitig die Polysiliziumschicht 20 zum Ausbilden der vergrabenen Leiterbahn und einer Elektrode strukturiert werden.In the defined lateral area 16 and optionally from the side walls of the block 17 the polycrystalline silicon is removed again. In this step, at the same time, the polysilicon layer 20 to form the buried trace and an electrode.

6 ist eine Querschnittsansicht eines sechsten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 6 FIG. 12 is a cross-sectional view of a sixth process stage of the manufacturing method according to the preferred embodiment of the invention. FIG.

Nach dem Entfernen des Polysiliziums wird nochmals eine Oxidschicht 22 auf der Oberfläche der Anordnung abgeschieden, so dass die Polysiliziumschicht 20 und der Block 17 bedeckt sind. Diese Oxidschicht 22 dient im weiteren Verfahren im Wesentlichen als Opferschicht. Durch ihre Dicke wird der Abstand zwischen der vergrabenen Leiterbahn oder Elektrode und einer im weiteren Verfahren hinzukommenden Funktionsschicht definiert.After removal of the polysilicon, an oxide layer is formed again 22 deposited on the surface of the device so that the polysilicon layer 20 and the block 17 are covered. This oxide layer 22 essentially serves as a sacrificial layer in the further process. Its thickness defines the distance between the buried interconnect or electrode and a functional layer added in the further process.

7 ist eine Querschnittsansicht eines siebten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 7 FIG. 10 is a cross-sectional view of a seventh process stage of the manufacturing process according to the preferred embodiment of the invention. FIG.

In die Oxidschicht 22 werden Kontaktbereiche 24 geätzt, die zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der vergrabenen Leiterbahn und der Funktionsschicht dienen.In the oxide layer 22 become contact areas 24 etched, which serve to establish an electrically conductive connection between the buried conductor track and the functional layer.

8 ist eine Querschnittsansicht eines achten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 8th FIG. 12 is a cross-sectional view of an eighth process stage of the manufacturing process according to the preferred embodiment of the invention. FIG.

Nach dem Anlegen der Kontaktbereiche 24 erfolgt die Abscheidung einer weiteren Schicht 26 aus polykristallinem Silizium auf der gesamten Oberfläche der Anordnung, das heißt die Polysiliziumschicht 26 bedeckt die Oxidschicht 22 sowie die Kontaktbereiche 24. After creating the contact areas 24 the deposition of another layer takes place 26 polycrystalline silicon over the entire surface of the device, that is, the polysilicon layer 26 covers the oxide layer 22 as well as the contact areas 24 ,

Die Polysiliziumschicht 26 dient als Startschicht für ein epitaktisches Aufwachsen von Silizium.The polysilicon layer 26 serves as a starting layer for an epitaxial growth of silicon.

9 ist eine Querschnittsansicht eines neunten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 9 FIG. 12 is a cross-sectional view of a ninth process stage of the manufacturing method according to the preferred embodiment of the invention. FIG.

Nach dem Abscheiden wird die Polysiliziumschicht 26 strukturiert, wobei das Polysilizium aus dem definierten lateralen Bereich 16 und von den Seitenwänden des Blocks 17 entfernt wird.After deposition, the polysilicon layer becomes 26 structured, wherein the polysilicon from the defined lateral area 16 and from the side walls of the block 17 Will get removed.

10 ist eine Querschnittsansicht eines zehnten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 10 FIG. 10 is a cross-sectional view of a tenth process stage of the manufacturing method according to the preferred embodiment of the invention. FIG.

Nach dem Entfernen des Polysiliziums wird auch das Oxid in dem definierten lateralen Bereich 16 soweit entfernt, dass die Schicht 14 aus einkristallinem Silizium freigelegt wird, das heißt die Oberfläche und die Seitenwände des Blocks 17 werden soweit abgetragen, bis die Schicht 14 zum Vorschein kommt. In 10 ist zu erkennen, dass die Oberfläche der Schicht 14 aus einkristallinem Silizium in der Anordnung höher liegt als die verbleibenden Teile der Schicht 26 aus polykristallinem Silizium. Dadurch hat der im nächsten Schritt folgende einkristalline Wachstumsprozess einen Höhenvorsprung vor der polykristallinen Wachstumsfront. Zusätzlich wird gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Schicht 14 einkristallines Silizium mit einer Oberflächenorientierung in 100-Richtung gewählt, da dies die schnelle Wachstumsrichtung im Standard-Epitaxie-Prozess ist. Beim nächsten Schritt, in dem Silizium epitaktisch auf der Startschicht 26 aus polykristallinem Silizium sowie auf der Schicht 14 aus einkristallinem Silizium abgeschieden wird, dominiert daher das einkristalline Wachstum gegenüber dem polykristallinen Wachstum, so dass sich eine Grenzfläche zwischen den entstehenden Bereichen aus einkristallinem Silizium und aus polykristallinem Silizium der epitaktisch aufgewachsenen Schicht unter 54° gegenüber der Horizontalen bildet.After removal of the polysilicon, the oxide also becomes in the defined lateral region 16 so far removed that the layer 14 is exposed from single crystal silicon, that is, the surface and sidewalls of the block 17 are removed until the layer 14 comes to light. In 10 it can be seen that the surface of the layer 14 of monocrystalline silicon in the arrangement is higher than the remaining parts of the layer 26 made of polycrystalline silicon. As a result, the monocrystalline growth process following in the next step has a height advantage in front of the polycrystalline growth front. In addition, according to the preferred embodiment of the invention for the layer 14 single crystalline silicon with a surface orientation in 100 Direction, since this is the fast growth direction in the standard epitaxy process. At the next step, in the silicon epitaxially on the starting layer 26 made of polycrystalline silicon and on the layer 14 is deposited from single-crystal silicon, therefore dominates the monocrystalline growth over the polycrystalline growth, so that forms an interface between the resulting regions of monocrystalline silicon and polycrystalline silicon of the epitaxially grown layer below 54 ° to the horizontal.

11 ist eine Querschnittsansicht eines elften Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das den einkristallinen Bereich 28 und den polykristallinen Bereich 30 der epitaktisch aufgewachsenen Schicht 31 zeigt. 11 FIG. 12 is a cross-sectional view of an eleventh process stage of the manufacturing process according to the preferred embodiment of the invention, which is the monocrystalline region. FIG 28 and the polycrystalline region 30 the epitaxially grown layer 31 shows.

Die epitaktisch aufgewachsene Schicht 31 bildet die Funktionsschicht des herzustellenden Halbleiterchips. In 11 ist zu erkennen, dass der Bereich 28 aus einkristallinem Silizium nach oben hin breiter wird. Nach dem Abscheiden wird die Schicht 31 aus epitaktisch aufgewachsenem Silizium durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert.The epitaxially grown layer 31 forms the functional layer of the semiconductor chip to be produced. In 11 it can be seen that the area 28 made of monocrystalline silicon becomes wider towards the top. After deposition, the layer becomes 31 planarized from epitaxially grown silicon by chemical-mechanical polishing.

12a und b sind Ansichten eines zwölften Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 12a and b are views of a twelfth process stage of the manufacturing process according to the preferred embodiment of the invention.

12a ist eine Draufsicht auf die Anordnung nach dem Strukturieren der epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschicht 31. Das Strukturieren erfolgt mittels eines anisotropen Ätzprozesses, auch Trenchprozess genannt. Dabei wird zum einen in dem einkristallinen Bereich 28 eine Feder 36 ausgebildet. Zum anderen werden ein Graben 32 und Löcher 34 für einen späteren Gasphasenätzprozess ausgebildet. Der Graben 32 dient außerdem zum Abtrennen eines beweglichen Elements 38, das sowohl einkristallines Silizium als auch polykristallines Silizium aufweist. Der Abstand der Löcher 34 ist so gewählt, dass er kleiner als ein eingestellter Unterätzungsgrad ist. Wird beispielsweise ein Unterätzungsgrad von 10 µm eingestellt, so muss der Abstand der Löcher zueinander sowie von dem Graben 32 kleiner als 10 µm sein, damit im folgenden Gasphasenätzprozesse die gesamte Opferschicht unter den Löchern 34 entfernt wird. 12a FIG. 12 is a plan view of the arrangement after patterning the epitaxially grown silicon layer. FIG 31 , The structuring takes place by means of an anisotropic etching process, also called the trench process. In this case, on the one hand in the monocrystalline region 28 a feather 36 educated. On the other hand, a ditch 32 and holes 34 designed for a later gas phase etching process. The ditch 32 also serves to separate a movable element 38 which has both monocrystalline silicon and polycrystalline silicon. The distance of the holes 34 is chosen to be less than a set undercutting degree. If, for example, an undercutting degree of 10 μm is set, then the distance of the holes from each other and from the trench must be 32 be smaller than 10 microns, so that in the following Gasphasenätzprozesse the entire sacrificial layer under the holes 34 Will get removed.

12b ist ein Querschnitt durch die Anordnung entlang der gestrichelten Linie von 12a. 12b is a cross section through the arrangement along the dashed line of 12a ,

13a und b sind Ansichten eines dreizehnten Prozessstadiums des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 13a and FIG. 8b are views of a thirteenth process stage of the manufacturing process according to the preferred embodiment of the invention.

13a ist eine Draufsicht auf die sich gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ergebende Anordnung. Sie zeigt eine Mikrostruktur mit einer Feder 36 und einem mit der Feder 36 verbundenen beweglichen Element 38, welches Löcher 34 aufweist. Die Feder 36 besteht ganz aus einkristallinem Silizium, während das bewegliche Element 38 sowohl einkristallines als auch polykristallines Silizium umfasst. 13a is a plan view of the resulting according to the preferred embodiment of the invention arrangement. It shows a microstructure with a spring 36 and one with the spring 36 connected movable element 38 which holes 34 having. The feather 36 consists entirely of monocrystalline silicon, while the movable element 38 comprises both monocrystalline and polycrystalline silicon.

13b ist ein Querschnitt entlang der gestrichelten Linie in 13a. Sie zeigt das Ergebnis des Gasphasenätzprozesses, bei dem die Oxidschicht 22 sowie ein Teil der Oxidschicht 18 und der Rest der Oxidschicht 12 entfernt wurden, wodurch die Feder 36 und das bewegliche Element 38 freigelegt wurden, so dass das bewegliche Element 38 an der Feder 36 aufgehängt ist, die auf der anderen Seite mit dem Substrat 10 gekoppelt ist. Der Teil der leitenden Schicht 20, der sich unter dem beweglichen Element 38 befindet, dient als Elektrode und ist, ebenso wie das bewegliche Element 38, über die vergrabene Leiterbahn kontaktierbar und durch die Oxidschicht 18 vom Wafersubstrat 10 elektrisch isoliert. 13b is a cross section along the dashed line in FIG 13a , It shows the result of the gas phase etching process, in which the oxide layer 22 and a part of the oxide layer 18 and the rest of the oxide layer 12 were removed, causing the spring 36 and the movable element 38 were exposed, so that the movable element 38 at the spring 36 hung on the other side with the substrate 10 is coupled. The part of the conductive layer 20 that is under the moving element 38 is, serves as an electrode and is, as well as the movable element 38 , contacted via the buried interconnect and through the oxide layer 18 from the wafer substrate 10 electrically isolated.

Die vorliegende Erfindung wurde am Beispiel einer freistehenden MEMS-Struktur mit einer Feder und einem beweglichen Element erläutert. Eine solche MEMS-Struktur kann für alle Beschleunigungs- und Drehratensensoren angewendet werden. Die Erfindung ist aber nicht auf solche MEMS-Strukturen beschränkt, sondern auch auf andere elektronische Bauelemente anwendbar,für deren Funktionsstrukturen Bereiche aus einkristallinem Silizium von Vorteil sind.The present invention has been explained using the example of a free-standing MEMS structure with a spring and a movable element. Such a MEMS structure can be used for all acceleration and rotation rate sensors. The invention is not limited to such MEMS structures, but also applicable to other electronic components, for the functional structures of monocrystalline silicon regions are advantageous.

Claims (7)

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterchips mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Anordnung aus einem Wafersubstrat (10), einer ersten Schicht (12) aus einem isolierenden Material auf dem Wafersubstrat (10) und einer Schicht (14) aus einkristallinem Silizium auf der ersten isolierenden Schicht (12); Strukturieren der Schicht (14) aus einkristallinem Silizium und der darunterliegenden ersten Schicht (12) aus dem isolierenden Material derart, dass beide Schichten (12, 14) in einem definierten lateralen Bereich (16) stehenbleiben, wodurch ein Block (17) gebildet wird; Bilden einer vergrabenen Schicht (20) aus einem leitfähigen Material in lateralen Bereichen der Anordnung ausserhalb des definierten lateralen Bereiches (16); Aufbringen einer Startschicht (26) aus polykristallinem Silizium auf laterale Bereiche der Anordnung ausserhalb des definierten lateralen Bereiches (16); epitaktisches Abscheiden von Silizium auf der Schicht (14) aus einkristallinem Silizium und auf der Startschicht (26) aus polykristallinem Silizium, wodurch eine epitaktisch abgeschiedene Siliziumschicht (31) mit lateral benachbarten einkristallinen und polykristallinen Bereichen gebildet wird; wobei die epitaktisch abgeschiedene Schicht (31) aus Silizium zum Ausbilden von Funktionsbereichen strukturiert wird; wobei beim Strukturieren der epitaktisch abgeschiedene Schicht (31) in einem aus einkristallinem Silizium bestehenden Bereich (28) eine Feder (36) einer mikromechanischen Struktur ausgebildet wird, welche vollständig aus einkristallinem Silizium besteht, welche mit einem beweglichen Element (38) verbunden ist, das einkristallines und polykristallines Silizium aufweist; und Freilegen der Feder (36) und des beweglichen Elements (38) mittels eines Gasphasenätzprozesses, so dass das bewegliche Element (38) an einer Seite der Feder (36) aufgehängt ist, wobei die Feder (36) auf der anderen Seite mit dem Wafersubstrat (10) gekoppelt ist.Method for producing semiconductor chips with the following steps: Providing an assembly of a wafer substrate (10), a first layer (12) of an insulating material on the wafer substrate (10), and a layer (14) of single crystal silicon on the first insulating layer (12); Patterning the layer (14) of monocrystalline silicon and the underlying first layer (12) of the insulating material such that both layers (12, 14) remain in a defined lateral area (16), thereby forming a block (17); Forming a buried layer (20) of conductive material in lateral regions of the assembly outside the defined lateral region (16); Depositing a start layer (26) of polycrystalline silicon on lateral areas of the arrangement outside the defined lateral area (16); epitaxially depositing silicon on the monocrystalline silicon layer (14) and on the polycrystalline silicon start layer (26), thereby forming an epitaxially deposited silicon layer (31) having laterally adjacent single crystalline and polycrystalline regions; wherein the epitaxially deposited layer (31) is patterned of silicon to form functional regions; wherein in structuring the epitaxially deposited layer (31) in a region (28) made of monocrystalline silicon, a spring (36) of a micromechanical structure consisting entirely of monocrystalline silicon connected to a movable element (38) is formed single crystal and polycrystalline silicon; and Exposing the spring (36) and the movable member (38) by means of a gas phase etching process such that the movable member (38) is suspended on one side of the spring (36), the spring (36) on the other side being in contact with the wafer substrate (38). 10) is coupled. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der Schicht (14) aus einkristallinem Silizium vor dem epitaktischen Abscheiden höher angeordnet ist als die Oberfläche der Startschicht (26) aus polykristallinem Silizium und/oder das einkristalline Silizium eine Oberflächenorientierung in 100-Richtung hat.Method according to Claim 1 wherein the surface of the monocrystalline silicon layer (14) prior to epitaxial deposition is higher than the surface of the polycrystalline silicon start layer (26) and / or the monocrystalline silicon has a 100 direction surface orientation. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Anlegen der vergrabenen Schicht (20) aus leitfähigem Material folgende Teilschritte umfasst: Entfernen der ersten Schicht (12) aus isolierendem Material in den Bereichen der Anordnung ausserhalb des definierten Bereiches (16); Ausbilden einer zweiten Schicht (18) aus isolierendem Material auf der gesamten Oberfläche der Anordnung; Abscheiden und Dotieren der Schicht (20) aus polykristallinem Silizium auf der gesamten Oberfläche der zweiten Schicht (18) aus isolierendem Material; Strukturieren der Schicht (20) aus polykristallinem Silizium, so dass sie zumindest aus dem definierten Bereich (16) entfernt wird; Ausbilden einer dritten Schicht (22) aus isolierendem Material auf der gesamten Oberfläche der Anordnung; und Entfernen der zweiten und dritten Schicht (18, 22) aus isolierendem Material in dem definierten lateralen Bereich (16).Method according to Claim 1 or 2 wherein applying the buried layer (20) of conductive material comprises the substeps of: removing the first layer (12) of insulating material in the regions of the assembly outside the defined region (16); Forming a second layer (18) of insulating material over the entire surface of the assembly; Depositing and doping the layer (20) of polycrystalline silicon on the entire surface of the second layer (18) of insulating material; Patterning the polycrystalline silicon layer (20) so as to be removed at least from the defined region (16); Forming a third layer (22) of insulating material over the entire surface of the assembly; and removing the second and third layers (18, 22) of insulating material in the defined lateral region (16). Verfahren nach Anspruch 3, wobei vor Aufbringen der Startschicht (26) aus polykristallinem Silizium die dritte Schicht (22) aus isolierendem Material zum Anlegen von Kontaktbereichen (24) strukturiert wird.Method according to Claim 3 wherein before applying the polycrystalline silicon starting layer (26), the third layer (22) of insulating material is patterned to provide contact regions (24). Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Schichten (12, 18, 22) aus isolierendem Material mittels des Gasphasenätzprozesses zumindest teilweise entfernt werden.Method according to Claim 3 or 4 wherein the layers (12, 18, 22) of insulating material are at least partially removed by the gas phase etching process. Halbleiterchip mit einem Wafersubstrat (10); einer Siliziumschicht (31); und einer strukturierten Schicht (20) aus einem leitfähigen Material, die mindestens eine Aussparung zwischen dem Wafersubstrat (10) und der Siliziumschicht (31) aufweist; wobei die Siliziumschicht (31) in einem aus einkristallinem Silizium bestehenden Bereich (28) eine Feder (36) aufweist, welche vollständig aus einkristallinem Silizium besteht, welche mit einem beweglichen Element (38) verbunden ist, das einkristallines und polykristallines Silizium aufweist; und die Feder (36) und das bewegliche Elements (38) derart freigelegt sind, dass das bewegliche Element (38) an einer Seite der Feder (36) aufgehängt ist und die Feder (36) auf der anderen Seite mit dem Wafersubstrat (10) gekoppelt ist.Semiconductor chip with a wafer substrate (10); a silicon layer (31); and a patterned layer (20) of conductive material having at least one recess between the wafer substrate (10) and the silicon layer (31); in which the silicon layer (31) in a region (28) made of monocrystalline silicon comprises a spring (36) made entirely of monocrystalline silicon connected to a movable element (38) comprising monocrystalline and polycrystalline silicon; and the spring (36) and the movable member (38) are exposed such that the movable member (38) is suspended on one side of the spring (36) and the spring (36) on the other side is coupled to the wafer substrate (10) is. Halbleiterchip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale einkristalline Bereich (28) sich mit zunehmender Entfernung vom Wafersubstrat (10) verbreitert. Semiconductor chip after Claim 6 , characterized in that the lateral single-crystal region (28) widens with increasing distance from the wafer substrate (10).
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