-
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von MEMS-Strukturen, insbesondere unter Verwendung von CMOS-Prozessen, sowie ein Verfahren zur kombinierten Herstellung einer CMOS- und MEMS-Struktur.
-
Stand der Technik
-
Heute werden mikro-elektromechanische Strukturen (MEMS-Strukturen) häufig unter Verwendung von CMOS-Technologie gefertigt. Dabei können die in einem CMOS-Prozess verwendeten Metallleiterbahnen sowohl als bewegliche Strukturen als auch zur Ausbildung von Elektroden verwendet werden. Die unter den Metallleiterbahnen liegenden dielektrischen Schichten, insbesondere die Oxidschichten können hierbei als Opferschicht verwendet werden, um die Metallleiterbahnen ganz oder teilweise freizustellen. Mit Hilfe der CMOS-Technologie können gemeinsam mit den MEMS-Strukturen auch Standardschaltelemente hergestellt werden , die die Ansteuerung und die Auswertung des MEMS-Elements innerhalb eines Chips übernehmen.
-
Ein zu beachtender Aspekt bei der Verwendung von Metallleiterbahnen in MEMS-Strukturen sind üblicherweise deren mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise Plastizität, Sprödheit, Biegefestigkeit, Bruchfestigkeit und dergleichen. Ein weiterer Aspekt ist, dass vertikal hohe Strukturen mit einer Höhe von über 5 µm und hohen Aspektverhältnissen (Verhältnis zwischen vertikaler und lateraler Ausdehnung) in herkömmlicher CMOS-Technologie nicht herstellbar sind.
-
Ein anderer Ansatz betrifft die Ausgestaltung von Metallleiterbahnen, die über Oxidschichten mit einem Siliziumsubstrat verbunden bleiben. Über Ätzprozesse kann das Silizium des Substrats entsprechend strukturiert werden, um unter den Metallleiterbahnen stützende Siliziumstege auszubilden. In der
DE 10 2008 054 553 A1 beispielsweise wird ein Beschleunigungssensor offenbart, der bewegliche und feststehende Elektroden in einem Substrat aufweist. Die
DE 10 2006 051 597 A1 zeigt eine Halbleiteranordnung mit einer freitragenden Mikrostruktur über einem Substrat.
-
Häufig werden Vorder- und Rückseitenprozesse für die Herstellung von MEMS-Strukturen benötigt, insbesondere bei der Herstellung von unterätzten Siliziumstrukturen für freitragende Elemente.
-
In der
US 6 149 190 A ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Beschleunigungssensors beschrieben. Bei einem Ausführen des Verfahrens werden zuerst mittels eines anisotropen lonenätzprozesses unter Verwendung einer auf einer Hauptoberfläche eines Substrats ausgebildeten Oxidmaske senkrecht zu einer Flächennormalen der Hauptoberfläche ausgerichtete Gräben in das Substrat geätzt. Anschließend werden mittels eines isotropen Ätzprozesses Hohlraumstrukturen in das Substrat so geätzt, dass mindestens ein Substratbereich mittels der Gräben und der Hohlraumstrukturen von einem Restbereich des Substrats mechanisch getrennt wird. Danach erfolgt eine Metallisierung, wobei unnötig abgeschiedene Metallschichten anschließend noch entfernbar sein sollen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen von mikro-elektromechanischen Strukturen in einem Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Das erfindungsgemäße Verfahren läuft auf der Basis von CMOS-Prozessen ab und kann über einseitige, insbesondere vorderseitige Prozesse ausgeführt werden. Insbesondere sollen über das Verfahren mechanische und elektrostatische Eigenschaften der mikro-elektromechanischen Strukturen in einfacher und effizienter Weise einstellbar sein.
-
Hierzu ist es ein erfindungswesentlicher Gedanke, Stege aus Substratmaterial unter den mikro-elektromechanischen Strukturen bereitstellen zu können, die elektrisch vom restlichen Substrat getrennt und elektrisch kontaktierbar sind.
-
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die Strukturmuster der Metallisierungsschicht auf der Oberfläche des Substrats über die Substratstege in die Tiefe des Substrats erweitert werden. Weil die Substratstege freigestellt sind und nicht direkt elektrisch an das restliche Substrat koppeln, können die Substratstege gemeinsam mit dem jeweils zugehörigen Strukturmusterbereich als Elektrode dienen, was die Elektrodenfläche erheblich gegenüber einer nur aus dem Strukturmusterbereich gebildeten Elektrode erheblich vergrößert. Zudem können über die Dimensionierung der ersten Gräben und der Hohlraumstrukturen mechanische und elektrostatische Eigenschaften der Substratstege flexibel eingestellt werden.
-
Über die Metallisierungsstege kann zum Einen eine kontrollierte elektrische Kopplung zu den Schaltungsbereichen, die beispielweise auf den Substrat vorgesehen werden können, geschaffen werden, zum Anderen schaffen die Metallisierungsstege eine mechanisch stabile Verbindung der Strukturmusterbereiche und der Substratstege mit dem restlichen Substrat.
-
Die Halbleitervorrichtung bietet den Vorteil, ein mikro-elektromechanisches Strukturelement mit großer Elektrodenfläche bereitzustellen, welches in vorteilhafter Weise mit einem zweiten mikro-elektromechanischen Strukturelement mit einer zweiten Metallisierungsschicht und einem unter der zweiten Metallisierungsschicht angeordneten zweiten Substratsteg, welcher elektrisch von dem Substrat entkoppelt ist zu einem kapazitiven Sensorelement zusammengeschaltet werden kann. Dabei ist das zweite mikro-elektromechanische Strukturelement vorteilhafterweise gegenüber dem ersten mikro-elektromechanischen Strukturelement beweglich, wodurch ein zuverlässiger und genauer Beschleunigungssensor geschaffen werden kann.
-
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
-
Figurenliste
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1a-1f schematische Schaubilder zur Illustration von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen von MEMS-Strukturen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Draufsicht auf eine MEMS-Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
- 3 eine Draufsicht auf eine MEMS-Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
-
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit und Verständlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander wiedergegeben sind.
-
1a-1f zeigen schematische Schaubilder zur Illustration von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen von MEMS-Strukturen in einem Substrat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 1a ist ein erster Verfahrensschritt 100 gezeigt. Hierbei wird ein Substrat 1 mit einer Hauptoberfläche 1a bereitgestellt. Auf der Hauptoberfläche 1a des Substrats werden eine oder mehrere Metallisierungsschichten 4, 4a, 4b, 4c aufgebracht. Insbesondere können die Metallisierungsschichten 4, 4a, 4b, 4c Leiterbahnen auf dem Substrat 1 umfassen. Die Struktur der Metallisierungsschichten 4, 4a, 4b, 4c kann dabei verschiedene Muster umfassen und von der jeweiligen Anwendung der herzustellenden MEMS-Struktur abhängig sein. Die Metallisierungsschichten 4, 4a, 4b, 4c können Metallisierungsebenen in einem CMOS-Prozess sein. Die Metallisierungsschichten 4, 4a, 4b, 4c können beispielsweise leitfähige Materialien wie Aluminium, Wolfram, Titan, Kupfer, Gold, Platin oder ähnliche Metalle umfassen.
-
Auf der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 können weiterhin eine oder mehrere dielektrische Schichten 2 aufgebracht sein. Die dielektrischen Schichten 2 können dabei insbesondere zwischen den Strukturen der Metallisierungsschichten 4, 4a, 4b, 4c aufgebracht sein und mit der Metallisierungsschicht bündig abschließen. Die dielektrischen Schichten 2 können beispielsweise Oxidschichten umfassen, wie zum Beispiel Siliziumoxidschichten.
-
Auf der Seite der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 ist eine Metallisierungsschicht 3 aufgebracht. Die Metallisierungsschicht 3 kann beispielsweise auf der Metallisierungsschicht 4c und/oder der dielektrischen Schicht 2 aufgebracht sein. Die Metallisierungsschicht 3 kann strukturiert sein, um durch die Anwendung der MEMS-Struktur vorgegebene Randbedingungen zu erfüllen. Beispielsweise können in einem Bereich 5 dünne Metallisierungsstege vorgesehen sein, die zwei Metallisierungsbereiche der Metallisierungsschicht 3 miteinander elektrisch verbinden. Die Metallisierungsschicht 3 kann weiterhin so strukturiert sein, dass Bereiche 11 frei bleiben und eine Oberfläche der dielektrischen Schicht 2 nach außen frei liegt.
-
Es kann vorgesehen sein, dass (nicht gezeigte) Bereiche des Substrats 1, auf denen beispielsweise CMOS-Schaltungsbereiche oder andere, nicht als MEMS-Struktur benötigte Bereiche von einer Schutzschicht bedeckt sind.
-
In 1b ist ein zweiter Verfahrensschritt 200 gezeigt. Mit der Metallisierungsschicht 3 als Maskenschicht werden zunächst in den dielektrischen Schichten 2 Vertiefungen bzw. Gräben eingebracht. Dabei kann ein Plasmaätzverfahren verwendet werden, mit dem möglichst senkrechte Ätzflanken erzeugt werden können. In dem Bereich 11 der frei liegenden dielektrischen Schichten 2 werden dabei Gräben 21 bis zu der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 eingebracht. Die Gräben 21 können dabei einen Vorsprung 23 der Metallisierungsschicht 3 unterätzen, d.h. dass die Breite der Gräben 21 geringfügig breiter als die Breite der Öffnung des Bereichs 11 sein kann.
-
In dem Bereich 5 der Metallisierungsschicht 3, in dem dünne Metallisierungsstege aufgebracht sein können, wird ebenfalls ein Graben 22 in die dielektrischen Schichten 2 eingebracht. Dabei entsteht der Graben 22 durch ein Unterätzen der Metallisierungsstege im Bereich 5 von Gräbenstrukturen, die außerhalb der Zeichnungsebene der 1b liegen. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Bereich der dielektrischen Schichten 2 zwischen zwei Gräben 22 und 21 von dem restlichen Bereich der dielektrischen Schichten 2 räumlich getrennt wird, eine Verbindung der Metallisierungsschicht 3 in zwischen diesen Bereichen aber durch die Metallisierungsstege 5 weiterhin gewährleistet bleibt. Es kann hierzu weiterhin vorgesehen sein, ein isotropes Ätzverfahren oder eine Kombination von anisotropen und iosotropen Ätzverfahren zu verwenden, um die dielektrischen Schichten 2 unterhalb des Bereichs 5 vollständig oder teilweise zu entfemen.
-
Wenn die Metallisierungsstege 5 einen verhältnismäßig großen Abstand zur Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 aufweisen, beispielsweise wegen einer verhältnismäßig großen Anzahl dazwischen geschalteter Metallisierungsschichten 4, 4a, 4b, 4c, so kann auf eine vollständige Unterätzung der Metallisierungsstege 5 zur Ausbildung des Grabens 22 verzichtet werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn in einem nachfolgenden Verfahrensschritt ein Einbringen von Gräben in das Substrat 1 unterhalb der Metallisierungsstege 5 gewährleistet werden kann.
-
In 1c wird ein weiterer Verfahrensschritt 300 gezeigt. Mit der Metallisierungsschicht 3 als Maskenschicht werden im Bereich der Gräben 21 und 22 weitere Gräben 31 in das Substrat 1 eingebracht. Dabei kann die Tiefe 33 der Gräben in Abhängigkeit von den herzustellenden MEMS-Strukturen und deren mechanischer und/oder elektrostatischer Eigenschaften gewählt werden. Zum Einbringen der Gräben 31 kann beispielsweise ein anisotropes Ätzverfahren, beispielsweise ein reaktives lonentiefätzverfahren (DRIE, deep reactive ion etching) verwendet werden. Es ist dabei vorgesehen, dass die Gräben 31 derart ausgebildet werden, dass die Metallisierungsschicht 3 im Bereich 5 der Metallisierungsstege im Substrat 1 vollständig unterätzt wird.
-
In 1d wird ein weiterer Verfahrensschritt 400 gezeigt. Von der Seite der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 her wird eine Passivierungsschicht auf das Zwischenprodukt aufgebracht. Dabei wird eine Passivierungsschicht 43 auf eine Oberfläche der Metallisierungsschicht 3, eine Passivierungsschicht 41 auf die Seitenwände der Gräben 31 und eine Passivierungsschicht 42 auf den Boden 32 der Gräben 31 aufgebracht. Die Passivierungsschicht kann beispielsweise eine Oxidschicht oder eine Polymerschicht, beispielsweise aus Octafluorcyclobutan umfassen.
-
In 1e wird ein weiterer Verfahrensschritt 500 gezeigt. Die Bereiche 42 und 43 der Passivierungsschicht werden dabei wieder entfernt. Dies kann beispielsweise über einen anisotropen Ätzprozess erfolgen. Insbesondere wird dabei der Boden 32 der Gräben 31 freigelegt.
-
In 1f wird ein weiterer Verfahrensschritt 600 gezeigt. Über den Boden 32 der Gräben 31 werden Hohlraumstrukturen 61, 62, 63 im Inneren des Substrats 1 gebildet. Dabei kann ein isotroper Ätzprozess oder ein isotroper Gasphasenprozess zum Ätzen des Substrats 1 verwendet werden. Vom Boden 32 eines Grabens 31 aus bildet sich dabei eine im Wesentlichen sphärische Hohlraumstruktur 61 aus, die sich im Wesentlichen gleichmäßig unterhalb des Grabens 31' im Inneren des Substrats 1 erstreckt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass in einem Bereich 63 Hohlraumstrukturen 61 benachbarter Gräben 61 aufeinander stoßen und einen Durchbruch bilden. Ein solcher Durchbruch kann dazu vorgesehen sein, Bereiche 65 oberhalb der Hohlraumstrukturen 61 vom restlichen Substratmaterial zu trennen, insbesondere elektrisch zu isolieren und dabei freigestellte Bereiche 65 zu schaffen. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass unterhalb von Bereichen 66 Hohlraumstrukturen 62 entstehen, die durch Durchbrüche von Hohlraumstrukturen 61 entstehen, die (hier nicht gezeigt) außerhalb der Zeichnungsebene der 1f in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene aufeinander stoßen. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass die Metallisierungsschicht 3 über dem Bereich 66 eine hinreichend geringe Breite aufweist. Auf diese Weise können freigestellte Strukturen 66 aus Substratmaterial geschaffen werden, die von dem restlichen Substrat 1 mechanisch und elektrisch getrennt bzw. isoliert sind. Eine Verbindung der Struktur 66 mit dem restlichen Substrat 1 wird dabei lediglich über die Metallisierungsschicht 3 im Bereich 5 der Metallisierungsstege und gegebenenfalls übrigen Resten der dielektrischen Schichten 2 hergestellt.
-
In einer anderen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, die Hohlraumstrukturen 61, 62, 63 über einen rückseitigen Prozess, also von einer der Hauptoberfläche 1a des Substrats 1 abgewandten Seite in das Innere des Substrats 1 einzubringen. Es kann weiterhin vorgesehen sein, die Passivierungsschichten 41 der Seitenwände der Gräben 31 nach dem Ausbilden der Hohlraumstrukturen 61, 62, 63 wieder zu entfernen.
-
2 zeigt eine Draufsicht auf eine MEMS-Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Schnittlinie I-II zeigt dabei einen Querschnitt, der ähnlich dem in den 1a-1f gezeigten Querschnitt verläuft. Insbesondere kann die MEMS-Struktur in 2 über ein erfindungsgemäßes Verfahren nach den Verfahrensschritten der 1a-1f hergestellt werden.
-
Die MEMS-Struktur in 2 kann beispielsweise auf einem Substrat aufgebracht werden. Gezeigt sind Strukturmuster einer Metallisierungsschicht 3, die beispielsweise der Metallisierungsschicht 3 in den 1a-1f entsprechen kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die MEMS-Struktur ganz oder teilweise aus anderen Metallisierungsschichten, beispielsweise den Metallisierungsschichten 4, 4a, 4b, 4c in den 1a-1f auszubilden. Die MEMS-Struktur kann dabei Stege 204a, 204b, 205a, 205b umfassen, die parallel zueinander ausgelegt sind. Es kann vorgesehen sein, eine Vielzahl von Stegen 204a, 204b, 205a, 205b auszubilden, die jeweils paarweise angeordnet sind. Beispielhaft sind in 2 je drei Stegpaare 204a, 205a, bzw. 204b, 205b gezeigt, es ist jedoch auch jede andere Anzahl von Stegpaaren möglich. Es kann weiterhin vorgesehen sein, Stege 204a bzw. 204b auszubilden, die nicht mit einem Steg 205a bzw. 205b gepaart sind. Die Stege 204a, 204b sind vorteilhafterweise über Metallisierungsstege 206 mit einem Hauptbereich 208a bzw. 208b der Metallisierungsschicht 3 verbunden. Die Metallisierungsstege 206 können dabei den Metallisierungsstegen im Bereich 5 der 1a-1f entsprechen. Es kann vorgesehen sein, die Metallisierungsstege 206 nicht nur in einer Reihe anzuordnen, sondern auch so anzuordnen, dass sie eine möglichst große Fläche aufspannen, innerhalb derer die Stege 204a, 204b mechanisch stabil aufgehängt werden können.
-
Die Stege 204a, 204b, 205a, 205b überspannen Bereiche von Substratmaterial, welches von dem restlichen Substrat elektrisch und mechanisch getrennt ist. Diese Bereiche können insbesondere Bereiche ähnlich den Bereichen 66 in 1a-1f sein. Damit können die Stege 204a, 204b, 205a, 205b zusammen mit den darunterliegenden Substratbereichen als Elektroden mit großer Elektrodenfläche verwendet werden. Die Stege 204a und 204b bzw. 205a und 205b können dabei als jeweils eine Elektrode einer kapazitiven MEMS-Struktur dienen. Insbesondere können die MEMS-Strukturen der 2 als Beschleunigungssensor dienen. Über Anschlüsse 201, 202, 203 können die Elektroden 204a, 204b, 205a, 205b mit Spannung beaufschlagt werden. Zwei Stege 204a, 205a bzw. 204b, 205b bilden dabei ein kapazitives Sensorelement aus. Eine Kapazität des Sensorelements zwischen zwei Stegen 204a, 205a bzw. 204b, 205b hängt dabei unter anderem von dem Abstand in y-Richtung zwischen den beiden Stegen ab. Die mittlere Elektrode mit den Anschlüssen 202 ist dabei mechanisch über eine Entzerrungsstruktur 207 frei gelagert. Bei einer Beschleunigung in y-Richtung kann daher die Struktur 209 aufgrund der Massenträgheit der Struktur 209 in y-Richtung ausgelenkt werden, während die Stege 204a bzw. 204b infolge ihrer starren Aufhängung durch die Metallisierungsstege 206 nicht bzw. nicht wesentlich in y-Richtung ausgelenkt werden. Dadurch verkleinert sich der Abstand zwischen einem Stegpaar 204a, 205a in einem ähnlichen Maße wie der Abstand zwischen einem Stegpaar 204b, 205b. Diese Abstandsänderung schlägt sich in einer Kapazitätsänderung nieder, die über eine differentielle Auswertung zwischen den Elektrodenanschlüssen 201 und 202 bzw. 202 und 203 ausgewertet werden kann.
-
3 zeigt eine Draufsicht auf eine MEMS-Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die MEMS-Struktur in 3 unterscheidet sich von der MEMS-Struktur in 2 im Wesentlichen darin, dass Stege 304a, 304b, 304c, 304d der feststehenden Elektroden in zwei Bereichen 9 über Metallisierungsstege mit Hauptbereichen 308a, 308b der feststehenden Elektroden verbunden sind. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise eine höhere mechanische Stabilität der Stege 304a, 304b, 304c, 304d der feststehenden Elektroden.
