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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Mikrofonvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Mikrofonvorrichtung.
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Mikrofone in MEMS-Bauweise werden üblicherweise mittels kapazitiver Wandler umgesetzt. Die Chipgrößen liegen im Bereich von 1 × 1 mm2, wobei die Miniaturisierbarkeit der Vorrichtungen begrenzt ist.
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Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass sich die Auslenkungen der schalldruckempfindlichen Membran eines mikromechanischen Mikrofonbauelements mit Hilfe eines Feldeffekttransistors erfassen lassen. Die lateralen Ausmaße eines derartigen FETs zur Signalerfassung sind sehr klein im Vergleich zu den Elektroden einer Messkapazität mit ähnlicher Empfindlichkeit. Deshalb wird der Platzbedarf eines Mikrofonbauelements, das auf dem FET-Prinzip beruht, nicht in erster Linie durch die Ausmaße der FET-Komponenten bestimmt, sondern durch die Art des Herstellungsprozesses zur Erzeugung der Mikrofonstruktur.
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Die
US 2003/0137021 A1 offenbart ein integriertes elektronisches Mikrofon und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Dieses bekannte Mikrofon umfasst eine Erfassungselektrode, die als Teil einer elastischen Membran gebildet ist, und eine Gegenelektrode in Form einer perforierten festen rückseitigen Plattenmembran, wobei die Erfassungselektrode mit dem Gate eines Erfassungstransistors verbunden ist.
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Aus W. Kronast, B. Müller und A. Stoffel, J. Micromech. Microeng. 6 (1996), Seiten 92 bis 94 ist ein Moving-Channel-Wandler-Konzept für eine FET-basierte mikromechanische Mikrofonvorrichtung bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Mikrofonvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Mikrofonvorrichtung nach Anspruch 10.
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Die Mikrofonvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beruht auf der Basis des Moving-Gate-Ansatzes und zeichnet sich durch extreme Miniaturisierbarkeit aus. Vorstellbar sind Membrangrößen im Bereich von 30 bis 300 μm Durchmesser. Chipgrößen von 0,5 × 0,5 mm2 und kleiner inklusive des ASIC werden hiermit realisierbar. Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch hohe Kompatibilität hinsichtlich der CMOS-Integration aus.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee ist die Verwendung eines Feldeffekttransistors (FET) mit beweglicher Gate-Elektrode (Moving-Gate) als Schall-/Stromwandler für ein MEMS-Mikrofon. Die erfindungsgemäße Mikrofonvorrichtung zeichnet sich durch eine sehr geringe Dämpfung aus, da die Möglichkeit besteht, den Durchmesser des Rückvolumens deutlich größer als den Membrandurchmesser zu gestalten.
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Das Moving-Gate-Wandlerkonzept weist eine deutlich höhere Empfindlichkeit als andere Wandlerkonzepte, insbesondere als das kapazitive Konzept, auf. Die sensitive Fläche kann beispielsweise im Bereich von weniger als 100 μm2 liegen. Kapazitive Konzepte erfordern eine um drei bis vier Größenordnungen größere Fläche, beispielsweise 500.000 μm2. Dieser Umstand erlaubt es, die Membranfläche von der Sensorfläche zu entkoppeln. Lediglich zwei zusätzliche Masken sind zusätzlich zum CMOS-Prozess zur Realisierung des Moving-Gate-Wandlerkonzepts erforderlich. Die mit der erfindungsgemäßen Mikrofonvorrichtung verbundene extrem miniaturisierbare Sensorfläche ermöglicht eine hohe Funktionsintegration, z. B. die Realisierung eines Mikrofon-Arrays auf kleinster Fläche bei hoher Empfindlichkeit und CMOS-Integration zur Verwendung als akustische Kamera.
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Die kleine Membranfläche zeichnet sich durch hohe Robustheit aus, da sie eine Schichtdicke von typischerweise 5 bis 8 μm und einen Durchmesser von typischerweise 30 bis 100 μm aufweist. Das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept ist unempfindlich und erlaubt eine einfache Prozessierung. Es weist eine hohe Designfreiheit bei Auslegung der Membran auf, wobei typischerweise drei bis vier Metalllagen, Dielektrika und Vias involviert sind, die eine robuste und stressunempfindliche Membran ermöglichen.
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In den jeweiligen abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Mikrofonvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2a, b Auschnittsvergrößerungen des Bereichs AV in 1 zur Erläuterung der Stadien des Herstellungsverfahrens sowie der FET-Struktur der mikromechanischen Mikrofonvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 einen ebene Querschnitt des Bereichs AV in 1 entlang der Oberseite der Schicht 6 in 2a, b; und
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4 eine Teilaufsicht auf die mikromechanische Mikrofonvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer mikromechanischen Mikrofonvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Siliziumsubstrat, das einen durchgehenden Rückseitengraben 2 für das Backvolume aufweist. Bedarfsweise kann der Rückseitengraben 2 durch eine zusätzliche Ätzung noch weiter aufgeweitet werden, wie durch die gestrichelte Linie und Bezugszeichen 2' für einen aufgeweiteten Rückseitengraben angedeutet. Bezugszeichen 3 bezeichnet zusammenfassend Isolationsschichten und Verdrahtungsmetalllagen und Bezugszeichen 4 eine bewegliche Membran mit einem integrierten Gateanschluss zur Realisierung des Moving-Gate-Wandlerkonzeptes.
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Die durch Schalldruck elastisch bewegliche Membran 4 bewirkt, dass sich der Spalt 14 zum darunterliegenden Substrat 1 vergrößern und verkleinern kann. Im Substrat 1 vorgesehen sind ein Sourcebereich, ein Drainbereich und ein dazwischenliegender Kanalbereich, wobei die Leitfähigkeit des Kanalbereichs von der in der Membran 4 anliegenden Gatespannung und der momentanen Größe des Spalts 14 abhängt. Somit lassen sich mechanische Schalloszillationen in entsprechende elektrische Stromoszillationen wandeln.
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2a, b zeigen Auschnittsvergrößerungen des Bereichs AV in 1 zur Erläuterung der Stadien des Herstellungsverfahrens sowie der FET-Struktur der mikromechanischen Mikrofonvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2a, b bezeichnet Bezugszeichen 5a eine im Substrat 1 integrierte Source, welche wannenförmig ausgebildet worden ist, beispielsweise durch einen entsprechenden Diffusionsprozess. Nach Fertigprozessierung der in Substrat 1 enthaltenen Komponenten wird auf der Oberfläche des Substrats 1 eine Feldoxidschicht 6 aufgewachsen, welche beispielsweise eine Dicke von einigen 100 nm aufweist. Im Bereich des späteren Kanals 15 wird die Feldoxidschicht 6 beispielsweise mittels eines Ätzprozesses entfernt und wird ein Gateoxid 7 aufgewachsen, welches eine Dicke von typischerweise 5 bis 20 nm aufweist.
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Anschließend wird auf der Feldoxidschicht 6 bzw. dem Gateoxid 7 eine Polysiliziumschicht 8 als Opferschicht aufgebracht, welche eine Dicke von typischerweise von 100 bis 600 nm aufweist. Oberhalb der Opferschicht im Bereich des Kanals 15 und der Gateoxidschicht 7 wird anschließend eine Gate-Elektrode 9 aus z. B. Polysilizium durch entsprechende Abscheidungs- und Ätztechniken gebildet.
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Bezugszeichen 10a bezeichnen metallische Durchführungen (Vias) zwischen der Gate-Elektrode 9 und einer mit Bezugszeichen 11a bezeichneten Metall-Leiterbahn zur Realisierung einer Umverdrahtung. Analog bezeichnet Bezugszeichen 10b einen metallischen Kontaktstöpsel zur Verbindung der Source 5a mit einer Metall-Leiterbahn 11b, welche einen Anschluss der Source 5a über den metallischen Kontaktstöpsel 10b ermöglicht. Eingebettet sind die Komponenten 9, 10a, 11a, 10b, 11b in einer dielektrischen Isolationsschicht 12, welche beispielsweise aus Siliziumoxid besteht. Die metallischen Vias können beispielsweise aus Wolfram ausgeführt sein, die Metallleiterbahnen beispielsweise aus Aluminium.
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Nach Bildung der Umverdrahtungsstrukturen und der dielektrischen Isolationsschicht 12 wird ein Graben 13 geätzt, welcher den größten Teil der Membran 4 von der umliegenden dielektrischen Isolationsschicht 12 grenzt (vgl. 4). Diese vorderseitige Strukturierung der beweglichen Membran 4 erfolgt vorzugsweise mittels eines anisotropen Trockenätzeprozesses.
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In einem anschließenden Ätzprozess wird ausgehend von der Rückseite der Rückseitengraben 2 durch einen Ätzprozess gebildet, wobei die Feldoxidschicht 6 als Ätzstopp dient. Nach Durchätzen des Substrats 1 von der Rückseite her bis zur Feldoxidschicht 6 kann diese im Bereich des Rückseitengrabens 2 mittels eines Trockenätzprozesses selektiv zur darüber befindlichen Opferschicht 8 aus Polysilizium entfernt werden.
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Somit gelangt man schließlich zum Prozesszustand, der in 2a gezeigt ist.
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2b zeigt den Zustand nach erfolgter Opferschichtätzung zur Entfernung der Opferschicht 8 aus Polysilizium, wobei die Opferschichtätzung beispielsweise mittels ClF3·XeF2 oder SF6 in der Gasphase bzw. mittels Plasmaprozess erfolgt. Der entstehende Spalt 14 zwischen der Gate-Elektrode 9 und dem Gateoxid 7 stellt den Gateabstand im Gleichgewichtsfall dar, wenn keine Auslenkungskräfte auf die bewegliche Membran 4 wirken.
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Bei Bedarf kann die Seitenwand S des Rückseitengrabens 2 während der Opferschichtätzung mittels eines Oxids geschützt werden, um einen Ätzangriff während des Opferschicht-Ätzprozesses in z. B. ClF3 zu vermeiden.
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Alternativ ist es vorstellbar, zunächst die Opferschichtätzung durch den Graben 13 nur vorderseitig durchzuführen, wobei entweder der Rückseitengraben 2 bereits geätzt worden ist oder wobei der Rückseitengraben 2 erst danach geätzt wird. Bei dieser Art der Prozessführung kann auf den Schutz der Seitenwände des Rückseitengrabens 2 verzichtet werden, was ggf. zu einer vereinfachten Prozessführung führt.
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Wie bereits oben erwähnt, kann zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften der Rückseitengraben mittels eines zweistufigen Trenchprozesses vergrößert werden, was durch die gestrichelte Linie in 1 und Bezugszeichen 2' angedeutet ist. Dies ist insbesondere bei der durch das vorgeschlagene Moving-Gate-Wandlerkonzept erreichbaren sehr kleinen Größe der Membran 14 gut realisierbar. Der Durchmesser des Rückseitengrabens 2' kann somit deutlich über dem Membrandurchmesser liegen und insbesondere auch unterhalb der Bereiche, in denen eine (nicht gezeigte) Auswerteschaltung realisiert ist, ausgedehnt sein. Beim herkömmlichen Aufbau nach dem kapazitiven Wandlerkonzept ist dies nicht sinnvoll möglich, da die Membran einen Großteil der gesamten Chipfläche einnimmt. Eine entsprechende Vergrößerung würde hierbei Schwierigkeiten bei der Aufbautechnik des Sensorelements führen.
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Um ein Driften beim Moving-Gate-Wandlerkonzept zu vermeiden, können beispielsweise Referenzelemente vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich um vergleichbar ausgeführte Feldeffekttransistoren ohne erste Polysiliziumschicht. Diese sind ausreichend passiviert und mechanisch insensitiv. Ein Drift, beispielsweise durch Oberflächenladung, kann jedoch auch dadurch herausgefiltert werden, dass eine schallempfindliche Membran im Mittel immer in der Gleichgewichtsposition befindlich ist. Durch zeitliche Integration der Auslenkung im Betrieb kann somit ein Drift rechnerisch erfasst und zuverlässig abgeglichen werden. Dies gilt auch für Driften durch Temperatureffekte.
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3 zeigt einen ebenen Querschnitt des Bereichs AV in 1 entlang der Oberseite der Schicht 6 in 2a, b.
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In 3 bezeichnet Bezugszeichen 5b den Drain, welcher wie die Source 5a als Wanne im Substrat 1 ausgeführt ist. Bezugszeichen 7 bezeichnet das zwischen Source 5a und Drain 5b über dem Kanal 15 liegende Gateoxid. Die Source 5a kann über den Kontaktbereich 16a und die Drain 5b über den Kontaktbereich 16b kontaktiert werden, d. h., an dieser Stelle können entsprechende metallische Kontaktstöpsel 10b nach oben geführt werden.
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4 zeigt eine Teilaufsicht auf die mikromechanische Mikrofonvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 4 ersichtlich, umgibt der Graben 13 nahezu die gesamte bewegliche Membran 4, welche lediglich über Stege ST mit einer ersten und zweiten Federeinrichtung F1 bzw. F2 verbunden ist, welche wiederum über Stege ST mit im Substrat verankerten Sockeln M1, M2 verbunden sind. Somit sind die Membran 4 und die Federeinrichtung F1, F2 schwebend über dem Substrat gelagert und eine elastische Auslenkung und Rückstellung der Membran 4 ist ermöglicht.
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In 4 ist zudem illustriert, wie die Metall-Leiterbahn 11a, welche als Anschluss der Gate-Elektrode 9 dient, mittels einer strichpunktiert gezeichneten Leiterbahnführung über die mechanische Aufhängung der Membran 4 durch die Federeinrichtung F1 und die Verankerung M1 nach außen auf den Festlandbereich geführt ist.
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Obwohl bei der obigen Ausführungsform der FET-Bereich nur auf einer Seite der beweglichen Membran 14 vorgesehen ist, ist es auch möglich, mehrere FET-Bereiche mit beweglichem Gate in der Membran zu platzieren, insbesondere um das Signal zu erhöhen. Dies kann so weit gehen, dass der Gatebereich und der entsprechende Kanalbereich im Substrat 1 ringförmig nahezu entlang des gesamten Randbereichs der Membran 4 vorgesehen sind.
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Ein Festkleben der beweglichen Membran 4 am Substrat 1 kann mittels einer üblichen Antisticktionsbeschichtung analog wie bei Inertialsensoren zuverlässig vermieden werden.
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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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Insbesondere sind die genannten Materialien und Geometrien nur beispielhaft angeführt und können vielfältig variiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0137021 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- W. Kronast, B. Müller und A. Stoffel, J. Micromech. Microeng. 6 (1996), Seiten 92 bis 94 [0005]
