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Halbleiterbauelemente werden heutzutage im täglichen Leben in immer steigenderen Anzahlen verwendet. Solche Halbleiterbauelemente werden in der Regel über viele Schritte in dem Herstellungsprozess hergestellt, der das Strukturieren von Masken, Abscheiden von Halbleiter- oder Nichthalbleiterschichten, das Ätzen dieser Schichten usw. beinhaltet.
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Auf dem Gebiet der integrierten Beschleunigungssensorbauelemente beispielsweise wird, um bewegliche Elemente zu erhalten, in der Regel eine Sequenz von Prozessschritten angewendet, die die Abscheidung und das Strukturieren einer Oxidschicht auf einem Siliziumsubstrat beinhaltet. Auf der strukturierten Oxidschicht wird eine Poly-Si-Schicht (Polysilizium) abgeschieden. Nach dem Strukturieren der Poly-Si-Schicht wird die als Opferschicht wirkende Oxidschicht durch einen nasschemischen Ätzschritt geätzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Konzept zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und ein verbessertes Halbleiterbauelement zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements gemäß Anspruch 10 und ein Bauelement gemäß Anspruch 15 gelöst.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren mit einem Entfernen von Halbleitermaterial in mindestens ersten und zweiten Abschnitten eines Halbleitersubstrats, sodass eine Halbleiterstruktur in dem Halbleitersubstrat zwischen den entfernten ersten und zweiten Abschnitten ausgebildet wird. Ein Migrationsprozess wird auf das Halbleitersubstrat angewendet, sodass ein erster Teil der Halbleiterstruktur nach dem Migrationsprozess zurückbleibt und Halbleitermaterial eines zweiten Teils der Halbleiterstruktur zu anderen Orten migriert. Ein kontinuierlicher Raum, der frei von Halbleitermaterial ist und sich über dem verbleibenden ersten Teil der Struktur erstreckt, und eine kontinuierliche Halbleitermaterialschicht, die sich über dem kontinuierlichen Raum von den ersten zu den zweiten Abschnitten erstreckt, wird durch die Migration des Materials des zweiten Teils der Halbleiterstruktur ausgebildet.
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Der Migrationsprozess kann eine Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre umfassen. Die kontinuierliche Halbleitermaterialschicht ist in Ausführungsbeispielen eine durch eine Umkristallisierung des migrierten Materials des ersten Teils der Halbleiterstruktur ausgebildete kristalline Halbleiterschicht.
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In Ausführungsbeispielen bildet mindestens ein Teil des verbleibenden ersten Teils der Halbleiterstruktur ein flexibles Element eines MEMS-Bauelements.
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In Ausführungsbeispielen weist das Verfahren ferner ein Bereitstellen einer Schicht an einer Wand des ersten Teils der Halbleiterstruktur auf, wobei die Schicht ein von dem Halbleitermaterial verschiedenes Material aufweist. Die Schicht mit einem von dem Halbleitermaterial verschiedenen Material kann eine Schutzschicht sein zum Schützen des Materials des ersten Teils der Halbleiterstruktur vor einer Migration während des Migrationsprozesses.
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Bei Ausführungsbeispielen wird Halbleitermaterial mindestens eines weiteren Teils der Halbleiterstruktur durch den Migrationsprozess migriert, wodurch ein weiterer kontinuierlicher Raum ausgebildet wird, der frei von Halbleitermaterial ist und sich zwischen den ersten und zweiten Abschnitten des Substrats erstreckt, wobei der weitere kontinuierliche Raum von dem kontinuierlichen Raum getrennt ist.
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Der zweite Teil der Halbleiterstruktur ist hierbei in Ausführungsbeispielen über dem ersten Teil der Halbleiterstruktur.
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Weiterhin kann das Verfahren das Entfernen mindestens eines weiteren dritten Abschnitts des Halbleitersubstrats umfassen, sodass mindestens eine weitere Halbleiterstruktur ausgebildet wird, wobei ein erster Teil der mindestens einen weiteren Halbleiterstruktur nach dem Anwenden des Migrationsprozesses übrig bleibt und wobei ein zweiter Teil der mindestens einen weiteren Halbleiterstruktur während des Migrationsprozesses migriert wird, wobei der von Halbleitermaterial freie kontinuierliche Raum sich zwischen dem ersten, dem zweiten und dem mindestens einen weiteren dritten Abschnitt erstreckt und wobei sich die kontinuierliche Halbleitermaterialschicht über dem von Halbleitermaterial freien kontinuierlichen Raum zwischen dem ersten, dem zweiten und dem mindestens einen weiteren dritten Abschnitt erstreckt.
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Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, das ein Entfernen von Volumenmaterial in einem Halbleitersubstrat so dass sich eine in das Halbleitersubstrat erstreckende Halbleiterstruktur durch das Entfernen von Volumenmaterial ausbildet und ein Ausbilden einer Schutzschicht an einer Wand der Halbleiterstruktur umfasst, so dass ein erster Teil der Halbleiterstruktur von der Schutzschicht bedeckt ist und ein zweiter Teil der Halbleiterstruktur nicht von der Schutzschicht bedeckt ist. Ein Bearbeiten des Halbleitersubstrats wird daraufhin durchgeführt, so dass der erste Teil der Halbleiterstruktur verbleibt und der zweite Teil der Halbleiterstruktur entfernt wird, wobei ein von Halbleitermaterial freier Raum durch die Bearbeitung ausgebildet wird, der sich kontinuierlich über den verblebenden ersten Teil der Halbleiterstruktur erstreckt.
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Bei dem Verfahren kann der zweite Teil der Halbleiterstruktur durch Migration von Halbleitermaterial entfernt werden, wobei das migrierte Halbleitermaterial des zweiten Teils eine Halbleiterschicht über dem von Halbleitermaterial freien Raum bildet.
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Die Halbleiterschicht über dem von Material freien Raum bildet bei Ausführungsbeispielen einen Überzug für den verbleibenden ersten Teil der Halbleiterstruktur.
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Die Bearbeitung des Halbleitersubstrats umfasst bei Ausführungsbeispielen eine Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre, die eine Migration des zweiten Teils der Halbleiterstruktur bewirkt.
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Die Bearbeitung des Halbleitersubstrats kann ferner eine Ausbildung eines weiteren von Material freien Raums bewirken, wobei sich der verbleibende erste Teil der Halbleiterstruktur in einer vertikalen Richtung zwischen dem einen von Material freien Raum und dem weiteren Material-freien Raum erstreckt.
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Ferner schafft die Erfindung ein Bauelement, das ein Halbleitersubstrat aus Volumenmaterial und ein flexibles Element aufweist, wobei das flexible Element aus Volumenmaterial des Halbleitersubstrats gebildet ist.
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Das Bauelement umfasst ferner eine kontinuierliche Schicht, die Volumenmaterial über dem flexiblen Element aufweist, und einen kontinuierlichen materialfreien Raum zwischen dem Halbleitersubstrat und der Volumenmaterial aufweisenden Schicht. Die Volumenmaterial aufweisende Schicht weist in Ausführungsbeispielen ein in einem Migrationsprozess umkristallisiertes Volumenmaterial auf.
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Das flexible Element kann zusätzlich zu dem Volumenmaterial eine Schicht aus einem Material umfassen, das sich von dem Volumenmaterial unterscheidet.
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Das Bauelement kann ferner einen weiteren materialfreien Raum umfassen, wobei das flexible Element in der vertikalen Richtung zwischen dem materialfreien Raum und dem weiteren materialfreien Raum angeordnet ist.
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Das flexible Element ist bei Ausführungsbeispielen in einer vertikalen Richtung zwischen der ersten Hauptoberfläche des Volumenhalbleitersubstrats und der gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche des Volumenhalbleitersubstrats angeordnet.
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Die Volumenmaterial aufweisende kontinuierliche Schicht liefert bei Ausführungsbeispielen hierbei einen Überzug bzw. Überdeckung für das flexible Element liefert. Diese Überzug kann hierbei eine luftdichter Überzug sein.
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Bei Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat weiterhin CMOS-Schaltungselemente umfassen. Ferner kann das Bauelement bei Ausführungsbeispielen ein MEMS-Bauelement umfassen.
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Weitere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichenen erläutert, bei denen
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die 1a–1d schematische Querschnittsansichten gemäß einer Ausführungsform zeigen;
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die 2a–2c schematische Querschnittsansichten gemäß einer Ausführungsform zeigen;
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die 3a–3h schematische Querschnittsansichten gemäß einer Ausführungsform zeigen;
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4 eine schematische Draufsicht gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
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5 ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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Die folgende detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind spezifische Ansichten oder schematische Ansichten von Bauelementen, Elementen usw. wie etwa Querschnittsansichten, Draufsichten, Bodenansichten, dreidimensionale Ansichten usw. in einer oder mehreren der Figuren gezeigt, um ein besseres Verständnis dieser Ausführungsformen zu gestatten. Es ist jedoch anzumerken, dass diese Ansichten möglicherweise nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Weiterhin sind diese Ansichten möglicherweise nicht auf proportionale Weise gezeichnet, um ein besseres Verständnis dieser Ausführungsformen zu gestatten. Es ist deshalb zu verstehen, dass Abmessungen von bestimmten Elementen, Teilen oder Abschnitten von Elementen usw. in den Figuren in Relation zu anderen Elementen oder Teilen von Elementen größer oder kleiner angegeben sein können.
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Weiterhin ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
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In den verschiedenen Figuren kann identischen oder ähnlichen Einheiten, Modulen, Bauelementen usw. die gleiche Bezugszahl zugewiesen worden sein.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf die 1a bis 1d wird eine Ausführungsform eines Herstellungsprozesses eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform gezeigt.
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1a zeigt eine Querschnittsansicht eines Substrats 100, in dem ein strukturiertes Element wie unten beschrieben ausgebildet werden soll. Das Substrat 100 weist eine erste Hauptoberfläche 100a und eine zweite Hauptoberfläche 100b auf. Das Substrat umfasst Volumenhalbleitermaterial wie etwa Volumen-Si, Volumen-Ge usw. Das Substrat 100 kann ein monokristalliner Wafer oder ein Teil eines monokristallinen Wafers sein, der durch Brechen oder Trennen eines Wafer in kleinere Stücke ausgebildet wird. Bei einigen Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat 100 eine oder mehrere, über dem Volumenmaterial liegende Schichten aufweisen. In 1a und den folgenden Figuren sind räumliche Richtungen und räumliche Achsen gezeigt. Eine Richtung oder Achse, die senkrecht zu den Hauptoberflächen 100a und 100b verläuft, ist in 1a als eine z-Achse gezeigt und kann nachfolgend auch als vertikale Richtung oder vertikale Achse bezeichnet werden. 1a zeigt weiterhin die x-Achse als eine der beiden Achsen mit einer Richtung parallel zu den Hauptoberflächen, die nachfolgend auch als horizontale Richtungen bezeichnet werden. Es versteht sich, dass das Konzept vertikal und horizontal hierin so verwendet wird, dass es sich auf Orientierungen bezüglich der Hauptoberflächen 100a und 100b des Substrats bezieht.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 1b werden Öffnungen 108 in dem Substrat 100 ausgebildet, indem das monokristalline Volumenmaterial in einem ersten Abschnitt 102a und einem zweiten Abschnitt 102b des Halbleitersubstrats 100 entfernt wird. Die Öffnungen 108 können beispielsweise durch Abscheiden und Strukturieren einer Hartmaske und Ätzen durch die Hartmaske zum Entfernen des Volumenmaterials des Substrats ausgebildet werden. Die Öffnungen 102a und 102b können voneinander getrennt sein oder können an anderen Orten miteinander verbunden sein, das heißt, sie können Teil einer gleichen Gesamtöffnung oder einer Kanalstruktur sein.
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Die Öffnungen 108 können beispielsweise Gräben wie etwa tiefe Gräben oder andere Öffnungsformen beinhalten, die sich in der vertikalen Richtung (z-Richtung) innerhalb des Substrats erstrecken. Bei Ausführungsformen können die Öffnungen in der vertikalen Richtung länglich sein, sodass die Breiten in einer horizontalen Richtung (x-Richtung) kleiner sind oder viel kleiner sind als die Tiefe in vertikaler Richtung. Bei einigen Ausführungsformen können die Öffnungen in der vertikalen Richtung eine Tiefe im Bereich zwischen 2 Mikrometern (2 μm) und 200 Mikrometern (200 μm) aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Breite in der x-Richtung der Öffnungsabschnitte 102 jeweils innerhalb des Bereichs 10 nm bis 2 Mikrometern (2 μm) liegen. Das Seitenverhältnis jedes der Öffnungsabschnitts 102 kann bei einigen Ausführungsformen so gewählt werden, dass es im Bereich zwischen 1 und 10 000 liegt, bei einigen Ausführungsformen kann das Seitenverhältnis so gewählt werden, dass es in einem Bereich von 10 bis 1000 liegt.
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Eine Struktur 104 wird zwischen den Öffnungen 108 durch das Volumenmaterial des Substrats 100 ausgebildet. Die Struktur 104 kann beispielsweise eine Lamellenform, eine Scheibenform oder andere Formen aufweisen. Die Struktur kann sich in der horizontalen Richtung erstrecken, wie unten ausführlicher beschrieben wird. Die Struktur 104 kann bei einigen Ausführungsformen eine Breite in der horizontalen Richtung aufweisen, die innerhalb eines Bereichs von 50 nm bis 5000 nm ausgewählt ist. Es versteht sich, dass 1b nur einen Querschnitt der Struktur 104 zeigt. Bei einigen Ausführungsformen kann sich die durch die Öffnungen 108 ausgebildete Struktur in y-Richtung erstrecken, sodass die Breite der Struktur 104 in x-Richtung entlang der y-Achse variiert. Die Tiefe der Struktur 104 in z-Richtung entspricht der Tiefe der Öffnungsabschnitte 102. Bei einigen Ausführungsformen kann der verbleibende Teil der Struktur 104 ein mechanisches flexibles Teil eines MEMS-Bauelements bilden, wie unten beschrieben wird.
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Die Öffnung 108 und die Struktur 104 erstrecken sich weiter in der y-Richtung in dem Substrat 100, was in 1b nicht gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen bildet der verbleibende Teil der Struktur 104 nach der Bearbeitung ein flexibles Element eines MEMS-Bauelements, beispielsweise ein flexibles Element eines Sensors wie etwa eines Kraftsensors, Drucksensors oder Beschleunigungssensors. Solche flexiblen Elemente, die sich relativ zu dem Substrat 100 bewegen können, werden beispielsweise beim Betrieb von Sensoren oder anderen Bauelementen zum Detektieren einer Kraft, einer Beschleunigung oder eines Drucks verwendet, je nach der Auslenkung des flexiblen Elements relativ zu dem Substrat 100. Zu Beispielen für flexible Elemente zählen unter anderem kammartige Elektroden, die interdigital mit festen Elektroden angeordnet sind, um einen Beschleunigersensor oder eine Membran auszubilden, die sich angesichts einer Änderung eines Drucks usw. biegen kann.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 1c wird ein Liner bzw. eine Schutzschicht 106 derart ausgebildet, dass ein erster Abschnitt oder Teil 104a der Struktur 104 von der Schutzschicht 106 bedeckt wird. Ein zweiter Abschnitt oder Teil 104b der Struktur 104 wird nicht von der Schutzschicht 106 bedeckt. In 1c wird die Schutzschicht 106 deshalb nur auf einem ersten Abschnitt der Wand der Struktur 104 ausgebildet, während die Schutzschicht 106 auf mindestens einem zweiten Abschnitt der Wand der Struktur 104 nicht ausgebildet wird. Bei einigen Ausführungsformen befindet sich der zweite Teil bezüglich der z-Richtung über dem ersten Teil. Bei einigen Ausführungsformen sind möglicherweise, wie unten beschrieben, zusätzlich zu dem zweiten Teil 104b ein oder mehrere andere Teile der Struktur 104 nicht von der Schutzschicht 106 bedeckt. Die Schutzschicht 106 definiert für einen nachfolgenden Migrationsprozess den oder die Teile der Struktur 104, die durch Materialmigration nicht beeinflusst werden, das heißt, die nach dem Migrationsprozess verbleiben, und definiert weiterhin den oder die Teile der Struktur 104, die durch Migration beeinflusst werden, das heißt, bei denen das Material migriert, um an einem anderen Ort in dem Substrat eine Schicht aus umkristallisiertem monokristallinen Volumenmaterial auszubilden, was unten beschrieben wird.
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Die Schutzschicht 106 weist ein von dem Volumenhalbleitermaterial verschiedenes Material auf. Bei Ausführungsformen kann das Material der Schutzschicht 106 ein Oxid wie etwa Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid (Alumina), ein Nitrid wie etwa Siliziumnitrid, High-k-Materialien und andere Materialien enthalten. Die Schutzschicht 106 kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke von nur wenigen Nanometern aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Schutzschicht 106 von der Breite der Öffnungen 108 abhängen, um beispielsweise im Bereich von 1/8 bis 1/20 der Breite der Öffnungen zu liegen.
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Der Migrationsprozess beinhaltet bei Ausführungsformen eine Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre, die für einige Zeit angewendet wird, um den zweiten Teil 104b der Struktur 104 zu entfernen. Das Material des zweiten Teils 104b migriert, um eine kontinuierliche Volumenschicht in dem Halbleitersubstrat 100 über dem verbleibenden ersten Teil 104a der Struktur 104 auszubilden. Der Migrationsprozess kann ein Prozess sein, bei dem das entfernte Material nach Migration durch eine Selbstorganisation umkristallisiert wird, wie etwa einen als den Venezia-Prozess bekannten Migrationsprozess. Durch Erhitzen des Substrats auf Temperaturen zwischen 1000 und 1200°C und Bereitstellen einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Partialdruck im Bereich zwischen 10 und 10 000 Pa wird ein H-Aushärtungsprozess bereitgestellt, bei dem das Volumenhalbleitermaterial in einer Gasphase umgewandelt werden kann. Im Fall von Silizium als Volumenmaterial beispielsweise werden die Si-Atome durch die Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre in Silan-Gas umgewandelt. Die Si-Atome werden dann aus dem Silan-Gas umkristallisiert, um eine kontinuierliche Schicht aus kristallinem Material auszubilden, wie unten beschrieben wird.
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Das Material und die Dicke der Schutzschicht 106 können gewählt werden in Abhängigkeit von der spezifischen Implementierung wie etwa den Abmessungen der Öffnungen 108 und der Struktur 104, den Ätzprozessen und Maskenschichten, die während der Bearbeitung verwendet werden, oder andere Schichten, die während des Herstellungsprozesses bereitgestellt werden. Die Schutzschicht 106 kann bei einigen Ausführungsformen mehr als eine Schicht enthalten, beispielsweise zwei oder mehr selektiv ätzbare Schichten. Die Schutzschicht 106 kann zuerst entlang der Seitenwände abgeschieden werden, um die ganze Struktur 104 zu bedecken, und dann strukturiert oder zurückgeätzt werden, um die Schutzschicht 106 im zweiten Teil der Struktur 104 zu entfernen. Ein Ausführungsbeispiel, um die Schutzschicht 106 derart strukturiert zu erhalten, dass der zweite Teil 104b der Struktur 104 nicht von der Schutzschicht 106 bedeckt ist, wird unten bezüglich 3a–3h beschrieben.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 1d wird als Ergebnis des Migrationsprozesses ein kontinuierlicher Raum oder Spalt 112 frei von Halbleitermaterial ausgebildet. Weiterhin wird gleichzeitig mit dem Raum 112 eine kontinuierliche Schicht 114 aus umkristallisiertem Volumenmaterial während des Migrationsprozesses ausgebildet. Die kontinuierliche Schicht 114 weist bei Ausführungsformen keine Öffnungen oder Löcher auf und kann deshalb eine obere Dichtung oder einen oberen Überzug für den verbleibenden Teil 104a bereitstellen. Die kontinuierliche Schicht 114 erstreckt sich kontinuierlich über den verbleibenden Teil 104a der Halbleiterstruktur 104. Der Raum 112 und die kontinuierliche Schicht 114 erstrecken sich parallel zueinander in horizontalen Richtungen von dem ersten Abschnitt 102a und über den Öffnungen 108 zu dem zweiten Abschnitt 102b. Indem die Schicht 114 während des Migrationsprozesses ausgebildet wird, gestattet der oben beschriebene Migrationsprozess, eine Dichtung oder einen Überzug aus kristallinem Material für das Bauelement mit einem Abstand zu erhalten, der durch den Raum 112 zwischen der Dichtung oder dem Überzug und dem verbleibenden Teil 104a der Struktur 104 definiert wird. Es versteht sich, dass der verbleibende Teil 104a von dem Überzug getrennt ist und deshalb beweglich ausgeführt ist. Der oben beschriebene Prozess gestattet, Bauelemente mit beweglichen Elementen auf sehr kosteneffektive Weise zu erhalten, indem die vielen Abscheidungs-, Ätz- und Strukturierungsschritte vermieden werden, die bei bekannten Herstellungsprozessen erforderlich sind. Weiterhin kann der obige Prozess im Vergleich zu bekannten Herstellungsprozessen kleinere flexible oder bewegliche Elemente bereitstellen. Weiterhin versteht ein Fachmann, dass das flexible Element innerhalb des Volumensubstrats und nicht in einer getrennten Schicht auf dem Volumensubstrat ausgebildet wird. Die geringe Größe des flexiblen Elements, das sich auf der Höhe des Volumensubstrats befindet, gestattet eine leichte Integration innerhalb des Substrats, und der Herstellungsprozess kann leicht in existierende CMOS-Prozesse integriert werden, und CMOS-Schaltungselemente können in nachfolgenden Bearbeitungsschritten ausgebildet werden.
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Bei Ausführungsformen bildet der verbleibende Teil 104a ein mechanisches flexibles Element für Sensorbauelemente oder MEMS-Bauelemente (mikro-elektromechanisches System). Die Schutzschicht 106 kann auf dem Teil 104a verbleiben oder kann danach entfernt werden. Mit dem oben beschriebenen Prozess können Bauelemente wie etwa MEMS-Bauelemente oder Sensorbauelemente mit einem oder mehreren flexiblen Elementen aus Volumenhalbleitermaterial auf sehr effiziente und kosteneffektive Weise hergestellt werden, da sowohl der Raum 112 als auch die kontinuierliche Schicht 114 in einem Prozessschritt ausgebildet werden. Während bekannte Herstellungsprozesse viele Photolithographie- und Ätzschritte erfordern, um das flexible Element mit einer Kappe und einem Raum zwischen der Kappe zu erhalten, gestattet der oben beschriebene Prozess eine effiziente Bearbeitung und effiziente Ausbildung dieser Elemente. Weiterhin bildet der oben beschriebene Prozess das flexible Element aus Volumenmaterial, was bei vielen Anwendungen gegenüber polykristallinem oder anderem Material vorteilhaft ist. Weiterhin versteht der Fachmann, dass zusätzlich zu dem flexiblen Element auch die kontinuierliche Schicht aus kristallinem Material durch Umkristallisierung des migrierten Materials ausgebildet wird.
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Das Substrat kann bei einigen Ausführungsformen weiter in einem nachfolgenden Prozessschritt verdünnt werden, um eine Dicke des Substrats im Bereich zwischen 150 und 350 μm zu erhalten.
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Der oben beschriebene Prozess gestattet deshalb beispielsweise die Herstellung von kostenreduzierten ASIC-Bauelementen mit integrierten beweglichen Elementen. Die beweglichen Elemente können für Anwendungen bereitgestellt und verwendet werden, zu denen unter anderem Beschleunigungssensoranwendungen, Bewegungsdetektionssensoranwendungen, Reifendrucksensoranwendungen usw. zählen.
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Ein beispielhaftes Prozessflussdiagramm gemäß einer Ausführungsform ist in 5 gezeigt. Der Prozessfluss startet bei 502 mit dem Entfernen von Volumenhalbleitermaterial, um eine Halbleiterstruktur in einem Substrat auszubilden.
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Dann wird bei 504 eine Schutzschicht an einer Wand der Halbleiterstruktur ausgebildet.
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In Schritt 506 wird der Migrationsprozess angewendet, um die ungeschützten Teile der Halbleiterstruktur zu entfernen, das heißt die Teile mit entsprechenden Wänden, die nicht von der Schutzschicht bedeckt sind.
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Bei einigen Ausführungsformen wird die elektrische Isolation für den verbleibenden Teil 104a gegen das Substrat 100 bereitgestellt. Eine derartige Isolation kann beispielsweise benötigt werden, um kapazitive Messungen oder andere elektrische Messungen der Auslenkung des flexiblen Elements zu gestatten. Die elektrische Isolation kann beispielsweise durch Ausbilden entsprechender p-n-Sperrschichten oder Isolationsabschnitte in Teilen der Struktur 104 oder des Substrate 100 erreicht werden. Es ist weiter anzumerken, dass die in 1a–1d gezeigte Ausführungsform auf unterschiedliche Weisen implementiert werden kann und nicht gezeigte zusätzliche Prozessschritte aufweisen kann. Beispielsweise können außer den beschriebenen Schichten verschiedene Schichten während bestimmter Schritte ausgebildet werden. Solche Schichten können verbleiben oder können während des Herstellungsprozesses oder danach entfernt werden. Weiterhin ist anzumerken, dass während des Herstellungsprozesses verschiedene Ätz- und Lithographieschritte angewendet werden können.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf die 2a bis 2c wird eine Ausführungsform beschrieben, bei der zusätzlich zu dem zweiten Teil 104b an der Oberseite der Struktur 104 ein weiterer Teil 104c am Boden der Struktur 104 von der Schutzschicht 106 unbedeckt ist. Während die 1a–d einen Prozess zeigen, bei dem die Struktur 104 durch Öffnungen in zwei Abschnitten 102a und 102b ausgebildet wird, zeigen die 2a bis 2c eine Ausführungsform mit einer Vielzahl von in mehreren Abschnitten ausgebildeten Öffnungen 108. Es ist jedoch anzumerken, dass die in 1a bis 1d gezeigte Ausführungsform sowie die in 2a bis 2c gezeigte Ausführungsform mit einer beliebigen Anzahl von Öffnungen implementiert werden können.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 2a werden mehrere Öffnungen 108 in Abschnitten 102a, 102b, 102c und 102d ausgebildet, um die Halbleiterstruktur 104 aus Volumenmaterial zu erhalten. Das Ausbilden der Öffnungen 108 wurde bereits bezüglich der 1a und 1b beschrieben, und es wird darauf Bezug genommen.
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Dann wird, wie in 2b gezeigt, die Schutzschicht 106 ausgebildet. Im Unterschied zu dem Ausbilden der Schutzschicht 106 in 1b wird die Schutzschicht 106 nach 2b derart ausgebildet, dass zusätzlich zu dem zweiten Teil 104b ein dritter Teil 104c der Halbleiterstruktur 104 nicht von der Schutzschicht 106 bedeckt ist. Wie ersichtlich ist, ist bei der in 2b gezeigten Ausführungsform der zweite Teil 104b bezüglich der vertikalen Richtung der oberste oder obere Teil und der dritte Teil 104c der unterste oder untere Teil der Halbleiterstruktur 104. Der von der Schutzschicht 106 bedeckte Teil 104a befindet sich deshalb zwischen den beiden Teilen 104b und 104c.
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Nach dem Anwenden des Migrationsprozesses wird angesichts der von der Schutzschicht 106 nicht bedeckten Teile 104b und 104c das Volumenmaterial dieser Teile einer Migration unterzogen. Wie weiter oben beschrieben, wird während des Migrationsprozesses eine Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre angewendet, was bewirkt, dass das Volumenmaterial der Teile 104b und 104c in die Gasphase, beispielsweise Silan-Gas, umgewandelt und auf selbst organisierte Weise umkristallisiert wird, um die kontinuierlichen Schichten 114 und 118 des kristallinen Materials mit Räumen 112 und 126 zwischen dem verbleibenden Teil 104a der Halbleiterstruktur 104 und den jeweiligen kontinuierlichen kristallinen Schichten 114 und 118 auszubilden. Wie aus 2c hervorgeht, erstrecken sich die kontinuierlichen Schichten 114 und 118 und die Räume 112 und 116 jeweils in horizontaler Richtung über alle Öffnungen 108. Die Räume 112 und 116 werden einander gegenüber mit dem verbleibenden Teil 104a der Halbleiterstruktur dazwischen ausgebildet. Die kontinuierlichen Schichten 114 und 118 werden einander gegenüber mit dem verbleibenden Teil 104a der Halbleiterstruktur und den Räumen 112 und 116 dazwischen ausgebildet. Es ist anzumerken, dass mit dem Anwenden des oben beschriebenen Migrationsprozesses auf die Halbleiterstruktur 104 mit einem bedeckten Teil und zwei oder mehr von der Schutzschicht 106 unbedeckten Teilen die einen Überzug für das flexible Element des Bauelements bereitstellende kontinuierliche Schicht 114 zusammen mit Räumen 112 und 116 ausgebildet wird, die den verbleibenden Teil 104a der Struktur 104 in den von den Öffnungen 108 bedeckten Bereichen von dem Substrat und der Kappe in einem einzigen Prozessschritt des Herstellungsprozesses entkoppeln. Mit anderen Worten, da die Räume 112 und 116 gleichzeitig über der Oberseite und unter dem Boden des verbleibenden Teils 104a ausgebildet werden, werden sowohl die Oberseite als auch der Boden des verbleibenden Teils 104 beide von dem Substrat getrennt, und ein Element mit Volumenmaterial, das Auslenkungen in horizontaler Richtung relativ zu dem Substrat ausführen kann, wird ausgebildet. Da jedoch alle oben erwähnten Elemente durch eine selbst organisierte Migration in einem einzigen Prozessschritt ausgebildet werden, ist der Prozess zusätzlich zu der leichten Integration auch viel effizienter und kosteneffektiver als ein existierender Prozess für das Ausbilden solcher MEMS-Elemente.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf die 3a bis 3h wird ein Ausführungsbeispiel eines Prozesses ausführlicher beschrieben, bei dem die Schutzschicht 106 derart ausgebildet wird, dass ein oberster Teil 104b und ein unterster Teil 104c der Halbleiterstruktur 104 während des Migrationsprozesses unbedeckt ist und entfernt wird. Bei dem bezüglich 3a bis 3h beschriebenen Prozess wird die Struktur durch zwei Ätzschritte ausgebildet. Es versteht sich jedoch, dass andere Ausführungsformen einen einzelnen Ätzschritt oder mehr als zwei Ätzschritte umfassen können, um die Schutzschicht bereitzustellen und zu strukturieren, sodass der oberste Teil und der unterste Teil der Halbleiterstruktur 104 von der Schutzschicht 106 unbedeckt sind.
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Der Prozess beginnt mit dem Aufbringen und Strukturieren einer Maske 220 auf dem in 3a gezeigten Halbleitersubstrat 100. Die Maske kann eine Hartmaske sein, die durch eine oder mehrere Schichten aus Nitrid- und/oder Oxidmaterial und/oder Poly-Si ausgebildet wird. 3b zeigt das Halbleitersubstrat 100 nach dem Ausbilden der Maske 220. Die Maske 220 definiert diejenigen Abschnitte des Halbleitersubstrats 100, in denen Material in einem nachfolgenden Ätzschritt entfernt wird, um die Halbleiterstruktur auszubilden. 3c zeigt das Halbleitersubstrat 100 nach dem Entfernen des Halbleitervolumenmaterials in den durch die Maske 220 definierten Abschnitten 102a–102d des Halbleiters. Danach wird eine erste Ätzung angewendet, um Volumenmaterial des Substrats 100 zu entfernen, wodurch die Öffnungen 108 und die Struktur 104 in dem Substrat 100 ausgebildet werden.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 3d wird die Schutzschicht 106 auf den ganzen Oberflächen der Öffnungen 108 abgeschieden. Nach dem Abscheiden der Schutzschicht 106 werden die Öffnungen 108 am Boden durch das lokale Entfernen der Schutzschicht 106 am Boden geöffnet, und weiteres Volumenmaterial des Substrats wird entfernt. Das Entfernen des weiteren Materials des Substrats 100 erweitert die Öffnungen 108 dadurch in der vertikalen Richtung weiter in das Substrat 100.
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Danach werden die Öffnungen 108 mit einem Füllmaterial 222 gefüllt. Das Füllmaterial 222 wird in vertikaler Richtung nur bis zu einem bestimmten Bruchteil der Öffnungen 108 bereitgestellt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Öffnungen 108 vollständig mit dem Füllmaterial gefüllt werden und dann das Füllmaterial entfernt wird, bis es sich nur bis zu dem Bruchteil der Öffnungen 108 erstreckt. Das Füllmaterial kann beispielsweise einen Photolack beinhalten, der auf bestimmte Weise beispielsweise durch Plasmaätzen abgelöst werden kann. Nachdem das Füllmaterial reduziert ist, wird die Schutzschicht 106 auf der Oberfläche der von dem Füllmaterial 222 nicht bedeckten Öffnungen geätzt und dadurch entfernt.
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Nach dem Entfernen der Schutzschicht 106 in den von dem Füllmaterial 222 nicht bedeckten Gebieten wird das Füllmaterial 222 vollständig von den Öffnungen 108 entfernt, wie in 3g gezeigt. Die Schutzschicht 106 erstreckt sich nun nur entlang des mittleren Teils 104a der Struktur 104, während der oberste Teil 104b und der unterste Teil 104c nicht von der Schutzschicht 106 bedeckt sind. Es wird hier angemerkt, dass 3g im Wesentlichen 2b entspricht.
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Dann werden, wie bezüglich 2c beschrieben, die Teile 104b und 104c in dem Migrationsprozess entfernt, und die kontinuierlichen Räume 112 und 116 und die kontinuierlichen Schichten 114 und 118, die sich über alle Öffnungen 108 erstrecken, werden durch das migrierte Volumenmaterial in dem Migrationsprozess ausgebildet. Wie oben angemerkt, ist das Material der Schichten 114 und 118 das von den Teilen 104b und 104c migrierte Volumenhalbleitermaterial, und die Schichten 114 und 118 sind wegen des während des Migrationsprozesses umkristallisierten migrierten Materials kristalline Schichten.
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4 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel, das durch Anwenden des oben beschriebenen Herstellungsprozesses erhalten werden kann. 4 zeigt die Draufsicht des Querschnitts der als Linie A-A' in 3h gezeigten Ebene. 4 zeigt die verbleibenden Teile 104a der Halbleiterstruktur, die durch den Schutz durch die Schutzschicht 106 nicht dem Migrationsprozess unterzogen worden sind und deshalb nach dem Migrationsprozess verblieben. Die Teile 104a bilden ein MEMS-Bauelement mit einem festen Element 302 und einem flexiblen Element 304. Das flexible Element 304 kann beispielsweise das flexible Element eines Beschleunigungs- oder Kraftsensors bilden. Das feste Element 302 und das flexible Element 304 sind in horizontalen Richtungen länglich und erstrecken sich in beiden horizontalen Richtungen (x- und y-Richtung). Das flexible Element 304 weist eine kammartige Struktur mit mehreren Fingern auf, die interdigital mit mehreren Fingern des festen Elements 302 angeordnet sind. Bei Betrieb bewegen sich die mehreren Finger des flexiblen Elements 304 bezüglich der Finger des festen Elements 302 horizontal und können deshalb Beschleunigungsmesssignale oder andere Messsignale liefern, indem eine Kapazitätsänderung oder andere physikalische Änderungen detektiert werden. Um die Auslenkung zu detekieren, kann das flexible Element 304 beispielsweise durch Formen von p-n-Sperrschichten elektrisch von dem festen Element 302 isoliert sein.
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Es ist anzumerken, dass die in 4 gezeigte Ausführungsform nur von beispielhafter Natur ist, um ein Beispiel eines Bauelements zu zeigen, das durch den oben beschriebenen Prozess hergestellt werden kann. Insbesondere können für jede der oben beschriebenen Ausführungsformen viele Modifikationen einschließlich zusätzlicher Prozessschritte wie etwa zusätzlichem Ätzen, Abscheiden und Bereitstellen von zusätzlichen Strukturen, Schichten, Opferschichten usw. bereitgestellt werden.
