DE102012213313B4

DE102012213313B4 - Mikromechanische Struktur

Info

Publication number: DE102012213313B4
Application number: DE102012213313.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: US9394158B2; FR2993873B1; FR2993873A1; CN103569939A; US20140264649A1; CN110282595A; DE102012213313A1

Abstract

Mikromechanische Struktur mit:einem Substrat (1; 1') mit einer Oberseite (OS; OS');einer in dem Substrat (1; 1') an der Oberseite (OS; OS') ausgebildeten mikromechanischen Funktionsstruktur (M, F, S1, S2); undeiner oberhalb der Oberseite (OS; OS') des Substrats (1; 1') ausgebildeten Leiterbahnanordnung (L, V; LB);wobei die Leiterbahnanordnung (L, V; LB) zumindest zwei Isolationsschichten (10) nicht-leitfähigen Materials (10) und eine dazwischenliegende Leiterbahnschicht (L) leitfähigen Materials aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Funktionsstruktur (M, F, S1, S2) eine auslenkbare Masseneinrichtung (M) aufweist und dass ein oder mehrere mit leitfähigem Material ummantelte Blöcke (B1, B2) der Isolationsschichten (10) auf der Masseneinrichtung (M) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur.
Stand der Technik
Aus der US 2010/0295138 A1 und der US 2005/0095813 A1 sind mikromechanische (MEMS-) Strukturen bekannt, welche CMOS-Schichten für die Realisierung mikromechanischer Funktionen verwenden.
Die US 2011/0265574 A1 offenbart einen Prozess zur Backend-Integration von MEMS-Funktionen auf einer CMOS-Schaltung.
Aus der DE 10 2007 027 127 A1 ist ein Sensor bekannt, bei dem ein erstes Substrat ein erstes Element zum Erfassen einer physikalischen Größe aufweist, ein zweites Substrat ein zweites Element zum Erfassen einer physikalischen Größe aufweist und wobei das zweite Substrat das erste Substrat kontaktiert, Zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat ist ein Unterbringungsraum angeordnet, in dem das erste Element zum Erfassen der physikalischen Größe verkapselt angeordnet ist.
Aus der US 2009/0179233 A1 ist eine mikromechanische Sensoranordnung bekannt, bei dem durch ein Substrat, eine darauf angebrachte Isolierschicht und eine wiederum darauf angebrachte durchlässige Schicht eine Kammer zwischen dem Substrat und der durchlässigen Schicht gebildet wird. Hiebei ist in die durchlässige Schicht eine Elektrodenstruktur eingebracht.
Aus der US 2009/0229370 A1 ist eine physikalische Messeinrichtung mit zwei Substraten und zwei Messeinrichtungen bekannt, wobei eine erste Messeinrichtung zwischen den beiden Substraten in einer geschützten Kammer angeordnet ist.
Aus der DE 10 2010 000 729 A1 ist eine Halbleitervorrichtung mit einem Sensorelement und einem Deckelement bekannt, wobei eine Oberfläche des Sensorelements einen Messabschnitt aufweist, der widerum in zwei Unterabschnitte unterteilt ist. Der Messabschnitt wird hierbei versiegelt. Die Unterabschnitte sind über einen Querverdrahtungsabschnitt miteinander verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Struktur nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 10.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine CMOS-MEMS-Struktur unter Verwendung von aus einem Substrat herausstrukturierten Schichten und von CMOS-Schichten bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur und das entsprechende Herstellungsverfahren erlauben die Verwendung stabilen Substratmaterials zur Herstellung der mikromechanischen Funktionsstruktur, so dass auf eine teure Abscheidung bzw. ein teures Transferbonden von dicken mikromechanischen Funktionsschichten verzichtet werden kann. Hinzu kommt die Ausnutzung der Flexibilität bestehender CMOS-Prozesse für die Leiterbahnanordnung und etwaige CMOS-Schaltungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich zwischen einer obersten Passivierungsschicht und der Oberseite des Substrats ein Hohlraum. So lässt sich eine definierte Atmosphäre und Druck für die mikromechanische Funktionsstruktur einstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum lateral durch eine Stapelfolge von Leiterbahnschichten und dazwischenliegenden Durchkontaktierungen begrenzt. Dies ermöglicht ein gezieltes Stoppen des Gasphasenätzprozesses in lateraler Richtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die mikromechanische Funktionsstruktur von einer Leiterbahnanordnung mit wenigstens einer Leiterbahn überspannt, die an der Stapelfolge lateral verankert ist. So lässt sich eine stabile Leiterbahnanordnung erreichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum durch eine Verschlussschicht verschlossen. So lassen sich beliebige Drücke im Hohlraum einstellen.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die mikromechanische Funktionsstruktur eine auslenkbare Masseneinrichtung auf. Dies ermöglicht die Herstellung eines robusten Inertialsensors, z.B. Beschleunigungssensors oder Drehratensensors.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind ein oder mehrere mit leitfähigem Material ummantelte Blöcke der Isolationsschichten auf der Masseneinrichtung angeordnet. So lässt sich die Massenflächendichte erhöhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist unterhalb der mikromechanischen Funktionsstruktur im Substrat ein weiterer Hohlraum vorgesehen. So lassen sich elektrisch isolierte und/oder auslenkbare bzw. bewegliche Funktionsstrukturen ausbilden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein monokristallines Siliziumsubstrat oder ein monokristallines SOI-Substrat. Einkristallines Silizium besitzt im Gegensatz zu den CMOS-Schichten der Leiterbahnenanordnung LB sehr gut definierte mechanische Eigenschaften. Durch seine im Vergleich zu Polysilizium geringe Oberflächenrauigkeit besitzt es zudem eine erhöhte Bruchfestigkeit und damit eine größere Zuverlässigkeit. Hinzu kommt, dass bei einkristallinem Material im Gegensatz zu polykristallinem Material/Materialien der CMOS-Schichten Schichtspannungen bzw. Spannungsgradienten sowie verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten keine Rolle spielen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1a)-c) schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a in ebenem Querschnitt, 1b in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1a und 1b in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie B-B' in 1a;
2a)-d) schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens der mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie B-B' in 1a; und
3 eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie B-B' in 1a.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)-c) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a in ebenem Querschnitt, 1b in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1a und 1b in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie B-B' in 1a.
Obwohl nicht darauf beschränkt, werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand einer mikromechanischen Struktur in Form eines Beschleunigungssensors erläutert.
In 1a) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat aus einkristallinem Silizium mit einer Oberseite OS. Alternativ dazu kann auch beispielsweise ein SOI-Substrat (vgl. unten zu 3) verwendet werden.
Durch einen zweistufigen Ätzprozess, der später näher mit Bezug auf 2a)-d) erläutert wird, wird an der Oberseite OS in dem Substrat 1 eine bewegliche bzw. auslenkbare Masseneinrichtung M, welche beweglich über Federelemente F an dem umgebenden Substrat 1 aufgehängt ist, strukturiert. Die Masseneinrichtung M weist auf gegenüberliegenden Seiten eine erste Kammstruktur KM1 und eine zweite Kammstruktur KM2 auf. Weiterhin an der Oberseite OS in dem Substrat 1 strukturiert sind eine erste Statorstruktur S1 mit einer dritten Kammstruktur KS1 und eine zweite Statorstruktur S2 mit einer vierten Kammstruktur KS2.
Die erste Kammstruktur KM1 greift interdigital in die dritte Kammstruktur KS1 ein, und die zweite Kammstruktur KM2 greift interdigital in die vierte Kammstruktur KS2 ein.
Durch eine derartige an sich bekannte Kondensatorstruktur lassen sich Beschleunigungen durch Kapazitätsveränderungen bei Auslenkung der beweglichen Masseneinrichtung M elektrisch detektieren.
Wie in 1b) dargestellt, befindet sich an der Oberseite OS des Substrats 1 ein dotierter Bereich D sowohl an der beweglichen Masseneinrichtung M als auch an den Kammstrukturen KM1, KM2, KS1, KS2 und auch bereichsweise im umgebenden Substrat 1, welcher Leiterbahnen bildet und elektrisch kontaktierbar ist, um Sensorsignale abzugreifen.
Auf der Oberseite OS des Substrats und des dotierten Bereichs D gebildet sind auf vier Ebenen bzw. in vier Leiterbahnschichten L aus leitfähigem Material, wobei jeweils benachbarte Ebenen über Durchkontaktierungen V elektrisch verbunden sind. Somit ist oberhalb der mikromechanischen Funktionsstruktur bestehend aus der Masseneinrichtung M, den Federelementen F und den Statorelektroden S1, S2 eine mehrlagige Leiterbahnanordnung LB ausgebildet.
Ein erster Hohlraum H1, welcher unterhalb und seitlich der mikromechanischen Funktionsstruktur M, F, S1, S2 vorgesehen ist, ist mit einem zweiten Hohlraum H2 zu einem Gesamthohlraum verbunden, welcher oberhalb der mikromechanischen Funktionsstruktur M, F, S1, S2 innerhalb der Leiterbahnanordnung LB und der Stapelfolge VB vorgesehen ist, um so einen gemeinsamen Hohlraum H1, H2 zu bilden.
Bezugszeichen 10 bezeichnet Isolationsschichten (gestrichelt angedeutet in 1a)-c)), in welchen die Leiterbahnanordnung LB und die Durchkontaktierungen V gebildet ist.
Die Durchkontaktierungen V sind an den lateralen Grenzen des Hohlraums H2 derart übereinander mit den dazwischenliegenden Leiterbahnschichten L gebildet, dass der Hohlraum H2 dadurch ringsum begrenzt wird. Mit anderen Worten ist der Hohlraum H2 lateral durch eine Stapelfolge VB von Leiterbahnschichten L und dazwischenliegenden Durchkontaktierungen V begrenzt. Die die mikromechanische Funktionsstruktur überspannende Leiterbahnanordnung LB ist lateral an der Stapelfolge VB aufgehängt.
Oberhalb der Isolationsschicht 10 ist in der Peripherie der Stapelfolge VB eine Deckschicht DS gebildet, beispielsweise eine Nitrid- oder Karbidschicht. Der zweite Hohlraum H2 ist optional an seiner Oberseite durch eine Verschlussschicht VS verschlossen, welche beispielsweise ebenfalls aus Oxid, Nitrid, Karbid oder einer Metallisierung besteht. Somit lässt sich eine vorgebbare Atmosphäre in dem gemeinsamen Hohlraum H1, H2 einstellen.
Ein oder mehrere mit leitfähigem Material ummantelte Blöcke B1, B2 der Isolationsschichten 10 sind auf der Masseneinrichtung M angeordnet. Bei den Inertialsensoren kann eine höhere träge Masse der Masseneinrichtung M vorteilhaft für die Signalhöhe sein. Zur Erhöhung der trägen Massenflächendichte sind daher diese metallummantelten Blöcke B1, B2 aus den dielektrischen CMOS-Schichten auf der trägen Masseneinrichtung M vorgesehen.
Die derart gebildete mikromechanische Struktur in Form eines Beschleunigungssensors weist somit im mikromechanischen Funktionsbereich M, F, S1, S2 mechanisch gut definiertes, robustes, einkristallines Silizium auf. Es tritt somit keine oder nur eine geringe Abhängigkeit von (thermo)mechanischen Spannungen in den CMOS-Schichten der Leiterbahnanordnung LB auf. Weiterhin kann auf eine teure Abscheidung bzw. ein teures Transferbonden von dicken mikromechanischen Funktionsschichten, beispielsweise aus Polysilizium mit einer Dicke von 10 bis 20 µm, verzichtet werden.
Das einkristalline Substrat 1 aus Silizium ermöglicht weiterhin, dass dickere Funktionsschichten mit höherer Massenflächendichte realisierbar sind, also ein besseres Sensorsignal erhalten werden kann. Die Massenflächendichte kann durch Erhöhung der vertikalen Ätztiefe fast beliebig flächenneutral erhöht werden, sodass entweder bei gleichem Flächenbedarf das Signal erhöht oder bei gleicher Signalhöhe die Fläche verkleinert und damit der entsprechende Chip kostengünstiger hergestellt werden kann.
Einkristallines Silizium besitzt im Gegensatz zu den CMOS-Schichten der Leiterbahnenanordnung LB sehr gut definierte mechanische Eigenschaften. Durch seine im Vergleich zu Polysilizium geringe Oberflächenrauigkeit besitzt es zudem eine erhöhte Bruchfestigkeit und damit eine größere Zuverlässigkeit. Hinzu kommt, dass bei einkristallinem Material im Gegensatz zu dem polykristallinem Material/Materialien der CMOS-Schichten Schichtspannungen bzw. Spannungsgradienten nicht vorhanden sind.
Die Realisierung des mikromechanischen Funktionsbereichs M, F, S1, S2 im Substrat 1 hat weiterhin den Vorteil, dass die Oberseite OS planar bleibt, wodurch die Integration mit einer (nicht dargestellten) CMOS-Schaltungsanordnung monolithisch erfolgen kann.
Die Durchkontaktierungen V zur Bildung der Stapelfolge VB mit den Durchkontaktierungen V und den Leiterbahnschichten L ermöglichen es, den Hohlraum H2 lateral zu begrenzen (vgl. 2a)-d)). Die geringere Gasphasenätzdauer rührt daher, dass die Metallisierung beim Gasphasenätzen, beispielsweise mittels HF, als Ätzstopp wirkt.
Durch das teilweise Auffüllen des Hohlraums mit metallummantelten Oxidblöcken und Leiterbahnen wird nicht nur die Gasphasenätzdauer verkürzt, sondern es kann auch gleichzeitig eine stabile Verschlussschicht VS angelegt werden.
2a)-d) sind schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens der mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie B-B' in 1a.
Wie in 2a) dargestellt, erfolgt zunächst in einem zweistufigen Ätzprozess unter Verwendung einer Ätzmaskenschicht 10a mit Zugangslöchern ML in einem ersten anisotropen Ätzschritt eine Vertikalätzung zur Definition der Dicke der mikromechanischen Funktionsstruktur M, F, S1, S2, wobei zuvor der Dotierungsbereich D beispielsweise durch Implantation geschaffen wurde. In einem zweiten Ätzschritt erfolgt dann ein isotropes Unterätzen der mikromechanischen Funktionsstruktur M, F, S1, S2 zur Ausbildung des Hohlraums H1 und zum Beweglichmachen bzw. Auslenkbarmachen der Masseneinrichtung M.
Durch ein konturumlaufendes Ätzen im ersten anisotropen Ätzschritt und ein Unterätzen im zweiten isotropen Ätzschritt können so vom Substrat 1 elektrisch isolierte Strukturen, wie z.B. die Statorelektroden S1, S2, erzeugt werden. Die mechanische Anbindung erfolgt über Polysilizium- und/oder Metallschichten.
Nach Abschluss der Ausbildung des mikromechanischen Funktionsbereichs M, F, S1, S2 werden die Zugangslöcher ML verschlossen, beispielsweise durch Abscheiden einer weiteren dünnen Oxidschicht, woraufhin die CMOS-Schichten zur Ausbildung der Leiterbahnanordnung LB mit den Durchkontaktierungen V und den dazwischenliegenden Oxidschichten 10 abgeschieden und strukturiert werden.
Nach Fertigstellung der Leiterbahnanordnung LB wird, wie in 2b) gezeigt, eine Deckschicht DS abgeschieden und so strukturiert, dass sie an der Durchkontaktierungsbegrenzung VB endet.
Wie in 2c) dargestellt, erfolgt dann ein HF-Gasphasenätzen zur Freilegung der Strukturen innerhalb des Hohlraums H2.
Schließlich mit Bezug auf 2d) wird die Verschlussschicht VS mit einem Sputter- oder einem PECVD-Prozess bei niedrigen Temperaturen abgeschieden und anschließend strukturiert. Ein Sputterprozess ist zu bevorzugen, wenn die Verschlussschicht VS eine Metallschicht ist, wohingegen ein PECVD-Prozess bevorzugt ist, wenn die Verschlussschicht VS eine dielektrische Schicht ist. Der dabei herrschende Prozessdruck wird im gemeinsamen Hohlraum H1, H2 eingeschlossen.
Vorteilhafterweise kann der Prozess zur Definition der mikromechanischen Funktionalität in einem üblichen CMOS-Prozess nach dem Aufbringen der Frontend-CMOS-Schichten (Dotierungen, Oxide, Gateschichtstapel) eingefügt werden, wobei eine Isolationsschicht, beispielsweise eine BPSG-Schicht, und/oder eine Metallschicht, in Kombination mit der Isolationsschicht als die Ätzmaske für den Ätzprozess zur Strukturierung des mikromechanischen Funktionsbereichs M, F, S1, S2 strukturiert werden kann.
3 ist eine schematische Darstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie B-B' in 1a.
In 3, welche eine analoge Darstellung zu 1c) ist, ist statt des einkristallinen Siliziumsubstrats 1 ein SOI-Substrat 1' vorgesehen, dessen Oberseite mit Bezugszeichen OS' bezeichnet ist. Das SOI-Substrat 1' weist eine untere einkristalline Siliziumschicht 1a, eine mittlere Oxidschicht 1b und eine obere einkristalline Siliziumschicht 1c auf.
Die Verwendung eines derartigen SOI-Substrats 1' bietet den Vorteil, dass die Höhe der durch die zweite, einkristalline Siliziumschicht 1c gebildeten mikromechanischen Funktionsstruktur M, F, S1, S2 durch die vergrabene Oxidschicht 1b sehr gut definierbar ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand mikromechanischer Strukturen in Form von Beschleunigungssensoren erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern prinzipiell auf beliebige mikromechanische Strukturen anwendbar.
Ein weiteres bevorzugtes Beispiel der Anwendung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur liegt beispielsweise in Absolutdrucksensoren.

Claims

Mikromechanische Struktur mit: einem Substrat (1; 1') mit einer Oberseite (OS; OS'); einer in dem Substrat (1; 1') an der Oberseite (OS; OS') ausgebildeten mikromechanischen Funktionsstruktur (M, F, S1, S2); und einer oberhalb der Oberseite (OS; OS') des Substrats (1; 1') ausgebildeten Leiterbahnanordnung (L, V; LB); wobei die Leiterbahnanordnung (L, V; LB) zumindest zwei Isolationsschichten (10) nicht-leitfähigen Materials (10) und eine dazwischenliegende Leiterbahnschicht (L) leitfähigen Materials aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Funktionsstruktur (M, F, S1, S2) eine auslenkbare Masseneinrichtung (M) aufweist und dass ein oder mehrere mit leitfähigem Material ummantelte Blöcke (B1, B2) der Isolationsschichten (10) auf der Masseneinrichtung (M) angeordnet sind.
Mikromechanische Struktur nach Anspruch 1, wobei sich zwischen einer obersten Leiterbahnschicht (L) und der Oberseite (OS, OS') des Substrats (1; 1') ein Hohlraum (H2) befindet.
Mikromechanische Struktur nach Anspruch 2, wobei der Hohlraum (H2) lateral durch eine Stapelfolge (VB) von Leiterbahnschichten (L) und dazwischenliegenden Durchkontaktierungen (V) begrenzt ist.
Mikromechanische Struktur nach Anspruch 3, wobei die mikromechanische Funktionsstruktur (M, F, S1, S2) von einer Leiterbahnanordnung (LB) mit wenigstens einer Leiterbahn überspannt ist, die an der Stapelfolge (VB) lateral verankert ist.
Mikromechanische Struktur nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Hohlraum (H2) durch eine Verschlussschicht (VS) verschlossen ist.
Mikromechanische Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unterhalb der mikromechanische Funktionsstruktur (M, F, S1, S2) im Substrat (S; S') ein weiterer Hohlraum (H1) vorgesehen ist.
Mikromechanische Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1; 1') ein monokristallines Siliziumsubstrat (1) oder ein monokristallines SOI-Substrat (1') ist.