DE102013001674B4

DE102013001674B4 - Vertikale druckempfindliche Struktur

Info

Publication number: DE102013001674B4
Application number: DE102013001674.6A
Authority: DE
Inventors: Thoralf Kautzsch
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: DE102013001674A1; US9550669B2; US20130199301A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer druckempfindlichen Struktur, das Folgendes umfasst:Erzeugen mehrerer Gräben in einem Substrat, wobei die mehreren Gräben einen ersten außen liegenden Graben und einen zweiten außen liegenden Graben aufweisen, wobei benachbarte Gräben durch eine jeweilige Seitenwand voneinander getrennt sind, wobei sich die jeweilige Seitenwand in vertikaler Richtung zu einer ersten Hauptoberfläche des Substrats erstreckt, wobei die mehreren Gräben in einem ersten Bereich angeordnet sind, der sich zwischen einer ersten äußeren Wand des ersten außen liegenden Grabens und einer zweiten äußeren Wand des zweiten außen liegenden Grabens erstreckt, wobei eine erste Seitenwand der jeweiligen Seitenwände zwischen dem ersten außen liegenden Graben und einem Graben gebildet ist, der zu dem ersten außen liegenden Graben benachbart ist;nach dem Erzeugen der mehreren Gräben, Entfernen von Material lateral außerhalb des ersten Bereichs, um einen Hohlraum zu erzeugen, der sich von der ersten Hauptoberfläche des Substrats zu der ersten Seitenwand erstreckt, wobei die druckempfindliche Struktur durch die erste Seitenwand gebildet wird.

Description

Druckempfindliche Vorrichtungen wie etwa Druckwandler, Mikrofone usw. sind Vorrichtungen, die einen auf eine druckempfindliche Membran ausgeübten Druck in ein Signal wie etwa ein elektrisches Signal oder umgekehrt umwandeln können.
Druckempfindliche Vorrichtungen werden heutzutage in geringer Größe auf Substraten wie etwa Halbleitersubstraten bereitgestellt. Durch Einsatz der vielen Verarbeitungstechniken für Halbleitermaterialien wie etwa Silizium können kleine druckempfindliche Vorrichtungen ausgebildet werden, die in vielen Anwendungsfeldern angewendet werden können. Zu typischen Anwendungen zählt beispielsweise die Überwachung von Druck in industriellen oder automotiven Anwendungen. Eines von vielen Beispielen für solche Anwendungen beinhaltet ein Reifendruck-Überwachungssystem (TPMS - Tire Pressure Monitoring System), wobei der Luftdruck in Reifen von Fahrzeugen überwacht und an eine Steuereinheit gemeldet wird, um zu bestimmen und einen Fahrer zu warnen, wenn ein Niederdruckzustand auftritt. Zu anderen Anwendungen zählen Verbraucher- oder Kommunikationsanwendungen wie etwa das Umwandeln von Sprache durch kleine Mikrofone in Einrichtungen wie etwa Mobiltelefonen, Computern usw. oder in Mobiltelefonen bereitgestellten Silziumlautsprechern usw.
Die US 2011/0068420 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterstruktur, wobei eine im Querschnitt trapezoide Kavität mittels Lithographie erreicht wird.
Die DE 10 2009 039 106 A1 offenbart ein Substrat mit logischen Bauelementen, wobei ein Verdünnen bzw. Dünnätzen der Rückseite des Substrats durchgeführt wird um einen Hohlraum freizulegen.
Die US 2011/0140216 A1 zeigt ein Verfahren zum Schaffen eines Beschleunigungssensors, der MEMS Strukturen wie z.B. Kammstrukturen und mechanische Federn umfasst. Dabei werden Isolationstrenches gebildet. Durch anisotropes Ätzen von der Rückseite wird Substratmaterial in vorhergehend nicht-geätzten Bereichen entfernt.
Die DE 10 2005 032 635 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Vorrichtung zur Erfassung eines Druckes und einer Beschleunigung.
Die DE 10 2007 026 450 A1 zeigt einen Sensor mit einem Substratmaterial und einem weiteren Material, die miteinander in Kontakt sind. Das Substratmaterial und das Material umfassen jeweils eine Ausnehmung.
Die US 6 250 165 B1 offenbart einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe. Ein bewegbarer Abschnitt wird durch elektrochemisches Ätzen in einem p-Typ Halbleitersubstrat gebildet.
Die DE 10 2011 007 217 A1 offenbart eine Erfassungsvorrichtung für eine physikalische Größe bei der erste und zweite Elektroden in einer Halbleiterschicht gebildet werden.
Die US 6787052 B1 offenbart ein Halbleiterverfahren mit einer Kombination aus lokal-RIE-Ätzen und isotropem Ätzen sowie einem nachfolgenden tiefen anisotropen Ätzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Konzept für druckempfindliche Vorrichtungen mit vertikalen Strukturen zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 9 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 20 gelöst.
Gemäß einem Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer druckempfindlichen Struktur das Erzeugen mehrerer Gräben in einem Substrat, wobei benachbarte Gräben durch eine jeweilige Seitenwand voneinander getrennt sind. Nach dem Erzeugen der mehrerer Gräben wird Material zum Erzeugen eines Hohlraums, der sich von einer Hauptoberfläche zu mindestens einer Seitenwand erstreckt, entfernt.
Bei dem Verfahren kann ein Ätzprozess angewendet werden, um den Hohlraum zu erzeugen, wobei der Ätzprozess einen Trockenätzschritt und/oder einen Naßätzschritt beinhaltet.
Bei dem Verfahren kann das Erzeugen der mehreren Gräben einen weiteren Ätzprozess umfassen, wobei der Ätzprozess und der weitere Ätzprozess angewendet werden, um Material von der gleichen Hauptoberfläche des Substrats zu entfernen.
Bei dem Verfahren kann jede Seitenwand eine Bedeckungsschicht aus einem Material umfassen, das von dem Material des Substrats verschieden ist.
Das Erzeugen der mehreren Gräben kann ein Ätzen von Grabenöffnungen, Ausbilden der Bedeckungsschicht auf einer Oberfläche jeder jeweiligen Grabenöffnung und Verschließen der jeweiligen Grabenöffnung umfassen.
Das Erzeugen des Hohlraums kann ein Anwenden einer ersten selektiven Ätzung mit einer höheren Ätzrate für das Material des Substrats im Vergleich zu dem Material der Bedeckungsschicht, um das Stoppen der ersten selektiven Ätzung an der Bedeckungsschicht der mindestens einen Seitenwand zu ermöglichen, und ein Anwenden einer zweiten Ätzung umfassen, wobei die zweite Ätzung die Bedeckungsschicht des mindestens einen der mehreren Gräben zumindest teilweise entfernt.
Die zweite Ätzung kann eine selektive Ätzung mit einer höheren Ätzrate für das Material der Bedeckungsschicht im Vergleich zu dem Material des Substrats sein.
Das Verfahren kann ferner ein Ausbilden einer Maske für die erste Ätzung auf der Hauptoberfläche umfassen, wobei die Maske mindestens eine Maskenöffnung enthält, so dass das Ätzmittel der ersten Ätzung während der ersten Ätzung durch die Maskenöffnung zu dem Substratmaterial hindurch dringt.
Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer druckempfindlichen Struktur ein Erzeugen von Öffnungen in einem Substrat, wobei sich die Öffnungen von einer ersten Hauptoberfläche vertikal in das Substrat erstrecken, wobei eine sich vertikal in das Substrat erstreckende Wand zwischen mindestens einem Paar von benachbarten Öffnungen ausgebildet wird. Weiteres Material auf einer lateralen Seite einer ersten Öffnung des mindestens einen Paars von Öffnungen wird entfernt, um die erste Öffnung lateral bzw. seitlich zu erweitern.
Das Entfernen von weiterem Material kann einen Ätzprozess umfassen, wobei ein Ätzmittel zu dem Material des Substrats von der ersten Hauptoberfläche des Substrats ausgehend eindringt. Das Verfahren kann ferner das Verschließen der Öffnungen nach dem Erzeugen der Öffnungen umfassen.
Das Erzeugen der Öffnungen in dem Substrat kann eine Ätzung von Öffnungen und das Erzeugen einer Schicht auf einer Innenwand der Öffnungen umfassen, wobei das Entfernen von weiterem Material eine erste und zweite selektive Ätzung umfasst, wobei die erste selektive Ätzung Material des Substrats entfernt und an der die innere Oberfläche der ersten Öffnung bedeckenden Schicht stoppt und die zweite selektive Ätzung mindestens einen Teil der die innere Oberfläche der ersten Öffnung bedeckenden Schicht entfernt.
Bei dem Verfahren kann die erste selektive Ätzung eine anisotrope Ätzung sein.
Die Wand kann eine druckempfindliche Membran bilden und die erweiterte erste Öffnung einen Druckaustausch mit einer umgebenden Atmosphäre bereitstellen.
Das Entfernen von weiterem Material kann eine Ätzung von Material des Substrats umfassen, wobei die Ätzung auf einer Bedeckung einer Seitenwand der ersten Öffnung stoppt.
Bei dem Verfahren kann eine laterale Abmessung bzw. Größe der ersten Öffnung an einer Hauptoberflächenhöhe durch das Entfernen des weiteren Materials des Substrats vergrößert werden. Eine laterale Abmessung der ersten Öffnung auf der Höhe des Bodens kann durch das Entfernen von weiterem Material des Substrats vergrößert werden. Ferner kann mindestens eine weitere Öffnung der Öffnungen einen Hohlraum für einen Referenzdruck bilden.
Die Öffnungen können vor oder während einer Front-End-of-Line-Herstellung erzeugt werden und das Entfernen von weiterem Material während oder nach einer Back-End-of-Line-Herstellung durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine Vorrichtung mindestens eine verschlossene bzw. versiegelte Öffnung, wobei sich die Öffnung von einer Hauptoberfläche vertikal in ein Substrat erstreckt. Die Vorrichtung enthält eine Druckmembran, die sich von der Hauptoberfläche vertikal in das Substrat erstreckt, und mindestens eine weitere Öffnung, die sich von der Hauptoberfläche des Substrats in das Substrat erstreckt, um eine Druckkommunikation für die Druckmembran bereitzustellen.
Die weitere Öffnung kann eine durch eine erste Seite der Membran definierte erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfassen, wobei die zweite Oberfläche nicht parallel zu der ersten Oberfläche verläuft.
Die die zweite Oberfläche kann bezüglich der Hauptoberfläche in einem Winkel zwischen 40° und 70° geneigt sein. Ferner kann die weitere Öffnung eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfassen, wobei die erste Oberfläche auf einer ersten Seite durch die Membran definiert ist und die zweite Oberfläche eine durch eine anisotrope Ätzung definierte Oberfläche ist.
Die Vorrichtung kann einen Back-End-of-Line-Stapel umfassen, wobei sich der Back-End-of-Line-Stapel auf einer Hauptoberflächenhöhe in einer lateralen Richtung zu der weiteren Öffnung erstreckt.
Die mindestens eine verschlossene Öffnung kann eine Bedeckungsschicht auf einer Oberfläche der Gräben umfassen. Ferner kann die Druckmembran bezüglich einer ersten lateralen Richtung zwischen einer ersten der mehreren verschlossenen Grabenöffnungen und der weiteren Öffnung angeordnet sein, wobei eine Breite der ersten der mehreren verschlossenen Grabenöffnungen in der ersten lateralen Richtung kleiner ist als eine Breite der weiteren Öffnung. Die Vorrichtung kann mehrere verschlossene Grabenöffnungen umfassen, wobei mindestens eine der verschlossenen Grabenöffnungen eine Referenzkammer für die druckempfindliche Vorrichtung bildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt enthält eine druckempfindliche Vorrichtung mindestens eine verschlossene Öffnung, die sich vertikal von einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats in das Halbleitersubstrat erstreckt, wobei die mindestens eine verschlossene Öffnung auf einer Seite durch eine druckempfindliche Wand begrenzt wird. Mindestens ein Druckeinlass ist vorgesehen, wobei sich der mindestens eine Druckeinlass von der druckempfindlichen Wand zu der Hauptoberfläche erstreckt, von der aus sich die verschlossene Öffnung in das Substrat erstreckt. Der mindestens eine Druckeinlass ist auf einer gegenüberliegenden Seite der druckempfindlichen Wand durch eine geneigte Oberfläche des Halbleitersubstrats begrenzt, wobei die geneigte Oberfläche nicht parallel zu der druckempfindlichen Wand verläuft.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in den beigefügten Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, bei denen:

Figuren 1A bis 1E beispielhafte schematische Querschnittsansichten gemäß einer Ausführungsform zeigen;
2 ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform zeigt;
Figuren 3A bis 3E beispielhafte schematische Querschnittsansichten gemäß einer Ausführungsform zeigen;
Figuren 4A bis 4E beispielhafte schematische Querschnittsansichten gemäß einer Ausführungsform zeigen;
Figuren 5A bis 5F beispielhafte schematische Querschnittsansichten gemäß einer Ausführungsform zeigen;
6 eine beispielhafte dreidimensionale Ansicht eines Schnitts zeigt; und
7A und 7B Diagramme von beispielhaften Ätzraten zeigen.

Die folgende ausführliche Beschreibung erläutert Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Die Beschreibung ist nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen, sondern wird lediglich zum Zweck des Veranschaulichens der allgemeinen Prinzipien von Ausführungsformen der Erfindung vorgelegt, während der Schutzbereich nur durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird.
Weiterhin sind die Zeichnungen möglicherweise nicht maßstabsgetreu gezeichnet und können vereinfacht oder neu skaliert sein. Beispielsweise können einige Elemente in der Zeichnung mit einer anderen Skalierung als andere Elemente gezeigt sein, um ein besseres Verständnis von Ausführungsformen zu vermitteln.
Weiterhin ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen oder bezüglich der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebener Elemente miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
In den verschiedenen Figuren wurden identischen oder ähnlichen Elementen, Entitäten, Modulen, Einrichtungen usw. die gleiche Bezugszahl zugewiesen.
In der folgenden Beschreibung ist eine laterale Richtung eine Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche des Substrats. Weiterhin ist eine vertikale Richtung eine Richtung senkrecht zu jeder lateralen Richtung, d.h. senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats.
Die unten beschriebenen Ausführungsformen betreffen ein neues Konzept zum Herstellen vertikaler druckempfindlicher Strukturen. Als Unterscheidung von anderen druckempfindlichen Strukturen weisen vertikale druckempfindliche Strukturen wie etwa vertikale Drucksensoren, vertikale Mikrofone usw. eine druckempfindliche Membran (Lamelle) auf, die sich in vertikaler Richtung erstreckt. Die druckempfindliche Membran kann deshalb eine durch eine Druckdifferenz zwischen der umgebenden Atmosphäre und einer Druckkammer verursachte Kraft durch eine Auslenkung der druckempfindlichen Membran in einer lateralen Richtung, d.h. durch eine Auslenkung in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche eines Substrats, erfassen.
Hierin beschriebene Ausführungsformen ermöglichen das Herstellen vertikaler druckempfindlicher Strukturen, wobei sich der Druckeinlass und die druckempfindlichen Strukturen an der gleichen Hauptoberfläche befinden und von dieser ausgehend geätzt werden. Die druckempfindlichen Strukturen können dadurch innerhalb des Substrats mit reduzierter Komplexität und geringeren Kosten ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Herstellungsprozess in einen CMOS- oder BiCMOS-Prozess integriert werden, wodurch das Herstellen von integrierten Schaltungen mit integrierten druckempfindlichen Elementen gestattet wird.
Die 1A bis 1E zeigen eine Sequenz von Querschnittsansichten, um eine Ausführungsform zum Herstellen einer druckempfindlichen Vorrichtung wie etwa eines Druckwandlers oder eines Drucksensors zu veranschaulichen.
1A zeigt ein Substrat 100 mit einer ersten Hauptoberfläche 100a und einer zweiten Hauptoberfläche 100b, wobei Grabenöffnungen 102A und 102B in dem Substrat 100 vorgesehen sind. Das Substrat 100 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat wie etwa ein Siliziumsubstrat sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 100 ein Wafer oder ein Teil eines Wafers wie etwa ein Halbleiterchip sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat eine zusammengesetzte Struktur aufweisen, die ein/eine oder mehrere abgeschiedene oder dotierte Gebiete oder Schichten enthält. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 100 ein Volumensubstrat (Bulk-Substrat) mit einer oder mehreren über dem Volumenmaterial liegenden Schichten sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 100 ein vorverarbeitetes Substrat sein, wobei ein oder mehrere Verarbeitungsschritte wie etwa Ätzen, Dotieren, Materialfüllen, Schneiden usw. auf das Substrat angewendet worden sein können. Die in 1A-1E gezeigten Zeichnungen zeigen eine Querschnittsansicht einer durch die x- und z-Richtung aufgespannten Ebene. Die z-Richtung, die eine Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche ist, wird hierin auch als die vertikale Richtung bezeichnet. Die x-Richtung, die eine Richtung parallel zu der Hauptoberfläche 100a ist, wird hierin auch als eine laterale Richtung bezeichnet. Zudem verläuft die y-Richtung, die in den Zeichnungen von 1A-1E nicht gezeigt ist, ebenfalls parallel zu der Hauptoberfläche und wird deshalb als eine laterale Richtung bezeichnet.
Die Grabenöffnungen 102A und 102B werden in dem Substrat 100 durch Entfernen von Material von der ersten Hauptoberfläche 100a des Substrats ausgebildet. Die Grabenöffnungen sind in einer lateralen Richtung (x-Richtung) voneinander getrennt und erstrecken sich in einer vertikalen Richtung (z-Richtung). Bei Ausführungsformen sind die Grabenöffnungen 102A, 102B Hohlräume, die sich in der vertikalen Richtung um mindestens einen die kleinste laterale Abmessung übersteigenden Abstand in das Substrat erstrecken. Beispielsweise kann aus 1A beobachtet werden, dass sich die Grabenöffnungen 102A, 102B in einer z-Richtung um einen Abstand in das Substrat 100 erstrecken, der die Breite w der Grabenöffnungen 102A, 102B in x-Richtung signifikant übersteigt. Bei einigen Ausführungsformen sind die Grabenöffnungen 102A, 102B Hohlräume, die sich um einen Abstand, der die kleinste laterale Abmessung des Hohlraums übersteigt, aber die größte laterale Abmessung des Hohlraums nicht übersteigt, vertikal in das Substrat erstrecken.
Die gegenüberliegenden Oberflächen der Grabenöffnungen können bei einigen Ausführungsformen parallel zueinander verlaufen. Bei einigen Ausführungsformen verlaufen die gegenüberliegenden Oberflächen parallel zu der vertikalen Richtung. Grabenöffnungen, die parallel zueinander verlaufen, können auch Ausführungsbeispiele beinhalten, bei denen die Grabenöffnungen ungefähr parallel verlaufen. Gleichermaßen können gegenüberliegende Oberflächen, die parallel zu der vertikalen Richtung verlaufen, auch Ausführungsbeispiele beinhalten, bei denen die gegenüberliegenden Oberflächen nur ungefähr parallel zu der vertikalen Richtung verlaufen. Die Grabenöffnungen 102A und 102B können durch vertikales Ätzen bzw. Ätzen in vertikaler Richtung durch eine Hartmaske oder Fotomaske in das innere Substrat ausgebildet werden, wie auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung bekannt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Grabenätzung tiefe Grabenätzungstechniken nutzen. Bei einigen Ausführungsformen können die Grabenöffnungen 102A, 102B ein Seitenverhältnis (Verhältnis zwischen z-Abmessung und x-Abmessung) aufweisen, das zwischen 1:5 und 1:100 liegt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Seitenverhältnis zwischen 1:50 und 1:80 liegen. Bei einigen Ausführungsformen liegt die laterale Breite der Grabenöffnungen 102A, 102B im Bereich zwischen 100 nm und 1000 nm. Bei einigen Ausführungsformen liegt die vertikale Breite (Tiefe) der Grabenöffnungen 102A, 102B im Bereich zwischen 3 µm (Mikrometer) und 50 µm. Die Erstreckung in einer lateralen Richtung (y-Achse) kann bei einigen Ausführungsformen die Erstreckung in einer anderen lateralen Richtung um mindestens einen Faktor von 5 übersteigen. Mit anderen Worten gesagt kann das Verhältnis der größten lateralen Erstreckung zu der kleinsten lateralen Erstreckung in einigen Ausführungsformen mindestens 5 betragen. Die Grabenöffnungen 102A, 102B können sich entlang der y-Achse über einen Abstand erstrecken, der bei einigen Ausführungsformen länger ist als die vertikale Erstreckung der Grabenöffnungen 102A, 102B. Die y-Achsenrichtung kann die Richtung der größten lateralen Erstreckung der Grabenöffnungen 102A, 102B sein, und die vertikale Erstreckung der Grabenöffnungen 102A, 102B kann deshalb kleiner sein als die größte laterale Erstreckung der Grabenöffnungen 102A, 102B. Die Abmessung der Grabenöffnungen 102A, 102B in der y-Achsenrichtung kann jedoch bei einigen Ausführungsformen kleiner sein als die vertikale Abmessung. Bei einigen Ausführungsformen können sich die Grabenöffnungen 102A, 102B entlang einer geraden Linie in der y-Richtung erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen können die Gräben 102A, 102B entlang der y-Richtung gebogen oder abgerundet oder ungleichförmig oder nicht senkrecht sein. Bei einigen Ausführungsformen kann jeder der Gräben 102A, 102B bei Betrachtung aus einer Draufsicht linienförmig, kreisförmig, rechteckig, quadratisch, ringförmig oder spiralförmig sein. Andere Ausführungsformen können jedoch andere geometrische Formen beinhalten.
Zwischen den Grabenöffnungen 102A und 102B bildet das übrige Material des Substrats eine Wand 104. Die Wand 104 liefert für die druckempfindliche Struktur eine flexible Membran, die zum Erfassen oder Umwandeln des Drucks auf der Basis einer Auslenkung der flexiblen Membran verwendet werden kann. Die Wand 104 weist bei einigen Ausführungsformen eine laterale Erstreckung zwischen 50 nm und 3000 nm auf. Bei einigen Ausführungsformen kann die laterale Erstreckung der Wand 104 zwischen 200 nm und 400 nm betragen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1B sind die Innenwände der Grabenöffnungen 102A, 102B mit dünnen Bedeckungsschichten bzw. Beschichtungsschichten 106A und 106B beschichtet, die durch Abscheiden von Material von der ersten Hauptoberflächenseite 100a in die Grabenöffnungen 102a, 102b bereitgestellt werden. Die Schichten 106a, 106b können bei einigen Ausführungsformen eine Dicke zwischen 5 nm und 50 nm aufweisen. Das Beschichtungsmaterial enthält bei einigen Ausführungsformen Nitrid wie etwa Silizumnitrid oder andere Nitridzusammensetzungen. Bei anderen Ausführungsformen enthält das Beschichtungsmaterial Oxidmaterial wie etwa Siliziumoxid. Wie später ausführlicher erläutert wird, ist das Beschichtungsmaterial bei einigen Ausführungsformen ein Material, das bei einer weiteren ersten selektiven Ätzung eine signifikant niedrigere Ätzrate als das Substratmaterial aufweist, um einen Ätzstopp für die selektive Ätzung von Substratmaterial bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Beschichtungsmaterial das gleiche Material wie eine für die erste selektive Ätzung verwendete Hartmaske beinhalten.
Weiterhin werden, wie aus 1B beobachtet werden kann, nach dem Abscheiden der Schichten 106A, 106B in den jeweiligen Grabenöffnungen 102A, 102B die Grabenöffnungen 102A, 102B durch Füllen eines oberen Teils der Grabenöffnungen 102A, 102B mit Versiegelungsmaterial bzw. Verschlussmaterial 108 verschlossen. Das Material wird von der Hauptoberflächenseite 100a beispielsweise unter Verwendung eines HDP-Prozesses (HDP - High Density Plasma - hochdichtes Plasma) wie etwa eines HDP-CVD-Prozesses (CVD - Chemical Vapor Deposition - chemische Abscheidung aus der Dampfphase) aufgetragen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Material ein durch einen HDP-Prozess aufgetragenes Siliziumoxid sein, das auch als ein HDP-Oxid bezeichnet wird.
Nach dem Abdichten der Grabenöffnungen 102A, 102B wird eine erste Hartmaske 110 auf der ersten Hauptoberfläche 100a erzeugt. Die erste Hartmaske 110 weist eine Maskenöffnung 110a auf, die das Starten einer später angewendeten ersten Ätzung definiert. Die Maskenöffnung 110a kann bei einigen Ausführungsformen eine Breite (in der x-Richtung) zwischen 0,1 µm und 2 µm aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Breite der Maskenöffnung 110a etwa 1 µm. Der laterale Abstand in der x-Richtung zwischen der Grabenöffnung 102a und der Maskenöffnung 110a der ersten Hartmaske 110 kann zwischen 0 und 2 µm betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann sich die Maskenöffnung 110a über dem Verschlussmaterial 108 erstrecken. Mit anderen Worten gesagt erstreckt sich die Öffnung 110a bei dieser Ausführungsform mindestens teilweise über der Grabenöffnung 102A.
Zusätzlich zu der ersten Maske wird eine zweite Maske 112 über der ersten Hartmaske 110 erzeugt, um eine Maske für einen später angewendeten zweiten Ätzprozess bereitzustellen.
Es versteht sich, dass bei einigen Ausführungsformen zwischen jedem der oben beschriebenen Prozessschritte andere Halbleiterprozesse angewendet werden können. Beispielsweise können nach dem Verschließen der Grabenöffnungen Halbleiterprozessschritte wie etwa MOS- oder BiCMOS-Prozessschritte in anderen Bereichen des Substrats angewendet werden, um integrierte Schaltungen zu erzeugen, die Schaltungselemente wie etwa MOS-Transistoren, Bipolartransistoren oder andere aktive oder passive integrierte Schaltungskomponenten enthalten. Die Herstellung und der Verschluss der Grabenöffnungen 102A, 102B kann deshalb bei einigen Ausführungsformen während eines oder vor einem Front-End-of-Line-Prozess (FEOL) bereitgestellt werden. Der Verschluss der Grabenöffnungen 102A und 102B gestattet das Anwenden von Prozessschritten des FEOL-Prozesses nach der Ausbildung der Grabenöffnungen, ohne dass die Grabenöffnung beeinträchtigt wird. Beispielsweise können durch Verschließen der Grabenöffnungen Verarbeitungsschritte, die bei höheren Temperaturen durchgeführt werden, nach dem Ausbilden der Grabenöffnungen angewendet werden. Dies gestattet das Integrieren der Herstellung der druckempfindlichen Struktur mit anderen integrierten Schaltungskomponenten unter Einsatz eines CMOS- oder BiCMOS-Prozesses, um beispielsweise eine druckempfindliche Vorrichtung mit einer integrierten Schaltung zum direkten Verarbeiten der Sensorsignale auf dem gleichen Chip zu erhalten. Bei einigen Ausführungsformen kann die zweite Hartmaske 112 eine Maske sein, die ein Material enthält, das während eines Back-End-of-Line-Prozesses (BEOL) aufgebracht wird. FEOL bezieht sich in der Regel auf den ersten Abschnitt der Farbrikation integrierter Schaltungen (IC - Integrated Circuit), wo die individuellen Schaltungselemente wie etwa Transistoren, Widerstände, Kondensatoren usw. strukturiert werden und das in der Regel alles abdeckt bis zu, aber nicht einschließlich der, Abscheidung von Metallzwischenverbindungsschichten. BEOL bezieht sich in der Regel auf den zweiten Abschnitt der IC-Fabrikation, wo die verschiedenen Metallschichten, zwischen denen Isolationsschichten angeordnet sind, zum Zusammenschalten der Schaltungselemente ausgebildet sind.
Bei einigen Ausführungsformen wird die zweite Hartmaske 112 durch einen strukturierten Abschnitt des BEOL-Stapels, der Metallschichten mit dazwischen angeordneten isolierenden Schichten aufweist, ausgebildet.
Die zweite Hartmaske 112 wird so ausgebildet, dass sie eine Maskenöffnung 112a aufweist, die den Bereich definiert, bei dem das Ätzmittel einer zweiten Ätzung in das Substrat eindringen kann. Bei Ausführungsformen beinhaltet der durch die Maskenöffnung 112A definierte Bereich den durch die Maskenöffnung 110a definierten Bereich bei Betrachtung aus einer Draufsicht. Bei einigen Ausführungsformen definiert der Bereich der zweiten Maske 112 den Druckeinlassbereich auf der Hauptoberflächenhöhe, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
Nachdem die erste und zweite Hartmaske 110, 112 ausgebildet worden sind, wird eine erste Ätzung angewendet, um das Substratmaterial seitlich von der Grabenöffnung 102A zu entfernen. Die Grabenöffnung 102A wird dadurch seitlich zu einem Hohlraum 102A' erweitert. Die erste Ätzung kann eine Nassätzung sein wie etwa eine Ätzung mit einem KOH-Ätzmitttel oder eine Trockenätzung wie etwa eine ionenreaktive Ätzung oder eine Kombination aus Nass- und Trockenätzung. Die Ätzung verwendet die erste Hartmaske 110 mit der Maskenöffnung 110a zum Definieren der Ätzbereiche. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Ätzung eine anisotrope Ätzung, die es gestattet, eine geneigte Oberfläche für die erweiterte Öffnung zu erhalten, d.h. eine Oberfläche nicht senkrecht zu der Substrathauptoberfläche, wie später bezüglich 1E gezeigt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann eine isotrope Ätzung angewendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die isotrope Ätzung dazu führen, dass der Hohlraum eine Rundkörpergestalt aufweist.
Bei einigen Ausführungsformen erweitert sich der Hohlraum aufgrund der ersten Ätzung um ein Ausmaß zwischen 3 und 50 µm, d.h. im Wesentlichen im gleichen Ausmaß wie die vertikale Erstreckung der Gräben 102A, 102B.
Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Ätzung selektiv bezüglich des Materials der Bedeckungsschicht 106A. Mit anderen Worten gesagt weist das Ätzmittel für die erste selektive Ätzung eine Ätzrate auf, die für das Substratmaterial (das bei einigen Ausführungsformen Silizium sein kann) signifikant höher ist als für das Material der Bedeckungsschicht 106A. Bei einigen Ausführungsformen kann eine KOH-Ätzung verwendet werden, die durch Bestimmen einer Konzentrationsrate und einer Ätzzeit gesteuert werden kann. 7A zeigt ein Beispieldiagramm, das Informationen über die Abhängigkeit der (100)-Si/SiO₂-Ätzraten für eine unterschiedliche KOH-Konzentration als inverse Funktion der absoluten Temperatur liefert. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass die Selektivität zwischen Si und SiO₂ mit einer Si-Ätzrate erreicht werden kann, die in einem Bereich von 10 bis 10.000 höher liegt als die SiO₂-Ätzrate. Weiterhin zeigt 7B eine Abhängigkeit der Si-Ätzrate als eine Funktion der KOH-Konzentration bei einer Temperatur von 72° Celsius. Der Fachmann weiß, wie er solche Diagramme verwenden muss, um für verschiedene Materialien entsprechende selektive Ätzungen zu erhalten.
Angesichts der Selektivität stoppt die erste Ätzung an einer lateralen Seite an der Bedeckungsschicht 106A, die an der inneren Oberfläche der Grabenöffnung 102A aufgebracht worden ist. In dem Substrat 100 liefert die erste Ätzung als Ergebnis einer unbegrenzten Ätzung eine Oberfläche 114 für die erweiterte Grabenöffnung 102A'. Mit anderen Worten gesagt wird die Oberfläche 114 nicht durch Stoppen an einer zuvor vorgesehenen Ätzstoppschicht definiert, sondern wird hauptsächlich durch die Ätzzeit und die spezifischen Ätzcharakteristika definiert. Bei der beschriebenen Ausführungsform weist die zweite Ätzung deshalb eine Stoppschicht nur auf der lateralen Seite, die durch die Bedeckungsschicht 106A definiert ist, auf, während die Ätzung nicht an einer bestimmten Schicht auf der gegenüberliegenden Seite stoppt.
Wie in 1D gezeigt, ist angesichts der Anisotropie des Ätzens die Oberfläche 114 eine Oberfläche, die bezüglich der Hauptoberfläche des Substrats geneigt ist. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen das Substrat ein kristallines Siliziumsubstrat ist, wird die Oberfläche 114 durch die 111-Ebene definiert, die bezüglich der Hauptoberfläche des Substrats einen Winkel von 54,74° aufweist.
Wie aus 1D ersichtlich ist, bleibt angesichts des Entfernens von Material ein Abschnitt der Bedeckungsschicht 106A der nun erweiterten Öffnung 102A' frei stehen, d.h. mindestens teilweise ohne seitlich umgebendes Material. Der freistehende Abschnitt der Beschichtungschicht 106A kann durch das Verschlussmaterial 108 an der Oberseite fixiert bleiben, wie in 1D gezeigt.
In einem nächsten Schritt werden die Bedeckungsschicht 106A und das Verschlussmaterial 108, das die Grabenöffnung 102A verschlossen hatte, durch eine zweite Ätzung entfernt. Die zweite Ätzung wird durch die Öffnung 112A der zweiten Maske 112 definiert. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Ätzung eine selektive Ätzung mit einer wesentlich höheren Ätzrate für das Material der ersten Hartmaske 110 als für das Substratmaterial.
Während in 1E die ganze Bedeckungsschicht 106A entfernt wird, kann bei anderen Ausführungsformen möglicherweise nur der freistehende Abschnitt der Bedeckungsschicht 106A durch die zweite Ätzung entfernt werden. Bei einigen Ausführungsformen werden auch das Verschlussmaterial 108, das die Grabenöffnung 102A verschlossen hatte, und die die vergrößerte Öffnung 102A' bedeckende Sektion der ersten Hartmaske 110 entfernt, wie in 1E gezeigt. Bei einigen Ausführungsformen können zusätzliche Ätzmittel in zusätzlichen Ätzschritten angewendet werden, um das Verschlussmaterial 108 und die Hartmaske 110 oder andere Elemente zu entfernen.
Wie in 1C, 1D und 1E gezeigt, kann bei einigen Ausführungsformen die Hartmaske 112 für die zweite Ätzung verbleiben und sich auf der Hauptoberfläche erstrecken, um die Grabenöffnung 102A und die Wand 104 zu bedecken, um über dem Verschlussmaterial 108 der Grabenöffnung 102A und über der Wand 104 eine Schutzschicht beizubehalten.
Anstatt die Hartmaske 112 bereitzustellen, die sich so erstreckt, dass sie die Grabenöffnung 102A und die Wand 104 bedeckt, kann die erste Hartmaske 110 bei einigen Ausführungsformen mindestens in dem Gebiet der Grabenöffnung 102A und der Wand 104 im Vergleich zu der Dicke der Hartmaske in anderen Gebieten dicker vorgesehen werden. Weiterhin kann bei einigen Ausführungsformen eine zusätzliche Schutzschicht über der mindestens einen Grabenöffnung 102A und der Wand 104 anstelle der Hartmaske 112 vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise nach dem Ausbilden der zweiten Hartmaske 112 durch Abscheiden der zusätzlichen Schicht in dem die Grabenöffnung 102A und die Wand 104 enthaltenden Gebiet erreicht werden.
Nachdem die zweite Ätzung abgeschlossen ist, verbleiben bei einigen Ausführungsformen die erste Hartmaske 110 und die zweite Hartmaske 112, das heißt, in späteren Herstellungsprozessen werden beide nicht entfernt.
Die druckempfindliche Struktur kann deshalb die erste Hartmaske 110 und die zweite Hartmaske 112 enthalten, wie in 1E gezeigt. Wie oben erläutert, wird die zweite Hartmaske 112 bei einigen Ausführungsformen durch einen BEOL-Stapel gebildet, der metallische Schichten und Isolierschichten umfasst. Zusätzlich dazu, dass der BEOL-Stapel als eine Hartmaske verwendet wird, können bei solchen Ausführungsformen zusätzliche synergetische Effekte erzielt werden, indem der BEOL-Stapel angesichts des zusätzlichen elektromagnetischen Abschirmungseffekts beibehalten wird, der durch die metallischen Schichten des BEOL-Stapels gegenüber Elektroden der druckempfindlichen Struktur geliefert wird.
Weiterhin werden angesichts dessen, dass die Oberfläche 114 des Hohlraums, der den Druckeinlass bildet, der bezüglich der Hauptoberfläche nicht rechteckig ist, die Wand 104 und die geneigte Oberfläche 114, die die lateralen Seitenwände des Einlasses sind, nicht-parallel zueinander vorgesehen, beispielsweise mit einem Neigungswinkel im Bereich zwischen 40° und 70°. Bei einer Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel etwa 55° entsprechend der Neigung der 111-Siliziumebene.
Der Druckeinlass weist deshalb seitliche Oberflächen auf, die nicht parallel verlaufen, sondern zueinander geneigt sind. Dadurch können Flüssigkeiten wie etwa Wassertröpfchen leichter aus dem den Druckeinlass bildenden Hohlraum entweichen im Vergleich zu anderen Formen des Einlasses wie etwa rechteckigen Formen. Bei solchen Ausführungsformen kann die Gestalt des Einlasses, der das Ergebnis des Ätzprozesses ist und durch den Ätzprozess definiert wird, synergistisch verwendet werden, um eine druckempfindliche Struktur bereitzustellen, die gegenüber Umwelteinflüssen wie etwa Flüssigkeiten und Feuchtigkeit robuster ist.
Bei der Ausführungsform der 1A bis 1E kann weiter anhand 1E beobachtet werden, dass die zweite Maske die Erstreckung des den Druckeinlass bildenden Hohlraums mindestens für eine laterale Seite des Hohlraums definiert.
Bei einigen Ausführungsformen werden die Elektroden der druckempfindlichen Struktur durch die Wand 104 gebildet, die als eine erste auslenkbare Elektrode wirkt, und das Substratmaterial seitlich von der Grabenöffnung 102A, das als eine Gegenelektrode wirkt. Da beide Elektroden bei solchen Ausführungsformen hauptsächlich aus Material des Substrats gebildet sind, kann das Substratmaterial als ein elektrisch leitendes Material wie etwa beispielsweise kristallines Silizium bereitgestellt werden. Es können p-dotierende und n-dotierende Gebiete vorgesehen werden, um p-n-Übergänge zu bilden, die die Wand 104 von der Gegenelektrode isolieren. Der Druck kann bei einigen Ausführungsformen durch Erfassen einer Änderung der Kapazität erfasst werden, die durch eine Auslenkung der auslenkbaren Elektrode bewirkt wird. Eine derartige Erfassung kann beispielsweise durch Anlegen eines AC-Signals an die Elektroden bereitgestellt werden. Weiterhin können andere, dem Fachmann bekannte Erfassungstechniken verwendet werden, um die Auslenkung der auslenkbaren Elektrode zu detektieren.
Ein Flussdiagramm 200 eines Herstellungsprozesses mit grundlegendem Charakter zum Herstellen einer druckempfindlichen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen wird nun bezüglich 2 erläutert.
Das Flussdiagramm 200 beginnt bei 210 mit dem Erzeugen mehrerer Grabenöffnungen in einem Substrat, so dass benachbarte Grabenöffnungen durch eine Wand voneinander getrennt sind. Wie oben umrissen, können die Grabenöffnungen bei einigen Ausführungsformen eine tiefe Grabenöffnung beinhalten. Dann werden die Grabenöffnungen bei 220 verschlossen.
Bei 230 wird Substratmaterial entfernt, um einen Hohlraum zu erzeugen, der sich von der Hauptoberfläche des Substrats zu der Wand erstreckt. Der so erzeugte Hohlraum liefert einen Einlass für die druckempfindliche Vorrichtung, so dass der Druck der Umgebung an der druckempfindlichen Wand anliegt.
Es ist anzumerken, dass die Grabenöffnungen bei dem obigen Prozess von der gleichen Hauptoberflächenseite aus geätzt werden können, zu der sich der Einlass erstreckt, um eine Kommunikation mit dem Außendruck bereitzustellen. Im Vergleich zu dem Ätzen des Einlasses von der Hauptoberfläche der Rückseite aus gestattet der oben beschriebene Prozess eine weniger komplexe und kosteneffektive Herstellung. Der Verschluss gestattet, die empfindlichen Bereiche so zu schützen, dass andere Herstellungsschritte nach dem Ausformen der Gräben angewendet werden können. Der obige Prozess kann in einem BiCMOS- oder CMOS-Prozess integriert werden, wobei die aktiven Elemente auf der gleichen Hauptoberflächenseite ausgebildet werden. Nach dem BiCMOS- oder CMOS-Prozess wird mindestens eine Grabenöffnung durch das Entfernen von Substratmaterial seitlich von der Grabenöffnung vergrößert, um den Hohlraum, der für den Druckeinlass sorgt, auszubilden. Indem die Grabenöffnungen verschlossen werden und dann Material entfernt wird, um mindestens eine Grabenöffnung zu vergrößern, um den Druckeinlass auszubilden, wird der dadurch ausgebildete Druckeinlass gegenüber dem Einfluss etwaiger Prozessschritte wie etwa von BiCMOS-Prozessschritten geschützt, die zwischen dem Verschluss der Gräben und der Vergrößerung der Grabenöffnung ausgeführt werden können. Bei einigen Ausführungsformen können FEOL-Prozessschritte und BEOL-Prozessschritte zwischen dem Verschluss und der Vergrößerung der Grabenöffnung durchgeführt werden. Wie bereits umrissen, kann der BEOL-Stapel bei solchen Ausführungsformen als eine Maske für einen der Ätzschritte verwendet werden.
Während die 1A-1E eine Ausführungsform mit einer Mehrzahl von zwei Grabenöffnungen zeigen, wird eine weitere Ausführungsform bezüglich der 3A-3E gezeigt, wobei eine Mehrzahl von mehr als zwei Grabenöffnungen ausgebildet wird, um eine Mehrzahl von druckempfindlichen Wänden und einen Referenzhohlraum herzustellen.
Unter Bezugnahme auf 3A wird eine Vielzahl von 5 Grabenöffnungen 102A bis 102E in dem Substrat 100 ausgebildet. Wie in 3B gezeigt, werden die Grabenöffnungen 102A bis 102E an der inneren Oberfläche mit jeweiligen Schichten 106A bis 106E beschichtet und mit Verschlussmaterialabschnitten 108A bis 108E verschlossen, die für jede der Grabenöffnungen 102A bis 102E vorgesehen sind, wie bereits oben beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 3C werden die erste Hartmaske 110 mit Maskenöffnungen 110A und 110B nahe den jeweiligen lateralen Seiten der äußersten Grabenöffnungen 102A und 102E und die zweite Hartmaske 112 mit der Maskenöffnung 112A ausgebildet. Wie zu sehen ist, wird die Hartmaske an der Hauptoberfläche 100a in einem die Grabenöffnungen 102B bis 102D und die Wände 104A bis 104D enthaltenden Bereich im Vergleich zu anderen Sektionen dicker ausgebildet.
3D zeigt eine Ansicht nach der ersten selektiven Ätzung. Die erste selektive Ätzung entfernt Substratmaterial auf beiden lateralen Seiten, so dass die äußersten Grabenöffnungen 102A und 102E erweitert werden, um erweiterte Öffnungen 102A' und 102E' auszubilden. Die erweiterten Öffnungen 102A' und 102E' enthalten die jeweiligen Bedeckungsschichten 106A und 106E als freistehende Strukturen, d.h. ohne laterale Stütze. Die dadurch ausgebildeten erweiterten Öffnungen 102A' und 102E' weisen die durch die erste selektive Ätzung von Substratmaterial ausgebildeten jeweiligen geneigten Oberflächen 114A und 114B auf.
6 zeigt eine beispielhafte dreidimensionale Ansicht eines Schnitts durch eine druckempfindliche Struktur. Die in 6 gezeigte Struktur entspricht der in 3D gezeigten Struktur, wenn die Oberflächen 114A, 114B so geätzt werden, dass sie parallel zu der 111-Ebene des kristallinen Siliziums verlaufen. Bei diesem Beispiel weisen die geneigten Oberflächen 114A, 114B deshalb einen Winkel von 54,74° bezüglich der Hauptoberfläche auf, wie in 6 gezeigt.
3E zeigt eine Ansicht nach dem Anwenden der zweiten selektiven Ätzung. Die zweite selektive Ätzung entfernt die restlichen Bedeckungsschichten 106A und 106E und stoppt an den jeweiligen Wänden 104A und 104D. Weiterhin kann, wie in 3E gezeigt, die zweite selektive Ätzung die Verschluss materialabschnitte 108A, 108E der äußersten Gräben und der ersten Hartmaske 110 in dem durch die vergrößerten Öffnungen 102A' und 102E' definierten Sektion entfernen.
In 3E bilden die sich vertikal erstreckenden Wände 104A und 104D jeweils die druckempfindliche Lamelle für die druckempfindliche Struktur. Weiterhin bilden die Wände 104B und 104C jeweilige Gegenelektroden für die Wände 104A und 104D. Jeder der verschlossenen Gräben 102B und 102D bildet eine Kammer mit einem vordefinierten Druck. Die Kammern sind auf einer Seite seitlich durch die Wände 104A, 104D begrenzt, die dem Umgebungsdruck ausgesetzt sind, bzw. auf der anderen lateralen Seite durch die Innenwände 104B, 104C. Somit bildet jeder der verschlossenen Gräben 102B und 102D ein druckempfindliches Element.
Der verschlossene Graben 102C bildet eine Referenzkammer, die das Bilden eines Referenzelements gestattet, das gegenüber dem Umgebungsdruck, d.h. dem zu erfassenden Druck, nicht empfindlich ist. Bei einigen Ausführungsformen können ein Referenzelement und ein druckempfindliches Element in einer Schaltung verbunden sein, beispielsweise in einer Halbbrücke vom Wheatstone-Typ oder in einer Vollbrücke vom Wheatstone-Typ. Dadurch können Effekte auf das Drucksensorsignal eliminiert werden, die beispielsweise durch eine Temperaturänderung hervorgerufen werden. Bei der oben beschriebenen Herstellung können die Referenzelemente und die beiden druckempfindlichen Elemente weiterhin sehr dicht auf einem Halbleiterchip erhalten werden, was zu einer reduzierten Chipfläche führt.
Angesichts der vergrößerten Dicke der ersten Hartmaske 110 verbleibt ein Teil der ersten Hartmaske 110 über den Wänden nach der zweiten Ätzung. Der verbleibende Teil der ersten Hartmaske 110 gestattet das Bereitstellen eines zusätzlichen Schutzes gegenüber Umgebungseffekten und schädlichen Mitteln.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die 4A bis 4E wird eine weitere Ausführungsform erläutert. Während in den Ausführungsformen von Figuren 1A bis 1E und 3A bis 3E das Entfernen von Substratmaterial einen oberen Teil mindestens einer Grabenöffnung in einer lateralen Richtung vergrößert, während am unteren Teil der Grabenöffnung im Wesentlichen keine Vergrößerung bereitgestellt wird, liefert die Ausführungsform nach 4A bis 4E ein Beispiel, bei dem auch der untere Teil vergrößert wird. Weiterhin weist bei dieser Ausführungsform der Druckeinlass im Vergleich zu den bezüglich 1A-1E, 3A-3E beschriebenen Ausführungsformen eine vergrößerte laterale Erstreckung auf.
Allgemein kann die laterale Vergrößerung des Hohlraums, die sich aus dem Entfernen von Material seitlich von den Grabenöffnungen ergibt, durch die Größe der Maskenöffnungen und die verwendeten Ätztechniken gesteuert werden.
Bei der Ausführungsform von 4A bis 4E entsprechen die 4A und 4B den Figuren 3A und 3B, und es wird auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen. Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 4C, die sich von der Ausführungsform der 3A bis 3E unterscheidet, wird die erste Hartmaske 110 mit einer vergrößerten lateralen Abmessung der Maskenöffnungen 110A und 110B ausgebildet. Außerdem definiert auch die zweite Hartmaske 112 einen vergrößerten Bereich, damit der Druckeinlass einen vergrößerten Bereich an der Hauptoberflächenhöhe aufweisen kann.
Unter Bezugnahme auf die 4D und 4E ähnlich der Ausführungsform der 3A bis 3E werden die erste selektive Ätzung und die zweite selektive Ätzung angewendet. Wie aus 4E ersichtlich ist, resultiert die Vergrößerung der Grabenöffnungen 102A und 102E in Hohlräumen 102A' und 102E' mit einem seitlich vergrößerten unteren Teil. Der untere Teil der Hohlräume 102A' und 102E' weist deshalb eine laterale Abmessung auf, die die jeweilige laterale Abmessung der ursprünglichen Grabenöffnungen 102B, 102C, 102D übersteigt.
Weiterhin übersteigt hinsichtlich der seitlich vergrößerten Maskenöffnungen 110A, 110B die jeweilige größte laterale Vergrößerung der Hohlräume 102A', 102E', die auf der Hauptoberflächenhöhe erhalten wird, die jeweilige größte laterale Vergrößerung der Hohlräume 102A' und 102E', die bei der Ausführungsform der 3A bis 3E erhalten wird.
Eine weitere Ausführungsform unter Verwendung einer Hartmaskenschicht für das Entfernen von Material seitlich von den anfänglich ausgebildeten Gräben und Entfernen mindestens eines Teils der Grabenöffnungswände zum Ausbilden des Einlasses wird nun bezüglich 5A bis 5E beschrieben. Der Prozess verwendet die Hartmaskenschicht für eine erste und zweite Ätzung, um das Substratmaterial seitlich von den anfänglich ausgebildeten Grabenöffnungen zu entfernen und um mindestens eine Seitenwand der äußersten, anfänglich ausgebildeten Grabenöffnungen zu entfernen. Zusätzlich zu dem Entfernen der mindestens einen Seitenwand können die Verschlussmaterialabschnitte mindestens der äußersten, anfänglich ausgebildeten Grabenöffnungen in der zweiten Ätzung entfernt werden. Bei Ausführungsformen kann eine nach der ersten und zweiten Ätzung angewendete dritte Ätzung zum Entfernen der Hartmaskenschicht verwendet werden.
Der Prozess beginnt mit dem Ausbilden der Grabenöffnungen 102A bis 102E in dem Substrat 100, wie in 5A gezeigt. Die Innenwände werden mit den Schichten 106A bis 106E beschichtet, gefolgt von dem Verschluss der Grabenöffnungen mit Verschlussmaterial 108, um die Verschlussmaterialabschnitte 108A bis 108E zu erhalten, wie in 5B gezeigt. Die 5A und 5B entsprechen den Figuren 3A und 3B, und deshalb wird auf die ausführliche Beschreibung bezüglich der 3A und 3B Bezug genommen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 5C wird eine Hartmaskenschicht 510 aufgebracht, um die für die erste und zweite Ätzung erforderliche Maske bereitzustellen. Die Hartmaskenschicht 510 wird so strukturiert, dass Maskenöffnungen 510A und 510B für das Definieren des Ätzbereichs während der Ätzung bereitgestellt werden.
Ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist die erste Ätzung eine selektive Ätzung, die die Substratmaterialien entfernt, während sie an den Schichten 106A und 106E und den Verschlussmaterialabschnitten 108A und 108E der äußersten Gräben stoppt, siehe 5D. Dadurch werden die Außenseiten der Schichten 106A und 106E freistehend bereitgestellt, d.h. ohne laterale Stütze, wie in 5D gezeigt. Ähnlich wie 3D erzeugt die erste Ätzung auf jeder Seite der Gruppe von Gräben 102A bis 102E einen Hohlraum mit geneigter Oberfläche 114A bzw. 114B.
Bei einer zweiten selektiven Ätzung werden die freistehenden Abschnitte der Schichten 106A, 106E zusammen mit dem entsprechenden Verschlussmaterialabschnitt 108A, 108E entfernt. 5E zeigt die freistehenden Abschnitte der Schichten 106A, 106E und den Verschlussmaterialabschnitt 108A, 108E entfernt, so dass die äußersten Gräben 102A und 102E seitlich vergrößert sind. Man beachte, dass die zweite Ätzung die gleiche Maskenschicht 510, wie sie für die erste Ätzung verwendet wird, verwendet, was dazu führt, dass die Maskenschicht 510 nach der zweiten Ätzung immer noch zurückbleibt.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 5F wird die Maskenschicht 510 durch eine dritte Ätzung entfernt, die gegenüber dem Substratmaterial und Material der Verschlussmaterialabschnitte selektiv ist. Mit anderen Worten gesagt entfernt die dritte Ätzung die Maskenschicht 510, während sie an dem Substratmaterial und den Verschlussmaterialabschnitten stoppt. Dies gestattet das Öffnen des vergrößerten Hohlraums an der Hauptoberflächenseite, um einen Kanal zu den flexiblen, durch die Wände 104A und 104D bereitgestellten Membranen zu erhalten, was die Verwendung der Struktur als druckempfindliche Vorrichtung gestattet.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform können die Schichten 106A bis 106E ein gleiches Material wie das für den Verschluss der Gräben verwendete Material aufweisen, was die gleichen Ätzraten in der ersten Ätzung für die Schichten 106A und 106E und die Verschlussmaterialabschnitte 108A und 108E gestattet. Es können jedoch andere Materialien, die ein selektives Entfernen des Materials durch den Einsatz der Hartmaske 510 gestatten, für die Gräbenverschlussabschnitte 108A bis 108E und die Schichten 106A bis 106E verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann das Material beispielsweise ein Oxidmaterial wie etwa Siliziumoxid beinhalten. Die Maskenschicht 510 kann dann beispielsweise aus Nitridmaterial bestehen, was das Entfernen des Silziumsubstratmaterials in der ersten selektiven Ätzung und des Siliziumoxidmaterials in der zweiten selektiven Ätzung durch Einsatz der Maskenschicht 510 als Hartmaske gestattet. Es ist anzumerken, dass die zweite selektive Ätzung in einem geringeren Ausmaß auch ein weiteres Substratmaterial entfernen kann, wenngleich dies in den 5E und 5F nicht ausführlich gezeigt ist.
Es ist anzumerken, dass die oben beschriebene Ausführungsform auf vielerlei Weisen modifiziert werden kann. Beispielsweise kann der Prozess so modifiziert werden, dass er eine Vergrößerung des unteren Teils während der ersten Ätzung ähnlich der in 4A bis 4E gezeigten Ausführungsform beinhaltet. Bei anderen Ausführungsformen kann die Maskenöffnung 510A, 510B zwischen der ersten und zweiten Ätzung so modifiziert werden, dass die Gestalt und/oder Größe der Maskenöffnung für die erste Ätzung von der Gestalt und/oder Größe der Maskenöffnung für die zweite Ätzung verschieden sind.
Wenngleich die gezeigten Ausführungsformen die Nutzung einer anisotropen Ätzung beschreiben, können andere Ausführungsformen weiterhin die Nutzung von isotropen Ätzschritten für die erste und/oder die zweite selektive Ätzung beinhalten.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer druckempfindlichen Struktur, das Folgendes umfasst: Erzeugen mehrerer Gräben in einem Substrat, wobei die mehreren Gräben einen ersten außen liegenden Graben und einen zweiten außen liegenden Graben aufweisen, wobei benachbarte Gräben durch eine jeweilige Seitenwand voneinander getrennt sind, wobei sich die jeweilige Seitenwand in vertikaler Richtung zu einer ersten Hauptoberfläche des Substrats erstreckt, wobei die mehreren Gräben in einem ersten Bereich angeordnet sind, der sich zwischen einer ersten äußeren Wand des ersten außen liegenden Grabens und einer zweiten äußeren Wand des zweiten außen liegenden Grabens erstreckt, wobei eine erste Seitenwand der jeweiligen Seitenwände zwischen dem ersten außen liegenden Graben und einem Graben gebildet ist, der zu dem ersten außen liegenden Graben benachbart ist; nach dem Erzeugen der mehreren Gräben, Entfernen von Material lateral außerhalb des ersten Bereichs, um einen Hohlraum zu erzeugen, der sich von der ersten Hauptoberfläche des Substrats zu der ersten Seitenwand erstreckt, wobei die druckempfindliche Struktur durch die erste Seitenwand gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Ätzprozess angewendet wird, um den Hohlraum zu erzeugen, wobei der Ätzprozess einen Trockenätzschritt und/oder einen Naßätzschritt beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Erzeugen der mehreren Gräben einen weiteren Ätzprozess umfasst, wobei der Ätzprozess und der weitere Ätzprozess angewendet werden, um Material von der ersten Hauptoberfläche des Substrats zu entfernen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede Seitenwand eine Bedeckungsschicht aus einem von dem Material des Substrats verschiedenen Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erzeugen der mehreren Gräben Folgendes umfasst: Ätzen von Grabenöffnungen; Ausbilden der Bedeckungsschicht auf einer Oberfläche jeder jeweiligen Grabenöffnung und Verschließen der jeweiligen Grabenöffnung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Erzeugen des Hohlraums Folgendes umfasst: Anwenden einer ersten selektiven Ätzung mit einer höheren Ätzrate für das Material des Substrats im Vergleich zu dem Material der Bedeckungsschicht, um das Stoppen der ersten selektiven Ätzung an der Bedeckungsschicht der mindestens einen Seitenwand zu ermöglichen; und Anwenden einer zweiten Ätzung, wobei die zweite Ätzung die Bedeckungsschicht des mindestens einen der mehreren Gräben zumindest teilweise entfernt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Ätzung eine selektive Ätzung mit einer höheren Ätzrate für das Material der Bedeckungsschicht im Vergleich zu dem Material des Substrats ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Verfahren weiterhin Folgendes umfasst: Ausbilden einer Maske für die erste Ätzung auf der Hauptoberfläche, wobei die Maske mindestens eine Maskenöffnung enthält, so dass das Ätzmittel der ersten Ätzung während der ersten Ätzung durch die Maskenöffnung zu dem Substratmaterial hindurch dringt.
Verfahren zum Herstellen einer druckempfindlichen Struktur in einem Druckwandler oder Drucksensor oder Mikrofon, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen von Öffnungen in einem Substrat, wobei sich die Öffnungen von einer ersten Hauptoberfläche vertikal in das Substrat erstrecken, wobei sich eine vertikal von der ersten Hauptoberfläche in das Substrat erstreckende Wand, die die druckempfindliche Struktur bildet, zwischen mindestens einem Paar von benachbarten Öffnungen ausbildet; Entfernen von weiterem Material lateral von dem mindestens einen Paar von benachbarten Öffnungen, um eine erste außen liegende Öffnung des mindestens einen Paars von benachbarten Öffnungen seitlich nach außen zu erweitern, wobei bei dem Entfernen Material des Substrats von der ersten Hauptoberfläche bis zu der Wand entfernt wird, um einen Hohlraum zu bilden, der sich in dem Substrat von der ersten Hauptoberfläche des Substrats zu der sich vertikal von der ersten Hauptoberfläche erstreckenden Wand erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Entfernen von weiterem Material einen Ätzprozess umfasst, wobei ein Ätzmittel zu Material des Substrats von der ersten Hauptoberfläche des Substrats ausgehend eindringt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, weiterhin umfassend das Verschließen der Öffnungen nach dem Erzeugen der Öffnungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Erzeugen der Öffnungen in dem Substrat eine Ätzung von Öffnungen und das Erzeugen einer Schicht auf einer Innenwand der Öffnungen umfasst; und wobei das Entfernen von weiterem Material eine erste und zweite selektive Ätzung umfasst, wobei die erste selektive Ätzung Material des Substrats entfernt und an einer Schicht stoppt, die eine inneren Oberfläche der ersten Öffnung bedeckt hatte, und die zweite selektive Ätzung mindestens einen Teil der Schicht entfernt, die die innere Oberfläche der ersten Öffnung bedeckt hatte.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste selektive Ätzung eine anisotrope Ätzung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Wand eine druckempfindliche Membran bildet und die erweiterte erste Öffnung einen Druckaustausch mit einer umgebenden Atmosphäre bereitstellen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Entfernen von weiterem Material eine Ätzung von Material des Substrats umfasst, wobei die Ätzung auf einer Bedeckung einer Seitenwand der ersten Öffnung stoppt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei eine laterale Abmessung der ersten Öffnung auf Höhe der ersten Hauptoberfläche durch das Entfernen des weiteren Materials des Substrats vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine laterale Abmessung der ersten Öffnung auf Höhe des Bodens der ersten Öffnung durch das Entfernen von weiterem Material des Substrats vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei die Öffnungen vor oder während einer Front-End-of-Line-Herstellung erzeugt werden und das Entfernen von weiterem Material während oder nach einer Back-End-of-Line-Herstellung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die erste und zweite selektive Ätzung nach einem Back-End-of-Line-Prozess angewendet werden, wobei mindestens ein Teil von während des Back-End-of-Line abgeschiedenen Schichten eine Hartmaske für mindestens eine Ätzung bildet.
Vorrichtung, die Folgendes umfasst: mindestens eine verschlossene Öffnung, wobei sich die mindestens eine verschlossene Öffnung von einer ersten Hauptoberfläche vertikal in ein Substrat erstreckt; eine Druckmembran, wobei sich die Druckmembran von der ersten Hauptoberfläche vertikal in das Substrat erstreckt und in lateraler Richtung auslenkbar ist; wobei mindestens eine weitere Öffnung in dem Substrat sich von der ersten Hauptoberfläche des Substrats in das Substrat erstreckt, um eine Druckkommunikation für die Druckmembran bereitzustellen, wobei die weitere Öffnung eine durch eine erste Seite der Druckmembran definierte erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfasst, wobei die zweite Oberfläche nicht parallel zu der ersten Oberfläche verläuft und wobei die zweite Oberfläche nicht senkrecht zu der ersten Hauptoberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die zweite Oberfläche bezüglich der ersten Hauptoberfläche in einem Winkel zwischen 40° und 70° geneigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, wobei die weitere Öffnung eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfasst, wobei die erste Oberfläche auf einer ersten Seite durch die Druckmembran definiert ist und die zweite Oberfläche eine durch eine anisotrope Ätzung definierte Oberfläche ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Vorrichtung einen Back-End-of-Line-Stapel umfasst, wobei sich der Back-End-of-Line-Stapel auf Höhe der ersten Hauptoberfläche in einer lateralen Richtung zu der weiteren Öffnung erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die mindestens eine verschlossene Öffnung eine Bedeckungsschicht auf einer Oberfläche der Gräben umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Druckmembran bezüglich einer ersten lateralen Richtung zwischen einer ersten verschlossenen Grabenöffnung aus einer Mehrzahl von verschlossenen Grabenöffnungen und der weiteren Öffnung angeordnet ist, wobei eine Breite der ersten der mehreren verschlossenen Grabenöffnungen in der ersten lateralen Richtung kleiner ist als eine Breite der weiteren Öffnung.
Vorrichtung nach einem der Anspruch 20 bis 25, wobei die Vorrichtung mehrere verschlossene Grabenöffnungen umfasst, wobei mindestens eine der verschlossenen Grabenöffnungen eine Referenzkammer für die druckempfindliche Vorrichtung bildet.