DE102020201567A1

DE102020201567A1 - Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement und entsprechendes mikromechanisches Bauelement

Info

Publication number: DE102020201567A1
Application number: DE102020201567.8A
Authority: DE
Inventors: Penny Weir; Stefan Majoni; Rafel Ferre I Tomas; Markus Kuhnke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-08
Filing date: 2020-02-08
Publication date: 2021-08-12
Also published as: WO2021156113A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement und ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement. Das verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Substrats (1); Aufbringen einer Siliziumschicht (10) auf dem Substrat (1); Bilden einer strukturierten Hartmaske (15') auf der Siliziumschicht (10), welche Bereiche (15a) der Siliziumschicht (10) freilegt; selektives Aufwachsen von Elektrodeneinrichtungsbereichen (20a, 20b) aus einer Metallschicht (20) auf den freiliegenden Bereichen (15a) der Siliziumschicht (10); Entfernen der Hartmaske (15'), so dass die Seitenbereiche (S) der Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b) freiliegen; und Aufbringen einer Kappenschicht (30) auf die Oberseite (O) und die Seitenbereiche (S), so dass die Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b) an der Oberseite (O) und den Seitenbereichen (S) von der Kappenschicht (30) und an der Unterseite (U) von der Siliziumschicht (10) umschlossen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement und ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement.
Stand der Technik
MEMS-Bauelemente verwenden typischerweise Leiterbahnen und Elektroden (hier allgemein als Elektrodeneinrichtungen bezeichnet) aus Silizium, z.B. aus polykristallinem Silizium. Der Vorteil von Silizium ist die Kompatibilität mit allen anderen Prozessen und Reinheitsklassen im Fertigungsprozess. Sein Nachteil liegt in dem hohen elektrischen Widerstand, welcher die Performance der Produkte einschränkt.
Bei ASICs verwendet man daher Metalle, wie Aluminium und Kupfer, für die Leiterbahnen und Elektroden. Bei MEMS-Prozessen ist dies nicht möglich, weil bei MEMS-Bauelementen die Leiterbahnen typischerweise am Anfang des Prozesses im sogenannten Front-End ausgebildet werden. Im Front-End werden hohe Temperaturen (500 bis 1200°C) für den Aufbau der nachfolgenden Ebenen benötigt. Bei derartigen Temperaturen schmelzen Aluminium und Kupfer bereits, und Aluminium und Kupfer diffundieren in das Silizium.
Bei MEMS-Prozessen könnten Metallsilizide Verwendung finden, da diese keramischen Materialien einen höheren Schmelzpunkt haben und weniger Metallatome in das Silizium diffundieren und zudem einen niedrigeren Widerstand haben als Silizium. Eine weitere Anforderung bei Front-End-Anlagen liegt darin, dass sie nicht mit Metall verunreinigt werden. Auch dieses Risiko wird durch Silizid minimiert, aber nicht vollständig vermieden.
Die gängige Methode zur Abscheidung eines Silizids ist der CVD-Prozess, vorzugsweise Wolframsilizid. Anschließend muss das Wolframsilizid strukturiert. Titan-, Kobalt-, Molybdaen- und Nickelsilizid sind weniger gut geeignet, da ihr elektrischer Widerstand durch die MEMS-üblichen Folgeprozesse über 800° wieder stark ansteigt.
Die WO 2005/124854 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer SchichtAnordnung, bei dem eine strukturierte elektrisch leitfähige Schicht und eine Opferschicht gebildet werden, eine elektrisch isolierende Schicht darauf gebildet und derart strukturiert wird, dass Oberflächenbereiche der Opferschicht freigelegt werden, die freigelegten Bereiche entfernt werden und so freigelegte Oberflächenbereiche der strukturierten elektrisch leitfähigen Schicht mit einer Struktur aus elektrisch leitfähigem Metall bedeckt werden.
Wen-Kuan Yeh et al., Thin Solid Films 270 (1995), Seiten 462-466 beschreiben eine selektive Wolfram-CVD-Abscheidung auf ein Kontaktloch im Submikrometerbereich.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 und ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 11.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein self-aligned Verfahren zur Herstellung einer Elektrode aus Metall oder einem Metallsilizid, vorzugsweise Wolfram bzw. Wolframsilizid, mittels einer selektiven Metallabscheidung zu schaffen, das eleganter, günstiger und robuster ist. Außerdem wird eine Verunreinigung der Anlagen in Folgeprozessen durch eine Kappenschicht vermieden.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und das entsprechende mikromechanische Bauelelement weisen den Vorteil auf, dass Gewinn an Leitfähigkeit erzielbar ist. Der Gewinn an Leitfähigkeit durch die Einführung von Wolframsilizid lässt sich durch Errechnung des Schichtwiderstandes erklären. Der Schichtwiderstand kann bei einer 1 Mikrometer Schichtdicke um einen Faktor mehr als 3 erniedrigt werden, von ca. 4,5 Ohm/sq (mit hoch dotiertem Silizium) auf 1,3 Ohm/sq (Silizium bzw. Wolframsilizid).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das selektive Aufwachsen in einem CVD-Prozess. Dadurch lassen sich exakt definierbare Elektrodeneinrichtungsbereiche schaffen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Metallschicht eine Wolframschicht. Wolfram zeichnet sich durch seine hohe elektrische Leitfähigkeit aus.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Elektrodeneinrichtungsbereiche aus der Metallschicht vor dem Aufbringen der Kappenschicht in einem Hochtemperaturschritt, vorzugsweise zwischen 800 °C und 1000°C, in entsprechende Elektrodeneinrichtungsbereiche aus einer Metallsilizidschicht umgewandelt. Dies verbessert die elektrische Leitfähigkeit und Stabilität.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kappenschicht eine weitere Siliziumschicht. So lassen sich die Elektrodeneinrichtungsbereiche homogen mit Silizium ummanteln.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Kappenschicht planarisiert. Dies verbessert die Topographie für nachfolgende Prozessschritte.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden weitere Prozessschritte durchgeführt, bei denen die umschlossenen Elektrodeneinrichtungsbereiche umschlossen bleiben. So lassen sich die Elektrodeneinrichtungsbereiche bei nachfolgenden Hochtemparaturschritten wirksam schützen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die weiteren Prozessschritte ein Bilden von Gräben zwischen benachbarten Elektrodeneinrichtungsbereiche, welche das Substrat freilegen. So läßt sich das Substrat freilegen, ohne dass die Elektrodeneinrichtungsbereiche freigelegt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Unterätzungsbereiche unterhalb der umschlossenen Elektrodeneinrichtungsbereiche gebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Isolationsschicht zwischen dem Substrat und der Siliziumschicht gebildet. Diese Isolationsschicht isoliert die Elektrodeneinrichtungsbereiche von einem elektrisch leitfähigen Substrat.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1a)-I) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2a),b) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)-I) zeigen schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1a) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat, beispielsweise ein Silizium-Wafersubstrat, auf dem eine elektrische Isolationsschicht 5, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht, aufgebracht wird.
Gemäß 1b) wird dadanach eine Siliziumschicht 10 auf der Isolationsschicht 5 ganzflächig aufgebracht.
Weiter mit Bezug auf 1c) wird eine Hartmaskenschicht 15, beispielsweise ebenfalls aus Siliziumoxid, auf der Siliziumschicht 10 ganzflächig aufgebracht.
Wie in 1d) dargestellt, wird die Hartmaskenschicht 15 zu einer strukturierten Hartmaske 15' strukturiert, welche Bereiche 15a der Siliziumschicht 10 freilegt, wobei die Hartmaske 15' als Negativ für eine folgende Metallabscheidung dient, wie nachstehend beschrieben.
Im Anschluss an das Bilden der Hartmaske 15' erfolgt vorzugsweise eine Reinigung der freiliegenden Siliziumschicht 10, beispielsweise unter Verwendung von Flusssäure.
Wie in 1e) dargestellt, erfolgt anschließend ein selektives Aufwachsen von Elektrodeneinrichtungsbereichen 20a, 20b aus einer Metallschicht 20 auf den freiliegenden Bereichen 15a der Siliziumschicht 10. Vorzugsweise wird hierzu eine selektive Wolframabscheidung mittels eines CVD-Prozesses angewendet.
Wie in 1f) dargestellt, wird anschließend die Hartmaske 15' aus Siliziumoxid entfernt, beispielsweise nasschemisch unter Verwendung von Flusssäure oder trockenchemisch durch einen entsprechenden Plasmaprozess.
In einem darauffolgenden Prozessschritt, welcher in 1g) illustriert ist, erfolgt ein Umwandeln der Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a, 20b aus der Metallschicht 20 in einem Hochtemperaturschritt in entsprechende Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' aus einer entsprechenden Metallsilizidschicht 20', im vorliegenden Fall Wolframsilizid. Die darunterliegende Siliziumschicht 10 dient dabei als Quelle für die Bildung der Silizidphase, die in festem Zustand und auf der Oberfläche der Siliziumschicht 10 bis ca. 1000°C stabil bleibt.
Die Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' liegen an ihrer Oberseite O und ihren Seitenbereichen S frei.
Nach einer Reinigung der Oberfläche, um die Kompatibilität mit Front-End-Prozessen zu ermöglichen, wird eine Kappenschicht 30 aus Silizium auf die Oberseite O und die Seitenbereiche S der Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' derart aufgebracht, dass die Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' an der Oberseite O und den Seitenbereichen S von der Kappenschicht 30 und an der Unterseite U von der Siliziumschicht 10 umschlossen sind. Mit anderen Worten sind die Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' nun vollständig und allseitig von Silizium umgeben, wie in 1h) dargestellt.
Weiter mit Bezug auf 1i) erfolgt eine Planarisieren der Kappenschicht 30 aus Silizium in einem Polierschritt, beispielsweise einem CMP-Polierschritt, um die Topografie und Rauigkeit für folgende Prozessschritte zu vermindern bzw. zu beseitigen.
Im Anschluss an den in 1i) dargestellten Prozessschritt können Front-End-Prozesse ohne Metallverunreinigungen durchgeführt werden, da die Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' vollständig von Silizium umgeben und somit verkapselt sind.
Gemäß 1j) werden Gräben 35 zwischen benachbarten Elektrodeneinrichtungsbereichen 20a', 20b' gebildet, welche die Isolationsschicht 5 freilegen, wobei die Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' vollständig von Silizium umschlossen bleiben.
Weiter mit Bezug auf 1k) erfolgt ein Unterätzungsschritt durch die Gräben 35, wobei Unterätzungsbereiche 40 unterhalb der vom Silizium umschlossenen Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' gebildet werden und das Substrat 1 bereichsweise freigelegt wird.
Schließlich mit Bezug auf 11) erfolgt das Abscheiden einer Deckschicht 50, beispielsweise ebenfalls aus Silizium, welche die Gräben 35 und die darunterliegenden Unterätzungsbereiche 40 schließt.
Durch die spezielle Prozessführung gemäß 1j)-1l) bleiben die Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' aus Wolframsilizid stets verschlossen, sodass keine Metallverunreinigungen auftreten können.
Zur ersten Ausführungsform sei abschließend angemerkt, dass der Schritt der Umwandlung der Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a, 20b aus Wolfram in die Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' aus Wolframsilizid optional ist und es prinzipiell möglich ist, diesen Schritt nicht durchzuführen, da Wolfram einen sehr hohen Schmelzpunkt besitzt.
2a),b) zeigen schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 2a) beginnt die zweite Ausführungsform im Anschluss an das in 1e) dargestellte Prozessstadium.
Bei der zweiten Ausführungsform wird die Hartmaske 15' auf der Siliziumschicht 10 belassen, während der thermische Schritt zur Silizidierung der Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a, 20b in die Elektrodeneinrichtungsbereiche 20a', 20b' durchgeführt wird.
Erst im Anschluss an die Silizidierung erfolgt das Entfernen der Hartmaske 15', wie in 2b), dargestellt. Somit entspricht der Prozesszustand gemäß 2b) dem in 1d) gezeigten Prozesszustand, und die weiteren Prozessschritte können derart ablaufen, wie bereits mit Bezug auf 1 h)-1l) erläutert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Insbesondere sind die angegebenen Materialien und Strukturen nur beispielhaft und nicht einschränkend angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2005/124854 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wen-Kuan Yeh et al., Thin Solid Films 270 (1995), Seiten 462-466 [0007]

Claims

Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (1); Aufbringen einer Siliziumschicht (10) auf dem Substrat (1); Bilden einer strukturierten Hartmaske (15') auf der Siliziumschicht (10), welche Bereiche (15a) der Siliziumschicht (10) freilegt; selektives Aufwachsen von Elektrodeneinrichtungsbereichen (20a, 20b) aus einer Metallschicht (20) auf den freiliegenden Bereichen (15a) der Siliziumschicht (10); Entfernen der Hartmaske (15'), so dass die Seitenbereiche (S) der Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b) freiliegen; und Aufbringen einer Kappenschicht (30) auf die Oberseite (O) und die Seitenbereiche (S), so dass die Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b) an der Oberseite (O) und den Seitenbereichen (S) von der Kappenschicht (30) und an der Unterseite (U) von der Siliziumschicht (10) umschlossen sind.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Aufwachsen in einem CVD-Prozess erfolgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallschicht (20) eine Wolframschicht ist.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b) aus der Metallschicht (20) vor dem Aufbringen der Kappenschicht (30) in einem Hochtemperaturschritt, vorzugsweise zwischen 800 °C und 1000°C, in entsprechende Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a', 20b') aus einer Metallsilizidschicht (20') umgewandelt werden.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kappenschicht (30) eine weitere Siliziumschicht ist.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kappenschicht (30) planarisiert wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weitere Prozessschritte durchgeführt werden, bei denen die umschlossenen Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b; 20a', 20b') umschlossen bleiben.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei die weiteren Prozessschritte ein Bilden von Gräben (35) zwischen benachbarten Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b; 20a', 20b') umfassen, welche das Substrat (1) freilegen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei Unterätzungsbereiche (40) unterhalb der umschlossenen Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b; 20a', 20b') gebildet werden.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Isolationsschicht (5) zwischen dem Substrat (1) und der Siliziumschicht (10) gebildet wird.
Mikromechanisches Bauelement mit: einem Substrat (1); einer Siliziumschicht (10) auf dem Substrat (1) aufgebrachten Siliziumschicht (1); Elektrodeneinrichtungsbereichen (20a, 20b; 20a', 20b') aus einer Metallschicht (20) oder einer Metallsilizidschicht (20') auf Bereichen der Siliziumschicht (10); und einer Kappenschicht (30) auf der Oberseite (O) und den Seitenbereiche (S) der Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b), so dass die Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b) an der Oberseite (O) und den Seitenbereichen (S) von der Kappenschicht (30) und an der Unterseite (U) von der Siliziumschicht (10) umschlossen sind.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 11, wobei die Metallschicht (20) eine Wolframschicht ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 11, wobei die Kappenschicht (30) eine weitere Siliziumschicht ist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei Gräben (35) zwischen benachbarten Elektrodeneinrichtungsbereichen (20a, 20b; 20a', 20b') gebildet sind, welche das Substrat (1) freilegen.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 14, wobei Unterätzungsbereiche (40) unterhalb der umschlossenen Elektrodeneinrichtungsbereiche (20a, 20b; 20a', 20b') gebildet sind.