DE102020205170A1

DE102020205170A1 - Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur und mikromechanische Struktur

Info

Publication number: DE102020205170A1
Application number: DE102020205170.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Friedrich; Luise Fuchs; Andrea Urban; Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-10-28
Also published as: US20210331916A1; CN113548637A; US11787687B2

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur und eine mikromechanische Struktur. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Bilden einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5); Bilden einer Mehrzahl von Gräben (7) in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), welche einen oberen aufgeweiteten Bereich (7a) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) und einen unteren Bereich (7b) mit im Wesentlichen konstanter Breite aufweisen; Abscheiden einer Verschlussschicht (8) auf der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) zum Verschließen der Mehrzahl von Gräben (7), wobei ein Verschlusspunkt (P) der Mehrzahl von Gräben (7) unterhalb der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) gebildet wird und die ersten Gräben (7) zumindest teilweise aufgefüllt werden; Rückdünnen der Verschlussschicht (8) um eine vorgegebene Dicke (d); und Bilden einer zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13) oberhalb der rückgedünnten Verschlussschicht (8').

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur und eine mikromechanische Struktur.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Beschleunigungs- und Drehratensensoren erläutert.
Die DE 10 2011 080 978 A1 offenbart ein Verfahren, mit dem eine MEMS-Funktionsschicht topographiefrei strukturiert werden kann. Dieses bekannte Verfahren wird typischer weise dazu genutzt, mehrere MEMS-Funktionsschichten übereinander anzuordnen. Dabei werden in eine erste MEMS-Funktionsschicht aus Silizium erste schmale, senkrechte Gräben geätzt. Diese ersten Gräben werden anschließend durch eine erste Oxidabscheidung mit einem Oxid verfüllt. In einem weiteren Schritt werden in die erste Oxidschicht schmale zweite Gräben geätzt und mit einem isotropen Ätzschritt das Silizium der ersten MEMS-Funktionsschicht zwischen jeweils zwei ersten Gräben herausgeätzt. Mit einer zweiten Oxidabscheidung werden die schmalen zweiten Gräben in der ersten Oxidschicht verschlossen. Auf die jetzt ebene zweite Oxidschicht wird eine zweite MEMS-Funktionsschicht aus Silizium abgeschieden. Die beiden Oxidschichten zwischen den beiden MEMS-Funktionsschichten werden üblicherweise mit einem Opferschichtätzverfahren entfernt. Bei diesem Verfahren können die beiden Funktionsschichten unabhängig voneinander strukturiert werden. Weiterhin kann auch die Schichtdicke der ersten MEMS-Funktionsschicht unabhängig von der Dicke der zweiten MEMS-Funktionsschicht gewählt werden.
Allerdings wird der Gap-Abstand zwischen der ersten und der zweiten MEMS-Funktionsschicht durch zwei Oxidabscheidungen bestimmt. Beide Oxidabscheidungen müssen mindesten so dick gewählt werden, dass die ersten und zweiten Gräben verfüllt werden.
Die Dicke der ersten Oxidabscheidung ist somit gekoppelt an die Breite der ersten Gräben, die mit der ersten Oxidabscheidung verfüllt werden müssen. Die minimale Breite der ersten Gräben ist technisch bedingt durch die minimal darstellbare Grabenbreite in der ersten MEMS-Funktionsschicht. Für dünne MEMS-Funktionsschichten ist die minimale Breite durch die minimale Auflösung des Lithographie-Prozesses bedingt. Für dicke MEMS-Funktionsschichten ist die minimale Breite durch den Trench-Prozess bedingt der durch ein maximales Verhältnis von Grabenhöhe zu Grabenbreite bedingt ist.
Die Dicke der zweiten Oxidabscheidung ist nicht an die Dicke der ersten MEMS-Funktionsschicht gekoppelt, sondern über die Dicke der ersten Oxidschicht an die Öffnungsbreite der schmalen zweiten Gräben in der ersten Oxidschicht und kann daher bei dünnen ersten Oxidschichten relativ gering gewählt werden.
Für manche Anwendungen werden die ersten Gräben als Funktions-Gap genutzt, um entweder damit kapazitive Detektionsstrukturen oder kapazitive Antriebsstrukturen von Beschleunigungs- oder Drehratensensoren herzustellen. Daher ist es oft wünschenswert, die ersten Gräben nicht unbedingt in Minimalbreite auszuführen, sondern diese ersten Gräben etwas breiter und auch für einige Anwendungen auch mit variabler Breite auszuführen (Beispiel Kontur-Trench) auszuführen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur nach Anspruch 1 und eine mikromechanische Struktur nach Anspruch 12.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, Gräben in einer ersten MEMS-Funktionsschicht mit einer in vertikal dünnen Verschlussschicht zuverlässig zu verfüllen, welches insbesondere für Schichtabscheidungen geeignet ist, die eine eingeschränkte Konformität aufweisen.
Die Grundidee ist, dass man eine spezielle Grabengeometrie nutzt, die im oberen Bereich der Gräben einen sich öffnenden Kelch aufweist. Man benötigt in diesem oberen Bereich zunächst mehr Verschlussmaterial, z.B. Oxid, um einen Verschluss zu erreichen. Jedoch liegt der Verschlusspunkt, an dem das Verschlussmaterial zusammenwächst, tiefer, und man kann durch eine geeignete Geometrie erreichen, dass der Verschlusspunkt innerhalb des Kelchs unterhalb der Oberseite der MEMS-Funktionsschicht liegt. Dies wird genutzt, um das Verschlussmaterial nach der Schichtabscheidung über beispielsweise einem CMP-Prozess rückzudünnen. Da der Verschlusspunkt unterhalb der Oberseite liegt, bleiben die Gräben zuverlässig verschlossen und man kann im Idealfall die Oxiddicke nahezu auf Null reduzieren.
Es können daher breitere Gräben mit Verschlussmaterial verfüllt werden. Die Gap-Abstände zwischen zwei MEMS-Funktionsschichten können geringer gestaltet werden. Es können Verschlussmaterial-Abscheideverfahren mit geringer bzw. mit schwankender Konformität zum Verschluss verwendet werden. Die Verschlüsse der Gräben lassen sich robust gestalten, und Gräben mit unterschiedlicher Breite können zuverlässig verfüllt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgen beim Bilden der Mehrzahl von Gräben ein Bilden einer Maskenschicht an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht, welche Maskenöffnungen entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von ersten Gräben aufweist, wobei eine Breite der Maskenöffnungen der im Wesentlichen konstanten Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben im unteren Bereich entspricht, ein Durchführen eines isotropen Ätzprozesses zum Bilden des oberen aufgeweiteten Bereich an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht, wobei die Maskenöffnungen unterätzt werden, ein Durchführen eines anisotropen Ätzprozesses zum Bilden des unteren Bereichs mit im Wesentlichen konstanter Breite, und ein Entfernen der Maskenschicht. So lassen sich die Gräben mit der gewünschten Geometrie bilden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt ein Bilden einer Polierstoppschicht an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht, welche Öffnungen entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von Gräben aufweist, wobei eine Breite der Öffnungen einer Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben an der Oberseite im oberen Bereich entspricht und das Bilden der Maskenschicht auf der Polierstoppschicht, wobei die Maskenöffnungen gegenüber den Öffnungen entsprechend versetzt sind. Dies ermöglicht später einen genau definierten Abtrag der Verschlussschicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen beim Bilden der Mehrzahl von Gräben ein Bilden einer Polierstoppschicht an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht, welche Öffnungen entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von Gräben aufweist, wobei eine Breite der Öffnungen einer Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben an der Oberseite im oberen Bereich entspricht, ein Bilden einer Maskenschicht auf der Polierstoppschicht, welche Maskenöffnungen entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von Gräben aufweist, wobei eine Breite der Maskenöffnungen der im Wesentlichen konstanten Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben im unteren Bereich entspricht und die Maskenöffnungen gegenüber den Öffnungen entsprechend versetzt sind, ein Durchführen eines anisotropen Ätzprozesses zum Bilden des unteren Bereichs mit der im Wesentlichen konstanter Breite, ein Entfernen der Maskenschicht, ein Durchführen eines isotropen Ätzprozesses zum Bilden des oberen aufgeweiteten Bereichs an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht, wobei die Polierstoppschicht als Maske dient. So lassen sich die Gräben mit der gewünschten Geometrie in einem alternativen Verfahren bilden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Abscheiden der Verschlussschicht auf der Polierstoppschicht, wobei das Rückdünnen der Verschlussschicht um die vorgegebene Dicke bis zur Polierstoppschicht durchgeführt wird. Dies ermöglicht später ebenfalls einen genau definierten Abtrag der Verschlussschicht in dem alternativen Verfahren zur Grabenbildung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Polierstoppschicht nach dem Rückdünnen entfernt, die rückgedünnte Verschlussschicht bis zur Oberseite weiter rückgedünnt und vor dem Bilden auf zweiten mikromechanischen Funktionsschicht auf der weiter rückgedünnten Verschlussschicht eine Zwischenschicht auf der Oberseite und der weiter rückgedünnten Verschlussschicht abgeschieden. Mittels der Zwischenschicht lässt sich der Abstand zwischen der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht unabhängig von der Verschlussschicht einstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen als weitere Schritte ein Bilden einer ersten Isolationsschicht oberhalb eines Substrats, ein Bilden der ersten mikromechanischen Funktionsschicht auf der ersten Isolationsschicht, ein Bilden von ersten Ätzzugängen in der rückgedünnten Verschlussschicht, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht bereichsweise freilegen; ein Ätzen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht durch die Ätzzugänge, wobei die Gräben und die erste Isolationsschicht als Ätzstopp wirken, und ein Bilden einer zweiten Isolationsschicht auf der rückgedünnten Verschlussschicht nach dem Ätzen, wobei die Ätzzugänge verschlossen werden. So lässt sich die erste mikromechanische Funktionsschicht nach dem Verschließen der Gräben durch die Verschlussschicht strukturieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen als weitere Schritte ein Bilden einer ersten Isolationsschicht oberhalb eines Substrats, ein Bilden der ersten mikromechanischen Funktionsschicht auf der ersten Isolationsschicht, ein Bilden von ersten Ätzzugängen in der Zwischenschicht, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht bereichsweise freilegen, ein Ätzen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht durch die Ätzzugänge, wobei die Gräben und die erste Isolationsschicht als Ätzstopp wirken, und Bilden einer zweiten Isolationsschicht auf der Zwischenschicht nach dem Ätzen, wobei die Ätzzugänge verschlossen werden. So lässt sich die erste mikromechanische Funktionsschicht nach dem Verschließen der Gräben durch die Verschlussschicht strukturieren, wenn eine Zwischenschicht verwendet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen als weitere Schritte ein Bilden der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht oberhalb der zweiten Isolationsschicht, ein Bilden von zweiten Ätzzugängen in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht, welche die zweite Isolationsschicht bereichsweise freilegen, und ein selektives Ätzen der ersten und zweiten Isolationsschicht und rückgedünnten Verschlussschicht gegenüber der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht, die erste Isolationsschicht bis auf Restbereiche entfernt wird, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht auf dem Substrat verankern. So lässt sich die Verschlussschicht als Opferschicht verwenden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen als weitere Schritte ein Bilden der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht oberhalb der zweiten Isolationsschicht, Bilden von zweiten Ätzzugängen in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht, welche die zweite Isolationsschicht bereichsweise freilegen, ein selektives Ätzen der ersten und zweiten Isolationsschicht, der rückgedünnten Verschlussschicht und der Zwischenschicht gegenüber der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht, wobei die erste Isolationsschicht bis auf Restbereiche entfernt wird, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht auf dem Substrat verankern. So lässt sich zusätzlich die Verschlussschicht als Opferschicht verwenden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die ersten Gräben abgerundete Kanten und/oder Kreuzungen mit lokalen Verengungen auf. Dies ermöglicht eine konstante Grabenbreite auch an Kanten und Kreuzungen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Verschlussschicht und/oder die Zwischenschicht ausgewählt aus der Gruppe: Oxidschicht, Siliziumnitridschicht, Siliziumoxinitridschicht, Siliziumschicht, Aluminiumschicht, Germaniumschicht, Titanschicht, Wolframschicht, Kupferschicht oder einer Kombination der vorherigen Schichten.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:

1a)-g) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Struktur und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a) bis h) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Struktur und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3a) bis c) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Struktur und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4a) bis e) schematische Ansichten zur Erläuterung von bevorzugten Grabenformen bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und zwar 4a) eine Querschnittsansicht und 4b) bis e) Draufsichten; und
5a) bis h) schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Struktur und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)-g) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Struktur und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1a) bezeichnet Bezugszeichen 5 eine mikromechanische Funktionsschicht, z.B. eine Polysiliziumschicht, welche beispielsweise auf ein (nicht dargestelltes) Substrat aufgebracht ist.
In der mikromechanischen Funktionsschicht 5 soll zunächst eine Mehrzahl von Gräben 7 gebildet werden, welche einen oberen kelchartig aufgeweiteten Bereich 7a an der Oberseite O der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 und einen unteren Bereich 7b mit im Wesentlichen konstanter Breite aufweisen, wie nachstehend näher erläutert wird. Zur Vereinfachung der Darstellung wird nachstehend jeweils nur ein Graben 7 der Mehrzahl von Gräben 7 dargestellt.
Weiter mit Bezug auf 1a) wird zunächst eine Maskenschicht 6, z.B. eine Fotolackmaske, an der Oberseite der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gebildet, welche Maskenöffnungen 6a entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von ersten Gräben 7 aufweist. Eine Breite b der Maskenöffnungen 6a entspricht der im Wesentlichen konstanten Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben 7 im unteren Bereich 7b.
Mit Bezug auf 1b) wird zunächst ein isotroper Ätzprozess zum Bilden des oberen aufgeweiteten Bereichs 7a an der Oberseite O der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 durchgeführt, wobei die Maskenöffnungen 6a unterätzt werden.
Im Anschluss daran wird gemäß 1c) ein anisotroper Ätzprozess zum Bilden des unteren Bereichs 7b mit im Wesentlichen konstanter Breite durchgeführt. Anschließend wird die Maskenschicht 6, wieder entfernt.
Typischerweise ist die Breite b in dem kelchförmigen oberen Bereich 7a um mindestens 10 % zur Oberseite O hin verbreitert.
Der Ätzprozess für die Gräben 7 ist vorzugsweise ein zyklischer Ätzprozess, der aus mindestens zwei sich wiederholenden Schritten besteht. In einem ersten Schritt wird überwiegend isotrop Silizium geätzt, und durch einen anisotropen Ätzanteil wird eine Passivierungsschicht am Boden der Gräben 7 geöffnet.
In einem zweiten Schritt scheidet sich überwiegend isotrop eine Passivierung auf der gesamten Oberfläche der Gräben 7 ab. Um den kelchförmigen oberen Bereich 7a zu erzeugen, ist es beispielsweise zweckmäßig, den zyklischen Grabenätzprozess mit einem isotropen Siliziumätzprozess zu starten und mindestens im ersten Zyklus 50 % mehr Silizium zu ätzen als im Mittel aller Siliziumätzzyklen. Insbesondere werden der erste und evtl. einige weitere Siliziumätzzyklen derart ausgeführt, dass der obere Bereich um mindestens die besagten 10 % gegenüber der Breite b aufgeweitet ist.
Anschließend erfolgt mit Bezug auf 1d) das Abscheiden einer Verschlussschicht 8, beispielsweise einer Oxidschicht, auf der Oberseite O der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 zum Verschließen der Mehrzahl von Gräben. Dabei werden typischerweise mindestens 50 % der Breite b als Dicke der Verschlussschicht 8 abgeschieden. Das Abscheideverfahren ist ein nicht-konformes Abscheideverfahren, wodurch sich typischerweise Leerräume V im Innern der verschlossenen Gräben 7 bilden. Dabei werden die Gräben 7 so weit aufgefüllt, dass ihre Wände mit der Verschlussschicht 8 bedeckt sind und ein Verschlusspunkt P der Mehrzahl von Gräben 7 unterhalb der Oberseite O der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 liegt, was für die folgenden Prozessschritte von Bedeutung ist.
Der effektive Mindestöffnungswinkel des oberen Bereichs 7a ist typischerweise größer als der Arkus-Tangens von 1 - (Konformität des Abscheideprozesses), wobei die Konformität das Verhältnis der Abscheiderate auf der waagrechten Oberseite O zur Abscheiderate an den senkrechten Wänden der Gräben 7 ist.
Gemäß 1e) wird die Abscheidung soweit fortgeführt, dass sich die Verschlussschicht 8 über die Oberseite O hinaus erstreckt.
Weiter mit Bezug auf 1f) erfolgt ein Rückdünnen der Verschlussschicht 8 um eine vorgegebene Dicke d, wozu vorzugsweise ein CMP-Prozess (chemisch-mechanisches Polieren) verwendet wird. Vorzugsweise wird ein CMP-Prozess mit Endpunkterkennung verwendet, um eine definierte Restdicke bzw. einen definierten Dickenabtrag d zu erzielen, was zum in 1f) gezeigten Prozesszustand führt.
In einem weiteren Prozessschritt, der in 1g) dargestellt ist, wird auf der rückgedünnten Verschlussschicht 8' eine zweite mikromechanische Funktionsschicht 13, beispielsweise ebenfalls eine Polysiliziumschicht, abgeschieden.
Durch die Prozessschrittfolge gemäß 1) bis 1g) lässt sich topografiefrei ein Stapel einer der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 und der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 13 mit dazwischen liegender rückgedünnter Verschlussschicht 8' erzeugen, welcher einen sehr geringeren Gap-Abstand zwischen den zwei mikromechanischen Funktionsschichten 5, 13 ermöglicht.
In weiteren (nicht dargestellten) Prozessschritten können dann die zweite mikromechanische Funktionsschicht 13 strukturiert werden und die Verschlussschicht 8' kann teilweise oder ganz in einem Opferschicht-Ätzverfahren entfernt werden.
2a) bis h) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Struktur und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf 2a) erfolgt zunächst das Bilden einer Polierstoppschicht 20 an der Oberseite O der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5, wobei die Polierstoppschicht 20 Öffnungen 21 entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von Gräben 7 aufweist, deren Breite b' einer Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben 7 an der Oberseite im oberen aufgeweiteten Bereich 7a entspricht.
Besonders günstig ist eine Siliziumnitridschicht als Polierstoppschicht 20. Sie ist für einen Oxid-CMP-Prozess aufgrund der hohen Selektivität besonders gut geeignet und kann beispielsweise mit Phosphorsäure auch sehr selektiv gegenüber der Oxidschicht als Verschlussschicht 7 entfernt werden.
Weiter mit Bezug auf 2b) erfolgt das Bilden der Maskenschicht 6 auf der Polierstoppschicht 20, wobei die Maskenschicht 6 Maskenöffnung entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von Gräben 7 aufweist, deren Breite b der im Wesentlichen konstanten Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben 7 im unteren Bereich entspricht. Die MaskenÖffnungen 6a sind gegenüber den Öffnungen 21 entsprechend versetzt, insbesondere beidseitig um einen Abstand x, wobei die Beziehung 2x + b = b' gilt.
Im Anschluss an den in 2b) gezeigten Prozesszustand wird zunächst ein anisotroper Ätzprozess zum Bilden des unteren Bereichs 7b mit der im Wesentlichen konstanten Breite durchgeführt. Anschließend wird die Maskenschicht 6 entfernt, wie in 2c) dargestellt. Danach erfolgt mit Bezug auf 2d) das Durchführen eines isotropen Ätzprozesses zum Bilden des oberen aufgeweiteten Bereichs 7a an der Oberseite O der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5, wobei die Polierstoppschicht 20 als Maske dient.
Wie in 2e) dargestellt, erfolgt dann das Abscheiden der Verschlussschicht 8 mittels des nicht-konformen Abscheideprozesses auf der Polierstoppschicht 20. Wie bei der ersten Ausführungsform wird der Abscheideprozess so lange fortgeführt, bis sich die Verschlussschicht 8 über die Oberseite O der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 hinaus erstreckt, wobei der Verschlusspunkt P unterhalb der Oberseite O liegt, wie in 2f) dargestellt.
Weiterhin mit Bezug auf 2g) wird die Verschlussschicht 8 beispielsweise durch den CMP-Prozess und die vorgegebene Dicke d' bis zur Polierstoppschicht 20 rückgedünnt.
Anschließend erfolgt mit Bezug auf 2h) das Abscheiden der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 13, beispielsweise einer Polysiliziumschicht, sowie mögliche weitere Prozessschritte, wie im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erwähnt.
Die Verwendung der Polierstoppschicht 20 mit den Öffnungen 21 ist im Übrigen auch bei einer Variante der ersten Ausführungsform möglich.
3a) bis c) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Struktur und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die dritte Ausführungsform ist eine Variante der zweiten Ausführungsform, wobei nach dem in 2g) dargestellten Prozesszustand die Polierstoppschicht 20 nach dem Rückdünnen entfernt wird, wie in 3a) dargestellt, beispielsweise selektiv mittels Phosphorsäure.
Weiter mit Bezug auf 3b) wird die rückgedünnte Verschlussschicht 8' bis zur Oberseite O weiter rückgedünnt, sodass die weiter rückgedünnte Verschlussschicht 8' nunmehr bündig mit der Oberseite O der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 verläuft.
Anschließend wird mit Bezug auf 3c) eine Zwischenschicht 8'' auf der Oberseite O und der weiter rückgedünnten Verschlussschicht 8' abgeschieden, deren Dicke beliebig gering einstellbar ist. Die Zwischenschicht 8'' ist beispielsweise ebenfalls eine Oxidschicht.
Auf der Zwischenschicht wird gemäß 3c) schließlich die zweite mikromechanische Funktionsschicht 13 abgeschieden. Weitere Prozessschritte, wie oben erwähnt, können sich an den in 3c) gezeigten Prozesszustand anschließen.
4a) bis e) sind schematische Ansichten zur Erläuterung von bevorzugten Grabenformen bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und zwar 4a) eine Querschnittsansicht und 4b) bis e) Draufsichten.
4a) entspricht der Darstellung gemäß 1a). In 4b) ist eine obere Draufsicht auf die Maskenschicht 6 gezeigt, wobei die Gräben 7 rechtwinklige Ecken 20 aufweisen.
Gemäß 4c) ist es für das vorgeschlagene Verfahren jedoch zu bevorzugen, dass die Ecken 20 Verrundungen 21 aufweisen, sodass eine konstante Grabenbreite vorliegt.
4d) zeigt entsprechend, dass die Gräben 7 rechtwinklige Abzweigungen 22 aufweisen. Für das vorgeschlagene Verfahren ist es jedoch gemäß 4e) vorzuziehen, dass die Abzweigungen 22 lokale Verengungen 23 aufweisen, sodass die Grabenbreite ebenfalls stets konstant bleibt.
5a) bis h) sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer mikromechanischen Struktur und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf 5a) wird über einem Siliziumsubstrat 1 eine Grundisolationsschicht 2 abgeschieden. Optional kann nun diese Grundisolationsschicht 2 strukturiert werden, um beispielsweise die darüber liegende nächste Funktionsebene mit dem Substrat 1 zu verbinden. Optional können dann eine oder mehrere Funktionsschichten 3, beispielsweise aus Polysilizium, abgeschieden und strukturiert werden. Auf dieser bzw. diesen Funktionsschichten 3 wird dann im weiteren Prozessverlauf eine erste Isolationsschicht 4 abgeschieden. Diese erste Isolationsschicht 4 dient im weiteren Verlauf als Opferschicht bzw. Isolationsschicht bzw. Verankerungsschicht. Selbstverständlich kann ggf. auch die erste Isolationsschicht 4 strukturiert werden, um einen elektrischen und/oder mechanischen Kontakt zur darüber liegenden nächsten Funktionsschicht herzustellen.
Im weiteren Prozessverlauf wird auf der ersten Isolationsschicht 4 die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 abgeschieden. Dies kann beispielsweise in einem LPCVD-Verfahren oder in einem kombinierten Verfahren mit einer LPCVD-Startschicht und einer darüber liegenden Epitaxieschicht aus Polysilizium erfolgen. Die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 aus Polysilizium kann dann optional mit einem Polierverfahren (CMP = Chemical-Mechanical Polishing) planarisiert werden. Je nach Unterbau oder Dicke der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 kann dies notwendig sein, um im anschließenden Schritt eine genügend gute lithografische Auflösung zu erhalten.
Weiter mit Bezug auf 5b) wird über der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 die Maskenschicht 6 vorgesehen, welche die Öffnungen 6a aufweist, mit deren Hilfe in einem folgenden Prozessschritt das darunterliegende Polysilizium der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 getrencht werden soll, wie bereits im Zusammenhang mit der ersten bis dritten Ausführungsform erläutert.
Optional kann die bereits im Zusammenhang mit 2a) bis h) beschriebene Polierstoppschicht 20 zusätzlich vorgesehen werden.
5c) zeigt den Prozesszustand nach Durchführung des Trenchschritts, in dem die Gräben 7 in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 gebildet werden, welche sich bis zur ersten Isolationsschicht 4 erstrecken. Dies entspricht beispielsweise dem Prozesszustand gemäß 1c), Falls die Polierstoppschicht 20 zusätzlich vorgesehen wird, können auch die Prozessschritte gemäß 2a) bis d) durchgeführt werden, wobei dann in 5c) die Polierstoppschicht an die Stelle der Maskenschicht 6 tritt.
Mit Bezug auf 5d) wird die Maskenschicht 6 entfernt und erfolgen dann die Prozessschritte gemäß 1d) bis 1f). Alternativ können die Prozessschritte gemäß 2e) bis g) oder anschließend an 2g) die Prozessschritte gemäß 3a) bis c) durchgeführt werden, um die Gräben 7 zu verfüllen und die rückgedünnte Verschlussschicht 8' bzw. die Zwischenschicht 8" zu bilden.
In der Verschlussschicht 8' bzw. der Zwischenschicht 8" werden dann gemäß 5e) Ätzzugänge 9 gebildet, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 bereichsweise freilegen. Die Breite dieser ersten Ätzzugänge 9 wird derart gewählt, dass sie durch eine später erfolgende noch zu beschreibende Oxidabscheidung wieder vollständig verschlossen werden können.
Wie in 5f) dargestellt, werden dann in einem Ätzschritt Ausnehmungen 10 in die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 geätzt. Bevorzugt werden dazu isotrope Verfahren angewendet. Als besonders günstig hat sich das Gasphasen-Verfahren erwiesen, da es schwierig sein kann, flüssige Ätzmedien wieder aus den unterätzten Bereichen über die schmalen ersten Ätzzugänge 9 herauszuspülen. Ein beispielhaftes Verfahren ist ein Ätzprozess mit SF₆ in einem Plasma oder mit CIF₃ oder mit XeF₂. Bei diesem Ätzen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht dienen die mit Oxid gefüllten ersten Gräben 7 und die darunterliegende erste Isolationsschicht 4 als Ätzstopp. In anderen Teilbereichen kann die Ätzung des Polysiliziums der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 über die Ätzzeit begrenzt werden. Ebenso kann die in den schmalen Gräben 7 abgeschiedene zweite Isolationsschicht 8 aus Oxid dazu dienen, diese Schicht zu stabilisieren. Im Falle derartiger großer Bereiche ist es zusätzlich günstig, die Ätzzugänge 9 in der zweiten Verschlussschicht 8' bzw. der Zwischenschicht 8" derart auszubilden, dass Stress in dieser Schicht durch die geometrische Anordnung der Ätzzugänge abgebaut werden kann. Es kann z.B. eine mäandrige Anordnung der Ätzzugänge 9 verwendet werden oder lange zueinander versetzte Ätzzugänge 9.
Weiter mit Bezug auf 5f) erfolgt die Abscheidung einer weiteren Isolationsschicht 11 aus Oxid, um die Ätzzugänge 9 in der Verschlussschicht 8' bzw. der Zwischenschicht 8" zu verschließen. Die Verschlussschicht 8' bzw. die Zwischenschicht 8" und die weitere Isolationsschicht 11 bilden gemeinsam eine weitere Opfer- und Isolationsschicht. Durch das beschriebene Herstellungsverfahren entsteht insbesondere keine wesentliche Topographie an Stellen, an denen die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 geätzt wurde.
Wie in 5g) dargestellt, werden anschließend ein oder mehrere Kontaktbereiche K der ersten mikromechanischen Funktionsschicht 5 freigelegt, indem die zweite Verschlussschicht 8' bzw. die Zwischenschicht 8'' und die Isolationsschicht 11 an den betreffenden Orten durch einen Ätzprozess entfernt werden. Derartige Kontaktbereiche K definieren Anschlüsse zu einer anschließend abgeschiedenen weiteren mikromechanischen Funktionsschicht 13 aus Polysilizium.
In an sich bekannter Weise wird dann die zweite mikromechanische Funktionsschicht 13 strukturiert, um zweite Ätzzugänge 14 in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht 13 zu bilden, welche die Isolationsschicht 11 bereichsweise freilegen, wie dies in 5g) dargestellt ist.
Schließlich mit Bezug auf 5h) erfolgt ein weiterer Ätzprozess, um die Verschlussschicht 8' bzw. der Zwischenschicht 8'' und die Isolationsschicht 11 vollständig und die erste Isolationsschicht 4 bis auf Restbereiche R zu entfernen, an denen die erste mikromechanische Funktionsschicht 5 auf dem Substrat 1 verankert ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Auch sind die Anwendungsgebiete breitgefächert und nicht auf Beschleunigungs- und Drehratensensoren beschränkt, sondern für beliebige mikromechanische Sensoren möglich, insbesondere z.B. kapazitive Drucksensoren.
Im Vorherigen wurde stets von einer Oxidabscheidung zum Verfüllen der Gräben ausgegangen, die beschrieben Erfindung ist aber nicht beschränkt auf eine Oxidabscheidung, sie kann auf jede Abscheidung, mit der ein Graben verschlossen werden kann, übertragen werden. Sie gilt insbesondere auch für Abscheidungen von SiN (Siliziumnitrid), SiRiN (??? Bitte erläutern !!!), SiON (Siliziumoxinitrid), Si (Silizium), Al (Aluminium), Ge (Germanium), Ti (Titan), W (Wolfram), Cu (Kupfer) usw.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011080978 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur mit den Schritten: Bilden einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5); Bilden einer Mehrzahl von Gräben (7) in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), welche einen oberen aufgeweiteten Bereich (7a) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) und einen unteren Bereich (7b) mit im Wesentlichen konstanter Breite aufweisen; Abscheiden einer Verschlussschicht (8) auf der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) zum Verschließen der Mehrzahl von Gräben (7), wobei ein Verschlusspunkt (P) der Mehrzahl von Gräben (7) unterhalb der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) gebildet wird und die ersten Gräben (7) zumindest teilweise aufgefüllt werden; Rückdünnen der Verschlussschicht (8) um eine vorgegebene Dicke (d; d'); und Bilden einer zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13) oberhalb der rückgedünnten Verschlussschicht (8').
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der Mehrzahl von Gräben (7) folgende Schritte aufweist: Bilden einer Maskenschicht (6) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), welche Maskenöffnungen (6a) entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von ersten Gräben (7) aufweist, wobei eine Breite (b) der Maskenöffnungen (6a) der im Wesentlichen konstanten Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben (7) im unteren Bereich (7b) entspricht; Durchführen eines isotropen Ätzprozesses zum Bilden des oberen aufgeweiteten Bereich (7a) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), wobei die Maskenöffnungen (6a) unterätzt werden; Durchführen eines anisotropen Ätzprozesses zum Bilden des unteren Bereichs (7b) mit im Wesentlichen konstanter Breite; und Entfernen der Maskenschicht (6).
Verfahren nach Anspruch 2, umfassend die Schritte: Bilden einer Polierstoppschicht (20) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), welche Öffnungen (21) entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von Gräben (7) aufweist, wobei eine Breite (b') der Öffnungen (21) einer Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben (7) an der Oberseite (O) im oberen Bereich (7a) entspricht; und Bilden der Maskenschicht (6) auf der Polierstoppschicht (20), wobei die Maskenöffnungen (6a) gegenüber den Öffnungen (21) entsprechend versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der Mehrzahl von Gräben (7) folgende Schritte aufweist: Bilden einer Polierstoppschicht (20) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), welche Öffnungen (21) entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von Gräben (7) aufweist, wobei eine Breite (b') der Öffnungen (21) einer Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben (7) an der Oberseite (O) im oberen Bereich (7a) entspricht; Bilden einer Maskenschicht (6) auf der Polierstoppschicht (20), welche Maskenöffnungen (6a) entsprechend der zu bildenden Mehrzahl von Gräben (7) aufweist, wobei eine Breite (b) der Maskenöffnungen (6a) der im Wesentlichen konstanten Breite der zu bildenden Mehrzahl von Gräben (7) im unteren Bereich (7b) entspricht und die Maskenöffnungen (6a) gegenüber den Öffnungen (21) entsprechend versetzt sind; Durchführen eines anisotropen Ätzprozesses zum Bilden des unteren Bereichs (7b) mit der im Wesentlichen konstanter Breite; Entfernen der Maskenschicht (6); Durchführen eines isotropen Ätzprozesses zum Bilden des oberen aufgeweiteten Bereichs (7a) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), wobei die Polierstoppschicht (20) als Maske dient.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Abscheiden der Verschlussschicht (8) auf der Polierstoppschicht (20) erfolgt und das Rückdünnen der Verschlussschicht (8) um die vorgegebene Dicke (d') bis zur Polierstoppschicht (20) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Polierstoppschicht (20) nach dem Rückdünnen entfernt wird, die rückgedünnte Verschlussschicht (8') bis zur Oberseite (O) weiter rückgedünnt wird und vor dem Bilden auf zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13) auf der weiter rückgedünnten Verschlussschicht (8') eine Zwischenschicht (8") auf der Oberseite (O) und der weiter rückgedünnten Verschlussschicht (8') abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, aufweisend die weiteren Schritte: Bilden einer ersten Isolationsschicht (4) oberhalb eines Substrats (1); Bilden der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) auf der ersten Isolationsschicht (4); Bilden von ersten Ätzzugängen (9) in der rückgedünnten Verschlussschicht (8'), welche die erste mikromechanische Funktionsschicht (5) bereichsweise freilegen; Ätzen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) durch die Ätzzugänge (9), wobei die Gräben (7) und die erste Isolationsschicht (4) als Ätzstopp wirken; und Bilden einer zweiten Isolationsschicht (11) auf der rückgedünnten Verschlussschicht (8') nach dem Ätzen, wobei die Ätzzugänge (9) verschlossen werden.
Verfahren nach Ansprüch 6, aufweisend die weiteren Schritte: Bilden einer ersten Isolationsschicht (4) oberhalb eines Substrats (1); Bilden der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) auf der ersten Isolationsschicht (4); Bilden von ersten Ätzzugängen (9) in der Zwischenschicht (8"), welche die erste mikromechanische Funktionsschicht (5) bereichsweise freilegen; Ätzen der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) durch die Ätzzugänge (9), wobei die Gräben (7) und die erste Isolationsschicht (4) als Ätzstopp wirken; und Bilden einer zweiten Isolationsschicht (11) auf der Zwischenschicht (8") nach dem Ätzen, wobei die Ätzzugänge (9) verschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei folgende weitere Schritte ausgeführt werden: Bilden der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13) oberhalb der zweiten Isolationsschicht (11); Bilden von zweiten Ätzzugängen (14) in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13), welche die zweite Isolationsschicht (11) bereichsweise freilegen; und selektives Ätzen der ersten und zweiten Isolationsschicht (4, 11) und rückgedünnten Verschlussschicht (8') gegenüber der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5, 13), die erste Isolationsschicht (4) bis auf Restbereiche (R) entfernt wird, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht (5) auf dem Substrat (1) verankern.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei folgende weitere Schritte ausgeführt werden: Bilden der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13) oberhalb der zweiten Isolationsschicht (11); Bilden von zweiten Ätzzugängen (14) in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13), welche die zweite Isolationsschicht (11) bereichsweise freilegen; und selektives Ätzen der ersten und zweiten Isolationsschicht (4, 11), der rückgedünnten Verschlussschicht (8') und der Zwischenschicht (8") gegenüber der ersten und zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (5, 13), wobei die erste Isolationsschicht (4) bis auf Restbereiche (R) entfernt wird, welche die erste mikromechanische Funktionsschicht (5) auf dem Substrat (1) verankern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Gräben (7) abgerundete Kanten (21) und/oder Kreuzungen mit lokalen Verengungen (23) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschlussschicht (8) und/oder die Zwischenschicht (8") ausgewählt ist aus der Gruppe: Oxidschicht, Siliziumnitridschicht, Siliziumoxinitridschicht, Siliziumschicht, Aluminiumschicht, Germaniumschicht, Titanschicht, Wolframschicht, Kupferschicht oder einer Kombination der vorherigen Schichten.
Mikromechanische Struktur mit: einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5); einer Mehrzahl von Gräben (7) in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), welche einen oberen aufgeweiteten Bereich (7a) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) und einen unteren Bereich (7b) mit im Wesentlichen konstanter Breite aufweisen; einer Verschlussschicht (8') auf der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) zum Verschließen der Mehrzahl von Gräben (7), wobei ein Verschlusspunkt (P) der Mehrzahl von Gräben (7) unterhalb der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) gebildet ist und die ersten Gräben (7) zumindest teilweise aufgefüllt sind; und einer zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13) oberhalb der Verschlussschicht (8').
Mikromechanische Struktur mit: einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5); einer Mehrzahl von Gräben (7) in der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5), welche einen oberen aufgeweiteten Bereich (7a) an der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) und einen unteren Bereich (7b) mit im Wesentlichen konstanter Breite aufweisen; einer Verschlussschicht (8') auf der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) zum Verschließen der Mehrzahl von Gräben (7), wobei ein Verschlusspunkt (P) der Mehrzahl von Gräben (7) unterhalb der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) gebildet ist und die ersten Gräben (7) zumindest teilweise aufgefüllt sind; wobei die Verschlussschicht (8') bündig mit der Oberseite (O) der ersten mikromechanischen Funktionsschicht (5) verläuft; einer Zwischenschicht (8") auf der Oberseite (O) und der Verschlussschicht (8'); und einer zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (13) oberhalb der Zwischenschicht (8'').
Mikromechanische Struktur nach Anspruch 13, wobei an der Oberseite (O) eine Polierstoppschicht (20) vorgesehen ist, welche seitlich an die Verschlussschicht (8') angrenzt und bündig dazu verläuft.