DE19509868A1

DE19509868A1 - Mikromechanisches Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE19509868A1
Application number: DE19509868A
Authority: DE
Inventors: Christofer Dr Hierold; Helmut Dr Klose; Thomas Scheiter; Markus Biebl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-03-17
Publication date: 1996-09-19
Also published as: JPH08264810A; US5834332A; EP0732594B1; DE59600851D1; US5760455A; EP0732594A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Halbleiterbauelement, z. B. als Beschleunigungssensor, und zugehörige Herstellungsverfahren.

Mikromechanische Bauelemente, die als Sensoren oder Aktuato ren eingesetzt werden sollen, benötigen mikromechanische Kom ponenten, die beweglich auf einer Oberseite des Halbleiter substrates angebracht sind. Um ihre Funktion erfüllen zu kön nen, müssen diese beweglichen Komponenten gegen äußere Ein flüsse ausreichend geschützt werden, weshalb derartige Bau elemente z. B. in ein Gehäuse eingesetzt werden. Es ist nicht möglich, die Bauelemente wie elektronische integrierte Schal tungen in Kunststoff z. B. nach einem Spritzgußverfahren ein zubetten. Beschleunigungssensoren wurden bisher in teure Me tall- oder Keramikgehäuse verpackt. Die Kosten des Systems werden in diesem Fall im wesentlichen von den Kosten des Ge häuses und der Montage bestimmt.

In der deutschen Patentanmeldung P 44 01 304 ist ein Verfah ren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors beschrieben, bei dem der Beschleunigungssensor als bewegliches Teil eine balkenartig ausgebildete und auf dem Substrat befestigte Schicht (Cantilever) besitzt. Dieser Cantilever ist zwischen darüber und darunter befindlichen Elektroden frei schwingfä hig angeordnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromechani sches Bauelement, insbesondere als Sensor/Aktuator anzugeben, das auf einfache Weise mit elektronischen Komponenten, insbe sondere im Rahmen eines CMOS-Prozesses, integriert werden kann und einfach montiert werden kann. Außerdem sollen zuge hörige Herstellungsverfahren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 und mit dem Herstellungsverfahren mit den Merk malen des Anspruches 13 gelöst. Weitere Ausgestaltungen erge ben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein bewegliches mi kromechanisches Element (z. B. ein Masseteil, Cantilever o. dgl.) in einem Hohlraum mit druckstabiler Abdeckung auf der Oberseite des Substrates anzuordnen. Das Bauelement mit der Abdeckung des mikromechanischen Elementes ist in den oberen Strukturschichten des Chips ausgebildet und kann im Rahmen des Herstellungsprozesses hergestellt werden, der auch für die Herstellung weiterer Bauelemente, z. B. von elektroni schen Ansteuerkomponenten oder mikromechanischen Senso ren/Aktuatoren, vorgesehen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement befindet sich dieses bewegliche Element über der Oberseite eines Substrates oder einer Schichtstruktur aus Halbleitermaterial. Auf der dem Substrat oder der Schicht struktur abgewandten Seite des vorzugsweise schichtartig aus gebildeten beweglichen Elementes ist eine Abdeckungsschicht vorhanden, die auf pfeilerartigen Stützen oder Stegen auf der Substratoberfläche abgestützt ist. Zwischen dieser Ab deckungsschicht und dem Substrat befindet sich ein Hohlraum, der so bemessen ist, daß das bewegliche Element sich in dem für seine Funktion vorgesehenen Ausmaß bewegen kann. Die für das Abstützen dieser Abdeckungsschicht vorgesehenen pfeiler- oder säulenartigen Stützen können auch im Bereich des beweg lichen Elementes vorhanden sein. In dem beweglichen Element sind dann entsprechende Löcher oder Aussparungen vorhanden (z. B. ausgeätzt), die so groß sind, daß die Stützen nicht nur hindurchpassen) sondern auch die erforderliche Beweglich keit des beweglichen Elementes nicht beeinträchtigt ist. Es kann sich daher in dem Hohlraum ein ganzes Raster aus einzel nen Stützen für die Abdeckungsschicht befinden.

Eine einfache Herstellbarkeit dieser Anordnung ergibt sich daraus, daß für die Stützen Kontaktlochauffüllungen verwendet werden können. In einer Schicht, die z. B. aus einem Di elektrikum besteht, werden Kontaktlöcher für elektrischen An schluß einzelner Komponenten der Bauelemente hergestellt. Diese Kontaktlöcher werden wie üblich mit dem für die Metal lisierung vorgesehenen Metall aufgefüllt. In entsprechender Weise können an den für die Stützen oder Pfeiler vorgesehenen Stellen ebenfalls Löcher nach Art dieser Kontaktlöcher in dieser Dielektrikumschicht hergestellt werden, was sogar in demselben Prozeßschritt erfolgen kann. Es kann dasselbe Ma terial, das für die Kontaktlochfüllungen vorgesehen ist, auch für die Stützen der Abdeckungsschicht verwendet werden. Nach dem Entfernen der Dielektrikumschicht in dem für das be wegliche Element vorgesehenen Bereich ergibt sich die Beweg lichkeit dieses Teiles in dem auf diese Weise hergestellten Hohlraum zwischen dem Substrat und der Abdeckungsschicht. Die erfindungsgemäße Struktur des Bauelementes kann daher auf einfache Weise in einen Prozeß integriert werden, der für die Herstellung elektronischer Bauelemente vorgesehen ist. Zur Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Ausführungs beispiele, die anhand der Fig. 1 bis 11 im einzelnen be schrieben werden.

Fig. 1 bis 3 zeigen Zwischenprodukte des erfindungsgemäßen Bauelementes nach verschiedenen Schritten des Her stellungsverfahrens im Querschnitt.

Fig. 4 zeigt den in Fig. 3 eingezeichneten Schnitt.

Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement im Quer schnitt.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Bau elementes zur Erläuterung eines alternativen Schrit tes des Herstellungsverfahrens.

Fig. 7 bis 10 zeigen verschiedene Strukturen von bewegli chen Komponenten, die für einen erfindungsgemäß strukturierten Beschleunigungssensor besonders geeig net sind.

Fig. 11 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Bauelementes im Querschnitt.

Die Einzelheiten des erfindungsgemäßen Bauelementes für be vorzugte Ausführungsformen werden im folgenden der Einfach heit halber anhand des zugehörigen Herstellungsverfahrens be schrieben. In Fig. 1 ist ein Substrat 1, das z. B. Silizium sein kann, eingezeichnet. In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen ist unter Substrat allgemein eine Halblei terscheibe oder eine Halbleiterschichtstruktur zu verstehen. Auf diesem Substrat 1 wird eine Hilfsschicht 2 hergestellt. Die Hilfsschicht 2 kann eine eigens aufgebrachte Schicht sein oder durch einen an der Oberseite des Substrates 1 befindli chen Schichtanteil gebildet werden. Falls das Substrat Sili zium ist, wird die Hilfsschicht 2 zweckmäßig durch lokale Oxidation eines oberen Schichtanteiles des Siliziums herge stellt (LOCOS). Von dieser Oxidation werden Bereiche ausge nommen, die z. B. unter Verwendung einer Maske abgeschirmt werden. Im Bereich des herzustellenden beweglichen Elementes wird die Strukturschicht 7, die für die Herstellung dieses beweglichen Elementes vorgesehen ist, abgeschieden. Diese Strukturschicht 7 kann z. B. kristallines Silizium oder Po lysilizium sein und z. B. gleichzeitig mit einer Silizium schicht abgeschieden werden, die für Elektroden elektroni scher Bauelemente, die zusammen mit dem mikromechanischen Bauelement integriert werden, vorgesehen ist.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind in dem Substrat 1 dotierte Bereiche ausgebildet, wie sie z. B. im Fall eines Beschleunigungssensors erwünscht sein können. Das Substrat 1 und die eingezeichneten Isolierungsbereiche 6 sind für elektrische Leitfähigkeit eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert. Die eingezeichneten dotierten Bereiche 3 und 4 und der an den unteren dotierten Bereich 3 anschließende Kontakt bereich 5 sind für elektrische Leitung des gegenüber dem Substrat entgegengesetzten Vorzeichens dotiert. Der obere Be reich 4 ist als Gegenelektrode zu dem elektrisch leitend her zustellenden beweglichen Sensorelement vorgesehen. Der Kon taktbereich 5 und der untere Bereich 3 sind vorzugsweise hö her dotiert als der Elektrodenbereich 4. Der untere Bereich 3 ist z. B. als vergrabene Schicht (n⁺ buried layer), der Elek trodenbereich 4 als n-Wanne (trough) und der Kontaktbereich 5 als n⁺-Anschlußimplantation ausgebildet. Die Isolierungsbe reiche 6 isolieren die darauf aufzubringenden Strukturen von diesem Elektrodenbereich 4. Bei alternativen Ausführungsfor men, d. h. bei erfindungsgemäßen Bauelementen, die anders strukturiert oder für andere Funktionen vorgesehen sind, kön nen die dotierten Bereiche im Substrat weggelassen oder an ders strukturiert sein. Nachdem die Strukturschicht 7 aufge bracht ist, wird sie strukturiert, wobei das für den Sensor vorgesehene und mit einer Vielzahl von Ätzlöchern versehene bewegliche Element 8, die für die Befestigung dieses Elemen tes vorgesehenen federartigen Verstrebungen 9 und der für die Befestigung auf dem Substrat und für den elektrischen An schluß vorgesehene Anteil hergestellt werden. Über den Iso lierungsbereichen 6, die in Aussparungen der Hilfsschicht 2 vorhanden sind, wird die Strukturschicht 7 entfernt.

Auf die Oberseite wird dann ganz flächig eine planarisierende weitere Hilfsschicht, z. B. aus einem Dielektrikum, aufge bracht. Das Material dieser weiteren Hilfsschicht wird so ge wählt, daß es sich selektiv gegenüber dem Material der Struk turschicht 7 z. B. durch Ätzen entfernen läßt. In dieser wei teren Hilfsschicht werden die Öffnungen für Kontakte und für die vorgesehenen pfeilerartigen Stützen oder Stege herge stellt. Diese Öffnungen werden dann mit dem dafür vorgesehe nen Material aufgefüllt. Vorteilhaft ist es, wenn für Kon taktlochfüllungen und für die Stege oder Stützen dasselbe Me tall verwendet wird. Auf diese Weise wird die für den elek trischen Anschluß des Elektrodenbereiches 4 vorgesehene Kon taktlochfüllung 10 (s. Fig. 2), die für den elektrischen An schluß des elektrisch leitenden (ggf. elektrisch leitend do tierten, z. B. bei Silizium) beweglichen Elementes vorgese hene Kontaktlochfüllung 13 und die für die Abstützung der Ab deckungsschicht vorgesehenen Stege 11 bzw. pfeilerartigen Stützen 12 hergestellt.

Dann kann die für den elektrischen Anschluß vorgesehene erste Metallisierungsebene aufgebracht werden, die in diesem Aus führungsbeispiel aus einem auf der Kontaktlochfüllung 10 auf gebrachten Anteil 14, aus einem auf der Kontaktlochfüllung 13 aufgebrachten weiteren Anteil 16 und aus der Abdeckungs schicht 15 besteht. Die Abdeckungsschicht kann alternativ aus Halbleitermaterial, z. B. Silizium, hergestellt werden oder aus einem von dieser ersten Metallisierungsebene ver schiedenen Metall. Vorteilhaft ist es aber zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses, wenn für die Abdeckungsschicht das Metall der ersten Metallisierungsebene, die für den elektri schen Anschluß der integrierten elektronischen Komponenten oder für Leiterbahnen vorgesehen ist, verwendet wird. In der Abdeckungsschicht 15 werden wie in Fig. 2 angedeutet viele kleine Ätzlöcher 17 ausgeätzt. Die Strukturschicht 7 weist im Bereich des herzustellenden beweglichen Elementes 8 ebenfalls bei der Strukturierung hergestellte Löcher auf, die als Ätzöffnungen vorgesehen sind. Unter Verwendung dieser Ätzöffnungen in der Strukturschicht 7 und der Abdeckungs schicht 15 kann dann das Material der Hilfsschicht und der weiteren Hilfsschicht im Bereich zwischen dem Substrat 1 und der Abdeckungsschicht 15 selektiv gegenüber dem Material der Strukturschicht 7 soweit entfernt werden, daß der für das be wegliche Teil vorgesehene Anteil der Strukturschicht 7 frei gelegt ist. Vorteilhaft ist es, wenn die Stege 11, die für die Abstützung der Abdeckungsschicht 15 vorgesehen sind, rings um den herzustellenden Hohlraum herum vorhanden sind, so daß bei dem Freiätzen des beweglichen Elementes 8 das Ma terial der weiteren Hilfsschicht, das sich im Bereich außer halb des herzustellenden Hohlraumes befindet, durch diesen umlaufenden Steg 11 geschützt ist.

Beim Ätzen des Hohlraumes unter der Abdeckungsschicht können die übrigen Bereiche durch eine Maske 18 geschützt werden, wie in Fig. 3 eingezeichnet ist. Man erhält so den an den seitlichen Wänden durch die Stege 11 begrenzten Hohlraum 19 zwischen dem Substrat und der Abdeckungsschicht. Die übrig bleibenden Anteile der Hilfsschicht 2 und der weiteren Hilfs schicht 20 sind jetzt nur noch seitlich zu diesem Hohlraum 19 vorhanden. Zur Verdeutlichung sind in den Zeichnungen die aus der Zeichenebene nach hinten versetzten Begrenzungen der Strukturschicht 7 gestrichelt eingezeichnet. Der in Fig. 3 eingezeichnete Schnitt in der Schicht ebene der Struktur schicht, in der jetzt das bewegliche Element hergestellt ist, ist in Fig. 4 gezeichnet.

In Fig. 4 ist die Strukturschicht 7 mit dem beweglichen Ele ment 8 und den hier mäandrierend strukturierten Verstrebungen 9 eingezeichnet. In dem beweglichen Element 8 sind die Ätzlö cher durch kleine Kreise angedeutet. Die pfeilerartigen Stüt zen 12 zur Abstützung der Abdeckungsschicht sind in Ausspa rungen des beweglichen Elementes 8 und zwischen diesem Ele ment 8 und den Verstrebungen 9 angeordnet. Stege 11 sind rings um das bewegliche Element und die Verstrebungen herum vorhanden und nur für die Verbindung dieser Verstrebungen 9 mit dem auf dem Substrat befestigten Anteil der Struktur schicht 7 durchbrochen. Die Kontaktlochfüllung 10 in der Ebene der Strukturschicht 7 ist ebenfalls eingezeichnet. Als verdeckte Konturen gestrichelt eingezeichnet sind die Kon taktlochfüllung 13, die Anteile 14, 16 der ersten Metallisie rungsebene und der Rand der Abdeckungsschicht 15. Im Bereich zwischen den Stegen 11 und den Anteilen der Strukturschicht 7 ist wegen des vorhandenen Hohlraumes in dem in Fig. 4 ge zeichneten Schnitt die Abdeckungsschicht 15 sichtbar. Es wurde der Übersichtlichkeit halber darauf verzichtet, die in der Abdeckungsschicht 15 vorhandenen Ätzlöcher in diesem Be reich ebenfalls einzuzeichnen.

Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Beschleunigungssensor kann die Abdeckungsschicht aus Metall oder einem elektrisch leitfähig dotierten Halbleitermaterial als obere Gegenelek trode zu dem ebenfalls elektrisch leitenden beweglichen Ele ment fungieren. Die Abdeckungsschicht 15 ist dann z. B. aus Metall oder zumindest stellenweise elektrisch leitend dotiert und mit einem elektrischen Anschluß, der in den Figuren nicht eingezeichnet ist, versehen. Ein fertiges Bauelement ist im Querschnitt in Fig. 5 gezeigt, bei dem die Abdeckungsschicht 15 nach oben von einer Verschlußschicht 21 bedeckt ist. Diese Verschlußschicht 21 schließt auch die in der Abdeckungs schicht 15 vorhandenen Ätzlöcher. In der Verschlußschicht, die z. B. wieder ein Dielektrikum sein kann, können erneut Kontaktlöcher hergestellt und mit Metallisierungen gefüllt werden. Eine weitere Metallisierungsebene 22 kann auf der Oberseite aufgebracht werden. Weitere ergänzende Schicht strukturen können dann noch auf der Oberseite hergestellt werden.

Das Ausätzen des Hohlraumes 19 kann auch erfolgen, nachdem weitere Metallisierungsebenen auf dem Bauelement aufgebracht sind. In Fig. 6 ist eine solche Struktur dargestellt, bei der eine Dielektrikumschicht 23, eine weitere Metallisie rungsebene 22 und eine weitere Dielektrikumschicht 24 auf der Oberseite des Bauelementes hergestellt sind, um z. B. die vorgesehenen elektrischen Verbindungen der verschiedenen in dem Chip integrierten Bauelemente herzustellen. Diese Schichtstruktur auf der Oberseite der Abdeckungsschicht 15 kann dann im Bereich des freizuätzenden beweglichen Elementes entfernt werden, so daß in der eingezeichneten Öffnung 27 die Oberfläche der Abdeckungsschicht 15 freigelegt ist. Das Ätzen der Öffnung 27 geschieht zweckmäßig unter Verwendung einer Maske 25, die in dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel über late rale Anteile 26 verfügt, die bei einem Ätzschritt zum Her stellen des Hohlraumes 19 die Dielektrikumschichten 23, 24 auf der Oberseite des Bauelementes gegen den Ätzangriff schützen. Die Verwendung von Maskentechnik und die Justage der verschiedenen zu verwendenden Masken kann bei dem erfin dungsgemäßen Bauelement in der an sich bekannten Weise erfol gen.

Wie aus der Beschreibung des Herstellungsverfahrens dieses Ausführungsbeispiels hervorgeht, können die Verfahrensschrit te im Rahmen eines CMOS-Prozesses erfolgen. Falls z. B. eine für Gateelektroden von MOSFETs vorgesehene Oxidschicht auch im Bereich des mikromechanischen Bauelementes hergestellt wird, kann diese Oxidschicht zusammen mit der Hilfsschicht beim Ausätzen des Hohlraumes problemlos entfernt werden. Für die Strukturschicht 7 kann z. B. eine etwa 400 nm dicke Poly siliziumschicht abgeschieden werden, wie sie auch für die Gateelektroden von Transistoren verwendet wird. Die Hilfs schicht 2 wird z. B. wie beschrieben durch Oxidieren von Si lizium (Feldoxid) in einer typischen Dicke von z. B. 650 nm hergestellt.

Neben dem für das mikromechanische Bauelement vorgesehenen Bereich können gleichzeitig elektronische Bauelemente, wie z. B. Transistoren, Kapazitäten, Widerstände und dergleichen hergestellt werden. Die Metallisierung, aus der in dem Bei spiel auch die Abdeckungsschicht 15 hergestellt wird, hat z. B. eine typische Dicke von 0,5 µm bis 1,5 µm. Als Metall für die Kontaktlochfüllung kann z. B. AlSiCu oder Wo verwendet werden. Diese Metalle und Legierungen können auch für die Metallisierungsebene (Leiterbahn) verwendet werden, wobei es vorteilhaft ist, wenn für die Stützen und Stege Wo und für die Metallisierungsebene AlSiCu verwendet wird. Es verein facht die Herstellung und ist daher zweckmäßig, wenn für die Kontaktlochfüllung und die Metallisierungsebene dasselbe Me tall verwendet wird. Es kann zusätzlich eine Barriere zwi schen dem Metall der Kontaktlochfüllungen, das vorteilhaft z. B. auch die Stützen und Stege zum Abstützen der Ab deckungsschicht bildet, und dem Halbleitermaterial des Substrates (Kontaktbereich 5 und Isolierungsbereich 6 aus Si lizium in dem Beispiel) vorgesehen werden. Eine solche Bar riere besteht z. B. aus einer dünnen Schicht aus Ti oder TiN oder einer Schicht folge aus Ti und TiN in einer Dicke von ty pisch 5 nm bis 200 nm. Damit wird ein Ausdiffundieren des Me talles in das Silizium verhindert.

Vorteilhaft ist das Aufbringen einer dünnen Barriereschicht vorteilhaft z. B. aus den genannten Metallen auf der Ober seite der Abdeckungsschicht. Die Ätzlöcher 17 werden dann auch in dieser Barriereschicht hergestellt. Die Barriere schicht schützt das Material der Abdeckungsschicht (z. B. Me tall) bei dem nachfolgenden Ausätzen des Hohlraumes 19.

Für die in Fig. 3 eingezeichnete Maske 18 kann z. B. Foto lack, ein Nitrid (z. B. Siliziumnitrid) oder eine Schicht folge aus einem Nitrid und Fotolack verwendet werden. Grund sätzlich kommen für diese Maske beliebige Materialien in Frage, die gegen das zu verwendende Ätzmittel für das Ausät zen der weiteren Hilfsschicht resistent sind. Die angegebenen Materialien für die Maske 18 sind verwendbar, wenn als weitere Hilfsschicht eine Oxidschicht (z. B. Siliziumoxid) verwendet wird.

Das Ätzmittel, das die Hilfsschicht und die weitere Hilfs schicht selektiv gegenüber dem Material des Substrates und dem Material der Abdeckungsschicht entfernt, kann im Fall der Verwendung von Siliziumoxid für die Hilfsschichten, von Sili zium für das bewegliche Element und von Metall für die Ab deckungsschicht z. B. Fluorwasserstoff (HF) sein. Fluorwas serstoff kann entweder naßchemisch als Flußsäure oder gepuf ferte Flußsäure eingesetzt werden oder als Fluorwasserstoff gas oder -dampf. Bei einer Verwendung von AlSiCu für die Me tallisierung kann bei naßchemischem Ätzen die Flußsäure mit Zusätzen versehen werden, die die Selektivität der Ätzung ge gen Aluminium erhöhen. Bei Verwendung einer gepufferten Flußsäurelösung (BOE, Buffered Oxide Etch) kann ebenfalls mit Zusätzen die Selektivität gegen Aluminium erhöht werden. Vorteilhaft ist die Verwendung von Fluorwasserstoffgas, wenn eine möglichst gute Selektivität gleichzeitig gegenüber dem Silizium der Strukturschicht und dem Metall der Abdeckungs schicht erreicht werden soll. Eine Abdeckungsschicht aus Me tall kann wie erwähnt durch Aufbringen einer dünnen Barriere schicht aus Metall, das gegen das Ätzmittel resistenter ist, zusätzlich gegen den Ätzangriff geschützt werden.

Für die Verschlußschicht 21, mit der die Ätzöffnungen 17 in der Abdeckungsschicht 15 verschlossen werden und die bei Ausführungen, in denen sie aus einem Dielektrikum besteht, auch als Isolierungsschicht zwischen verschiedenen Metalli sierungsebenen verwendet werden kann, kommt vorteilhaft Sili ziumoxid oder Siliziumnitrid in Frage. Diese Verschlußschicht kann z. B. aus einem Plasma abgeschieden werden.

Das erfindungsgemäße Bauelement kann grundsätzlich für belie bige Funktionen vorgesehen sein. Eine druckstabile Ab deckungsschicht für das bewegliche Teil ist verwendbar für Sensoren und Aktuatoren praktisch beliebiger Ausgestaltung. Wenn auf die Verschlußschicht entweder verzichtet wird oder in der Abdeckungsschicht und in ggf. darauf vorhandenen wei teren Schichten Löcher oder Öffnungen vorhanden sind, die eine gitterartige oder siebartige Struktur bilden, kann diese Abdeckung z. B. auch für Drucksensoren verwendet werden. Die Erfindung ist daher realisierbar für beliebige Bauelemente, bei denen ein spezielles Funktionselement gegen mechanische äußere Einflüsse geschützt werden muß. Das Bauelement kann dann in einem Standardgehäuse montiert werden, ohne daß weitere Maßnahmen erforderlich sind. Weitere Anwen dungsmöglichkeiten ergeben sich für Winkelgeschwindigkeits messer oder mikromechanische Schwinger, wie z. B. Resonatoren oder Filter, die lateral oder vertikal bezüglich des Substrates schwingen.

Besondere Vorteile bietet eine elektrisch leitende Ab deckungsschicht im Fall eines Beschleunigungssensors, da diese Abdeckungsschicht dann als Gegenelektrode eingesetzt werden kann. Eine Gegenelektrode auf der Seite des Substrates wird dann z. B. durch einen dotierten Bereich, wie er in dem Ausführungsbeispiel als Elektrodenbereich 4 beschrieben wurde, gebildet. Jede dieser beiden Gegenelektroden über und unter dem beweglichen Element bildet dann zusammen mit diesem Element jeweils einen Kondensator, dessen Kapazität sich än dert, wenn das bewegliche Teil in einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche ausgelenkt wird. Die Änderungen dieser Kapazitäten können bestimmt werden, indem Spannungen zwischen dem beweglichen Element und jeweils einer Gegenelektrode angelegt werden und die bei einer auftretenden Änderung der Kapazität fließenden Ströme in einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Kapazität verwendet werden. Es ist außerdem möglich, durch eine entsprechende Änderung der anliegenden Spannungen elektrostatisch eine Auslenkung des beweglichen Teiles zu verhindern und gleichzeitig aus der Höhe der dafür erforderlichen Spannungsänderung die einwirkende Trägheits kraft zu bestimmen. Für einen derartigen Beschleunigungssen sor ist daher das erfindungsgemäße Bauelement besonders ge eignet, da die druckstabile Abdeckungsschicht gleichzeitig als obere Gegenelektrode eingesetzt werden kann.

Der Abstand zwischen der Oberseite des Substrates und der Ab deckungsschicht, also die Höhe des Hohlraumes 19, sollte nicht zu groß bemessen sein, um eine ausreichende mechanische Stabilität der durch die Abdeckungsschicht und die Stege 11 bzw. Stützen 12 gebildeten Anordnung zu gewährleisten. Ein erfindungsgemäß realisierter Beschleunigungssensor sollte daher so beschaffen sein, daß in dem vorgesehenen Meßbereich die Auslenkungen des beweglichen Teiles in vertikaler Rich tung möglichst klein gehalten werden. Für eine kapazitive Auswertung von Auslenkungen des beweglichen Teiles als Folge einer einwirkenden Trägheitskraft ist es wünschenswert, wenn sich das schichtartig ausgebildete bewegliche Teil möglichst wenig verformt und nach Möglichkeit eben bleibt. Dafür ist es zweckmäßig, wenn die Verstrebungen 9 so gestaltet sind, daß eine möglichst weiche Aufhängung des Elementes 8 gegeben ist. Die federnde Wirkung der Verstrebungen 9 sollte daher mög lichst groß sein (kleine "Federkonstante"). Bei einer wenig straffen, also weichen Aufhängung des beweglichen Elementes 8 kann das Element, auch wenn es aus einer sehr dünnen Schicht besteht, als Ganzes weitgehend verformungsfrei auf- und ab schwingen. Eine weiche Aufhängung des Elementes 8 ergibt au ßerdem eine relativ hohe Empfindlichkeit des Sensors. Eine derartige Aufhängung wird am besten erreicht, indem die Ver strebungen 9 mäandrierend strukturiert werden.

In den Fig. 7 bis 10 sind Beispiele für die Strukturierung der Strukturschicht 7 in Aufsicht dargestellt. Das bewegliche Element 28 ist jeweils an Verstrebungen 29 befestigt, die ihrerseits an Aufhängeflächen 30 befestigt sind. Diese Auf hängeflächen 30 sind fest mit dem Substrat verbunden. Die Aufhängeflächen 30 befinden sich in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 unmittelbar auf der Hilfsschicht 2. Die Aufhän geflächen können aber auch auf anderen Teilen des Substrates oder einer darauf aufgebrachten Schichtstruktur befestigt sein. Bei dem Beispiel der Fig. 7 sind acht Aufhängeflächen 30 vorhanden, die jeweils über eine Verstrebung 29 mit einer Ecke des beweglichen Elementes 28 verbunden sind. An jeder Ecke des Elementes 28 enden zwei dieser Verstrebungen, die geradlinig jeweils in einer von zwei zueinander senkrechten Richtungen ausgerichtet sind. Diese Aufhängung des bewegli chen Elementes ist relativ steif und führt dazu, daß sich das Element 28 bei einer Auslenkung senkrecht zur Zeichenebene relativ stark durchbiegt.

Demgegenüber stellt die Struktur, die in Fig. 8 dargestellt ist, eine Verbesserung dar. Die Verstrebungen 29 sind hier als Mäander mit jeweils zwei parallel zum Rand des Elementes 28 geführten Abschnitten strukturiert. Bei entsprechender Wahl des Abstandes zwischen den Aufhängeflächen 30 und dem beweglichen Element 28 kann auf diese Weise eine Aufhängung des Elementes erreicht werden, die ein Durchbiegen des Ele mentes weitgehend verhindert. Die Verstrebungen münden auch hier an den Ecken des Elementes 28. Bei dem Ausführungsbei spiel der Fig. 9 ist gezeigt, wie sich die Ausführungsform nach Fig. 8 mit nur vier Aufhängeflächen 30 realisieren läßt. Es ist dann allerdings der Abstand zwischen dem beweg lichen Element und den Aufhängeflächen bereits durch den Ab stand der Teile der Verstrebungen voneinander festgelegt. Die Freiheitsgrade bei der Anpassung der Abmessungen sind daher gegenüber der Struktur nach Fig. 8 etwas eingeschränkt.

Eine weitergehende Ausgestaltung ergibt sich entsprechend der Fig. 10, bei der durch einen größeren Abstand zwischen den Aufhängeflächen und dem beweglichen Element ermöglicht ist, die parallel zu den Rändern des beweglichen Elementes geführ ten Anteile der Verstrebungen 29 wesentlich länger auszubil den, was zu einer weicheren Aufhängung des Elementes führt.

Die mäandriertem Verstrebungen der Beispiele der Fig. 8 bis 10 haben den Vorteil, daß ein in der Strukturschicht auftre tender homogener Streß entspannt wird und die Empfindlich keit des Sensors gegen Beschleunigungen in der Zeichenebene minimiert wird. Außerdem wird der Platzbedarf der Verstrebun gen verringert. Die Befestigung der Verstrebungen 29 an den Ecken des beweglichen Elementes 28 hat unter anderem den Vor teil, daß der den Hohlraum 19 umgebende Steg 11 nur an den Ecken unterbrochen zu werden braucht und daher eine wirkungs volle Schutzwand für den Ätzprozeß darstellen kann. Das be wegliche Element kann außerdem an die Anordnung der Stege oder Stützen in geeigneter Weise angepaßt werden. Das Element kann in Aufsicht eine beliebige geometrische Form aufweisen und wurde nur der Einfachheit halber in den Figuren jeweils als quadratisch oder rechteckig dargestellt.

Es ist außerdem möglich, die für die Abstützung der Ab deckungsschicht vorgesehenen Stege auch im Innern des Hohl raumes vorzusehen, oder an den Wänden des Hohlraumes nur pfeilerartige Stützen anzubringen. Es kann z. B. genügen, wenn bei einem länglich ausgestalteten beweglichen Teil die Stege 11 nur an Schmalseiten des Hohlraumes 19 vorhanden sind. Bei der Ausführungsform der Fig. 4 können z. B. die drei Stützen 12, die auf der rechten Seite hintereinander auf einer Geraden liegend eingezeichnet sind, durch einen durch gehenden Steg 11 ersetzt sein. Eine Abdeckungsschicht 15 aus Metall kann z. B. so strukturiert sein, daß zusätzlich zu dem in den Figuren eingezeichneten Anteil ein als Anschlußkontakt vorgesehener Anteil dieser Abdeckungsschicht 15 außerhalb des in Fig. 4 dargestellten Bereiches vorhanden ist. Die erste Metallisierungsebene kann auch so strukturiert werden, daß z. B. die dadurch gebildete Abdeckungsschicht 15 lateral in Lei terbahnen übergeht.

Fig. 11 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Sensors, bei der die Stege 11 und Stützen 12 nicht auf dem Halbleiter material des Substrates oder einer darauf aufgebrachten Schichtstruktur ruhen, sondern auf jeweils noch vorhandenen Anteilen der Strukturschicht 7. Diese Ausführungsform wird z. B. hergestellt, indem die Hilfsschicht 2 nur in den für elek trischen Anschluß vorgesehenen Kontaktbereichen 5 ausgespart bleibt. Die Strukturschicht 7 wird auf eine durchgehende Oberfläche der Hilfsschicht 2 aufgebracht und strukturiert. Bei dieser Strukturierung bleiben jeweils an den Stellen, an denen Stege 11 oder Stützen 12 vorgesehen sind, von dem Rest der Strukturschicht 7 separierte kleine Anteile stehen. Diese Anteile sind also von dem beweglichen Element 8, den Verstre bungen 9 und dem restlichen für eine Verankerung des Elemen tes auf dem Substrat vorgesehenen Anteil der Strukturschicht 7 getrennt. Der Hohlraum unter der wie beschrieben herzu stellenden Abdeckungsschicht 15 wird dann selektiv zu dem Ma terial der Abdeckungsschicht 15 und dem Material der Struk turschicht 7 ausgeätzt, wobei allerdings die Dauer der Ätzung so begrenzt wird, daß von der Hilfsschicht 2 unterhalb der Stege 11 bzw. Stützen 12 ausreichend große Restanteile ste henbleiben. Die Stützen 12 werden also in dem in Fig. 11 dargestellten Beispiel gebildet durch einen unteren restli chen Anteil der Hilfsschicht 2, einen darauf befindlichen isolierten Anteil der Strukturschicht 7 und die entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 gestalteten oberen An teile, die z. B. entsprechend einer Kontaktlochauffüllung aus Metall gebildet sein können. Das Ausätzen des Hohlraumes kann auch hier entsprechend der Fig. 3 bereits nach der Herstel lung der Abdeckungsschicht oder erst am Ende des Gesamtpro zesses entsprechend der Fig. 6 erfolgen. Die isolierten An teile der Strukturschicht 7, die einen Teil der Stützen 12 bilden, müssen ggf. so bemessen werden, daß die Dauer des Ätzprozesses ausreichend unkritisch bleibt, um ein zu weit gehendes Entfernen der Hilfsschicht 2 unterhalb dieser An teile und damit eine unzureichende mechanische Stabilität der Abstützung der Abdeckungsschicht zu vermeiden. Bei alter nativen Ausführungsformen können auch hier die dotierten Be reiche im Substrat 1 weggelassen oder anders strukturiert sein.

Bei allen gezeigten Ausführungsformen ist es möglich, einen in der aufgebrachten Abdeckungsschicht 15 auftretenden Streß dadurch zu entspannen, daß zusätzlich zu den für das Herstel len des Hohlraumes vorgesehenen Ätzlöchern (s. z. B. Fig. 2, Ätzlöcher 17) weitere Aussparungen oder Löcher in der Ab deckungsschicht 15 hergestellt werden, die bei Bedarf durch die nachträglich auf zubringende Verschlußschicht oder eine Passivierung der Oberfläche abgedeckt werden können. Bei Rea lisierung eines Drucksensors entsprechend der vorliegenden Erfindung bleiben diese Öffnungen in der Abdeckungsschicht offen, um ein Einwirken des äußeren, zu messenden Druckes auf das Sensorelement zu ermöglichen. Die Abdeckungsschicht kann bei alternativen Ausführungsformen als Bestandteil der zwei ten oder höheren Metallisierungsebene hergestellt werden, falls trotz des großen Abstandes zum Substrat eine ausrei chende mechanische Stabilität der Stützen erreicht werden kann.

Claims

1. Mikromechanisches Halbleiterbauelement mit einem bewegli chen Element (8),
bei dem dieses bewegliche Element über einer Oberseite eines Substrates (1) angeordnet und als Schicht ausgebildet ist,
bei dem auf der diesem Substrat abgewandten Seite des beweg lichen Elementes eine Abdeckungsschicht (15) vorhanden ist,
bei dem sich zwischen dieser Abdeckungsschicht und dieser Oberseite des Substrates ein Hohlraum (19) befindet, der so bemessen ist, daß die Beweglichkeit des beweglichen Elementes in dem vorgesehenen Umfang vorhanden ist, und
bei dem in diesem Hohlraum oder an einer bezüglich der Ebene der Schicht des beweglichen Elementes lateralen Wand dieses Hohlraumes pfeilerartige Stützen (12) oder Stege (11) vorhan den sind, die diese Abdeckungsschicht abstützen.

2. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das bewegliche Element Aussparungen aufweist, in de nen Stützen der Abdeckungsschicht angeordnet sind.

3. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem an der Oberseite des Substrates ein elektrisch lei tend dotierter Bereich (4) ausgebildet ist,
bei dem das bewegliche Element zumindest teilweise elektrisch leitend ist,
bei dem die Abdeckungsschicht zumindest teilweise elektrisch leitend ist,
bei dem dieser dotierte Bereich (4) und die elektrisch lei tenden Anteile des beweglichen Elementes und der Abdeckungs schicht bezüglich der Ebene der Schicht des beweglichen Tei les übereinander angeordnet sind,
bei dem dieser dotierte Bereich und die elektrisch leitenden Anteile des beweglichen Elementes und der Abdeckungsschicht jeweils elektrisch leitend mit einem jeweiligen für einen An schluß vorgesehenen Kontakt (10, 14; 13, 16) verbunden sind und
bei dem die Abdeckungsschicht gegenüber dem dotierten Bereich elektrisch isoliert ist.

4. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach einem der An sprüche 1 bis 3, bei dem die Abdeckungsschicht Löcher oder Aussparungen auf weist.

5. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 4,
bei dem diese Löcher oder Aussparungen mit einer Verschluß schicht (21) verschlossen sind und
bei dem diese Verschlußschicht auf der Abdeckungsschicht auf der dem Substrat abgewandten Seite aufgebracht ist.

6. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach einem der An sprüche 1 bis 5,
bei dem Stege (11) vorhanden sind und
bei dem diese Stege den Hohlraum (19) zwischen der Ab deckungsschicht und dem Substrat an den bezüglich der Ebene der Schicht des beweglichen Elementes lateralen Wänden be grenzen.

7. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach einem der An sprüche 1 bis 6, bei dem das bewegliche Element aus Silizium ist.

8. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach einem der An sprüche 1 bis 7, bei dem die Stützen oder Stege zumindest teilweise aus Metall sind.

9. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach einem der An sprüche 1 bis 8, bei dem die Stützen oder Stege zumindest teilweise aus dem selben Material sind wie das bewegliche Element.

10. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach einem der An sprüche 1 bis 9, bei dem die Abdeckungsschicht aus Metall ist.

11. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach einem der An sprüche 1 bis 9, bei dem die Abdeckungsschicht aus Silizium ist.

12. Mikromechanisches Halbleiterbauelement nach einem der An sprüche 1 bis 11,
bei dem das bewegliche Element mit elastischen Verstrebungen (9) an dem Substrat befestigt ist und
bei dem diese Verstrebungen mäandrierend ausgebildet sind.

13. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem

a) an einer Oberseite eines Substrates (1) eine Hilfsschicht (2) aus einem für den nachfolgenden Schritt g geeigneten Ma terial hergestellt wird,
b) eine für das bewegliche Element vorgesehene Struktur schicht (7) aufgebracht und unter Verwendung einer Maske strukturiert wird,
c) eine weitere Hilfsschicht aus einem für den nachfolgenden Schritt g geeigneten Material und diese Strukturschicht über deckend aufgebracht wird,
d) im Bereich der herzustellenden Stützen (12) oder Stege (11) unter Verwendung einer Maske Öffnungen in dieser weite ren Hilfsschicht hergestellt werden,
e) diese Öffnungen mit Material, das für die Stützen oder Stege vorgesehen ist, aufgefüllt werden,
f) die Abdeckungsschicht abgeschieden und strukturiert wird,
g) unter Verwendung von jeweils in Schritt b und in Schritt f hergestellten Ätzlöchern in der Abdeckungsschicht und in der Strukturschicht das Material der Hilfsschicht und der weite ren Hilfsschicht soweit entfernt wird, daß der für das beweg liche Element vorgesehene Teil der Strukturschicht die vorge sehene Beweglichkeit aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem in Schritt a die Hilfsschicht durch lokales Oxidieren von Si lizium hergestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem in Schritt a die Hilfsschicht so hergestellt wird, daß jeder für eine Stütze vorgesehene Bereich von dieser Hilfsschicht frei bleibt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem
in Schritt d auch Kontaktlöcher für elektrischen Anschluß hergestellt werden und
in Schritt e Metall verwendet wird, das auch in diese Kon taktlöcher gefüllt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem in Schritt f Metall verwendet wird und zusammen mit der Ab deckungsschicht Metallisierungen für Kontakte oder Leiterbah nen abgeschieden werden.