DE19543893C1 - Verfahren zum Ausrichten von in einem Substrat zu erzeugenden Strukturen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aus­ richten von in unterschiedlichen Hauptoberflächen eines Sub­ strats zu erzeugenden Strukturen, beispielsweise bei der Herstellung eines monolithisch integrierten Sensorsystems.

Sensorsysteme, die mikromechanische Komponenten enthalten, werden derzeit üblicherweise nach der folgenden Verfahrens­ weise gefertigt. Zuerst werden die elektronischen Komponen­ ten, beispielsweise piezoresistive Meßwandler, Leiterbahnen und Auswerteschaltungen, mittels eines CMOS-Fertigungsprozesses hergestellt. Nachfolgend werden die Wirkgeometrien für den Sensor mittels eines Strukturierungsverfahrens, bei­ spielsweise eines naßchemischen KOH-Ätzens, hergestellt.

Dieses herkömmliche Verfahren weist jedoch für den Sensor­ hersteller erhebliche Nachteile auf. So ist es bei der Fer­ tigung eines derartigen Sensors unumgänglich, getrennte Pro­ zesse zur Herstellung des Sensors und der elektronischen Schaltung einzusetzen, da die bekannten CMOS-Fertigungsverfahren allein nicht ausreichen, um die mikromechanischen Komponenten eines Sensors zu realisieren.

Durch diese getrennten Sonderprozesse für die Fertigung des Sensors ist der Sensorhersteller jedoch gezwungen, bei der Strukturierung der mikromechanischen Komponenten der Senso­ ren sowohl spezielle Verfahrensschritte als auch spezielle zusätzliche Einzelgeräte zum Durchführen dieser Verfahrens­ schritte vorzusehen, was schließlich erhöhte Fertigungsko­ sten zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Herstellungsverfahrens besteht darin, daß für das Standard­ strukturierungsverfahren für die mikromechanischen Komponen­ ten des Sensors ein naßchemischer Ätzprozeß, beispielsweise eine KOH-Ätzung, verwendet wird. Dieser Ätzvorgang führt zu einer Kontamination des Substratmaterials, wodurch die nach­ folgenden Halbleiterprozesse eingeschränkt, erschwert oder unmöglich gemacht werden. Folglich sind entweder nach der Strukturierung komplexe Reinigungsverfahren erforderlich, oder die Strukturierung der mikromechanischen Komponenten wird am Ende des Fertigungsprozesses durchgeführt. Die zwei­ te Alternative erfordert jedoch aufwendige Vorkehrungen zum Schutz der Elektronik. Ferner senkt ein derart kritischer Schritt am Ende des Herstellungsprozesses die Ausbeute, wo­ durch sich die Kosten deutlich erhöhen.

Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß durch die ätztechnische Strukturierung der mikromechanischen Komponenten von der Rückseite eines Substrats her Radien bzw. an die Kristallorientierung gebundene Schrägen erzeugt werden, die einen hohen, funktional unwirksamen Flächenver­ brauch hervorrufen, der letztendlich eine Kostensteigerung zur Folge hat.

Alternativ zu der ätztechnischen Strukturierung von der Rückseite eines Substrats her existiert auch eine Struktu­ rierung von der Vorderseite, das sogenannte Surface Micro­ machining. Auch dieses Verfahren weist jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf, da bei demselben aufwendige Sonderpro­ zesse notwendig sind. Ferner sind bei diesem Verfahren die realisierbaren Sensorstrukturen bezüglich ihrer Dicke stark eingeschränkt, da sie erst durch Schichtabscheidungen her­ gestellt werden können. Aufgrund der Tatsache, daß sich bei dieser Abscheidung nur polykristallines Material, beispiels­ weise Polysilizium, und kein monokristallines Material er­ zeugen läßt, wird die Integration von Halbleiterbauelementen in diesen Schichten aufgrund von Korngrenzen und den damit verbundenen hohen Leckströmen und geringen Ladungsträgerbe­ weglichkeiten nachteilig beeinflußt.

Ein Verfahren zur Sensorherstellung, das diesen Problempunk­ ten begegnet, ist aus der DE 37 43 080 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden in einem Substrat Ausnehmungen in einer der Hauptflächen desselben hergestellt, während auf einem zwei­ ten Substrat die die spätere Membran bildenden Schichten ab­ geschieden werden. Anschließend werden diese beiden Substra­ te miteinander verbunden und das zweite Substrat oberhalb der Membran gedünnt oder teilweise entfernt. Danach wird ei­ ne piezoresistive Schicht derart gebildet, daß sie mit der Membran in Berührung steht und wenigstens teilweise oberhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Dabei liefert der Widerstand dieser Schicht ein Maß für den an der Membran anliegenden Druck.

Diese Vorgehensweise weist einen wesentlichen Nachteil da­ hingehend auf, daß die beiden Substrate zueinander justiert werden müssen, damit die Meßwertaufnehmer oberhalb der Aus­ nehmungen zu liegen kommen. Dabei spielt die erreichbare Ju­ stagegenauigkeit eine entscheidende Rolle, da die Empfind­ lichkeit dieses Systems mit zunehmender Justageungenauigkeit stark abnimmt. Die für das bekannte Verfahren verwendeten Substrate bestehen üblicherweise aus einem Halbleitermateri­ al, beispielsweise Silizium oder Galliumarsenid, so daß eine Justage mit sichtbarem Licht nicht möglich ist, da diese Ma­ terialien im Wellenlängenbereich desselben undurchsichtig sind. Somit muß zur Justage infrarotes Licht verwendet wer­ den, siehe die DE 37 43 080 A1. Dadurch ergeben sich jedoch spezielle erhöhte Anforderungen an die verwendeten Substra­ te. So ist es unerläßlich, daß beide Substrate beidseitig polierte Oberflächen aufweisen, um eine ausreichende Abbil­ dungsqualität zu erreichen. Derartige Halbleitersubstrate sind jedoch nur auf spezielle Anforderung, in einer einge­ schränkten Vielfalt und zu einem erhöhten Preis erhältlich.

Ferner besteht ein prinzipieller Nachteil dieser Methode da­ rin, daß durch die größere Wellenlänge des Infrarotlichts Beugungseffekte stark zunehmen. Dies hat zur Folge, daß die Justagegenauigkeit deutlich abnimmt, wobei dieselbe in der Praxis nur bei etwa 10 µm liegt. Außerdem ist eine Infra­ rot-Justageeinrichtung in der Sensor- und Elektronik-Ferti­ gung standardmäßig nicht erforderlich, so daß für diesen ei­ nen Prozeßschritt eine spezielle Ausrüstung benötigt wird, was die Fertigungskosten erhöht. Ferner müssen bei dieser Vorgehensweise in der Fertigung zwei unterschiedliche Justa­ geverfahren angewendet werden, so daß eine Anpassung dieser Systeme erforderlich ist. Dies kann aber auch Prozeßänderun­ gen notwendig machen, so daß ein Eingriff in bestehende Standardprozesse nicht vermieden werden kann.

Die DE 37 43 080 A1 beschreibt ausschließlich die Realisierung des Sensorelements, erwähnt jedoch auch die Möglichkeit der Integration von Halbleiterbauelementen. Dieser Hinweis ent­ hält jedoch keinen Realitätsbezug, da ein Sensor in der an­ gedeuteten Weise nicht oder nur mit extrem geringen Ausbeu­ ten zu fertigen wäre. Gemäß der DE 37 43 080 A1 erfolgt die Herstellung der Membran nämlich nach der Fertigung der MOS-Bauelemente. Dies bewirkt jedoch, daß aufgrund der unver­ meidbaren Oberflächentopographie ein Aufbringen der Membran durch den Verbindungsprozeß nur unzuverlässig und mit sehr geringen Ausbeuten möglich ist. Weiterhin erfordert der Ver­ bindungsprozeß eine längere Temperaturbehandlung bei etwa 1000°C, um eine zuverlässige und stabile Verbindung zu er­ reichen. Da die elektronischen Bauelemente zu diesem Zeit­ punkt jedoch bereits fertiggestellt sind, werden auch sie dieser Temperaturbehandlung ausgesetzt, wodurch sich das Temperaturbudget erhöht.

Infolge des oben Gesagten verschlechtern sich entweder die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente aufgrund von Dif­ fusionsprozessen oder ein Eingriff in den Herstellungsprozeß der Bauelemente wird erforderlich. Damit ist diese Vorge­ hensweise letztendlich für eine wirtschaftliche Fertigung nicht geeignet. Auch ein alternativ denkbares Aufkleben der Membran stellt keine optimale Lösung dar, da derartige Kle­ ber nur Temperaturen von unter 400°C zulassen und eine deut­ lich geringere Haftung und Resistenz gegenüber Umweltein­ flüssen aufweisen.

Aus "Novel extra-accurate method for two-sided alignment on silicon wafers", Sensors and Actuators A, 41-42 (1984), Sei­ ten 573 bis 577, sind Verfahren zum Ausrichten von Struktu­ ren auf der Vorder- und Rück-Seite einer dünnen Membran und eines Wafers bekannt. Bei dem bekannten Verfahren zum Aus­ richten von Strukturen durch einen Wafer werden Ausrich­ tungsmarken auf einer Oberfläche des Wafers gebildet. Zusam­ men mit den Ausrichtungsmarken werden Kanäle für eine Aus­ richtung von der einen Oberfläche zu der anderen gebildet. Alternativ werden statt des Bildens der Kanäle Ätzfenster in der den Ausrichtungsmarken gegenüberliegenden Oberfläche des Wafers gebildet. Die beschriebenen Verfahren sind aufwendig und eignen sich nicht für eine Automatisierung.

Das US-Patent 7,732,646 beschreibt ein Verfahren des Bildens von Ausrichtungsmarken, die auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen eines Substrats identisch positioniert sind. Ein mit auf beiden Hauptoberflächen mit Isolationsschichten ver­ sehenes Substrat wird dazu mit schweren Ionen hoher Energie beschossen. Die Ionen durchdringen die erste Isolations­ schicht, das Substrat und die zweite Isolationsschicht. Da­ durch werden in den Isolationsschicht Gitterstörungen er­ zeugt, während das Substrat unbeeinflußt bleibt. Bei einem nachfolgenden Ätzschritt können die Gitterstörungen geätzt werden, so daß sich auf beiden Seiten des Substrats gleich positionierte Markierungen ergeben.

Aus dem US-Patent 4,939,568 ist es bekannt, Strukturen, die sich in ein Substrat hinein erstrecken, aufzufüllen und von der gegenüberliegenden Seite her durch Dünnen des Substrats freizulegen. Die Strukturen dienen zur Herstellung von Kon­ takten und sind zum automatisierten Ausrichten von Struktu­ ren auf den beiden Hauptoberflächen des Substrats nicht vorgesehen bzw. ge­ eignet. Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Justieren von Strukturen auf einem Substrat ist aus der JP 63-213943 A2 bekannt.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vor­ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausrichten einer in einer zweiten Hauptoberfläche eines Substrats zu erzeugenden Struktur bezüglich einer in einer ersten Haupt­ oberfläche des Substrats angeordneten mikromechanischen Struktur mit einer hohen Justage-Genauigkeit und einem ge­ ringen Fertigungsaufwand zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ausrich­ ten einer in einem Substrat zu erzeugenden zweiten Struktur gegenüber einer in dem Substrat angeordneten, mikromechani­ schen ersten Struktur, das folgende Schritte aufweist:

Erzeugen einer Justagestruktur und der mikromechanischen er­ sten Struktur in einer ersten Hauptoberfläche des Substrats, derart, daß die Justagestruktur und die erste Struktur eine vorgegebene Beziehung aufweisen und die Justagestruktur sich ausgehend von der ersten Hauptoberfläche um einen vorbe­ stimmten Abstand in das Substrat erstreckt, wobei die Ju­ stagestruktur aus einem Material gebildet wird, das bezüg­ lich des Materials des Substrats unterscheidbare Eigenschaf­ ten aufweist;
Dünnen des gesamten Substrats von der Seite einer zweiten Hauptoberfläche her, derart, daß die sich in das Substrat erstreckende Justagestruktur das gedünnte Substrat voll­ ständig durchdringt; und
Erzeugen der zweiten Struktur in einer vorgegebenen Bezie­ hung zu der Justagestruktur in der zweiten Hauptoberfläche des Substrats.

Gemäß einen vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung, kann das Verfahren zur Herstellung eines monolithisch inte­ grierten Sensorsystems mit einer üblichen, industriellen Standardausrüstung verwendet werden, wobei eine hohe Justa­ gegenauigkeit von Membran und Meßwertaufnehmer zur Fertigung präziser und empfindlicher Sensoren erzielt werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbau eines monolithisch integrierten Sensorsystems wird ein Halbleitersubstrat verwendet, das sowohl die mikro­ mechanischen, als auch die elektronischen Komponenten ent­ hält. In einer ersten Hauptoberfläche dieses Substrats wer­ den zuerst Justagestrukturen und Ausnehmungen für die mikro­ mechanischen Komponenten erzeugt, wobei dies gleichzeitig oder nacheinander erfolgen kann. Die Justagestruktur wird dabei so ausgelegt, daß sich dieselbe ausgehend von der er­ sten Hauptoberfläche in das Substrat erstreckt. Anschließend kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Träger­ substrat auf der Seite der ersten Hauptoberfläche mit dem ersten Halbleitersubstrat verbunden werden, wobei hier eine Justage nicht erforderlich ist. Vielmehr genügt eine grobe Ausrichtung der beiden Substrate.

Im Anschluß wird das erste Halbleitersubstrat von der Rück­ seite her, d. h. von der zweiten Hauptoberfläche her, soweit gedünnt, daß die Justagestruktur, d. h. die Elemente der Ju­ stierungsmarke, an der zweiten Hauptoberfläche erscheinen.

Bei einem Ausführungsbeispiel können anschließend in einem selektiven Prozeß die Justagestrukturen auf der durch die Dünnung erzeugten neuen zweiten Hauptoberfläche des Sub­ strats selbstjustierend ausgebildet werden, derart, daß die­ selben für die weitere Prozeßführung verwendet werden kön­ nen. Nachfolgend werden auf der zweiten Hauptoberfläche Meß­ wertaufnehmer und elektrische Schaltungselemente mit Stan­ dardprozessen hergestellt, wobei die erzeugten Justagestruk­ turen verwendet werden. Folglich wird zwischen den mikrome­ chanischen Strukturen und den Meßwertaufnehmern eine hohe Justagegenauigkeit erzielt.

Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung ermöglicht es einem Sensorhersteller somit, die Her­ stellung von Sensoren ausschließlich mit Standard-CMOS-Prozessen und Standard-Verbindungstechniken durchzuführen, so daß für die mikromechanischen Prozeßschritte keine spezielle Ausrüstung erforderlich ist. Dies ermöglicht eine kostengün­ stige Fertigung von integrierten mikromechanischen Systemen mittels eines Stapelverarbeitungsverfahrens. Ferner treten während der Herstellung des Sensors keine Kontaminationspro­ bleme auf, da auf den Einsatz derzeit üblicher, spezieller Ätzprozesse verzichtet werden kann.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausgangssubstrat, das als Grundlage für die Herstellung eines monolithisch integrierten Druck­ sensors dient;

Fig. 2a bis 2d verschiedene Ausführungsbeispiele zur Her­ stellung einer sich in ein Substrat erstreckenden Justagestruktur;

Fig. 3a und 3b Ausführungsbeispiele für ein Substrat mit einer Justagestruktur und einer Ausnehmung für eine mikromechanische Sensorstruktur;

Fig. 4a das Substrat gemäß Fig. 3a nach dem Aufbringen und Bonden eines Trägersubstrats;

Fig. 4b ein SOI-Substrat mit einer Justagestruktur und ei­ ner Ausnehmung für eine mikromechanische Sensor­ struktur nach dem Aufbringen und Bonden eines Trä­ gersubstrats;

Fig. 5 die Anordnung von Fig. 4a oder 4b nach dem Dünnen des Substrats, wobei die Anordnung bezüglich der

Fig. 4a und 4b um 180° gewendet ist;

Fig. 6 die Anordnung von Fig. 5 nach einer selbstjustie­ renden Erzeugung der Justagestruktur auf der ge­ dünnten zweiten Hauptoberfläche des Substrats; und

Fig. 7 die Anordnung gemäß Fig. 6 nach der Fertigung von elektronischen Schaltungen und Meßwertaufnehmern in der zweiten Hauptoberfläche des Substrats.

Anhand der Figuren wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung, das die Herstellung eines mono­ lithisch integrierten Drucksensors betrifft, ausführlich be­ schrieben. Es sei daraufhingewiesen, daß in der nachfolgen­ den Beschreibung der einzelnen Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung anhand der Figuren für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ein Ausgangssubstrat 1, das beispielsweise aus monokristallinem Silizium besteht, auf einer ersten Haupt­ oberfläche desselben mit einer Maskierungsschicht 2, die beispielsweise aus Oxid oder Nitrid besteht, versehen. Diese Maskierungsschicht 2 wird mittels eines Photolithographie­ verfahrens und eines Ätzprozesses strukturiert, um eine freiliegende Stelle des Substrats 4, an der die Justage­ struktur, die gesamt mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet ist, ausgebildet werden soll, zu definieren. Derartige freilie­ gende Stellen werden dabei in der Regel mehrfach auf dem Substrat erzeugt und können sowohl global als auch chipweise angeordnet sein, um die Erzeugung einer Mehrzahl von Justa­ gestrukturen zu ermöglichen.

Wie in Fig. 2a gezeigt ist, wird das Substrat 1 bei diesem Ausführungsbeispiel an den freiliegenden Stellen 4 geätzt, um einen Graben 5 in dem Substrat 1 auszubilden. Dabei dient die Maskierungsschicht als Maskierung für den Ätzvorgang. Mittels dieses Ätzvorgangs wird die Justagestruktur derart erweitert, daß sich dieselbe ausgehend von der ersten Haupt­ oberfläche des Substrats in die Substrattiefe erstreckt. Da­ durch werden die freiliegenden Stellen des Substrats 4, die den Ort der Justagestruktur 3 definieren, in das Substrat übertragen.

Für den oben genannten Ätzvorgang wird vorzugsweise ein an­ isotroper Ätzprozeß mit steilen Flanken verwendet, so daß die Justagestruktur in verschiedenen Substrattiefen nur ge­ ringe Maßabweichungen aufweist. Es sind jedoch auch andere Ätzprozesse, beispielsweise isotrope Ätzungen zulässig, so­ lange die Maßabweichungen reproduzierbar sind und scharfe Kanten erzeugt werden. Insbesondere bei Justageverfahren, die nicht eine einzelne Kante, sondern beispielsweise ein periodisches Linienmuster zur Justage verwenden, spielen derartige Maßabweichungen keine Rolle. Die Tiefe des Grabens 5 entspricht dabei der Dicke des späteren Bauelementesub­ strats.

Da der Graben 5 typischerweise eine Tiefe von mehreren Mi­ krometern aufweist, ist er für nachfolgende Prozeßschritte, insbesondere Photolithographieschritte, störend und führt nicht nur zu einem erhöhten Fertigungsaufwand, sondern auch zu einer reduzierten Ausbeute, da beispielsweise eine homo­ gene Belackung mit Standardprozessen nicht mehr möglich ist. Es ist deshalb notwendig, die Topographie, die durch den oder die Gräben 5 gebildet wird, zu vermeiden oder gering zu halten.

Zu diesem Zweck kann der Graben 5 mit einem Material aufge­ füllt werden, das teilweise von dem Substrat unterschiedli­ che physikalische Eigenschaften aufweist, die später zur Er­ kennung der Justagestruktur, bzw. der Justagestrukturen, ausgenutzt werden können. Da das Substrat anschließend einen kompletten CMOS-Prozeß durchläuft, ist die Materialauswahl aus Kompatibilitätsgründen sehr eingeschränkt, so daß nur Oxide, bzw. mono- oder polykristallines Substratmaterial, beispielsweise Polysilizium, in Frage kommen. Wird Silizium als Substratmaterial verwendet, können jedoch durch die stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und Oxid mechanische Spannungen bei mit Oxid gefüllten Gräben bewirkt werden, was besonders bei den un­ vermeidbaren Hochtemperaturprozessen problematisch ist und zu Kristallfehlern führt, wobei die Eigenschaften der Bau­ elemente negativ beeinflußt werden.

Um die oben genannten Probleme zu umgehen, wird deshalb bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung der Graben 5 mit einem polykristallinen Substratma­ terial 6a, beispielsweise Polysilizium im Falle eines Sili­ ziumsubstrates, aufgefüllt, wie in Fig. 2b gezeigt ist. Dies kann mittels einer konformen LPCVD-Abscheidung (LPCVD = Low Pressure Chemical Vapour Deposition) erfolgen, die ein lun­ kerfreies Auffüllen des Grabens 5 ermöglicht. Danach kann das polykristalline Material, das zum Auffüllen dient, mit­ tels eines Planarisierungs- und/oder Rückätzschritts auf der Oberfläche des Substrats 1, bzw. auf der Maskierungsschicht 2, wieder entfernt werden.

Der Vorteil der oben genannten Vorgehensweise besteht darin, daß die mechanischen Eigenschaften des polykristallinen Ma­ terials ähnlich denen des monokristallinen sind, so daß ins­ besondere das Problem der unterschiedlichen thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten und die damit verbundene Generierung von mechanischen Spannungen unkritisch wird.

Um die Justagestruktur 3 nach einer Dünnung des Bauelemente­ substrats, welche nachfolgend näher erläutert wird, nun aber mit einem selbstjustierenden Prozeß, d. h. mit einer sehr ho­ hen Genauigkeit, auf eine zweite Hauptoberfläche transferie­ ren zu können, wird das Material 6a, mit dem der Graben 5 aufgefüllt ist, beispielsweise Polysilizium, in einer Eigen­ schaft gezielt verändert. Möglichkeiten zur Änderung einer Eigenschaft sind beispielsweise eine Änderung der Dotierung oder der Kristallordnung in Verbindung mit bestimmten Pro­ zeßschritten, die gegenüber diesen Modifikationen empfind­ lich sind. Im Falle der Änderung des Dotierungsniveaus kann eine hohe Dotierung des Materials 6a entweder während der Abscheidung desselben oder im Anschluß daran erfolgen, wobei ausgenutzt wird, daß die Diffusionsprozesse in polykristal­ linem Material aufgrund der hohen Korngrenzendichte stark beschleunigt ablaufen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann an­ schließend auf dem den Graben ausfüllenden Material 6a eine Schutz- oder Deck-Schicht 7, beispielsweise aus Oxid, er­ zeugt werden, wie in Fig. 2b gezeigt ist, welche als Ätz­ bzw. Diffusions-Barriere wirkt. Im Falle der epitaktischen Auffüllung des Grabens 5 mit Substratmaterial, beispielswei­ se Silizium, muß die Dotierung bereits während des Aufwach­ sens erfolgen.

Die Grabenfüllung und die Dicke der Schutzschicht 7 werden derart ausgelegt, daß zusammen mit der Maskierungsschicht 2 eine ebene Oberfläche gebildet wird, oder daß zumindest der Bereich der Justagestruktur 3 kein höheres Niveau als die Maskierungsschicht 2 bildet. Da die Justagestruktur 3 nur einen sehr geringen Anteil der Substratoberfläche belegt, liegt damit eine ebene Oberfläche des Substrats 1 mit der Maskierungsschicht 2 vor, so daß der spätere Verbindungspro­ zeß durch eventuelle Unebenheiten nicht nachteilig beein­ flußt wird.

Alternativ zu dem oben erläuterten Verfahren kann der Graben 5 bei einem alternativen Ausführungsbeispiel mit einem Schichtsystem aus Materialien wie Oxid, Polysilizium oder Nitrid aufgefüllt werden. Durch die Erzeugung einer Oxid­ schicht an den Grabenrändern, die als Diffusionsbarriere wirkt, kann außerdem eine laterale Diffusion von Dotierato­ men der Grabenfüllung verhindert werden. Dadurch wird letzt­ endlich eine Verbreiterung des dotierten Gebiets und eine Verringerung der Konzentrationsgradienten vermieden, so daß eine hohe Maßhaltigkeit der in das Substrat übertragenen Ju­ stagestruktur erreicht wird.

Ferner ist es gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mög­ lich, den Graben 5 mit einem Dielektrikum, beispielsweise einem Oxid oder dotierten Gläsern, aufzufüllen. Dotierte Gläser, beispielsweise Borphosphorsilikatglas (BPSG), Bor­ silikatglas (BSG) oder Phosphorsilikatglas (PSG), sind vis­ kos und können den Aufbau von mechanischen Spannungen redu­ zieren. Dabei entspricht der Verfahrensablauf im wesentli­ chen der bereits beschriebenen Vorgehensweise.

Die Maskierungsschicht 2 ist nicht unbedingt notwendig, um den Graben 5 zu erzeugen, da der bei der Photolithographie verwendete Lack als Maskierung ausreichen kann. In einem derartigen Fall würde die Schutzschicht 7 auf dem gesamten Substrat erzeugt werden, 7a, und könnte im weiteren Prozeß­ ablauf die Markierungsschicht 2 ersetzen (siehe Fig. 2d).

Alternativ zu den oben genannten Verfahren kann die in das Substrat reichende Justagestruktur mittels einer Ionenim­ plantation und einer Eintreibtemperung bei hohen Temperatu­ ren von typischerweise 1100°C bis 1200°C erzeugt werden. Ei­ ne derartige Justagestruktur ist bei 6b in Fig. 2c gezeigt. Die mittels der Ionenimplantation und der Eintreibtemperung erreichbare Tiefe ist jedoch auf einige Mikrometer be­ schränkt, wobei das Eintreiben wegen der isotropen Diffusion gleichzeitig zu einer Verbreiterung der Strukturen führt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Schutzschicht 7 op­ tional vor der Implantation, während des Eintreibens oder danach erzeugt werden. Auch hier ist die Maskierungsschicht 2 nicht unbedingt notwendig, da hier der Photolack als Mas­ kierung für die Ionenimplantation ausreichen kann.

Die optional nach der Implantation erzeugte Schutzschicht 7 kann hierbei ein Oxid sein. Wie in Fig. 2d gezeigt ist, kann die Schutzschicht 7a über der gesamten ersten Hauptoberflä­ che des Substrats aufgebracht werden. Wird zum Aufbringen der Schutz- oder Deck-Schicht 7a ein Oxidationsprozeß ver­ wendet, dessen Oxidationsrate abhängig von der Substratdo­ tierung ist, wird in der Schutzschicht 7a selbstjustierend eine Stufe erzeugt, die sich am Ort der Justagestruktur 3 befindet (siehe Fig. 2d). Die nun als Erhebung ausgebildete Justagestruktur 3 kann durch einen weiteren Oxidations­ schritt nach Entfernen des Oxids 7a in eine Vertiefung um­ gewandelt werden, derart, daß der folgende Verbindungsprozeß nicht mehr nachteilig beeinflußt wird.

Nach dem Ausbilden der Justagestruktur 3, deren Füllstoffin Fig. 3a allgemein mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist, wird eine Ausnehmung für die mikromechanische Sensorstruktur auf der Seite der ersten Hauptoberfläche des Substrats in einer vorbestimmten Beziehung zu der Justagestruktur 3 er­ zeugt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Struktur für die Ausnehmung mit einem Photolithographieschritt festgelegt und dann mit einem Ätzschritt in die Maskierungsschicht 2 übertragen, wie in Fig. 3a gezeigt ist. Wenn die Tiefe die­ ser Ausnehmung 8a nicht ausreicht, kann bei einem alternati­ ven Ausführungsbeispiel das Substrat mit einem weiteren Ätz­ schritt lokal gedünnt werden, wobei die Schichten 2 und/oder 7a optional als Maskierung dienen können. Eine solche Aus­ nehmung ist bei 8b in Fig. 3b gezeigt.

Somit ist es nicht nur möglich, die jeweiligen Substrat­ dicken für die elektronischen und für die mikromechanischen Komponenten zu optimieren, sondern auch durch die Anwendung unterschiedlicher Masken auf einem Substrat, bzw. auf einem Chip, Ausnehmungen mit verschiedenen Tiefen zu erzeugen. An­ schließend kann gegebenenfalls noch eine Schutzschicht, bei­ spielsweise aus Siliziumdioxid, auf der Ausnehmung 8a, 8b erzeugt werden (nicht gezeigt).

Wie in Fig. 4a gezeigt ist, kann bei einem Ausführungsbei­ spiel nach dem Bilden der Ausnehmung 8a, 8b ein Trägersub­ strat 10, das eventuell mit einer Abdeckschicht 11, die bei­ spielsweise aus Siliziumdioxid besteht, versehen ist, auf das Substrat 1 aufgebracht und mit einem Temperschritt bei Temperaturen von etwa 900°C bis 1200°C auf dasselbe gebondet werden, derart, daß die beiden Substrate über Molekülbindun­ gen miteinander verbunden sind und damit üblichen Herstel­ lungsprozessen für Halbleiterbauelemente ausgesetzt werden können, wobei keine Einschränkungen bezüglich des maximalen Temperaturbudgets bestehen. Eine Justage des Trägersubstrats 10 bezüglich des Substrats 1 ist nicht notwendig, da das Substrat 10 keine Strukturen enthält. Dadurch kann der sonst erforderliche Einsatz von aufwendiger Spezialausrüstung zur Justage, beispielsweise Infrarot-Justageeinrichtungen, ver­ mieden werden.

Anschließend wird das erste Substrat von der zweiten Haupt­ oberfläche desselben her soweit gedünnt, daß das Substrat 1 die geforderte Restdicke erhält. Das Dünnen kann dabei auf eine bekannte Art und Weise mechanisch, chemisch, chemome­ chanisch oder in einer Kombination dieser Varianten erfol­ gen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Dünnung die Dicke der mikromechanischen Membran zwischen der ge­ dünnten zweiten Hauptoberfläche des Substrats und der paral­ lel zur ersten Hauptoberfläche des Substrats verlaufenden Oberfläche der Ausnehmung 8a, 8b bestimmt. Ferner werden die Parameter der Dünnung derart gewählt, daß das den Graben ausfüllende Material 6, das bei einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel hochdotiert ist, auf der zweiten Hauptoberflä­ che des Substrats freigelegt wird und bis zur durch die Dün­ nung erzeugten, neuen Oberfläche des Substrats 1 reicht, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

Sind vor dem Dünnungsprozeß mehrere Ausnehmungen mit unter­ schiedlichen Tiefen auf dem Substrat, bzw. auf dem Chip, an­ geordnet, so entstehen durch den Dünnungsprozeß unterschied­ liche Restdicken des Substrats. Es ist somit möglich, auf einem Substrat, bzw. auf einem Chip, Sensoren mit verschie­ denen Membrandicken und damit unterschiedlichen Kenndaten, beispielsweise der Empfindlichkeit, herzustellen.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Dün­ nungsprozeß dadurch vereinfacht werden, daß als Ausgangsma­ terial für das Substrat 1 ein SOI-Material (SOI = Silicon On Insulator) verwendet wird, welches eine vergrabene Oxid­ schicht 9 enthält. Ein solches Substrat ist zusammen mit einem Trägersubstrat in Fig. 4b gezeigt. Der Vorteil liegt darin, daß der Dünnungsprozeß so ausgelegt wird, daß diese vergrabene Oxidschicht 9 als Ätzstopp dient. Aufgrund der großen Selektivität der Ätzprozesse wird damit eine hohe Homogenität der Dicke des gedünnten Substrats 1 erreicht. Die Enddicke des Substrats 1 wird dabei durch die Dicke der Substratschicht, die in Fig. 4b oberhalb des vergrabenen Oxids 9 liegt, welches danach entfernt wird, bestimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Bildung der in das Sub­ strat reichenden Justagestruktur, d. h. die Ätzung des Gra­ bens 5, bzw. die Erzeugung des hochdotierten Gebietes 6, derart durchgeführt, daß deren Ausdehnung die vergrabene Oxidschicht 9 erreicht, siehe Fig. 4b. Dies führt ferner zu einer erhöhten Prozeßsicherheit, da die vergrabene Oxid­ schicht 9 als Ätzstopp bei der Ätzung des Grabens 5 dient, bzw. eine Diffusionsbarriere für den Eintreibschritt dar­ stellt.

Alternativ könnte statt der Isolatorschicht 9 eine hochdo­ tierte Schicht als Ätzbarriere verwendet werden. In diesem Fall wäre statt der vergrabenen Oxidschicht 9 ein hochdo­ tiertes Gebiet, das in der Regel p-dotiert ist, im Substrat 1 angeordnet. Durch den Einsatz von Ätzverfahren, deren Ätz­ raten stark dotierungsabhängig sind, wie z. B. KOH oder Ethy­ lendiamin, könnte erreicht werden, daß die Dünnung des Sub­ strats 1 selbständig an dieser hochdotierten Schicht stoppt.

Bei der nach der Dünnung erhaltenen Anordnung, die in Fig. 5 gezeigt ist, sollen nun in dem Substrat 1 die elektronischen und mikromechanischen Schaltungskomponenten auf der zweiten Hauptoberfläche desselben hergestellt werden. Durch die De­ finition der Ausnehmung 8a ist die Lage der mikromechani­ schen Membran festgelegt, in die noch Meßwertaufnehmer, die aus piezoresistiven Widerständen oder Kondensatorstrukturen bestehen, implementiert werden müssen.

Um eine hohe Empfindlichkeit dieser Sensoren zu erreichen, ist es notwendig, daß die Meßwertaufnehmer bezüglich der Ausnehmung möglichst exakt positioniert werden können. Dies ist durch die Justagestruktur 3 (das dotierte Gebiet 6), die sich durch das gedünnte Substrat 1 erstreckt, möglich.

Es kann nun erforderlich sein, die Justagestruktur 3, die als eine Substratmodifikation vorliegt, selbstjustierend für Justagesysteme nutzbar zu machen, die üblicherweise eine Stufe im Material benötigen. Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun ein Abscheide-, Oxidations- oder Ätzprozeß durchgeführt, der selektiv bezüg­ lich derjenigen physikalischen Eigenschaften des Substrats ist, die im Gebiet des Grabens 5 gezielt modifiziert wurde.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel ist dies die Sub­ stratdotierung, die nun mit einem selektiven Prozeß selbst­ justierend in eine Stufe umgesetzt wird. Wird ein Oxida­ tionsprozeß verwendet, dessen Oxidationsrate empfindlich be­ züglich der Substratdotierung ist, wird durch den Oxida­ tionsprozeß eine Oxidschicht 20 erzeugt, wie in Fig. 6 ge­ zeigt ist, die im Bereich des bei dem Ausführungsbeispiel hochdotierten Gebietes 6 dicker ist als im restlichen Be­ reich des Substrats, wobei eine Stufe in der Oxidschicht 20 und im Substrat 1 erzeugt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Grabenauffüllung mit polykristallinem Material erfolgt ist, führt dies aufgrund der zusätzlich erhöhten Oxidationsrate zu einer Verstärkung des Effekts. Durch eine geeignete Wahl der Prozeßparameter dieses Oxidationsschrit­ tes können dabei die Oxiddicken auf dem schwach- und dem hochdotierten Substratmaterial eingestellt werden.

Durch diesen Oxidationsschritt wird die Justagestruktur 3 über den sich durch das Substrat erstreckenden Abschnitt 6 derselben mit einer sehr hohen Genauigkeit selbstjustierend auf die gedünnte zweite Hauptoberfläche des Substrats über­ tragen, wobei dort eine übertragene Justagestruktur oder Justierungsmarke 21 gebildet wird. Auf der Grundlage dieser übertragenen Justagestruktur 21 können nun Meßwertaufnehmer 23 sowie elektronische Schaltungen 22 exakt auf der gedünn­ ten zweiten Substratoberfläche plaziert werden, siehe Fig. 7. Die übertragene Justagestruktur 21 kann sowohl als eine Erhebung, als auch als eine Vertiefung (durch eine Entfer­ nung des Oxids 20), ausgebildet und somit unterschiedlichen Bedürfnissen angepaßt werden.

Bei stärker dotierten Substraten kann der Graben 5 mit undo­ tiertem Silizium aufgefüllt werden, so daß das Gebiet 6 dann niedriger dotiert wäre als das Substrat 1. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel würde die übertragene Justagestruktur 21 durch den Oxidationsschritt als eine Vertiefung ausgebildet werden. Durch eine geeignete Dünnung des Oxids 20 ist es ferner möglich, das Grabengebiet freizulegen und die Graben­ füllung 6 selektiv zu dünnen, um die Stufenhöhe der übertra­ genen Justagestruktur 21 einzustellen.

Falls der Graben mit einem Dielektrikum aufgefüllt ist, wird die übertragene Justagestruktur 21 mit einem Ätzschritt, der das Dielektrikum selektiv zum Substrat ätzt, einem Oxida­ tionsschritt oder einem selektiven Abscheideprozeß selbst­ justierend erzeugt. Die Grabenfüllung kann dabei selektiv abgetragen werden, derart, daß das Maß der Vertiefung einge­ stellt werden kann.

Das nun vorliegende Substrat 1 mit der übertragenen Justage­ struktur 21 stellt damit das Ausgangssubstrat für die Her­ stellung der elektronischen Schaltungen 22 und der Meßwert­ aufnehmer 23 dar, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Die elektroni­ schen Schaltungen 22 und die Meßwertaufnehmer 23 können un­ ter Verwendung bekannter Fertigungs-Prozesse und -Anlagen hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren zum Ausrichten einer in einer Hauptoberfläche eines Substrats zu erzeugenden Struktur bezüglich einer in einer anderen Haupt­ oberfläche des Substrats angeordneten, mikromechanischen Struktur mittels einer das Substrat durchdringenden Justage­ struktur, die selbstjustierend von einer Hauptoberfläche des Substrats auf die zweite Hauptoberfläche des Substrats über­ tragbar ist. Aufgrund der exakten Justierung, sowie der Be­ seitigung des Bedarfs nach einer zusätzlichen Fertigungsaus­ rüstung, ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines monolithisch integrierten Sensorsystems besonders ge­ eignet.

Claims (20)

1. Verfahren zum Ausrichten einer in einem Substrat (1) zu erzeugenden zweiten Struktur (22, 23) gegenüber einer in dem Substrat (1) angeordneten, mikromechanischen er­ sten Struktur (8a, 8b), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• 1.1 Erzeugen einer Justagestruktur (3) und der mikro­ mechanischen ersten Struktur (8a, 8b) in einer ersten Hauptoberfläche des Substrats (1), derart, daß die Justagestruktur (3) und die erste Struk­ tur (8a, 8b) eine vorgegebene Beziehung aufweisen und die Justagestruktur (3) sich ausgehend von der ersten Hauptoberfläche um einen vorbestimmten Abstand in das Substrat (1) erstreckt, wobei die Justagestruktur aus einem Material (6) gebildet wird, das bezüglich des Materials des Substrats (1) unterscheidbare Eigenschaften aufweist;
• 1.2 Dünnen des gesamten Substrats von der Seite einer zweiten Hauptoberfläche her, derart, daß die sich in das Substrat (1) erstreckende Justagestruktur (3) das gedünnte Substrat vollständig durch­ dringt; und
• 1.3 Erzeugen der zweiten Struktur (22, 23) in einer vorgegebenen Beziehung zu der Justagestruktur (3) in der zweiten Hauptoberfläche des Substrats (1).

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptoberfläche des Substrats (1) vor dem Schritt 1.2 mit einem Trägersubstrat (10) verbunden wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Schritt 1.1 eine Maskierungsschicht (2) auf die erste Hauptoberfläche des Substrats (1) aufgebracht wird, die dann strukturiert wird, um den Ort (4) der Justagestruktur (3) festzulegen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in das Substrat erstreckende Justagestruk­ tur (3) durch Ätzen eines Grabens (5) an dem festgeleg­ ten Ort (4) bis zu dem vorbestimmten Abstand, sowie durch Auffüllen des Grabens (5) mit einem Material (6), das eine bezüglich des Materials des Substrats (1) un­ terscheidbare Eigenschaft aufweist, gebildet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einem monokristallinen Halbleiter­ material besteht, und daß für das Auffüllmaterial (6) eine polykristalline Form des gleichen Halbleitermate­ rials verwendet wird, das gezielt verändert wird, um eine Eigenschaft desselben bezüglich des Substratmate­ rials unterscheidbar zu machen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die unterscheidbare Eigenschaft die Dotierung ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (5) mit einem Schichtsystem aus Materialien, die aus Oxid, Polysilizium und Nitrid ausgewählt sind, aufgefüllt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der geätzte Graben (5) mit einem Dielektrikum aufge­ füllt wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als das Dielektrikum dotierte Gläser verwendet werden.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in das Substrat er­ streckende Justagestruktur (6b) mittels einer Ionenim­ plantation und/oder einer Eintreibtemperung erzeugt wird.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erzeugen der Justagestruk­ tur (3) eine Deckschicht (7) auf die in der ersten Hauptoberfläche freiliegende Justagestruktur (3) aufge­ bracht wird.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erzeugen der Justagestruk­ tur (3) eine Deckschicht (7a) auf die gesamte erste Hauptoberfläche des Substrats (1) aufgebracht wird.

13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Deckschicht (7, 7a) aus Oxid besteht.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mikromechanische erste Struktur (8a, 8b) durch das Bilden einer Ausnehmung auf der Seite der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1) erzeugt wird, derart, daß die parallel zu der ersten Hauptoberfläche des Sub­ strats (1) angeordnete Oberfläche der Ausnehmung (8a, 8b) sowie die zweite Hauptoberfläche nach der Dünnung im Schritt 1.2 die Dicke einer Membran, die die mikro­ mechanische Struktur darstellt, definieren.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Struktur, die in einer vorgegebenen Be­ ziehung zu der Justagestruktur in der zweiten Haupt­ oberfläche des Substrats (1) erzeugt wird, Meßwertauf­ nehmer (23) und elektronische Schaltungen (22) in einer vorbestimmten Anordnung bezüglich der mikromechanischen Struktur sind.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (10) eine Abdeckschicht (11) auf einer ersten Hauptoberfläche desselben aufweist, wobei die erste Hauptoberfläche des Trägersubstrats (10) mit der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1) verbunden wird.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein SOI-Substrat verwendet wird, das eine vergrabene Oxidschicht (9) enthält, wobei das Aus­ maß der Dünnung des Substrats (1) durch diese Oxid­ schicht (9) bestimmt ist, wobei der vorbestimmte Ab­ stand, um den die Justagestruktur (3) in das Substrat (1) reicht, durch den Abstand der Oxidschicht (9) von der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1) gegeben ist.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt 1.3 auf der zwei­ ten Hauptoberfläche des Substrats (1) auf der Basis der das Substrat durchdringenden Justagestruktur (3) selbstjustierend eine Justierungsmarke (21) ausgebildet wird, die durch Justagesysteme verwertbar ist.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Verfahrens, das selektiv bezüglich unterschiedlicher Eigenschaften des Substratmaterials und des Materials der Justagestruktur ist, eine Schicht (20) auf die zweite Hauptoberfläche des Substrats auf­ gebracht wird, derart, daß die Dicke der Schicht über der Justagestruktur (3) und die Dicke der Schicht über dem restlichen Substrat (1) unterschiedlich sind.

20. Verfahren gemäß Anspruch 18 in Rückbezug auf Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren, das selektiv bezüglich der unter­ schiedlichen Eigenschaften des Substratmaterials und des Materials (6) der Justagestruktur ist, ein Oxida­ tionsverfahren ist, das auf schwach und stark dotierten Gebieten unterschiedliche Oxiddicken erzeugt.