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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanische Strukturen aufweisenden Halbleiterbauelementen.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, auf der Oberfläche von Halbleiterbauelementen, beispielsweise von integrierte Schaltungen (IC) aufweisenden Silicium-Wafern, mikromechanische Strukturen aufzubringen. Dies können beispielsweise als kapazitive Beschleunigungssensoren, die aus einer federnd aufgehängten seismischen Masse sowie einer Kammstrukturanordnung zur kapazitiven Auswertung der beschleunigungsbedingten Auslenkung der seismischen Masse bestehen, ausgebildete, freibewegliche Sensorelemente sein.
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Die
WO 91/16608 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Strukturen für Sensoren oder Aktoren in Halbleiterwafern, wobei in die Oberflächen von zwei Wafern lokale Oxidationen eingebracht werden. Die zwei Wafer werden anschließend derart miteinander verbunden, dass die lokalen Oxidationen in direktem Kontakt stehen. Anschließend wird ein Zugang zur lokalen Oxidation durch einen der Wafer geschaffen, wonach ein Herauslösen der lokalen Oxidationen zum Freilegen einer mechanisch verformbaren Sensorstruktur geschieht.
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Die
DE 196 16 014 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanische Strukturen aufweisenden Halbleiterelementen, wobei die mikromechanischen Strukturen in einem eigenen Wafer erzeugt werden und dieser Wafer unter Zwischenschaltung eines Verbindungselementes auf einen integrierte Schaltungen aufweisenden Wafer justiert aufgebracht wird.
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Die
DE 43 31 798 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen wobei eine Struktur auf einer Siliziumschicht erzeugt wird, die in einem weiteren Schritt unterätzt wird. Für diese Unterätzung wird die selektive Anodisierung von Silizium genutzt.
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Die
US 4 495 820 A offenbart einen kapazitiven Drucksensor, welcher durch anodisches Bonden zweier Halbleitersubstrate unter Verwendung einer Glasschicht hergestellt wird.
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Die traditionellen Verfahren der Oberflächen-Mikromechanik benutzen zur Realisierung solcher Bauelemente beispielsweise in den Waferaufbau integrierte Opferschichten und darüber aktive Silicium-Schichten, zum Beispiel aus Polysilicium über Siliciumoxid-Inseln, so dass ein massiver Eingriff in den IC-Prozess vorgenommen werden muss.
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Nach einem weiteren bekannten Herstellungsverfahren werden diese Sensorelemente mit Hilfe der LIGA-Technik in galvanisch abgeschiedenen Metallschichten realisiert. Beim LIGA-Verfahren werden durch mit Synchrotronbelichtung hergestellte hohe Röntgenresiststrukturen galvanisch abgeformt und hieraus zunächst eine erste Prägeform gewonnen. Diese Prägeform wird anschließend zum Prägen unter hohem Druck von auf Wofern aufgebrachten Polymerschichten benutzt, die somit eine Negativform ergeben, die anschließend galvanisch aufgefüllt wird. Die Polymerform wird im Anschluss zerstört, so dass das Sensorelement freiliegt. Hierbei ist nachteilig, dass eine Synchrotronbelichtung nur unter großem und damit kostspieligem Aufwand mittels zusätzlicher, für eine Hableiterbauelement-Herstellung nicht fertigungsüblichen Synchrotronanlagen durchgeführt werden kann. Weiterhin besteht durch die hohen Prägedrücke während des Abprägens der Negativstrukturen die Gefahr der Zerstörung des Wafers, der Prägeform beziehungsweise der in dem Wafer integrierten elektronischen Schaltungen. Weiterhin ist eine genaue Justage beim Prägen der Sensorelemente zu den auf den Wofern enthaltenen Schaltungen problematisch. Durch eine Abnutzung der Prägeform ist es erforderlich, durch Umprägen mehrere Tochterformen zu erstellen, bevor die eigentliche Herstellung der Sensorelemente stattfinden kann. Die Funktion des Prozesses als Ganzes konnte bisher noch nicht praktisch nachgewiesen werden. In jedem Fall stellt das Prägen auf einem IC-Wafer einen gefährlichen Eingriff in den IC-Prozess dar.
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Aus der
DE 44 18 163 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die mikromechanischen Strukturen nachträglich auf ein fertig prozessiertes Halbleiterbauelement strukturiert werden, indem die späteren Strukturen in zusätzlich aufgebrachten Schichten abgeformt und später galvanisch aufgewachsen werden. Hierbei ist nachteilig, dass durch die galvanische Abformung der mikromechanischen Strukturen das gesamte Halbleiterbauelement aus unterschiedlichen Materialien besteht, die in Grenzbereichen der Anwendung der Halbleiterbauelemente aufgrund ihres unterschiedlichen thermischen Verhaltens zu Ausfällen führen können.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass neben der Entkopplung der Herstellung der mikromechanischen Strukturen von dem Prozess der Herstellung der integrierten Schaltungen zu einem fertig prozessierten Wafer die mikromechanischen Strukturen in gleichen Materialien erzeugt werden können, die für die Herstellung des integrierte Schaltungen aufweisenden Wafers üblich sind. Dadurch, dass die mikromechanischen Strukturen in einem zweiten Wafer strukturiert werden und dieser zweite Wafer mit dem die integrierte Schaltungen aufweisenden ersten Wafer zu dem Halbleiterbauelement gefügt wird, ist es vorteilhaft möglich, eine vollkommene prozesstechnische Entkopplung der Herstellungsverfahren sowohl des Elektronikteils als auch des Sensorteils des Halbleiterbauelementes zu erreichen. Zu keinem Zeitpunkt der Herstellung muss auf Details der Herstellung des die integrierte Schaltungen aufweisenden ersten Wafers zurückgegriffen beziehungsweise in diesen eingegriffen werden. Durch das nachträgliche Fügen des Elektronikteils (erster Wafer) und des Sensorteils (zweiter Wafer) ist es möglich, einen sandwichartigen Aufbau des Halbleiterbauelementes zu erzielen, bei dem der Sensorteil direkt über dem Elektronikteil angeordnet werden kann. Hierdurch werden keine zusätzlichen Flächen durch das Sensorteil benötigt. Insgesamt lässt sich ein sehr kompaktes Halbleiterbauelement erzielen, bei dem sowohl der Elektronikteil als auch der Sensorteil im Wesentlichen aus gleichen Materialien bestehen. Hierdurch ergeben sich sowohl unter Dauerlast als auch unter einer Vielzahl von Lastwechseln hervorragende mechanische Eigenschaften, die insbesondere auf ein gleiches thermisches Verhalten zurückzuführen sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen, bei denen in den 1 bis 6 anhand einer schematischen Darstellung eines Halbleiterbauelements das Herstellungsverfahren verdeutlicht wird, näher erläutert.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In den 1 bis 6 werden die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Halbleiterbauelements 10 dargestellt. Grundsätzlich besteht das Halbleiterbauelement 10 aus einem ersten Wafer 12, beispielsweise einem Silicium-Wafer, der im Einzelnen nicht näher gezeigte, integrierte Schaltungen aufweist. Der Wafer 12 bildet den späteren Elektronikteil des Halbleiterbauelements 10.
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Das Halbleiterbauelement 10 besitzt ferner einen zweiten Wafer 14, beispielsweise ebenfalls ein Silicium-Wafer, innerhalb dessen mikromechanische Strukturen, beispielsweise ein aus einer federnd aufgehängten seismischen Masse sowie einer Kammstrukturanordnung zur kapazitiven Auswertung einer beschleunigungsbedingten Auslenkung der seismischen Masse bestehender kapazitiver Beschleunigungssensor, strukturiert werden. Der zweite Wafer 14 bildet den späteren Sensorteil des Halbleiterbauelements 10.
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Nachfolgend sollen die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des in 6 gezeigten fertig prozessierten Halbleiterbauelements 10 näher erläutert werden. Gleiche Teile sind in den 1 bis 6 mit gleichen Bezugszeichen versehen und jeweils nur einmal erläutert.
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1 zeigt den zweiten Wafer 14 in seinem Ausgangszustand. Der Wafer 14 besteht beispielsweise aus einem hoch(n+)-dotierten Siliciumsubstrat 16, auf dem eine hoch(p+)-dotierte Siliciumschicht 18 epitaktisch aufgewachsen wird. Die p+-dotierte Siliciumschicht kann durch Codotierung mit Germanium während der Epitaxie völlig stressfrei abgeschieden werden, so dass der Wafer 14 vollkommen plan ist und sich nicht durchwölbt. Zwischen der p+-Siliciumschicht 18 und dem n+-Siliciumsubstrat 16 verbleibt im Bereich des pn-Überganges 20 eine Zone 22 mit niedriger effektiver n-Dotierung. Die Zone 22 kann bei Bedarf zusätzlich verbreitert werden, indem die Epitaxie der p+-Siliciumschicht 18 zunächst ohne Dotiergase startet, das heißt, zunächst eine Schicht von sehr niedrig dotiertem Silicium aufwächst, und erst nach Aufwachsen dieser zusätzlichen Schicht die Dotiergase, beispielsweise B2H4; und GeH4, zugegeben werden. Während des epitaktischen Aufwachsens der stark dotierten Siliciumschicht 18 tritt eine Ausdiffusion von n-Dotierstoffen von der einen und von p-Dotierstoffen von der anderen Seite in die niedrig dotierte Startschicht (Zone 22) auf, so dass insbesondere ein Bereich von ausgeprägt niedriger n-Dotierung entsteht.
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In einem zweiten, in 2 verdeutlichten Verfahrensschritt, wird das n+-Siliciumsubstrat 16 in poröses Silicium 24 umgewandelt. Diese Umwandlung kann beispielsweise durch ein elektrochemisches Anodisierungsverfahren in Flusssäurelösung, wobei der anodische Anschluss des Wafers 14 direkt über den Elektrolyten zur p+-Waferseite, also über die p+-Siliciumschicht 18, erfolgen kann. Der Wafer 14 kann hierzu beispielsweise in dem stromdurchflossenen Elektrolyten in eine geeignete Halterung geklemmt werden, wobei die Halterung den direkten Stromfluss um den Wafer 14 herum verhindert. Die p+-Siliciumschicht 18 steht der Anode gegenüber, ist also selbst gegenüber dem Elektrolyten kathodisch geschaltet. Die hohe p-Dotierung der Siliciumschicht 18 ist erforderlich, um die Wirkung der Schottky-Diode zwischen dem Elektrolyt und dem Silicium des Wafers 14 abzubauen. Eine weitere Möglichkeit der Umwandlung des Substrates 16 in poröses Silicium besteht darin, eine Seite des Wafers 14 zu metallisieren und die Metallfläche direkt zu kontaktieren. Hierbei muss jedoch die Metallisierung und die Kontaktierung während des Anodisierens vor dem Angriff des Elektrolyten, beispielsweise durch Einbau des Wafers 14 in eine Ätzdose, geschützt werden.
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Die elektrochemische Umwandlung des Siliciumsubstrates 16 zu dem porösen Silicium 24 stoppt bei einer geeigneten Potentialwahl an der niedrig n-dotierten Zone 22. Der nunmehr zu großen Teilen poröse Wafer 14 behält seine mechanische Stabilität weitgehend bei, die für eine weitere Prozessierung ausreichend hoch ist. Das erzeugte poröse Silicium 24 ist allerdings chemisch extrem instabil und löst sich in viele chemische Reagenzien bei Beaufschlagung mit einem entsprechenden Reaktanten in kurzer Zeit auf. Um für die weitere Prozessierung des Wafers 14 eine ausreichende chemische Stabilisierung zu erreichen, wird eine Präoxidation bei ca. 450°C durchgeführt. Hierdurch wird erreicht, dass das poröse Silicium 24 bei den nächsten Verfahrensschritten stabil bleibt.
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Gemäß dem in 3 gezeigten nächsten Verfahrensschritt werden in dem Wafer 14 von Seiten der nicht porösen p-Siliciumschicht 18 aus die mikromechanischen Strukturen des Sensorteils und deren Befestigungselemente auf dem Elektronikteil (Wafer 14 beziehungsweise Wafer 12) definiert. Hierzu wird beispielsweise über an sich bekannte photolithographische Prozesse eine Maske auf der p+-Siliciumschicht 18 erzeugt, die das anschließende Trenchen von Rohlingen 26 der späteren mikromechanischen Strukturen gestatten. Entsprechend der Anzahl, der Auswahl und der Dimensionierung der einzelnen mikromechanischen Strukturen werden Trenchgräben 28 angelegt. Zur Erzeugung der mikromechanischen Strukturen und der Befestigungselemente werden vorteilhafterweise zwei Maskierungen, beispielsweise ein Plasmaoxid, zur Definition der späteren Befestigungselemente und eine zweite Photolackmaske zur Definition der Sensorstrukturen eingesetzt. Durch zwei aufeinanderfolgende Plasmatrenchprozesse können mit Hilfe der Photolackmaske die späteren mikromechanischen Sensoren und mit Hilfe der Plasmaoxidmaske anschließend die späteren Befestigungselemente erzeugt werden (4). Die Trenchgräben 28 zur Definition der späteren mikromechanischen Strukturen werden hierbei über die Zone 22 hinaus bis in das poröse Silicium 24 hinein geätzt.
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Der in 4 verdeutlichte Plasmaätzprozess zur Erzeugung der Befestigungselemente 30, stellt einen flächigen Rückätzprozess dar. Um die vorhergehend bereits geschaffenen Trenchgräben 28 vor einem weiteren Ätzangriff zu schützen, kann als Kantenschutz beispielsweise ein Photoresist oder abgeschiedenes Plasmapolymer eingesetzt werden.
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Das in den 1 bis 4 erläuterte Herstellungsverfahren stellt eine Vorprozessierung des zweiten Wafers 14 dar. Dieser derart vorbereite zweite Wafer 14 wird in einem nächsten Verfahrensschritt, wie 5 verdeutlicht, mit dem bereits fertig prozessierten ersten Wafer 12 (Elektronikteil) gefügt. Hierzu wird der Wafer 14 derart über dem Wafer 12 platziert, dass die Befestigungselemente 30 auf hierfür vorgesehenen Kontaktbereichen 32 des Wafers 12 aufliegen. Das Fügen des Wafers 14 mit dem Wafer 12 erfolgt hierbei in einem justierten Fügeprozess, so dass sichergestellt ist, dass jedes Befestigungselement 30 den ihm zugeordneten Kontaktbereich 32 kontaktiert. Durch eine geeignete chemische Vorbehandlung des Wafers 12, beispielsweise einer Hydrophilisierung, wird durch Van-der-Waals-Kräfte ein fester Kontakt zwischen den aus Silicium bestehenden Befestigungselementen 30 und den beispielsweise aus Aluminium bestehenden Kontaktbereichen 32 erreicht.
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird der Wafer 14 (Sensorteil) kurz erhitzt, während der Wafer 12 (Elektronikteil) gekühlt wird. Dieser Verfahrensschritt kann mittels einer geeigneten Vorrichtung, die beispielsweise eine mit dem Wafer 12 in Kontakt kommende Kühleinrichtung und eine mit dem Wafer 14 in Kontakt kommende Heizeinrichtung aufweist, durchgeführt werden. Hierdurch wird erreicht, dass die Kontaktstellen zwischen den Befestigungselementen 30 und den Kontaktbereichen 32 auf Temperaturen größer als 450°C erwärmt werden können, während gleichzeitig der Wafer 12 vor einer übermäßigen Erhitzung geschützt wird. Durch die Erwärmung des Kontaktbereiches kommt es zu einer Legierungsbildung zwischen dem Silicium der Befestigungselemente 30 und dem Aluminium der Kontaktbereiche 32, so dass der Wafer 14 mit dem Wafer 12 durch Ausbildung eines Aluminium/Silicium-Eutektikums mechanisch und elektrisch fest verbunden wird. Stattdessen kann natürlich auch ein Lot eingesetzt werden, das zuvor auf die Kontaktpads des IC-Wafers gedruckt wird.
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In einem letzten Verfahrensschritt wird das poröse Silicium 24 des Wafers 12 aufgelöst und hierdurch die mikromechanischen Strukturen 34 freigelegt. Zur Auflösung des porösen Siliciums 24 kann zum Beispiel mittels einer stark verdünnten Flusssäurelösung das zur chemischen Stabilisierung zuvor präoxidierte Silicium wieder chemisch aktiviert werden. Durch die Flusssäurelösung erfolgt ein Entfernen des durch die Präoxidation geschaffenen inneren Oxids des porösen Siliciums 24. Das nunmehr wieder instabile poröse Silicium 24 kann beispielsweise mittels verdünntem Ammoniakwasser, verdünnter KOH-Lösung, NaOH-Lösung, einem wässrigen HF/HNO3-Gemisch oder anderen geeigneten Mitteln aufgelöst werden. Die Auflösung des porösen Siliciums erfolgt hierbei sehr schnell, beispielsweise in einer Zeitspanne kleiner eine Minute. Durch diese sehr geringe Einwirkzeit der Ätzlösungen und deren Wirksamkeit bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Zimmertemperatur, ist eine Schädigung des Wafers 12 und der mikromechanischen Strukturen 34 ausgeschlossen.
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Nach Abschluss der gesamten Prozessierung entsteht das in 6 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigte Halbleiterbauelement 10. Das Halbleiterbauelement 10 besitzt hierbei den Wafer 12 mit nicht dargestellten, integrierten Schaltungen und auf dem Wafer 12 angeordnete, als Rudiment des ursprünglichen Wafers 14 übrigbleibende mikromechanische Strukturen, die fest und dauerhaft auf dem Wafer 12 angeordnet sind. Entsprechend der in den 3 und 4 erläuterten Herstellung der Trenchgräben 28 beziehungsweise der Befestigungselemente 30 können so in einfacher Weise federnd aufgehängte seismische Massen und entsprechende Kammstrukturen zur kapazitiven Auswertung beziehungsweise zum kapazitiven Antrieb von Bewegungen der seismischen Massen geschaffen werden.
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Eine Herstellungsvariante besteht darin, den Wafer 14 bis zu dem in den 1 bis 3 gezeigten Zustand vorzubereiten und diesen dann gegen Kontaktbumps des Wafers 12 zu bonden und zuletzt das poröse Silicium 24 zu entfernen. Hierdurch wird der Verfahrensschritt des flächigen Rückätzens zur Erzeugung der Befestigungselemente 30 (4) eingespart. Durch das Anbringen der Kontaktbumps auf dem Wafer 12 ist jedoch ein Eingriff in die Prozessierung, das heißt Erzeugung der integrierten Schaltungen, in dem Wafer 12 notwendig.
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Die erläuterte mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Wafern 14 und 12 (Sensorteil mit Elektronikteil) ist lediglich beispielhaft. So sind neben dem Erzeugen des Aluminium/Silicium-Eutektikums an der Verbindungsstelle andere bekannte Techniken, beispielsweise der Einsatz von Leitklebern oder Loten möglich.
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Anhand der Beschreibung wird deutlich, dass mittels weniger, allgemein beherrschbarer Verfahrensschritte in gleichartigen Materialien sowohl für den Wafer 12 (Elektronikteil) und den Wafer 14 (Sensorteil) alle für ein entsprechendes Halbleiterbauelement 10 ausgelegte beziehungsweise notwendige Strukturen geschaffen werden können. Durch die gleiche Materialwahl für die Wafer 12 und 14 ergibt sich ein sehr vorteilhaftes thermisches Verhalten des Halbleiterbauelements 10 sowohl in Dauerlast als auch bei wechselnden Lastfällen.
