DE19852878A1 - Mikromechanisches Bauelement und Herstellungsverfahren - Google Patents

Abstract

Ein bewegliches Strukturelement eines mikromechanischen Sensors oder Aktuators ist durch eine dünne Strukturschicht aus Polysilizium mit einem ebenen Anteil (10) und vertikalen Ansätzen (1), die durch Grabenfüllung mittels einer dünnen abgeschiedenen Schicht hergestellt werden, gebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bau­ element mit hohem Aspektverhältnis und ein CMOS-kompatibles Herstellungsverfahren dafür.

Mikromechanisch hergestellte Halbleiterbauelemente besitzen üblicherweise ein mechanisch operierendes Funktionselement, das vorzugsweise durch eine dünne Polysiliziumschicht gebil­ det wird, die nach Möglichkeit zusammen mit Polysilizium­ schichten für integrierte Bauelemente einer elektronischen Schaltung hergestellt wird. Zur Steigerung der Empfindlich­ keit derartiger mikromechanischer Bauelemente als Sensoren bzw. zur Erhöhung des Wirkungsgrades entsprechender Aktuato­ ren ist eine Vergrößerung der Fläche oder Masse der Struktur­ schicht, z. B. durch eine dicker abgeschiedene Polysilizium­ schicht, gefordert. Eine Erhöhung der Schichtdicke ist aller­ dings mit erheblichem Aufwand verbunden und ist insbesondere im Rahmen eines Herstellungsprozesses für Halbleiterbauele­ mente, z. B. eines CMOS-Prozesses, nicht ohne Schwierigkeiten ausführbar. Darüber hinaus sind wegen der zwangsläufig ent­ stehenden Stufen auf der Oberseite des Chips erhebliche Pro­ bleme bei nachfolgenden Prozeßschritten zu erwarten. Trotzdem wird bei der Herstellung mikromechanischer Bauelemente ver­ sucht, das Aspektverhältnis, d. h. das Verhältnis der Höhe der Struktur zu deren lateralen Abmessungen, zu vergrößern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromecha­ nisch herstellbares Bauelement als Sensor oder Aktuator anzu­ geben, mit dem deutliche Verbesserungen der Empfindlichkeit oder des Wirkungsgrades erzielt werden und das nur geringen zusätzlichen Herstellungsaufwand erfordert. Außerdem ist ein Herstellungsverfahren geringen Aufwandes anzugeben.

Diese Aufgaben werden mit dem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab­ hängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Bauelement besitzt eine Strukturschicht, die zwar die übliche geringe Dicke einer als Polysilizium­ schicht abgeschiedenen Strukturschicht aufweist, die aber stellenweise eine wesentliche Ausdehnung in Richtung senk­ recht zur Schichtebene aufweist. Diese dreidimensionale Aus­ dehnung der im Grunde ebenen Strukturschicht wird erreicht durch weitere Anteile der Schicht, die relativ flach sind und sich in Richtung senkrecht zu der Schichtebene ausdehnen. Diese weiteren Anteile außerhalb der eigentlichen Schichtebe­ ne können als Elektroden elektrisch leitend dotiert sein oder als zusätzliche Masse zur Beschwerung der Strukturschicht vor­ gesehen sein. Werden diese Anteile als längliche stegförmige Ansätze ausgebildet, erhält man eine mechanische Stabilisie­ rung und Versteifung der Strukturschicht, die bei mikromecha­ nischen Sensoren üblicherweise relativ zum Chip frei beweg­ lich angebracht ist, so daß die Gefahr unerwünschter Verfor­ mungen der Strukturschicht besteht.

Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren des Bauelementes umfaßt die ganzflächige Abscheidung eines für die Strukturschicht vorgesehenen Materiales, z. B. Polysilizium, auf die Obersei­ te eines mit Gräben versehenen Halbleiterkörpers. Werden die­ se Gräben ausreichend schmal hergestellt, können sie bereits mit dem Aufbringen einer dünnen Polysiliziumschicht vollstän­ dig gefüllt werden. Die Grabenfüllungen bilden dann die für die Strukturschicht vorgesehenen weiteren Anteile, die sich senkrecht zur Schichtebene der Strukturschicht erstrecken. Eine unter der abgeschiedenen Schicht vorgesehene Opfer­ schicht läßt sich anschließend entfernen, damit die Struktur­ schicht relativ zum Halbleiterkörper die vorgesehene Beweg­ lichkeit erhält.

Es folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen Bauelementes und des angegebenen Herstellungsverfahrens an­ hand der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbei­ spiele.

Fig. 1 bis 3 zeigen ein typisches Ausführungsbeispiel ei­ nes erfindungsgemäßen Bauelementes in Aufsicht bzw. im Quer­ schnitt.

Fig. 4 bis 7 zeigen Querschnitte durch Zwischenprodukte eines Bauelementes zur Erläuterung des Herstellungsverfah­ rens.

Fig. 1 zeigt in Aufsicht auf ein typisches Beispiel des er­ findungsgemäßen Bauelementes die Bauelementstruktur eines mi­ kromechanisch herstellbaren Beschleunigungssensors. Derartige Beschleunigungssensoren besitzen eine träge Masse, die an Fe­ dern oder dünnen Verstrebungen einer Strukturschicht, die vorzugsweise Polysilizium ist, auf einem Halbleiterkörper oder Substrat oder einer Schichtfolge aus Halbleitermaterial befestigt ist. Falls eine kapazitive Messung vorgesehen ist, ist diese träge Masse elektrisch leitend oder besitzt zumin­ dest darin oder daran ausgebildete Elektroden aus leitendem Material, die mit entsprechenden Anschlüssen auf dem Halblei­ terchip elektrisch leitend verbunden sind. Auf dem Substrat oder Halbleiterkörper befinden sich fest dazu angeordnete Elektroden 2, 3, so daß zwischen den Elektroden des Massetei­ les und den fest angebrachten Elektroden Kondensatoren gebil­ det werden. Änderungen der Kapazitäten dieser Kondensatoren werden gemessen, um eine Auslenkung des Masseteiles infolge einer durch eine Beschleunigung hervorgerufenen Trägheits­ kraft zu bestimmen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die an dem Mas­ seteil vorhandenen Elektroden durch weitere Anteile 1 der Strukturschicht gebildet. Der schichtartig ausgebildete flä­ chige Anteil der Strukturschicht befindet sich als Schicht im Abstand zu der gezeigten Struktur oberhalb der Zeichenebene. Die mit 1 bezeichneten weiteren Anteile sind senkrecht zu dieser Schichtebene angebrachte schmale Teile der Struktur­ ebene. Diese weiteren Anteile sind in Fig. 1 im Querschnitt eingezeichnet. Die schmalen Teile mit rechteckigem Quer­ schnitt bilden die Gegenelektroden zu den am Substrat befe­ stigten Elektroden 2, 3. Die längeren weiteren Anteile 6 der Strukturschicht dienen einer Versteifung und mechanischen Stabilisierung des ebenen Anteils der Strukturschicht. Um noch mögliche Verformungen und Torsionen dieser Schicht in Längsrichtung dieser Anteile 6 zu unterbinden, können zusätz­ lich beispielsweise die in Fig. 1 eingezeichneten Querbalken 7 vorhanden sein. Diese Anteile 6, 7 dienen außerdem einer Erhöhung der trägen Masse der beweglichen Strukturschicht.

Die Elektroden 2, 3 sind vorzugsweise durch elektrisch lei­ tend dotiertes Halbleitermaterial ausgebildet und miteinander durch einen weiteren Halbleiterbereich 9 elektrisch leitend miteinander verbunden. Über diesen weiteren Halbleiterbereich 9, der die in Fig. 1 eingezeichnete schmale Anmessung besit­ zen kann oder einen größeren Bereich einnehmen kann, wird die elektrische Spannung den Elektroden zugeführt. Teile des Halbleitermateriales oder Substrates können als Sockel 8 für Stützen einer Andeckungsschicht vorhanden sein, mit der der Sensor nach oben abgedeckt und geschützt wird. Aus der Fig. 1 ist zu erkennen, daß bei der dort gezeigten Ausgestaltung des Bauelementes eine Bewegung der Strukturschicht mit den weiteren Anteilen 1 in der Ebene der Strukturschicht (kopla­ nar zur Zeichenebene) in in der Zeichnung waagrechter Rich­ tung eine gegensinnige Änderung der von den beweglichen Elek­ troden 1 und den jeweiligen fest am Substrat angebrachten Elektroden 2, 3 bewirkt. Eine derartige differentielle Kapa­ zitätsänderung eignet sich besonders gut für eine empfindli­ che Erfassung einer Bewegung der Strukturschicht. Ein derar­ tiger erfindungsgemäßer Beschleunigungssensor bietet daher die Vorteile einfacher Herstellbarkeit, ausreichend großer Masseträgheit des Sensorelementes sowie einer einfach reali­ sierbaren Elektrodenanordnung für differentielle Kapazitäts­ messung.

Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 eingezeichneten Querschnitt, von dem nur die äußeren Konturen, ohne Darstellung von Halblei­ terschichten, wiedergegeben sind. Es ist daher in Fig. 2 deutlich erkennbar, daß auf einem Substrat oder Halbleiter­ körper 11, der gegebenenfalls mit epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichten versehen sein kann, die Elektroden 2, 3, vorzugsweise als stegförmige Strukturen, angebracht sind. Die Strukturschicht 1, 10 besitzt einen oberen flächig ausgedehn­ ten und im wesentlichen ebenen Anteil 10 sowie die erfin­ dungsgemäß vorhandenen weiteren Anteile 1, die einerseits ei­ ne Versteifung der Strukturschicht bewirken und andererseits für die besonderen Eigenschaften des jeweiligen Sensors oder Aktuators geeignet ausgebildet die dreidimensionale Struktu­ rierung der Strukturschicht darstellen.

Fig. 3 zeigt in einem entsprechend Fig. 2 schematisierten Querschnitt die ebenfalls in Fig. 1 eingezeichnete Ansicht. Es ist dort die flächige Ausdehnung der weiteren Anteile 1, die bei diesem Ausführungsbeispiel Elektroden bilden, erkenn­ bar. In Fig. 3 ist eine weitere mögliche Ausgestaltung des Bauelementes mit einer Andeckungsschicht 12 dargestellt, die mit Stützen 13 auf dem Sockel 8 ruht. Diese Andeckungsschicht 12 deckt das Bauelement nach oben ab und schützt damit das bewegliche Element. Statt eine solche Abdeckungsschicht vor­ zusehen, kann das Bauelement in der Ausführung nach Fig. 2 in ein geeignet dimensioniertes und an sich bekanntes Gehäuse eingebaut werden.

Die erfindungsgemäß gestalteten weiteren Anteile 1 der Struk­ turschicht können in den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend abgewandelter Form zur Ausgestaltung des Bauelementes als Be­ schleunigungssensor, Drehratensensor, Drehmomentsensor, Drucksensor oder mikromechanischer Aktuator konzipiert sein. Insbesondere bei einem z. B. piezoresistiv messenden Be­ schleunigungssensor können die weiteren Anteile 1 der Struk­ turschicht nur dazu dienen, die Strukturschicht zu versteifen und deren träge Masse zu erhöhen. Die weiteren Anteile 1 kön­ nen dazu die in Fig. 1 als Beispiel dargestellten geradlini­ gen oder kreuzweise aneinandergesetzten Ausrichtungen besit­ zen oder auch mäanderförmig gewunden oder gekrümmt sein.

Die weiteren Anteile 1 der Strukturschicht besitzen zumindest in einer seitlichen Richtung höchstens die doppelte Dicke des ebenen Anteils 10 der Strukturschicht. Daher kann die derart ausgebildete Strukturschicht in der geforderten Weise durch Abscheiden einer Materialschicht gleichmäßiger und relativ geringer Dicke mit weitestgehend planarer Oberseite herge­ stellt werden. Ein geeignetes Herstellungsverfahren, das in einen CMOS-Prozeß integriert werden kann, wird nachfolgend anhand der Fig. 4 bis 7 beschrieben.

Fig. 4 zeigt im Querschnitt ein Zwischenprodukt eines erfin­ dungsgemäßen Bauelementes, das zur Erläuterung eine als Bei­ spiel dienende Struktur aufweist. Das Substrat oder der Halb­ leiterkörper 11 können auch durch eine Halbleiterschicht­ struktur gebildet sein. Der Halbleiterkörper 11 kann schwach elektrisch leitend dotiert sein oder mit einer isolierenden Schicht bedeckt sein. Darauf werden weitere Schichten, insbe­ sondere aus Halbleitermaterial, aufgebracht. Die in Fig. 4 eingezeichnete erste weitere Schicht 14 kann z. B. eine di­ elektrische Schicht zur elektrischen Isolation sein. Statt dessen ist es möglich, als diese Schicht 14 eine elektrisch leitend dotierte Schicht aufzubringen, die als Bestandteil einer der fest auf dem Halbleiterkörper 11 angebrachten Elek­ troden fungiert. Wenn der Halbleiterkörper 11 oder die darauf aufgebrachte Schicht folge aus Halbleitermaterial schwach für elektrische Leitfähigkeit des entgegengesetzten Vorzeichens wie das Vorzeichen der Schicht 14 dotiert wird, ist ein pn-Übergang ausgebildet, der bei geeigneter Polung der angeleg­ ten Spannungen eine Isolation der Elektroden gegenüber dem Halbleiterkörper bewirkt. In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist eine weitere Schicht 15 aus Halbleitermaterial vorhanden, die dafür vorgesehen ist, den wesentlichen Anteil der herzustellenden Elektroden zu bilden. Diese Schicht ist daher für elektrische Leitung des entsprechenden Vorzeichens dotiert. Die Schichten 14 und 15 können epitaktisch aufge­ wachsen werden, oder die Schichten werden als schichtartige dotierte Bereiche in einem Halbleiterkörper durch Eindiffusi­ on von Dotierstoffatomen hergestellt. Je nach Prozeßführung kann auf der Oberseite des Halbleitermaterials eine Isolati­ onsschicht oder Planarisierungsschicht 16 hergestellt werden, was bei Verwendung eines Halbleiterkörpers aus Silizium z. B. durch thermische Oxidation der Halbleiteroberfläche geschehen kann. Von der Oberseite her werden die Gräben 20 vorzugsweise mittels einer anisotropen Trockenätzung unter Verwendung ei­ ner Hartmaske aus Oxid hergestellt. Gleichzeitig können in diesem Ätzschritt Strukturierungen der vorgesehenen Elektro­ den 2, 3 hergestellt werden. Weitere Anteile der Schicht 15 können als Sockel 8 für die Abstützung einer herzustellenden Abdeckungsschicht vorgesehen sein. Die Schichtstruktur sowie die Anzahl und Ausrichtung der geätzten Gräben 20 können je nach herzustellendem Bauelement beliebig variiert werden. Es wird ganz flächig eine Opferschicht 17 aufgebracht, für die ein Material verwendet wird, das selektiv bezüglich des Mate­ riales, das für die herzustellende Strukturschicht vorgesehen ist, entfernt werden kann. Diese Opferschicht 17 füllt insbe­ sondere alle diejenigen Gräben auf, die nur zur Strukturie­ rung des Halbleiterkörpers oder der Halbleiterschichtstruktur dienen und in dem in der Fig. 4 dargestellten Beispiel die Elektroden 2, 3 voneinander trennen. Die Gräben 20, die zur Herstellung der beschriebenen weiteren Anteile der Struktur­ schicht vorgesehen sind, werden von dieser Opferschicht 17 nicht aufgefüllt.

In Fig. 5 ist eine nachfolgend abgeschiedene Schicht aus dem für die Strukturschicht vorgesehenen Material 18 dargestellt. Die für die weiteren Anteile der Strukturschicht vorgesehenen Gräben werden davon vollständig aufgefüllt, und zwar vorzugs­ weise so, daß die Oberseite des abgeschiedenen Materiales nach Möglichkeit eben ist. Kleinere an der Oberfläche ver­ bleibende Krater sind für die Funktionsweise des Bauelementes in der Regel unschädlich. In der Fig. 5 sind durch die bei­ den senkrechten gestrichelten Linien die vorgesehenen Ränder der fertiggestellten Strukturschicht angedeutet. Als Material 18 für die Strukturschicht ist vorzugsweise Polysilizium ge­ eignet. Es kommen aber grundsätzlich alle Materialien, die für mikromechanische Komponenten eingesetzt werden, in Frage.

In Fig. 6 ist im Querschnitt die fertig hergestellte Struk­ turschicht 1, 10 dargestellt, die einen im wesentlichen ebe­ nen Anteil 10 und die in die Vertikale ragenden weiteren Anteile 1 aufweist. Es kann dann die Opferschicht 17 entfernt werden, um die vorgesehene Beweglichkeit der Strukturschicht herbeizuführen. Die Strukturschicht kann seitlich, in der Fig. 6 z. B. vor oder hinter der Zeichenebene, auf den Halb­ leiterschichten verankert sein; alternativ kann ein Teil des ebenen Anteiles 10 der Strukturschicht auf übrigbleibenden Anteilen der nicht gänzlich entfernten Opferschicht 17 ruhen. Falls eine Abdeckungsschicht vorgesehen ist, wird vor dem Entfernen der ersten Opferschicht 17 eine weitere Opfer­ schicht 19 abgeschieden. Über den als Sockel 8 vorgesehenen Bereichen der Oberseite werden Öffnungen 21 in den Opfer­ schichten und gegebenenfalls in der Isolierungs- oder Plana­ risierungsschicht 16 hergestellt. Bei Bedarf können diese Öffnungen auch durch einen geeigneten zusätzlichen Ätzschritt bis in das Halbleitermaterial der nachfolgenden Schicht 15 hineingetrieben werden (nicht dargestellt). In die Öffnungen 21 und auf die Oberseite der weiteren Opferschicht 19 wird dann das Material abgeschieden, das für die Abdeckungsschicht vorgesehen ist.

Fig. 7 zeigt die nach dem Entfernen der beiden Opferschich­ ten verbleibende Struktur mit der Abdeckungsschicht 22, die auf dem in die Öffnungen 21 abgeschiedenen Material, das jetzt Stützen 23 bildet, aufgestützt ist.

Aus den idealisierten Darstellungen der Figuren ist zu ent­ nehmen, daß die Gräben 20 mit dem Material 18 der Struktur­ schicht gefüllt werden, wenn die laterale Abmessung der Grä­ ben in einer Richtung höchstens das Doppelte der Summe der Dicken der Opferschicht 17 und des ebenen Anteiles 10 der Strukturschicht beträgt. Bei der Ausführung der Erfindung soll die Grabenbreite aber etwas geringer sein, so daß die an der Oberfläche entstehenden Krater möglichst klein sind. Für Stege oder Verstrebungen, die als federnde Halterungen eines beweglichen Teiles vorgesehen sind, sind eventuell geringere laterale Dicken sinnvoll, wobei allerdings die Untergrenze der Grabenbreite bei dem Doppelten der Dicke der Opferschicht 17 liegt. Ist die Breite der Gräben geringer, werden sie wie im Fall des zwischen den Elektroden 2, 3 in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Zwischenraumes vollständig von dem Material der Opferschicht 17 aufgefüllt.

Die besonderen Vorteile der Erfindung sind die Erzeugung ho­ her Aspektverhältnisse der mikromechanischen Komponente, ohne daß dicke Schichten aus Polysilizium abgeschieden werden müs­ sen; die einfache Herstellung von vertikalen Elektrodenstruk­ turen an dem mikromechanischen Element; selbstplanarisierende Herstellung der für das bewegliche Element vorgesehenen Strukturschicht. Volle Kompatibilität zu CMOS-Prozessen oder vergleichbaren Herstellungsprozessen für integrierte Schal­ tungen ist gegeben.

Claims (8)

1. Bauelement mit einem Halbleiterkörper (11), mit mindestens einer relativ zu dem Halbleiterkörper beweglichen Struktur­ schicht (1, 10), die einen flächig ausgedehnten Anteil (10) besitzt, und mit Elektroden (2, 3) zur Ausbildung eines Sen­ sors oder Aktuators, dadurch gekennzeichnet, daß an der Strukturschicht (1, 10) senkrecht zu dem flächig aus­ gedehnten Anteil (10) mindestens ein weiterer Anteil (1) vor­ handen ist, der in einer zu dem flächig ausgedehnten Anteil koplanaren Ebene in mindestens einer Richtung eine Abmessung aufweist, die höchstens das Doppelte der Dicke des flächig ausgedehnten Anteils beträgt.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem an der Strukturschicht (1, 10) senkrecht zu dem flä­ chig ausgedehnten Anteil (10) mindestens ein Ansatz (6, 7) vorhanden ist, der derart stegförmig ausgebildet ist, daß ei­ ne Versteifung des flächig ausgedehnten Anteils bewirkt ist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein weiterer Anteil (1) der Strukturschicht als Elek­ trode elektrisch leitend ausgebildet ist und einer relativ zu dem Halbleiterkörper (11) fest angebrachten Elektrode (2, 3) gegenüberliegend angeordnet ist.

4. Bauelement nach Anspruch 3,
bei dem die Strukturschicht in der Ebene des flächig ausge­ dehnten Anteils beweglich ist und
bei dem ein weiterer Anteil (1) der Strukturschicht zwischen zwei Elektroden (2, 3), die relativ zu dem Halbleiterkörper fest angebracht sind, zur Ausbildung zweier elektrischer Ka­ pazitäten so angeordnet ist, daß bei einer Bewegung der Strukturschicht in einer vorgesehenen Richtung diese Kapazi­ täten sich gegensinnig zueinander verändern.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem senkrecht zu dem flächig ausgedehnten Anteil (10) mehrere als Elektroden ausgebildete weitere Anteile (1) der Strukturschicht vorhanden sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Sensors oder Aktuators als Halbleiterbauelement, bei dem
in einem ersten Schritt in einem Halbleiterkörper (11) oder in einer auf einem Substrat aufgewachsenen Schicht oder Schichtfolge (14, 15) aus Halbleitermaterial von einer Ober­ seite her mindestens ein Graben (20) ausgeätzt wird,
in einem zweiten Schritt eine Opferschicht (17) auf der Ober­ seite und in dem Graben ganzflächig aufgebracht oder herge­ stellt wird,
in einem dritten Schritt ein für eine Strukturschicht vorge­ sehenes Material (18) auf die Opferschicht (17) so aufge­ bracht wird, daß der Graben (20) gefüllt ist,
in einem vierten Schritt aus dem aufgebrachten Material die Strukturschicht (1, 10) strukturiert wird und
in einem fünften Schritt die Opferschicht (17) selektiv be­ züglich der Strukturschicht zumindest in dem Graben entfernt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in dem dritten Schritt Polysilizium aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem zwischen dem vierten und fünften Schritt
in einem ersten weiteren Schritt eine weitere Opferschicht (19) aufgebracht wird,
in einem zweiten weiteren Schritt außerhalb des von der Strukturschicht eingenommenen Bereiches mindestens eine Öff­ nung (21) in den Opferschichten (17, 19) hergestellt wird,
in einem dritten weiteren Schritt auf die weitere Opfer­ schicht (19) und in diese Öffnung (21) hinein Material für eine Abdeckungsschicht (22) abgeschieden wird und
in dem fünften Schritt von der Seite her oder durch in der Abdeckungsschicht hergestellte Öffnungen beide Opferschichten rings um die Strukturschicht (1, 10) entfernt werden.