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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement
mit hohem Aspektverhältnis
und ein CMOSkompatibles Herstellungsverfahren dafür.
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Mikromechanisch
hergestellte Halbleiterbauelemente besitzen üblicherweise ein mechanisch operierendes
Funktionselement, das vorzugsweise durch eine dünne Polysiliziumschicht gebildet
wird, die nach Möglichkeit
zusammen mit Polysiliziumschichten für integrierte Bauelemente einer
elektronischen Schaltung hergestellt wird. Zur Steigerung der Empfindlichkeit
derartiger mikromechanischer Bauelemente als Sensoren bzw. zur Erhöhung des
Wirkungsgrades entsprechender Aktuatoren ist eine Vergrößerung der
Fläche
oder Masse der Strukturschicht, z. B. durch eine dicker abgeschiedene
Polysiliziumschicht, gefordert. Eine Erhöhung der Schichtdicke ist allerdings
mit erheblichem Aufwand verbunden und ist insbesondere im Rahmen
eines Herstellungsprozesses für
Halbleiterbauelemente, z. B. eines CMOS-Prozesses, nicht ohne Schwierigkeiten
ausführbar.
Darüber
hinaus sind wegen der zwangsläufig
entstehenden Stufen auf der Oberseite des Chips erhebliche Probleme
bei nachfolgenden Prozessschritten zu erwarten. Trotzdem wird bei
der Herstellung mikromechanischer Bauelemente versucht, das Aspektverhältnis, d.
h. das Verhältnis
der Höhe
der Struktur zu deren lateralen Abmessungen, zu vergrößern.
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Aus
der
DE 41 25 398 A1 ist
ein Drucksensor bekannt, bei dem eine Strukturschicht einen flächig ausgedehnten
Anteil hat. Senkrecht zu diesem flächig ausgedehnten Anteil sind
weitere Anteile vorgesehen, die eine Versteifung des flächig ausgedehnten
Anteils bewirken. Dabei sind einige dieser weiteren Anteile stegförmig gestaltet.
Die Abmessung dieser weiteren, stegförmigen Anteile beträgt in der
zum flächigen
Anteil koplanaren Ebene etwa das Doppelte der Dicke des flächigen Anteils.
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Ein
Bauelement mit stegförmig
ausgebildeten Ansätzen,
die eine Versteifung eines flächig
ausgedehnten Anteils bewirken sollen, ist auch aus R. S. Muller
et al., „Surface-Micromachined Microoptical Elements
and Systems”,
Proceedings of the IEEE, vol. 86, no. 8, August 1998, Seiten 1705–1720, bekannt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromechanisch herstellbares
Bauelement als Sensor oder Aktuator anzugeben, mit dem deutliche Verbesserungen
der Empfindlichkeit oder des Wirkungsgrades erzielt werden, das
nur geringen zusätzlichen
Herstellungsaufwand erfordert und das besonders torsionsfest ausgebildet
ist; außerdem soll
ein Herstellungsverfahren geringen Aufwandes hierfür angegeben
werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches
1 bzw. mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Bauelement
besitzt eine Strukturschicht, die zwar die übliche geringe Dicke einer
als Polysiliziumschicht abgeschiedenen Strukturschicht aufweist,
die aber stellenweise eine wesentliche Ausdehnung in Richtung senkrecht
zur Schichtebene aufweist. Diese dreidimensionale Ausdehnung der
im Grunde ebenen Strukurschicht 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 Schichtebene können
als Elektroden elektrisch leitend dotiert sein oder als zusätzliche
Masse zur Beschwerung der Strukurschicht vorgesehen sein. Werden
diese Anteile als längliche stegförmige Ansätze ausgebildet,
erhält
man eine mechanische Stabilisierung und Versteifung der Strukturschicht,
die bei mikromechanischen Sensoren üblicherweise relativ zum Chip
frei beweglich angebracht ist, so daß die Gefahr unerwünschter
Verformungen der Strukturschicht besteht.
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Ein
bevorzugtes Herstellungsverfahren des Bauelementes umfaßt die ganzflächige Abscheidung eines
für die
Strukturschicht vorgesehenen Materiales, z. B. Polysilizium, auf
die Oberseite eines mit Gräben
versehenen Halbleiterkörpers.
Werden diese Gräben
ausreichend schmal hergestellt, können sie bereits mit dem Aufbringen
einer dünnen
Polysiliziumschicht vollständig
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 Opferschicht läßt sich
anschließend
entfernen, damit die Strukturschicht relativ zum Halbleiterkörper die
vorgesehene Beweglichkeit erhält.
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Es
folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen Bauelementes
und des angegebenen Herstellungsverfahrens anhand der in den 1 bis 7 dargestellten
Ausführungsbeispiele.
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1 bis 3 zeigen
ein typisches Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Bauelementes
in Aufsicht bzw. im Querschnitt.
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4 bis 7 zeigen
Querschnitte durch Zwischenprodukte eines Bauelementes zur Erläuterung
des Herstellungsverfahrens.
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1 zeigt
in Aufsicht auf ein typisches Beispiel des erfindungsgemäßen Bauelementes
die Bauelementstruktur eines mikromechanisch herstellbaren Beschleunigungssensors.
Derartige Beschleunigungssensoren besitzen eine träge Masse,
die an Federn 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 zumindest darin oder daran ausgebildete
Elektroden aus leitendem Material, die mit entsprechenden Anschlüssen auf dem
Halbleiterchip elektrisch leitend verbunden sind. Auf dem Substrat
oder Halbleiterkörper
befinden sich fest dazu angeordnete Elektroden 2, 3,
so daß zwischen
den Elektroden des Masseteiles und den fest angebrachten Elektroden
Kondensatoren gebildet werden. Änderungen
der Kapazitäten
dieser Kondensatoren werden gemessen, um eine Auslenkung des Masseteiles
infolge einer durch eine Beschleunigung hervorgerufenen Trägheitskraft
zu bestimmen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 1 sind die an dem Masseteil vorhandenen Elektroden
durch weitere Anteile 1 der Strukturschicht gebildet. Der schichtartig
ausgebildete flächige
Anteil der Strukturschicht befindet sich als Schicht im Abstand
zu der gezeigten Struktur oberhalb der Zeichenebene. Die weiteren
Anteile 1 sind senkrecht zu dieser Schichtebene angebrachte
schmale Teile der Strukturebene. Diese weiteren Anteile sind in 1 im
Querschnitt eingezeichnet. Die schmalen Teile mit rechteckigem Querschnitt
bilden die Gegenelektroden zu den am Substrat befestigten 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, sind zusätzlich die in 1 eingezeichneten
Querbalken 7 vorhanden. Diese Anteile 6, 7 dienen
außerdem
einer Erhöhung
der trägen
Masse der beweglichen Strukturschicht.
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Die
Elektroden 2, 3 sind vorzugsweise durch elektrisch
leitend dotiertes Halbleitermaterial ausgebildet und miteinander
durch einen weiteren Halbleiterbereich 9 elektrisch leitend
miteinander verbunden. Über
diesen weiteren Halbleiterbereich 9, der die in 1 eingezeichnete
schmale Abmessung besitzen 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 Abdeckungsschicht vorhanden sein, mit der der Sensor nach oben
abgedeckt und geschützt
wird. Aus der 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
(koplanar zur Zeichenebene) in in der Zeichnung waagrechter Richtung
eine gegensinnige Änderung
der von den beweglichen Elektroden 1 und den jeweiligen
fest am Substrat angebrachten Elektroden 2, 3 bewirkt.
Eine derartige differentielle Kapazitätsänderung eignet sich besonders
gut für
eine empfindliche Erfassung einer Bewegung der Strukturschicht.
Ein derartiger erfindungsgemäßer Beschleunigungssensor
bietet daher die Vorteile einfacher Herstellbarkeit, ausreichend
großer
Masseträgheit
des Sensorelementes sowie einer einfach reali sierbaren Elektrodenanordnung
für differentielle
Kapazitätsmessung.
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2 zeigt
den in 1 eingezeichneten Querschnitt II-II, von dem nur
die äußeren Konturen, ohne
Darstellung von Halbleiterschichten, wiedergegeben sind. Es ist
daher in 2 deutlich erkennbar, daß auf einem
Substrat oder Halbleiterkörper 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
ausgedehnten und im wesentlichen ebenen Anteil 10 sowie
die erfindungsgemäß vorhandenen
weiteren Anteile 1, die einerseits eine Versteifung der
Strukturschicht bewirken und andererseits für die besonderen Eigenschaften
des jeweiligen Sensors oder Aktuators geeignet ausgebildet die dreidimensionale
Strukturierung der Strukturschicht darstellen.
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3 zeigt
in einem entsprechend 2 schematisierten Querschnitt
III-III die ebenfalls in 1 eingezeichnete Ansicht. Es
ist dort die flächige Ausdehnung
der weiteren Anteile 1 die bei diesem Ausführungsbeispiel
Elektroden bilden, erkennbar. In 3 ist eine
weitere mögliche
Ausgestaltung des Bauelementes mit einer Abdeckungsschicht 12 dargestellt,
die mit Stützen 13 auf
dem Sockel 8 ruht. Diese Abdeckungsschicht 12 deckt
das Bauelement nach oben ab und schützt damit das bewegliche Element.
Statt eine solche Abdeckungsschicht 12 vorzusehen, kann
das Bauelement in der Ausführung
nach 2 in ein geeignet dimensioniertes und an sich
bekanntes Gehäuse
eingebaut werden.
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Die
erfindungsgemäß gestalteten
weiteren Anteile 1 der Strukturschicht können in
den jeweiligen Bedürfnissen
entsprechend abgewandelter Form zur Ausgestaltung des Bauelementes
als Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Drehmomentsensor, Drucksensor
oder mikromechanischer Aktuator konzipiert sein. Insbesondere bei
einem z. B. piezoresistiv messenden Be schleunigungssensor können die weiteren
Anteile 1 der Strukturschicht nur dazu dienen, die Strukturschicht
zu versteifen und deren träge Masse
zu erhöhen.
Die weiteren Anteile 1 können dazu die in 1 als
Beispiel dargestellten geradlinigen oder kreuzweise aneinandergesetzten
Ausrichtungen besitzen oder auch mäanderförmig gewunden oder gekrümmt sein.
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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 hergestellt
werden. Ein geeignetes Herstellungsverfahren, das in einen CMOS-Prozeß integriert werden
kann, wird nachfolgend anhand der 4 bis 7 beschrieben.
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4 zeigt
im Querschnitt ein Zwischenprodukt eines erfindungsgemäßen Bauelementes,
das zur Erläuterung
eine als Beispiel dienende Struktur aufweist. Das Substrat oder
der Halbleiterkörper 11 können auch
durch eine Halbleiterschichtstruktur gebildet sein. Der Halbleiterkörper 11 kann
schwach elektrisch leitend dotiert sein oder mit einer isolierenden
Schicht bedeckt sein. Darauf werden weitere Schichten, insbesondere
aus Halbleitermaterial, aufgebracht. Die in 4 eingezeichnete
erste weitere Schicht 14 kann z. B. eine dielektrische
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 Elektroden
fungiert. Wenn der Halbleiterkörper 11 oder
die darauf aufgebrachte Schichtfolge aus Halbleitermaterial schwach
für elektrische
Leitfähigkeit des
entgegengesetzten Vorzeichens wie das Vorzeichen der Leitfähigkeit
der Schicht 14 dotiert wird, ist ein pn-Übergang
ausgebildet, der bei geeigneter Polung der angelegten Spannungen
eine Isolation der Elektroden gegenüber dem Halbleiterkörper bewirkt. In
dem in 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
aufgewachsen werden, oder die Schichten werden als schichtartige
dotierte Bereiche in einem Halbleiterkörper durch Eindiffusion von
Dotierstoffatomen hergestellt. Je nach Prozeßführung kann auf der Oberseite
des Halbleitermaterials eine Isolationsschicht 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 einer Hartmaske aus Oxid hergestellt. Gleichzeitig
können
in diesem Ätzschritt
Strukturierungen der vorgesehenen Elektroden 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 einem herzustellenden Bauelement beliebig variiert werden.
Es wird ganzflächig
eine Opferschicht 17 aufgebracht, für die ein Material verwendet
wird, das selektiv bezüglich des
Materiales, das für
die herzustellende Strukturschicht vorgesehen ist, entfernt werden
kann. Diese Opferschicht 17 füllt insbesondere alle diejenigen Gräben auf,
die nur zur Strukturierung des Halbleiterkörpers oder der Halbleiterschichtstruktur
dienen und in dem in der 4 dargestellten Beispiel die
Elektroden 2, 3 voneinander trennen. Die Gräben 20,
die zur Herstellung der beschriebenen weiteren Anteile der Strukturschicht
vorgesehen sind, werden von dieser Opferschicht 17 nicht
aufgefüllt.
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In 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
verbleibende Krater sind für
die Funktionsweise des Bauelementes in der Regel unschädlich. In
der 5 sind durch die beiden senkrechten gestrichelten
Linien die vorgesehenen Ränder
der fertiggestellten Strukturschicht angedeutet. Als Material 18 für die Strukturschicht
ist vorzugsweise Polysilizium geeignet. Es kommen aber grundsätzlich alle Materialien,
die für
mikromechanische Komponenten eingesetzt werden, in Frage.
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In 6 ist
im Querschnitt die fertig hergestellte Strukturschicht 1, 10 dargestellt,
die einen im wesentlichen ebenen Anteil 10 und die in die
Vertikale ragendenden 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 6 z. B. vor oder hinter der
Zeichenebene, auf den Halbleiterschichten 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 Opferschicht 19 abgeschieden. Über den als Sockel 8 vorgesehenen
Bereichen der Oberseite werden Öffnungen 21 in
den Opferschichten und gegebenenfalls in der Isolierungs- oder Planarisierungsschicht 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.
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7 zeigt
die nach dem Entfernen der beiden Opferschichten verbleibende Struktur
mit der Abdeckungsschicht 22, die auf dem in die Öffnungen 21 abgeschiedenen
Material, das jetzt Stützen 23 bildet, aufgestützt ist.
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Aus
den idealisierten Darstellungen der Figuren ist zu entnehmen, daß die Gräben 20 mit
dem Material 18 der Strukturschicht gefüllt werden, wenn die laterale
Abmessung der Gräben
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 4 bis 7 dargestellten Zwischenraumes
vollständig
von dem Material der Opferschicht 17 aufgefüllt.
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Die
besonderen Vorteile der Erfindung sind die Erzeugung hoher Aspektverhältnisse
der mikromechanischen Komponente, ohne daß dicke Schichten aus Polysilizium
abgeschieden werden müssen, eine
einfache Herstellung von vertikalen Elektrodenstrukturen an dem
mikromechanischen Element und eine selbstplanarisierende Herstellung
der für
das bewegliche Elementvorgesehenen Strukturschicht. Eine volle Kompatibilität zu CMOS-Prozessen
oder vergleichbaren Herstellungsprozessen für integrierte Schaltungen ist
gegeben.