DE19932541B4

DE19932541B4 - Verfahren zur Herstellung einer Membran

Info

Publication number: DE19932541B4
Application number: DE19932541A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr. 72124 Benzel; Stefan Dr. 72810 Finkbeiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JP2001068686A; US6511913B1; JP4753326B2; DE19932541A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Membran (20), bei dem – in einem ersten Schritt auf einer Vorderseite eines p-dotierten Siliziumsubstrats (1) eine n-dotierte Epitaxieschicht (4) aufgebracht wird und – in einem zweiten Schritt ausgehend von einer Rückseite des Siliziumsubstrats (1) eine Ausnehmung (6) eingeätzt wird, wobei – vor dem ersten Schritt eine Maske (2) aufgebracht wird, und eine p-Dotierung (3), die von ihrer Stärke über der p-Dotierung des Siliziumsubstrats (1) liegt, in nicht von der Maske (2) bedeckte Bereiche des Siliziumsubstrats (1) eingebracht wird, und – vor dem zweiten Schritt im Bereich der Membran (20) ein Teil der Epitaxieschicht (4) mit einer p-Dotierung (3) versehen wird, indem durch einen Diffusionsprozess eine Verteilung der p-Dotierung (3) in der Epitaxieschicht (4) erfolgt, so dass die p-Dotierung (3) an der Grenzfläche zwischen Siliziumsubstrat (1) und Epitaxieschicht (4) erzeugt wird, und – bei dem zweiten Schritt ein Ätzprozess verwendet...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Membran, nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Es sind bereits Verfahren zur Herstellung einer Membran bekannt, bei dem auf einem p-dotierten Substrat eine n-dotierte Epitaxieschicht aufgebracht wird. In einem weiteren Schritt erfolgt dann ausgehend von der Rückseite des Substrats die Einätzung einer Ausnehmung, wobei die Ätzung am pn-Übergang zwischen Substrat- und Epitaxieschicht stoppt. Durch die so eingebrachte Ausnehmung werden die geometrischen Abmessungen der Membran festgelegt.
Aus der DE 43 09 207 A1 ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, bei der eine Membran durch eine Rückseitenätzung aus einem p-dotierten Substrat herausgebildet wird. Zur Bildung der Membran wird dabei ein Ätzstopp an einem P/N-Übergang genutzt, wobei sowohl eine strukturierte N+-Zwischenschicht in die Oberfläche des Substrats als auch eine zusätzliche N-Epitaxieschicht auf der Oberfläche erzeugt wird.
Aus der US 5840597 A ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor bekannt, bei dem ein Feder-Massen-System durch eine gezielte Unterätzung freigestellt wird. Dabei wird eine flächige p-dotierte Zone benutzt, die bei dem Ätzschritt entfernt wird.
Aus der DE 34 02 629 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem in einem Halbleitersubstrat ein hoch dotierter Halbleiterbereich erzeugt wird, der bei einem nachfolgenden Ätzprozess zur Bildung der Membran nur selektiv geätzt wird.
Ein weiteres Beispiel zum selektiven Ätzen ist aus der EP 0 822 398 A1 bekannt. Dabei wird eine Epitaxieschicht, die auf der Vorderseite eines Substrats aufgebracht wird, als Ätzstoppschicht für einen Ätzprozess von der Rückseite des Substrats verwendet.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Dicke der Membrane verringert werden kann. Dabei ist es nicht notwendig, die Dicke der Epitaxieschicht zu verringern.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach erfolgt das Einbringen der p-Dotierung in die Epitaxieschicht durch die Verwendung einer Maske und Anbringen eines Dotierstoffs in das Substrat. Dabei kann sowohl aus der Gasphase, wie auch durch Implantation, der Dotierstoff eingebracht werden. Zudem erlaubt die. Maske auch eine strukturierte Aufbringung der p-Dotierung. Wenn sich diese über den gesamten Bereich der Membran erstreckt, kann so die Gesamtdicke der Membran verringert werden. Weiterhin ist es auch möglich nur Teilbereiche, insbesondere Randbereiche der Membran durch Einbringen der p-Dotierung dünner auszugestalten. Einzelne Bereiche der Membran können auch durch Einbringen einer n-Dotierung dicker ausgestaltet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung, bei der der Mittelbereich der Membran verdickt wird und die Randbereiche dünner ausgestaltet werden, da so eine Spannungskonzentration in den Randbereichen erfolgt. Durch Einbringen von Piezowiderständen in der Epitaxieschicht und von integrierten Schaltungen, können Sensoren geschaffen werden, die Spannungszustände in der Membran nachweisen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung im Detail erläutert. Es zeigen die 1 bis 4 ein erstes Herstellungsverfahren, die 5 und 6 ein zweites Herstellungsverfahren und die 7 und 8 eine drittes Verfahren.
Beschreibung
In der 1 wird ein einkristallines Siliziumsubstrat 1 gezeigt, dessen Oberseite mit einer strukturierten Maskierschicht 2 bedeckt ist. Bei dem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 handelt es sich um ein Substrat, welches eine p-Dotierung aufweist. Für die Maskierschicht 2 werden übliche Maskierschichten der Halbleitertechnik, beispielsweise Siliziumoxyd, Siliziumnitrid oder eine Mischung dieser Materialien verwendet. Die Strukturierung der Maskierschicht 2 erfolgt durch Aufbringen einer Fotolackschicht, strukturieren dieser Photolackschicht durch einen Belichtungsprozess und Ätzen der Maskierschicht 2.
In einem weiteren Prozessschritt werden dann die Dotierstoffe 3 in die Oberseite des Siliziumsubstrats eingebracht. Die Maskierung 2 deckt dabei bestimmte Bereiche der Oberfläche des einkristallinen Siliziumsubstrats ab, so dass in diesen Bereichen keine Dotierstoffe eingebracht werden. In der 2 werden die so eingebrachten Dotierstoffe 3 gezeigt und weiterhin ist in der 2, die nun nicht mehr benötigte Maskierschicht 2 wieder entfernt. Bei den Dotierstoffen 3 handelt es sich wiederum um eine p-Dotierung, die jedoch von der in der Stärke der Dotierung über der Dotierung des Substrats 1 liegt. Das Einbringen des Dotierstoffes 3 in die Oberseite des Siliziumsubstrats 1 kann beispielsweise durch implantieren der Oberfläche mit entsprechenden Dotierstoffen erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist eine Temperaturbehandlung, bei dem auf der Oberseite des Siliziumsubstrats 1 Dotierstoffe für eine p-Dotierung in großer Zahl angeboten werden, so daß eine Diffusion von Dotierstoffen in das Siliziumsubstrat 1 hinein folgt.
In einem weiteren Schritt wird nun eine n-dotierte Epitaxieschicht 4 aufgebracht. Wie in der 3 zu erkennen ist, erfolgt dabei durch einen Diffusionsprozess auch eine Verteilung der p-Dotierung 3 in der Epitaxieschicht 4. Der p-dotierte Bereich 3 erstreckt sich somit teilweise in das Siliziumsubstrat 1 und teilweise in die Epitaxieschicht 4 hinein. Die p-Dotierung 3 ist somit an der Grenzfläche zwischen Siliziumsubstrat 1 und Epitaxieschicht 4 angeordnet und erstreckt sich jeweils in beide Gebiete herein. Durch dieses Hereinerstrecken der p-Dotierung 3 wird dann somit ein pn-Übergang zwischen der n-dotierten Epitaxieschicht 4 und der p-Dotierung 3 gebildet. Dieser pn-Übergang ist durch das Einbringen der zusätzlichen p-Dotierung 3 in die Epitaxieschicht 4 hereingelegt. Dies ist für einen nachfolgenden Ätzschritt von Bedeutung.
Es erfolgen noch weitere Prozessschritte, die für eine konkrete Nutzung der Membran von Bedeutung sind. Es werden beispielsweise in zusätzlichen Prozessschritten Piezowiderstandselemente 5 oder Schaltkreise 10 in der Epitaxieschicht 4 erzeugt.
In einem weiteren Schritt erfolgt ausgehend von der Unterseite des Siliziumsubstrats 1 die Einätzung einer Ausnehmung 6. Dieser Zustand wird in der 4 dargestellt. Durch die Ausnehmung 6 wird nun ein Membranbereich gebildet, der aus der n-dotierten Epitaxieschicht 4 besteht. Durch die geometrische Größe der Ausnehmung 6 wird dabei die Größe der Membran festgelegt. Die Dicke der Membran wird hier durch die Dicke der n-dotierten Epitaxieschicht 4 vermindert, um die Dicke mit der die p-Dotierung 3 in die Epitaxieschicht 4 hineinreicht, gebildet. Bei einer vorgegebenen Dicke der Epitaxieschicht kann somit der Membranbereich durch die Verwendung der zusätzlichen Dotierung 3 verringert werden. Dies liegt darin begründet, daß der Ätzprozess für die Ausnehmung 6 an der Grenzfläche zwischen dem p-dotierten Substrat und dem n-dotierten Material der Epitaxieschicht 4 endet. Zur Ätzung der Ausnehmung 6 wird ein elektrochemisches Ätzverfahren verwendet, bei dem durch Anlegen von entsprechenden Spannungen ein Ätzstopp am Übergang zwischen dem p-dotierten Silizium und dem n-dotierten Silizium erreicht wird. Die über dem PN-Übergang anliegende Sperrspannung wird derart gewählt, dass beim Ätzen in KOH mit einer Referenzelektrode z. B. Pt das Potential im p-Gebiet unterhalb des Ätzstopp-Potentials liegt (wird geätzt) und im n-Gebiet oberhalb (wird nicht geätzt).
Es kann so erreicht werden, dass bei vorgegebener Dicke der Epitaxieschicht 4 der Membranbereich von der Dicke her dünner ausgestaltet werden kann als die Epitaxieschicht 4 ist. Da sich die Dotierungsprofile einer derartigen p-Dotierung in einer Epitaxieschicht 4 aus n-dotiertem Silizium sehr genau kontrollieren lassen, lässt sich so auch die Dicke der Membran genau kontrollieren. Eine derartige Verringerung der Membrandicke ist vor allen Dingen auch von Interesse, wenn durch andere Prozesse die Dicke der Epitaxieschicht 4 vorgegeben ist beispielsweise, wenn für das Einbringen einer Schaltung 10 eine bestimmte Schichtdicke der Epitaxieschicht 4 erforderlich ist.
Andere Methoden zur Verringerung der Dicke der Membran, wie beispielsweise ein zeitgesteuertes Abätzen der Epitaxieschicht 4 nur im Membran-Bereich 20, hat das Problem, dass sich damit die exakte Dicke der Membran 20 nur mit geringer Genauigkeit einstellen lässt. Die Schwankungen eines derartigen Prozesses sind sehr viel größer als die Schwankungen die sich dadurch ergeben, dass eine entsprechende p-Dotierung 3 in der Epitaxieschicht 4 ausgebildet wird.
In den 5 und 6 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Mit dem Bezugzeichen 1, 4 und 5 sind in der 5 wieder das Siliziumsubstrat, die Epitaxieschicht und die Piezowiderstände bezeichnet. Weiterhin ist eine p-Dotierung 3 vorgesehen, die sich jedoch nicht über den gesamten Membranbereich 20 (der erst in 6 gezeigt wird) erstreckt, sondern nur in einem Randbereich ausgebildet ist. Dabei umgibt die p-Dotierung 3 den gesamten Randbereich des Membranbereichs 20. In der Mitte des Membranbereichs 20 ist hingegen eine starke n-Dotierung 8 vorgesehen. Diese n-Dotierung 8 wird mit einem ähnlichen Prozess eingebracht, wie er zum Einbringen der Dotierung 3 beschrieben wurde. Bei einem nachfolgenden elektrochemischen Ätzung wie sie bereits beschrieben wurde, wird dann die Membran 20 geschaffen, wie sie in der 6 dargestellt ist. In einem Randbereich (das heißt in dem Bereich wo die p-Dotierung 3 vorgesehen war) ist die Dicke der Membran 20 geringer als die ursprüngliche Dicke der Epitaxieschicht 4, während im Mittelbereich (wo die starke n-Dotierung 8 eingebracht war), der Membranbereich 20 dicker als die ursprüngliche Dicke der Epitaxieschicht 4 ausgebildet ist. Es lässt sich somit ein Membranbereich 20 schaffen, bei dem gezielt einzelne Bereiche in ihrer Dicke vergrößert werden, während andere Bereiche in ihrer Dicke verringert werden. Dies ist insbesondere bei Membranbereichen 20 von Vorteil, die für Drucksensoren Verwendung finden, da so im Bereich der ebenfalls in der 6 dargestellten Piezoelemente besonders hohe mechanische Kräfte auftreten können. Durch die Verwendung eines verdickten Mittelbereichs, in der Mitte des Membranbereichs 20, wird dabei die Linearität eines derartigen Sensors verbessert.
In den 7 und 8 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Mit dem Bezugzeichen 1, 4 und 5 sind in der 7 wieder das Siliziumsubstrat, die Epitaxieschicht und die Piezowiderstände bezeichnet. Weiterhin ist wie in den 5 und 6 eine p-Dotierung 3 vorgesehen, die nur in einem Randbereich ausgebildet ist. Dabei umgibt die p-Dotierung 3 den gesamten Randbereich des Membranbereichs 20.
In der Mitte des Membranbereichs 20 ist wie in den 5 und 6 eine starke n-Dotierung 8 vorgesehen. Zusätzlich wird der gesamte Randbereich der Membran 20 noch von einer starken n-Dotierung 8 umgeben. Wie in der 8 zu sehen ist, wird so ein Membranbereich 20 geschaffen, bei dem der äußere Rand verdickt ist, weiter innen (unter den Piezoelemeneten 5) ist dann der Membranbereich 20 dünner ausgelegt und im Mittelbereich wird wieder eine Verdickung vorgesehen. Der Membranbereich 20 der 8 unterscheidet sich vom membranbereich 20 wie er in der 6 gezeigt wird durch die zusätzliche aüßere Verdickung der Membran. Durch diese Maßnahme wir errreicht, dass beim Ätzen der Ausnehmung 6 Dickenschwankungen des Siliziumsubstrats nicht so sehr ins Gewicht fallen. Die durch solche Variationen bedingte Vergrößerung des Membranbereichs 20 liegen in einem verdickten Bereich und so werden die mechanischen Eigenschaften der Membran nicht wesentlich beeinflusst.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Membran (20), bei dem – in einem ersten Schritt auf einer Vorderseite eines p-dotierten Siliziumsubstrats (1) eine n-dotierte Epitaxieschicht (4) aufgebracht wird und – in einem zweiten Schritt ausgehend von einer Rückseite des Siliziumsubstrats (1) eine Ausnehmung (6) eingeätzt wird, wobei – vor dem ersten Schritt eine Maske (2) aufgebracht wird, und eine p-Dotierung (3), die von ihrer Stärke über der p-Dotierung des Siliziumsubstrats (1) liegt, in nicht von der Maske (2) bedeckte Bereiche des Siliziumsubstrats (1) eingebracht wird, und – vor dem zweiten Schritt im Bereich der Membran (20) ein Teil der Epitaxieschicht (4) mit einer p-Dotierung (3) versehen wird, indem durch einen Diffusionsprozess eine Verteilung der p-Dotierung (3) in der Epitaxieschicht (4) erfolgt, so dass die p-Dotierung (3) an der Grenzfläche zwischen Siliziumsubstrat (1) und Epitaxieschicht (4) erzeugt wird, und – bei dem zweiten Schritt ein Ätzprozess verwendet wird, der p-dotiertes Silizium ätzt und n-dotiertes Silizium nicht ätzt, wodurch eine gezielte Strukturierung der unteren Seite der Epitaxieschicht (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die p-Dotierung (3) über die gesamte Membran (20) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die p-Dotierung (3) nur über Teilbereiche der Membran (20) erstreckt, so dass die Membran (20) gezielt in einzelnen Bereichen in ihrer Dicke verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die p-Dotierung (3) über Randbereiche der Membran (20) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Membran (20) zusätzlich eine n-Dotierung (8) in das Substrat (1) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die n-Dotierung (8) in einem Mittelbereich der Membran (20) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die n-Dotierung (8) über Randbereiche der Membran (20) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Epitaxieschicht (4) piezoresistive Widerstandselemente (5) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Epitaxieschicht (4) integrierte Schaltungen (10) eingebracht werden.