DE4332653C1 - Monolithisch integriertes Halbleiterelement, dessen Verwendung sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterelementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein monolithisch integriertes Halb­ leiterelement gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, dessen Verwendung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterelementes.

Ein solches monolithisch integriertes Halbleiterelement mit einem über einer Membran angeordneten und auf Trägerstegen sitzenden Balken ist bereits in einem Artikel in Sensors and Actuators A, 25-27, 1991, auf den Seiten 717 bis 722 beschrieben worden. Das dort vorgestellte Halb­ leiterelement ist zum Einsatz als Drucksensor vorgesehen und durch anisotropes Ätzen von zwei zunächst voneinander ge­ trennten Halbleitersubstraten hergestellt. Auf dem ersten Halbleitersubstrat wird durch anisotropes Ätzen eine recht­ eckförmige Membran mit Seitenlängen von 5 und 2,5 mm Länge und einer Dicke zwischen 50 und 80 µm hergestellt, wobei auf der Membran zwei voneinander beabstandete Trägerstege durch eine geeignete Maskierungstechnik stehenbleiben. Im zweiten Halbleitersubstrat wird ein von einem Rahmen gehalterter Balken ebenfalls durch anisotropes Ätzen hergestellt. Die beiden Halbleitersubstrate werden dann so miteinander ver­ bunden, daß der Balken des zweiten Halbleitersubstrates auf den Trägerstegen des ersten Halbleitersubstrates zum Liegen kommt und dann in einem Ofen bei 1100°C mit diesem verbun­ den wird. In einem weiteren Schritt wird der auf den Träger­ stegen liegende Balken dann von seinem Rahmen des zweiten Halbleitersubstrates mechanisch abgetrennt.

Auf diese Weise wird eine sog. BOD-(Bridge-On-Diaphragm)- Struktur hergestellt, die sich durch eine hohe Empfindlich­ keit gegenüber Verformungen der Membran auszeichnet. Die Druckempfindlichkeit des Halbleiterelementes wird durch die Dicke der Membran und die Höhe der Trägerstege und der Balkendicke bestimmt, welche nach Art einer Hebelwirkung die Verformung der Membran an den Balken weitergeben. Der auf den Trägerstegen liegende Balken dient dabei als Resonator­ element.

Problematisch bei diesem bekannten Halbleiterelement ist dessen verhältnismäßig komplizierte Herstellung, da zwei Halbleiterplättchen zunächst bearbeitet und schließlich ausgerichtet miteinander verbunden werden müssen.

Ein monolithisch integriertes Halbleiterelement, das eben­ falls als Drucksensor zu verwenden ist, allerdings aus einem einzigen Halbleitersubstrat gebildet wird, ist in der EP 0 244 086 A2 sowie der Druckschrift J. Phys. E: Sc. Instrum. Volumen 17, 1984, auf den Seiten 650 bis 652 beschrieben. Das dort beschriebene monolitisch integrierte Halbleiterelement weist eben­ falls auf einer Membran angeordnete Trägerstege auf, welche ein parallel zu den Trägerstegen liegendes Resonatorelement über Verbindungsleisten halten. Die gesamte Halbleiterstruk­ tur wird dabei durch Dotieren und anschließendes anisotropes Ätzen hergestellt. Im einzelnen wird die Struktur des Reso­ nators durch Bordiffusion über eine Oxydmaske auf einer Seite des Wafers erzeugt und die Membran durch Bordiffusion auf der anderen Seite des Wafers zur gleichen Zeit herge­ stellt. Nach der Bordiffusion wird Siliziumnitrid über den gesamten Wafer abgeschieden und Fenster mit Hilfe einer geeigneten Maskierung für den ersten Ätzschritt, in dem die Resonatorstruktur weitgehend unterätzt wird, geöffnet. Das Siliziumnitrid wird dann durch Plasmaätzen entfernt und das Siliziumätzen in einem zweiten Schritt vervollständigt.

Problematisch bei diesem Herstellungsverfahren des inte­ grierten Halbleiterelementes ist, daß der hergestellte Resonator verhältnismäßig dünn ist und aufgrund der Dotie­ rung der Resonator mechanisch vorgespannt ist. Dies kann dazu führen, daß die Zuordnung von Druck und Resonanzfre­ quenz nicht mehr eindeutig ist. Darüber hinaus steht durch die dünne Resonatorstruktur lediglich ein einge­ schränkter Meßbereich bei der Verwendung des Halbleiterele­ mentes als Drucksensor zur Verfügung. Zudem zeichnet sich der in dieser Form hergestellte Drucksensor durch eine weitgehend nicht lineare Kennlinie infolge der dünnen Reso­ natorstruktur aus.

Aus IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 35, Nr. 6, Juni 1988, S. 764-770, ist ein Beschleunigungssensor in Form eines monolithisch integrierten Siliziumelementes mit einer quadratischen Membran bekannt. Dort ist allerdings von keiner BOD-Struktur die Rede, sondern eine Membran vorgese­ hen, die selbst von vier jeweils seitlich an der Membran angeordneten Haltestegen an einem Siliziumrahmen gehalten ist.

Aus DD 2 72 737 A1 ist darüber hinaus ein Drucksensor be­ schrieben, der eine schmale rechteckige Membran aus mono­ kristallinem Silizium aufweist. Die Membran des Drucksensors ist in einen Siliziumrahmen mit erhöhter Steifigkeit einge­ spannt. Eine über der Membran angeordnete Balkenstruktur zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Drucksensors ist nicht beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein monolithisch integriertes Halbleiterelement zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist und mit reproduzierbaren Eigenschaften, insbesondere durch eine einfache Herstellungstechnik realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird für das monolithisch integrierte Halblei­ terelement durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für das Herstellungsverfahren durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen monolithisch integrierten Halbleiterelementes ist Gegenstand der Ansprüche 14 und 15.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, die Mem­ bran, die Trägerstege und die Balkenstruktur für einen Sensor einstückig aus einem gemeinsamen Halbleitersubstrat zu bilden und dabei solche Berandungsflächen vorzusehen, die durch eine unterschiedliche Ätzrate in verschiedenen Kri­ stallorientierungen des Halbleitersubstrates bestimmt sind.

Ein solches monolithisch integriertes Halbleiterelement wird im wesentlichen durch folgende Verfahrensschritte herge­ stellt:

• - Aufbringung einer Maskierschicht, z. B. einer Oxydschicht, auf gegenüberliegenden Oberflächen eines Halbleitersub­ strates, das vorzugsweise ein Siliziumsubstrat ist, mit einer vorgegebenen Oberflächen-Kriststallorientierung,
• - gleichmäßige flächige Zerstörung oder teilweise Zerstörung der Kristallstruktur des Halbleitersubstrates ausgehend von einer Oberfläche, um nach einem nachfolgenden Ätzvor­ gang eine sich im Halbleitersubstrat ausbildende Membran mit einer darüber angeordneten und auf Trägerstegen sit­ zenden Balkenstruktur zu erhalten, und
• - anisotropes Ätzen, bis die Balkenstruktur freigeätzt ist und unter der Balkenstruktur eine Membran mit einer vorge­ gebenen Dicke verbleibt.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, als Halblei­ tersubstrat hierfür einkristallines Silizium mit einer ⟨110⟩-Kristallorientierung zu verwenden. Die gleichmäßige flächige Zerstörung bzw. teilweise Zerstörung bis zu einer vorgegebenen Tiefe des Halbleitersubstrates erfolgt darüber hinaus in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung mit einem Laser, d. h. mit Laserstrahlung. Hierbei ist jedoch anzumerken, daß grundsätzlich auch andere Verfahren einsetz­ bar sind. Zur Zerstörung der Kristallstruktur kann innerhalb des Halbleitersubstrates in den vorgegebenen Bereichen grundsätzlich auch ein Ultraschallbohren, eine Bearbeitung mittels eines geeigneten mechanischen Fräsers oder eine Zerstörung mit hochenergetischen Teilchen vorgesehen werden.

Bei der Verwendung von einkristallinem ⟨110⟩-Silizium als Halbleitersubstrat wird die Oberfläche des Siliziumsubstra­ tes derart zerstört bzw. teilweise zerstört, daß sich nach dem erfolgten Ätzvorgang ein Balken bzw. eine Balkenstruktur innerhalb des Siliziumsubstrates ausbildet, welche längs einer [10]-Kristallrichtung angeordnet ist. Die Zerstörung bzw. teilweise Zerstörung der Kristallstruktur des Silizium­ substrates erfolgt derart, daß die Trägerstege vorzugsweise orthogonal zur Balkenstruktur angeordnet sind.

Das anisotrope Ätzen erfolgt vorzugsweise in einer 30%igen Kaliumhydroxyd-Lösung bei einer Temperatur von annähernd 60°C.

Um darüber hinaus feststellen zu können, wann die Balken­ struktur beim anisotropen Ätzen freigeätzt ist und somit freitragend über der Membran liegt, wird auf dem Halbleiter­ wafer ein Testbereich mit einer weiteren Balkenstruktur vorgesehen, die der über der Membran liegenden Balkenstruk­ tur entspricht, allerdings keine Trägerstege aufweist. Sobald beim anisotropen Ätzen diese weitere Balkenstruktur - im einfachsten Fall ein einzelner Balken - herabfällt, ist dies ein Signal für die Beendigung des Ätzvorganges.

Bei hohen Anforderungen an die Strukturauflösung wird vor der Zerstörung bzw. teilweisen Zerstörung der Kristallord­ nung des Halbleitersubstrates, die zuvor auf dem Halbleiter­ substrat aufgebrachte Oxydschicht in vorgegebenen Bereichen zur Definition der Membran, der Trägerstege und des Balkens mit Hilfe eines Lithographieschrittes geöffnet. Darüber hinaus ist es auch möglich, die beim Lithographieschritt unmaskierten Bereiche vor der Zerstörung bzw. teilweisen Zerstörung der Kristallordnung des Halbleitersubstrates anisotrop anzuätzen.

Bei der Verwendung von ⟨110⟩-Silizium als Halbleitersubstrat zum Herstellen eines solchen Halbleiterelementes kann zur Massenproduktion ein ⟨110⟩-Siliziumwafer, der beidseitig poliert ist und eine niedrige Dotierung (ca. 10 Ohm cm) aufweist, vorgesehen werden. Die Dicke des Siliziumwafers kann zwischen 300 µm und 600 µm, vorzugsweise etwa bei 380 µm liegen. Danach erfolgt eine thermische Oxydation, so daß eine etwa 1 µm dicke Maskierschicht auf den beiden Oberflä­ chen des Siliziumwafers aufgebracht wird. Anschließend erfolgt die oben bereits diskutierte Zerstörung bzw. teil­ weise Zerstörung einer Oberfläche des Siliziumwafers in vorgegebenen Bereichen, wobei ein Lithographieschritt vorge­ sehen werden kann. Anschließend wird der Siliziumwafer anisotrop geätzt und das Abtragen der Oxydschicht in gepufferter Flußsäure, also in einem Naßätzprozeß, durch­ geführt. Letztlich wird der Siliziumwafer in einzelne Halb­ leiterelemente geteilt und eine geeignete Kontaktierung aufgebracht.

Es hat sich bei der Verwendung von ⟨110⟩-Silizium als Aus­ gangssubstrat als besonders günstig erwiesen, die Zerstörung bzw. teilweise Zerstörung der Kristallordnung des Silizium­ substrates so vorzusehen, daß ein H-förmiger Bereich der Oberfläche des Siliziumsubstrates nicht zerstört wird. Der mittlere Schenkel der H-Struktur ist dabei so auszurichten, daß dieser längs zur [10]-Kristallrichtung liegt. Hierdurch wird gewährleistet, daß der Balken beim anisotropen Ätzvor­ gang so freigeätzt wird, daß seine sich gegenüberliegenden Schenkel jeweils {111}-Berandungsflächen aufweisen. Bei geeigneter Tiefe der Zone gestörter Kristallordnung bildet sich je nach Ätzdauer beim anisotropen Ätzen die Balken­ struktur mit einem Balken aus, der einen trapezförmigen oder dreieckförmigen Querschnitt aufweist, wobei sich {111}-Be­ randungsflächen einstellen.

Obwohl die Balkenstruktur im einfachsten Fall aus einem einzigen Balken bestehen kann, hat es sich auch als zweckmä­ ßig erwiesen, für eine Momentenkompensation mehrere Balken parallel zueinander anzuordnen. Als günstig hat sich hierbei eine Balkenstruktur mit drei oder vier parallel zueinander angeordneten Balken herausgestellt.

Darüber hinaus ist es zweckmäßig, zur Reduzierung der Luft­ dämpfung das Halbleiterelement mit einer Verkapselungsein­ richtung zu versehen. Das Innere der Verkapselungseinrich­ tung wird hierfür zweckmäßigerweise evakuiert.

Darüber hinaus ist es auch möglich, das Resonatorelement, d. h. die Balkenstruktur, mit einer zusätzlichen seismischen Masse zu versehen (beispielsweise durch Aufdampfen). Eine solche zusätzliche Masse dient als Basisstruktur für Be­ schleunigungssensoren.

Zusätzlich ist auf den Trägerstegen eine Leitungsführung aufgebracht, so daß eine leitende Verbindung zur Balken­ struktur möglich ist.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Halbleiter­ elementes bzw. dessen Herstellungsverfahrens sind folgende:

• - das Herstellungsverfahren benötigt keine zusätzlichen Dotierungsschritte oder Epitaxieschritte, um Ätzstopp­ schichten herzustellen,
• - das Halbleitersubstrat braucht nur von einer Oberfläche her bearbeitet zu werden,
• - es sind im Vergleich zum Stand der Technik dickere Balken­ strukturen realisierbar, wodurch eine höhere mechanische Belastbarkeit des Halbleiterelementes erreicht wird,
• - eine dreieckige bzw. trapezförmige Querschnittsform der Balkenstruktur sorgt für eine hohe Meßempfindlichkeit,
• - bei der Bearbeitung mit Laserstrahlung zur flächigen Zerstörung bzw. teilweisen Zerstörung der Kristallstruktur bestehen große Variationsmöglichkeiten bei der Auswahl der Geometrie der zu zerstörenden Bereiche. Im Vergleich zu mechanischen Bearbeitungsverfahren, wie z. B. Schleifen, Sägen o. ä., zeichnen sich die bearbeiteten Halbleitersub­ strate durch eine höhere Bruchsicherheit aus,
• - beim Einsatz des Halbleiterelementes als Drucksensor ergibt sich ein weiter Meßbereich mit einer nahezu line­ aren Kennlinie.

Das erfindungsgemäße monolithisch integrierte Halbleiterele­ ment ist als Basisstruktur für zahlreiche mikromechanische Sensoren und Aktoren verwendbar. Als Wandlerprinzipien können z. B. eingesetzt werden: elektrothermisch, elektrosta­ tisch, elektromagnetisch, resistiv, piezoresistiv, magneto­ striktiv, elektroakustisch, piezoelektrisch zur Realisierung von Sensoren und Aktoren mit analogem und frequenzanalogem Funktionsprinzip.

Das erfindungsgemäße Halbleiterelement eignet sich insbeson­ dere als Drucksensor, Kraftsensor, Beschleunigungssensor sowie als taktiler Sensor mit analogem oder frequenzanalogem Ausgangssignal. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Halbleiterelement für die Realisierung von Aktorbauelemen­ ten, wie Schalter, Ventile, Klappenanzeigen, Antriebe usw. eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit der Erläuterung der einzelnen Herstellungsschritte beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines erfindungs­ gemäßen monolithisch integrierten Halbleiter­ elementes,

Fig. 2 ein Beispiel für eine mögliche Prozeßabfolge zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mono­ lithisch integrierten Halbleiterelementes, dargestellt anhand der einzelnen Prozeßschrit­ te,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines durch die in Fig. 2 dargestellte Prozeßabfolge hergestellten Halb­ leiterelementes,

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich zu Fig. 1 mit einer Balkenstruktur, die mehrere zueinander parallel liegende Balken aufweist,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit Balkenstruktur, Schichtaufbau und Leitungsführung und

Fig. 6 die Darstellung eines erfindungsgemäßen Halb­ leiterelementes mit Verkapselungseinrichtung.

In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen monolithisch integrierten Halbleiterelementes dargestellt. Das Halbleiterelement weist eine über einer Membran 5 ange­ ordnete und auf zwei Trägerstegen 15, 16 sitzende Balken­ struktur 10 auf. Die Balkenstruktur 10 besteht in der Dar­ stellung von Fig. 1 aus einem einzigen Balken. Die Membran 5, die Trägerstege 15, 16 und der Balken 10 sind aus einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 1, das beispielsweise einkri­ stallines Silizium sein kann, gebildet und damit einstückig aneinandergeformt. Die Membran 5, die Trägerstege 15, 16 und die Balkenstruktur 10 weisen Berandungsflächen 20, 21 auf, die durch unterschiedliche Ätzraten in verschiedenen Kri­ stallorientierungen des Halbleitersubstrates 1 bestimmt sind. Diese besonders ausgebildeten Berandungsflächen 20, 21 sind in der Darstellung von Fig. 1 der Einfachheit halber nicht maßstabsgetreu dargestellt. Es ist jedoch deutlich zu erkennen, daß die Querschnitte der Trägerstege 15, 16 einen mittleren Abschnitt mit parallel zueinander liegenden Beran­ dungsflächen 20 aufweisen, an denen sich nach oben und unten verbreiternde Wandungen anschließen. Im Zusammenhang mit den nachfolgenden Fig. 2 und 3 und der dazugehörenden Erläu­ terung wird die Ausbildung dieser Berandungsflächen 20, 21 deutlich.

Obwohl prinzipiell jedes Halbleitermaterial, wie z. B. GaAs, zur Herstellung eines erfindungsgemäßen monolithisch inte­ grierten Halbleiterelementes geeignet ist, wird die Erfin­ dung im folgenden anhand eines einkristallinen Siliziumsub­ strates erläutert, das im Sinne der Millerschen Indizes eine ⟨110⟩-Kristallorientierung an seiner Oberfläche aufweist. Die Balkenstruktur 10 ist dabei längs der [10]-Richtung angeordnet. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel stehen die beiden Trägerstege 15, 16 orthogonal zur Ausrichtung der Balkenstruktur 10, also in [001]-Richtung. Die Balkenstruk­ tur 10 sitzt dabei mit ihren beiden Enden 11, 12 jeweils auf einem der beiden Trägerstege 15, 16 auf.

In Fig. 2 ist eine mögliche Prozeßabfolge zur Herstellung des erfindungsgemäßen monolithisch integrierten Halbleiter­ elementes am Beispiel eines einkristallinen Siliziumsubstra­ tes und anschließender Laserbearbeitung sowie anisotropem Ätzen beschrieben. Die einzelnen Prozeßschritte a)-e) sind in der Darstellung von Fig. 2 anhand einer Schnittdarstel­ lung sowie der Draufsicht auf das zu bearbeitende Silizium­ substrat 1 gezeigt. Zusätzlich sind in Fig. 2 noch die dazugehörenden Kristallrichtungen anhand der Millerschen Indizes aufgeführt.

Als Ausgangssubstrat dient ein ⟨110⟩-Siliziumwafer, der beidseitig poliert ist, eine niedrige Dotierung (Leitfähigkeit ca. 10 Ohm cm) sowie eine Dicke von etwa 380 µm aufweist. Das Halblei­ tersubstrat ist in Fig. 2 wieder mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. In einem ersten Verfahrensschritt - vgl. a) - wird auf die beiden Oberflächen 2, 3 des Halbleitersub­ strates 1 eine Maskierschicht 41 bzw. 42, z. B. eine Oxyd­ schicht mittels thermischer Oxydation, aufgebracht. Die Dicke der beiden Oxydschichten 41, 42 beträgt jeweils etwa 1 µm.

In einem nächsten Schritt b) wird die obere Oxydschicht 41 in vorgegebenen Bereichen 44 wieder entfernt. Dies wird durch an sich bekannte Lithographieprozesse erreicht. Die Oxydschicht wird an denjenigen Bereichen geöffnet, an denen anschließend die Kristallstruktur des Halbleitersubstrates 1 zerstört bzw. teilweise zerstört werden soll, um nach einem anisotropen Ätzvorgang eine sich im Halbleitersubstrat ausbildende Membran mit darüber angeordneter und eine auf Trägerstegen 15, 16 sitzende Balkenstruktur 10 zu erhalten. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 und dem dort verwendeten ⟨110⟩-Siliziumsubstrat wird die Oxydschicht 41 so geöffnet, daß ein H-förmiger Bereich auf der Oberfläche 2 des Silizi­ umsubstrates weiterhin mit der Markierschicht bzw. Oxydschicht abgedeckt ist. Der mittlere Schenkel der H-Struktur ist so auszurichten, daß dieser längs zur [10]-Kristallrichtung liegt. Das eben beschriebene Öffnen der Oxydschicht 41 wird aus der Drauf­ sicht auf das Halbleitersubstrat 1 in Fig. 2, Schritt b), deutlich.

Im nächsten Schritt c) wird der von der Oxydschicht 41 freigelegte unmaskierte Bereich 44 einer gleichmäßigen flächigen Zerstörung bzw. teilweisen Zerstörung der Kri­ stallordnung unterzogen. Hierfür kann beispielsweise mittels einer Laserbearbeitung die Kristallstruktur bis zu einer definierten Tiefe von etwa 150 bis 200 µm gezielt beein­ trächtigt werden. Zur Laserbestrahlung dieses unmaskierten Bereiches 44 kann beispielsweise ein Nd:YAG-Laser eingesetzt werden. Um eine Zerstörung der Kristallordnung unterhalb des unmaskierten Bereiches 44 bis zu einer vorgegebenen Tiefe zu erreichen, ist die Leistungsdichte des Laserstrahls entspre­ chend einzustellen. Wesentlich ist hierbei, daß die Kri­ stallordnung bei der Laserbearbeitung unterhalb des unmas­ kierten Bereiches 44 jeweils gleichtief zerstört wird. Anzustreben ist dabei, daß der Bereich mit einer gestörten Kristallordnung eine ebene, zur unteren Oberfläche des Sili­ ziumsubstrates parallele Fläche aufweist. Der zerstörte Bereich ist in Fig. 2, Schritt c), punktiert dargestellt und mit dem Bezugszeichen 45 versehen.

Durch die Behandlung des unmaskierten Bereichs 44 mit Laser­ strahlung entsteht in dem punktierten Bereich 45 eine Zone mit zerstörter Kristallordnung. Diese zerstörten Bereiche 45 werden in einem nächsten Schritt d) anisotrop geätzt. Beim anisotropen Ätzen von Silizium, beispielsweise in 30%igen Kaliumhydroxyd-Lösungen bei 60°C, treten bei Verwendung von geeigneten Maskierschichten, wie z. B. thermischem Silizium­ dioxyd, Ätzgruben auf, die nach einer gewissen Ätzdauer nur noch von sehr langsam ätzenden {111}-Berandungsflächen begrenzt werden.

Dies wird zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiter­ elementes gezielt ausgenutzt. Das Ergebnis des anisotropen Ätzens ist in Fig. 2, Schritt d), zu erkennen. Der aniso­ trope Ätzvorgang wird so lange durchgeführt, bis der Balken der Balkenstruktur 10 mit Berandungsflächen 21 freigeätzt ist und damit frei über der Membran 5 des Halbleitersubstra­ tes 1 liegt und von den Trägerstegen 15, 16 gehaltert wird.

In einem darauffolgenden Schritt e) werden die beiden Oxyd­ schichten 41, 42 vom Halbleitersubstrat 1 wieder entfernt, beispielsweise durch Abtragen der Oxydschichten 41, 42 in gepufferter Flußsäure.

Anzumerken ist in diesem Zusammenhang noch, daß das teilwei­ se Entfernen der Oxydschicht 41 mit Hilfe einer geeigneten Maskierung nicht unbedingt vorgesehen werden muß. Dieser Schritt kann nämlich bei geringeren Anforderungen an die Strukturauflösung ersatzlos entfallen. Dann wird beispiels­ weise mit Laserlicht die Oxydschicht 41 in den vorgegebenen Bereichen gleichzeitig mitstrukturiert bzw. zerstört.

Wesentlich für das so hergestellte erfindungsgemäße monoli­ thisch integrierte Halbleiterelement sind die sich ergeben­ den Berandungsflächen von Balkenstruktur 10, Membran 5 und Trägerstege 15, 16. Durch das gezielte Ausnutzen von langsam ätzenden {111}-Kristallflächen wird erreicht, daß die Bal­ kenstruktur 10, die Membran 5 und die Trägerstege 15, 16 Berandungsflächen aufweisen, die durch die unterschiedliche Ätzrate in verschiedenen Kristallorientierungen des Halblei­ tersubstrates bestimmt sind.

Diese Berandungsflächen werden in den Darstellungen der Fig. 2, Schritt e), sowie der Darstellung von Fig. 3 besonders deutlich. Eine Draufsicht auf das fertige Halblei­ terelement rechts in Fig. 2, Schritt e), zeigt, daß das Halbleiterelement eine auf der Membran 5 liegende H-förmige erhöhte Mikrostruktur enthält. Anhand der Schnittlinie A-A und B-B und der dazugehörenden Schnittdarstellungen in Fig. 2, Schritt e) sowie Fig. 3 ist die Orientierung der Beran­ dungsflächen des erfindungsgemäßen Halbleiterelementes ersichtlich.

In der linken Darstellung von Fig. 2, Schritt e) weist der Balken der Balkenstruktur 10 eine dreieckförmige Quer­ schnittsgestalt auf, wobei die innerhalb des Halbleitersub­ strates 1 liegenden Seitenflächen {111}-Kristallflächen sind. Auf der Membran 5 bildet sich gegenüberliegend zum Balken ein in etwa zum Balken 10 symmetrisch liegender Grat 6 aus, der ebenfalls {111}-Berandungsflächen enthält. Die beim anisotropen Ätzen freigelegten Bereiche weisen eben­ falls zunächst eine {111}-Berandungsfläche auf, die durch aufeinanderfolgende {100}, {111}, {110}-Flächen, den Grat 6 und den nachfolgenden {110}, {111} und {100}-Flächen mitein­ ander in Verbindung sind. Die zur Innenseite des Halbleiter­ substrates 1 weisende Oberfläche der Membran 5 weist, bis auf den Grat 6, eine [110]-Orientierung auf. Wie aus der Schnittdarstellung von Fig. 2, Schritt e), deutlich zu erkennen ist, ist zwischen dem Balken der Balkenstruktur 10 und dem Halbleitersubstrat 1, abgesehen vom Grat 6, eine nahezu achteckförmige Öffnung vorgesehen, die durch die erwähnten Berandungsflächen begrenzt ist.

Die den unterschiedlichen Ätzraten der verschiedenen Kri­ stallorientierungen entsprechenden Berandungsflächen des erfindungsgemäßen Halbleiterelementes sind auch in der Darstellung von Fig. 3 deutlich zu erkennen. Gleiche Be­ zugszeichen bezeichnen wieder gleiche Teile. Hier sind jetzt deutlich die beiden Trägerstege 15, 16 zu erkennen, zwischen denen die Balkenstruktur 10 angeordnet ist. Aufgrund der gewählten Kristallorientierung ist an den Trägerstegen 15, 16 wieder die Unterschneidung ersichtlich, die durch {100}- Kristallflächen definiert ist. Im übrigen ist auch hier ein oktagonaler Querschnitt der beiden Öffnungen 25, 26 deutlich zu erkennen. Die Berandungsflächen dieser beiden Öffnungen 25, 26 sind ausschließlich durch die Kristallebenen {100} sowie {110} gegeben.

Wesentlich beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine exakte Abstimmung zwischen der gewählten Dicke des Halbleitersub­ strates, der Breite des Balkens der Balkenstruktur 10 sowie der Dicke der Membran 5, so daß das ausgewählte Halbleiter­ substrat ausschließlich von einer Oberfläche her bearbeitet werden muß.

Um festzustellen, wann die Balkenstruktur 10 beim anisotro­ pen Ätzen freigelegt ist, ist es möglich, auf dem Halblei­ terwafer einen Testbereich vorzusehen, auf dem ebenfalls eine freizuätzende weitere Balkenstruktur angeordnet ist, die der Balkenstruktur entspricht, welche zwischen den beiden Trägerstegen 15, 16 vorgesehen wird. Diese weitere Balkenstruktur weist dagegen keine Trägerstege auf. Sobald aufgrund der fehlenden Stützen die Balken dieser Balken­ struktur beim anisotropen Ätzen herabfallen, was ohne weite­ res optisch detektierbar ist, wird der Vorgang des anisotro­ pen Ätzens beendet.

Eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in Fig. 2 vorgestellt wurde, besteht darin, den unmas­ kierten Bereich vor der Laserbehandlung anisotrop zu ätzen.

In Fig. 4 ist eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterelementes ähnlich zu Fig. 1 gezeigt. Im Gegensatz zur Darstellung von Fig. 1 weist dieses Halbleiterelement, bei dem der Einfachheit halber die Berandungsflächen der Balkenstruktur 10, der Trägerstege 15, 16 und der Membran nicht maßstäblich gezeigt sind, anstatt eines einzigen Balkens, jetzt drei parallel zueinander angeordnete Balken 10a, 10b und 10c auf. Eine Ausführung mit vier Balken hat sich als zweckmäßig erwiesen, um eine günstige Momentenkom­ pensation zu erreichen. Es sind auch hier die aufgrund der unterschiedlichen Ätzraten in den Kristalloberflächen sich ausbildenden Berandungsflächen deutlich zu erkennen.

In Fig. 5 ist ein möglicher Schichtaufbau der Balkenstruk­ tur 10 für Sensoranwendungen dargestellt. Zur Herstellung einer unteren Elektrode (vgl. Fig. 5 unten) wird auf der Balkenstruktur 10, die niedrig n-dotiert ist, eine hochdo­ tierte p⁺-Siliziumschicht 36 eingebracht. Auf dieser hochdotierten p⁺-Siliziumschicht 36 wird eine piezoelek­ trische Wandlerschicht, z. B. Zinkoxyd-Schicht 37 (ZnO), aufgebracht und strukturiert. Zusätzlich wird auf diese Schicht 37 als obere Elektrode (vgl. Fig. 5 oben) eine Aluminium-Schicht 38 abgeschieden und ebenfalls struktu­ riert. Die Aluminium-Schicht 38 ist mit einer Passivierungs­ schicht 39 abgedeckt. Die beiden Elektroden werden mit Hilfe von Leitungsführungen 35 (z. B. Leiterbahnen) über die Trä­ gerstege 15, 16 hinweg zu entsprechenden Anschlußmetallisie­ rungen auf dem Halbleitersubstrat 1 geführt und damit elek­ trisch kontaktiert.

Die Darstellung in Fig. 6 entspricht weitgehend der Dar­ stellung von Fig. 1. Zusätzlich ist hier noch eine Verkap­ selungseinrichtung 70 angedeutet, innerhalb der das erfin­ dungsgemäße Halbleiterelement angeordnet ist. Eine solche evakuierte Verkapselungseinrichtung 70 dient zur Reduzierung der Luftdämpfung des Halbleiterelementes.

Anzumerken ist weiter, daß das Resonatorelement, d. h. die Balkenstruktur 10, mit einer zusätzlichen seismischen Masse versehen werden kann. Eine solche zusätzliche Masse ist insbesondere bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Halb­ leiterelementes als Beschleunigungssensor vorteilhaft.

Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Balkenlänge von etwa 2 mm und eine Balkenbreite von etwa 120 µm sehr gute Sensor­ eigenschaften aufweist. Die Membran 5 sollte etwa 150 µm dick sein.

Bezugszeichenliste

1 Halbleitersubstrat
2 Oberfläche
3 Oberfläche
5 Membran
6 Grat
10 Balkenstruktur
11 ein Ende der Balkenstruktur
12 anderes Ende der Balkenstruktur
15 Trägersteg
16 Trägersteg
20 Berandungsflächen
21 Berandungsflächen der Balkenstruktur
25 Öffnung
26 Öffnung
35 Leitungsführung
36 hochdotierte Halbleiterschicht
37 Zinkoxyd-Schicht
38 Aluminium-Schicht
39 Passivierungs-Schicht
41 Maskierschicht
42 Maskierschicht
44 unmaskierter Bereich
45 Bereich mit zerstörter Kristallorientierung
70 Verkapselungseinrichtung
10a erster Balken
10b zweiter Balken
10c dritter Balken

Claims (21)

1. Monolithisch integriertes Halbleiterelement mit einer über einer Membran angeordneten und auf Trägerstegen sitzenden Balkenstruktur (BOD-Struktur), dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5), die Trägerstege (15, 16) und die Bal­ kenstruktur (10) einstückig aus einem gemeinsamen Halb­ leitersubstrat (1) gebildet sind und Berandungsflächen (20) aufweisen, die durch unterschiedliche Ätzraten in verschiedenen Kristallorientierungen des Halbleitersub­ strates (1) bestimmt sind.

2. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersub­ strat (1) ein einkristallines Siliziumsubstrat ist.

3. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einkristalline Siliziumsubstrat eine [110]-Oberflächenkristallorientie­ rung aufweist und die Balkenstruktur (10) längs einer [10]-Richtung angeordnet ist.

4. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstege (15, 16) jeweils orthogonal an einem der beiden Enden (11, 12) der Balkenstruktur (10) angeordnet sind.

5. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Balkenstruktur (10) mindestens einen Balken mit dreieck­ förmigem Querschnitt aufweist, der mit zwei {111}-Beran­ dungsflächen (21) versehen ist.

6. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Balkenstruktur (10) mindestens einen Balken mit trapez­ förmigem Querschnitt aufweist, der mit zwei gegenüber­ liegenden {111}-Berandungsflächen (21) versehen ist.

7. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Balkenstruktur (10) mindestens einen Balken mit in Längsrichtung veränderlichem Querschnitt aufweist.

8. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem Balken der Balkenstruktur (10) eine seismische Masse aufgebracht ist.

9. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Balkenstruktur (10) aus einem Balken besteht.

10. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Balkenstruktur (10) aus mindestens zwei, vorzugsweise vier, zueinander parallel angeordneten Balken (10a, 10b, 10c) besteht.

11. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5), die Trägerstege (15, 16) und die Balken­ struktur (10) innerhalb einer Verkapselungseinrichtung (70) angeordnet sind.

12. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Balkenstruktur ein Schichtaufbau (36, 37, 38, 39) angeordnet ist, der über eine Leitungsführung (35) kontaktiert wird, die über die Trägerstege (15, 16) nach außen geführt sind.

13. Monolithisch integriertes Halbleiterelement nach An­ spruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für den Schicht­ aufbau (36, 37, 38, 39) eine auf der Balkenstruktur (10) versehene hochdotierte Halbleiterschicht (36) und eine darüber angeordnete ZnO- und Al-Schicht (37, 38) und eine Passivierungsschicht (39) vorgesehen sind.

14. Verwendung des monolithisch integrierten Halbleiterele­ mentes nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Sensor, insbesondere für Druck, Kraft und Beschleunigung, sowie als taktiler Sensor.

15. Verwendung des monolithisch integrierten Halbleiterele­ mentes nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als elektrome­ chanischer Wandler zum Umwandeln von elektrischer Ener­ gie in Bewegung der Balkenstruktur (10) und Membran (5) des Halbleiterelementes.

16. Verfahren zur Herstellung des monolithisch integrierten Halbleiterelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• - Aufbringung einer Maskierschicht (41, 42) auf gegen­ überliegende Oberflächen (2, 3) eines Halbleitersub­ strates (1), das eine vorgegebene Oberflächenkristall­ orientierung aufweist,
• - gleichmäßige, flächige Zerstörung oder teilweise Zerstörung der Kristallstruktur des Halbleitersubstra­ tes (1) ausgehend von einer der Oberflächen (2, 3), um nach einem erfolgten Ätzvorgang eine sich im Halblei­ tersubstrat (1) ausbildende Membran (5) mit einer darüber angeordneten und auf Trägerstegen (15, 16) sitzenden Balkenstruktur (10) zu erhalten, und
• - anisotropes Ätzen, bis die Balkenstruktur (10) freige­ ätzt ist und unter der Balkenstruktur (10) eine Mem­ bran (5) mit einer vorgegebenen Dicke verbleibt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßige flächige Zerstörung oder teilweise Zerstörung der Kristallstruktur des Halbleitersubstrates (1) mittels Laserstrahlung erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeich­ net, daß das anisotrope Ätzen in einer Kaliumhydroxyd­ lösung erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleitersubstrat (1) ein Test­ bereich mit einer freizuätzenden weiteren Balkenstruktur vorgesehen ist, welche der Balkenstruktur (10) ent­ spricht, allerdings keine Trägerstege (15, 16) aufweist, und ein Herabfallen der weiteren Balkenstruktur als Signal für die Beendigung des Ätzvorganges herangezogen wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Maskier­ schicht (41, 42) auf das Halbleitersubstrat (1) und vor dem Zerstörungsschritt eine Strukturierung der Maskier­ schicht (41) auf der ersten Oberfläche (2) erfolgt und die Kristallordnung des Halbleitersubstrates (1) in den unmaskierten Bereichen (44) zerstört bzw. teilweise zerstört wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die unmaskierten Bereiche (44) vor dem Zerstörungs­ schritt anisotrop geätzt werden.