DE69429381T2

DE69429381T2 - Verfahren zum Mikro-Bearbeiten eines in der Oberfläche eines Siliziumkörpers integrierten Sensors

Info

Publication number: DE69429381T2
Application number: DE69429381T
Authority: DE
Inventors: Ronald Eugene Brown; John Carl Christenson; Robert Lawrence Healton; Douglas Ray Sparks
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1993-05-10
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2014-04-19
Also published as: EP0624900B1; US5427975A; DE69429381D1; JPH0715019A; US5531121A; EP0624900A2; EP0624900A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Bulk-Mikrobearbeitungsprozesse, die dazu verwendet werden, Bauelemente mit integrierten Schaltungen auf oder unter der Oberfläche eines Silizium-Wafers zu bilden. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Mikrobearbeiten in der Oberfläche eines Silizium-Wafers integrierter Sensor-Bauelemente, die bipolare und BiCMOS-Bauelemente umfassen, wobei das Verfahren die Bildung von Brücken, freitragenden Balken, Membranen und aufgehängten Massen innerhalb der Oberfläche des Silizium- Wafers umfaßt.
Die Bulk-Mikrobearbeitung von Silizium-Wafern ist in der Halbleitertechnik wohlbekannt. Im allgemeinen umfaßt dieses Verfahren, daß Halbleiterbauelemente auf einem Silizium-Wafer gebildet werden, indem das Bulk-Silizium (d.h. der Siliziumkörper) an der Oberfläche des Wafers geätzt wird, im Gegensatz zu Ätzverfahren, bei denen Halbleiterbauelemente gebildet werden, indem selektiv Schichten geätzt werden, die zuvor auf der Oberfläche des Wafer-Substrats abgeschieden wurden. Bulk-Mikrobearbeitung kann dazu verwendet werden, mikrobearbeitete Merkmale in der Oberfläche eines Silizium-Substrats zu bilden, aus denen Sensor-Bauelemente gebildet werden können, und ist im allgemeinen gegenüber dem Ätzen abgeschiedener Schichten bei der Fertigung von Sensor-Bauelementen darin bevorzugt, daß weniger Verzug auftritt, wodurch die Genauigkeit des Sensor-Bauelements verbessert wird. Die Bulk-Mikrobearbeitung wird oft unter Verwendung eines herkömmlichen Naßätzprozesses durchgeführt, der isotropischer Natur ist. Trockenätzprozesse, wie beispielsweise Plasmaätzen, werden wegen ihrer Tauglichkeit für eine höhere Packungsdichte infolge ihrer anisotropischen Natur immer häufiger.
In der Vergangenheit sind Sensor-Bauelemente oft gefertigt worden, indem Silizium-Wafer übereinandergestapelt wurden, um einen Hohlraum zu bilden, über dem ein mikrobearbeitetes Sensorelement, wie beispielsweise ein Balken, eine Brücke oder eine Membran, mit dem oberen Wafer gebildet werden kann. Ausrichtungstoleranzen sowie scharfe Ecken und Kanten an den Wafern schaffen Stellen einer Spannungskonzentration innerhalb des Sensor-Bauelements, die die Fähigkeit des mikrobearbeiteten Elements stören, den Druck oder die Bewegung genau zu detektieren, für die das Bauelement vorgesehen ist. Folglich sind Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren oft darin bevorzugt, daß die Restspannungen und Spannungskonzentratoren, die bei Techniken mit gestapelten Wafern üblich sind, im allgemeinen vermieden werden können.
Ein jüngeres Beispiel eines derartigen Bulk-Mikrobearbeitungsverfahrens ist von Zhang und McDonald (Digest IEEE Int. Conf. on Solid State Sensors and Actuators, S. 520-523 (1991)) offenbart worden und ist in den Fig. 1a bis 1f allgemein veranschaulicht. Wie es in den Fig. 1a bis 1f der begleitenden Zeichnungen veranschaulicht ist, offenbaren Zhang und McDonald das thermische Abscheiden einer Siliziumdioxidschicht 102 auf einem arsendotierten, n-leitenden < 100> -Substrat 100, das bulkmikrobearbeitet werden soll. Die Siliziumdioxidschicht 102 wird dann photolithographisch strukturiert, indem Fotoresist 104 verwendet wird, der auf die Siliziumdioxidschicht 102 aufgeschleudert worden ist, wie es in Fig. 1a gezeigt ist. Dann wird ein Plasmaätzprozeß dazu verwendet, in dem Substrat 100 Gräben 106 bis zu einer Tiefe von ungefähr 4 Mikrometern zu bilden, wie es in Fig. 1b gezeigt ist.
Eine zweite Schicht aus Siliziumdioxid (nicht gezeigt) wird dann thermisch auf allen freigelegten Flächen aufgewachsen, gefolgt von der Abscheidung einer weiteren Schicht aus Siliziumdioxid 108 unter Verwendung von plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung (PECVD), wie es in Fig. 1c gezeigt ist. Nach dem Strukturieren und Ätzen durch die Schichten aus Siliziumdioxid wird zur Bereitstellung eines Metall-Substrat-Kontaktfensters eine Schicht aus Aluminium 110 auf der oberen Schicht aus Siliziumdioxid 108 abgeschieden, wie es in Fig. 1d angedeutet ist, aus der Elektroden strukturiert werden dann wird ein anisotropisches Ätzen dazu verwendet, das Siliziumoxid 108 vom Boden der Gräben 106 zu entfernen, wie es in Fig. 1e gezeigt ist, und dann wird ein isotropisches Plasmaätzen dazu verwendet, das Substrat 100 zwischen den Gräben 106 zu unterschneiden, um einen Hohlraum 114 unterhalb der Oberfläche des Substrats 100 zu bilden. Wie es in Fig. 1f gezeigt ist, erzeugt der Hohlraum 114 einen aufgehängten Balken 112, der für eine Meßbewegung geeignet ist.
Es ist wahrscheinlich, daß der obige Prozeß für viele Anwendungen geeignet ist, bei denen Plasmaätztechniken kleine Merkmale mikrobearbeiten können, die in einen Chip, der eine integrierte Schaltung enthält, integriert werden können. Jedoch eignet sich der von Zhang und McDonald offenbarte Plasmaätzprozeß dadurch nicht einfach zum Bilden selektiv geformter Hohlräume, daß die isotropische Natur des Plasmaätzens erfordert, daß der Prozeß eine Siliziumdioxidabscheidung und -ätzung umfassen sollte, um die Richtung der Ätzwirkung zu begrenzen. Wo keine Siliziumdioxidschicht oder Metallschicht vorhanden ist, wird das Plasmaätzen ungehemmt fortfahren, bis der Ätzprozeß unterbrochen wird, wie dies durch die Form des in Fig. 1f gezeigten Hohlraums 114 angedeutet wird. Daher erfordert der von Zhang und McDonald offenbarte Prozeß eine Oxidabscheidung und -ätzung, nachdem der Graben geätzt worden ist, um den Hohlraum grob festzulegen. Während derartige zusätzliche Schritte insgesamt herkömmlich sind, ist es ein fortdauerndes Ziel in der Halbleiterindustrie, die Anzahl von Verarbeitungsschritten zu minimieren, die notwendig sind, um irgendein gegebenes Bauelement zu bilden.
Außerdem sind die Offenbarungen von Zhang und McDonald auf die Bild dung von Brücken und freitragenden Balken beschränkt. Mit anderen Worten ist keinerlei Verfahren, durch das größere Strukturen gebildet werden können, wie beispielsweise eine aufgehängte Masse zur Bewegungserfassung, offenbart. Ebensowenig schlagen die Offenbarungen vor, wie die Gräben geeignet abgedichtet werden können, um Membranen zum Messen von Druck zu bilden, oder alternativ verkapselt werden können, um die Brücke und die freitragenden Balken zu schützen.
Es wäre somit wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum Bilden kleiner, integrierter, mikrobearbeiteter Elemente in einem Silizium-Wafer unter Verwendung eines Bulk-Mikrobearbeitungsprozesses bereitzustellen, wobei das Verfahren die Anzahl von Verarbeitungsschritten reduziert, die notwendig sind, um die angestrebten mikrobearbeiteten Elemente zu bilden. Es wäre außerdem wünschenswert, daß ein derartiges Verfahren zu einer Weiterverarbeitung führen sollte, durch die die mikrobearbeiteten Elemente angepaßt werden können, um verschiedene Arten von Sensor- Bauelementen mit einer breiten Vielfalt von möglichen Ausgestaltungen zu bilden.
Die EP-A-0539311 offenbart ein Verfahren zum Bilden isolierter Bereiche durch Trockenätzen einer Epi-Schicht, um einen Hohlraum zu bilden. Die US-A-4975390 und die CN-A-1055195 offenbarten ein Ätzen unter Verwendung chemischer Naßätzprozesse.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bulk- Mikrobearbeiten eines Silizium-Wafers zu dem Zweck einer Bildung eines mikrobearbeiteten Elements mit einer kleinen Merkmalsgröße innerhalb des Silizium-Wafers bereitzustellen, wobei das mikrobearbeitete Element zur Verwendung als ein Bauteil eines Halbleiter-Sensorbauelements geeignet ist.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, daß ein derartiges Verfahren eine minimale Anzahl von Verarbeitungsschritten erfordern sollte, um gleichmäßige Hohlräume und Gräben zu bilden, die das mikrobearbeitete Element festlegen, während es gleichzeitig ermöglicht wird, daß die Hohlräume und Gräben innerhalb des Silizium-Wafers auf eine stark selektive und gesteuerte Weise gebildet werden können.
Es ist noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung, daß ein derartiges Verfahren zur Bildung verschiedener Arten von Sensor-Bauelementen mit einer breiten Vielfalt von physikalischen Ausgestaltungen führen sollte.
Es ist außerdem ein weiteres Ziel dieser Erfindung, daß ein derartiges Verfahren sich zu anschließenden Verarbeitungsschritten eignen sollte, um die angestrebten Eigenschaften des mikrobearbeiteten Elements weiter zu verbessern.
Erfindungsgemäß werden diese und andere Ziele und Vorteile durch das Verfahren der Ansprüche 1-13 erreicht.
Die obigen und weitere Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden, in denen:
Fig. 1a bis 1f die von Zhang und McDonald offenbarten Bulk-Mikrobearbeitungs-Prozeßschritte nach dem Stand der Technik veranschaulichen,
Fig. 2a bis 2c einen verbesserten erfindungsgemäßen Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß veranschaulichen, durch den ein mikrobearbeitetes Element infolge der Bildung eines Hohlraums unterhalb der Oberfläche eines Silizium- Wafers festgelegt wird,
Fig. 3 ein Aufriß eines repräsentativen Bewegungssensor- Bauelements ist, das gemäß dem Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung gefertigt werden kann,
Fig. 4a bis 4c ein Verfahren zum Abdichten des Hohlraums von Fig. 2c gemäß einem bevorzugten Aspekt dieser Erfindung veranschaulichen, um eine abgedichtete Referenzkammer für ein Drucksensor-Bauelement zu bilden,
Fig. 5 eine weitere Darstellung des in den Fig. 4a bis 4c gezeigten Verfahrens ist, durch das eine in Fig. 3 gezeigte auslenkbare Masse gefertigt werden kann,
Fig. 6 das in Fig. 4c gezeigte Drucksensor-Bauelement zeigt, das neben dem in Fig. 3 gezeigten Bewegungssensor- Bauelement gefertigt wird, wobei jedes Bauelement benachbart zu und auf dem gleichen Substrat wie die integrierte Schaltung gebildet werden kann, die dazu verwendet wird, die von den Bauelementen erzeugten Signale zu verarbeiten,
Fig. 7 zwei Drucksensor-Bauelemente von dem in Fig. 4c gezeigten Typ zeigt, wobei eines der Drucksensor-Bauelemente abgeändert ist, um den Druck auf der Rückseite des Silizium-Wafers zu messen;
Fig. 8a und 8b ein Verfahren zur Steigerung der Kapazität eines mikrobearbeiteten Kondensators veranschaulichen,
Fig. 9a bis 9d ein Verfahren veranschaulichen, durch das der Prozeß dieser Erfindung weiter abgeändert werden kann, um das in Fig. 3 gezeigte Bewegungssensor-Bauelement zu verkapseln, und
Fig. 10a bis 10c ein zweites Verfahren veranschaulichen, durch das der Prozeß dieser Erfindung weiter abgeändert werden kann, um das in Fig. 3 gezeigte Bewegungssensor-Bauelement zu verkapseln.
Es ist zu verstehen, daß hierin angegebene Bereiche angenähert sind, und daß die beschriebenen Vorteile auch erhalten werden können, indem die angegebenen Bereiche verlassen werden, wie es für den Fachmann ersichtlich sein wird.
Es ist ein Verfahren vorgesehen, durch das mikrobearbeitete Elemente in einer Masse ("bulk") in der Oberfläche eines Silizium-Wafers unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Verarbeitungsschritten genau mikrobearbeitet werden können. Das Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren dieser Erfindung ermöglicht es, daß wohldefinierte Gräben und Hohlräume in einem Silizium-Wafer gebildet werden können, was zur Bildung eines mikrobearbeiteten Elements, wie beispielsweise einer Brücke oder eines freitragenden Balkens, an oder unter der Oberfläche eines Siliziumwafers führt. Außerdem bietet das Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren dieser Erfindung dadurch eine Verbesserung gegenüber den Offenbarungen von Zhang und McDonald, daß der Oxidabscheidungs- und Ätzschritt nachdem die Gräben gebildet worden sind, vollständig beseitigt ist. Gemäß zusätzlicher durch diese Erfindung gelehrter Verfahren können derartige mikrobearbeitete Elemente abgeändert werden, um eine Membran für ein Drucksensor-Bauelement, eine aufgehängte Masse für ein Bewegungssensor-Bauelement oder einen Kondensator mit parallelen Platten zu bilden. Diese Erfindung umfaßt auch Verfahren, durch die ein derartiges mikrobearbeitetes Element verkapselt werden kann, so daß es von der den Silizium-Wafer umgebenden Umwelt isoliert ist.
Das Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren dieser Erfindung ist ein Silizium- Oberflächenätzprozeß, der eine Plasmaätztechnik anwendet. Im besonderen wendet die bevorzugte Ätztechnik ein Ätzmedium an, das vorzugsweise N+-dotiertes Silizium in der Form einer vergrabenen N+-Schicht angreifen wird. Die Parameter des Ätzprozesses sind speziell gewählt, so daß die vergrabene N+-Schicht bevorzugt geätzt wird, während das umgebende Substratmaterial im wesentlichen unbeeinflußt sein wird. Infolgedessen kann durch Bilden von Gräben in dem Substrat ein seitliches Ätzen immer dann eintreten, wenn ein Graben auf eine vergrabene N+-Schicht trifft.
Wie es in den Fig. 2a bis 2c gezeigt ist, beginnt das bevorzugte Bulk-Mikroverarbeitungsverfahren dieser Erfindung mit der Schaffung eines N+- Bereiches 12 innerhalb eines geeigneten Substrats. Das bevorzugte Verfahren wird in bezug auf die Fertigung mikrobearbeiteter Elemente innerhalb eines bipolaren oder bipolar-komplementären Metall-Oxid-Halbleiter(BiCMOS)-Prozesses beschrieben, obwohl Fachleute leicht erkennen werden, daß die Verwendung des Verfahrens dieser Erfindung auch auf andere Prozesse, die CMOS-Prozesse einschließen, ausgedehnt werden kann.
Der N+-Bereich 12 wird wie gezeigt vorzugsweise innerhalb eines schwach dotierten, p-leitenden Substrats 10 gebildet. Dieser N+-Bereich 12 wird später die oben erwähnte vergrabene N+-Schicht 12 bilden. Das Substrat 10 wird mit einem geeigneten Dotiermittel dotiert, wie beispielsweise die Ionen von Bor oder einem anderen dreiwertigen Element, so daß man eine geeignete Akzeptor-Konzentration besitzt, wie es allgemein in der Technik bekannt ist. Das Substrat 10 stellt einen Abschnitt eines monokristallinen Silizium-Wafers dar, der ausreichend dick hergestellt ist, um eine Handhabung zu erlauben, während die seitlichen Abmessungen des Wafers im allgemeinen groß genug hergestellt sind, so daß der Wafer anschließend in eine Anzahl von Chips geschnitten werden kann.
Die vergrabene N+-Schicht 12 kann unter Verwendung von verschiedenen, geeigneten, Fachleuten bekannten Techniken gebildet werden. Jedoch wird gemäß dieser Erfindung die vergrabene N+-Schicht 12 stärker bevorzugt durch Donator-Implantieren des Substrats 10 mit den Ionen von Arsen, Phosphor, Antimon oder einem anderen fünfwertigen Element geschaffen. Eine Sperrschicht aus Siliziumoxid (nicht gezeigt) mit einer Dicke von ungefähr 800 Nanometern (8000 Angström) wird dann thermisch auf der Oberfläche des Substrats 10 gebildet. Unter Verwendung von einer Fotoresistmaske (nicht gezeigt) und bekannten Fotolithographietechniken wird die Sperrschicht strukturiert, um den Bereich des Substrats 10 festzulegen, in dem die vergrabene N+-Schicht 12 gebildet werden soll. Die Sperrschicht wird dann herunter auf die Oberfläche des Substrats 10 geätzt, und die Fotoresistmaske wird entfernt. Die Donator-Ionen werden dann in das Substrat 10 implantiert, um den N+-Bereich 12 zu bilden. Die Donator-Ionen werden vorzugsweise einer Beschleunigungsspannung von ungefähr 100 KeV ausgesetzt und bis zu einer Dosis von ungefähr 5 · 10¹&sup5; Ionen/cm² implantiert. Das Substrat 10 wird dann auf eine Temperatur von ungefähr 1250ºC für eine Dauer von ungefähr 2 Stunden erwärmt, um die Donator-Atome tiefer in das Substrat 10 hineinzutreiben. Die Sperrschicht aus Siliziumoxid wird dann von der Oberfläche des Substrats 10 auf irgendeine herkömmliche Weise entfernt.
Der resultierende N+-Bereich 12 weist vorzugsweise eine durchschnittliche Konzentration von mehr als 1 · 10¹&sup8; Fremdstoffe/cm³ auf. Wie es noch deutlicher werden wird, können die Abmessungseigenschaften des N+ -Bereiches 12, wie beispielsweise seine Länge, Breite und Tiefe, mit der besonderen Anwendung abhängig von der geometrischen Ausgestaltung des zu bildenden mikrobearbeiteten Elements variieren.
Wie es in Fig. 2b gezeigt ist, wird dann eine Epitaxieschicht 14 von der Oberfläche des Substrats 10 aus aufgewachsen, um den N+-Bereich 12 zu vergraben, wodurch die vergrabene N+-Schicht 12 hergestellt wird. Die Epitaxieschicht 14 kann auf eine vollständig herkömmliche Weise hergestellt werden, wobei ihre Dicke auf die besonderen Erfordernisse der Anwendung eingestellt wird. Wie es für Fachleute ersichtlich sein wird, ist der Einschluß der vergrabenen N+-Schicht 12 in dem Substrat 10 mit bipolaren und BiCMOS-Prozessen vereinbar, die typischerweise eine vergrabene N+-Schicht unter einer epitaktischen Siliziumschicht umfassen. Dieses Verfahren ist auch mit CMOS-Prozessen vereinbar, die gewöhnlich keine vergrabene N+-Schicht umfassen, obwohl ein zusätzlicher Maskierungsschritt erforderlich wäre, um die vergrabene N+-Schicht 12 zu bilden.
Vor dem Ätzen wird eine Oxidschicht 16 auf eine herkömmliche Weise auf der Epitaxieschicht 14 aufgewachsen oder abgeschieden. Die Oxidschicht 16 kann zwischen ungefähr 800 Nanometern (8000 Angström) und ungefähr 1200 Nanometern (12000 Angström) dick sein, was ausreicht, um eine Schutzschicht für die Epitaxieschicht 14 während des anschließenden Ätzprozesses bereitzustellen. Die Oxidschicht 16 wird unter Verwendung einer Fotoresistmaske (nicht gezeigt) strukturiert. Dann wird ein Plasmaätzen dazu verwendet, die Oxidschicht 16 selektiv von jedem Oberflächenbereich der Epitaxieschicht 14 zu entfernen, der der gewünschten Plazierung eines Grabens entspricht. Dann wird die Fotoresistmaske entfernt und der bevorzugte Siliziumoberflächenätzprozeß dieser Erfindung durchgeführt.
Wie es zuvor erwähnt wurde, ist das bevorzugte Ätzverfahren ein Plasmaätzprozeß, der unter Verwendung eines Chlor enthaltenden Gases oder einer geeigneten Chlormischung als das Ätzmedium durchgeführt wird. Der bevorzugte Chlor-Plasmaätzprozeß ist im Hinblick auf seine Fähigkeit kritisch, vorzugsweise einen Hohlraum zu bilden, der sich seitlich unterhalb der Oberfläche der Epitaxieschicht 14 erstreckt. Um dieses Ergebnis zu erhalten, wird Chlorgas bei einem Druck von ungefähr 13,33 Pa (100 mTorr) bis ungefähr 133,32 Pa (1000 mTorr) gehalten, und das Substrat 10 wird auf einer Temperatur von mindestens ungefähr 35ºC gehalten, so daß der Chlor-Plasmaätzprozeß derart wirkt, daß vorzugsweise die vergrabene N+-Schicht 12 anstelle der Epitaxieschicht 14 und des Substrats 10 geätzt wird.
Während die obigen Bedingungen für die Durchführung des seitlichen Ätzens der vergrabenen N+-Schicht 12 entscheidend sind können zu dem Zweck, Zugang zu der vergrabenen N+-Schicht 12 zu gewinnen, andere bekannte und herkömmliche Ätzverfahren angewandt werden, um zunächst einen oder mehrere Gräben 20 durch die Epitaxieschicht 14 hindurch zu bilden, wie es in Fig. 2c gezeigt ist. Dementsprechend umfaßt die vorliegende Erfindung den Chlor-Plasmaätzprozeß dieser Erfindung sowie jeden anderen absehbaren Grabenätzprozeß zum Zweck einer Bildung von Gräben 20 durch die Epitaxieschicht 14 hindurch.
Sobald Zugang zu der vergrabenen N+-Schicht 12 über einen oder mehrere Gräben 20 gewonnen worden ist, wird der bevorzugte Chlor-Plasmaätzprozeß dazu verwendet, vorzugsweise die vergrabene N+-Schicht 12 zu ätzen, um einen Hohlraum 22 unterhalb der Epitaxieschicht 14 zu bilden. Wie es in Fig. 2c gezeigt ist, beeinflußt der bevorzugte Chlor-Plasmaätzprozeß dieser Erfindung weder die schwach dotierte Epitaxieschicht 14 noch das Substrat 10 wesentlich. Dementsprechend werden die Größe und die Form des Hohlraums 22 durch die Größe und Form der vergrabenen N+-Schicht 12 festgelegt. Im allgemeinen wird die resultierende Form des Hohlraums 22 infolgedessen, daß die vergrabene N+-Schicht 12 von Natur aus ohne scharfe Kanten oder Ecken gebildet wird, gleichmäßig abgerundet sein. Mit der Verwendung des bevorzugten Ätzprozesses sind seitliche Ätzungen von bis zu 52 Mikrometern pro Seite beobachtet worden, was größer ist als diejenigen, die nach dem Stand der Technik erzielbar sind. Außerdem kann unter Verwendung des bevorzugten Plasmaätzprozesses das seitliche Ätzaspektverhältnis der vergrabenen N+-Schicht 10 : 1 übersteigen.
Der Abschnitt der Epitaxieschicht 14 über dem Hohlraum 22 definiert ein mikrobearbeitetes Element 18. Die genaue Form des mikrobearbeiteten Elements 18 hängt von der Form und Anzahl von gebildeten Gräben 20, der Größe und Form des Hohlraums 22 und der Tiefe des Hohlraums 22 unter der oberen Oberfläche der Epitaxieschicht 14 ab. Somit hängt die Präzision, mit der die Breite des mikrobearbeiteten Elements 18 festgelegt werden kann, vorwiegend von der Genauigkeit der Grabenmaske ab, während die Präzision, mit der die Dicke des mikrobearbeiteten Elements 18 festgelegt werden kann, vorwiegend von der Fähigkeit abhängt, das Wachstum der Epitaxieschicht 14 genau zu steuern. Typischerweise können seitliche Genauigkeiten von ungefähr 0,1 Mikrometern unter Verwendung von herkömmlich bekannten Strukturierungstechniken leicht erzielt werden, während das epitaktische Wachstum bis auf innerhalb 5% gesteuert werden kann, wodurch die Fertigung eines mikrobearbeiteten Präzisionselements 18 erlaubt wird.
Indem die bevorzugte Plasmaätztechnik dieser Erfindung verwendet wird, können äußerst dünne mikrobearbeitete Elemente 18 in der Epitaxieschicht 14 gebildet werden. In Fig. 3 ist ein veranschaulichendes Beispiel einer Art eines Bewegungssensor-Bauelements 25 gezeigt, das mit dem Verfahren dieser Erfindung gebildet werden kann. Das mikrobearbeitete Element 18 für dieses Bewegungssensor-Bauelement 25 ist ein n-leitender, freitragender Balken, der zwei Zweige umfaßt, auf denen ein p-leitender Widerstand 24 gebildet ist. Das mikrobearbeitete Element 18 ist wie veranschaulicht über einem großen offenen Hohlraum 22 getragen und auf drei Seiten von einem länglichen Graben 20b umgeben. Während der große offene Hohlraum 22 alternativ während des Ätzprozesses als ein Graben gebildet werden kann, wird der Hohlraum 22 unterhalb des mikrobearbeiteten Elements 18 ausschließlich durch das seitliche Ätzen einer vergrabenen N+-Schicht 12 gemäß dem in den Fig. 2a bis 2c gezeigten Prozeß gebildet. Der freitragende Balken endet in einer großen, auslenkbaren Beschleunigungsmessermasse 32, die auch von dem schmalen Graben 20b umgeben und über dem Hohlraum 22 getragen ist. Das Bewegungssensor-Bauelement 25 umfaßt ferner herkömmliche Merkmale, wie beispielsweise Metallelektroden 30 und zwei N-Epitaxiebereiehe 26, die vom Rest des Substrats 10 durch eine Kombination aus Graben und P+- Übergangsisolation 28 isoliert sind.
Infolge des Chlor-Plasmaätzprozesses dieser Erfindung kann das in Fig. 3 veranschaulichte Bewegungssensor-Bauelement 25 mit freitragenden Balken hergestellt werden, die eine Breite von so wenig wie ungefähr 1 Mikrometer und eine Fläche der Beschleunigungsmessermasse von so wenig wie 100 um² aufweisen. Ein derart extrem kleines Bewegungssensor-Bauelement 25 ermöglicht es, daß Ein-Chip-Beschleunigungsmesser neben ihren entsprechenden integrierten Steuerschaltkreisen leichter gefertigt werden können. Es wird Fachleuten ersichtlich sein, daß zahlreiche andere Ausgestaltungen einer aufgehängten Masse möglich sind.
Mit zusätzlichen Verarbeitungsschritten können verschiedene andere Arten von Sensor-Bauelementen unter Verwendung des Verfahrens dieser Erfindung gefertigt werden. Die Fig. 4a bis 4c demonstrieren, wie eine Drucksensormembran 38 gefertigt werden kann, indem der Hohlraum 22 von der Oberfläche der Epitaxieschicht 14 mit einer dünnen Siliziummembran abgedichtet werden kann. Gemäß dieser Erfindung erfordert die zusätzliche Verarbeitung nur einen zusätzlichen Maskierungsschritt über die herkömmliche Verarbeitung des integrierten Schaltkreises hinaus, und zieht ein neuartiges Verfahren zum Abdichten der Gräben 20 mit einer Polysiliziumschicht 36 nach sich, so daß die Polysiliziumschicht 36 die Gräben 20 vollständig verstopft.
In den Fig. 4a bis 4c ist ein Piezowiderstand 34 veranschaulicht, der auf irgendeine herkömmliche Weise gebildet sein kann, so daß er als das Sensorelement für die Drucksensormembran 38 dient, die aus der Epitaxieschicht 14, der Polysiliziumschicht 36 und der Oxidschicht 16 zusammengesetzt ist. Der Piezowiderstand 34 ist wie gezeigt ein diffundierter Piezowiderstand, der in der Epitaxieschicht 14 gemäß bekannten Verfahren gebildet ist. Es kann jedoch für eine Tauglichkeit bei höheren Temperaturen bevorzugt sein, daß der Piezowiderstand 34 ein Polysilizium- Piezowiderstand (nicht gezeigt) sein sollte, der aus der Polysiliziumschicht 36 gefertigt werden kann, indem ein zusätzliches Maskieren und Implantieren durchgeführt wird, wie es noch an geeigneter Stelle unten angemerkt werden wird.
Der Piezowiderstand 34 sowie die integrierten Sensorsteuerschaltkreise (nicht gezeigt) für die Drucksensormembran 38 können aus der gleichen Epitaxieschicht 14 unter Verwendung normaler Prozessierung integrierter Schaltkreise gebildet werden. Da nur ein zusätzliches Maskierungsniveau erforderlich ist, um den Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung durchzuführen, kann eine derartige Prozessierung integrierter Schaltkreise vor der Bildung der Gräben 20 und des Hohlraums 22 abgeschlossen werden. Ansonsten beginnt das bevorzugte Verfahren zum Bilden der in den Fig. 4a bis 4c gezeigten Drucksensormembran 38 mit dem bevorzugten Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung.
Bei der folgenden Diskussion werden die Gräben als kreisförmige, eng beabstandete Gräben 20a mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr 2 Mikrometern bezeichnet, um ihre säulenartige Form später von anderen Grabenformen unterscheiden zu können. Fachleute werden erkennen, daß die kreisförmige Form der Gräben 20a kein Konstruktionserfordernis ist, sondern nur zu Veranschaulichungszwecken gezeigt ist. Ansonsten sind der Hohlraum 22 und die Siliziumoxidschicht 16, die in Fig. 4a gezeigt sind, für die Beschreibung des bevorzugten Bulk-Mikrobearbeitungsprozesses im wesentlichen identisch wie die in Fig. 2c gezeigten.
Sobald der Hohlraum 22 und die kreisförmigen Gräben 20a gebildet worden sind, wird die Schicht aus Polysilizium 36 auf der Siliziumoxidschicht 16 bis zu einer Dicke von ungefähr 2 Mikrometern unter Verwendung irgendeines bekannten Verfahrens, wie beispielsweise eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses, abgeschieden. Wie es in Fig. 4b gezeigt ist, tritt das Polysilizium 36 in die kreisförmigen Gräben 20a und den Hohlraum 22 ein, um den Hohlraum 22 zur Oberfläche der Epitaxieschicht 14 hin hermetisch abzudichten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Polysilizium 36 in einem Vakuum abgeschieden, so daß der Hohlraum 22 unter Vakuum abgedichtet wird, um seine Druckmeßtauglichkeit zu verbessern. Die Drucksensormembran 38 wird vervollständigt, indem die Polysiliziumschicht 36 von der Siliziumoxidschicht 16 unter Verwendung einer normalen Plasmaätz-Endpunkttechnik rückgeätzt wird, so daß das Polysilizium 36 innerhalb der kreisförmigen Gräben 20a und des Hohlraums 22 zurückbleibt. Die Oxidschicht 16 wird dann entfernt, und es wird eine zweite Oxidschicht 16a gebildet, wie es in Fig. 4c gezeigt ist.
Vor dem Rückätzen der Polysiliziumschicht 36 können der vorstehend erwähnte Polysilizium-Piezowiderstand (nicht gezeigt) sowie zahlreiche andere aktive Bauelemente mit integrierten Schaltungen, wie beispielsweise Polysilizium-MOS-Gatter und Polysiliziumwiderstände aus der Polysiliziumschicht 36 gemäß der folgenden Prozedur gefertigt werden. Zunächst wird die Polysiliziumschicht 36 geeignet dotiert, und ein Abschnitt der dotierten Polysiliziumschicht 36 wird maskiert, um das angestrebte Bauelement oder die angestrebten Bauelemente festzulegen. Die freigelegten Bereiche der Polysiliziumschicht 36 werden dann von der Oberfläche der Oxidschicht 16 aus geätzt, das Maskierungsmaterial wird entfernt, und das Dotiermittel in der restlichen Polysiliziumschicht wird auf eine bekannte Weise aktiviert, um ein aktives, integriertes Halbleiterbauelement zu bilden. Während die Bildung eines Polysiliziumbauelements, wie es oben beschrieben ist, ein optionales Merkmal dieser Erfindung ist, ist eine derartige Fähigkeit ein sehr vorteilhafter sekundärer Vorzug, der durch das in den Fig. 4a bis 4c veranschaulichte bevorzugte Verarbeitungsverfahren möglich gemacht wird.
Ein grundlegender Vorzug des bevorzugten Verarbeitungsverfahrens dieser Erfindung liegt in der Art und Weise, auf die der Hohlraum 22 geschaffen wird. Da der Hohlraum 22 infolge des bevorzugten Bulk-Mikrobearbeitungsprozesses mit abgerundeten Ecken gebildet werden kann, im Gegensatz zu den scharfen Ecken, die unter Verwendung der gegenwärtigen Fertigungstechniken mit gestapelten Wafern gebildet werden, ist die oben beschriebene Drucksensormembran 38 in der Lage, Spannungskonzentrationen, die zu derartigen scharfen Ecken und Kanten gehören, im wesentlichen zu vermeiden. Infolgedessen ist es wahrscheinlicher, daß der Piezowiderstand 34 in einem gleichmäßigen Spannungsfeld liegt, so daß die durch auf die Oberfläche der Drucksensormembran 38 aufgebrachten druckinduzierten Spannungen von dem Piezowiderstand 34 genauer detektiert werden. Die Ausrichtung des Piezowiderstandes 34 ist einfacher und genauer, wenn der Piezowiderstand 34 und der Hohlraum 22 von der Vorderfläche des Wafers aus festgelegt werden.
Wie es in Fig. 5 detaillierter gezeigt ist, kann die Beschleunigungsmessermasse 32 von Fig. 3 auch vorteilhaft unter Verwendung des zusätzlichen Polysiliziumabscheidungsprozesses dieser Erfindung gefertigt werden. Es wird ein Graben 20b dazu verwendet, die seitlichen Abmessungen der Beschleunigungsmessermasse 32 festzulegen. Das selektive Entfernen der Siliziumoxidschicht 16 von diesen Oberflächenbereichen der Epitaxieschicht 14 entspricht der gezeigten angestrebten Plazierung der Gräben 20a und 20b. Das Bulk-Mikrobearbeitungsätzen dieser Erfindung fährt dann wie zuvor beschrieben fort.
In Fig. 5 sind die kreisförmigen Gräben 20a von den länglichen Gräben 20b zu unterscheiden, da jeder vorwiegend eine unterschiedliche Funktion erfüllt. Die kreisförmigen Gräben 20a fördern das seitliche Ätzen der vergrabenen N+-Schicht 12, um den Hohlraum 22 zu bilden, während der längliche Graben 20b dazu dient, die äußere Kante der Beschleunigungsmessermasse 32 von dem benachbarten Substrat 10 zu lösen. Ein Fachmann wird realisieren, daß die Anzahl und der Durchmesser der kreisförmigen Gräben 20a sowie die Länge und Breite des länglichen Grabens 20b auf die gewünschte Größe der Beschleunigungsmessermasse 32 eingestellt werden kann. Die Größe der kreisförmigen und länglichen Gräben 20a und 20b ist durch die Fähigkeit des Polysiliziumabscheidungsprozesses, die kreisförmigen Gräben 20a mit Polysilizium 36 zu verstopfen, begrenzt, während nur die Wände des länglichen Grabens 20b mit dem Polysilizium 36 beschichtet werden, so daß die Beschleunigungsmessermasse 32 in der Lage ist, sich relativ zu dem Substrat 10 in Ansprechen auf eine Beschleunigung des Bauelements zu bewegen. Im allgemeinen ist ein bevorzugter Durchmesser für die kreisförmigen Gräben 20a kleiner als ungefähr 2 Mikrometer, während die bevorzugte Breite des länglichen Grabens 20b bei mindestens ungefähr 5 Mikrometern liegt. Jedoch können die unterschiedlichen Abmessungen für die Gräben 20a erzeugt werden, wenn Öffnungen in der Beschleunigungsmessermasse 32 für ein verbessertes Dämpfungsverhalten des mikrobearbeiteten Bauelements erwünscht sind.
Die Technik zum Bilden von sowohl schmalen, kreisförmigen Gräben 20a und breiteren, länglichen Gräben 20b auf dem gleichen Substrat mit den Bulk-Mikrobearbeitungs- und Polysiliziumabscheidungsprozessen dieser Erfindung erleichtert die Fähigkeit, zwei unterschiedliche Sensor-Bauelemente nebeneinander auf dem gleichen Substrat zu bilden. In Fig. 6 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Drucksensormembran 38 von Fig. 4c neben dem Bewegungssensor-Bauelement 25 von Fig. 3 gebildet ist. Dadurch, daß die Bulk-Mikrobearbeitungs- und Polysiliziumabscheidungsprozesse dieser Erfindung mit bipolaren und BiCMOS-Prozessen vereinbar sind, können vorteilhaft integrierte Schaltkreise 40, die der Drucksensormembran 38 und dem Bewegungssensor-Bauelement 25 zugeordnet sind, unmittelbar neben den Bauelementen auf dem gleichen Wafer entweder bevor oder nachdem die Bulk-Mikrobearbeitungs- oder Polysiliziumabscheidungsprozesse durchgeführt worden sind, gebildet werden.
Ein weiteres Beispiel der Verarbeitungsvereinbarkeit ist in Fig. 7 veranschaulicht, wobei zwei Drucksensormembranen 38a und 38b mit jeweiligen Piezowiderständen (nicht gezeigt) in dem gleichen Substrat 10 gebildet sind, wobei sich jedoch eine einzige auf Druck ansprechende Membran 38ä auf der Rückseite des Wafers befindet, während die andere Membran 38b als eine Referenz für die rückseitige Membran 38a dient, indem Druck nur an der Vorderseite des Wafers detektiert wird. Diese Anordnung ist bei Automobilanwendungen besonders vorteilhaft, beispielsweise dort, wo die rückseitige Membran 38a der korrodierenden Umgebung eines Motorkrümmers ausgesetzt ist, um einen Krümmerdruck zu erfassen, während der frontseitige Sensor 38b von den Krümmergasen isoliert ist und dazu verwendet werden kann, Atmosphärendruck zu messen. Eine derartige Fähigkeit steht im Kontrast zu den begrenzten Fähigkeiten von Techniken mit gestapelten Wafern und Naßätztechniken, die gegenwärtig angewandt werden, um Halbleiter-Drucksensoren zu bilden.
Die Drucksensorkombination dieser Erfindung wird durch Einschließen zweier zusätzlicher Maskierungsschritte möglich gemacht. Der bevorzugte Prozeß beginnt mit der Benutzung einer normalen Prozessierung integrierter Schaltkreise mit einem monokristallinem Silizium-Wafer, der so geschnitten worden ist, daß seine obere Oberfläche entlang einer kristallographischen < 100> Ebene liegt, wie es in der MOS-Technologie üblich ist. Nach dem letzten thermischen Zyklus, der dazu verwendet wird, den integrierten Schaltkreis 40 zu bilden, wird vorzugsweise eine Silizium-Ätzmaske (nicht gezeigt) in der dicken Oxidschicht 16 (nicht gezeigt) strukturiert, wie es zuvor in der Beschreibung des Bulk-Mikrobearbeitungsprozesses dieser Erfindung angemerkt wurde. Zwei Arrays aus kreisförmigen Gräben 20a werden dann durch die Epitaxieschicht 14 hindurch und in die vergrabene N+-Schicht 12 (nicht gezeigt) hinein geätzt, um die Bildung eines Hohlraums 22 unter jedem Array von kreisförmigen Gräben 20a unter Verwendung des bevorzugten Plasmaätzprozesses dieser Erfindung zu gestatten. Die kreisförmigen Gräben 20a weisen jeweils vorzugsweise einen Durchmesser von nicht mehr als ungefähr 2 Mikrometer auf, wie es zuvor bei der Diskussion der Fig. 4a bis 4c angemerkt wurde.
Nach dem Reinigen der Epitaxieschicht 14 auf irgendeine herkömmliche Weise wird der Wafer oxidiert, um eine Oxidschicht 42 auf den Wänden der kreisförmigen Gräben 20a sowie auf den Innenflächen der Hohlräume 22 zu bilden. Gemäß dem in Fig. 4b veranschaulichten Prozeßschritt wird dann eine dicke Polysiliziumschicht 36 mit einer Dicke von ungefähr 1,5 bis ungefähr 2 Mikrometern auf dem Wafer abgeschieden, um die kreisförmigen Gräben 20a zu verstopfen und dadurch jeden der Hohlräume 22 zur Vorderseite des Wafers hin abzudichten. Die Polysiliziumschicht 36 wird dann rückgeätzt, wie es zuvor in Fig. 4c veranschaulicht wurde, wobei nur die Stopfen innerhalb der kreisförmigen Gräben 20a und die Polysiliziumschicht 36 auf den Innenflächen der Hohlräume 22 zurückbleiben.
Nach einem optionalen Passivierungsschritt wird eine rückseitige Maske (nicht gezeigt) mit der Membran 38a ausgerichtet, und es wird ein herkömmliches anisotropes Silizium-Naßätzen durchgeführt, das vorzugsweise die < 100> -Ebene ätzt, um einen rückseitigen Graben 44 zu bilden, der sich bis zu der Oxidschicht 42 erstreckt, die auf den Oberflächen des Hohlraums 22 gemäß der Membran 38a abgeschieden ist. Die Oxidschicht 42 dient dazu, diesen Naßätzprozeß am Boden des Hohlraums 22 zu stoppen. Als nächstes wird ein Ätzen mit gepufferter Flußsäure angewandt, um die Oxidschicht 42 am Boden des Hohlraums 22 wegzuätzen, und dann wird die Polysiliziumschicht 36 am Boden des Hohlraums 22 unter Verwendung eines herkömmlichen Plasmaätzprozesses geätzt, um eine Entlüftung des Hohlraums 22 zur Rückseite des Substrats 10 herzustellen. Die obigen Prozesse lassen die Membran 38a einschließlich der Polysiliziumschicht 36 und der Oxidschicht 42 oben auf dem Hohlraum 22 intakt.
Mit der Drucksensoranordnung von Fig. 7 wird die korrodierende Krümmerumgebung nur mit Silizium auf der Rückseite des Wafers in Verbindung gebracht. Metallschichten, Bondpads, Drahtbondungen oder Löt- Bumps auf dem integrierten Schaltkreis 40 werden niemals den Krümmergasen ausgesetzt, so daß schützende organische Beschichtungen unnötig sind. Ähnlich kann die Drucksensoranordnung dieser Erfindung auf eine sehr zuverlässige Weise in anderen korrodierenden Umgebungen arbeiten, in denen eine Druckmessung und ein Vergleich von zwei Druckbereichen erforderlich sind.
In den Fig. 8a und 8b ist ein veranschaulichendes Beispiel eines verbesserten, mikrobearbeiteten Silizium-Kondensators 46 gezeigt, der in einer Epitaxieschicht 14 gebildet werden kann. Der gezeigte Kondensator 46 ist ein Kondensator mit parallelen Platten, bei dem der Kapazitätswert des Kondensators 46 durch den Abstand zwischen einem Paar Kondensatorplatten 47 bestimmt ist. Diese Platten 47 können aus einkristallinem Silizium, Polysilizium oder anderen geeigneten Materialien gebildet sein. Wie veranschaulicht ist der Kondensator 46 durch einen einzigen länglichen Graben 20b und einen Hohlraum 22 festgelegt, der die gegenüberliegenden Kondensatorplatten 47 trennt. Sowohl der längliche Graben 20b als auch der Hohlraum 22 werden unter Verwendung des Bulk-Mikrobearbeitungsprozesses dieser Erfindung gemäß dem in den Fig. 2a bis 2c gezeigten Prozeß gebildet.
Herkömmliche Grabenätzprozesse sind typischerweise in der Lage, einen Spalt von nicht weniger 0,8 bis ungefähr 1,5 Mikrometern zwischen den Kondensatorplatten zu schaffen. Indem jedoch der zusätzliche Polysiliziumabscheidungsprozeß dieser Erfindung angenommen wird, kann die Spaltbreite wesentlich reduziert werden, um den Kapazitätswert des Kondensators 46 zu steigern. Wie es in Fig. 8a gezeigt ist, wird Polysilizium 36 auf zum großen Teil die gleiche Weise abgeschieden, wie es in den Fig. 4 und 5 umrissen wurde, wobei beachtet wird, daß die Breite des länglichen Grabens 20b größer als das Doppelte der Dicke der abgeschiedenen Polysiliziumschicht 36 sein muß, um sicherzustellen, daß der Graben 20b während des Abscheidungsprozesses nicht geschlossen wird. Danach wird das in bezug auf Fig. 4c beschriebene Polysiliziumrückätzen durchgeführt, um den in Fig. 8b gezeigten Kondensator 46 zu bilden. Das Rückätzen wird auf eine bekannte Weise durchgeführt, so daß das Polysilizium 36 auf den Wänden des Grabens 20b verbleibt. Indem das Polysilizium 36 durch ein geeignetes, in der Technik bekanntes Verfahren elektrisch leitend gemacht wird, bildet die Polysiliziumschicht 36 einen elektrisch integralen Teil des Kondensators 46.
Hier ist die Wirkung des Polysiliziumabscheidungsprozesses dieser Erfindung, die Beabstandung zwischen den Kondensatorplatten 47 um das Doppelte der Dicke der Polysiliziumschicht 36 zu reduzieren. Infolgedessen kann der Kapazitätswert des Kondensators 46 mehr als verdoppelt werden, ohne das Hinzufügen eines Maskierungsniveaus zu der Prozessierung der integrierten Schaltung auf dem Substrat 10. Während Polysilizium für die Schicht 36 bevorzugt ist, werden Fachleute feststellen, daß andere elektrisch leitende Materialien unter Verwendung bekannter Techniken anstelle des bevorzugten Polysiliziums abgeschieden werden könnten. Zusätzlich kann dieses Verfahren zum Reduzieren der Plattenbeabstandung eines mikrobearbeiteten Kondensators auch in anderen in dem Stand der Technik zu findenden mikrobearbeiteten Bauelementen verwendet werden.
Mit zusätzlichen Verarbeitungsschritten können weitere Verbesserungen und Verfeinerungen erlangt werden. Die Fig. 9a bis 9d und 10a bis 10c demonstrieren, wie das Bewegungssensor-Bauelement 25 von Fig. 3 zu Zwecken eines Isolierens des mikrobearbeiteten Elements 18 und der Beschleunigungsmessermasse 32 von der Umgebung des Substrats 10 verkapselt werden kann. Gemäß dieser Erfindung können diese Verkapselungsprozesse in der Reinraumumgebung des Wafers durchgeführt werden, um die Wahrscheinlichkeit wesentlich zu verringern, daß Teilchen in Bereiche des Bewegungssensor-Bauelements 25 eingeführt werden, die die Beweglichkeit des mikrobearbeiteten Elements 18 oder der Beschleunigungsmessermasse 32 beeinträchtigen können.
In den Fig. 9a bis 9d ist ein Polyimidverkapselungsprozeß veranschaulicht, der eine Polyimidopferschicht anwendet, die optisch festlegbar sein kann oder nicht. Obwohl jede Oberflächenstruktur oder jedes Bauelement unter Verwendung des Polyimidverkapselungsprozeßmerkmals dieser Erfindung verkapselt werden kann, beginnt das Verkapselungsverfahren bei einer bevorzugten Ausführungsform mit dem Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung, wodurch ein mikrobearbeitetes Element 18 derart gebildet wird, daß es über einem Hohlraum 22 aufgehängt ist. Das mikrobearbeitete Element 18 wird typischerweise ein freitragender Balken oder eine, Beschleunigungsmessermasse sein, obwohl andere Bewegungssensorglieder absehbar sind. Eine lichtempfindliche Polyimidschicht 48 wird dann auf das Substrat unter Verwendung von bekannten Aufschleuderprozessen derart aufgeschleudert, daß der Hohlraum 22 gefüllt und das mikrobearbeitete Element 18 unbeweglich gemacht wird. Die Polyimidschicht 48 wird dann maskiert und auf herkömmliche Weise entwickelt, um die Polyimidschicht 48 vorwiegend innerhalb des Hohlraums 22 und über der benachbarten Oberfläche des Substrats 10 zurückzulassen, wie es in Fig. 9a gezeigt ist.
Die Polyimidschicht 48 wird dann bei einer Temperatur von ungefähr 400ºC für die Dauer von ungefähr einer Stunde ausgehärtet, und dann wird ein Film 50 aus entweder Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid auf dem Bauelement abgeschieden, um die Polyimidschicht 48 vollständig zu überdecken, wie es in Fig. 9b gezeigt ist. Siliziumnitrid mit geringer Spannung, das durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (PECVD) abgeschieden wird, ist aufgrund seiner Fähigkeit, gut an der Polyimidschicht 48 anzuhaften, bevorzugt. Der Siliziumnitridfilm 50 muß dann bei einer Temperatur zwischen ungefähr 350ºC und ungefähr 400ºC für eine Dauer von ungefähr 45 Minuten wärmebehandelt werden, um Spannungen in diesem zu lösen und dadurch eine Verkapselungskammer mit hoher Qualität sicherzustellen. Als nächstes werden mehrere Löcher 52 auf eine herkömmliche Weise optisch in dem Siliziumnitridfilm 50 strukturiert, um die Polyimidschicht 48 freizulegen, die über dem benachbarten Substrat 10 liegt, wie es in Fig. 9c gezeigt ist. Die Polyimidschicht 48 wird dann unter Verwendung eines herkömmlichen chemischen Naßätzens oder Plasma-Sauerstoff-Ätzens durch die Öffnungen 52 in dem Siliziumnitridfilm 50 hindurch entfernt, um eine Bewegung des mikrobearbeiteten Elements 18 innerhalb der durch den Siliziumnitridfilm 50 gebildeten Umhüllung zu erlauben. Dann wird ein zusätzlicher Plasma-Siliziumnitridfilm 54 oder irgendein anderer geeigneter Film, wie beispielsweise Siliziumdioxid oder ein organisches Material, derart aufgebracht, daß die Öffnungen 52 in dem ersten Siliziumnitridfilm 50 verstopft oder überdeckt werden und somit das mikrobearbeitete Element 18 verkapselt wird, wie es in Fig. 9d gezeigt ist.
Fachleute werden feststellen, daß eine breite Vielfalt von Mikrostrukturen mit dieser Technik verkapselt werden kann. Deshalb sind die Offenbarungen dieses Merkmals der Erfindung nicht allein auf die Verkapselung des gezeigten Bewegungssensor-Bauelements 25 begrenzt.
In den Fig. 10a bis 10c ist ein zweites Verkapselungsprozeßmerkmal dieser Erfindung veranschaulicht, bei dem der in den Fig. 2a bis 2c veranschaulichte Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß angewandt wird, um sowohl den Hohlraum 22 als auch das mikrobearbeitete Element 18 festzulegen sowie eine Bulk-Siliziumverkapselungsstruktur zu bilden. Dieser Verkapselungsprozeß unterscheidet sich von dem Prozeß der Fig. 2a bis 2c darin, daß zusätzlich zu der ersten vergrabenen N+-Schicht 12 jeweils eine zweite und eine dritte vergrabene N+-Schicht 58 bzw. 60 in der Epitaxieschicht 14 gebildet werden, wie es in Fig. 10b zu sehen ist.
Besonders bevorzugt wird die zweite vergrabene N+-Schicht 58 gebildet, indem zunächst ein N+-Bereich (der der dritten vergrabenen N+-Schicht 60 entspricht) in der Oberfläche der ersten Epitaxieschicht 14 gebildet wird, und dann ferner ein Abschnitt dieses N+-Bereiches über einem Abschnitt der ersten vergrabenen N+-Schicht 12 dotiert wird. Die erste und die dritte vergrabene N+-Schicht 12 und 60 werden vorzugsweise mit Arsenionen dotiert, da Arsen relativ langsam in Silizium diffundiert, während die zweite vergrabene N+-Schicht 58 vorzugsweise mit Phosphorionen dotiert wird, da Phosphorionen relativ schnell in Silizium diffundieren. Dann wird eine zweite Epitaxieschicht 56 über der dritten vergrabenen N+-Schicht 60 gefolgt von der Oxidschicht 16 aufgewachsen. Das Substrat 10 wird dann ausreichend wärmebehandelt, um einen Abschnitt des Dotiermittels der zweiten vergrabenen N+-Schicht 58 in einen Abschnitt der ersten vergrabenen N+-Schicht 12 einzudiffundieren, wie es in Fig. 10b gezeigt ist. Es ist wichtig, daß die Wärmebehandlung so ausgeführt wird, daß das Dotiermittel der ersten vergrabenen N+-Schicht 12 nicht in irgendeinen Abschnitt der dritten vergrabenen N+-Schicht 60 eindiffundiert und gleichermaßen das Dotiermittel der dritten vergrabenen N+-Schicht 60 nicht in irgendeinen Abschnitt der ersten vergrabenen N+-Schicht 12 eindiffundiert. Infolgedessen verbleibt ein Abschnitt der ersten Epitaxieschicht 14 zwischen einem Abschnitt der ersten vergrabenen N+-Schicht 12 und einem Abschnitt der dritten vergrabenen N+-Schicht 60.
Der Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung wird dann durchgeführt, um mehrere Gräben 20 durch die zweite Epitaxieschicht 56 hindurch und in die dritte vergrabene N+-Schicht 60 hinein und möglicherweise in die erste und die zweite vergrabene N+-Schicht 12 und 58 hinein zu ätzen. Wie es zuvor bemerkt wurde, wird das bevorzugte Chlor-Plasmaätzen dieser Erfindung vorzugsweise die vergrabenen N+-Schichten 12, 58 und 60 ätzen, so daß ein breiter Hohlraum 22 gebildet wird. Aufgrund der geschichteten Anordnung der vergrabenen N+-Schichten 12, 58 und 60 wird der Hohlraum 22 mit einer unteren Kammer ausgestaltet werden, die mit einer oberen Kammer durch einen Zwischenkanal verbunden ist. Das mikrobearbeitete Element 18, das hier als ein freitragender Balken gezeigt ist, wird zwischen den oberen und unteren Kammern gebildet. Die Oberseite der oberen Kammer und der Boden der unteren Kammer können derart gebildet werden, daß sie in einem vorteilhaften Abstand von dem mikrobearbeiteten Element 18 liegen, um den Bewegungsbereich des mikrobearbeiteten Elements 18 zu begrenzen.
Sobald das mikrobearbeitete Element 18 durch den bevorzugten Plasmaätzprozeß festgelegt worden ist, wie es in Fig. 10c gezeigt ist, können die in der zweiten Epitaxieschicht 56 gebildeten Gräben 20 gemäß dem in den Fig. 4a bis 4c veranschaulichten Polysiliziumabscheidungsprozeß abgedichtet werden. Nach diesem Schritt werden die Innenflächen des Hohlraums 22 mit einer Oxidschicht 42 und einer Polysiliziumschicht 36 gemäß den bevorzugten Merkmalen dieser Erfindung beschichtet sein.
Aus dem Obigen ist zu sehen, daß eine breite Vielfalt von Halbleiterbauelementen mit dem in den Fig. 2a bis 2c umrissenen Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß gefertigt werden kann, während zahlreiche Abänderungen und Verbesserungen realisiert werden können, indem ferner das Polysiliziumabscheidungsprozeßmerkmal der Fig. 4 bis 8 sowie die Verkapselungsprozeßmerkmale der Fig. 9 und 10 angewandt werden. Allein oder in Kombination angewandt macht der Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung die Bildung kleiner integrierter Sensoren möglich, die in andere integrierte Schaltkreise eingearbeitet werden können. Im Vergleich mit herkömmlichen Sensoren, die mit Techniken gestapelter Wafer oder durch Polysiliziumabscheidungsprozesse gefertigt werden, ist der Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß der Erfindung in der Lage, mikrobearbeitete Elemente zu fertigen, die keine eingebauten Spannungen aufweisen, die solchen Prozessen nach dem Stand der Technik infolge von Fehlausrichtung oder einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung eigen sind. Im Vergleich mit herkömmlichen Naßätzprozessen ist der Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung in der Lage, kleinere mikrobearbeitete Präzisionselemente zu fertigen. Im Vergleich mit anderen Bulk-Mikrobearbeitungsprozessen, wie beispielsweise derjenige, der von Zhang und McDonald offenbart ist, ist der Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung in der Lage, im wesentlichen die gleichen vorteilhaften Ergebnisse in weniger Verarbeitungsschritten zu erzielen.
Gemäß dieser Erfindung wird das bevorzugte Chlor-Plasmaätzen, wenn es unter den vorgeschriebenen Bedingungen durchgeführt wird, vorzugsweise die vergrabene N+-Schicht oder -Schichten innerhalb eines Silizium- Wafers derart ätzen, daß das die vergrabene N+-Schicht umgebende Silizium-Substrat im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Infolgedessen können die Größe und die Form des gebildeten Hohlraums oder der gebildeten Hohlräume genau festgelegt werden, wobei die Größe und die Form der entsprechenden vergrabenen N+-Schicht oder -Schichten geeignet festgelegt werden. Folglich ermöglicht der Bulk-Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung, daß ein mikrobearbeitetes Element genau vorbestimmt und ausgestaltet werden kann, was zu einem genaueren Sensor-Bauelement führt.
Es ist auch anzumerken, daß, obwohl die den Polysiliziumabscheidungs- und Verkapselungsprozeßmerkmalen dieser Erfindung zugeordneten Vorteile am offensichtlichsten sind, wenn sie in Verbindung mit dem Bulk- Mikrobearbeitungsprozeß dieser Erfindung verwendet werden, es absehbar ist, daß jeder dieser erfinderischen Prozesse alleine oder in Verbindung mit anderen Bulk-Mikrobearbeitungsprozessen verwendet werden könnte. Außerdem könnte jeder der hierin gelehrten Prozesse auch in Verbindung mit anderen Prozessen für integrierte Schaltkreise angewandt werden, um andere Halbleiterbauelemente als die beschriebenen Drucksensor- und Bewegungssensor-Bauelemente zu bilden.
Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform derselben beschrieben worden ist, wird es daher ersichtlich sein, daß von einem Fachmann andere Formen angenommen werden könnten. Dementsprechend ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nur durch den Schutzumfang der folgenden Ansprüche zu begrenzen.

Claims

1. Verfahren zum Bilden eines integrierten Sensorbauelements für eine äußere Kraft (25, 38, 38a, 38b) in einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats (10), in dem ein N+-Bereich (12) durch eine epitaktische Siliziumschicht (14), die über dem Substrat (10) liegt, vergraben ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:

mindestens ein Graben (20, 20a, 20b) durch die epitaktische Siliziumschicht (14) hindurch und in die vergrabene N+-Schicht (12) hinein geätzt wird, und dann vorzugsweise ein Hohlraum (22) seitlich unterhalb der epitaktischen Siliziumschicht (14) mit einem Chlor enthaltenden Gas geätzt wird, das auf einem Druck von ungefähr 13 Pa (100 mTorr) bis ungefähr 133 Pa (1000 mTorr) gehalten wird, während das Substrat (10) auf einer Temperatur von mindestens 35ºC gehalten wird, wobei die Ätzschritte ein mikrobearbeitetes Element (18, 32, 38, 38a, 38b) ergeben, das als ein Abschnitt der epitaktischen Siliziumschicht (14) über dem Hohlraum gebildet ist, wobei das mikrobearbeitete Element (18, 32, 38, 38a, 38b) eine Struktur des integrierten Sensor-Bauelements (25, 38, 38a, 38b) ist, die auf die externe Kraft anspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfaßt, daß der Graben (20, 20a) mit einem Polysiliziumfilm (36) derart abgedichtet wird, daß der Hohlraum (22) zur Oberfläche der epitaktischen Siliziumschicht (14) hin abgedichtet wird, wobei der Hohlraum (22) eine abgedichtete Referenzkammer (22) ist und das mikrobearbeitete Element (38, 38a, 38b) eine Drucksensormembran des integrierten Sensor-Bauelements (38, 38a, 38b) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ätzschritte einen zweiten Graben (20, 20a) durch die epitaktische Siliziumschicht (14) hindurch und in die vergrabene N+-Schicht (12) hinein bilden, und wobei das Verfahren ferner den Schritt umfaßt, daß der zweite Graben (20a) mit einem Polysiliziumfilm (36) derart abgedichtet wird, daß das mikrobearbeitete Element (38, 38a, 38b) eine Drucksensormembran (38, 38a, 38b) des integrierten Sensor-Bauelements (38, 38a, 38b) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Graben (20b), der durch die Ätzschritte gebildet wird, das mikrobearbeitete Element (18, 32) als einen freitragenden Balken (18) und eine über dem Hohlraum (22) aufgehängte Masse (32) als Bewegungssensorstrukturen des integrierten Sensor-Bauelements (25) festlegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Schritte umfaßt, daß: der Hohlraum (22) und der Graben (20) mit Polyimid (48) derart gefüllt werden, daß das mikrobearbeitete Element (18) unbeweglich gemacht wird; über dem Polyimid (48) eine erste Materialschicht (50) abgeschieden wird; mindestens eine Öffnung (52) in der ersten Materialschicht (50) gebildet wird; das Polyimid (48) durch die Öffnung (52) in der ersten Materialschicht (50) hindurch geätzt wird, um das mikrobearbeitete Element (18) zu lösen; und über der ersten Materialschicht (50) eine zweite Materialschicht (54) abgeschieden wird, um die Öffnung (52) in der ersten Materialschicht (50) abzudichten und eine Verkapselungsschicht (54) über dem mikrobearbeiteten Element (18) zu bilden; wobei das mikrobearbeitete Element (18) in dem Hohlraum (22) als eine Bewegungssensorstruktur des integrierten Sensor- Bauelements (25) aufgehängt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das mikrobearbeitete Element (38a, 38b) und mindestens ein Halbleiterbauelement (40) in der epitaktischen Siliziumschicht (14) gebildet werden, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfaßt, daß: eine Vielzahl von Gräben (20a) durch die epitaktische Siliziumschicht (14) hindurch geätzt wird, um den Hohlraum (22) unterhalb der Oberfläche der epitaktischen Siliziumschicht (14) seitlich zu ätzen; eine Oxidschicht (42) auf der epitaktischen Siliziumschicht (14) und auf den durch die Gräben (20a) und den Hohlraum (22) festgelegten Oberflächen gebildet wird; und eine Polysiliziumschicht (36) über der Oxidschicht (42) abgeschieden wird, um die Gräben (20a) abzudichten, so daß der Hohlraum (22) abgedichtet ist und das mikrobearbeitete Element (38a, 38b) eine Drucksensormembran (38a, 38b) des integrierten Sensor-Bauelements (38a, 38b) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Halbleiterbauelement (40) in der epitaktischen Siliziumschicht (14) gebildet wird, nachdem das mikrobearbeitete Element (38a, 38b) gebildet worden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Halbleiterbauelement (40) in der epitaktischen Siliziumschicht (14) gebildet wird, bevor das mikrobearbeitete Element (38) gebildet worden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des seitlichen Ätzens mindestens einen zweiten Hohlraum (22) unterhalb der Oberfläche der epitaktischen Siliziumschicht (14) bildet, wobei der zweite Hohlraum (22) ein zweites mikrobearbeitetes Element (38a, 38b) als eine Drucksensormembran (38a, 38b) des integrierten Sensor-Bauelements (38a, 38b) festlegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Abscheidens der Polysiliziumschicht (36) mindestens einen der Hohlräume (22) abdichtet, um eine abgedichtete Referenzkammer unterhalb der Oberfläche der epitaktischen Siliziumschicht (14) zu bilden, so daß mindestens ein weiterer der Hohlräume (22) zu einer Oberfläche des Substrats (10) hin entlüftet verbleibt, wobei jeder der Hohlräume (22) Druckreferenzkammern (22) des integrierten Sensor-Bauelements (38a, 38b) bildet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die abgedichtete Referenzkammer (22) unter einem Vakuum abgedichtet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Abscheidens der Polysiliziumschicht (36) jeden der Hohlräume (22) abdichtet, um zwei abgedichtete Druckreferenzkammern (22) des integrierten Sensor- Bauelements (38a, 38b) zu bilden.

13. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Abscheidens der Polysiliziumschicht (36) jeden der Hohlräume (22)an der Oberfläche der epitaktischen Siliziumschicht (14) abdichtet, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfaßt, daß: eine abgewandte Oberfläche des Substrats (10) maskiert wird; die abgewandte Oberfläche des Substrats (10) geätzt wird, um das Substrat (10) bis zu der auf einem ersten der Hohlräume (22) gebildeten Oxidschicht (42) zu ätzen; durch die Oxidschicht (42) des ersten der Hohlräume (22) bis zu der auf dem ersten der Hohlräume (22) abgeschiedenen Polysiliziumschicht (36) geätzt wird; und die Polysiliziumschicht (36) des ersten der Hohlräume (22) geätzt wird, um den ersten der Hohlräume (22) zur abgewandten Oberfläche des Substrats (10) hin zu entlüften; wodurch der erste der Hohlräume (22) ein erstes mikrobearbeitetes Element (38a) zum Messen von Druck an der abgewandten Oberfläche des Substrats (10) bildet und der andere der Hohlräume (22) ein zweites mikrobearbeitetes Element (38b) zum Messen von Druck an der Oberfläche der epitaktischen Siliziumschicht (14) bildet, so daß das erste und das zweite mikrobearbeitete Element (38a, 38b) als Druckreferenzen füreinander dienen.