EP1101389A2 - Verfahren zur herstellung einer gefüllten vertiefung in einer materialschicht, sowie eine durch das verfahren erzeugte integrierte schaltungsanordnung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer gefüllten vertiefung in einer materialschicht, sowie eine durch das verfahren erzeugte integrierte schaltungsanordnung

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Publication number
EP1101389A2
EP1101389A2 EP99945888A EP99945888A EP1101389A2 EP 1101389 A2 EP1101389 A2 EP 1101389A2 EP 99945888 A EP99945888 A EP 99945888A EP 99945888 A EP99945888 A EP 99945888A EP 1101389 A2 EP1101389 A2 EP 1101389A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
depression
layer
recess
material layer
sacrificial layer
Prior art date
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Granted
Application number
EP99945888A
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English (en)
French (fr)
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EP1101389B1 (de
Inventor
Robert Aigner
Klaus-Günter Oppermann
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1101389A2 publication Critical patent/EP1101389A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1101389B1 publication Critical patent/EP1101389B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a filled depression in a material layer, and to an integrated circuit arrangement produced by the method.
  • such a circuit arrangement comprises a CMOS microphone, in which a depression forms a cavity, the so-called rear side volume, over which a membrane is arranged, which is set into vibration by sound waves.
  • CMOS microphone in which a depression forms a cavity
  • rear side volume over which a membrane is arranged, which is set into vibration by sound waves.
  • the vibrations are converted into electrical signals.
  • the cover layer and the recess are produced in a single substrate. To do this, the recess is filled with a sacrificial layer. A perforated cover layer and a membrane are created over the sacrificial layer. The sacrificial layer is then removed by etching through an opening at the edge of the membrane.
  • the thickness of a conformally deposited layer must be at least the depth of the depression so that the depression is filled by the layer.
  • the associated depressions generally have the dimensions described.
  • the recess in the second microphone is filled during the manufacturing process by deposition of the sacrificial layer, it is flat in contrast to the recess in the first microphone.
  • the back volume of the second microphone is correspondingly smaller than that of the first microphone.
  • micromechanical components such as rotation rate sensors or acceleration sensors, which have movable structures arranged in cavities, for which the greatest possible freedom of movement is sought.
  • the German patent application DE 195 09 868 AI describes a manufacturing process for such micromechanical components. A lower sacrificial layer and a structural layer above it are produced and structured on a substrate, as a result of which a structure surrounded by a depression is produced. The depression is filled by depositing an upper sacrificial layer, over which a cover layer is applied. Using etch holes in the top layer, the sacrificial layers are removed and the recess forms part of a cavity in which the structure can move.
  • shocks or rotations are detected with the aid of the structure, which can be set into lateral vibrations.
  • the cover layer serves to protect the circuit arrangement.
  • the sensitivity of the acceleration sensor or the rotation rate sensor is greater the thicker the structure, i.e. the deeper the depression is.
  • the invention is based on the problem of specifying a production method in which a filled, at least a few ⁇ m deep recess can be produced in a material layer, which has a horizontal cross section in which at least one circular surface with a diameter of a few ⁇ m fits. Furthermore, an integrated circuit arrangement generated by the manufacturing method is to be specified.
  • a method according to claim 1 at least a first structure and at least a second structure are produced in a region of the material layer provided for the depression, which adjoin one another laterally and which form a filling of the depression, and in which each of its parts each have opposing flank parts, the sides of which Distance from each other is less than about half a depth of the depression.
  • the depression is not first produced as in the prior art and then filled in one step, which is why the deposition of a thick layer with all of its disadvantages is avoided.
  • the method according to the invention enables the creation of filled deep depressions with large horizontal cross sections.
  • Such a method is advantageous for any technical field in which depressions are filled with essentially conformal layers as standard.
  • One such area is semiconductor process technology, for example.
  • the described dimensions of the first structure and the second structure enable these structures to be produced by method steps which are independent of the depth of the depression.
  • the first structure At least one narrow depression is first produced in a region of the material layer provided for the depression by removing a portion of the material layer.
  • the narrow depression has a smaller horizontal cross section than the depression to be produced and forms part of the depression to be produced.
  • Flank-forming layer-like parts of the first structure are then produced, which are laterally thickened until the parts meet and thereby form the first structure. An interface between the abutting parts is thus inside the first structure.
  • the first structure is either in the narrow distribution deepening or outside of the narrow depression.
  • the second structure is produced by initially producing flank-forming layer-like parts of the second structure, which are thickened laterally until the parts meet and thereby form the second structure. By filling the first structure and the second structure, which extend to a bottom of the depression, the filled depression is formed.
  • the first structure and the second structure are produced in corresponding narrow recesses, which are filled by depositing an essentially conformal filling layer.
  • the filling layer is initially created on the flanks of the narrow depression and forms the flank-forming layer-like parts of the structures there. In the further course of the deposition, these parts thicken laterally in the direction of the center of the narrow depression until opposing parts collide and the narrow depression is filled. Due to the small spacing of the flank parts from one another, the minimum thickness of the filling layer is determined by this spacing and not by the depth of the narrow depression. It is only half of this distance.
  • the filling layer can therefore have a substantially smaller thickness than a thickness of a layer that would be required to fill the entire depression in one step.
  • the first structure is meandering and twists through the recess.
  • the second structure is also meandering, for example.
  • there are a large number of strip-shaped second structures which are arranged in the turns of the first structure.
  • a corresponding number of narrow recesses are created for the second structures.
  • a large number of first structures can also be provided, which are, for example, cylindrical or strip-shaped.
  • the shapes described are examples from an unlimited number of shapes that meet the above condition for the Flank parts meet and are also within the scope of the invention.
  • the first structure can be produced in the narrow depression by filling the narrow depression by essentially conformally depositing a first filling layer.
  • a further narrow depression is then produced by removing the parts of the material layer arranged between flanks of the first structure.
  • the second structure is created by filling the further narrow depression by essentially conformally depositing a second fill layer.
  • the narrow depression can be produced by etching the material layer selectively with respect to the first filling layer.
  • the above-mentioned parts of the first fill layer can be removed by masked etching.
  • the first fill layer is polished mechanically and mechanically until the material layer is exposed.
  • a mask covers parts of the material layer lying outside of the area provided for the depression when the narrow depression is produced.
  • a circuit arrangement according to the invention can comprise the filled depression.
  • the filling of the depression serves as a sacrificial layer and is removed in a later process step.
  • a lid structure can be created over the filled depression, which lies completely outside the depression and into which an opening is created. Using the opening, the first structure and the second structure can be removed by etching, whereby the recess forms a cavity.
  • the first structure and the second structure consist of the same material.
  • the removal can then take place in an etching step. If the etching step is isotropic, it is advantageous if the first structure and the second structure can be etched selectively with respect to the material layer.
  • a movable structure can be created from the material layer.
  • a lower sacrificial layer is applied and structured on a semiconductor substrate.
  • the material layer is applied to the lower sacrificial layer.
  • the material layer creates the structure that is laterally surrounded by the depression.
  • the first structure and the second structure form part of an upper sacrificial layer that is adjacent to the lower sacrificial layer.
  • the narrow depression is created in such a way that it extends to the lower sacrificial layer and cuts through the material layer.
  • the lid structure with the opening is applied to the upper sacrificial layer covering the structure. Using the opening of the lid structure, the upper sacrificial layer and the lower sacrificial layer are removed, as a result of which the depression forms a first part of the cavity, which has at least further parts arranged below and above the structure.
  • supports or suspensions can be provided which connect the structure to the substrate or to the lid structure.
  • the lower op- layer creates an opening that extends to the substrate.
  • the opening is filled.
  • the filled opening forms the support that connects the material layer to the substrate.
  • an opening is made in the upper sacrificial layer that extends to the structure.
  • the opening is filled.
  • the filled opening forms the suspension that connects the structure to the lid structure.
  • a bottom of the depression can have adjoining regions over which one of the structures was generated during the method and which lie at different depths. Due to the dimensions of the structures, each of the parts of these areas each have opposing edges, the distance from one another of which is smaller than a few ⁇ . Since a depth difference between the areas is due to the fault tolerances, it is much smaller than the depths of the areas, i.e. than the depths of the deepening. If no lower sacrificial layer is provided, the shape of the floor is retained even if the structures have been removed during the manufacturing process.
  • first of the regions of the bottom of the depression can be strip-shaped, run essentially parallel to one another and cross the depression. Second of the areas of the bottom of the depression are arranged between the first areas. In each first area, the bottom has a cuboid flat projection which is considerably longer than it is wide.
  • An upper surface of the filler layer for the second structure if it is not planarized, has a slight indentation along a center line of the associated narrow depression.
  • the narrow depressions are in the form of strip-shaped trenches running parallel to one another, during the deposition of the filler layer for the second structures along the center lines of the trenches, grooves are formed in an upper surface of this filler layer.
  • the lid structure which is deposited above, fills the grooves and consequently has projections in the form of burrs.
  • the depression has a depth that is greater than approximately 5 ⁇ m. It is within the scope of the invention if the depression has horizontal dimensions that are more than approximately 10 ⁇ m.
  • the circuit arrangement comprises a rotation rate sensor or an acceleration sensor in which the movable structure can be set in lateral oscillations.
  • the circuit arrangement comprises a microphone, in which the depression serves as a rear-side volume, and in which the cover structure is a perforated electrode.
  • Another electrode is e.g. a membrane arranged over the lid structure.
  • the circuit arrangement is a thermal sensor.
  • a temperature measurement point is arranged above the recess so that a heat flow between the temperature measuring point and the substrate is as small as possible.
  • the circuit arrangement is a high-frequency coil.
  • the high-frequency coil is arranged above the depression, which is filled with insulating material, so that a capacitance between the high-frequency coil and the semiconductor substrate is as small as possible.
  • the circuit arrangement is a pump or a valve for gases or liquids.
  • the depression acts as a flow channel.
  • the first structure and the second structure can contain oxide.
  • FIG. 1 shows a cross section through a first substrate after a lower sacrificial layer, a layer, a support, a first mask and first trenches have been produced.
  • FIG. 2 shows the cross section from FIG. 1 after first structures and a second mask have been produced as parts of an upper sacrificial layer and parts of the first mask have been removed.
  • FIG. 3 shows the cross section from FIG. 2 after parts of the layer have been removed and second structures have been produced as parts of the upper sacrificial layer.
  • FIG. 4 shows the cross section from FIG. 3 after a cover layer and a cavity-forming depression
  • FIG. 5 shows a cross section through a second substrate after a mask, trenches and first structures have been produced.
  • FIG. 6 shows the cross section from FIG. 5 after the first mask has been removed and a filling layer, second structures and a cover layer have been produced.
  • a first substrate 1 made of silicon is provided as the starting material.
  • SiO 2 is deposited in a thickness of approximately 1 ⁇ m on the first substrate 1 and structured in a TEOS process (see FIG. 1). In this case, a part of the lower sacrificial layer U is created which extends as far as the first substrate 1.
  • polysilicon is deposited over the lower sacrificial layer U to produce a material layer S (see FIG. 1).
  • the recess is filled in which a support T is created.
  • SiO 2 is deposited in a thickness of approximately 200 nm and structured by a photolithographic process.
  • first trenches G 1 running parallel to one another and approximately 1 ⁇ m wide are produced.
  • the first trenches G1 are at a distance of approximately 1 ⁇ m from one another (see FIG. 1).
  • the first trenches Gl extend into the first sacrificial layer U and are approximately 5 ⁇ m deep.
  • first filling layer F1 made of SiO 2 is then deposited in a TEOS process. Parts of the first fill layer F1 which fill the first trenches Gl form the first structures Sl (see Figure 2). The thickness of the first structures S1 corresponds approximately to the depth of the first trenches Gl.
  • a second mask 3 made of photoresist which covers parts of the first filling layer F1 lying outside the recess to be produced and the first structures S1, parts of the first filling layer F1 and the first mask 2 arranged in the region of the recess V to be produced are covered with e.g. B. removed hydrofluoric acid (see Figure 2). The second mask 3 is then removed.
  • an approximately 1 ⁇ m thick second fill layer F2 made of SiO 2 is deposited. Parts of the second fill layer F2, which fill the second trenches G2, form second structures S2.
  • the first fill layer F1 and the second fill layer F2 together form an upper sacrificial layer.
  • the first trenches G1 and the second trenches G2 together form the depression V.
  • a bottom of the depression V has mutually adjacent first areas B1 and second areas B2, in which each of their parts each have mutually opposite edges, the spacing from one another of less than a few ⁇ m is.
  • One of the first structures S1 is arranged above the first regions B1.
  • the second structures S2 ′ are arranged above the second regions B2.
  • a bottom of the first trenches Gl coincides with the first areas B1.
  • a bottom of the second trenches G2 corresponds to the second areas B2.
  • a depression is formed from the material layer S by the depression V, which is laterally surrounded by the depression V.
  • the semiconductor structure is approx. 50 ⁇ m wide and approx. 50 ⁇ m long.
  • the support T connects it to the first substrate 1.
  • An upper surface of the second fill layer F2 has along center lines of the second trenches G2 running grooves (see Figure 3).
  • the depression V has a horizontal cross section in which a circular surface with a diameter of approximately 7 ⁇ m fits.
  • lid structure D polysilicon is deposited in a thickness of approximately 1 ⁇ m.
  • the lid structure D has projections a in the region of the recess V in the form of ridges that run in the grooves (see FIG. 4).
  • the downwardly tapering projections a are substantially smaller than the depth of the depression V and are arranged over the second regions B2 of the bottom of the depression V.
  • the courses of the projections a essentially coincide with the courses of center lines of the second areas B2.
  • An opening 0 is created in the lid structure D, through which the upper sacrificial layer and the lower sacrificial layer U are removed in an etching step.
  • a buffered hydrofluoric acid for example, is suitable as an etchant.
  • the depression V forms part of a cavity which is delimited at the top by the lid structure D.
  • the semiconductor structure can be vibrated by vibrations. The lateral freedom of movement is about 7 ⁇ m.
  • the circuit arrangement is suitable, for example, as a rotation rate sensor or as an acceleration sensor.
  • further components are arranged in the first substrate 1.
  • circuit arrangements are, for example, micro- hair dryers, thermal sensors, pumps and valves for gases or liquids and integrated high-frequency coils.

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Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer gefüllten Vertiefung in einer Materialschicht, sowie eine durch das Verfahren erzeugte in- tegrierte Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gefüllten Vertiefung in einer Materialschicht, sowie eine durch das Verfahren erzeugte integrierte Schaltungsanordnung.
Es gibt eine Vielzahl integrierter Schaltungsanordnungen, für die es von Vorteil ist, eine Vertiefung mit Abmessungen von mindestens einigen um aufzuweisen.
Beispielsweise umfaßt eine solche Schaltungsanordnung ein CMOS-Mikrofon, bei dem eine Vertiefung einen Hohlraum, das sogenannte Rückseitenvolumen, bildet, über den eine Membran angeordnet ist, die durch Schallwellen in Schwingungen versetzt wird. Mit Hilfe eines Kondensators werden die Schwin- gungen in elektrische Signale umgewandelt. Je mehr Volumen die Vertiefung aufweist, umso leichter kann die Membran schwingen, und umso geringere Schallpegel können nachgewiesen werden. Für Mikrofone ist es demnach erstrebenswert, eine möglichst tiefe Vertiefung mit großem horizontalem Quer- schnitt vorzusehen.
In P.R. Scheeper et al, „A Review of Silicon Microphones", Sensors and Actuators A 44 1994, Seiten 1 bis 11, ist ein erstes Mikrofon beschrieben, bei dem eine Vertiefung, die als Rückseitenvolumen dient, in einem ersten Siliziumsubstrat erzeugt wird. In einem zweiten Siliziumsubstrat werden eine perforierte Deckelschicht und darüber eine Membran erzeugt. Das erste Siliziumsubstrat wird mit dem zweiten Siliziumsubstrat verbunden. Eine Kapazität wird durch die Deckelschicht und das erste Siliziumsubstrat gebildet. Da die Vertiefung und die Deckelschicht in gesonderten Substraten erzeugt werden, ist der Prozeßaufwand sehr hoch. Das Verbinden der Sub- strate erfordert hohe Temperaturen, welche die Prozeßsicher¬ heit beeinträchtigen können.
Diese Nachteile werden bei einem zweiten in der oben genann- ten Patentanmeldung beschriebenen Mikrofon vermieden. Die Deckelschicht und die Vertiefung werden in einem einzigen Substrat erzeugt. Dazu wird die Vertiefung mit einer Opferschicht gefüllt. Über der Opferschicht wird eine perforierte Deckelschicht und darüber eine Membran erzeugt. Durch eine Öffnung am Rande der Membran wird die Opferschicht anschließend durch Atzen entfernt.
Paßt in einen horizontalen Querschnitt einer Vertiefung eine kreisförmige Fläche hinein, deren Durchmesser mindestens der Tiefe der Vertiefung entspricht, so muß die Dicke einer konform abgeschiedenen Schicht mindestens die Tiefe der Vertiefung betragen, damit die Vertiefung durch die Schicht gefüllt wird. Bei Mikrofonen haben die zugehörigen Vertiefungen in der Regel die beschriebenen Abmessungen.
Allgemein führt jedoch eine Abscheidung einer Schicht, die dicker als einige um ist, zum Abblättern der Schicht oder zu Rißbildung in der Schicht. Außerdem kann die betreffende Schaltungsanordnung aufgrund von Schichtspannungen verbogen werden. Nicht zuletzt erfordert die Abscheidung einer dicken Schicht einen hohen Zeit- und Kostenaufwand. Vertiefungen, die zu irgend einem Zeitpunkt gefüllt werden, weisen deshalb im Stand der Technik Abmessungen unter einigen um auf.
Da beim zweiten Mikrofon die Vertiefung während des Herstellungsverfahrens durch Abscheidung der Opferschicht gefüllt wird, ist sie im Gegensatz zur Vertiefung des ersten Mikrofons flach. Das Rückseitenvolumen des zweiten Mikrofons ist entsprechend kleiner als beim ersten Mikrofon.
Weitere integrierte Schaltungsanordnungen, für die es von Vorteil ist, eine Vertiefung mit Abmessungen von mindestens einigen um aufzuweisen, umfassen beispielsweise mikromechanische Bauelemente, wie Drehratensensoren oder Beschleunigungssensoren, die in Hohlräumen angeordnete bewegliche Strukturen aufweisen, für die eine möglichst große Bewegungsfreiheit er- strebt wird. In der deutschen Patentanmeldung DE 195 09 868 AI wird ein Herstellungsverfahren für solche mikromechanische Bauelemente beschrieben. Auf einem Substrat werden eine untere Opferschicht und darüber eine Strukturschicht erzeugt und strukturiert, wodurch eine von einer Vertiefung umgebene Struktur erzeugt wird. Die Vertiefung wird durch Abscheidung einer oberen Opferschicht gefüllt, über der eine Deckelschicht aufgebracht wird. Unter Verwendung von Ätzlöchern in der Deckelschicht werden die Opferschichten entfernt, und die Vertiefung bildet einen Teil eines Hohlraums, in dem sich die Struktur bewegen kann.
Beim Beschleunigungssensor oder beim Drehratensensor werden Erschütterungen oder Rotationen mit Hilfe der Struktur, die in laterale Schwingungen versetzbar ist, detektiert. Die Dek- kelschicht dient dem Schutz der Schaltungsanordnung. Die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors oder des Drehratensensors ist umso größer je dicker die Struktur, d.h. je tiefer die Vertiefung ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Herstellungsverfahren anzugeben, bei dem in einer Materialschicht eine gefüllte, mindestens einige um tiefe Vertiefung erzeugt werden kann, die einen horizontalen Querschnitt aufweist, in dem mindestens eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von einigen um paßt. Ferner soll eine durch das Herstellungsverfahren erzeugte integrierte Schaltungsanordnung angegeben werden.
Das Problem wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 5. Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor. In einem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem für die Vertiefung vorgesehenen Bereich der Materialschicht mindestens eine erste Struktur und mindestens eine zweite Struktur erzeugt werden, die seitlich aneinandergrenzen und die eine Füllung der Vertiefung bilden, und bei denen jedes ihrer Teile jeweils sich gegenüberliegende Flankenteile aufweisen, deren Abstand voneinander kleiner als etwa die Hälfte einer Tiefe der Vertiefung ist. Die Vertiefung wird nicht wie im Stand der Technik zunächst erzeugt und dann in einem Schritt gefüllt, weshalb die Abscheidung einer dicken Schicht mit all seinen Nachteilen vermieden wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung von gefüllten tiefen Vertiefungen mit großen horizontalen Querschnitten.
Ein solches Verfahren ist für jedes technische Gebiet vorteilhaft, bei dem Vertiefungen standardmäßig mit im wesentlichen konformen Schichten gefüllt werden. Ein solches Gebiet ist beispielsweise die Halbleiterprozeßtechnik.
Die beschriebenen Abmessungen der ersten Struktur und der zweiten Struktur ermöglichen die Erzeugung dieser Strukturen durch Verfahrensschritte, die unabhängig von der Tiefe der Vertiefung sind.
Zur Erzeugung der ersten Struktur wird in einem für die Vertiefung vorgesehenen Bereich der Materialschicht zunächst mindestens eine enge Vertiefung erzeugt, indem ein Anteil der Materialschicht entfernt wird. Die enge Vertiefung weist ei- nen kleineren horizontalen Querschnitt als die zu erzeugende Vertiefung auf und bildet einen Teil der zu erzeugenden Vertiefung. Danach werden flankenbildende schichtartige Teile der ersten Struktur erzeugt, die seitlich verdickt werden, bis die Teile aufeinanderstoßen und dadurch die erste Struk- tur bilden. Eine Grenzfläche zwischen den aufeinandergestoßenen Teilen befindet sich folglich im Inneren der ersten Struktur. Die erste Struktur wird entweder in der engen Ver- tiefung oder außerhalb der engen Vertiefung erzeugt. Die zweite Struktur wird erzeugt, indem zunächst flankenbildende schichtartige Teile der zweiten Struktur erzeugt werden, die seitlich verdickt werden, bis die Teile aufeinanderstoßen und dadurch die zweiten Struktur bilden. Durch die Erzeugung der ersten Struktur und der zweiten Struktur, die bis zu einem Boden der Vertiefung reichen, wird die gefüllte Vertiefung gebildet.
Die ersten Struktur und die zweite Struktur werden in entsprechenden engen Vertiefungen erzeugt, die durch Abscheiden einer im wesentlich konformen Füllschicht gefüllt werden. Die Füllschicht entsteht unter anderem zunächst auf den Flanken der engen Vertiefung und bildet dort die flankenbildenden schichtartigen Teile der Strukturen. Im weiteren Verlauf der Abscheidung verdicken sich diese Teile seitlich in Richtung Mitte der engen Vertiefung, bis gegenüberliegende der Teile aufeinanderstoßen und die enge Vertiefung gefüllt ist. Aufgrund des kleinen Abstands der Flankenteile voneinander wird die Mindestdicke der Füllschicht von diesem Abstand und nicht von der Tiefe der engen Vertiefung bestimmt. Sie beträgt lediglich die Hälfte dieses Abstands. Die Füllschicht kann deshalb eine wesentlich kleinere Dicke aufweisen als eine Dicke einer Schicht, die zum Auffüllen der gesamten Vertiefung in einem Schritt erforderlich wäre.
Die erste Struktur ist beispielsweise mäandrisch und windet sich durch die Vertiefung. In diesem Fall ist die zweite Struktur z.B. ebenfalls mäandrisch. Alternativ gibt es eine Vielzahl streifenförmiger zweiter Strukturen, die in den Windungen der ersten Struktur angeordnet sind. Für die zweiten Strukturen werden entsprechend viele enge Vertiefungen erzeugt. Es können auch eine Vielzahl erster Strukturen vorgesehen sein, die z.B. zylindrisch oder streifenförmig sind. Die beschriebenen Formen sind Beispiele aus eine unbegrenzten Anzahl von Formen, die die obengenannte Bedingung für die Flankenteile erfüllen und ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn weitere Strukturen er- zeugt werden, die zusammen mit den ersten Strukturen und den zweiten Strukturen die Vertiefung füllen.
Die erste Struktur kann in der engen Vertiefung erzeugt werden, indem die enge Vertiefung durch im wesentlichen konfor- mes Abscheiden einer ersten Füllschicht gefüllt wird. Anschließend wird eine weitere enge Vertiefung erzeugt, indem die zwischen Flanken der ersten Struktur angeordnete Teile der Materialschicht entfernt werden. Die zweite Struktur wird erzeugt, indem die weitere enge Vertiefung durch im wesentli- chen konformes Abscheiden einer zweiten Füllschicht gefüllt wird.
Damit diese zwischen den Flanken der ersten Struktur angeordneten Teile der Materialschicht entfernt werden können, ist es zweckmäßig, über den Teilen der Materialschicht liegende Teile der ersten Füllschicht zu entfernen. Die enge Vertiefung kann durch zur ersten Füllschicht selektives Ätzen der Materialschicht erzeugt werden. Die obengenannten Teile der ersten Füllschicht können durch maskiertes Atzen entfernt werden. Alternativ wird die erste Füllschicht chemisch- mechanisch poliert, bis die Materialschicht freigelegt wird. In diesem Fall bedeckt eine Maske außerhalb vom für die Vertiefung vorgesehenen Bereich liegende Teile der Materialschicht bei der Erzeugung der engen Vertiefung.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann die gefüllte Vertiefung umfassen. Alternativ dient die Füllung der Vertiefung als Opferschicht und wird in einem späteren Prozeßschritt entfernt.
Über der gefüllten Vertiefung kann eine Deckelstruktur erzeugt werden, die vollständig außerhalb der Vertiefung liegt und in die eine Öffnung erzeugt wird. Unter Verwendung der Öffnung kann die erste Struktur und die zweite Struktur durch Ätzen entfernt werden, wodurch die Vertiefung einen Hohlraum bildet. Im Stand der Technik war es bisher nur möglich solche Hohlraum bildende Vertiefungen mit großen Abmessungen durch zweiseitige Bearbeitung eines Substrats zu erzeugen, was einen erheblich größeren Prozeßaufwand erfordert.
Zur Verringerung des Prozeßaufwands ist es vorteilhaft, wenn die erste Struktur und die zweite Struktur aus demselben Material bestehen. Das Entfernen kann dann in einem Ätzschritt erfolgen. Ist der Ätzschritt isotrop, so ist es vorteilhaft, wenn die erste Struktur und die zweite Struktur selektiv zur Materialschicht ätzbar sind.
Aus der Materialschicht kann eine bewegliche Struktur erzeugt werden. Dazu wird auf einem Halbleitersubstrat eine untere Opferschicht aufgebracht und strukturiert. Auf der unteren Opferschicht wird die Materialschicht aufgebracht. Durch die Erzeugung der gefüllten Vertiefung entsteht aus der Materialschicht die Struktur, die von der Vertiefung seitlich umgeben wird. Die erste Struktur und die zweite Struktur bilden einen Teil einer oberen Opferschicht, die an die untere Opferschicht angrenzt. Dazu wird die enge Vertiefung so erzeugt, daß sie bis auf die untere Opferschicht reicht und die Materialschicht durchtrennt. Auf der oberen Opferschicht, die die Struktur bedeckt, wird die Deckelstruktur mit der Öffnung aufgebracht. Unter Verwendung der Öffnung der Deckelstruktur werden die obere Opferschicht und die untere Opferschicht entfernt, wodurch die Vertiefung einen ersten Teil des Hohlraums bildet, der mindestens weitere unterhalb und oberhalb der Struktur angeordnete Teile aufweist.
Damit die Struktur nicht völlig frei im Hohlraum beweglich ist, können Stützen oder Aufhängungen vorgesehen sein, die die Struktur mit dem Substrat oder mit der Deckelstruktur verbinden. Zur Erzeugung einer Stütze wird in der unteren Op- ferschicht eine Öffnung erzeugt, die bis auf das Substrat reicht. Beim Abscheiden der Materialschicht wird die Öffnung gefüllt. Die gefüllte Öffnung bildet die Stütze, die die Materialschicht mit dem Substrat verbindet. Zur Erzeugung einer Aufhängung wird in der oberen Opferschicht eine Öffnung erzeugt, die bis auf die Struktur reicht. Beim Abscheiden der Deckelstruktur wird die Öffnung gefüllt. Die gefüllte Öffnung bildet die Aufhängung, die die Struktur mit der Deckelstruktur verbindet .
Aufgrund von Fehlertoleranzen bei den Prozeßschritten werden die Strukturen, die die Füllung der Vertiefung bilden, in der Regel nicht gleich dick sein. Deshalb kann bei einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Schaltungsanordnung ein Boden der Vertiefung aneinander angrenzende Bereiche aufweisen, über denen jeweils während des Verfahrens eine der Strukturen erzeugt wurden und die in unterschiedlichen Tiefen liegen. Aufgrund der Abmessungen der Strukturen weisen jedes der Teile dieser Bereiche jeweils sich gegenüberliegende Rän- der auf, deren Abstand voneinander kleiner als einige μ ist. Da ein Tiefenunterschied zwischen den Bereichen auf die Fehlertoleranzen zurückzuführen ist, ist er wesentlich kleiner als die Tiefen der Bereiche, d.h. als die Tiefen der Vertiefung. Ist keine untere Opferschicht vorgesehen, so bleibt die Form des Bodens auch dann erhalten, wenn die Strukturen beim Herstellungsverfahren entfernt wurden.
Sind die ersten Strukturen und die zweiten Strukturen streifenförmig, können erste der Bereiche des Bodens der Vertie- fung streifenförmig sein, im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und die Vertiefung durchqueren. Zweite der Bereiche des Bodens der Vertiefung sind zwischen den ersten Bereichen angeordnet. Der Boden weist in jedem ersten Bereich einen quaderförmigen flachen Vorsprung auf, der wesentlich länger als breit ist. Eine obere Fläche der Füllschicht für die zweite Struktur weist, wenn sie nicht planarisiert wird, eine leichte Einbuchtung entlang einer Mittellinie der zugehörigen engen Vertiefung auf. Wird die Deckelstruktur auf die Füllschicht ab¬ geschieden, so weist eine untere, der Vertiefung zugewandten Fläche der Deckelstruktur einen entsprechenden Vorsprung auf, die die Einbuchtung füllt. Der Vorsprung verjüngt sich nach unten und ist wesentlich kleiner als die Tiefe der Vertiefung.
Haben die engen Vertiefungen die Form von streifenförmigen parallel zueinander verlaufenden Gräben, entstehen bei der Abscheidung der Füllschicht für die zweiten Strukturen entlang Mittellinien der Gräben Rillen in einer oberen Fläche dieser Füllschicht. Die Deckelstruktur, die darüber abgeschieden wird, füllt die Rillen auf und weist dort folglich Vorsprünge in Form von Graten auf.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Vertiefung eine Tiefe aufweist, die größer als ca. 5 μm ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Vertiefung horizontale Abmessungen aufweist, die mehr als ca. 10 μm betragen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Schaltungsanord- nung einen Drehratensensor oder einen Beschleunigungssensor umfaßt, bei dem die bewegliche Struktur in laterale Oszillationen versetzbar ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Schaltungsanord- nung ein Mikrofon umfaßt, bei dem die Vertiefung als Rückseitenvolumen dient, und bei dem die Deckelstruktur eine gelochte Elektrode ist. Als weitere Elektrode dient z.B. eine über der Deckelstruktur angeordnete Membran.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Schaltungsanordnung ein thermischer Sensor ist. Ein Temperaturmeßpunkt ist über der Vertiefung angeordnet, damit ein Wärmefluß zwischen dem Temperaturmeßpunkt und dem Substrat möglichst klein ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Schaltungsanord- nung eine Hochfrequenzspule ist. Die Hochfrequenzspule ist über der Vertiefung, die mit isolierendem Material gefüllt ist, angeordnet, damit eine Kapazität zwischen der Hochfrequenzspule und dem Halbleitersubstrat möglichst klein ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Schaltungsanordnung eine Pumpe oder ein Ventil für Gase oder Flüssigkeiten ist. Die Vertiefung wirkt als Strömungskanal.
Die erste Struktur und die zweite Struktur können Oxid ent- halten.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Substrat, nachdem eine untere Opferschicht, eine Schicht, eine Stütze, eine erste Maske und erste Gräben erzeugt wurden.
Figur 2 zeigt den Querschnitt aus Figur 1, nachdem als Teile einer oberen Opferschicht erste Strukturen und eine zweite Maske erzeugt wurden und Teile der ersten Maske entfernt wurden.
Figur 3 zeigt den Querschnitt aus Figur 2, nachdem Teile der Schicht entfernt wurden und als Teile der oberen Opferschicht zweite Strukturen erzeugt wurden.
Figur 4 zeigt den Querschnitt aus Figur 3, nachdem eine Dek- kelschicht und eine hohlraumbildende Vertiefung durch
Entfernen der oberen Opferschicht und der unteren Opferschicht erzeugt wurden. Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Substrat, nachdem eine Maske, Gräben und erste Strukturen erzeugt wurden.
Figur 6 zeigt den Querschnitt aus Figur 5, nachdem die erste Maske entfernt wurde und eine Füllschicht, zweite Strukturen und eine Deckelschicht erzeugt wurden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist als Ausgangsmaterial ein erstes Substrat 1 aus Silizium vorgesehen.
Zur Erzeugung einer unteren Opferschicht U wird in einem TEOS-Verfahren Siθ2 in einer Dicke von ca. lμm auf das erste Substrat 1 abgeschieden und strukturiert (siehe Figur 1) . Dabei wird ein Teil der unteren Opferschicht U eine Aussparung erzeugt, die bis auf das erste Substrat 1 reicht.
Über der unteren Opferschicht U wird zur Erzeugung einer Ma- terialschicht S Polysilizium in einer Dicke von ca. 5μm abgeschieden (siehe Figur 1) . Dabei wird die Aussparung gefüllt, in der eine Stütze T entsteht. Zur Erzeugung einer ersten Maske 2 wird Siθ2 in einer Dicke von ca. 200nm abgeschieden und durch ein fotolithografisches Verfahren strukturiert.
Mit Hilfe der ersten Maske 2 werden in einem Bereich der Materialschicht S, in dem eine Vertiefung V erzeugt werden soll, parallel zueinander verlaufende ca. lμm breite erste Gräben Gl erzeugt. Die ersten Gräben Gl weisen einen Abstand von ca. lμm voneinander auf (siehe Figur 1) . Die ersten Gräben Gl reichen auf die erste Opferschicht U hinein und sind ca. 5μm tief.
Anschließend wird in einem TEOS-Verfahren eine ca. 600 nm dicke erste Füllschicht Fl aus Siθ2 abgeschieden. Teile der ersten Füllschicht Fl, die die ersten Gräben Gl füllen, bil- den erste Strukturen Sl (siehe Figur 2) . Die Dicke der ersten Strukturen Sl entspricht etwa der Tiefe der ersten Gräben Gl .
Mit Hilfe einer zweiten Maske 3 aus Fotolack, die außerhalb der zu erzeugenden Vertiefung liegende Teile der ersten Füllschicht Fl sowie die ersten Strukturen Sl bedeckt, werden im Bereich der zu erzeugenden Vertiefung V angeordnete Teile der ersten Füllschicht Fl und der ersten Maske 2 mit z. B. Flußsäure entfernt (siehe Figur 2) . Anschließend wird die zweite Maske 3 entfernt.
Durch eine hochselektive Naßätzung mit z.B. Cholin werden zwischen den ersten Strukturen Sl zweite Gräben G2 erzeugt, indem freiliegende Teile der Materialschicht S selektiv zur ersten Füllschicht Fl entfernt werden.
In einem TEOS-Verfahren wird eine ca. lμm dicke zweite Füllschicht F2 aus Siθ2 abgeschieden. Teile der zweiten Füllschicht F2, die die zweiten Gräben G2 füllen, bilden zweite Strukturen S2. Die erste Füllschicht Fl und die zweite Füllschicht F2 bilden zusammen eine obere Opferschicht. Die ersten Gräben Gl und die zweiten Gräben G2 bilden zusammen die Vertiefung V. Ein Boden der Vertiefung V weist aneinander angrenzende erste Bereiche Bl und zweite Bereiche B2 auf, bei denen jedes ihrer Teile jeweils sich gegenüberliegende Ränder aufweisen, deren Abstand voneinander kleiner als einige μm ist. Über den ersten Bereichen Bl sind jeweils eine der ersten Strukturen Sl angeordnet. Über den zweiten Bereichen B2, sind jeweils die zweiten Strukturen S2' angeordnet. Ein Boden der ersten Gräben Gl stimmt mit den ersten Bereichen Bl überein. Ein Boden der zweiten Gräben G2 stimmt mit den zweiten Bereichen B2 überein. Durch die Vertiefung V wird aus der Materialschicht S eine Halbleiterstruktur gebildet, die von der Vertiefung V seitlich umgeben wird. Die Halbleiterstruktur ist ca. 50μm breit und ca. 50μm lang. Durch die Stütze T ist sie mit dem ersten Substrat 1 verbunden. Eine obere Fläche der zweiten Füllschicht F2 weist entlang Mittellinien der zweiten Gräben G2 verlaufende Rillen auf (siehe Figur 3) . Die Vertiefung V weist einen horizontalen Querschnitt auf, in dem eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von ca. 7μm paßt.
Zur Erzeugung einer Deckelstruktur D wird Polysilizium in einer Dicke von ca. lμm abgeschieden. Die Deckelstruktur D weist im Bereich der Vertiefung V Vorsprünge a in Form von Graten auf, die in den Rillen verlaufen (siehe Figur 4) .
Die sich nach unten verjüngenden Vorsprünge a sind wesentlich kleiner als die Tiefe der Vertiefung V und sind über den zweiten Bereichen B2 des Bodens der Vertiefung V angeordnet. Die Verläufe der Vorsprünge a stimmen mit den Verläufen von Mittellinien der zweiten Bereiche B2 im wesentlichen überein.
In die Deckelstruktur D wird eine Öffnung 0 erzeugt, durch die in einem Ätzschritt die obere Opferschicht und die untere Opferschicht U entfernt werden. Als Ätzmittel ist beispiels- weise eine gepufferte Flußsäure geeignet. Die Vertiefung V bildet einen Teil eines Hohlraums, der durch die Deckelstruktur D nach oben hin begrenzt wird. Die Halbleiterstruktur läßt sich durch Erschütterungen in Schwingungen versetzen. Die laterale Bewegungsfreiheit beträgt etwa 7μm.
Die Schaltungsanordnung ist beispielsweise als Drehratensensor oder als Beschleunigungssensor geeignet. Dazu sind weitere Bauelemente im ersten Substrat 1 angeordnet.
Es sind viele Variationen des Ausführungsbeispiels denkbar, die ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen. So können Abmessungen der Strukturen, Schichten und Halbleiterstrukturen an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden. Vertiefungen, die durch das beschriebene Verfahren hergestellt werden, können auch für andere Schaltungsanordnungen verwendet werden. Solche Schaltungsanordnungen sind beispielsweise Mikro- föne, thermische Sensoren, Pumpen und Ventile für Gase oder Flüssigkeiten und integrierte Hochfrequenzspulen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer gefüllten Vertiefung (V) in einer Materialschicht (S) , - bei dem ausgehend von der Materialschicht (S) in einem für die Vertiefung (V) vorgesehenen Bereich ein Anteil der Materialschicht (S) entfernt wird, bis ein Boden der Vertiefung (V) freigelegt wird,
- bei dem der entfernte Anteil durch mindestens eine für ei- nen Teil der Füllung der Vertiefung (V) vorgesehene erste
Struktur (Sl) ersetzt wird, indem eine erste Füllschicht (Fl) im wesentlichen konform abgeschieden wird, deren Dicke weniger als etwa die Hälfte einer Tiefe der Vertiefung (V) beträgt . - bei dem der restliche Anteil der Materialschicht (S) im Bereich entfernt wird,
- bei dem der restliche Anteil durch mindestens eine für einen weiteren Teil der Füllung der Vertiefung (V) vorgesehene zweite Struktur (S2) ersetzt wird, indem eine zweite Füllschicht (F2) im wesentlichen konform abgeschieden wird, deren Dicke weniger als etwa die Hälfte einer Tiefe der Vertiefung (V) beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, - bei dem mehrere erste Strukturen (Sl) und zweite Strukturen (S2) erzeugt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
- bei dem die erste Struktur (Sl) und die zweite Struktur (S2) als Teile einer oberen Opferschicht erzeugt werden,
- bei dem auf der oberen Opferschicht eine Deckelstruktur (D) aufgebracht wird,
- bei dem in der Deckelstruktur (D) mindestens eine Öffnung
(O) erzeugt wird, unter deren Verwendung die obere Opfer- schicht mit einem Ätzmittel entfernt wird, wodurch die Vertiefung (V) einen Hohlraum bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
- bei dem auf einem Halbleitersubstrat (1) eine untere Opferschicht (U) aufgebracht und strukturiert wird,
- bei dem auf der unteren Opferschicht (U) die Material- Schicht (S) aufgebracht wird,
- bei dem die enge Vertiefung (Gl) so erzeugt wird, daß sie bis auf die untere Opferschicht (U) reicht und die Materialschicht (S) durchtrennt,
- bei dem unter Verwendung der Öffnung (0) der Deckelstruktur (D) die obere Opferschicht und die untere Opferschicht (U) entfernt werden, wodurch die Vertiefung (V) einen Teil des Hohlraums bildet, der mindestens einen unterhalb der Materialschicht (S) angeordneten weiteren Teil aufweist.
5. Integrierte Schaltungsanordnung,
- bei der in einer Materialschicht (S) eine mindestens einige μm tiefe Vertiefung (V) angeordnet ist, die einen horizontalen Querschnitt aufweist, in dem mindestens eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von einigen μm paßt, - bei der über und außerhalb der Vertiefung (V) , die zumindest einen Teil eines Hohlraums bildet, eine Deckelstruktur (D) angeordnet ist,
- bei der ein Boden der Vertiefung (V) aneinander angrenzende Bereiche (Bl, B2) aufweist, die jeweils sich gegenüberlie- gende Ränder aufweisen, deren Abstand voneinander kleiner als einige μm ist,
- bei der eine untere, der Vertiefung (V) zugewandten Fläche der Deckelstruktur (D) mindestens einen nach unten verjüngenden Vorsprung (a) aufweist, der wesentlich kleiner als die Tiefe der Vertiefung (V) ist und über einem der Bereiche (B2) des Bodens der Vertiefung (V) angeordnet ist, und dessen Verlauf mit dem Verlauf einer Mittellinie jenes Bereichs (B2) im wesentlichen übereinstimmt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
- die mindestens eines von folgenden Bauelementen umfaßt:
1. Drehratensensor oder Beschleunigungssensor, bei dem eine Halbleiterstruktur, die in laterale Oszillationen versetzbar ist, von der Vertiefung, die Teil eines Hohlraums bildet, seitlich umgeben ist,
2. Mikrofon, bei dem die Vertiefung als Rückseitenvolumen dient, und die Deckelstruktur eine gelochte Elektrode ist.
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