EP1987337A1 - Fertigungsprozess für integrierte piezo-bauelemente - Google Patents

Fertigungsprozess für integrierte piezo-bauelemente

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Publication number
EP1987337A1
EP1987337A1 EP07703486A EP07703486A EP1987337A1 EP 1987337 A1 EP1987337 A1 EP 1987337A1 EP 07703486 A EP07703486 A EP 07703486A EP 07703486 A EP07703486 A EP 07703486A EP 1987337 A1 EP1987337 A1 EP 1987337A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
piezoresistive
producing
silicon layer
cavity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07703486A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alida Wuertz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Atmel Germany GmbH
Original Assignee
Atmel Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Atmel Germany GmbH filed Critical Atmel Germany GmbH
Publication of EP1987337A1 publication Critical patent/EP1987337A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C1/00246—Monolithic integration, i.e. micromechanical structure and electronic processing unit are integrated on the same substrate
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/07—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C2203/0707—Monolithic integration, i.e. the electronic processing unit is formed on or in the same substrate as the micromechanical structure
    • B81C2203/0742—Interleave, i.e. simultaneously forming the micromechanical structure and the CMOS circuit

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing integrated micro-electromechanical components according to claim 1 and micro-electro-mechanical components according to claim 16.
  • Micro-electro-mechanical systems MEMS with which physical quantities such as pressure, force, acceleration, flow etc. can be converted into an electrical signal, are known. Conversely, it is also known to convert electrical signals, for example, by deflection of a frictional membrane into mechanical motion.
  • sensors are produced, one based on a deformable membrane disposed on the piezo resistors.
  • an absolute pressure in relation to a Festge within a closed cavity below the membrane ⁇ set reference pressure can be detected. Due to the deformation of the membrane, a force is exerted on the piezoelectric bodies, which leads to a charge displacement in the piezoelectric body and thus to a voltage drop or change in resistance across the body.
  • the scored Motion is dependent on the polarity of the applied voltage and the direction of the vector of polarization.
  • microelectromechanical sensors based on a deformable silicon nitride diaphragm with polysilicon piezoresistors are known. With the help of the sensors, based on the reference pressure in the cavity below the membrane, an absolute pressure can be measured. All materials and process steps for manufacturing the sensors can be integrated into a CMOS process. In this case, an insulator layer (silicon nitride layer) is first produced on a carrier material. Thereafter, a thick oxide layer (TEOS) and then again a thin oxide layer (BPSG) are applied to the insulator layer, both of which are patterned after application.
  • TEOS thick oxide layer
  • BPSG thin oxide layer
  • a nitride layer for the subsequent membrane is applied and also structured. Thereafter, the two oxide layers below the nitride layer are etched in an HF solution to form a cavity below the nitride layer, and then the etch openings are sealed with nitride. Subsequently, the piezoresistive polysilicon is first applied, implanted and patterned and then aluminum is applied and patterned.
  • the US 6959608B2 discloses a piezoresistive pressure sensor and a method for its production on the basis of an SOI wafer.
  • a narrow gap is etched into the silicon and oxide layer, and then the wafer is covered with a nitride layer to fill the gap with nitride.
  • a layer of doped, epitaxially grown silicon is deposited to structure resistors and connections.
  • an aluminum layer is deposited and patterned, and thereafter a narrow etch hole is made in the silicon layer to etch a cavity in the oxide layer of the wafer by means of RF.
  • a layer of oxide (LTO) is applied to the wafer, which simultaneously serves to reseal the etching opening.
  • a disadvantage of this method is that the etching process within the buried oxide layer can be poorly controlled and reproduced.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art.
  • the essence of the invention is to carry out the following steps in succession in a method for producing integrated microelectromechanical components.
  • a silicon layer is deposited on an insulator layer and then on the silicon layer a piezoresistive layer or the silicon layer is doped in subregions for producing a piezoresistive layer.
  • at least one etch opening for etching at least one cavity is fabricated substantially within the silicon layer.
  • sequence of steps may also be carried out so that first a silicon layer is deposited on an insulator layer. Then, at least one etching opening for etching at least one cavity in
  • the piezoresistive layer is deposited on the silicon layer or the silicon layer is doped in subregions for producing the piezoresistive layer.
  • deep trenches are preferably produced within the silicon layer, which extend down to the insulator layer and are likewise filled with an insulating material, for example oxide, for the lateral delimitation of the cavity.
  • an insulating material for example oxide
  • These serve in the etching of the cavity due to the high selectivity of the etching medium as a lateral ⁇ tzstopps.
  • they also isolate the individual micro-electro-mechanical components from each other. It is therefore particularly advantageous to produce the trenches circumferentially and thus also to determine the shape of the cavities. In this case, it is also possible to arrange the trenches in such a way that several cavities communicate within a micro-electro-mechanical component after the etching.
  • the silicon layer which is preferably a polysilicon, is selectively doped in order to obtain piezoresistive regions.
  • a doped, preferably implanted, polysilicon may be provided as the starting material for the piezoresistive layer, or a diffusion-doped polysilicon may be used.
  • a doped, preferably implanted, polysilicon may be provided as the starting material for the piezoresistive layer, or a diffusion-doped polysilicon may be used.
  • a doped, preferably implanted, polysilicon may be provided as the starting material for the piezoresistive layer, or a diffusion-doped polysilicon may be used.
  • Become It is also possible to use other piezoresistive materials such as lead zirconate titanate ceramics (PZT) or aluminum nitride.
  • PZT lead zirconate titanate ceramics
  • the invention provides to structure the piezoresistive layer to produce piezoelectric resistors, by means of which the
  • the piezoelectric resistors can also be produced by selectively doping the poly-silicon, which was used as the starting material for the piezoresistive layer, into partial areas.
  • the individual resistors can be isolated from each other by pn junctions.
  • a development of the invention provides for depositing a second insulator layer, for example of silicon oxide SiO 2 or silicon nitride Si 3 N 4, on the silicon layer before the piezoresistive layer is produced.
  • a second insulator layer for example of silicon oxide SiO 2 or silicon nitride Si 3 N 4
  • the insulator layers serve as ⁇ tzstopp harshen.
  • the shape of the cavity is defined laterally by the vertical trenches, at the bottom by the first insulator layer and at the top by the second insulator layer.
  • the size and geometry of the cavity are determined by the distance and shape of the trenches in the sacrificial layer and the thickness of the silicon layer.
  • the second insulator layer serves as a self-supporting membrane after the cavity has been fabricated.
  • a further advantage of the second insulator layer is that the piezoresistors which are arranged on it are also isolated from one another. Due to the good control of the sacrificial etching, the properties of the individual components or sensor elements on both the individual wafer and from wafer to wafer and lot to lot are well reproducible.
  • a development of the invention also provides that during the closing of the etching openings, a defined internal pressure is generated in the cavities, which provides a defined reference pressure in pressure measurements with the micro-electro-mechanical device.
  • a further preferred embodiment of the method provides for the deposition and structuring of a plurality of metallization levels, which are used for electrically contacting the piezoresistive layer, and the deposition of the intervening dielectric layers before the production of a cavity.
  • a cover for the protection of the piezoresistive layer as a protective layer, preferably of Si 3 N 4 .
  • the cover protects the piezoresistive structures, provided that they consist of a material which would be attacked during the sacrificial etching.
  • the cover serves as a protective layer for the surface of the device from environmental influences in the subsequent application.
  • the protective layer can also be structured in partial areas or removed again in order not to impair the mechanical properties of the membrane.
  • the first insulator layer on a carrier layer, for example a substrate.
  • the starting material for the process according to the invention can thus be an SOI wafer.
  • piezo resistors can be connected to form a Wheatstone bridge.
  • a circuit as half or full bridge is an improved sensitivity of the device, eg. when used as a sensor, and also allows a temperature compensation.
  • Non-variable resistors can be placed outside the membrane.
  • MEMS devices with piezoelectric layers are electromechanical converter components. These are capable of mechanical forces like
  • the invention further provides a microelectromechanical component having an insulator layer, a silicon layer and a patterned piezoresistive layer, wherein a cavity is provided within the silicon layer and a self-supporting membrane is provided above the cavity, on which at least parts of the piezoresistive, structured layer are arranged.
  • the microelectromechanical component has a second insulator layer underneath the structured, piezoresistive layer, which serves as a self-supporting membrane after the cavity arranged in the silicon layer is produced.
  • 1 a to 1 g each show in a sectional view a sequence of process steps for the production of microelectromechanical components for use as piezoresistive pressure sensor according to a first embodiment.
  • FIGS. 2 a to 2 g each show in a sectional representation a sequence of process steps for the production of microelectromechanical components for use as a piezoresistive pressure sensor according to a second embodiment.
  • Fig. 3 shows a plan view of a micro-electro-mechanical device, which can be used as a pressure sensor.
  • FIG. 1 a shows a section through a semiconductor material, for example an SOI wafer with a first buried insulator layer 1 on a carrier layer 13.
  • a silicon layer 2 which may be monocrystalline as well as polycrystalline, has been deposited
  • Fig. 1 b two trenches 11 can be seen, for lateral isolation of the
  • the trench 11 can be filled with oxide on the one hand or can also be embodied as oxide scavenger with a filling of polysilicon or nitride.
  • a second insulator layer 6, which consists, for example, of silicon nitride Si 3 N 4 or silicon oxide SiO 2 is deposited on the silicon layer 2 and the trench 11. According to the Kochatzung, this serves as a micro-mechanical membrane or at least as a part
  • the piezoelectric resistors are structured from a piezoresistive layer 7, which consists for example of doped, mostly implanted polysilicon or another piezoresistive material.
  • FIG. 1 d three piezoelectric resistors or parts thereof can be seen , which are usually interconnected.
  • FIG. 1 e shows a protective layer 8 which covers the piezoresistive structures.
  • This protective layer which may for example also consist of silicon nitride Si 3 N 4 , protects the piezoelectric resistances and the surface of the component from later environmental influences on the one hand and on the other hand
  • materials such as doped polysilicon which were attacked during the later sacrificial etching are defined.
  • openings 3 for the sacrificial formation for the production of the cavity 5 are defined.
  • Fig. 1 j shows the closure of the cavity 5 by means of an optionally structured layer 10, which is preferably insulating.
  • FIGS. 2a to 2id also show the process sequence known from the aforementioned figures.
  • a further thin sacrificial layer 12 of polysilicon or similar material is deposited in partial regions.
  • this thin sacrificial layer 12 is completely covered and exposed only after the application and structuring of the piezoresistive layer 7 and its covering with a protective layer 8 again at at least one point.
  • Fig. 2f shows the further processing of the wafer.
  • the surface of the later membrane is provided with a cover of one or more insulating layers 9.
  • FIG. 2i shows the component with a closed membrane, the closure 10 of the etching opening 3 preferably consisting of an insulator.
  • FIG. 3 shows a plan view of a micro-electro-mechanical component, wherein the covering layer is not shown above the piezo-resistors.
  • the covering layer is not shown above the piezo-resistors.
  • the shutter 10 of the etching openings in the middle four piezo-resistors are arranged; these are via interconnects 4, which are made of metallization or alternatively doped Poly silicon exist, contacted.
  • interconnects 4 which are made of metallization or alternatively doped Poly silicon exist, contacted.
  • the shape and arrangement of the piezoelectric resistors are variable.
  • the resistors may be designed such that they have a meandering structure or a meandering outline.
  • each two opposing resistors rotated by 90 °.
  • the vibrational states or forms of the membrane are largely determined by their geometry and mechanoelastic properties.
  • Second insulator layer 7 piezoresistive layer - piezoelectric resistance

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Abstract

Es wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung von integrierten mikro- elektro-mechanischen Bauelementen bereitgestellt, bei dem zunächst einer Siliziumschicht (2) auf einer Isolatorschicht (1), dann eine piezoresistive Schicht (7) auf oder in der Siliziumschicht (2) und anschließend mindestens einer Ätzöffnung (3) zum Ätzen wenigstens eines Hohlraums (5) im Wesent- liehen innerhalb der Siliziumschicht (2) hergestellt wird. Durch Anordnen von zusätzlichen vertikalen und horizontalen Ätzstoppschichten wird die Form des Hohlraums (5) in der Siliziumschicht (2) vorgegeben und der Ätzvorgang gut reproduzierbar. Das Verfahren eignet sich, um insbesondere mit den zur Signalaufbereitung und Signalverarbeitung nötigen Schaltungskomponenten in Standardfertigungsprozesse integriert zu werden.

Description

Fertigungsprozess für integrierte Piezo-Bauelemente
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von integrierten mikro-eiektro-mechanischen Bauelementen gemäß Patentanspruch 1 und mikro-elektro-mechanische Bauelemente gemäß Patentanspruch 16.
Mikro-elektro-mechanische Systeme MEMS, mit denen physikalische Größen wie Druck, Kraft, Beschleunigung, Durchfluss etc. in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können, sind bekannt. Umgekehrt ist es auch bekannt, elektrische Signale beispielsweise durch Auslenkung einer freitra- genden Membran in mechanische Bewegung umzusetzen.
Auch die Herstellung von unterschiedlichen Bauteilen wie Sensoren, mikromechanischen Schaltern oder Schallquellen ist unter Verwendung der Technik, wie sie bei der Halbleiterherstellung verwendet wird, bekannt. Unter an¬ derem werden dabei Sensoren hergestellt, die auf einer verformbaren Membran mit auf dieser angeordneten Piezowiderständen basieren. Mit diesen Sensoren kann beispielsweise ein Absolutdruck im Verhältnis zu einem innerhalb eines geschlossenen Hohlraums unterhalb der Membran festge¬ legten Referenzdruckes detektiert werden. Durch die Verformung der Membran wird auf die piezoelektrischen Körper eine Kraft ausgeübt, welche zu einer Ladungsverschiebung im piezoelektrischen Körper und damit zu einem Spannungsabfall bzw. Widerstandsänderung über den Körper führt.
Umgekehrt verursacht das Anliegen einer elektrischen Spannung an einem piezoelektrischen Körper dessen geometrische Deformation. Die erzielte Bewegung ist abhängig von der Polarität der angelegten Spannung und der Richtung des Vektors der Polarisation.
Besondere Beachtung bei der Herstellung von mikro-mechanischen Bauelementen mit Membranen und Piezowiderständen finden daher vor allem die Geometrie der Membran sowie die Anordnung, Form und Beschaffenheit der Piezowiderstände.
Aus dem Proceedings of SPIE Volume 2642 des Micromachining and Micro- fabrication Symposiums, Oct. 23-24, in Austin, TX sind mikro-elektro- mechanische Sensoren, die auf einer verformbaren Membran aus Siliziumnitrid mit Polysilizium-Piezowiderständen basieren, bekannt. Mit Hilfe der Sensoren kann, bezogen auf den Referenzdruck im Hohlraum unterhalb der Membran, ein Absolutdruck gemessen werden. Alle Materialen und Prozessschritte zur Herstellung der Sensoren sind in einen CMOS-Prozess integrier- bar. Hierbei wird zunächst eine Isolatorschicht (Silizium-Nitrid-Schicht) auf einem Trägermaterial hergestellt. Danach werden eine dicke Oxidschicht (TEOS) und anschließend nochmals eine dünne Oxidschicht (BPSG) auf die Isolatorschicht aufgebracht, die beide jeweils nach dem Aufbringen strukturiert werden. Im Anschluss daran wird eine Nitridschicht für die spätere Membran aufgebracht und ebenfalls strukturiert. Danach werden die beiden Oxidschichten unterhalb der Nitridschicht in einer HF-Lösung geätzt, so dass ein Hohlraum unterhalb der Nitridschicht entsteht, und danach die Ätzöffnungen mit Nitrid versiegelt. Anschließend wird zuerst das piezoresistive Po- lysilizium aufgebracht, implantiert und strukturiert und danach Aluminium aufgebracht und strukturiert.
Auch die US 6959608B2 offenbart einen piezoresistiven Drucksensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung auf der Basis eines SOI-Wafers. Hierbei wird zuerst ein schmaler Spalt in die Silizium- und Oxidschicht geätzt und anschließend der Wafer mit einer Nitridschicht bedeckt, um den Spalt mit Nitrid aufzufüllen. Nach der Beseitigung des übrigen Nitrids wird eine Schicht aus dotiertem, epitaktisch gewachsenem Silizium aufgebracht, um die Pie- zowiderstände und Anschlüsse zu strukturieren. Anschließend wird eine A- luminium-Schicht aufgebracht und strukturiert und danach eine schmale Ätzöffnung in der Siliziumschicht hergestellt, um mittels HF einen Hohlraum in der Oxidschicht des Wafers zu ätzen. Zum Schluss wird eine Schicht aus O- xid (LTO) auf den Wafer aufgebracht, die gleichzeitig dazu dient, die Ätzöffnung wieder zu verschließen.
Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass der Ätzprozess innerhalb der vergrabenen Oxidschicht schlecht kontrolliert und reproduziert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs ge- nannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 17 gelöst. Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Demnach besteht das Wesen der Erfindung darin, bei einem Verfahren zur Herstellung von integrierten mikro-elektro-mechanischen Bauelementen nacheinander folgende Schritte auszuführen. Bei der Prozessierung eines Wafers wird zunächst eine Siliziumschicht auf einer Isolatorschicht und anschließend auf der Siliziumschicht eine piezoresistive Schicht abgeschieden oder die Siliziumschicht in Teilbereichen zur Herstellung einer piezoresisti- ven Schicht dotiert. Daraufhin wird mindestens eine Ätzöffnung zum Ätzen wenigstens eines Hohlraums im Wesentlichen innerhalb der Siliziumschicht hergestellt.
Alternativ kann die Schrittfolge auch so ausgeführt werden, dass zunächst eine Siliziumschicht auf einer Isolatorschicht abgeschieden wird. Daraufhin wird mindestens eine Ätzöffnung zum Ätzen wenigstens eines Hohlraums im
Wesentlichen innerhalb der Siliziumschicht hergestellt und anschließend ei- 7 001344
- 4 - ne piezoresistive Schicht auf der Siliziumschicht abgeschieden oder die Siliziumschicht in Teilbereichen zur Herstellung der piezoresistiven Schicht dotiert.
Über dem Hohlraum verbleibt nach der Ätzung eine freitragende Membran, deren Dicke und Maximalhub durch die ursprüngliche Dicke der Siliziumschicht vorgegeben ist
Diese einfachen Fertigungsprozesse haben den Vorteil, dass sie gut in Standardprozesse eingebunden werden können und mit weiteren Schaltungskomponenten integrierbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zur seitlichen Begrenzung des Hohlraums tiefe Gräben, so genannte Trenche, vorzugsweise innerhalb der Siliziumschicht hergestellt, die bis zur Isolatorschicht hinabreichen und ebenfalls mit einem isolierenden Material, beispielsweise Oxid gefüllt sind. Diese dienen bei der Ätzung des Hohlraums aufgrund der hohen Selektivität des Ätzmediums als laterale Ätzstopps. Weiterhin isolieren sie auch die einzlenen mikro-elektro-mechanischen Bauelemente voneinander. Besonders vorteilhaft ist es daher, die Trenche umlaufend herzustellen und damit auch die Form der Hohlräume zu bestimmen. Hierbei ist es auch möglich, die Trenche so anzuordnen, dass nach der Ätzung innerhalb eines mikro-elektro-mechanischen Bauelements mehrer Hohlräume kommunizieren.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Siliziumschicht, die vor- zugsweise ein Polysilizium ist, selektiv dotiert, um piezoresistive Bereiche zu erhalten. Alternativ kann als Ausgangmaterial für die piezoresistive Schicht ein dotiertes, vorzugsweise implantiertes Polysilizium vorgesehen werden oder ein durch Diffusion dotiertes Polysilizium verwendet. Werden. Es ist auch möglich, andere piezoresistive Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat- Keramiken (PZT) oder Aluminium-Nitrid zu verwenden. Weiterhin sieht die Erfindung vor, die piezoresistive Schicht zu strukturieren, um Piezo- Widerstände herzustellen, mittels derer die Auslenkung der freitragenden Membran detektiert werden kann, da diese unter dem Einfluss von mechanischen Spannungen ihren elektrischen Widerstand ändern. Alternativ zur Strukturierung der piezoresistiven Schicht können die Piezo Widerstände auch dadurch hergestellt werden, dass das Poly-Silizium, das als Ausgangsmaterial für die piezoresistiver Schicht verwendet wurde, selektiv in Teilbereichen dotiert wird. Dabei können die einzelnen Widerstände durch pn-Übergänge von einander isoliert werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, vor dem Herstellen der piezoresistiven Schicht eine zweite Isolatorschicht, beispielsweise aus Siliziumoxid SiO2 oder Siliziumnitrid Si3N4 auf der Siliziumschicht abzuscheiden. In diesem Fall ergibt sich eine sehr gute Reproduzierbarkeit des Ätzvorgangs, da die Isolatorschichten als Ätzstoppschichten dienen. Die Form des Hohlraums wird seitlich durch die vertikalen Trenche, unten durch die erste Isolatorschicht und oben durch die zweite Isolatorschicht vorgegeben. Somit werden Größe und Geometrie des Hohlraums durch den Abstand und die Form der Trenche in der Opferschicht und die Dicke der Siliziumschicht bestimmt. In diesem Fall dient die zweite Isolatorschicht nach der Herstellung des Hohlraums als freitragende Membran. Ein weiterer Vorteil der zweiten Isolatorschicht besteht darin, dass durch diese auch die Piezowiderstände, die auf ihr angeordnet sind, voneinander isoliert werden. Durch die gute Kontrolle der Opferätzung werden die Eigenschaften der einzelnen Bau- oder Sensor- elemente sowohl auf dem einzelnen Wafer als auch von Wafer zu Wafer und Los zu Los gut reproduzierbar.
Bevorzugt ist auch, die wenigstens eine Ätzöffnung wieder zu verschließen. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht außerdem vor, dass während des Schließens der Ätzöffnungen ein definierter Innendruck in den Hohlräumen erzeugt wird, der bei Druckmessungen mit dem mikro-elektro-mechanischen Bauelement einen definierten Referenzdruck liefert. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Abscheidung und Strukturierung von mehreren Metallisierungsebenen, die zur elektrischen Kontaktierung der piezoresistiven Schicht dienen, und die Abscheidung der dazwischen liegenden dielektrischen Schichten vor Herstellung eines Hohlraums erfolgt.
Vorteilhaft ist auch, zum Schutz der piezoresistiven Schicht eine Abdeckung als Schutzschicht, vorzugsweise aus Si3N4 vorzusehen. Zum einen schützt die Abdeckung die piezoresistiven Strukturen, sofern diese aus einem Material bestehen, welches bei der Opferätzung angegriffen würde. Zum anderen dient die Abdeckung als Schutzschicht für die Oberfläche des Bauelements vor Umwelteinflüssen in der späteren Anwendung. Die Schutzschicht kann auch in Teilbereichen strukturiert oder auch wieder entfernt werden, um die mechanischen Eigenschaften der Membran nicht zu beeinträchtigen.
Ferner ist bevorzugt, die erste Isolatorschicht auf einer Trägerschicht, beispielsweise einem Substrat herzustellen. Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren kann somit ein SOI-Wafer dienen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können vier Piezo-Widerstände zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet werden. Durch eine Schaltung als Halboder Vollbrücke (zwei bzw. vier sich ändernd Widerstände) wird eine verbesserte Empfindlichkeit des Bauelements, bsp. bei der Verwendung als Sen- sor, erzielt und außerdem eine Temperaturkompensation ermöglicht. Nicht veränderliche Widerstände können außerhalb der Membran angeordnet werden.
MEMS-Bauelemente mit piezoelektrischen Schichten sind elektromechani- sehe Wandlerkomponenten. Diese sind in der Lage mechanische Kräfte wie
Druck, Dehnung oder Beschleunigung in eine elektrische Spannung bzw.
Ladungsverschiebung umzuwandeln (direkter Piezoeffekt) und eine elektri- sche Spannung in mechanische Bewegung oder Schwingungen umzuwandeln (inverser Piezoeffekt). Unter Nutzung dieser Effekte eröffnen sich die vielfältigsten Applikationsmöglichkeiten in allen Bereichen der Technik. Beispielsweise kann die Umwandlung von elektrischen Spannungen in me- chanische Bewegung für piezoelektrische Aktoren, z.B. Translatoren, Biegeelemente und Piezomotoren für Mikro- und Nanopositionierung, Laser- Tuning, aktive Schwingungsdämpfung oder Pneumatikventile etc. genutzt werden. Ebenso wird die Umwandlung von mechanischen Kräften und Beschleuni- gungen für Sensoren, Zündelemente, Piezotastaturen, Generatoren oder zur passiven Dämpfung verwendet. Die Umwandlung von akustischen in elektrische Signale wird vor allem bei Schall- und Ultraschallempfängern, bei der Geräuschanalyse oder bei der akustischen Emissions-Spektroskopie genutzt.
Weiterhin findet auch die Umwandlung von elektrischen Signalen in Schwingungen oder akustische Signale bei Schall- und Ultraschallgebern, Signalgebern (Buzzer) oder Leitungsultraschallgeneratoren Verwendung.
Speziell bei Füllstands- oder Durchflussmessungen, bei der Objekterken¬ nung, medizinischen Diagnostik, bei der hochauflösenden Materialerkennung oder bei Sonar und Echoloten werden sowohl der direkte als auch der inverse Piezoeffekt ausgenutzt. Um ein ausreichend großes Summensignal oder eine bessere Signalausbeu- te zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mehrere mikro-elektro- mechanische Bauelemente netzartig zu einem Array zu verschalten.
Die Erfindung sieht weiterhin ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement mit einer Isolatorschicht, einer Siliziumschicht und einer strukturierten, piezo- resistiven Schicht vor, wobei innerhalb der Siliziumschicht ein Hohlraum und über dem Hohlraum eine freitragende Membran vorgesehen ist, auf der wenigstens Teile der piezoresistiven, strukturierten Schicht angeordnet sind. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das mikro-elektro- mechanisches Bauelement unterhalb der strukturierten, piezoresistiven Schicht eine zweite Isolatorschicht auf, die nach dem Herstellen des in der Siliziumschicht angeordneten Hohlraums als freitragende Membran dient.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwend- bar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Anhand der Figuren soll die Erfindung näher beschrieben werden.
Fig. 1 a bis 1 g zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen zur Verwendung als piezoresistiver Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform.
Fig. 2a bis 2g zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen zur Verwendung als piezoresistiver Drucksensor gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement, welches als Drucksensor verwendet werden kann.
Fig. 1 a zeigt einen Schnitt durch ein Halbleitermaterial, beispielsweise einen SOI-Wafer mit einer ersten vergrabenen Isolatorschicht 1 auf einer Träger- schicht 13. Auf der Isolatorschicht 1 ist wiederum eine Siliziumschicht 2, die sowohl einkristallin als auch polykristallin sein kann, abgeschieden worden. In Fig. 1 b sind zwei Trenche 11 erkennbar, die zur lateralen Isolation des Bauelements gegenüber dem nächsten Element und auch zur Begrenzung eines spateren Hohlraums 5 dienen Die Trenche 11 könne einerseits mit O- xid gefüllt sein oder auch als Oxidhner mit einer Füllung aus Polysilizium o- der Nitrid ausgeführt sein Nach der Herstellung der Trenche 11 wird, wie in Fig 1c gezeigt, eine zweite Isolatorschicht 6, die beispielsweise aus Silizium- Nitnd Si3N4 oder Silizium-Oxid SiO2 besteht, auf der Sihziumschicht 2 und den Trenchs 11 abgeschieden Diese dient nach der Opferatzung als rnikro- mechanische Membran oder zumindest als Teil der Membran sowie zur Isolation von einzelnen Piezo-Widerstanden Die Piezo-Widerstande werden aus einer piezoresistiven Schicht 7, die beispielsweise aus dotiertem, meist implantierten Polysilizium oder einem anderen piezoresistiven Material besteht, strukturiert In Fig 1 d sind drei Piezo-Widerstande oder Teile davon erkennbar, die üblicherweise miteinander verschaltet werden. Fig 1 e zeigt eine Schutzschicht 8, die die piezoresistiven Strukturen ab- deckt Diese Schutzschicht, die beispielsweise auch aus Silizium-Nitrid Si3N4 bestehen kann, schützt zum einen die Piezo-Widerstande und die Oberflache des Bauelements vor spateren Umwelteinflüssen und zum anderen bei der Weite rprozessierung des Wafers Mateπalen, wie dotiertes Polysilizium, die bei der spateren Opferatzung angegriffen wurden Im Anschluss daran werden Atzoffnungen 3 für die Opferatzung zur Herstellung des Hohlraums 5 definiert Es ist vorteilhaft, diese Offnungen schon früh im Prozess vorzude- fimeren, da die spater erzeugte Topographie den Lithographieschritt bei der Strukturierung erschweren wurde Fig 1 g zeigt die Weiterprozessierung des Wafers im Back-End-of-Lιne (BEOL) Dabei werden für Kontakte und Leit- bahnen 4 eine oder mehrere Metallisierungsebenen mit dazwischen liegenden isolierenden dielektrischen Schichten 9 abgeschieden und strukturiert Nach der elektrischen Kontaktierung der Wafer wird das BEOL, wie in Fig 1 h zu sehen ist, mit Hilfe einer anisotropen Atzung wieder geöffnet und somit auch die bereits definierten Atzoffnungen 3 und auch d>e Oberflache des spateren Sensors freigelegt Anschließend wird mittels einer isotropen Atzung die Opferschicht, im vorliegenden Fall die Siiiziumschicht 2, entfernt und ein Hohlraum 5 hergestellt In Fig 1 ι wird deutlich, dass der Hohlraum 5 unten durch die Isolatorschicht 1 , an den Seiten durch die Trenche 1 1 und oben durch die Isolatorschicht 6 begrenzt wird, die alle bei der Ätzung als Ätzstoppschicht dienen. Durch die Anordnung dieser Elemente werden somit die Größe des Hohlraums und die Parameter für die bewegliche Membran definiert. Fig. 1 j zeigt den Verschluss des Hohlraums 5 mittels einer gegebenenfalls strukturierten Schicht 10, die vorzugsweise isolierend ist.
Auch die Figuren 2a bis 2id zeigen die aus den vorgenannten Figuren bekannte Prozessabfolge. Allerdings wird, wie aus Fig. 2a ersichtlich, vor dem Abscheiden der zweiten Isolatorschicht 6 auf der ersten leitfähigen Schicht 2 in Teilbereichen eine weitere dünne Opferschicht 12 aus Polysilizium oder ähnlichem Material abgeschieden. Beim Aufbringen der zweiten Isolatorschicht 6 wird diese dünne Opferschicht 12 vollkommen überdeckt und erst nach dem Aufbringen und Strukturieren der piezoresistive Schicht 7 und de- ren Abdeckung mit einer Schutzschicht 8 wieder an wenigstens einer Stelle freigelegt. Fig. 2f zeigt die Weiterprozessierung des Wafers. Die Oberfläche der späteren Membran ist mit einer Abdeckung aus einer oder mehreren isolierenden Schichten 9 versehen. Bei der anisotropen Ätzung zum Freilegen des Zugangs zur Opferschicht 12 wird ein Teil der Abdeckung wieder ent- fernt. Bei der anschließenden isotropen Ätzung wird ein Zugang zur Siliziumschicht 2 freigegeben, da die Opferschicht 12 ganz oder teilweise entfernt wird. Die untere Isolatorschicht 1 , Trenche 1 1 und die zweite Isolatorschicht 6 dienen wiederum als Ätzstoppschicht. Fig. 2i zeigt das Bauelement mit verschlossener Membran, wobei der Verschluss 10 der Ätzöffnung 3 vorzugs- weise aus einem Isolator besteht.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement, wobei die Abdeckschicht über den Piezo-Widerständen nicht dargestellt ist. Auf der kreisförmigen Membran, bei der der Verschluss 10 der Ätzöffnungen in der Mitte liegt, sind vier Piezo-Widerstände angeordnet; diese sind über Leitbahnen 4, die aus Metallisierungsschichten oder alternativ aus dotiertem Poly-Silizium bestehen, kontaktiert. Form und Anordnung der Piezo- Widerstände sind hierbei jedoch variabel. Beispielsweise können die Widerstände so ausgestaltet sein, dass sie eine meanderförmige Struktur bzw. einen meanderförmigen Umriss aufweisen. Weiterhin ist auch möglich, jeweils zwei gegenüberliegende Widerstände um 90° gedreht anzuordnen. Die Schwingungszustände bzw. -formen der Membran werden maßgeblich von deren Geometrie sowie mechanoelastischen Eigenschaften bestimmt.
Bezugszeichenliste
I Isolatorschicht 2 Siliziumschicht
3 Ätzöffnung
4 Kontakte und Leitbahnen
5 Hohlraum
6 Zweite Isolatorschicht 7 piezoresistive Schicht - P iezo- Widerstand
8 Schutzschicht
9 BEOL mit typischen Schichten
10 Verschluss der Ätzöffnung
I 1 Trench 12 Opferschicht
13 Trägermaterial

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von integrierten mikro-elektro-mechanischen Bauelementen mit den Schritten
• Herstellen einer Siliziumschicht (2) auf einer Isolatorschicht (1 ),
• Herstellen einer piezoresistiven Schicht (7) auf oder in der Siliziumschicht (2),
• Herstellen mindestens einer Ätzöffnung (3) zum Ätzen wenigstens eines Hohlraums (5) im Wesentlichen innerhalb der Siliziumschicht (2).
2. Verfahren zur Herstellung von integrierten mikro-elektro-mechanischen Bauelementen mit den Schritten
• Herstellen einer Siliziumschicht (2) auf einer Isolatorschicht (1 ),
• Herstellen mindestens einer Ätzöffnung (3) zum Ätzen wenigstens eines Hohlraums (5) im Wesentlichen innerhalb der Siliziumschicht (2).
• Herstellen einer piezoresistiven Schicht (7) auf oder in der Siliziumschicht (2),
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 mit dem Schritt
• Herstellen eines Trenches (1 1 ) zur seitlichen Begrenzung des Hohlraums (5).
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein umlaufender Trench (1 1 ) hergestellt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass zum Herstellen der piezoresistiven Schicht (7) die Siliziumschicht (2) wenigstens in Teilbereichen dotiert, vorzugsweise implantiert wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich- net, dass als Ausgangmaterial für die piezoresistive Schicht (7) ein dotiertes, vorzugsweise implantiertes Polysilizium vorgesehen ist.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangmaterial für die piezoresistive Schicht (7) wenigs- tens in Teilbereichen ein durch Diffusion dotiertes Polysilizium vorgesehen ist.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Schritt
• Herstellen einer zweiten Isolatorschicht (6) auf der Siliziumschicht (2) vor dem Herstellen der piezoresistiven Schicht (7).
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Schritt
• Herstellen von Piezo-Widerständen durch Strukturierung der piezoresistiven Schicht (7).
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 mit dem Schritt
• Herstellen von Piezo-Widerständen durch selektive Dotierung einer Siliziumschicht, die vorzugsweise aus Polysilizium vorgesehen ist.
1 1 . Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ätzöffnung (3) verschlossen wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung (4) der piezoresistiven
Schicht (7) vor Herstellung eines Hohlraums (5) vorgesehen ist.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der piezoresistiven Schicht (7) eine Schutzschicht (8), vorzugsweise aus Si3N4 vorgesehen ist.
14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens der Ätzöffnungen (3) ein definierter Innendruck in den Hohlräumen (5) erzeugt wird.
15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (1) auf einer Trägerschicht (13) hergestellt wird.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekenn- zeichnet, dass vier Piezo-Widerstände zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet werden.
17. Mikro-elektro-mechanisches Bauelement mit einer Isolatorschicht (1), einer Siliziumschicht (2) und einer strukturierten, piezoresistiven Schicht (7), wobei innerhalb der Siliziumschicht (2) ein Hohlraum (5) und über dem Hohlraum (5) eine freitragende Membran vorgesehen ist, auf der wenigstens Teile der piezoresistiven, strukturierten Schicht (7) angeord¬ net sind.
i δ. Mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als freitragende Membran unterhalb der strukturier¬ ten piezoresistiven Schicht (7) eine zweite Isolatorschicht (6) angeordnet ist.
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