WO2006105898A1 - Mikromechanisches bauelement, verfahren zur herstellung und verwendung - Google Patents

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WO2006105898A1
WO2006105898A1 PCT/EP2006/002815 EP2006002815W WO2006105898A1 WO 2006105898 A1 WO2006105898 A1 WO 2006105898A1 EP 2006002815 W EP2006002815 W EP 2006002815W WO 2006105898 A1 WO2006105898 A1 WO 2006105898A1
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membrane
layer
layers
component according
stack
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PCT/EP2006/002815
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Inventor
Bernhard LÖFFLER
Franz Schrank
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Austriamicrosystems Ag
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Publication date
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/0072—For controlling internal stress or strain in moving or flexible elements, e.g. stress compensating layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
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    • B81B2203/0109—Bridges

Definitions

  • Micro-mechanical device method of manufacture and use
  • the invention relates to a micromechanical component, in particular in MEMS (Micro Electro Mechanical System) construction, which is miniaturized by means of thin-film method on the surface of a substrate is produced and its use.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • a trained as a microphone MEMS device is known for example from US 5,490,220 A.
  • a thin-film structure is produced on a substrate, which at least one in the
  • Thin-film structure includes embedded membrane. This is freed from its embedding in a later process step by removing the enclosing or enclosing sacrificial layers by etching.
  • a capacitor whose capacity varies with a deflecting diaphragm. Accordingly, in addition to the electrically conductive membrane, a further conductive layer is provided as a counter electrode on the substrate, which can be realized within the same layer structure.
  • Components are typically incorporated in a common package with an IC device and thus represent hybrid devices. Another possibility is to integrate a MEMS device together with an IC device in a module or the MEMS device directly on an IC
  • a MEMS device which comprises a free-running metallic membrane which is separated by an air gap of an operating electrode arranged underneath on the substrate.
  • a sacrificial layer is first produced over the substrate and structured so that at least one connection region for the membrane is open in the substrate. Subsequently, the membrane is generated and structured over a large area. By means of a hole pattern present in the membrane, the sacrificial layer underneath is etched away, the air gap being formed.
  • a MEMS switch in which a metallic membrane is stretched through an air gap separated via switching and drive electrodes on a substrate.
  • the air gap below the membrane is created by etching a sacrificial layer through the hole patterned membrane.
  • Air gap and thus the distance of the membrane of the drive and switching electrode is adjusted by varying the thickness of the dielectric layer on which the membrane rests on one or both sides.
  • the layer structure consisting of different material layers can have manufacturing-related or thermomechanically generated stresses for the MEMS component, which adversely affect the mechanical behavior of the membrane.
  • MEMS devices are preferably manufactured using standard thin-film processes.
  • An unfavorably stressed diaphragm can lead to a malfunction and an air gap which is too small can lead to a total failure of the MEMS component. It is therefore an object of the present invention to provide a micromechanical and in particular a MEMS component which is improved with respect to these mentioned disadvantages.
  • micromechanical device having the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention and a method for producing the component and its use can be found in further claims.
  • the basic idea of the invention is to integrate a micromechanical component with a freely oscillating diaphragm into a multilayer structure, which exhibits a lower mechanical stress and an improved thermomechanical behavior.
  • a multilayer structure which has an alternating sequence of structured metal layers and intermediate layers, wherein at least two metal layers are provided.
  • a stack is structured in which, above a lower metal layer, one of the overlying metal layers is extended beyond the stack on one side and thus forms a free-swinging membrane.
  • a deflectable beam is to be understood by membrane.
  • the multi-layer structure can each comprise equally thick metal and intermediate layers. However, it is also possible to vary the individual layers, in particular with regard to the layer thickness, in order to compensate for thermal stresses. Also contributing to the improved mechanical properties of the micromechanical device is the number of alternating metal and intermediate layers, the height of the stack, the distance of the membrane from the substrate surface, the stability of the stack, and the stress within the stack to diversify and optimize over a large area.
  • the stack with the multi-layer structure is arranged on a substrate in which at least one electrical circuit arrangement is provided.
  • the electrical connection of the membrane designed as a metal layer is achieved via the intermediate layers, which in one embodiment comprise a dielectric in which electrically conductive connection structures and, in particular, VIAS are embedded.
  • the structure of the structure of the multilayer structure is also created with the connection structures, which has a high mechanical stability at low thermo-mechanical tension.
  • the circuitry in the substrate may comprise an integrated circuit.
  • the substrate can be an IC component, on the surface of which electrodes and the multilayer structure for the micromechanical component are arranged.
  • the IC device may comprise an integrated circuit arrangement suitable for the electrical
  • Control of the micromechanical device the evaluation of electrical signals of a sensor designed as a component and the drive and Sehaltfunktionen is designed for a designed as a MEMS switch micromechanical device.
  • the micromechanical component can be constructed, for example, by means of standard thin-film methods, as used in CMOS technology. It is possible to produce standard layer thicknesses, with advantage over the
  • the membrane may be in the multi-layer structure, for example, the third or fourth metal layer over the substrate. Above this extended to the membrane metal layer of the
  • Multilayer structure comprise further alternating layers. It is advantageous, for example, to extend the membrane to the membrane. to arrange metal layer at a position in the multi-layer structure, which is symmetrical in the stack at least with respect to the mass loads and / or the thermomechanical tensions above and below this metal layer.
  • a symmetrical or at least compensating mass load can also be achieved by making one or more of the layers arranged above the membrane metal layer thicker than those arranged below the membrane metal layer.
  • the passivation layer can also serve to adjust the mechanical bias of the membrane or compensate for a production-related undesirable bias.
  • the thickness of the passivation layers can be varied and, in particular, different thicknesses can be set for the lower and the upper passivation layer. It is also possible to introduce additional matching layers between the membrane and the passivation layer. In this case, it is possible to vary only the thickness of one or both matching layers with a uniform, uniform layer thickness of the passivation layers.
  • the membrane advantageously has a pattern of openings. This makes it possible to construct the multilayer structure including the metal layer extended to the membrane as a compact composite and only then to expose the air gap between the membrane and the substrate surface in an etching step, which is guided through the hole pattern within the membrane.
  • a micromechanical device may comprise a single stack in which the membrane has an elongated metal layer represents.
  • the membrane can then be tongue-shaped, wherein the free end of the tongue can swing freely.
  • the membrane is also preferably formed tongue-shaped and is integral with both ends of the respective stack.
  • a membrane fastened only on one side or integrated in a stack has the advantage that it requires a lower deflection force than a membrane which is fastened on both sides in a stack.
  • the membrane spans a cavity within a stack. It is fixed along its entire outer circumference within this one stack.
  • This embodiment has the advantage that the air gap between the membrane and substrate surface is a closed cavity, the filling of which can be controlled. For example, it is possible to set a specific pressure in this cavity which may be higher or lower than the ambient pressure. It is also possible to fill the cavity with a special and preferably inert gas.
  • Has mass load This may be a mass load with one or more additional layers deposited exclusively on the membrane at the free end. It is also possible, however, this additional mass load on a layer plane below the membrane with the
  • the layers required for the mass load are also provided with a hole pattern, below which the air gap by etching away a sacrificial layer placed underneath.
  • the mass load can also be applied in the form of a multilayer construction, preferably with the same structure as the multilayer structure in the stacks. This enables an integrated production of the mass load together with the structuring of the stack.
  • all the metal layers in the stacks have a passivation on their side edges.
  • This may be implemented in the form of a dielectric, which is produced and structured in the stack structure for each metal layer. It is also possible to provide an insulation which is arranged on the entire side walls of the stack. Such insulation can be produced, for example, in the form of spacer structures by depositing an auxiliary layer of appropriate thickness over the edge and anisotropically etching back, the spacers remaining exclusively on vertical structural edges.
  • the materials for the multilayer structure, ie dielectric, membrane and possibly passivation layer are preferably compatible with the CMOS process.
  • Suitable dielectrics are for example selected from an oxide, a nitride or an oxynitride. Titanium nitride is the preferred material used for the passivation layer. It has very good passivation properties, can be well patterned, and is selectively etchable against oxide. This point is particularly important since oxide is used as the preferred sacrificial layer, which is advantageously selectively etchable against the passivation layer. Selective etchability against the dielectric of the intermediate layer is also advantageous.
  • metal layers of the multilayer structure are any electrically conductive, with thin-film process easily generated Metals suitable, in particular already used in the CMOS technology aluminum and copper.
  • the device may be provided above the membrane at a distance to this with a cover.
  • the cover may be flush with the stack and is preferably pulled to the surface of the substrate.
  • it is possible to create an air and moisture-tight embedding of the device.
  • it is also possible to provide through holes or openings in the cover, so that, although a mechanical protection of the membrane is given, but an exchange with the ambient air and thus a pressure equalization is possible.
  • Such a cover can be used for components that are designed as pressure sensors or as a micromechanical microphone.
  • the cantilevered membrane of the device serves to receive a force, a pressure difference or a vibration and read this via an electrical parameter, which varies with the reduced distance of the membrane to the surface of the substrate.
  • the desired measured value can be output after a linearization via a circuit arrangement, for example via an integrated circuit.
  • the micromechanical device operates capacitively, wherein through
  • Deflection of the membrane changes a capacitance between the membrane and a arranged on the surface of the substrate counter electrode.
  • the component can be carried out as a micromechanical switch.
  • it can be provided to provide on the surface of the substrate a drive electrode, with which a deflection of the membrane can be effected, for example by means of electrostatic attraction. If the deflection up to a Umklapp BlackBerry, the electrostatic attraction dominates the restoring force and the Membrane closes the contact, closing the switch.
  • Applications that supply a measurement signal proportional to the deflection of the diaphragm are, for example, acceleration sensors, such as those used in modern motor vehicles, for navigation devices and safety-related devices.
  • FIG. 1 shows, in a schematic cross-section, a micromechanical component with a multilayer structure comprising two intermediate layers and two metal layers,
  • FIG. 2 shows a component with four metal layers, and a mass load on the membrane
  • FIG. 3 shows a component with four metal layers, in which the uppermost is formed as a membrane
  • FIG. 4 shows a membrane in schematic cross-section
  • FIG. 5 shows a component with a membrane clamped between two stacks
  • FIG. 6 shows a variant with a cover resting directly on the membrane
  • FIG. 7 shows a membrane in plan view
  • FIG. 8 shows a membrane with adaptation and passivation layers in a schematic plan view
  • FIG. 9 shows various process steps in the production of a component.
  • FIG. 1 shows a detail of a simple embodiment of a micromechanical component. This is constructed on a substrate SU which comprises a circuit arrangement IC (not shown) and, for example, is itself an IC component.
  • the micromechanical part of the structure is realized in a multilayer structure MA, which in FIG. 1 comprises a first intermediate layer ZS1, a first metal layer MS1, a second intermediate layer ZS2 and a second metal layer MS2.
  • Each metal layer may in turn comprise several layers and also have passivation and stress compensation layers at the top and / or bottom.
  • the second metal layer MS2 projects laterally beyond the stack of the multilayer structure and is extended to a membrane MB, which is separated from the surface of the substrate SU by an air gap. In the case of application of the component as a sensor, this air gap represents the maximum deflection of the membrane. If the component is used as a switch, then the air gap corresponds to the switch segment.
  • a cover AB is arranged, which here has a hole pattern and is formed of a dielectric material, preferably of silicon nitride.
  • the cover rests either on the stack, or as shown in the figure, on support elements SE, which are also arranged by means of thin film laterally of the stack or of the multi-layer structure MA.
  • the Example in cross-section represent round vias or vias through the intermediate layer and are formed in particular of tungsten.
  • a contact surface for the electrical connection of the membrane is provided (not shown).
  • at least one sensor or switching electrode is arranged in the region of the air gap, which serves for receiving a measured value or for producing a mating contact for a component used as a switch.
  • Figure 2 shows a detail of a further embodiment of the invention.
  • the multilayer structure above the metal layer MS3 extended to the diaphragm MB is continued here by a further intermediate layer ZS4 and a further metal layer MS4.
  • stresses acting on the membrane can be compensated within the multi-layer structure MA, since the construction is symmetrical with respect to the membrane.
  • Mass load ML arranged, which is realized here below the membrane as a further multi-layer structure but with a smaller number of layers in the structure. But it is also possible to arrange the mass load ML alternatively or additionally borrowed above the membrane, in which case it may then have a total of a larger number of individual layers than the multi-layer structure. In the first case, between the mass load ML and the surface of the substrate still remains an air gap, which allows a deflection of the membrane toward the substrate, wherein in an application as a switch, an electrical contact to a arranged on the surface of the substrate SU switching contact SK are produced can. It is also possible a pure capacitive metallization, which has no direct electrical contact with the membrane even with deflection. Switching contact or capacitive metallization are natural also provided in the embodiment of Figure 1, but not shown there explicitly.
  • a cover AB is shown, which can rest on the multi-layer structure or on its uppermost layer.
  • the originally provided with a hole pattern cover is closed.
  • lateral support elements SE can be provided which can be guided around the entire multi-layer structure and the membrane and thus together with the cover AB can form a housing for the micromechanical multilayer construction.
  • FIG. 3 shows a detail of a further exemplary embodiment in schematic cross section, in which the fourth metal layer MS4, which is counted from the substrate, is extended to the membrane.
  • the membrane may have a greater layer thickness than the other metal layers MS1 to MS3 used in the multilayer structure. Also in this way a strain-free membrane is obtained, even if this is realized as here as the uppermost layer of the multi-layer structure.
  • the cover is arranged at a slight distance from the membrane and provided with a hole pattern. This guarantees that, on the one hand, an air pressure equalization can take place and, on the other hand, that a free etch of the membrane can take place by detachment of sacrificial layers.
  • sacrificial layers are generated during the preceding process steps in the production, so that there is always a compact layer structure without gaps.
  • an etchant access to the later air gap is also provided, for example by a further hole pattern within the free-running end of the membrane.
  • FIG. 4 shows, on the basis of a schematic cross section through a membrane, a further embodiment which, on the one hand, protects against etching attacks and on the other hand in its mecha- niche properties improved and optimized membrane represents.
  • a suitable layer material and, for example, a different choice of the layer thicknesses for upper and lower passivation layer PS, a mechanical adaptation can already take place.
  • an upper or lower adaptation layer AS AS 'between the passivation layer PS and the metal layer MS.
  • the adaptation can take place by varying the layer thickness of the matching layer on one or both sides. It is also possible to produce such an adaptation layer only on one side.
  • the membrane is protected on both sides by a lateral passivation SP, which represents a possible but not necessary embodiment of the invention.
  • This lateral passivation can also be produced in the form of a spacer structure.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a micromechanical component, in which the membrane MB is realized as a third metal layer MS3 in the multi-layer structure, which is structured into two stacks, between which the membrane MB is braced. Due to the tension at both ends, the membrane is mechanically stabilized. Above the third metal layer MS3, the multilayer structure is widened by an intermediate layer ZS4 and an upper metal layer MS4. The cover AB is formed here closed and lies directly on the uppermost metal layer MS4.
  • Figure 6 shows a similar structure as Figure 5 with the difference that here the cover rests directly on the acting as a membrane MB metal layer MS4.
  • Encapsulation of the multilayer structure which can be achieved, for example, as shown in Figure 1 by support elements or drawn to the surface of the substrate cover layers.
  • FIG. 7 shows a top view of a metal layer used as a membrane.
  • the membrane has a continuous closed part that is part of a multi-layer construction.
  • the membrane is provided with a hole pattern LM. This serves to provide free access of the etchant to an underlying sacrificial layer to be dislodged to thereby produce the air gap.
  • LM hole pattern
  • a further region without a hole pattern is provided on the right side so that the membrane can be clamped in a stack at both ends.
  • FIG. 8 shows a possible arrangement of passivation layers in the region of the membrane which is provided with a hole pattern.
  • the innermost designated 1 surface corresponds to the outer dimensions of the hole-patterned free-running part of the membrane.
  • Surface 2 shows the dimensions of upper and lower passivation layers which are also provided with a hole pattern in the region to allow access for the etchant to underlying layers.
  • a third area 3 gives an area of
  • Passivation layer which is not provided with a hole pattern.
  • the areas 2 and 3 are identical in terms of size.
  • a micromechanical component is explained below with reference to FIG. 9 by means of schematically illustrated different process stages.
  • a first intermediate layer ZS1 is produced.
  • openings OE are produced in the intermediate layer ZS1, in which the surface of the substrate SU is exposed (see FIG. 9A).
  • Figure 9b shows the arrangement after the deposition of a metal selectively in the openings OE. This can be done for example by selective tungsten deposition exclusively in the interior of the openings. However, it is also possible to deposit a metal over the entire surface and to planarize the arrangement or to planarize it by means of chemical / mechanical polishing.
  • a first metal layer MS1 is applied and patterned over the whole area, so that in the region of the stack a metal surface remains above the connection structures VS and in the area of a later mass load ML.
  • FIG. 9c shows the arrangement on this process stage.
  • intermediate layers ZS including interconnect structures VS arranged therein, and further metal layers MS are alternately produced until the multi-layer structure consisting of three intermediate layers and two metal layers arranged therebetween is obtained in FIG. 9d.
  • the gap outside the stack is filled with further sacrificial material, such as silica such that a planar surface of the construction ending with the surface of the third intermediate layer ZS3 of the multi-layer structure is obtained.
  • Figure 9d shows the arrangement at this stage of the process.
  • the membrane extended to the metal layer (in the figure, the third metal layer MS3) is generated. Since this metal layer is embedded at least in a lower and an upper passivation layer, first a first passivation layer, then the metal layer and finally a second passivation layer is produced and patterned.
  • the structuring can be done separately for each individual layer, but can also be performed with a single mask in a single step.
  • FIG. 9e shows the arrangement with finished third metal layer MS3 extended to the membrane, in which, however, the relatively thin passivation layers are not shown.
  • the multilayer structure in the region of the stack is supplemented by further layers, here by a fourth intermediate layer ZS4 and a fourth metal layer MS4.
  • a fourth intermediate layer ZS4 In the region of the stack, all the metal layers are now electrically connected to one another by the connecting structures in the intermediate layers ZS, the stability of the stack also being increased at the same time.
  • the fourth intermediate layer ZS4 also extends above the membrane MB, where it later serves as a sacrificial layer.
  • FIG. 9f shows the arrangement on this process stage.
  • a cover layer AS is deposited over the whole area, from which the later cover is structured.
  • the cover layer can be made of any mechanically stable dielectric material, for example of nitride and in particular of silicon nitride.
  • the cover layer AS is now etched in a first step and the hole pattern is generated there.
  • an etching of the sacrificial layers which consist in particular of the same material as the intermediate layers ZS, and in particular formed of oxide. This etching can be carried out in two steps, wherein etching is initially anisotropic in extension of the hole pattern in the photoresist mask into the oxide, wherein the etching in the oxide or on the substrate surface is stopped.
  • FIG. 91 shows the arrangement in which corresponding air gaps LS have developed below the membrane and between the membrane and the cover. Except in the area of the air column, the sacrificial material is also removed outside the stack, but the structuring can be performed so that suitable support elements for the cover remain (not shown in the figure). After the etching step, the photomask is removed.
  • FIG. 9j shows, in sections in the region of the stack and the membrane, a component finished according to this method step.
  • the materials and processes used are preferably compatible with standard CMOS technology. Accordingly, the layer thicknesses in the range of the layer thicknesses usually used in CMOS technology are selected.
  • the quality of the multi-layer construction increases with the planarity of the layers. If the respective Schichtabscheideclar does not lead to a flat surface, the surface can be subsequently planarized, for example by chemical mechanical polishing (CMP) or by auxiliary layers, which produce a planarization and then etched back at the same etching rate as the layer to be planarized. All intermediate spaces, which are later filled with air, are filled with sacrificial material during production, for which purpose the material of the intermediate layers is preferably used. A hole pattern is generated in the region of later air gaps throughout all layers not made of sacrificial material in order to allow unimpeded access of the etchant from above.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • etching in particular oxide, dry / anhydrous or gaseous hydrofluoric acid can be used, with which a rapid removal of sacrificial oxide layers is possible.
  • plasma etching it is also possible to use plasma etching.
  • anisotropic and a "wet etching process" as an isotropic etching step, It is also possible to use organic layers as sacrificial layers and then to remove them in an oxygen plasma
  • Interlayer organic dielectrics are used.
  • the lateral passivation layers can be produced at least in the region of the membrane MB with a spacer technique. However, it is also possible to structure the upper passivation layer above the membrane in such a way that it laterally only overlaps, as shown for example in FIG.
  • the invention has been illustrated only by means of a few embodiments and is not limited thereto. Irrelevant for the invention is the exact number of layers used for the multilayer structure and the arrangement of the membrane within this layer structure. However, symmetrical or approximately symmetrical structures are always preferred, so that the membrane is located in the "middle" of the multilayer structure Materials for the function of the device extensive freedom of choice, however, the appropriate compatibility is observed or beneficial.
  • the substrate material may be a carrier material or a semiconductor component which comprises a circuit arrangement, that is to say an integrated circuit.
  • known method steps can be used.
  • the stacks of the multilayer construction comprise at least two metal layers, of which the metal layer extended to the membrane represents an upper layer.
  • the aforementioned matching and passivation layers which positively influence the properties of the finished component.

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Abstract

Es wird ein in einem integrierten Dünnschichtverfahren herstellbares mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen, welches auf der Oberfläche eines Substrats als Mehrschichtaufbau erzeugt und strukturiert werden kann. Für den Mehrschichtaufbau werden zumindest zwei Metallschichten vorgesehen, die vom Substrat und gegeneinander durch Zwischenschichten getrennt sind. Elektrisch leitende Verbindungsstrukturen sorgen für einen elektrischen Kontakt der Metallschichten untereinander und mit einer im Substrat angeordneten Schaltungsanordnung. Die für einen Trägheitssensor, ein Mikrofon oder einen elektrostatischen Schalter einsetzbare freischwingende Membran kann zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften auf allen Oberflächen mit Anpass- und Passivierungsschichten versehen werden, die beim Schichterzeugungsprozess beziehungsweise beim Aufbau des Mehrschichtaufbaus mit abgeschieden und strukturiert werden. Vorteilhaft werden dafür Titannitrid-Schichten eingesetzt.

Description

Beschreibung
Mikrotnechanisches Bauelement, Verfahren zur Herstellung und Verwendung
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere in MEMS-Bauweise (Micro Electro Mechanical System) , welches miniaturisiert mittels Dünnschichtverfahren auf der Oberfläche eines Substrates hergestellt wird und dessen Verwendung.
Ein als Mikrofon ausgebildetes MEMS-Bauelement ist beispielsweise aus US 5,490,220 A bekannt. Zur Herstellung eines solchen Mikrofons wird auf einem Substrat ein Dünnschichtaufbau erzeugt, der zumindest eine in den
Dünnschichtaufbau eingebettete Membran umfasst . Diese wird in einem späteren Verfahrensschritt aus ihrer Einbettung befreit, indem die sie umhüllenden beziehungsweise einschließenden Opferschichten durch Ätzen entfernt werden.
Das Funktionsprinzip vieler MEMS Bauelemente basiert auf einem Kondensator, dessen Kapazität mit einer auslenkenden Membran variiert. Dementsprechend ist neben der elektrisch leitfähigen Membran noch eine weitere leitfähige Schicht als Gegenelektrode auf dem Substrat vorgesehen, die innerhalb des gleichen Schichtaufbaus verwirklicht sein kann.
Zur elektrischen SignalVerarbeitung eines solchen MEMS- Bauelements sind integrierte Schaltungen in Form von Halbleiterbauelementen erforderlich, wobei bekannte MEMS-
Bauelemente typisch in ein gemeinsames Package mit einem IC Bauelement eingebaut sind und so Hybridbauelemente darstellen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein MEMS- Bauelement zusammen mit einem IC-Bauelement in einem Modul zu integrieren oder das MEMS-Bauelement direkt auf einem IC
Bauelement zu erzeugen oder mit einem solchen zu verbinden. Aus der US 2004/0155306 Al ist ein MEMS-Bauelement bekannt, welches eine freischwingende metallische Membran umfasst, die durch einen Luftspalt von einer darunter auf dem Substrat angeordneten Betriebselektrode getrennt ist. Zur Herstellung wird zunächst eine Opferschicht über dem Substrat erzeugt und so strukturiert, dass zumindest ein Anschlussgebiet für die Membran im Substrat offen liegt. Anschließend wird die Membran großflächig erzeugt und strukturiert . Durch ein in der Membran vorhandenes Lochmuster wird die Opferschicht darunter weggeätzt, wobei der Luftspalt entsteht.
Aus der US 2004/0126921 Al ist ein MEMS-Schalter bekannt, bei dem eine metallische Membran durch einen Luftspalt getrennt über Schalt- und Antriebselektroden auf einem Substrat gespannt ist. Die elektrische Verbindung der Membran zu einer im Substrat angeordneten Schaltungsanordnung erfolgt über Vias, die in einer dielektrischen Schicht durch Ätzen und Auffüllen mit Metall erzeugt sind. Der Luftspalt unterhalb der Membran wird durch Ätzen einer Opferschicht durch die mit einem Lochmuster versehene Membran hindurch erzeugt. Der
Luftspalt und damit der Abstand der Membran von der Antriebsund Schaltelektrode wird durch Variation der Dicke der dielektrischen Schicht eingestellt, auf der die Membran ein- oder beidseitig aufliegt.
Bei MEMS-Bauelementen tritt allgemein das Problem auf, dass der aus unterschiedlichen Materialschichten bestehende Schichtaufbau für das MEMS-Bauelement herstellungsbedingte oder thermomechanisch erzeugte Spannungen aufweisen kann, die das mechanische Verhalten der Membran ungünstig beeinflussen.
Hinzu kommt, dass MEMS-Bauelemente vorzugsweise mit standardisierten Dünnschichtverfahren hergestellt werden. Eine ungünstig verspannte Membran kann zu einer Fehlfunktion und ein zu kleiner Luftspalt zu einem Totalausfall des MEMS- Bauelements führen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mikromechanisches und insbesondere ein MEMS-Bauelement anzugeben, welches bezüglich dieser genannten Nachteile verbessert ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein mikromechanisches Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements und seine Verwendung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, ein mikromechanisches Bauelement mit einer freischwingenden Membran in einen Mehrschichtaufbau zu integrieren, der eine geringere mechanische Verspannung und ein verbessertes thermomechanisch.es Verhalten zeigt. Dazu wird ein Mehrschichtaufbau vorgeschlagen, der eine alternierende Abfolge von strukturierten Metallschichten und Zwischenschichten aufweist, wobei zumindest zwei Metall- schichten vorgesehen sind. Aus dem Mehrschichtaufbau ist ein Stapel strukturiert, in dem über einer unteren Metallschicht eine der darüber liegenden Metallschichten an einer Seite über den Stapel hinaus verlängert ist und so eine freischwingende Membran ausbildet. Im Sinne der Erfindung soll unter Membran auch ein auslenkbarer Balken verstanden werden.
Der Mehrschichtaufbau kann jeweils gleich dicke Metall- und Zwischenschichten umfassen. Möglich ist es jedoch auch, die einzelnen Schichten insbesondere bezüglich der Schichtdicke zu variieren, um thermische Verspannungen zu kompensieren. Zu den verbesserten mechanischen Eigenschaften des mikromechanischen Bauelements trägt auch bei, dass über die Anzahl der alternierenden Metall- und Zwischenschichten eine weitere Möglichkeit besteht, die Höhe des Stapels, den Abstand der Membran von der Substratoberfläche, die Stabilität des Stapels und die Verspannung innerhalb des Stapels über einen großen Bereich hinwegzuvariieren und damit zu optimieren. Der Stapel mit dem Mehrschichtaufbau ist auf einem Substrat angeordnet, in dem zumindest eine elektrische Schaltungs- anordnung vorgesehen ist. Die elektrische Anbindung der als Metallschicht ausgeführten Membran gelingt über die Zwischen- schichten, die in einer Ausführung ein Dielektrikum umfassen, in das elektrisch leitende Verbindungsstrukturen und insbesondere VIAS eingebettet sind. Neben der elektrischen Verbindung der einzelnen Metallschichten, die damit auch deren elektrischen Anschluss an die Schaltungsanordnung im Substrat garantiert, wird mit den Verbindungsstrukturen außerdem eine Strukturverstärkung des Mehrschichtaufbaus geschaffen, welche eine hohe mechanische Stabilität bei geringer thermomechani- scher Verspannung aufweist.
Die Schaltungsanordnung im Substrat kann eine integrierte Schaltung umfassen. Insbesondere kann das Substrat ein IC- Bauelement sein, auf dessen Oberfläche Elektroden und der Mehrschichtaufbau für das mikromechanische Bauelement angeordnet sind. Das IC-Bauelement kann eine integrierte Schaltungsanordnung umfassen, die für die elektrische
Ansteuerung des mikromechanischen Bauelements, das Auswerten von elektrischen Signalen eines als Sensor ausgebildeten Bauelements und die Antriebs- und Sehaltfunktionen für ein als MEMS-Schalter ausgebildetes mikromechanisches Bauelement ausgelegt ist.
Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise mittels Standard-Dünnschi'chtverfahren aufgebaut werden, wie sie in der CMOS-Technik Verwendung finden. Es können Standard- schichtdicken erzeugt werden, wobei vorteilhaft über die
Anzahl der alternierenden Schichten im MehrSchichtaufbau die Höhendimension des Bauelements optimiert werden kann. Die Membran kann im Mehrschichtaufbau beispielsweise die dritte oder vierte Metallschicht über dem Substrat sein. Oberhalb dieser zur Membran verlängerten Metallschicht kann der
Mehrschichtaufbau weitere alternierende Schichten umfassen. Vorteilhaft ist es beispielsweise, die zur Membran verlän- gerte Metallschicht an einer Position im Mehrschichtaufbau anzuordnen, die im Stapel zumindest bezüglich der Massenbelastungen und/oder der thermomechanisehen Verspannungen oberhalb und unterhalb dieser Metallschicht symmetrisch ist. Eine symmetrische oder zumindest ausgleichende Massenbelastung kann auch dadurch erreicht werden, dass eine oder mehrere der über der Membran-Metallschicht angeordneten Schichten dicker ausgeführt ist, als die unterhalb der Membran-Metallschicht angeordneten .
Vorteilhaft ist es, zumindest die zur Membran verlängerte Metallschicht zwischen einer oberen und einer unteren Pas- sivierungsschicht einzubetten, um sie insbesondere gegenüber dem abschließenden Ätzprozess zur Freilegung der Membran zu schützen. Des weiteren kann die Passivierungsschicht zum
Schutz der Membran vor Korrosion dienen. Die Passivierungsschicht kann auch dazu dienen, die mechanische Vorspannung der Membran einzustellen beziehungsweise eine herstellungsbedingte unerwünschte Vorspannung auszugleichen. Dazu kann die Dicke der Passivierungsschichten variiert werden und insbesondere unterschiedliche Dicken für die untere und die obere Passivierungsschicht eingestellt werden. Möglich ist es auch, zwischen Membran und Passivierungsschicht zusätzliche Anpassungsschichten einzuführen. In diesem Fall ist es möglich, bei einheitlicher gleich bleibender Schichtdicke der Passivierungsschichten nur die Dicke einer oder beider Anpassungsschichten zu variieren.
Die Membran weist vorteilhaft ein Muster von Durchbrechungen auf. Dies ermöglicht es, den Mehrschichtaufbau inklusive der zur Membran verlängerten Metallschicht als kompakten Verbund aufzubauen und erst anschließend den Luftspalt zwischen Membran und Substratoberfläche in einem Ätzschritt freizulegen, der durch das Lochmuster innerhalb der Membran geführt wird.
Ein mikromechanisches Bauelement kann einen einzelnen Stapel aufweisen, in dem die Membran eine verlängerte Metallschicht darstellt. Die Membran kann dann zungenförmig ausgebildet sein, wobei das freie Ende der Zunge frei schwingen kann. Möglich ist es auch, einen zweiten Stapel vorzusehen, wobei die Membran ebenfalls vorzugsweise zungenförmig ausgebildet und mit beiden Enden integrierter Bestandteil des jeweiligen Stapels ist. Eine nur einseitig befestigte beziehungsweise in einen Stapel integrierte Membran hat den Vorteil, dass sie eine geringere Auslenkungskraft benötigt als eine Membran, die beidseitig in einem Stapel befestigt ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung überspannt die Membran einen Hohlraum innerhalb eines Stapels. Sie ist dabei entlang ihres gesamten Außenumfangs innerhalb dieses einen Stapels fixiert. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Luftspalt zwischen Membran und Substratoberfläche ein geschlossener Hohlraum ist, dessen Füllung kontrolliert werden kann. Möglich ist es beispielsweise, in diesem Hohlraum einen bestimmten Druck einzustellen, der höher oder niedriger als der Umgebungsdruck sein kann. Möglich ist es auch, den Hohl- räum mit einem speziellen und vorzugsweise inerten Gas zu befüllen.
Eine weitere Ausgestaltung eines mikromechanischen Bauelements umfasst eine nur einseitig in einem Stapel fixierte zungenförmige Membran, die an ihrem freien Ende eine
Massenbelastung aufweist . Dies kann eine Massenbelastung mit einer oder mehreren zusätzlichen Schichten sein, die ausschließlich am freien Ende auf der Membran aufgebracht sind. Möglich ist es auch, diese zusätzliche Massenbelastung auf einer Schichtebene unterhalb der Membran jedoch mit der
Membran verbunden vorzusehen. Mit dieser Massenbelastung ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften der Membran zu beeinflussen und auf einen gewünschten Wert einzustellen. Wird die Massenbelastung unterhalb der Membran vorgesehen, so kann dadurch der Luftspalt verringert werden. Vorzugsweise sind auch die zur Massenbelastung erforderlichen Schichten mit einem Lochmuster versehen, um darunter den Luftspalt durch Wegätzen einer darunter angebrachten Opferschicht zu schaffen.
Die Massenbelastung kann auch in Form eines Mehrschichtauf- baus aufgebracht werden, vorzugsweise mit dem selben Aufbau wie der Mehrschichtaufbau in den Stapeln. Dies ermöglicht eine integrierte Herstellung der Massenbelastung zusammen mit der Strukturierung des Stapels.
In einer Ausführung weisen sämtliche Metallschichten in den Stapeln an ihren Seitenkanten ein Passivierung auf. Diese kann in Form eines Dielektrikums ausgeführt sein, die beim Stapelaufbau für jede Metallschicht erzeugt und strukturiert ist. Möglich ist es auch, eine Isolierung vorzusehen, die an den gesamten Seitenwänden der Stapel angeordnet ist. Eine solche Isolierung kann beispielsweise in Form von Spacer- Strukturen erzeugt werden, indem eine Hilfsschicht in entsprechender Dicke kantenbedeckend abgeschieden und anisotrop zurückgeätzt wird, wobei ausschließlich an vertikalen Strukturkanten die Spacer verbleiben.
Die Materialien für den Mehrschichtaufbau, also Dielektrikum, Membran und gegebenenfalls Passivierungsschicht sind vorzugsweise mit dem CMOS-Prozess kompatibel. Geeignete Dielektrika sind beispielsweise ausgewählt aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxinitrid. Titannitrid stellt das bevorzugte für die Passivierungsschicht verwendete Material dar. Es hat sehr gute Passivierungseigenschaften, lässt sich gut strukturieren und ist selektiv gegen Oxid ätzbar. Dieser Punkt ist beson- ders wichtig, da als bevorzugte Opferschicht Oxid eingesetzt wird, welches vorteilhaft selektiv gegen die Passivierungsschicht ätzbar ist. Eine selektive Ätzbarkeit gegen das Dielektrikum der Zwischenschicht ist ebenfalls von Vorteil.
Für die Metallschichten des Mehrschichtaufbaus sind beliebige elektrisch leitende, mit Dünnschichtverfahren gut erzeugbare Metalle geeignet, insbesondere die bereits in der CMOS- Technik verwendeten Aluminium und Kupfer.
Das Bauelement kann oberhalb der Membran im Abstand zu dieser mit einer Abdeckung versehen sein. Die Abdeckung kann mit dem Stapel abschließen und wird vorzugsweise bis auf die Oberfläche des Substrats gezogen. So ist es möglich, eine luft- und Feuchtigkeitsdichte Einbettung des Bauelements zu schaffen. Möglich ist es jedoch auch, in der Abdeckung durch- gehende Löcher oder Öffnungen vorzusehen, so dass zwar ein mechanischer Schutz der Membran gegeben ist, aber ein Austausch mit der Umgebungsluft und somit auch ein Druckausgleich möglich ist. Eine solche Abdeckung kann für Bauelemente eingesetzt werden, die als Drucksensoren oder auch als mikromechanisches Mikrofon ausgestaltet sind.
Die freischwingende Membran des Bauelements dient dazu, eine Kraft, einen Druckunterschied oder eine Schwingung aufzunehmen und diese über einen elektrischen Parameter abzulesen, der sich mit dem verringerten Abstand der Membran zur Oberfläche des Substrats verändert. Gegebenenfalls kann der gewünschten Messwert nach einer Linearisierung über eine Schaltungsanordnung, beispielsweise über eine integrierte Schaltung ausgegeben werden. Vorzugsweise arbeitet das mikromechanische Bauelement kapazitiv, wobei sich durch
Auslenkung der Membran eine Kapazität zwischen der Membran und einer auf der Oberfläche des Substrats angeordneten Gegenelektrode verändert .
Möglich ist es jedoch auch, das Bauelement als mikromechanischen Schalter auszuführen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, auf der Oberfläche des Substrats eine Antriebselektrode vorzusehen, mit der eine Auslenkung der Membran zum Beispiel mittels elektrostatischer Anziehung bewirkt werden kann. Erfolgt die Auslenkung bis zu einem Umklapppunkt, dominiert die elektrostatische Anziehung die Rückstellkraft und die Membran schließt den Kontakt, wobei der Schalter geschlossen wird.
Anwendungen, die ein Messsignal proportional zur Auslenkung der Membran liefern, sind beispielsweise Beschleunigungs- sensoren, wie sie beispielsweise in modernen Kraftfahrzeugen, für Navigationseinrichtungen und sicherheitstechnische Einrichtungen eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass den Figuren weder absolute noch relative Bemessungen entnommen werden können. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein mikromechanisches Bauelement mit einem Mehrschichtaufbau aus zwei Zwischenschichten und zwei Metallschichten,
Figur 2 zeigt ein Bauelement mit vier Metallschichten, und einer Massenbelastung auf der Membran,
Figur 3 zeigt ein Bauelement mit vier Metallschichten, bei dem die oberste als Membran ausgebildet ist,
Figur 4 zeigt eine Membran im schematischen Querschnitt,
Figur 5 zeigt ein Bauelement mit zwischen zwei Stapeln verspannter Membran,
Figur 6 zeigt eine Variante mit direkt auf der Membran aufliegender Abdeckung,
Figur 7 zeigt eine Membran in der Draufsicht, Figur 8 zeigt eine Membran mit Anpassungs- und Passivier- ungsschichten in schematischer Draufsicht,
Figur 9 zeigt verschiedene Verfahrensstufen bei der Her- Stellung eines Bauelements.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer einfachen Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements. Dieses ist auf einem Substrat SU aufgebaut, welches eine Schaltungsanordnung IC (nicht dargestellt) umfasst und beispielsweise selbst ein IC-Bauelement ist . Der mikromechanische Teil des Aufbaus ist in einem Mehrschichtaufbau MA realisiert, der in Figur 1 eine erste Zwischenschicht ZSl, eine erste Metallschicht MSl, eine zweite Zwischenschicht ZS2 und eine zweite Metallschicht MS2 umfasst. Jede Metallschicht kann für sich wiederum mehrere Schichten umfassen und außerdem oben und/oder unten Passi- vierungs- und Stresskompensationsschichten aufweisen. Die zweite Metallschicht MS2 überragt seitlich den Stapel des Mehrschichtaufbaus und ist zu einer Membran MB verlängert, die von der Oberfläche des Substrats SU durch einen Luftspalt getrennt ist . Im Falle einer Anwendung des Bauelements als Sensor stellt dieser Luftspalt die maximale Auslenkung der Membran dar. Wird das Bauelement als Schalter eingesetzt, so entspricht der Luftspalt der Schalterstrecke.
Im lichten Abstand oberhalb der Membran MB ist eine Abdeckung AB angeordnet, die hier ein Lochmuster aufweist und aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist, vorzugsweise aus Siliziumnitrid. Die Abdeckung ruht entweder auf dem Stapel, oder wie in der Figur dargestellt, auf Stützelementen SE, die ebenfalls mittels Dünnschicht strukturiert seitlich des Stapels beziehungsweise des Mehrschichtaufbaus MA angeordnet sind.
Die elektrische Verbindung der Schaltungsanordnung im
Substrat mit den Metallschichten und insbesondere mit der Membran MB erfolgt über Verbindungsstrukturen VS, die zum Beispiel im Querschnitt runde Durchkontaktierungen oder Vias durch die Zwischenschicht darstellen und insbesondere aus Wolfram ausgebildet sind. Auf der Oberfläche des Substrats unterhalb des Mehrschichtaufbaus ist eine Kontaktfläche zum elektrischen Anschluss der Membran vorgesehen (nicht dargestellt) . Weiterhin ist zumindest eine Sensor- oder Schalt- elektrode im Bereich des Luftspalts angeordnet, die zur Aufnahme eines Messwerts oder zum Herstellen eines Gegenkontakts für ein als Schalter eingesetztes Bauelement dient.
Figur 2 zeigt ausschnittsweise eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zur Ausführung nach Figur 1 ist der Mehrschichtaufbau oberhalb der zur Membran MB verlängerten Metallschicht MS3 hier durch eine weitere Zwischenschicht ZS4 und eine weitere Metallschicht MS4 fortgesetzt. Auf diese Weise können auf die Membran einwirkende Spannungen innerhalb des Mehrschichtaufbaus MA ausgeglichen werden, da der Aufbau symmetrischer bezüglich der Membran ausgeführt ist.
Des weiteren ist hier am freien Ende der Membran MB eine
Massenbelastung ML angeordnet, die hier unterhalb der Membran als weiterer Mehrschichtaufbau jedoch mit einer geringeren Anzahl an Schichten im Aufbau realisiert ist. Es ist aber auch möglich, die Massenbelastung ML alternativ oder zusätz- lieh oberhalb der Membran anzuordnen, wobei sie in diesem Fall dann insgesamt eine größere Anzahl an Einzelschichten als der Mehrschichtaufbau aufweisen kann. Im ersten Fall verbleibt zwischen der Massenbelastung ML und der Oberfläche des Substrats immer noch ein Luftspalt, der eine Auslenkung der Membran in Richtung Substrat ermöglicht, wobei in einer Anwendung als Schalter ein elektrischer Kontakt zu einem auf der Oberfläche des Substrats SU angeordneten Schaltkontakt SK hergestellt werden kann. Möglich ist auch eine rein kapazitiv wirkende Metallisierung, die auch bei Auslenkung keinen direkten elektrischen Kontakt mit der Membran hat. Schaltkontakt oder kapazitiv wirkende Metallisierung sind natürlich auch in der Ausführung nach Figur 1 vorgesehen, dort aber nicht explizit dargestellt.
Auch hier ist eine Abdeckung AB dargestellt, die auf dem Mehrschichtaufbau beziehungsweise auf dessen oberster Schicht aufliegen kann. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist die ursprünglich mit einem Lochmuster versehene Abdeckung geschlossen. Auch hier können seitliche Stützelemente SE vorgesehen sein, die rund um den gesamten Mehr- Schichtaufbau und die Membran geführt sein können und somit zusammen mit der Abdeckung AB ein Gehäuse für den mikromechanischen Mehrschichtaufbau darstellen können.
In Figur 3 ist ausschnittsweise ein weiteres Ausführungs- beispiel im schematischen Querschnitt dargestellt, bei dem die vom Substrat ab gezählt vierte Metallschicht MS4 zur Membran verlängert ist. Wie dargestellt kann die Membran eine größere Schichtdicke als die übrigen im Mehrschichtaufbau eingesetzten Metallschichten MSl bis MS3 aufweisen. Auch auf diese Weise wird eine verspannungsfreiere Membran erhalten, selbst wenn diese wie hier als oberste Schicht des Mehrschichtaufbaus realisiert ist. Die Abdeckung ist im lichten Abstand zur Membran angeordnet und mit einem Lochmuster versehen. Dieses garantiert, dass zum einen ein Luftdruck- ausgleich erfolgen kann und dass zum anderen ein Freiätzen der Membran durch Herauslösen von Opferschichten erfolgen kann. Diese Opferschichten werden während vorausgehender Verfahrensschritte bei der Herstellung mit erzeugt, sodass stets ein kompakter Schichtaufbau ohne Zwischenräume gegeben ist. Zum Freiätzen des Luftspalts unterhalb der Membran ist ebenfalls ein ÄtzmittelZugang zum späteren Luftspalt vorgesehen, beispielsweise durch ein weiteres Lochmuster innerhalb des freischwingenden Endes der Membran.
Figur 4 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch eine Membran eine weitere Ausgestaltung, die zum einen eine gegen Ätzangriffe geschützte und zum anderen in ihren mecha- nischen Eigenschaften verbesserte und optimierte Membran darstellt. Oberhalb und unterhalb der den Kern der Membran bildenden Metallschicht MS sind zumindest eine obere Passi- vierungsschicht PS und eine untere Passivierungsschicht PS' vorgesehen. Diese bestehen jeweils aus einem inerten und gegen das zum Wegätzen der Opferschichten eingesetzte Ätzmittel resistenten Material . Über ein geeignetes Schichtmaterial und eine zum Beispiel unterschiedliche Wahl der Schichtdicken für obere und untere Passivierungsschicht PS kann bereits eine mechanische Anpassung erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, zwischen Passivierungsschicht PS und Metallschicht MS jeweils eine obere beziehungsweise untere Anpassungsschicht AS, AS' vorzusehen. Bei gleicher Schichtdicke von oberer und unterer Passivierungsschicht kann die Anpassung durch Varia- tion der Schichtdicke der Anpassungsschicht ein- oder beidseitig erfolgen. Möglich ist es auch, eine solche Anpassungsschicht nur einseitig zu erzeugen.
In der dargestellten Ausführung ist die Membran beiderseits durch eine seitliche Passivierung SP geschützt, die eine mögliche aber nicht notwendige Ausgestaltung der Erfindung darstellt. Diese seitliche Passivierung kann auch in Form einer Spacer-Struktur erzeugt sein.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines mikromechanischen Bauelements, bei der die Membran MB als dritte Metall- Schicht MS3 im Mehrschichtaufbau realisiert ist, welcher zu zwei Stapeln strukturiert ist, zwischen denen die Membran MB verspannt ist . Durch die Verspannung an beiden Enden ist die Membran mechanisch stabilisiert. Oberhalb der dritten Metallschicht MS3 ist der Mehrschichtaufbau noch durch eine Zwischenschicht ZS4 und eine obere Metallschicht MS4 erweitert . Die Abdeckung AB ist hier geschlossen ausgebildet und liegt direkt auf der obersten Metallschicht MS4 auf. Figur 6 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie die Figur 5 mit dem Unterschied, dass hier die Abdeckung auf der als Membran MB fungierenden Metallschicht MS4 direkt aufliegt.
Nicht dargestellt in den Figuren 5 und 6 ist eine
Verkapselung des Mehrschichtaufbaus, die beispielsweise wie in Figur 1 durch Stützelemente oder bis zur Oberfläche des Substrats gezogene Abdeckschichten erreicht werden kann.
Figur 7 zeigt eine als Membran verwendete Metallschicht in der Draufsicht. Die Membran weist einen durchgehend geschlossenen Teil auf, der Teil eines Mehrschichtaufbaus ist. In dem dem Stapel des Mehrschichtaufbaus überragenden freischwingenden Teil ist die Membran mit einem Lochmuster LM versehen. Dieses dient dazu, freien Zugang des Ätzmittels zu einer darunter liegenden herauszulösenden Opferschicht zu schaffen, um damit den Luftspalt herzustellen. Für Ausführungen entsprechend der Figuren 5 oder 6 ist auf der rechten Seite ein weiterer Bereich ohne Lochmuster vorgesehen, damit die Mem- bran an beiden Enden in einen Stapel eingespannt werden kann.
Figur 8 zeigt eine mögliche Anordnung von Passivierungs- schichten in dem Bereich der Membran, der mit einem Lochmuster versehen ist. Die innerste mit 1 bezeichnete Fläche entspricht den Außenabmessungen des mit Lochmuster versehenen freischwingenden Teils der Membran. Die Fläche 2 zeigt die Abmessungen von oberer und unterer Passivierungsschicht , die in dem Bereich ebenfalls mit einem Lochmuster versehen ist, um Zugang für das Ätzmittel zu darunter liegenden Schichten zu ermöglichen. Eine dritte Fläche 3 gibt einen Bereich der
Passivierungsschicht an, der nicht mit Lochmuster versehen ist. Möglich ist es jedoch auch, dass die Bereiche 2 und 3 größenmäßig identisch sind.
Im Folgenden wird die Herstellung eines mikromechanischen Bauelements anhand von Figur 9 mittels schematisch dargestellter verschiedener Verfahrensstufen erläutert . Ausgehend von einem Substrat SU mit darin integrierter Schaltungsanordnung wird zunächst eine erste Zwischenschicht ZSl erzeugt. Im Bereich des später daraus zu strukturierenden Stapels werden Öffnungen OE in der Zwischenschicht ZSl erzeugt, in denen die Oberfläche des Substrats SU freigelegt wird (siehe Figur 9A) .
Figur 9b zeigt die Anordnung nach der Abscheidung eines Metalls selektiv in den Öffnungen OE. Dies kann beispielsweise durch selektive Wolfram-Abscheidung ausschließlich im inneren der Öffnungen erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, ganzflächig ein Metall abzuscheiden und die Anordnung planar zurückzuätzen oder mittels chemisch/mechanischen Polierens zu planarisieren .
Im nächsten Schritt wird ganzflächig eine erste Metallschicht MSl aufgebracht und strukturiert, sodass im Bereich des Stapels über den Verbindungsstrukturen VS und im Bereich einer späteren Massenbelastung ML eine Metallfläche verbleibt. Figur 9c zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Anschließend werden abwechselnd Zwischenschichten ZS inklusive darin angeordneter Verbindungsstrukturen VS sowie weitere Metallschichten MS erzeugt, bis der in Figur 9d aus drei Zwischenschichten und zwei dazwischen angeordneten Metall- schichten bestehende Mehrschichtaufbau erhalten wird. Zwischen dem flächenmäßig durch die Größe der Metallschichten definierten Stapel (in der Figur links dargestellt) und dem durch eine Opferschicht von der Substratoberfläche getrennten Aufbau für die Massenbelastung (in der Figur rechts dargestellt) ist der Zwischenraum außerhalb des Stapels mit weiterem Opfermaterial aufgefüllt, beispielsweise Siliziumoxid, sodass eine mit der Oberfläche der dritten Zwischenschicht ZS3 des Mehrschichtaufbaus abschließende planare Oberfläche des Aufbaus erhalten wird. Figur 9d zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Anschließend wird die zur Membran verlängerte MetallSchicht (in der Figur die dritte Metallschicht MS3) erzeugt. Da diese Metallschicht zumindest in eine untere und eine obere Passi- vierungsschicht eingebettet ist, wird zunächst eine erste Passivierungsschicht , dann die Metallschicht und schließlich eine zweite Passivierungsschicht erzeugt und strukturiert . Die Strukturierung kann für jede einzelne Schicht separat erfolgen, kann jedoch auch mit einer einzigen Maske in einem einzigen Schritt durchgeführt werden. Figur 9e zeigt die An- Ordnung mit fertiger zur Membran verlängerter dritter Metall- Schicht MS3 , in der allerdings die relativ dünnen Passivier- ungsschichten nicht eingezeichnet sind.
Anschließend wird der Mehrschichtaufbau im Bereich des Sta- pels um weitere Schichten ergänzt, hier um eine vierte Zwischenschicht ZS4 und eine vierte Metallschicht MS4. Im Bereich des Stapels sind nun alle Metallschichten durch die Verbindungsstrukturen in den Zwischenschichten ZS elektrisch miteinander verbunden, wobei gleichzeitig auch die Stabilität des Stapels erhöht wird. Die vierte Zwischenschicht ZS4 erstreckt sich auch oberhalb der Membran MB, wo sie später als Opferschicht dient. Figur 9f zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt wird eine Abdeckschicht AS ganzflächig abgeschieden, aus der die spätere Abdeckung strukturiert wird. Die Abdeckschicht kann aus einem beliebigen mechanisch stabilen dielektrischen Material bestehen, beispielsweise aus Nitrid und insbesondere aus Siliziumnitrid. Mithilfe einer Fotoresistmaske wird nun in einem ersten Schritt die Abdeckschicht AS geätzt und dort das Lochmuster erzeugt. Anschließend erfolgt ein Ätzen der Opferschichten, die insbesondere aus dem gleichen Material wie die Zwischenschichten ZS bestehen, und insbesondere aus Oxid ausgebildet sind. Diese Ätzung kann in zwei Schritten durchgeführt werden, wobei zunächst anisotrop in Verlängerung des Lochmusters in der Fotoresistmaske ins Oxid geätzt wird, wobei die Ätzung im Oxid oder an der Substratoberfläche gestoppt wird. Dies erfolgt sowohl im Bereich des Luftspalts unter der Membran als auch im Bereich der Massenbelastung, unter der sich ebenfalls eine zu entfernende Opferschicht befindet. In einem zweiten Ätzschritt wird anschließend isotrop geätzt, um die vertikalen Ätzlöcher seitlich in das Dielektrikum der Opferschicht hinein zu verbreitern und schließlich zu einem einzigen durchgehenden Hohlraum oder Luftspalt zu vereinigen. Die Ätzung wird so lange durchgeführt, bis sämtliches Opfermaterial entfernt ist. Figur 91 zeigt die Anordnung, bei der unterhalb der Membran und zwischen Membran und Abdeckung entsprechende Luftspalte LS entstanden sind. Außer im Bereich der Luft- spalte wird das Opfermaterial auch außerhalb des Stapels entfernt, wobei die Strukturierung jedoch so geführt werden kann, dass geeignete Stützelemente für die Abdeckung verbleiben (in der Figur nicht dargestellt) . Nach dem Ätzschritt wird die Fotomaske entfernt.
Soll die Abdeckung einen Luft- und Druckausgleich mit der Umgebung ermöglichen, so ist das Verfahren an dieser Stelle beendet. Ist jedoch eine geschlossene Abdeckung AB gewünscht oder erforderlich, so wird in einem abschließenden Schritt ganzflächig eine weitere Abdeckschicht oberhalb der strukturierten Abdeckschicht erzeugt, mit der das Lochmuster ver- schlössen wird. Figur 9j zeigt ausschnittsweise im Bereich von Stapel und Membran ein nach dieser Verfahrensstufe fertiges Bauelement.
Für jede einzelne Schicht gilt, dass die dafür verwendeten Materialien und Verfahren vorzugsweise mit Standardverfahren der CMOS-Technologie kompatibel sind. Entsprechend werden auch die Schichtdicken im Bereich der üblicherweise in CMOS- Technologie eingesetzten Schichtdicken gewählt.
Die Qualität des Mehrschichtaufbaus steigt mit der Planarität der Schichten. Sofern das jeweilige Schichtabscheideverfahren nicht zu einer planen Oberfläche führt, kann die Oberfläche nachträglich noch planarisiert werden, beispielsweise durch chemisch mechanisches polieren (CMP) oder durch Hilfsschich- ten, die eine Planarisierung erzeugen und dann mit der gleichen Ätzrate wie die einzuebnende Schicht zurückgeätzt wer- den. Alle Zwischenräume, die später mit Luft gefüllt sind, werden während der Herstellung mit Opfermaterial aufgefüllt, wozu vorzugsweise das Material der Zwischenschichten verwendet wird. Ein Lochmuster wird im Bereich späterer Luftspalte durchgehend durch alle nicht aus Opfermaterial bestehende Schichten erzeugt, um den ungehinderten Zutritt des Ätzmittels von oben zu ermöglichen. Zum Ätzen von insbesondere Oxid kann trockene/wasserfreie oder gasförmige Flusssäure verwendet werden, mit der ein schnelles Entfernen von oxidischen Opferschichten möglich ist. Möglich ist es jedoch auch, Plasmaätzverfahren einzusetzen. Weiterhin ist es möglich, ein Plasmaätzverfahren als anisotropen und ein „Nassätzverfahren" als isotropen Ätzschritt zu kombinieren. Möglich ist es auch, als Opferschichten organische Schichten zu verwenden, und diese dann in einem Sauerstoffplasma zu entfernen. Im vorgeschlagenen Aufbau können auch für die
Zwischenschicht organische Dielektrika verwendet werden.
Die seitlichen Passivierungsschichten können zumindest im Bereich der Membran MB mit einer Spacer-Technik erzeugt werden. Möglich ist es jedoch auch, die obere Passivierungs- schicht oberhalb der Membran entsprechend zu strukturieren, dass sie seitlich nur noch überlappt, wie dies beispielsweise in Figur 8 dargestellt ist.
Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt und ist aber nicht auf diese begrenzt. Für die Erfindung unerheblich ist die genaue Anzahl der für den Mehrschichtaufbau verwendeten Schichten und die Anordnung der Membran innerhalb dieses Schichtaufbaus . Bevorzugt sind jedoch stets symmetrische oder annähernd symmetrische Aufbauten, sodass sich die Membran in der „Mitte" des Mehrschichtaufbaus befindet. Bezüglich der eingesetzten Materialien besteht für die Funktion des Bauelements weitgehende Auswahlfreiheit, jedoch ist dabei die entsprechende Kompatibilität zu beachten beziehungsweise von Vorteil .
Das Substratmaterial kann ein Trägermaterial oder ein Halbleiterbauelement sein, das eine Schaltungsanordnung, also eine integrierte Schaltung umfasst . Für einzelne Schritte oder für einen Großteil des vorgeschlagenen Aufbaus können an sich bekannte Verfahrensschritte eingesetzt werden. Wesent- lieh ist jedoch stets, dass die Stapel des Mehrschichtaufbaus zumindest zwei Metallschichten umfassen, von denen die zur Membran verlängerte Metallschicht eine obere Schicht darstellt. Vorteilhaft sind auch die genannten Anpass- und Passivierungsschichten, die die Eigenschaften des fertigen Bauelements positiv beeinflussen.
Bezugszeichenliste
SU Substrat
ZS1...ZS4 Zwischenschichten
MS1...MS4 Metallschichten
VS Verbindungsstrukturen
MB Membran
AB Abdeckung
SE Stützelement
MA Mehrschichtaufbau
SP Spacer oder seitliche Passivierung
AS,AS' Anpassungsschichten
PS, PS' Passivierungsschichten
LM Lochmuster
AS Abdeckschicht
OS Opferschicht
LS Luftspalt
PM Photomaske
OE Öffnungen
ML Massenbelastung
SK Schaltkontakt
1,2,3 Flächenbereiche

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanisches Bauelement, mit einem Substrat (SU) , in oder auf dem zumindest eine elektrische Schaltungsanordnung vorgesehen ist, bei dem auf dem Substrat (SU) ein erster Stapel mit Mehrschichtaufbau (MA) aufgebracht ist, umfassend eine alternierende Abfolge von strukturierten Metallschichten (MS) und Zwischenschichten (ZS) , wobei zumindest zwei Metallschichten vorgesehen sind, bei dem eine von der untersten Metallschicht (MSl) verschiedene Metallschicht des Mehrschichtaufbaus an einer Seite über den Stapel hinaus verlängert ist und eine frei schwingbare, elektrisch leitende Membran (MB) umfasst .
2. Bauelement nach Anspruch 1 , bei dem die Zwischenschichten (ZS) ein Dielektrikum umfassen, in das elektrisch leitende Verbindungsstrukturen (VS) so eingebettet sind, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Schaltungsanordnung, den Metallschichten (MS) und der Membran (MB) besteht.
3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , bei dem die Schaltungsanordnung im Substrat (SU) eine integrierte Schaltungsanordnung umfasst .
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Substrat (SU) ein IC Bauelement ist, das eine integrierte Schaltung zum Betrieb eines Sensors umfasst.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem im Stapel unterhalb der zur Membran (MB) verlängerten Metallschicht (MS) zumindest zwei weitere Metallschichten und zumindest drei alternierend dazu angeordnete Zwischenschichten (ZS) angeordnet sind.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zumindest die zur Membran (MB) verlängerte Metallschicht (MS) zwischen einer oberen und einer unteren Passivierungsschicht (PS) eingebettet ist.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Membran (MB) ein Muster von Durchbrechungen aufweist.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein erster und ein zweiter Stapel mit gleichem Mehrschichtaufbau (MA) vorgesehen sind, bei dem die Membran (MB) zungenförmig ausgebildet ist und eine beiden Stapeln zugehörige Metallschicht (MS) umfasst, die zwischen den Stapeln frei schwingen kann.
9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Membran (MB) zungenförmig ausgebildet ist und am freien, dem Stapel entgegengesetzten Ende eine Massenbelastung (ML) aufweist.
10. Bauelement nach Anspruch 9, bei dem die Massenbelastung (ML) ebenfalls einen Aufbau in
Form mehrerer Schichten besitzt, wobei die Anzahl der dazu verwendeten Schichten geringer ist als die des Mehrschichtaufbaus (MA) .
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem sich an die seitlichen Kanten des Mehrschichtaufbaus (MA) Spacerstrukturen anschließen.
12. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem zumindest eine Schicht ausgewählt aus Dielektrikum und Passivierungsschicht (PS) Titannitrid umfasst.
13. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Metallschichten (MS) Aluminium oder Kupfer umfassen.
14. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Dielektrikum ausgewählt ist aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxinitrid.
15. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem über der Membran (MB) im Abstand zu dieser eine Abdeckung (AB) vorgesehen ist.
16. Bauelement nach Anspruch 15, bei dem die Abdeckung (AB) durchgehende Löcher aufweist.
17. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem unterhalb der freischwingenden Membran (MB) in oder auf dem Substrat eine Elektrode angeordnet ist, die zur Membran eine Kapazität ausbildet, bei dem die Schaltungsanordnung dazu ausgelegt ist, ein zu dieser Kapazität proportionales Messsignal zu erzeugen.
18. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die obere Passivierungsschicht (PS) zumindest an der freischwingenden Membran (MB) zur Stresskompensation eine von der unteren Passivierungsschicht (PS) verschiedene Schichtdicke aufweist.
19. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem auf oder über der Membran (MB) eine Stresskompensationsschicht vorgesehen ist.
20. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
- bei dem zunächst ein Mehrschichtaufbau (MA) in Stapelform erzeugt wird, umfassend eine alternierende Abfolge von strukturierten Metallschichten (MS) und Zwischenschichten (ZS) ,
- bei dem eine von der untersten Metallschicht (MSl) des strukturierten Mehrschichtaufbaus verschiedene Metallschicht als den Stapel einseitig überragende Membran strukturiert wird, wobei jede Schicht nach der Abscheidung strukturiert wird,
- bei dem zwischen den Strukturen der einzelnen Schichten eine Opferschicht erzeugt wird, die zumindest den Raum zwischen Membran und Substrat ausfüllt,
- bei dem in der Membran (MB) ein Muster von Durchbrechungen durch Ätzen strukturiert wird,
- bei dem zumindest die Membran (MB) zwischen einer oberen und einer unteren Passivierungsschicht eingebettet wird, - bei dem die Opferschicht zumindest über und unter der Membran durch Ätzen herausgelöst wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem über dem Mehrschichtaufbau (MA.) eine obere Opferschicht (OS) erzeugt wird, bei dem darüber eine Abdeckschicht (AB) abgeschieden und darin Löcher erzeugt werden, bei dem die obere Opferschicht mittels Ätzens durch die Löcher in der Abdeckschicht hindurch entfernt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, bei dem nach dem Erzeugen und Strukturieren des Mehrschichtaufbaus (MA) eine Hilfsschicht erzeugt wird, aus der durch anisotrope Rückätzung Spacerstrukturen erzeugt werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem für die Zwischenschichten (ZS) dielektrische Schichten abgeschieden werden, bei dem in den dielektrischen Schichten durch Ätzen ein Lochmuster erzeugt wird, bei dem das Lochmuster durch selektive Metallabscheidung mit Wolfram aufgefüllt wird.
24. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 19 als Mikrosensor zur Messung einer Beschleunigung, eines Drucks oder als Mikrophon.
25. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 19 als elektrostatischer Schalter.
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