WO2008086907A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils und sensorelement - Google Patents

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WO2008086907A1
WO2008086907A1 PCT/EP2007/062452 EP2007062452W WO2008086907A1 WO 2008086907 A1 WO2008086907 A1 WO 2008086907A1 EP 2007062452 W EP2007062452 W EP 2007062452W WO 2008086907 A1 WO2008086907 A1 WO 2008086907A1
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region
membrane
cavern
access opening
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PCT/EP2007/062452
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Torsten Kramer
Kathrin Knese
Hubert Benzel
Gregor Schuermann
Simon Armbruster
Christoph Schelling
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • B81C1/00777—Preserve existing structures from alteration, e.g. temporary protection during manufacturing
    • B81C1/00785—Avoid chemical alteration, e.g. contamination, oxidation or unwanted etching
    • B81C1/00801—Avoid alteration of functional structures by etching, e.g. using a passivation layer or an etch stop layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
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    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
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    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
    • B81C2201/0128—Processes for removing material
    • B81C2201/013—Etching
    • B81C2201/0135—Controlling etch progression
    • B81C2201/014—Controlling etch progression by depositing an etch stop layer, e.g. silicon nitride, silicon oxide, metal

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component having at least one membrane formed in the component surface, which spans a cavern, and having at least one access opening to the cavern emanating from the component back, wherein at least a first membrane layer and the cavern starting from the component surface in a monolithic semiconductor substrate are produced and wherein the access opening is generated from the substrate back side in an anisotropic etching step.
  • the invention relates to such a component which is used as a sensor element for relative pressure measurement.
  • micromechanical sensor elements with membranes for relative pressure measurement.
  • the membrane which is usually formed in the component surface, must be accessible on both sides.
  • the membrane of such micromechanical sensor elements is therefore often exposed starting from the wafer backside.
  • volume micromechanical methods are used, such as e.g. KOH etching. This results in relatively large recesses, which are co-determining for the size of the sensor element.
  • German patent applications DE 100 32 579 A1, DE 10 2004 036 035 A1 and DE 10 2004 036 032 A1 describe processes which are also known by the term APSM (Advanced Porous Silicon Membrane) technology are known. With these methods, for example, sensor elements for absolute pressure measurement with very small chip area and very accurate manufacturing tolerances can be manufactured. These methods can be implemented relatively easily and are therefore inexpensive. Since the APSM technology is also CMOS-compatible, circuit elements of an evaluation circuit and in particular resistors for piezoresistive signal detection can be easily integrated on the sensor element.
  • APSM Advanced Porous Silicon Membrane
  • a first porous layer region is created in the substrate which adjoins the substrate surface.
  • the rate of expansion of the pores can be influenced by applying an electric field between the top and bottom of the substrate and by appropriate adjustment of the electric field strength during the etching attack.
  • a second porous layer region whose porosity is greater than the porosity of the first layer region, is produced below the first layer region.
  • the pores in the second layer region are arranged in such a way that a single large pore, ie a cavern, arises below the first layer region.
  • At least the pores on the upper side of the first layer region are largely closed by the heat treatment. This makes it possible to deposit on this first layer region a largely monocrystalline silicon layer as a membrane layer into which then simply electrical circuit elements, such as resistors, for signal detection and evaluation can be integrated.
  • a first region with a first doping is created in a semiconductor carrier, which is intended to form the cavern under the membrane to be produced. Over this first region, a lattice-shaped region with a second doping is generated, which serves as a stabilizing element for the membrane to be produced.
  • the first region is then etched through the grid openings of the stabilization element in a highly porous manner. Due to the different dopants, the stabilizing element is practically not attacked. Thereafter, the semiconductor substrate is provided with an epitaxial layer. This grows substantially on the lattice structure of the stabilizing element, wherein the growth takes place in both the vertical and in the lateral direction, so that the grid openings close.
  • the highly porous semiconductor material of the first region is deposited during the growth process or during an annealing step to a large pore or a cavern under the ideally monocrystalline epitaxial layer, which then acts as a membrane layer.
  • the semiconductor material of the first region is completely dissolved out before the epitaxial layer is produced.
  • the US 2006/0260408 Al deals with this problem.
  • Such a time limit of the backside etching attack proves to be critical in practice, since the thickness of the membrane structure and the extent of the cavern are small compared to the substrate thickness.
  • the thickness of the membrane structure is in the range of the thickness variations with which the wafers usually used as substrate material are manufactured. Overall, the time limit of the backside etching attack is therefore too sensitive for mass production.
  • US 2006/0260408 A1 proposes to produce an oxide layer on the inner wall of the cavern as etch stop layer for the backside etching attack. For this purpose, an opening in the membrane layer is initially generated, is passed through the oxygen for thermal oxidation in the cavern. This process is relatively expensive, not least because the membrane layer is usually closed again.
  • the present invention proposes simple measures that allow subsequent backside processing of components having a membrane structure in the component surface to create access openings to the cavern below the membrane.
  • an etching stop layer is applied over the first membrane layer at least in the region of the access opening to be generated, by means of which the anisotropic etching step for producing the access opening is limited.
  • the etch stop layer which according to the invention is subsequently arranged on the original membrane structure, has at least two functions: first, it is intended to limit the etching attack emanating from the component backside. However, it also serves to maintain the membrane function, since in this etching attack not only the substrate but also the original membrane structure is attacked. According to the invention, it has been recognized that the etching stop layer for the subsequent structuring of the component rear side does not necessarily have to be formed within the original membrane structure. A suitable etch stop can also be subsequently arranged on the component surface, where it can be realized much easier and less expensive. In the simplest case, even an existing or necessary for the realization of an evaluation circuit layer can be used as an etch stop layer.
  • the method according to the invention assumes that the membrane structure is produced starting from the component surface in the substrate material. This can be done in different ways. It is particularly advantageous to use the APSM technology described above for producing the membrane structure.
  • a first porous layer region is produced in a substrate. Then, under the first porous layer region, a second porous layer region is produced in the substrate, wherein the porosity of the second layer region is greater than the porosity of the first layer region.
  • the second layer region is converted into a cavity or a cavern. In this annealing step, the pores of the first layer region close at least substantially, so that this first layer region forms a first membrane layer over the cavern.
  • a porous layer region is produced in the substrate, via which an epitaxial layer is then deposited from the substrate material.
  • the porous layer region is converted into a cavern, so that the epitaxial layer forms a first membrane layer above the cavern.
  • a first layer region is produced with a first doping in a semiconductor substrate. Over this first layer region, a preferably lattice-shaped stabilization region with at least one opening is produced, wherein the doping of the stabilization region differs from that of the first layer region.
  • the first layer region is then porous etched before creating an epitaxial layer over the stabilization region. By means of a temperature treatment, the porous first layer region is finally converted into a cavern, so that the epitaxial layer forms a first membrane layer above the cavern.
  • This method variant can be modified in such a way that the semiconductor material of the first layer region is not only etched porous, but is dissolved out even before the epitaxial layer is produced, so that a cavern forms below the stabilization region.
  • the inventive measures namely the use of a subsequently applied to the membrane top ⁇ tzstopp Anlagen to limit the backside etching attack, through which a back pressure access is created - allow the production of sensor elements for relative pressure measurement in APSM technology with all the advantages that brings the use of this technology ,
  • sensor elements with any desired membrane geometry can be realized with a very small chip size and very precise manufacturing tolerances.
  • the manufacturing process is also CMOS-compatible, ie there is the possibility of monolithic integration of circuit elements of an evaluation circuit on the sensor element.
  • the use of the APSM technology in the context of the method according to the invention is also advantageous in view of the manufacturing costs of the sensor elements, since a low-cost starting material, namely a silicon substrate, can be used, which can be processed simply by means of conventional, easy to handle and controllable semiconductor methods ,
  • a cavern is produced which is formed by a cavity, to which a stub line extending below the first membrane layer adjoins.
  • the membrane area above the cavity of the data acquisition is then placed in the area of the stub line in order to minimize the mechanical properties of the membrane in the region above the cavity as little as possible.
  • access openings can also be targeted with greater substrate thickness produce a relatively small cross-sectional area, which is advantageous in view of the increasing miniaturization of micromechanical components.
  • access openings with a small cross-sectional area are also advantageous in terms of the function of the membrane structure.
  • the function of the membrane is not appreciably influenced as long as the ratio of the lateral membrane extent to the cross section of the access opening, ie to the cross section of the thinned membrane area, is large and ensures that there is a sufficient linear deflection of the entire membrane in the presence of a pressure difference.
  • the mechanical properties of the etch stop layer and optionally further layers in the membrane region are chosen such that a local weakening of the membrane in the area above the access opening.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a first component, which has been manufactured according to the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a second component, which has been manufactured according to the method according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a sensor element according to the invention for measuring the relative pressure.
  • the component 10 illustrated in FIG. 1 is a micromechanical component that has been produced by processing a substrate 1, such as a silicon wafer. In the component surface, a membrane 11 is formed, which spans a cavity 12 in the substrate 1. The cavern 12 is connected via an access opening 13 to the component rear side, so that the component 10 can be used for relative pressure detection.
  • the cavern 12 was produced starting from the component surface in APSM technology.
  • a first membrane layer 111 of substrate material has formed above the cavern 12.
  • the access opening 13 was subsequently produced as part of a back-side structuring.
  • a masking layer 2 was first applied to the back of the substrate 1.
  • the masking layer 2 By structuring the masking layer 2 were then the position, the shape and the size, more precisely the cross-sectional area, of the access opening 13 are defined.
  • a suitable photoresist layer or also a so-called "hardmask”, for example of Si oxide, can be used as the masking layer 2.
  • the entire component surface has been provided with an etch stop layer 3.
  • the access opening 13 was then generated in an anisotropic etching attack emanating from the masked back of the component. Accordingly, the cross-sectional area of the access opening 13 is substantially equal over the entire depth of the access opening 13. Since the etching attack was limited by the etch stop layer 3 on the component surface, the access opening 13 extends through the entire substrate 1 and also through the Me membrane layer 111 to etch stop layer 3. If substrate 1 is a silicon substrate, then the access opening can be advantageously produced in a trench process using SF6.
  • the layer structure of the membrane 11 of the component 10 thus also includes the etching stop layer 3 in addition to the membrane layer 111.
  • the applied differential pressure should cause the membrane 11 to bend as linearly as possible.
  • the sensor function of the component 10 by the thinned region of the membrane 11 becomes only insignificant impaired.
  • the influence of a thinned region on the mechanical properties of the membrane increases.
  • the mechanical properties of the etching stop layer 3 and possibly further layers 4 in the membrane region are chosen so that the
  • the cavern 12 of the component 20 and a first membrane layer 111 spanning this cavern 12 were, as in the case of the component 10, produced in the substrate 1 in an APSM process starting from the substrate surface.
  • the back side of the finished processed APSM substrate 1 was then masked to create two access openings 13, as described in connection with FIG.
  • the membrane layer 111 has been provided with an etching stop layer 3 only in the regions above the access openings 13 to be produced. In these membrane regions, as the access openings 13 are etched, the material of the first membrane layer 111 is also removed.
  • a further layer 4 was formed over the etch stop layer regions 3 generated. These may be, for example, intermediate dielectrics of a metallization of an evaluation circuit.
  • the entire component surface was still provided with a passivation 5.
  • the sensor element 30 shown in FIG. 3 is a piezoresistive relative pressure sensor with integrated evaluation circuit whose micromechanical structure has been produced according to the invention.
  • the cavern 32 was produced in an APSM method in the silicon substrate 1 of the sensor element 30.
  • the resulting first membrane layer 311 was reinforced by an n-epitaxial layer on the silicon substrate 1.
  • a contact plane 3 for circuit elements of the evaluation circuit was applied to the first membrane layer 311, ie to the n-epitaxial layer.
  • this contact plane 3 also acted as etch stop layer 3 during the etching of the rear-side pressure access 33. Accordingly, the rear-side pressure access 33 does not only extend through the substrate 1 into the cavern 32.
  • the first membrane layer 311 also has an etching opening 331 in the region of Rear pressure access 33, which extends through the n-epitaxial layer to the contact plane or etching stop layer 3.
  • the evaluation circuit of the sensor element 30 comprises circuit elements which are realized in the form of doped regions in the n-epitaxial layer and the substrate 1. These circuit elements are not designated in detail in Fig. 3.
  • the evaluation circuit comprises metallic conductor tracks or conductor layers 6, which are insulated from one another by an intermediate dielectric 4.
  • the sensor element 30 shown in Fig. 3 can also be used as a back pressure sensor for use in aggressive media.
  • a suitable reference vacuum must be enclosed on the front side of the substrate by means of a suitable assembly and connection technique.

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung werden einfache Maßnahmen vorgeschlagen, die eine nachträgliche Rückseitenprozessierung von Bauteilen mit einer Membranstruktur in der Bauteiloberfläche ermöglichen, um Zugangsöffnungen zu der Kaverne unterhalb der Membran zu erzeugen. Nachdem eine erste Membranschicht (111) und eine Kaverne (12) unter der ersten Membranschicht (111) von der Bauteiloberfläche ausgehend in einem Substratmaterial erzeugt worden sind, soll erfindungsgemäß über der ersten Membranschicht (111) zumindest im Bereich der mindestens einen zu erzeugenden Zugangsöffnung (13) eine Ätzstoppschicht (3) aufgebracht werden. Diese Zugangsöffnung (13) soll dann in einem Ätzschritt erzeugt werden, der von der Bauteilrückseite ausgeht und durch die Ätzstoppschicht (3) über der ersten Membranschicht (111) begrenzt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und Sensorelement
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer in der Bauteiloberfläche ausgebildeten Membran, die eine Kaverne überspannt, und mit mindestens einer von der Bauteilrückseite ausgehenden Zugangsöffnung zu der Kaverne, wobei zumindest eine erste Membranschicht und die Kaverne von der Bauteiloberfläche ausgehend in einem monolithischen Halbleitersubstrat erzeugt werden und wobei die Zugangsöffnung von der Substratrückseite ausgehend in einem anisotropen Ätzschritt erzeugt wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein derartiges Bauteil, das als Sensorelement zur Relativdruckmessung eingesetzt wird.
Es ist bekannt, mikromechanische Sensorelemente mit Membranen zur Relativdruckmessung einzusetzen. Für diese Anwendung muss die Membran, die meist in der Bauteiloberfläche ausgebildet ist, beidseitig zugänglich sein. In der Praxis wird die Membran derartiger mikromechanischer Sensorelemente deshalb häufig von der Waferrückseite ausgehend freigelegt. Dazu werden volumenmikromechanische Verfahren eingesetzt, wie z.B. KOH-Ätzen. Dabei entstehen relativ große Ausnehmungen, die für die Größe des Sensorelements mitbestimmend sind.
In den deutschen Patentanmeldungen DE 100 32 579 Al, DE 10 2004 036 035 Al und DE 10 2004 036 032 Al werden Verfahren beschrieben, die auch unter dem Begriff APSM (Advanced Porous Silicon Membrane) -Technologie bekannt sind. Mit diesen Verfahren können beispielsweise Sensorelemente zur Absolutdruckmessung mit sehr kleiner Chipfläche und sehr genauen Herstellungstoleranzen gefertigt werden. Diese Verfahren lassen sich relativ einfach realisieren und sind dementsprechend kostengünstig. Da die APSM-Technologie außerdem CMOS-kompatibel ist, lassen sich auch Schaltungselemente einer Auswerteschaltung und insbesondere Widerstände zur piezoresistiven Signalerfassung einfach auf dem Sensorelement integrieren.
Gemäß dem aus der DE 100 32 579 Al bekannten Verfahren wird mit Hilfe eines Ätzmediums, das die maskierte Oberfläche eines monolithischen Siliziumsubstrats angreift, ein erster poröser Schichtbereich im Substrat erzeugt, der an die Substratoberfläche angrenzt. Die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Poren lässt sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen der Oberseite und der Unterseite des Substrats und durch geeignete Einstellung der elektrischen Feldstärke während des Ätzangriffs beeinflussen. Durch Erhöhen der elektrischen Feldstärke wird unterhalb des ersten Schichtbereichs ein zweiter poröser Schichtbereich erzeugt, dessen Porosität größer ist als die Porosität des ersten Schichtbereichs. In einem anschließenden Temperschritt ordnen sich die Poren im zweiten Schichtbereich so um, dass eine einzige große Pore, d.h. eine Kaverne, unterhalb des ersten Schichtbereichs entsteht. Zumindest die Poren auf der Oberseite des ersten Schichtbereichs werden durch die Temperung weitgehend verschlossen. Dadurch ist es möglich, auf diesem ersten Schichtbereich eine weitgehend monokristalline Siliziumschicht als Membranschicht abzuscheiden, in die dann einfach elektrische Schaltungselemente, wie z.B. Widerstände, zur Signalerfassung und -auswertung integriert werden können. Gemäß den aus der DE 10 2004 036 035 Al und DE 10 2004 036 032 Al bekannten Verfahren wird in einem Halbleiterträger ein erster Bereich mit einer ersten Dotierung erzeugt, der die Kaverne unter der zu erzeugenden Membran bilden soll. Über diesem ersten Bereich wird ein gitterförmiger Bereich mit einer zweiten Dotierung erzeugt, der als Stabilisierungselement für die zu erzeugenden Membran dient. In einer ersten Verfahrensvariante wird dann der erste Bereich durch die Gitteröffnungen des Stabilisierungselements hoch porös geätzt. Aufgrund der unterschiedlichen Dotierungen wird das Stabilisierungselement dabei praktisch nicht angegriffen. Danach wird der Halbleiterträger mit einer Epitaxieschicht versehen. Diese wächst im Wesentlichen auf der Gitterstruktur des Stabilisierungselements auf, wobei das Wachstum sowohl in vertikaler als auch in lateraler Richtung erfolgt, so dass sich die Gitteröffnungen schließen. Das hoch poröse Halbleitermaterial des ersten Bereichs lagert sich während dem Aufwachsvorgang oder während eines Temperschritts zu einer großen Pore bzw. einer Kaverne unter der idealerweise monokristallinen Epitaxieschicht um, die dann als Membranschicht fungiert. In einer zweiten Verfahrensvariante wird das Halbleitermaterial des ersten Bereichs noch vor dem Erzeugen der Epitaxieschicht vollständig herausgelöst.
Da die an die Kaverne angrenzenden Membranschichten hier oftmals prozessbedingt aus demselben Material bestehen wie das Substrat, nämlich aus monokristallinem Silizium, erweist sich eine nachträgliche Strukturierung der Substratrückseite, beispielsweise zum Erzeugen einer Zugangsöffnung zur Kaverne, als problematisch. In diesem Fall sind besondere Maßnahmen zum Schutz der Membranstruktur erforderlich. - A -
Die US 2006/0260408 Al beschäftigt sich mit dieser Problematik. Hier wird zunächst vorgeschlagen, den von der Substratrückseite ausgehenden Ätzangriff so zeitlich zu begrenzen, dass zwar eine Zugangsöffnung zur Kaverne erzeugt wird, die darüber liegende Membranstruktur aber möglichst nicht angegriffen wird. Eine derartige zeitliche Begrenzung des rückseitigen Ätzangriffs erweist sich in der Praxis als kritisch, da die Dicke der Membranstruktur und die Ausdehnung der Kaverne gering sind im Vergleich zur Substratdicke. Hinzu kommt, dass die Dicke der Membranstruktur im Bereich der Dickenschwankungen liegt, mit denen die üblicherweise als Substratmaterial verwendeten Wafer gefertigt werden. Insgesamt ist die zeitliche Begrenzung des rückseitigen Ätzangriffs deshalb zu sensibel für eine Massenproduktion.
Des Weiteren wird in der US 2006/0260408 Al vorgeschlagen, auf der Innenwandung der Kaverne eine Oxidschicht als Ätzstoppschicht für den rückseitigen Ätzangriff zu erzeugen. Dazu wird zunächst eine Öffnung in der Membranschicht erzeugt, über die Sauerstoff für eine thermische Oxidation in die Kaverne geleitet wird. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig, nicht zuletzt weil die Membranschicht in der Regel wieder verschlossen wird.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung werden einfache Maßnahmen vorgeschlagen, die eine nachträgliche Rückseitenprozessierung von Bauteilen mit einer Membranstruktur in der Bauteiloberfläche ermöglichen, um Zugangsöffnungen zu der Kaverne unterhalb der Membran zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird über der ersten Membranschicht zumindest im Bereich der zu erzeugenden Zugangsöffnung eine Ätzstoppschicht aufgebracht, durch die der anisotrope Ätzschritt zum Erzeugen der Zugangsöffnung begrenzt wird.
Der Ätzstoppschicht, die erfindungsgemäß nachträglich auf der ursprünglichen Membranstruktur angeordnet wird, kommen mindestens zwei Funktionen zu: Zunächst soll sie den von der Bauteilrückseite ausgehenden Ätzangriff begrenzen. Sie dient aber auch zur Aufrechterhaltung der Membranfunktion, da bei diesem Ätzangriff nicht nur das Substrat sondern auch die ursprüngliche Membranstruktur angegriffen wird. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Ätzstoppschicht für die nachträgliche Strukturierung der Bauteilrückseite nicht notwendigerweise innerhalb der ursprünglichen Membranstruktur ausgebildet sein muss. Ein geeigneter Ätzstopp kann auch nachträglich auf der Bauteiloberfläche angeordnet werden, wo er wesentlich einfacher und kostengünstiger realisiert werden kann. Im einfachsten Fall kann sogar eine bereits vorhandene oder zur Realisierung einer Auswerteschaltung notwendige Schicht als Ätzstoppschicht genutzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, dass die Membranstruktur von der Bauteiloberfläche ausgehend im Substratmaterial erzeugt wird. Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, die voranstehend beschriebene APSM-Technologie zum Erzeugen der Membranstruktur anzuwenden.
Demnach wird in einer Verfahrensvariante zunächst ein erster poröser Schichtbereich in einem Substrat erzeugt. Dann wird unter dem ersten porösen Schichtbereich ein zweiter poröser Schichtbereich im Substrat erzeugt, wobei die Porosität des zweiten Schichtbereichs größer ist als die Porosität des ersten Schichtbereichs. In einem nachfolgenden Temperschritt wird der zweite Schichtbereich in einen Hohlraum bzw. eine Kaverne umgewandelt. Bei diesem Temperschritt verschließen sich die Poren des ersten Schichtbereichs zumindest weitgehend, so dass dieser erste Schichtbereich eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein poröser Schichtbereich im Substrat erzeugt, über dem dann eine Epitaxieschicht aus dem Substratmaterial abgeschieden wird. In einem anschließenden Temperschritt wird der poröse Schichtbereich in eine Kaverne umgewandelt, so dass die Epitaxieschicht eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet.
In einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante wird ein erster Schichtbereich mit einer ersten Dotierung in einem Halbleitersubstrat erzeugt. Über diesem ersten Schichtbereich wird ein vorzugsweise gitterförmiger Stabilisierungsbereich mit mindestens einer Öffnung erzeugt, wobei sich die Dotierung des Stabilisierungsbereichs von der des ersten Schichtbereichs unterscheidet. Der erste Schichtbereich wird dann porös geätzt, bevor über dem Stabilisierungsbereich eine Epitaxieschicht erzeugt wird. Durch eine Temperaturbehandlung wird der poröse erste Schichtbereich schließlich in eine Kaverne umgewandelt, so dass die Epitaxieschicht eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet. Diese Verfahrensvariante kann dahingehend modifiziert werden, dass das Halbleitermaterial des ersten Schichtbereichs nicht nur porös geätzt wird, sondern bereits vor dem Erzeugen der Epitaxieschicht herausgelöst wird, so dass eine Kaverne unter dem Stabilisierungsbereich entsteht. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen - nämlich die Verwendung einer nachträglich auf die Membranoberseite aufgebrachten Ätzstoppschicht zur Begrenzung des rücksseitigen Ätzangriffs, durch den ein Rückseitendruckzugang geschaffen wird - ermöglichen die Herstellung von Sensorelementen zur Relativdruckmessung in APSM-Technologie mit sämtlichen Vorteilen, die der Einsatz dieser Technologie mit sich bringt. So lassen sich in APSM-Technologie Sensorelemente mit beliebiger Membrangeometrie bei sehr geringer Chipgröße und sehr genauen Herstellungstoleranzen realisieren. Das Herstellungsverfahren ist zudem CMOS-kompatibel, d.h. es besteht die Möglichkeit der monolithischen Integration von Schaltungselementen einer Auswerteschaltung auf dem Sensorelement. Der Einsatz der APSM-Technologie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch im Hinblick auf die Herstellungskosten der Sensorelemente vorteilhaft, da ein kostengünstiges Ausgangsmaterial, nämlich ein Siliziumsubstrat, verwendet werden kann, das einfach mit Hilfe von üblichen, gut handhabbaren und kontrollierbaren Halbleiterverfahren prozessiert werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Kaverne erzeugt, die durch einen Hohlraum gebildet wird, an den sich eine unter der ersten Membranschicht verlaufende Stichleitung anschließt. In diesem Fall dient der Membranbereich über dem Hohlraum der Messwerterfassung. Die Zugangsöffnung wird dann im Bereich der Stichleitung angeordnet, um die mechanischen Eigenschaften der Membran im Bereich über dem Hohlraum so wenig wie möglich zu beeinträchtigen.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Strukturierung der Bauteilrückseite durch Trenchen erfolgt. Dadurch lassen sich auch bei größerer Substratdicke gezielt Zugangsöffnungen mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche erzeugen, was im Hinblick auf die zunehmende Miniaturisierung mikromechanischer Bauelemente vorteilhaft ist. Zugangsöffnungen mit geringer Querschnittsfläche sind aber auch im Hinblick auf die Funktion der Membranstruktur von Vorteil. Da das erfindungsgemäße Verfahren in Kauf nimmt, dass bei der Strukturierung der Bauteilrückseite auch die ursprüngliche Membranstruktur durchgeätzt wird, wird die Funktion der Membran nur solange nicht nennenswert beeinflusst, solange das Verhältnis der lateralen Membranausdehnung zum Querschnitt der Zugangsöffnung, d.h. zum Querschnitt des abgedünnten Membranbereichs, groß ist und sichergestellt ist, dass bei Vorliegen einer Druckdifferenz eine ausreichende lineare Durchbiegung der gesamten Membran vorliegt.
Da das Biegeverhalten der Membran wesentlich durch die mechanischen Eigenschaften der Membranschichten und insbesondere auch der Ätzstoppschicht bestimmt wird, werden in einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die mechanischen Eigenschaften der Ätzstoppschicht und ggf- weiterer Schichten im Membranbereich so gewählt, dass eine lokale Schwächung der Membran im Bereich über der Zugangsöffnung ausgeglichen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung dreier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen. Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Bauteil, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt worden ist,
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein zweites Bauteil, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt worden ist, und
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Relativdruckmessung .
Ausführungsformen der Erfindung
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Bauteil 10 handelt es sich um ein mikromechanisches Bauteil, das durch Prozessierung eines Substrats 1, wie beispielsweise eines Siliziumwafers, hergestellt worden ist. In der Bauteiloberfläche ist eine Membran 11 ausgebildet, die eine Kaverne 12 im Substrat 1 überspannt. Die Kaverne 12 ist über eine Zugangsöffnung 13 an die Bauteilrückseite angeschlossen, so dass das Bauteil 10 zur Relativdruckerfassung eingesetzt werden kann.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Kaverne 12 von der Bauteiloberfläche ausgehend in APSM-Technologie erzeugt. Dabei hat sich über der Kaverne 12 eine erste Membranschicht 111 aus Substratmaterial gebildet.
Die Zugangsöffnung 13 wurde nachträglich im Rahmen einer Rückseitenstrukturierung erzeugt. Dazu wurde zunächst eine Maskierschicht 2 auf die Rückseite des Substrats 1 aufgebracht. Durch Strukturierung der Maskierschicht 2 wurden dann die Lage, die Form und die Größe, genauer die Querschnittsfläche, der Zugangsöffnung 13 definiert. Als Maskierschicht 2 kann beispielsweise eine geeignete Fotolackschicht oder auch eine sogenannte „Hardmask", z.B. aus Si-Oxid, verwendet werden. Außerdem wurde im hier dargestellten Ausführungsbeispiel die gesamte Bauteiloberfläche mit einer Ätzstoppschicht 3 versehen. Dabei kann es sich um eine speziell für diesen Zweck optimierte Schicht handeln, deren Erzeugung in den bestehenden Herstellungsprozess integriert wird, oder auch um eine Schicht, die für die Herstellung einer Auswerteschaltung benötigt wird, wie z.B. eine Feldoxidschicht. Die Zugangsöffnung 13 wurde dann in einem von der maskierten Bauteilrückseite ausgehenden, anisotropen Ätzangriff erzeugt. Dementsprechend ist die Querschnittsfläche der Zugangsöffnung 13 über der gesamten Tiefe der Zugangsöffnung 13 im wesentlichen gleich groß. Da der Ätzangriff durch die Ätzstoppschicht 3 auf der Bauteiloberfläche begrenzt wurde, erstreckt sich die Zugangsöffnung 13 durch das gesamte Substrat 1 und auch durch die Membranschicht 111 bis zur Ätzstoppschicht 3. Handelt es sich bei dem Substrat 1 um ein Siliziumsubstrat, so kann die Zugangsöffnung in vorteilhafter Weise in einem Trenchprozess unter Verwendung von SF6 erzeugt werden .
Der Schichtaufbau der Membran 11 des Bauteils 10 umfasst also neben der Membranschicht 111 auch die Ätzstoppschicht 3. Um die erfassten Druckschwankungen zuverlässig auswerten zu können, sollte der anliegende Differenzdruck eine möglichst lineare Durchbiegung der Membran 11 bewirken. Solange das Verhältnis von lateraler Membranausdehnung zum Querschnitt der Zugangsöffnung 13 und damit des abgedünnten Bereichs der Membran 11 groß ist, wird die Sensorfunktion des Bauteils 10 durch den abgedünnten Bereich der Membran 11 nur unwesentlich beeinträchtigt. Bei abnehmender Membrangröße nimmt jedoch der Einfluss eines abgedünnten Bereichs auf die mechanischen Eigenschaften der Membran zu.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung, die schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, werden deshalb die mechanischen Eigenschaften der Ätzstoppschicht 3 und ggf. weiterer Schichten 4 im Membranbereich so gewählt, dass die
Ätzstoppschicht 3 und ggf. die weiteren Schichten 4 ein Abdünnen der die Kaverne 12 begrenzenden Membranschicht 111 beim Erzeugen von Zugangsöffnungen 13 ausgleichen.
Da das in Fig. 2 dargestellte Bauteil 20 sowohl in seiner Funktion als auch in seinem Aufbau im Wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Bauteil 10 entspricht, sind gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zum Bauteil 10 detailliert erörtert.
Die Kaverne 12 des Bauteils 20 und eine diese Kaverne 12 überspannende erste Membranschicht 111 wurden, wie im Fall des Bauteils 10, in einem APSM-Verfahren von der Substratoberfläche ausgehend im Substrat 1 erzeugt. Die Rückseite des fertig prozessierten APSM-Substrats 1 wurde dann, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, zum Erzeugen von zwei Zugangsöffnungen 13 maskiert. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Variante wurde im Fall der Fig. 2 die Membranschicht 111 lediglich in den Bereichen über den zu erzeugenden Zugangsöffnungen 13 mit einer Ätzstoppschicht 3 versehen. In diesen Membranbereichen wird beim Ätzen der Zugangsöffnungen 13 auch das Material der ersten Membranschicht 111 entfernt. Um hier die mechanische Steifigkeit der übrigen Membran 11 zu erreichen, wurde über den Ätzstoppschichtbereichen 3 eine weitere Schicht 4 erzeugt. Dabei kann es sich beispielsweise um Zwischendielektrika einer Metallisierung einer Auswerteschaltung handeln. Schließlich wurde die gesamte Bauteiloberfläche noch mit einer Passivierung 5 versehen.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Sensorelement 30 handelt es sich um einen piezoresistiven Relativdrucksensor mit integrierter Auswerteschaltung, dessen mikromechanische Struktur erfindungsgemäß erzeugt wurde. Auch hier wurde die Kaverne 32 in einem APSM-Verfahren im Siliziumsubstrat 1 des Sensorelements 30 erzeugt. Die dabei entstehende erste Membranschicht 311 wurde durch eine n-Epitaxieschicht auf dem Siliziumsubstrat 1 verstärkt. Auf die erste Membranschicht 311, d.h. auf die n-Epitaxieschicht wurde eine Kontaktebene 3 für Schaltungselemente der Auswerteschaltung aufgebracht. Diese Kontaktebene 3 fungierte im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens außerdem als Ätzstoppschicht 3 beim Ätzen des Rückseitendruckzugangs 33. Dementsprechend erstreckt sich der Rückseitendruckzugang 33 hier nicht nur durch das Substrat 1 bis in die Kaverne 32. Auch die erste Membranschicht 311 weist eine Ätzöffnung 331 im Bereich des Rückseitendruckzugangs 33 auf, die sich durch die n- Epitaxieschicht bis zur Kontaktebene bzw. Ätzstoppschicht 3 erstreckt. Die Auswerteschaltung des Sensorelements 30 umfasst Schaltungselemente, die in Form von dotierten Bereichen in der n-Epitaxieschicht und dem Substrat 1 realisiert sind. Diese Schaltungselemente sind in Fig. 3 nicht im einzelnen bezeichnet. Des Weiteren umfasst die Auswerteschaltung metallische Leiterbahnen bzw. Leitungsschichten 6, die durch ein Zwischendielektrikum 4 gegeneinander isoliert sind. Durch geeignete Anordnung und Strukturierung derartiger Schichten im Membranbereich kann die mechanische Steifigkeit der Membran 31 einfach lokal beeinflusst werden. Dies kann zum Ausgleich von Schwachstellen in der Membran 31 genutzt werden, die beim Erzeugen eines Rückseitendruckzugangs entstehen.
Abschließend sei noch angemerkt, dass das in Fig. 3 dargestellte Sensorelement 30 auch als Rückseitendrucksensor für den Einsatz in aggressiven Medien verwendet werden kann. In diesem Fall muss durch eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik ein entsprechendes Referenzvakuum auf der Substratvorderseite eingeschlossen werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10; 20) mit mindestens einer in der Bauteiloberfläche ausgebildeten
Membran (11), die eine Kaverne (12) überspannt, und mit mindestens einer von der Bauteilrückseite ausgehenden Zugangsöffnung (13) zu der Kaverne (12), wobei zumindest eine erste Membranschicht (111) und die Kaverne (12) von der Bauteiloberfläche ausgehend in einem monolithischen Halbleitersubstrat erzeugt werden und wobei die Zugangsöffnung (13) von der Substratrückseite ausgehend in einem anisotropen Ätzschritt erzeugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass über der ersten Membranschicht (111) zumindest im Bereich der zu erzeugenden Zugangsöffnung (13) mindestens eine Ätzstoppschicht (3) aufgebracht wird, durch die der anisotrope Ätzschritt zum Erzeugen der Zugangsöffnung (13) begrenzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitersubstrat (1) ein erster poröser Schichtbereich erzeugt wird, dass unter dem ersten porösen Schichtbereich ein zweiter poröser Schichtbereich erzeugt wird, wobei die Porosität des zweiten Schichtbereichs größer ist als die Porosität des ersten Schichtbereichs, und dass der zweite Schichtbereich in einem Temperschritt in eine Kaverne (12) umgewandelt wird, während die Poren des ersten Schichtbereichs zumindest weitgehend geschlossen werden, so dass dieser erste Schichtbereich eine erste Membranschicht (111) über der Kaverne (12) bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitersubstrat (1) ein poröser Schichtbereich erzeugt wird, dass über dem porösen Schichtbereich eine Epitaxieschicht aus dem Substratmaterial abgeschieden wird und dass der poröse Schichtbereich in einem Temperschritt in eine Kaverne (32) umgewandelt wird, so dass die Epitaxieschicht eine erste Membranschicht (311) über der Kaverne (32) bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitersubstrat ein erster Schichtbereich mit einer ersten Dotierung erzeugt wird, dass über diesem ersten Schichtbereich ein vorzugsweise gitterförmiger Stabilisierungsbereich mit mindestens einer Öffnung erzeugt wird, wobei sich die Dotierung des Stabilisierungsbereichs von der des ersten Schichtbereichs unterscheidet, dass der erste Schichtbereich porös geätzt wird, dass über dem Stabilisierungsbereich eine Epitaxieschicht erzeugt wird, und dass der poröse erste Schichtbereich durch eine Temperaturbehandlung in eine Kaverne umgewandelt wird, so dass die Epitaxieschicht eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitersubstrat ein erster Schichtbereich mit einer ersten Dotierung erzeugt wird, dass über diesem ersten Schichtbereich ein vorzugsweise gitterförmiger Stabilisierungsbereich mit mindestens einer Öffnung erzeugt wird, wobei sich die Dotierung des Stabilisierungsbereichs von der des ersten Schichtbereichs unterscheidet, dass das Halbleitermaterial des ersten Schichtbereichs herausgelöst wird, so dass eine Kaverne unter dem Stabilisierungsbereich entsteht, und dass über dem Stabilisierungsbereich eine Epitaxieschicht erzeugt wird, die eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugangsöffnung (13) durch Trenchen erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenschaften der Ätzstoppschicht (3) und ggf. weiterer Schichten (4) im
Membranbereich so gewählt werden, dass die Ätzstoppschicht
(3) und ggf. die weiteren Schichten (4) eine mechanische
Schwächung der Membran (11) beim Erzeugen der Zugangsöffnung ausgleichen .
8. Sensorelement (30) zur Relativdruckmessung mit mindestens einer in der Bauteiloberfläche ausgebildeten Membran (31), die einen Schichtaufbau aufweist und eine Kaverne (32) überspannt, und mit mindestens einer von der Bauteilrückseite ausgehenden Zugangsöffnung (33) zu der Kaverne (32), wobei die Kaverne (32) in einem monolithischen Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist und zumindest die die Kaverne (32) begrenzende erste Membranschicht (311) aus dem Substratmaterial gebildet ist, insbesondere hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Schichtaufbau der Membran (31) zumindest im Bereich über der Zugangsöffnung (33) eine Ätzstoppschicht (3) umfasst und dass die erste Membranschicht (311) im Bereich über der Zugangsöffnung (33) eine Ätzöffnung (331) aufweist, die von der Ätzstoppschicht (3) überdeckt wird.
9. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne durch einen Hohlraum gebildet wird, an den sich mindestens eine unter der ersten Membranschicht verlaufende Stichleitung anschließt und dass mindestens eine Zugangsöffnung im Bereich der Stichleitung angeordnet ist.
10. Sensorelement (30) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzstoppschicht (3) Bestandteil einer integrierten Schaltung ist.
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