WO2008089862A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils und sensorelement - Google Patents

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WO2008089862A1
WO2008089862A1 PCT/EP2007/062952 EP2007062952W WO2008089862A1 WO 2008089862 A1 WO2008089862 A1 WO 2008089862A1 EP 2007062952 W EP2007062952 W EP 2007062952W WO 2008089862 A1 WO2008089862 A1 WO 2008089862A1
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cavern
region
layer
membrane
access opening
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PCT/EP2007/062952
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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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    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00182—Arrangements of deformable or non-deformable structures, e.g. membrane and cavity for use in a transducer
    • G—PHYSICS
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    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
    • B81C2201/0111—Bulk micromachining
    • B81C2201/0115—Porous silicon

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 generated and wherein the access opening is generated starting from the substrate back side in a time-limited 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, resulting in relatively large recesses, which are co-determining the size of the sensor element.
  • a first porous layer region is produced in the substrate adjacent to the substrate surface with the aid of an etching medium which matures the unmasked surface regions of a monolithic silicon substrate.
  • 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, in which then simply electrical Circuit elements, such as resistors, can be integrated for signal acquisition and evaluation.
  • 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.
  • 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.
  • it is proposed to temporally limit the emanating from the substrate backside etching attack, in such a way that an access opening to the cavern is generated, but the membrane structure above it is not attacked as possible.
  • the thickness of the membrane structure is in the range of thickness variations with which the commonly used as a substrate material
  • 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.
  • the access opening is arranged in a region in which the substrate material reaches the first membrane layer.
  • the etching process for creating the access opening comprises at least one anisotropic etching step and at least one isotropic etching step.
  • anisotropic etching step an emanating from the substrate backside etching channel is generated, which ends below the first membrane layer in the vicinity of the cavern. At least the end region of this etching channel is then widened in the isotropic etching step until the etching channel is connected to the cavity.
  • the etch stop is realized in the generation of the rear access opening without additional ⁇ tzstopp harshen but simply by limiting the time of the etching process.
  • the duration of the etching process does not have to be set exactly to the thickness of the substrate in the area below the cavern, but that, by cleverly arranging the access opening in combination with a two-stage etching process, a production tolerance which considerably simplifies the production process results.
  • the access opening is arranged in a region in which the substrate material reaches the first membrane layer.
  • the etching channel which is generated in a first anisotropic etching step, thus does not open directly in the cavern, but ends below the first membrane layer in the vicinity of the cavern. That is, the duration of this anisotropic etching step need only be such that the end of the etching channel is in a range which corresponds approximately to the vertical dimension of the cavern. Only through the subsequent isotropic etching step is a connection established between the etching channel and the cavern. While the duration of this etch step must be tuned to the location and depth of the etch channel, it is not as critical as in the case of the anisotropic etch attack. The measures according to the invention make the production process more robust overall. Thus, the duration of the etching process, for example, regardless of thickness variations of Substrate are measured, as long as these variations in thickness in the usual frame move.
  • an access opening can be arranged in the outer edge region of the cavern in order to influence the mechanical properties of the membrane as little as possible.
  • the cavern is formed by a cavity, to which a below the first membrane layer extending stub for the rear pressure port connects.
  • the membrane area above the cavity is used for data acquisition.
  • the access opening 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.
  • the access opening is produced in the region of a support point of the membrane, which is formed within the cavern. The support supports and stabilizes the membrane during the manufacturing process.
  • 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 one Layer layer 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 tempering 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 special arrangement of the rear access opening in conjunction with a two-stage, temporary etching process for generating this access opening - 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 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.
  • 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 ,
  • FIGS. 1 to 4 show a schematic cross section through a sensor element at various stages of the production process.
  • the sensor element 10 shown in FIGS. 1 to 4 is a piezoresistive relative pressure sensor with an integrated evaluation circuit whose micromechanical structure comprises a membrane 11 which is formed in the component surface and spans a cavity 12 in a substrate 1. This may be, for example, a silicon wafer.
  • FIG. 1 shows the sensor element 10 after the cavern 12 has been produced in an APSM process from the component surface.
  • a support point 13 was also generated within the membrane region, at which the membrane 11 is still in communication with the bulk material of the substrate 1.
  • the mask was designed accordingly for the APSM process.
  • a first membrane layer of substrate material has formed over the cavern 12, which was reinforced by an n-epitaxial layer 2 on the silicon substrate 1.
  • a contact layer 3 was applied to the n-epitaxial layer 2.
  • the evaluation circuit comprises metallic conductor tracks or conductor layers 5 which are insulated from one another by an intermediate dielectric 4. Finally, the entire component surface was still provided with a passivation 6.
  • a masking layer 8 was applied to the rear side of the substrate 1 for a trench process starting from the substrate rear side.
  • the position, the shape and the size, more precisely the cross-sectional area, of the etching channel 15 to be produced were then defined such that it forms within the support point 13 taking into account all lateral tolerances.
  • a suitable photoresist layer or a so-called "hardmask”, for example of Si oxide, can be used as the masking layer 2.
  • FIG. 2 shows the sensor element 10 after the trench process, in which an etching channel 15 emanating from the component rear side has emerged, which extends into the region of the cavity 12 within the support point 13.
  • the depth of the etch channel 15 was determined by the duration of the trench process.
  • the region of the etching channel 15 designated by 50 in FIG. 2 represents the vertical tolerance range for the trenching depth Lower limit of the trench depth is approximately at the level of the cavern floor, the upper limit is approximately at the level of the cavern ceiling. An etch stop layer is not required thanks to this tolerance range 50.
  • the arrangement of the etching channel 15 in the region of the support point 13, the Trenchtoleranzen can be collected both in width and in depth.
  • the transformation process which forms the first anisotropic etching step of the method according to the invention, there is a constant switching between an isotropic etching attack and a sidewall passivation.
  • the passivation layer is etched through at the bottom, but remains on the wall, so that the etching channel 15 can be realized with a very high aspect ratio.
  • an isotropic etching step also starting from the backside of the component is carried out. For this purpose, for example, simply the last isotropic etching attack of the trench process can be extended.
  • Alternatives to this are, for example, an isotropic etching step with C1F3 or a wet etching step.
  • FIG. 3 shows an etching channel 15 whose end region 16 lies at the level of the cavern bottom, ie at the lower limit of the tolerance range 50
  • FIG. 4 shows an etching channel 15 whose end region 16 lies at the level of the cavern ceiling, ie at the upper limit of the cavern surface Tolerance range 50. Due to the lateral extension of the end region 16 of the etching channel 15, the support point 13 was opened towards the cavern.
  • the membrane 11 was free to move. Since the access opening 14 is a rearward Pressure connection to the membrane 11 forms, the sensor element 10 can be used for relative pressure detection. In addition, the sensor element 10 can also be used as a back pressure sensor for use in aggressive media. In this case, a suitable reference vacuum must be enclosed on the front side of the substrate by means of a suitable assembly and connection technique.
  • the access opening 14 in the context of the method according to the invention does not necessarily have to be arranged centrally in the region of a support point 13 of the membrane 11, but can also be arranged laterally, for example, in the region of a stub connected to the cavern.

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10) vorgeschlagen, mit mindestens einer in der Bauteiloberfläche ausgebildeten Membran (11), die eine Kaverne (12) überspannt, und mit mindestens einer von der Bauteilrückseite ausgehenden Zugangsöffnung (14) zu der Kaverne (12), wobei zumindest eine erste Membranschicht (2) und die Kaverne (12) von der Bauteiloberfläche ausgehend in einem monolithischen Halbleitersubstrat (1) erzeugt werden und wobei die Zugangsöffnung (14) von der Substratrückseite ausgehend in einem zeitlich begrenzten Ätzprozess erzeugt wird. Dazu wird die Zugangsöffnung (14) erfindungsgemäß in einem Bereich angeordnet, in dem das Substratmaterial an die erste Membranschicht (2) heranreicht. Außerdem umfasst der Ätzprozess zum Erzeugen der Zugangsöffnung (14) mindestens einen anisotropen Ätzschritt und mindestens einen isotropen Ätzschritt, wobei in dem anisotropen Ätzschritt ein von der Substratrückseite ausgehender Ätzkanal (15) erzeugt wird, der unterhalb der ersten Membranschicht (2) in der Umgebung der Kaverne (12) endet, und wobei zumindest der Endbereich (16) dieses Ätzkanals (15) in dem isotropen Ätzschritt aufgeweitet wird, bis der Ätzkanal (15) an die Kaverne angeschlossen ist.

Description

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 zeitlich begrenzten 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, wobei relativ große Ausnehmungen entstehen, 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 unmaskierten Oberflächenbereiche eines monolithischen Siliziumsubstrats angereift, 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 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 unter anderem vorgeschlagen, den von der Substratrückseite ausgehenden Ätzangriff zeitlich zu begrenzen, und zwar so, dass eine Zugangsöffnung zur Kaverne erzeugt wird, die darüber liegende Membranstruktur aber möglichst nicht angegriffen wird.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine derartige zeitliche Begrenzung des rückseitigen Ätzangriffs kritisch ist und deshalb nicht ohne weiteres für eine Massenproduktion geeignet ist. Ein Grund dafür ist, dass 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 sehr sensibel .
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 die Zugangsöffnung in einem Bereich angeordnet, in dem das Substratmaterial an die erste Membranschicht heranreicht. Der Ätzprozess zum Erzeugen der Zugangsöffnung umfasst mindestens einen anisotropen Ätzschritt und mindestens einen isotropen Ätzschritt. In dem anisotropen Ätzschritt wird ein von der Substratrückseite ausgehender Ätzkanal erzeugt, der unterhalb der ersten Membranschicht in der Umgebung der Kaverne endet. Zumindest der Endbereich dieses Ätzkanals wird dann in dem isotropen Ätzschritt aufgeweitet, bis der Ätzkanal an die Kaverne angeschlossen ist.
Im Rahmen des beanspruchten Verfahrens wird der Ätzstopp bei der Erzeugung der rückwärtigen Zugangsöffnung ohne zusätzliche Ätzstoppschichten sondern einfach durch zeitliche Begrenzung des Ätzprozesses realisiert. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass die Dauer des Ätzprozesses nicht exakt auf die Dicke des Substrats im Bereich unter der Kaverne eingestellt werden muss, sondern dass sich durch geschicktes Anordnen der Zugangsöffnung in Kombination mit einem zweistufigen Ätzprozess eine den Herstellungsprozess wesentlich vereinfachende Herstellungstoleranz ergibt. Erfindungsgemäß wird die Zugangsöffnung in einem Bereich angeordnet, in dem das Substratmaterial an die erste Membranschicht heranreicht. Der Ätzkanal, der in einem ersten anisotropen Ätzschritt erzeugt wird, mündet also nicht direkt in der Kaverne, sondern endet unterhalb der ersten Membranschicht in der Umgebung der Kaverne. D.h., die Dauer dieses anisotropen Ätzschritts muss lediglich so bemessen sein, dass das Ende des Ätzkanals in einem Bereich liegt, der in etwa der vertikalen Abmessung der Kaverne entspricht. Erst durch den anschließenden isotropen Ätzschritt wird eine Verbindung zwischen dem Ätzkanal und der Kaverne hergestellt. Die Dauer dieses Ätzschritts muss zwar auf die Lage und Tiefe des Ätzkanals abgestimmt werden, ist aber nicht so kritisch wie im Fall des anisotropen Ätzangriffs. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird das Herstellungsverfahren insgesamt robuster. So kann die Dauer des Ätzprozesses beispielsweise unabhängig von Dickenschwankungen des Substrats bemessen werden, solange sich diese Dickenschwankungen im üblichen Rahmen bewegen.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, was die Anordnung der Zugangsöffnungen betrifft. So kann eine Zugangsöffnung beispielsweise im äußeren Randbereich der Kaverne angeordnet werden, um die mechanischen Eigenschaften der Membran möglichst wenig zu beeinflussen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Kaverne durch einen Hohlraum gebildet, an den sich eine unter der ersten Membranschicht verlaufende Stichleitung für den rückwärtigen Druckanschluss anschließt. In diesem Fall dient der Membranbereich über dem Hohlraum zur 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. In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Zugangsöffnung im Bereich einer Stützstelle der Membran erzeugt, die innerhalb der Kaverne ausgebildet wird. Durch die Stützstelle wird die Membran während des Herstellungsprozesses unterstützt und stabilisiert .
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 erste 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 spezielle Anordnung der rückseitigen Zugangsöffnung in Verbindung mit einem zweistufigen, zeitlich begrenzten Ätzprozess zum Erzeugen dieser Zugangsöffnung - 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.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn im ersten Ätzschritt zur Strukturierung der Bauteilrückseite ein Trenchverfahren zum Einsatz kommt. 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. 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 eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen einen schematischen Querschnitt durch ein Sensorelement in verschiedenen Stadien des Herstellungsverfahrens .
Ausführungsform der Erfindung
Bei dem in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Sensorelement 10 handelt es sich um einen piezoresistiven Relativdrucksensor mit integrierter Auswerteschaltung, dessen mikromechanische Struktur eine Membran 11 umfasst, die in der Bauteiloberfläche ausgebildet ist und eine Kaverne 12 in einem Substrat 1 überspannt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Siliziumwafer handeln.
Fig. 1 zeigt das Sensorelement 10, nachdem die Kaverne 12 in einem APSM-Prozess von der Bauteiloberfläche ausgehend erzeugt worden ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde dabei auch eine Stützstelle 13 innerhalb des Membranbereichs erzeugt, an der die Membran 11 noch mit dem Bulkmaterial des Substrats 1 in Verbindung steht. Dazu wurde die Maske für den APSM-Prozess entsprechend ausgelegt. Durch geeignetes Layout und geeignete Dotierung eines n-Gitters 7 im Bereich der Kaverne 12 wurde der Bereich der Stützstelle 13 während der Anodisierung des APSM-Prozesses nicht porös geätzt. In diesem APSM-Prozess hat sich über der Kaverne 12 eine erste Membranschicht aus Substratmaterial gebildet, die durch eine n-Epitaxieschicht 2 auf dem Siliziumsubstrat 1 verstärkt wurde.
Nach dieser mikromechanischen Prozessierung des Substrats 1 erfolgte die Integration von Schaltungselementen, die in Form von dotierten Bereichen in der n-Epitaxieschicht 2 und dem Substrat 1 realisiert sind, in den Figuren aber nicht im einzelnen bezeichnet sind. Dann wurde eine Kontaktschicht 3 auf die n-Epitaxieschicht 2 aufgebracht. Des Weiteren umfasst die Auswerteschaltung metallische Leiterbahnen bzw. Leitungsschichten 5, die durch ein Zwischendielektrikum 4 gegeneinander isoliert sind. Schließlich wurde die gesamte Bauteiloberfläche noch mit einer Passivierung 6 versehen.
In einem nächsten Schritt wurde eine Maskierschicht 8 für einen von der Substratrückseite ausgehenden Trenchprozess auf die Rückseite des Substrats 1 aufgebracht. Durch Strukturierung der Maskierschicht 8 wurden dann die Lage, die Form und die Größe, genauer die Querschnittsfläche, des zu erzeugenden Ätzkanals 15 so definiert, dass er sich unter Berücksichtigung aller lateralen Toleranzen innerhalb der Stützstelle 13 ausbildet. Als Maskierschicht 2 kann beispielsweise eine geeignete Fotolackschicht oder auch eine sogenannte „Hardmask", z.B. aus Si-Oxid, verwendet werden.
Fig. 2 zeigt das Sensorelement 10 nach dem Trenchprozess, bei dem ein von der Bauteilrückseite ausgehender Ätzkanal 15 entstanden ist, der sich innerhalb der Stützstelle 13 bis in den Bereich der Kaverne 12 erstreckt. Die Tiefe des Ätzkanals 15 wurde durch die Dauer des Trenchprozesses bestimmt. Der in Fig. 2 mit 50 bezeichnete Bereich des Ätzkanals 15 stellt den vertikalen Toleranzbereich für die Trenchtiefe dar. Die Untergrenze der Trenchtiefe liegt etwa auf dem Niveau des Kavernenbodens, die Obergrenze liegt etwa auf dem Niveau der Kavernendecke. Eine Ätzstoppschicht ist dank dieses Toleranzbereichs 50 nicht erforderlich. Durch die Anordnung des Ätzkanals 15 im Bereich der Stützstelle 13 können die Trenchtoleranzen sowohl in der Breite als auch in der Tiefe aufgefangen werden.
Während des Trechprozesses, der den ersten anisotropen Ätzschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet, wird ständig zwischen einem isotropen Ätzangriff und einer Seitenwandpassivierung hin und her geschaltet. Dabei wird die Passivierschicht am Boden durchgeätzt, bleibt jedoch an der Wandung bestehen, so dass der Ätzkanal 15 mit einem sehr hohen Aspektverhältnis realisiert werden kann. Im Anschluss an den Trenchprozess wird ein ebenfalls von der Bauteilrückseite ausgehender isotroper Ätzschritt durchgeführt. Dazu kann beispielsweise einfach der letzte isotrope Ätzangriff des Trenchprozesses verlängert werden. Alternativen dazu sind beispielsweise ein isotroper Ätzschritt mit C1F3 oder ein Nassätzschritt . Bei dem isotropen Ätzschritt erweitert sich der Endbereich 16 des Ätzkanals 15 blasenartig. Dieser Ätzangriff wird so lange fortgesetzt, bis der Ätzkanal 15 mit seinem Endbereich 16 eine Zugangsöffnung 14 zur Kaverne 12 bildet, was in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt einen Ätzkanal 15, dessen Endbereich 16 auf dem Niveau des Kavernenbodens liegt, also an der Untergrenze des Toleranzbereichs 50, und Fig. 4 zeigt einen Ätzkanal 15, dessen Endbereich 16 auf dem Niveau der Kavernendecke liegt, also an der Obergrenze des Toleranzbereichs 50. Durch die laterale Erweiterung des Endbereichs 16 des Ätzkanals 15 wurde die Stützstelle 13 zur Kaverne hin geöffnet. Dadurch wurde die Membran 11 frei beweglich. Da die Zugangsöffnung 14 einen rückwärtigen Druckanschluss an die Membran 11 bildet, kann das Sensorelement 10 zur Relativdruckerfassung eingesetzt werden. Außerdem kann das Sensorelement 10 auch als Rückseitendrucksensor für den Einsatz in aggressiven Medien verwendet werden. In diesem Fall muss durch eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik ein entsprechendes Referenzvakuum auf der Substratvorderseite eingeschlossen werden .
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die Zugangsöffnung 14 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt mittig im Bereich einer Stützstelle 13 der Membran 11 angeordnet werden muss, sondern auch seitlich beispielsweise im Bereich einer mit der Kaverne verbundenen Stichleitung angeordnet werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10) mit mindestens einer in der Bauteiloberfläche ausgebildeten
Membran (11), die eine Kaverne (12) überspannt, und mit mindestens einer von der Bauteilrückseite ausgehenden Zugangsöffnung (14) zu der Kaverne (12), wobei zumindest eine erste Membranschicht (2) und die Kaverne (12) von der Bauteiloberfläche ausgehend in einem monolithischen Halbleitersubstrat (1) erzeugt werden und wobei die Zugangsöffnung (14) von der Bauteilrückseite ausgehend in einem zeitlich begrenzten Ätzprozess erzeugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zugangsöffnung (14) in einem Bereich angeordnet wird, in dem das Substratmaterial an die erste Membranschicht (2) heranreicht, und dass der Ätzprozess zum Erzeugen der Zugangsöffnung (14) mindestens einen anisotropen Ätzschritt und mindestens einen isotropen Ätzschritt umfasst, wobei in dem anisotropen Ätzschritt ein von der Substratrückseite ausgehender Ätzkanal (15) erzeugt wird, der unterhalb der ersten Membranschicht (2) in der Umgebung der Kaverne (12) endet, und wobei zumindest der Endbereich (16) dieses Ätzkanals (15) in dem isotropen Ätzschritt aufgeweitet wird, bis der Ätzkanal (15) an die Kaverne angeschlossen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugangsöffnung im äußeren Randbereich der Kaverne angeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne durch einen Hohlraum gebildet wird, an den sich eine unter der ersten Membranschicht verlaufende Stichleitung anschließt und dass die Zugangsöffnung im Bereich der Stichleitung erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugangsöffnung (14) im Bereich einer Stützstelle (13) der Membran (11) innerhalb der Kaverne (12) angeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitersubstrat 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 umgewandelt wird, während die Poren des ersten Schichtbereichs zumindest weitgehend geschlossen werden, so dass dieser erste Schichtbereich eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitersubstrat (1) ein poröser Schichtbereich erzeugt wird, dass über dem porösen Schichtbereich eine Epitaxieschicht (2) aus dem Substratmaterial abgeschieden wird und dass der poröse Schichtbereich in einem Temperschritt in eine Kaverne (12) umgewandelt wird, so dass die Epitaxieschicht (2) eine erste Membranschicht über der Kaverne (12) bildet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzkanal (15) durch Trenchen erzeugt wird.
10. Sensorelement (10) zur Relativdruckmessung mit mindestens einer in der Bauteiloberfläche ausgebildeten Membran (11), die einen Schichtaufbau aufweist und eine Kaverne (12) überspannt, und mit mindestens einer von der Bauteilrückseite ausgehenden Zugangsöffnung (14) zu der Kaverne (12), wobei die Kaverne (12) in einem monolithischen Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist und zumindest die die Kaverne (12) begrenzende erste Membranschicht (2) aus dem
Substratmaterial gebildet ist, insbesondere hergestellt durch ein Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Zugangsöffnung (14) im Bereich der Mündung in die Kaverne
(12) aufgeweitet ist.
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