WO2009059850A2 - Mikromechanisches bauelement, kurzprozess zur herstellung von mems-bauelementen - Google Patents

Mikromechanisches bauelement, kurzprozess zur herstellung von mems-bauelementen Download PDF

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WO2009059850A2
WO2009059850A2 PCT/EP2008/063151 EP2008063151W WO2009059850A2 WO 2009059850 A2 WO2009059850 A2 WO 2009059850A2 EP 2008063151 W EP2008063151 W EP 2008063151W WO 2009059850 A2 WO2009059850 A2 WO 2009059850A2
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trench structure
semiconductor material
trench
method step
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Volker Schmitz
Axel Grosse
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
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    • B81C1/00468—Releasing structures
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    • B81C2201/0176—Chemical vapour Deposition
    • B81C2201/0178—Oxidation

Definitions

  • the invention is based on a micromechanical component according to the preamble of claim 1.
  • micromechanical components are well known.
  • the document DE10348908A1 discloses a micromechanical component and a method for producing a micromechanical component which produces a functional plane of the component by applying different layers, for example oxide layers, silicon functional layers and printed conductors, to the surface of the carrier substrate.
  • a method for producing a micromechanical component, in particular a micromechanical membrane sensor is known from the publication DE102004036035A1, wherein a cavity is etched in a direction perpendicular to the main plane of extension below the carrier substrate surface, wherein an epitaxial layer applied as a functional layer above the carrier substrate surface in a direction perpendicular to the main extension plane becomes.
  • the micromechanical functional region is arranged above the carrier substrate in a direction perpendicular to the main extension plane. Disclosure of the invention
  • micromechanical component according to the invention and the method according to the invention for producing a micromechanical component according to the independent claims have the advantage that a significantly lower number of individual steps compared to the prior art is necessary for the production of the micromechanical component and therefore a significant cost reduction and material saving in the manufacture of the micromechanical component, in particular in the production of micromechanical sensors and actuators, is achieved.
  • the reduction of the required process steps takes place through the formation of the trench structure, in particular by known trench processes, for the arrangement of the movable and connected parts of the micromechanical component directly in the carrier substrate.
  • the trench structure essentially represents a negative form of the functional area of the micromechanical component in the carrier substrate and consequently the carrier substrate acts at least partially as a sacrificial layer during application of the first insulating layer and when filling at least one trench with the semiconductor material.
  • the micromechanical component has at least one trench of the trench structure which is filled with a semiconductor material and forms a connected or movable structure, wherein the functional region is arranged in a direction perpendicular to the main extension plane below the upper surface plane (before the trench structure is created).
  • the object of the insulating layer in particular an oxide or nitride layer, comprises both the electrical insulation and the spatial separation of the different material layers, as well as the protection of the covered material layer, in particular during etching and / or lithography processes.
  • the micromechanical component according to the invention can be combined with known capping technologies.
  • the semiconductor material and the partial region of the first insulating layer which adjoins the semiconductor material forms a movable structure.
  • the movable structure according to the invention is sensitive to an external force effect, in particular with respect to a mechanical, electrical or magnetic force effect, so that induction or detection of mechanical deflections of the movable structure by the micromechanical component is advantageously made possible.
  • an undercut area is provided below the semiconductor material in a direction perpendicular to the main extension plane, so that the movable structure is also movable in a direction perpendicular to the main extension plane.
  • a bridge and / or a conductor track is provided in a direction perpendicular to the main extension plane above the semiconductor material, so that an electrically conductive connection is made possible over the movable structure.
  • the bridge and / or the conductor track made of metal, silicon or polysilicon is provided.
  • a contact of the semiconductor material with the conductor track is provided in a direction perpendicular to the main extension plane above the semiconductor material.
  • a further subject of the present invention is a method for producing a micromechanical component, wherein in a first method step the carrier substrate is provided with the trench structure parallel to the main extension plane of the carrier substrate, wherein in a second method step the first insulating layer is formed on the surface of the trench structure, wherein the insulating layer in particular also covers the trench bottoms and the trench walls, and wherein in a third method step at least one trench of the trench structure, preferably by an epitaxial process, is filled with the semiconductor material.
  • Such a method according to the invention advantageously makes it possible to produce active micromechanical structures without the application of sacrificial layers requiring additional process steps.
  • a second insulation layer in particular for forming contact accesses and / or etch accesses, is formed following the third method step in a fourth method step, wherein in a fifth Anlagensschhtt a metal layer, in particular for the formation of contact pads, contacts, bridges and / or conductors, is applied and wherein in a sixth method step, an etching of the carrier substrate of the trench structure, in particular for forming the movable structures and / or the undercut areas the etch access is performed, so that movable structures are formed, which are movable in a direction parallel to the main extension plane of the support substrate and / or vertical direction.
  • the third method step is followed by a seventh method step, wherein the second insulation layer, in particular a thermal oxide and in particular for forming the sacrificial layer access, is formed, the sacrificial layer being applied in an eighth method step, wherein in a ninth method step the second insulation layer , in particular for the formation of the contact access and / or the ⁇ tzzu réelle, is further structured, wherein the fifth step (applying the metal layer) is carried out and wherein in a tenth step, the etching of the support substrate of the trench structure and / or the sacrificial layer, in particular for forming the movable Structures, the undercut areas and / or the bridges through the ⁇ tzzu réelle performed.
  • the bridge formed allow an electrically conductive connection in a direction perpendicular to the main plane of extension above the movable structures without restricting their mobility.
  • the following process steps are additionally provided temporally after the third process step, wherein in a first process step, a third insulation layer, preferably an insulating layer of a thermal oxide, particularly preferably with a layer thickness greater than the layer thickness of the first insulating layer, is formed
  • the third insulating layer is patterned by a lithography process, wherein in a third process substep, the etching for opening the ⁇ tzzu réelle for etching the carrier substrate is performed, wherein in a fourth process substep another lithography process for structuring the third insulating layer is performed and wherein in a fifth process substep, the etching is carried out to open the contact access becomes. Due to the additional lithography method, it is possible, in particular, that small projections of the insulation layers on the filled trench structures, which arise as a result of an adjustment offset, are avoided.
  • the third method step comprises a further process in which semiconductor material protruding from the trench is removed, preferably by a chemical-mechanical polishing method, wherein in particular the first insulation layer acts as an etch stop.
  • the third method step at least one of the trenches of the trench structure is filled with the semiconductor material by a chemical vapor deposition method, whereby in particular the formation of cavities in the semiconductor material is prevented.
  • the fifth method step for applying the metal layer the method steps of applying a first metal, in particular for forming the conductor tracks, and the application of a second metal, in particular for forming the contact pads and / or bridges, whereby a space-saving arrangement of Tracks is possible.
  • Figures 1 a to 1f show a schematic representation of the manufacturing steps for producing a micromechanical device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a possible sensor structure according to a first embodiment of the present invention.
  • Figures 3a to 3f show a schematic representation of the manufacturing steps for producing a micromechanical device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a possible sensor structure according to a further embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 a to 1 f show a first precursor structure comprising a carrier substrate 1, wherein the carrier substrate 1 has a trench structure 2 parallel to the main extension plane 1 ', wherein preferably the trench structure 2 has a plurality of trenches 10 and intermediate webs, and wherein the trench structure 2 an upper surface 5 parallel to the main extension direction 1 'and extending substantially through the upper edge 5' of the carrier substrate 1 of the trench structure 2.
  • FIG. 1 b shows a second precursor structure for illustrating the second method step, wherein a first insulation layer 20 is formed on the surface of the trench structure 2, including the trench walls and the trench bottoms.
  • the following figure 1 c illustrates a third precursor structure to illustrate a third
  • Method step wherein at least one trench 10 of the trench structure 2 with a semiconductor material 30, preferably silicon, doped silicon or polysilicon, is filled.
  • the filling is carried out by an epitaxial process, and more preferably by a chemical vapor deposition process (CVD process), which in particular the formation of cavities 32 in the semiconductor material 30 is prevented.
  • a cavity 32 in the semiconductor material 30 is shown by way of example in FIG. 1 c.
  • the semiconductor material protruding from the trench 10 is removed by a chemical-mechanical polishing method (CMP), in which case the first insulation layer 20 acts as an etch stop.
  • CMP chemical-mechanical polishing method
  • a second insulation layer 22 is deposited and patterned, in particular to form contact accesses 52 and / or for the formation of etch accesses 50, to form a fourth precursor structure.
  • the contact accesses 52 formed allow a later contacting of the semiconductor material 30 in one of the following method steps, while the formed ⁇ tzzu Vietnamese 50 allows a subsequent etching of the carrier substrate 1 in one of the following method steps.
  • the object of the insulating layers 20, 22, preferably oxide or nitride layers, comprises both the electrical insulation and the spatial separation of the semiconductor material 30 and the carrier substrate 1, as well as the protection of the semiconductor material 30 and the carrier substrate 1, in particular in etching and / or lithography processes. In FIG.
  • a fifth precursor structure is used to show a fifth method step for applying a metal layer 40, preferably a metal layer having a layer thickness of less than 2 ⁇ m, which in particular forms contacts 43 for contacting the semiconductor material 30 and / or the formation of contact pads 42 for contacting the micromechanical device, in particular by bonding wires, the formation of bridges 44 and / or the formation of conductors 46 has the task.
  • FIG. 1 f shows the sixth method step based on an exemplary structure of a micromechanical component according to the invention, wherein an etching of the carrier substrate 1 by the
  • ⁇ tzzu Vietnamese 50 is performed.
  • the etching produces movable structures 100 and undercut regions 200, which allow movement of the movable structures 100 in a direction parallel and / or perpendicular to the main extension plane 1 '.
  • the etching is preferably carried out with silicon etching media, in particular with XeF 2 or CIF 3 .
  • FIG. 2 schematically shows, by way of example, a micromechanical component according to the invention, in particular as an acceleration sensor, which comprises undercut movable structures 100 surrounded by structures 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 14.
  • the tethered structures 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 14 include polysilicon-filled trenches 10 of the trench structure 2, which are not undercut and partially interconnected via the second insulating layer 22.
  • tethered structures have contacts with the aid of bridges 44, which lead to conductor tracks of polysilicon.
  • the structure serves as
  • FIG. 3a shows the third precursor structure according to FIG. 1 c.
  • a sixth precursor structure is shown in FIG. 3b, wherein a second insulation layer 22 is deposited and patterned so that sacrificial layer accesses 51 are formed.
  • FIG. 3c shows an eighth process step based on a seventh precursor structure, in which the deposition of a sacrificial layer 4 through the
  • Sacrificial layer access 51 is performed on the carrier substrate 1, wherein the sacrificial layer 4 is preferably made of silicon and more preferably made of polysilicon.
  • An eighth precursor structure illustrated in FIG. 3d represents a ninth method step for structuring the second insulation layer 22, wherein contact accesses 52 and etch accesses 50 are produced by a lithography method.
  • the fifth method step (application of a metal layer) is illustrated with reference to the ninth precursor structure in FIG. 3e, wherein in the region of the sacrificial layer 4 the metal layer 40 has a spacing to the carrier substrate 1 and to the second insulation layer 22.
  • a tenth method step is provided on the basis of an exemplary structure of a micromechanical component according to the invention, wherein an etching process is provided in which an etchant passes through the etch access 50 to the carrier substrate 1 and to the sacrificial layer 4.
  • an etching process is provided in which an etchant passes through the etch access 50 to the carrier substrate 1 and to the sacrificial layer 4.
  • FIG. 4 shows an exemplary micromechanical component according to the invention in accordance with a further embodiment, in particular as one
  • Accelerometer shown schematically.
  • the device has tethered structures 1 14 surrounded by undercut movable structures 100.
  • the connected structures 1 14 include trenches 10 of the trench structure 2, wherein the trenches 10 are filled with a semiconductor material 30, in particular polysilicon, and have no undercut regions 200.
  • the component further has conductor tracks 1 10, 11, 12, which are connected by bridges 44, in particular made of polysilicon, to the movable structures 110 or the connected structures 14.
  • the structure serves as an acceleration sensor and can measure mechanical deflections of the movable structures 100, which are caused by acceleration forces, by detecting an electrical capacitance change between the moving 100 and the connected structure.

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  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Es wird ein mikromechanisches Bauelement mit einem Funktionsbereich und einem Trägersubstrat vorgeschlagen, wobei das Trägersubstrat eine Grabenstruktur parallel zur Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats aufweist, wobei die Oberfläche der Grabenstruktur eine Überdeckung durch eine erste Isolationsschicht aufweist und wobei die Grabenstruktur eine obere Oberflächenebene parallel zur Haupterstreckungsebene und verlaufend durch eine Oberkante des Trägersubstrats der Grabenstruktur aufweist und wobei ferner wenigstens ein Graben der Grabenstruktur mit einem Halbleitermaterial gefüllt ist, wobei der Funktionsbereich in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung unterhalb der oberen Oberflächenebene des Trägersubstrats angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanisches Bauelement, Kurzprozess zur Herstellung von MEMS-Bauelementen
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
Solche mikromechanischen Bauelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE10348908A1 ein mikromechanisches Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils bekannt, welches eine Funktionsebene des Bauteils durch ein Aufbringen verschiedener Lagen, beispielsweise Oxidschichten, Siliziumfunktionsschichten und Leiterbahnen, auf die Oberfläche des Trägersubstrats erzeugt. Ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils, insbesondere eines mikromechanischen Membransensors, ist aus der Druckschrift DE102004036035A1 bekannt, wobei eine Kaverne in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung unterhalb der Trägersubstratoberfläche geätzt wird, wobei in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung oberhalb der Trägersubstratoberfläche eine Epitaxieschicht als Funktionsschicht aufgebracht wird. Der mikromechanische Funktionsbereich ist in beiden Fällen in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung oberhalb des Trägersubstrats angeordnet. Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben den Vorteil, dass eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich geringere Anzahl von Einzelschritten zur Herstellung des mikromechanischen Bauteils nötig ist und daher eine erhebliche Kosten red uktion und Materialeinsparung bei der Herstellung des mikromechanischen Bauelements, insbesondere bei der Herstellung von mikromechanischen Sensoren und Aktoren, erreicht wird. Die Verringerung der benötigten Prozessschritte erfolgt durch die Bildung der Grabenstruktur, insbesondere durch bekannte Trench-Prozesse, zur Anordnung der beweglichen und angebundenen Teile des mikromechanischen Bauelements direkt im Trägersubstrat. Die Grabenstruktur stellt im wesentlichen eine Negativform des Funktionsbereichs des mikromechanischen Bauelements im Trägersubstrat dar und folglich fungiert das Trägersubstrat zumindest teilweise als Opferschicht beim Aufbringen der ersten Isolationsschicht und beim Befüllen wenigstens eines Grabens mit dem Halbleitermaterial. Ein aufwändiges und mit vielen Prozesseinzelschritten verbundenes Aufbringen mehrerer Opferschichten zur Bildung eines Funktionsbereichs oberhalb des Trägersubstrats entfällt. Das mikromechanische Bauelement weist wenigstens einen Graben der Grabenstruktur auf, der mit einem Halbleitermaterial gefüllt ist und eine angebundene oder bewegliche Struktur bildet, wobei der Funktionsbereich in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung unterhalb der oberen Oberflächenebene (vor Erzeugung der Grabenstruktur) angeordnet ist.
Die Aufgabe der Isolationsschicht, insbesondere eine Oxid- oder Nitridschicht, umfasst sowohl die elektrische Isolation und die räumliche Trennung der unterschiedlichen Materialschichten, als auch den Schutz der bedeckten Materialschicht, insbesondere bei Ätz- und/oder Lithographievorgängen. Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement ist mit bekannten Verkappungstechnologien kombinierbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung bildet das Halbleitermaterial und der am Halbleitermaterial anliegende Teilbereich der ersten Isolationsschicht eine bewegliche Struktur. Die erfindungsgemäße bewegliche Struktur ist sensitiv bezüglich einer äußeren Kraftwirkung, insbesondere bezüglich einer mechanischen, elektrischen oder magnetischen Kraftwirkung, so dass eine Induktion oder eine Detektion von mechanischen Auslenkungen der beweglichen Struktur durch das mikromechanische Bauelement vorteilhaft ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung unterhalb des Halbleitermaterials ein unterätzter Bereich vorgesehen, so dass die bewegliche Struktur auch in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung beweglich ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung oberhalb des Halbleitermaterials eine Brücke und/oder eine Leiterbahn vorgesehen, so dass eine elektrisch leitende Verbindung über die bewegliche Struktur hinweg ermöglicht wird. Vorzugsweise ist die Brücke und/oder die Leiterbahn aus Metall, Silizium oder Polysilizium vorgesehen. Besonders bevorzugt ist ein Kontakt des Halbleitermaterials mit der Leiterbahn in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung oberhalb des Halbleitermaterials vorgesehen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Trägersubstrat mit der Graben struktur parallel zur Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats versehen wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die erste Isolationsschicht auf der Oberfläche der Grabenstruktur gebildet wird, wobei die Isolationsschicht insbesondere auch die Grabenböden und die Grabenwände bedeckt und wobei in einem dritten Verfahrensschritt wenigstens ein Graben der Grabenstruktur, vorzugsweise durch ein Epitaxieverfahren, mit dem Halbleitermaterial befüllt wird. Durch ein solches erfindungsgemäßes Verfahren ist es vorteilhaft möglich, dass aktive mikromechanische Strukturen ohne die Aufbringung von zusätzliche Prozessschritte erfordernder Opferschichten erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird im Anschluss an den dritten Verfahrensschritt in einem vierten Verfahrensschritt eine zweite Isolationsschicht, insbesondere zur Bildung von Kontaktzugängen und/oder Ätzzugängen, gebildet, wobei in einem fünften Verfahrensschhtt eine Metallschicht, insbesondere zur Bildung von Kontaktpads, Kontakten, Brücken und/oder Leiterbahnen, aufgebracht wird und wobei in einem sechsten Verfahrensschritt eine Ätzung des Trägersubstrats der Grabenstruktur, insbesondere zur Bildung der beweglichen Strukturen und/oder der unterätzten Bereiche durch die Ätzzugänge hindurch, durchgeführt wird, so dass bewegliche Strukturen entstehen, die in einer zur Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats parallelen und/oder senkrechten Richtung beweglich sind.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung folgt auf den dritten Verfahrensschritt ein siebter Verfahrensschritt, wobei die zweite Isolationsschicht, insbesondere ein thermisches Oxid und insbesondere zur Bildung der Opferschichtzugänge, gebildet wird, wobei in einem achten Verfahrensschritt die Opferschicht aufgebracht wird, wobei in einem neunten Verfahrensschritt die zweite Isolationsschicht, insbesondere zur Bildung der Kontaktzugänge und/oder der Ätzzugänge, strukturiert wird, wobei ferner der fünfte Verfahrensschritt (Aufbringen der Metallschicht) durchgeführt wird und wobei in einem zehnten Verfahrensschritt die Ätzung des Trägersubstrats der Grabenstruktur und/oder der Opferschicht, insbesondere zur Bildung der beweglichen Strukturen, der unterätzten Bereiche und/oder der Brücken durch die Ätzzugänge, durchgeführt wird. Die gebildeten Brücke ermöglichen eine elektrisch leitfähige Verbindung in einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung oberhalb der beweglichen Strukturen ohne diese in ihrer Beweglichkeit einzuschränken.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung werden zeitlich nach dem dritten Verfahrensschritt die folgende Verfahrensteilschritte zusätzlich vorgesehen, wobei in einem ersten Verfahrensteilschritt eine dritte Isolationsschicht, bevorzugt eine Isolationsschicht aus einem thermischen Oxid, besonders bevorzugt mit einer Schichtdicke größer als die Schichtdicke der ersten Isolationsschicht, gebildet wird, wobei in einem zweiten Verfahrensteilschritt durch ein Lithographieverfahren die dritte Isolationsschicht strukturiert wird, wobei in einem dritten Verfahrensteilschritt die Ätzung zum Öffnen der Ätzzugänge zum Ätzen des Trägersubstrats durchgeführt wird, wobei in einem vierten Verfahrensteilschritt ein weiteres Lithographieverfahren zur Strukturierung der dritten Isolationsschicht durchgeführt wird und wobei in einem fünften Verfahrensteilschritt die Ätzung zum Öffnen der Kontaktzugänge durchgeführt wird. Durch die zusätzlichen Lithographieverfahren ist es insbesondere möglich, dass kleine Überstände der Isolationsschichten an den gefüllten Grabenstrukturen, die durch einen Justageversatz entstehen, vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst der dritte Verfahrensschritt einen weiteren Vorgang, bei dem aus dem Graben überstehendes Halbleitermaterial abgetragen wird, bevorzugt durch ein chemisch-mechanisches Polierverfahren, wobei insbesondere die erste Isolationsschicht als Ätzstop fungiert.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird im dritten Verfahrensschritt wenigstens einer der Gräben der Grabenstruktur durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren mit dem Halbleitermaterial befüllt, wodurch insbesondere die Bildung von Hohlräumen im Halbleitermaterial verhindert wird.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst der fünfte Verfahrensschritt zum Aufbringen der Metallschicht, die Verfahrensschritte des Aufbringens eines ersten Metalls, insbesondere zur Bildung der Leiterbahnen, und des Aufbringens eines zweiten Metalls, insbesondere zur Bildung der Kontaktpads und/oder der Brücken, wodurch eine raumsparendere Anordnung der Leiterbahnen ermöglicht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figuren 1 a bis 1f zeigen eine schematische Darstellung der Herstellungsschritte zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine mögliche Sensorstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figuren 3a bis 3f zeigen eine schematische Darstellung der Herstellungsschritte zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine mögliche Sensorstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichnen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal beschriftet.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements sind in Figuren 1 a bis 1f die Herstellungsschritte des mikromechanischen Bauelements anhand einer Mehrzahl von Vorläuferstrukturen des mikromechanischen Bauelements schematisch dargestellt. In Figur 1 a ist eine erste Vorläuferstruktur dargestellt, welche ein Trägersubstrat 1 umfasst, wobei das Trägersubstrat 1 eine Grabenstruktur 2 parallel zur Haupterstreckungsebene 1 ' aufweist, wobei vorzugsweise die Grabenstruktur 2 eine Mehrzahl von Gräben 10 und dazwischenliegenden Stegen aufweist, und wobei die Grabenstruktur 2 eine obere Oberfläche 5 parallel zur Haupterstreckungsrichtung 1 ' und im wesentlichen verlaufend durch die Oberkante 5' des Trägersubstrats 1 der Grabenstruktur 2 aufweist. In der Figur 1 b ist eine zweite Vorläuferstruktur zur Veranschaulichung des zweiten Verfahrensschritts dargestellt, wobei eine erste Isolationsschicht 20 auf der Oberfläche der Grabenstruktur 2, wozu auch die Grabenwände und die Grabenböden gehören, gebildet wird. Die nachfolgende Figur 1 c illustriert eine dritte Vorläuferstruktur zur Veranschaulichung eines dritten
Verfahrensschritts, wobei wenigstens ein Graben 10 der Grabenstruktur 2 mit einem Halbleitermaterial 30, vorzugsweise Silizium, dotiertem Silizium oder Polysilizium, befüllt wird. Bevorzugt erfolgt die Befüllung durch ein Epitaxieverfahren und besonders bevorzugt durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Prozess), wodurch insbesondere die Bildung von Hohlräumen 32 im Halbleitermaterial 30 verhindert wird. Ein Hohlraum 32 im Halbleitermaterial 30 ist beispielhaft in Figur 1 c dargestellt. Das aus dem Graben 10 überstehende Halbleitermaterial wird durch ein chemisch-mechanisches Polierverfahren (CMP), wobei insbesondere die erste Isolationsschicht 20 als Ätzstop fungiert, abgetragen. In einem vierten Verfahrensschritt, illustriert in Figur 1d, wird zur Bildung einer vierten Vorläuferstruktur eine zweite Isolationsschicht 22 abgeschieden und strukturiert, insbesondere zur Bildung von Kontaktzugängen 52 und/oder zur Bildung von Ätzzugängen 50. Die gebildeten Kontaktzugänge 52 ermöglichen eine spätere Kontaktierung des Halbleitermaterials 30 in einem der folgenden Verfahrensschritte, während die gebildeten Ätzzugänge 50 eine spätere Ätzung des Trägersubstrat 1 in einem der folgenden Verfahrensschritte ermöglicht. Die Aufgabe der Isolationsschichten 20, 22, vorzugsweise Oxid- oder Nitridschichten, umfasst sowohl die elektrische Isolation und die räumliche Trennung des Halbleitermaterials 30 und des Trägersubstrats 1 , als auch den Schutz des Halbleitermaterials 30 und des Trägersubstrats 1 , insbesondere bei Ätz- und/oder Lithographievorgängen. In Figur 1 e wird anhand einer fünften Vorläuferstruktur ein fünfter Verfahrensschritt zur Aufbringung einer Metallschicht 40 gezeigt, bevorzugt eine Metallschicht mit einer Schichtdicke von weniger als 2 μm, welche insbesondere die Bildung von Kontakten 43 zur Kontaktierung des Halbleitermaterials 30 und/oder die Bildung von Kontaktpads 42 zur Kontaktierung des mikromechanischen Bauelements, insbesondere durch Bonddrähte, die Bildung von Brücken 44 und/oder die Bildung von Leiterbahnen 46 zur Aufgabe hat. In Figur 1 f ist anhand einer beispielhaften Struktur eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements der sechste Verfahrenschritt dargestellt, wobei eine Ätzung des Trägersubstrats 1 durch die
Ätzzugänge 50 durchgeführt wird. Durch die Ätzung entstehen bewegliche Strukturen 100 und unterätzte Bereiche 200, welche eine Bewegung der beweglichen Strukturen 100 in einer zur Haupterstreckungsebene 1 ' parallelen und/oder senkrechten Richtung erlauben. Vorzugsweise wird die Ätzung mit Silizium- Ätzmedien, insbesondere mit XeF2 oder CIF3, durchgeführt.
In Figur 2 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement, insbesondere als ein Beschleunigungssensor, schematisch dargestellt, welches unterätzte bewegliche Strukturen 100 umgeben von angebunden Strukturen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 14 aufweist. Die angebundenen Strukturen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 14 umfassen mit Polysilizium gefüllte Gräben 10 der Grabenstruktur 2, welche nicht unterätzt sind und teilweise über die zweite Isolationsschicht 22 miteinander verbunden sind. Des weiteren weisen angebundene Strukturen Kontaktierungen mit Hilfe von Brücken 44 auf, welche zu Leiterbahnen aus Polysilizium führen. Die Struktur dient als
Beschleunigungssensor und kann mechanische Auslenkungen der beweglichen Strukturen 100, welche aufgrund von Beschleunigungskräften erfolgen, durch Detektion einer elektrischen Kapazitätsänderung zwischen bewegter 100 und angebundener 1 1 1 , 1 12, 114 Struktur, messen.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform sind in Figur 3a bis 3f weitere Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements anhand einer Mehrzahl von Vorläuferstrukturen schematisch dargestellt. In Figur 3a ist die dritte Vorläuferstruktur gemäß der Figur 1 c dargestellt. Zur Veranschaulichung eines siebten Verfahrensschritts ist in Figur 3b eine sechste Vorläuferstruktur dargestellt, wobei eine zweite Isolationsschicht 22 abgeschieden und strukturiert wird, so dass Opferschichtzugänge 51 entstehen. In Figur 3c wird anhand einer siebten Vorläuferstruktur ein achter Verfahrensschritt dargestellt, in dem die Abscheidung einer Opferschicht 4 durch die
Opferschichtzugänge 51 auf dem Trägersubstrat 1 durchgeführt wird, wobei die Opferschicht 4 bevorzugt aus Silizium und besonders bevorzugt aus Polysilizium besteht. Eine achte Vorläuferstruktur illustriert in Figur 3d stellt einen neunten Verfahrensschritt zur Strukturierung der zweiten Isolationsschicht 22 dar, wobei durch ein Lithographieverfahren Kontaktzugänge 52 und Ätzzugänge 50 hergestellt werden. Der fünfte Verfahrensschritt (Aufbringen einer Metallschicht) ist anhand der neunten Vorläuferstruktur in Figur 3e dargestellt, wobei im Bereich der Opferschicht 4 die Metallschicht 40 zum Trägersubstrat 1 und zur zweiten Isolationsschicht 22 eine Beabstandung aufweist. In Figur 3f wird anhand einer beispielhaften Struktur eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform ein zehnter Verfahrensschritt dargestellt, wobei ein Ätzvorgang vorgesehen ist, bei dem ein Ätzmittel durch die Ätzzugänge 50 hindurch zum Trägersubstrat 1 und zu der Opferschicht 4 gelangt. Zur Bildung der beweglichen Strukturen 100, der unterätzten Bereiche 200 und der Brücken 48 wird das Trägersubstrat 1 und die Opferschicht 4 von dem Ätzmittel geätzt.
In Figur 4 ist ein beispielhaftes erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform, insbesondere als ein
Beschleunigungssensor, schematisch dargestellt. Das Bauelement weist angebundene Strukturen 1 14 auf, welche von unterätzten bewegliche Strukturen 100 umgeben sind. Die angebundenen Strukturen 1 14 umfassen Gräben 10 der Grabenstruktur 2, wobei die Gräben 10 mit einem Halbleitermaterial 30, insbesondere Polysilizium, gefüllt sind und keine unterätzten Bereiche 200 aufweisen. Das Bauelement weist ferner Leiterbahnen 1 10, 1 11 , 1 12 auf, welche durch Brücken 44, insbesondere aus Polysilizium, mit den beweglichen Strukturen 1 10 oder den angebundenen Strukturen 1 14 verbunden sind. Die Struktur dient als Beschleunigungssensor und kann mechanische Auslenkungen der beweglichen Strukturen 100, welche von Beschleunigungskräften hervorgerufen werden, durch Detektion einer elektrischen Kapazitätsänderung zwischen bewegter 100 und angebundener 1 14 Struktur, messen.

Claims

Patentansprüche
1 . Mikromechanisches Bauelement mit einem Funktionsbereich (3) und einem Trägersubstrat (1 ), wobei das Trägersubstrat (1 ) eine Grabenstruktur (2) parallel zur Haupterstreckungsebene (V) des Trägersubstrats (1 ) aufweist, wobei die Oberfläche der Grabenstruktur (2) eine Überdeckung durch eine erste
Isolationsschicht (20) aufweist und wobei die Grabenstruktur (2) eine obere Oberflächenebene (5) parallel zur Haupterstreckungsebene (V) und verlaufend durch eine Oberkante (5') des Trägersubstrats (1 ) der Grabenstruktur (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Graben (10) der Grabenstruktur (2) mit einem Halbleitermaterial (30) gefüllt ist, wobei der
Funktionsbereich (3) in einer zur Haupterstreckungsebene (V) senkrechten Richtung unterhalb der oberen Oberflächenebene des Trägersubstrats (1 ) angeordnet ist.
2. Mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (30) und ein Teilbereich der ersten Isolationsschicht (20), welcher am Halbleitermaterial (30) anliegt, eine bewegliche Struktur (100) bilden.
3. Mikromechanisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zur Haupterstreckungsebene (V) senkrechten Richtung unterhalb des Halbleitermaterials (30) ein unterätzter Bereich (200) vorgesehen ist.
4. Mikromechanisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zur Haupterstreckungsebene (V) senkrechten Richtung oberhalb des Halbleitermaterials (30) eine Brücke (44,48) vorgesehen ist.
5. Mikromechanisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontakt (43) zwischen einer Leiterbahn (46) und dem Hableitermaterial (30) vorgesehen ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt das Trägersubstrat (1 ) mit der Grabenstruktur (2) parallel zur Haupterstreckungsebene (11) des Trägersubstrats (1 ) versehen wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die erste Isolationsschicht (20) auf der Oberfläche der Grabenstruktur (2) gebildet wird und wobei in einem dritten
Verfahrensschritt wenigstens ein Graben (10) der Grabenstruktur (2) mit dem Halbleitermaterial (30) befüllt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden vierten Verfahrensschritt eine zweite Isolationsschicht (22), insbesondere zur Bildung von Kontaktzugängen (52) und/oder Ätzzugängen (50), gebildet wird, wobei in einem fünften Verfahrensschritt eine Metallschicht (40), insbesondere zur Bildung von Kontaktpads (42), Kontakten (43), Brücken (44) und/oder Leiterbahnen (46), aufgebracht wird, wobei in einem sechsten Verfahrensschritt eine Ätzung des Trägersubstrats (1 ) der Grabenstruktur (2), insbesondere zur Bildung beweglicher Strukturen (100) und/oder unterätzter Bereiche (200) durch die Ätzzugänge (50), durchgeführt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den dritten Verfahrensschritt ein siebter Verfahrensschritt folgt, wobei eine zweite
Isolationsschicht (22), insbesondere zur Bildung von Opferschichtzugängen (51 ), gebildet wird, wobei in einem achten Verfahrensschritt eine Opferschicht (4) aufgebracht wird, wobei einem neunten Verfahrensschritt die zweite Isolationsschicht (22), insbesondere zur Bildung von Kontaktzugängen (52) und/oder Ätzzugängen (50) strukturiert wird, wobei in einem fünften
Verfahrensschritt eine Metall Schicht (40), insbesondere zur Bildung von Kontaktpads (42), Kontakten (43), Brücken (44, 48) und/oder Leiterbahnen (46), aufgebracht wird, wobei in einem zehnten Verfahrensschritt eine Ätzung des Trägersubstrats (1 ) der Grabenstruktur (2) und/oder der Opferschicht (4), insbesondere zur Bildung beweglicher Strukturen (100), unterätzter Bereiche (200) und/oder Brücken (44, 48) durch die Ätzzugänge (50), durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem dritten Verfahrensschritt folgende Verfahrensteilschritte zusätzlich vorgesehen sind, wobei in einem ersten Verfahrensteilschritt eine dritte Isolationsschicht gebildet wird, wobei in einem zweiten Verfahrensteilschritt durch ein Lithographieverfahren die dritte Isolationsschicht strukturiert wird, wobei in einem dritten Verfahrensteilschritt eine Ätzung zum Öffnen von Ätzzugängen durchgeführt wird, wobei in einem vierten Verfahrensteilschritt ein weiteres
Lithographieverfahren zur Strukturierung der dritten Isolationsschicht durchgeführt wird, wobei in einem fünften Verfahrensteilschritt eine Ätzung zum Öffnen von Kontaktzugängen durchgeführt wird.
10.Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Verfahrensschritt einen weiteren Vorgang umfasst, bei dem aus dem Graben (10) überstehendes Halbleitermaterial (30) abgetragen wird.
1 1 . Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Gräben (10) der Grabenstruktur (2) mit dem
Halbleitermaterial (30) durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Prozess) befüllt wird.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt zum Aufbringen der Metallschicht (40), in einen ersten
Verfahrensteilschritt zum Aufbringen eines ersten Metalls, insbesondere zur Bildung der Leiterbahnen (46), und in einen zweiten Verfahrensteilschritt zum Aufbringen eines zweiten Metalls, insbesondere zur Bildung der Kontaktpads (42) und/oder der Brücken (44, 48), unterteilt wird.
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