WO2009127455A2 - Verfahren zur herstellung einer mikromechanischen membranstruktur mit feststehendem gegenelement - Google Patents

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    • B81C2201/0136—Controlling etch progression by doping limited material regions

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a micromechanical membrane structure with a fixed counter element, starting from a semiconductor substrate, namely a p-doped Si substrate.
  • a preferred application of the method according to the invention is the production of micromechanical microphones, as used for example in hearing aids or mobile telephones. Also for applications with acoustic interface, such. Notebooks or cameras, more and more micromechanical microphones are used.
  • Such microphones comprise a membrane-like structure, which is deflected by the sound pressure. The membrane deflections are usually detected capacitively by means of a fixed counter electrode and converted into an electrical signal.
  • DE 10 2004 036 032 A1 describes a surface micromechanical process for producing a membrane sensor.
  • Starting material for the known method is a p-doped Si substrate.
  • an n-type doping is produced in a lattice-shaped surface region of this substrate before the substrate material is porously etched in a region below the n-doped lattice structure.
  • a closed epitaxial layer is then deposited over the n-type lattice structure and the porous etched region on the substrate surface.
  • the porous silicon material is deposited so that in the originally porous Area below the n-doped lattice structure creates a cavern. In this way, a membrane is exposed, which is formed from the cavern spanning region of the n-doped lattice structure with the epitaxial layer deposited thereon.
  • the method according to the invention which starts from a p-doped Si substrate, comprises the following process steps:
  • n-doping at least one contiguous lattice-shaped
  • the exposed n-doped lattice structure forms a membrane structure and in the structured thick epitaxial layer at least one fixed counter-element is formed.
  • a processing of the substrate front side is sufficient to realize the desired three-dimensional, multi-layered component structure with a micromechanical membrane and a fixed counter element.
  • the inventive method is based on a clever combination of proven surface micromechanical process blocks, which were originally developed for different types of device structures. That is to say, each individual method step of the method according to the invention can be represented by a known surface-micromechanical process sequence which is well manageable, easily controllable and therefore cost-effective overall.
  • the method according to the invention offers a particularly high design freedom for optimizing the component structure for various applications.
  • Membrane suspension i. the way in which the membrane is connected to the edge area of the cavern.
  • mechanical and acoustic properties of the device due to the monocrystalline and unstrained Si membrane in terms of sensitivity are particularly advantageous.
  • the membrane suspension is simply formed by the edge region of the n-doped lattice structure, which merges continuously into the edge region of the cavity.
  • n-doped webs are provided in the edge region of the n-doped lattice structure formed so that only these webs pass into the edge region of the cavern and form spring suspensions for the lattice structure.
  • the membrane suspension is to connect the n-doped lattice structure via the thick epitaxial layer to the edge region of the cavern.
  • the sacrificial layer in the region of the n-doped lattice structure is opened so that the thick epitaxial layer is deposited in a contact region directly on the n-doped lattice structure.
  • the deflection of the membrane structure is to be detected capacitively by means of the fixed counter element, then this must be electrically insulated both against the substrate and against the n-doped lattice structure. In the case of the three method variants mentioned above, this can be achieved simply by suitable structuring of the sacrificial layer and the thick epitaxial layer.
  • the membrane suspension is realized in a first thin epitaxial layer underneath the thick epitaxial layer.
  • at least one first sacrificial layer is produced above the n-doped lattice structure and structured in the later membrane region in such a way that a first thinner layer deposited above it is structured
  • Epitaxial layer is in direct contact with the n-doped lattice structure. This epitaxial layer is then structured in such a way that a second sacrificial layer generated above it is arranged in regions directly on the first sacrificial layer. Only then is the thick epitaxial layer forming the stationary counterpart element deposited. After removing the sacrificial layers in the membrane region, the first epitaxial layer forms a mechanical suspension for the membrane structure. By appropriate structuring of the first epitaxial layer, spring suspensions for the membrane structure for increasing the sensitivity can also be realized in this method variant. The above method variant is suitable not only for the realization of an advantageous mechanical suspension for the membrane structure but also for the realization of buried interconnects, for example for the electrical connection of the membrane structure.
  • the sensitivity of the membrane structure can also be increased by a multistage structure of the fixed counter element, which is therefore "more transparent" for pressurization,
  • the first thinner epitaxial layer is structured in such a way that an epitaxial region remains over the subsequent membrane region generates at least one contact opening over this epitaxial region, so that the thick epitaxial layer is connected to the first epitaxial layer via the contact opening and, together with the first thinner epitaxial layer, forms a multistage, fixed counterelement.
  • Substrate back can be supplemented with bulk processes to increase the back volume or create a back access to the membrane structure.
  • inventive method is not only very well suited for the production of a micromechanical microphone with capacitive transducer principle, but also, for example, for producing a capacitive acceleration sensor for detecting accelerations acting perpendicular to the substrate surface.
  • FIG. 1a-1h illustrate the individual method steps of a first variant of the method according to the invention with reference to schematic sectional views (lower half of the figure) and corresponding plan views
  • FIG. 2 shows a variant of the method step illustrated in FIG.
  • 3a, 3b show a variant of the process steps shown in FIGS. Le-h for realizing a membrane suspension over the thickness
  • FIGS. 4a-4j illustrate the individual method steps of a second variant of the method according to the invention on the basis of schematic sectional views
  • Fig. 5 shows a variant of that shown in Fig. 4f
  • FIGS. 6a-6e illustrate a variant of the method steps shown in FIGS. 4f and 4g for increasing the sensitivity of the microphone component 600;
  • FIGS. 7a-7d illustrate an embodiment of the method according to the invention with a backside processing of the starting substrate.
  • FIGS. 1 a to 1 h A first variant of the method according to the invention will now be described with reference to FIGS. 1 a to 1 h, which is used here by way of example for producing a simple micromechanical microphone with a capacitive transducer principle.
  • the method starts from a p-doped Si substrate 1.
  • a first method step which is shown in FIG. 1 a, an n-doping 2 is introduced into a continuous grid-shaped region of the substrate surface. This can be done for example by implantation or diffusion.
  • the Si substrate 1 is to be etched porous in a region 3 below the n-doped lattice structure 2.
  • a silicon nitride Si3N4 mask 4 is deposited on the substrate surface and patterned accordingly, which is illustrated in FIG. 1b.
  • Fig. Ic shows the substrate structure after anodization of the exposed areas by means of hydrofluoric acid (HF) and electric current.
  • HF hydrofluoric acid
  • the p-doped Si region 3 which is not under the Si3N4 mask 4 is etched porous.
  • the n-doped silicon of the lattice structure 2 is not attacked during the anodization.
  • the Si3N4 mask 4 is removed again. Subsequently, a thermal oxidation of the porous silicon in the region 3, whereby oxPorSi is formed, which is shown in Fig. Id.
  • the n-doped lattice structure 2 is also superficially oxidized, it remains monocrystalline in its core.
  • a sacrificial layer 5 is produced on the substrate surface.
  • This is typically an oxide, e.g. Tetra-ethyl orthosilicate (TEOS).
  • TEOS Tetra-ethyl orthosilicate
  • FIG. 1 b illustrates that this epitaxial layer 7 is in direct contact with the n-doped lattice structure 2 in the region of the contact opening 6.
  • the n-doped lattice structure 2 is contacted via bond pads 8, which are arranged above this contact region, while bonding pads for contacting the later backplane are arranged on the corresponding region of the epitaxial layer 7.
  • a metallization is deposited and patterned on the thick epitaxial layer 7.
  • the metallization is typically aluminum, e.g. AlSi Cu.
  • Epitaxial layer 7 structured.
  • the structuring takes place here in a deep RIE trench process, wherein the trench stops on the buried sacrificial layer 5, which is illustrated by FIG. Ig.
  • etching step first the sacrificial layer 5 in the region above the n-doped lattice structure 2 is removed, and subsequently also the underlying oxPorSi. The etching attack takes place via the Trench openings 9 in the thick epitaxial layer 7. To avoid sticking of the thin structures, advantageously HF gas phase etching is used here.
  • a cavern 10 is formed in the Si substrate 1, which is spanned by the now exposed n-doped lattice structure 2. This serves as a sound-pressure-sensitive membrane 11. About the membrane 11 and at a distance therefrom is the structured epitaxial layer 7, which serves as a fixed counter-element 12 and backplane. This component structure 100 is shown in FIG. 1h. For the conversion of sound into an electrical signal, the n-doped membrane 11 and the backplane 12 are evaluated capacitively against each other.
  • FIG. 2 illustrates a variant of the method described above in conjunction with FIGS. 1 a to 1 h, which differs from the n-doped lattice structure 2 illustrated in FIG. 1 a only in the layout of the contiguous n-doped region 20.
  • the contiguous n-doped region 20 is composed here of a grid structure 21, a frame 22 for the grid structure 21 and four web-like spring suspensions 23, via which the square grid structure 21 is connected to the frame 22 on all four sides.
  • the semiconductor substrate 200 thus prepared is then processed as described in connection with FIGS. 1 b to 1 h.
  • Figures 3a, 3b relate to a variant of the method according to the invention, in which the membrane suspension in the thick epitaxial layer 37 is generated.
  • This method variant initially differs from the process control described in conjunction with FIGS. 1 a to 1 h only in the structuring of the sacrificial layer 35, which generates over the n-doped lattice structure 32 has been. While the contact opening 6 in the sacrificial layer 5 according to FIG.
  • Ie has been arranged in the edge region of the n-doped lattice structure 2, contact openings 36 are created over the lattice structure 32 to be exposed so that the thick epitaxial layer 37 deposited thereafter is located at several points above the oxPorSi region 33 is in direct contact with the grid structure 32 to be exposed, which is particularly well illustrated by Fig. 3a.
  • the thick epitaxial layer 37 has been structured here in such a way that the regions of the thick epitaxial layer 37 serving as carrier structures 313 are electrically insulated from the backplane 312 by trench trenches 39.
  • 3b shows the resulting device structure 300 after the removal of the sacrificial layer 35 and the oxPorSi in the region 33.
  • Carrier structures 313 are connected directly to the membrane 311 and electrically insulated from the remaining regions of the sacrificial layer 35 against the Si substrate 31.
  • two bond pads 381 and 382 were produced on the thick epitaxial layer 37.
  • the bonding pad 381, which is arranged on one of the support structures 313, serves to electrically connect the membrane 311, while the backplane 312 is connected via the bonding pad 382.
  • the epitaxial layer 37 is thus used here both for the realization of the mechanical diaphragm suspension and the electrical connection of the diaphragm 311.
  • FIGS. 4a to 4j A further variant of the method according to the invention is described with reference to FIGS. 4a to 4j for producing a microphone with optimized mechanical suspension and electrical insulation or contacting via epitaxial poly-Si.
  • This process variant is based on a p-doped Si substrate 41.
  • an n-doping is introduced into the substrate surface, which comprises a square grid-shaped region 421 and a frame 422 set therefrom, which is illustrated in FIG. 4a.
  • 4b shows that subsequently a silicon nitride Si3N4 mask 44 is deposited on the substrate surface.
  • This mask 44 defines the lateral dimensions of a region 43 in which the Si substrate 41 beneath the n-doped region 421, 422 is etched porous, as shown in FIG. 4c. Thereafter, the Si3N4 mask 44 is removed again.
  • the porous silicon in region 43 is then converted to oxPorSi by thermal oxidation, as shown in FIG. 4d.
  • a first sacrificial layer 451 is produced on the substrate surface.
  • This is typically an oxide, e.g. Tetra-ethyl orthosilicate (TEOS).
  • TEOS Tetra-ethyl orthosilicate
  • the deposition and structuring of a first thin epitaxial layer 471 takes place to realize a mechanical membrane suspension and buried interconnects.
  • the epitaxial layer 471 here consists of heavily doped, polycrystalline silicon.
  • FIG. 4f After structuring, only four regions of this first epitaxial layer 471 remain, which is illustrated by FIG. 4f. Each of these regions of the epitaxial layer 471 extends from the region of the n-doped frame 422 to above a contact opening 46, where the epitaxial layer 471 is in direct contact with the n-doped latticed region 421.
  • a second sacrificial layer 452 is deposited and patterned, which is illustrated in FIG. 4g. In structuring, an opening 453 is created over an epitaxial layer region 471.
  • FIG. 4h shows that a second thick epitaxial layer 472 is then deposited. This is in the region of the opening 453 in direct contact to the adjacent epitaxial layer region 471 and via the corresponding contact opening 46 to the n-doped grid-shaped region 421.
  • a metallization is deposited and patterned to produce bonding pads 48.
  • etching step first the sacrificial layers 451 and 452 in the region above the n-doped lattice structure 421 are removed, and subsequently also the underlying oxPorSi.
  • the etching attack occurs via the trench openings 49 in the thick epitaxial layer
  • a cavern 410 is formed in the Si substrate 41, via which the sacrificial layer material between the n-doped lattice structure 421 and the first thin epitaxial layer 471 is then also etched out.
  • the thus-exposed n-doped lattice structure 421 is connected via the epitaxial layer regions 471 to the edge region of the cavern 410, so that it spans the cavity 410 and serves as a sound-pressure-sensitive membrane 411.
  • Above the membrane 411 and at a distance therefrom is the structured thick epitaxial layer 472, which serves as a fixed counter element 412 or backplane.
  • This device structure 400 is shown in FIG. 4j.
  • the n-doped membrane 411 and the backplane 412 are evaluated capacitively against each other.
  • FIG. 5 illustrates a variant of the method described above in conjunction with FIGS. 4a to 4j, which differs only in the layout of the first epitaxial layer 571 from the structured first epitaxial layer 471 illustrated in FIG. 4f.
  • the individual epitaxial layer regions 571 remaining after structuring are designed here as spring suspensions, via which the n-doped square lattice structure 521 is connected on all four sides to the n-doped frame 522.
  • the thus-prepared semiconductor carrier 500 is then further processed as described in connection with FIGS. 4g to 4j.
  • FIGS. 6a to 6e A variant of the method illustrated in FIGS. 4 and 5 will be explained with reference to FIGS. 6a to 6e.
  • the mechanical membrane suspension optimized by structuring a first thin epitaxial layer 671, but also a multilevel backplane 612 is produced, which is "transparent" to the acoustic sound.
  • a first sacrificial layer 651 is formed above the n-type doping 621/622 in the surface of the substrate 61 and above the oxPorSi region 63 and structured, with four contact openings 66 over the square n-doped one Grid structure 621 are formed, which is formed in an n-doped frame 622.
  • a first thin epitaxial layer 671 is deposited and patterned.
  • this first epitaxial layer 671 designed as spring suspensions remain, which each extend from the edge region of the cavern to be generated over a contact opening 66, where the epitaxial layer 671 is in direct contact with the n-doped lattice structure 621.
  • a kind of grid is produced over the membrane area.
  • the geometry of the remaining epitaxial layer regions 671 is particularly well illustrated by the top view of FIG. 6a.
  • a second sacrificial layer 652 is deposited and patterned, which is shown in FIG. 6b.
  • an opening 653 is produced over an epitaxial layer region 671, which is in electrical contact with the n-doped lattice structure 621, and, on the other hand, a trench structure 654 which at least partially overlies the grid in the structured epitaxial layer 671 above the Membrane area corresponds.
  • the subsequently deposited second thick epitaxial layer 672 grows directly on the first thin epitaxial layer 671, which is shown in FIG. 6c.
  • FIG. 6d shows the device structure 600 after the structuring of the second thick epitaxial layer 672
  • FIG. 6e shows the device structure 600 after the removal of the sacrificial layers 651 and 652 in the membrane region.
  • a multi-stage backplane 612 has been formed, which is formed by the raster region of the first epitaxial layer 671 in conjunction with the regions above it of the second thick epitaxial layer 672.
  • the membrane 611 formed by the n-type lattice structure 621 was exposed by removing the underlying oxPorSi 63.
  • FIGS. 7a to 7d a variant of the method according to the invention is described which can be combined with all the method variants described above and provides for the realization of a rear access. This serves either to increase the back volume of the membrane or the sound input.
  • FIGS. 7a to 7d only show the method steps required for the realization of the rear access.
  • Fig. 7a shows the state of a process according to the invention
  • Fig. 7b illustrates the multi-stage structuring of the substrate back, which can be done for example by Trenchen.
  • a trench 701 is carried out until just before the oxPorSi region 43.
  • the bottom of this trench is then structured.
  • a photolithographic process for example using a spray coating, can be used.
  • the second trench can be carried out, which then leads into the oxPorSi region 43 and uses the oxidized PorSi as a stop layer.
  • the back side processing is completed.
  • Figs. 7c and 7d correspond to Figs. 4i and 4j. They illustrate the final process steps that take place again on the substrate front.
  • the second thick epitaxial layer 472 is patterned, in order then, according to FIG. 7d, to remove the sacrificial layers 451 and 452 together with the oxPorSi in the membrane region and below.
  • the remaining below the resulting cavity 410 substrate structure 701 forms a second backplane backplane for the membrane 411.
  • contacting the second backplane can be done in this way, a differential and thus particularly sensitive evaluation.
  • the method according to the invention is also very suitable for the production of other micromechanical sensors.
  • the method offers at least two layers, which can be structurally structured both electrically and mechanically, namely the monocrystalline n-doped layer and at least one epitaxial layer.
  • the coupling of these two layers can be freely adapted to the respective application. Both electrical and mechanical bridges are easy to implement.

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Membranstruktur (11) mit feststehendem Gegenelement (12) vorgeschlagen, das von einem p-dotierten Si- Substrat (1) ausgeht. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Prozessschritte - n-Dotierung mindestens eines zusammenhängenden gitterförmigen Bereichs (2) der Substratoberfläche; (Fig. Ia) porös Ätzen eines Substratbereichs (3) unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur (2); (Fig. lb-c) Oxidation des porösen Siliziums; (Fig. Id) - Erzeugen mindestens einer Opferschicht (5) über der n-dotierten Gitterstruktur (2); (Fig. Ie) Abscheidung und Strukturierung mindestens einer dicken Epitaxieschicht (7); (Fig. lf-g) Entfernen der Opferschicht (5) zwischen der dicken Epitaxieschicht (7) und der n-dotierten Gitterstruktur (2) und Erzeugen einer Kaverne (10) im Si-Substrat (1) unterhalb der n- dotierten Gitterstruktur (2) durch Entfernen des oxidierten porösen Siliziums (oxPorSi); (Fig. Ih) so dass die freigelegte n-dotierte Gitterstruktur (2) eine Membranstruktur (11) bildet und in der strukturierten dicken Epitaxieschicht (7) mindestens ein feststehendes Gegenelement (12) ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Membranstruktur mit feststehendem Gegenelement
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Membranstruktur mit feststehendem Gegenelement, ausgehend von einem Halbleitersubstrat, nämlich einem p-dotierten Si-Substrat.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung von mikromechanischen Mikrofonen, wie sie beispielsweise bei Hörgeräten oder Mobiltelefonen zum Einsatz kommen. Auch für Applikationen mit akustischer Schnittstelle, wie z.B. Notebooks oder Kameras, werden immer öfter mikromechanische Mikrofone verwendet. Derartige Mikrofone umfassen eine membranartige Struktur, die durch den Schalldruck ausgelenkt wird. Die Membranauslenkungen werden meist kapazitiv mit Hilfe einer feststehenden Gegenelektrode erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
In der DE 10 2004 036 032 Al wird ein oberflächenmikromechanisches Verfahren zur Herstellung eines Membransensors beschrieben. Ausgangsmaterial für das bekannte Verfahren ist ein p-dotiertes Si- Substrat. Zunächst wird in einem gitterförmigen Oberflächenbereich dieses Substrats eine n-Dotierung erzeugt, bevor das Substratmaterial in einem Bereich unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur porös geätzt wird. Auf der Substratoberfläche wird dann über der n-dotierten Gitterstruktur und dem porös geätzten Bereich eine geschlossenen Epitaxieschicht abgeschieden.
Gleichzeitig oder in einem nachfolgenden Temperschritt lagert sich das poröse Siliziummaterial so um, dass in dem ursprünglich porösen Bereich unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur eine Kaverne entsteht. Auf diese Weise wird eine Membran freigelegt, die aus dem die Kaverne überspannenden Bereich der n-dotierten Gitterstruktur mit der darauf abgeschiedenen Epitaxieschicht gebildet ist.
Offenbarung der Erfindung
Mit der hier in Rede stehenden Erfindung wird eine Modifikation des bekannten Verfahrens vorgeschlagen, das zudem zur Herstellung einer mikromechanischen Membranstruktur mit feststehendem Gegenelement weiterentwickelt ist.
Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren, das von einem p-dotierten Si-Substrat ausgeht, die folgenden Pro ze s s schritte :
n-Dotierung mindestens eines zusammenhängenden gitterförmigen
Bereichs der Substratoberfläche; - porös Ätzen eines Substratbereichs unterhalb der n-dotierten
Gitterstruktur; - Oxidation des porösen Siliziums;
Erzeugen mindestens einer Opferschicht über der n-dotierten
Gitterstruktur ; - Abscheidung und Strukturierung mindestens einer dicken
Epitaxieschicht;
Entfernen der Opferschicht zwischen der dicken Epitaxieschicht und der n-dotierten Gitterstruktur und Erzeugen einer Kaverne im
Si-Substrat unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur durch Entfernen des oxidierten porösen Siliziums (oxPorSi);
so dass die freigelegte n-dotierte Gitterstruktur eine Membranstruktur bildet und in der strukturierten dicken Epitaxieschicht mindestens ein feststehendes Gegenelement ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine Prozessierung der Substratvorderseite ausreicht, um die angestrebte dreidimensionale, mehrschichtige Bauelementstruktur mit einer mikromechanischen Membran und einem feststehenden Gegenelement zu realisieren. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer geschickten Kombination von bewährten oberflächenmikromechanischen Prozessblöcken, die ursprünglich für andersartige Bauelementstrukturen entwickelt wurden. D.h., jeder einzelne Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich durch eine bekannte, gut handhabbare, gut kontrollierbare und deshalb insgesamt kostengünstige oberflächenmikromechanische Prozessfolge darstellen. Zudem sind alle diese Prozessschritte CMOS-kompatibel, so dass das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren auch einfach durch eine Prozessfolge zur monolithischen Integration einer Auswerteschaltung ergänzt werden kann. Schließlich sei noch erwähnt, dass die erfindungsgemäß gefertigten Bauelemente nicht nur in der Herstellung besonders kostengünstig sind sondern auch in der Montage, da die nicht prozessierte Rückseite dieser Bauelemente den Einsatz einer kostengünstigen Aufbau- und Verbindungstechnik zulässt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine besonders hohe Designfreiheit zur Optimierung der Bauelementstruktur für verschiedene Anwendungen. So kann die Empfindlichkeit der Membranstruktur durch unterschiedliche Auslegung der
Membranaufhängung, d.h. der Art, wie die Membran mit dem Randbereich der Kaverne verbunden ist, beeinflusst werden. Zudem sind die mechanischen und akustischen Eigenschaften des Bauelements aufgrund der einkristallinen und unverspannten Si-Membran in Bezug auf die Empfindlichkeit besonders vorteilhaft.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Membranaufhängung einfach durch den Randbereich der n-dotierten Gitterstruktur gebildet, der kontinuierlich in den Randbereich der Kaverne übergeht. Zur Steigerung der Membranempfindlichkeit werden in einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Verfahrensvariante im Randbereich der n-dotierten Gitterstruktur n-dotierte Stege ausgebildet, so dass lediglich diese Stege in den Randbereich der Kaverne übergehen und Federaufhängungen für die Gitterstruktur bilden .
Eine andere Möglichkeit der Membranaufhängung besteht darin, die n- dotierte Gitterstruktur über die dicke Epitaxieschicht an den Randbereich der Kaverne anzubinden. Dazu wird die Opferschicht im Bereich der n-dotierten Gitterstruktur geöffnet, so dass die dicke Epitaxieschicht in einem Kontaktbereich direkt auf der n-dotierten Gitterstruktur abgeschieden wird.
Soll die Auslenkung der Membranstruktur mit Hilfe des feststehenden Gegenelements kapazitiv erfasst werden, so muss dieses sowohl gegen das Substrat als auch gegen die n-dotierte Gitterstruktur elektrisch isoliert sein. Bei den drei voranstehend erwähnten Verfahrensvarianten kann dies einfach durch eine geeignete Strukturierung der Opferschicht und der dicken Epitaxieschicht erreicht werden.
In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Membranaufhängung in einer ersten dünnen Epitaxieschicht unterhalb der dicken Epitaxieschicht realisiert. Dazu wird mindestens eine erste Opferschicht über der n-dotierten Gitterstruktur erzeugt und im späteren Membranbereich so strukturiert, dass eine darüber abgeschiedene erste dünnere
Epitaxieschicht in direktem Kontakt zur n-dotierten Gitterstruktur steht. Diese Epitaxieschicht wird dann so strukturiert, dass eine darüber erzeugte zweite Opferschicht bereichsweise direkt auf der ersten Opferschicht angeordnet ist. Erst danach wird die das feststehende Gegenelement bildende dicke Epitaxieschicht abgeschieden. Nach Entfernen der Opferschichten im Membranbereich bildet die erste Epitaxieschicht eine mechanische Aufhängung für die Membranstruktur. Durch entsprechende Strukturierung der ersten Epitaxieschicht lassen sich bei dieser Verfahrensvariante auch einfach Federaufhängungen für die Membranstruktur zur Steigerung der Empfindlichkeit realisieren. Die voranstehende Verfahrensvariante eignet sich nicht nur zur Realisierung einer vorteilhaften mechanischen Aufhängung für die Membranstruktur sondern auch zur Realisierung von vergrabenen Leiterbahnen, beispielsweise zum elektrischen Anschluss der Membranstruktur. In diesem Fall ist es von Vorteil, die erste dünnere Epitaxieschicht stark zu dotieren. Eine vollständige elektrische Isolation der Membranstruktur gegen das Substrat kann hier einfach durch entsprechende Strukturierung der n-dotierten Gitterstruktur, der Opferschichten und der Epitaxieschichten erzielt werden.
Die Empfindlichkeit der Membranstruktur kann auch durch einen mehrstufigen und daher für eine Druckbeaufschlagung „transparenteren" Aufbau des feststehenden Gegenelements gesteigert werden. Dazu wird die erste dünnere Epitaxieschicht so strukturiert, dass über dem späteren Membranbereich ein Epitaxiebereich verbleibt. Bei der Strukturierung der zweiten Opferschicht wird dann über diesem Epitaxiebereich mindestens eine Kontaktöffnung erzeugt, so dass die dicke Epitaxieschicht über die Kontaktöffnung mit der ersten Epitaxieschicht verbunden ist und zusammen mit der ersten dünneren Epitaxieschicht ein mehrstufiges feststehendes Gegenelement bildet.
Alle voranstehend erläuterten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens können zudem durch eine Strukturierung der
Substratrückseite mit Bulk-Prozessen ergänzt werden, um das Rückseitenvolumen zu vergrößern oder einen Rückseitenzugang zur Membranstruktur zu erzeugen.
Schließlich sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur sehr gut zur Herstellung eines mikromechanischen Mikrofons mit kapazitivem Wandlerprinzip eignet, sondern beispielsweise auch zur Herstellung eines kapazitiven Beschleunigungssensors zum Erfassen von senkrecht zur Substratoberfläche wirkenden Beschleunigungen. 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 dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
Fig. Ia - Ih veranschaulichen die einzelnen Verfahrensschritte einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand schematischer Schnittansichten (untere Bildhälfte) und entsprechender Draufsichten
(obere Bildhälfte) einer ersten Bauelementstruktur 100 während der Herstellung;
Fig. 2 zeigt eine Variante des in Fig. Ia dargestellten Verfahrensschritts zur Optimierung der
Membranaufhängung;
Fig. 3a, 3b zeigen eine Variante der in den Fig. le-h dargestellten Verfahrensschritte zur Realisierung einer Membranaufhängung über die dicke
Epitaxieschicht;
Fig. 4a - 4j veranschaulichen die einzelnen Verfahrensschritte einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand schematischer Schnittansichten
(untere Bildhälfte) und entsprechender Draufsichten (obere Bildhälfte) einer vierten Bauelementstruktur 400 während der Herstellung;
Fig. 5 zeigt eine Variante des in Fig. 4f dargestellten
Verfahrensschritts zur Optimierung der Membranaufhängung; Fig. 6a - 6e veranschaulichen eine Variante der in den Figuren 4f und 4g dargestellten Verfahrensschritte zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Mikrofonbauelements 600; und
Fig. 7a - 7d veranschaulichen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Rückseitenprozessierung des Ausgangssubstrats.
Ausführungsformen der Erfindung
Anhand der Figuren Ia bis Ih wird nachfolgend eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, das hier beispielhaft zur Herstellung eines einfachen mikromechanischen Mikrofons mit kapazitivem Wandlerprinzip eingesetzt wird.
Das Verfahren geht von einem p-dotierten Si-Substrat 1 aus. In einem ersten Verfahrensschritt, der in Fig. Ia dargestellt ist, wird eine n-Dotierung 2 in einen zusammenhängenden gitterförmigen Bereich der Substratoberfläche eingebracht. Dies kann beispielsweise durch Implantation oder Diffusion erfolgen.
Anschließend soll das Si-Substrat 1 in einem Bereich 3 unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur 2 porös geätzt werden. Dieser
Bereich 3 ist in Fig. Ic dargestellt. Davor wird zur lateralen Definition dieses Bereichs 3 eine Silizium-Nitrid Si3N4-Maske 4 auf der Substratoberfläche abgeschieden und entsprechend strukturiert, was in Fig. Ib dargestellt ist.
Fig. Ic zeigt die Substratstruktur nach einer Anodisierung der offenliegenden Bereiche mittels Flusssäure (HF) und elektrischem Strom. Durch die Anodisierung wird der p-dotierte Si-Bereich 3, der nicht unter der Si3N4-Maske 4 liegt, porös geätzt. Im Unterschied dazu wird das n-dotierte Silizium der Gitterstruktur 2 während der Anodisierung nicht angegriffen. Nach der Anodisierung wird die Si3N4-Maske 4 wieder entfernt. Anschließend erfolgt eine thermische Oxidation des porösen Siliziums im Bereich 3, wobei oxPorSi entsteht, was in Fig. Id dargestellt ist. Dabei wird zwar auch die n-dotierte Gitterstruktur 2 oberflächlich anoxidiert, sie bleibt aber im Kern einkristallin.
Im nächsten Verfahrensschritt wird eine Opferschicht 5 auf der Substratoberfläche erzeugt. Dabei handelt es sich typischerweise um ein Oxid, wie z.B. Tetra-Ethyl-Orthosilikat (TEOS) . Diese Opferschicht 5 wird strukturiert, wobei hier lediglich eine
Kontaktöffnung 6 im Randbereich der n-dotierten Gitterstruktur 2 erzeugt wird. Ansonsten überdeckt die Opferschicht 5 die n-dotierte Gitterstruktur 2 und den darunter liegenden oxPorSi-Bereich 3 vollständig, wie aus Fig. Ie ersichtlich.
Anschließend erfolgt die Abscheidung einer dicken Epitaxieschicht 7, die hier aus polykristallinem Silizium besteht. Fig. If verdeutlicht, dass diese Epitaxieschicht 7 im Bereich der Kontaktöffnung 6 in direktem Kontakt zur n-dotierten Gitterstruktur 2 steht. Die Kontaktierung der n-dotierten Gitterstruktur 2 erfolgt über Bondpads 8, die oberhalb dieses Kontaktbereichs angeordnet werden, während Bondpads zur Kontaktierung der späteren Backplane auf dem entsprechenden Bereich der Epitaxieschicht 7 angeordnet werden. Dazu wird auf der dicken Epitaxieschicht 7 eine Metallisierung abgeschieden und strukturiert. Die Metallisierung besteht typischerweise aus Aluminium, wie z.B. AlSi-Cu.
In den beiden nun folgenden Verfahrensschritten werden die funktionalen Strukturen des Bauelements 100, wie es in Fig. Ih dargestellt ist, freigelegt. Zunächst wird die dicke
Epitaxieschicht 7 strukturiert. Die Strukturierung erfolgt hier in einem Deep-RIE Trenchprozess, wobei der Trench auf der vergrabenen Opferschicht 5 stoppt, was durch Fig. Ig veranschaulicht wird.
In einem Ätzschritt wird nun zunächst die Opferschicht 5 im Bereich über der n-dotierten Gitterstruktur 2 entfernt und anschließend auch das darunter liegende oxPorSi . Der Ätzangriff erfolgt über die Trenchöffnungen 9 in der dicken Epitaxieschicht 7. Um ein Verkleben der dünnen Strukturen zu vermeiden, wird hier vorteilhafterweise HF-Gasphasenätzen eingesetzt. Bei diesem Ätzschritt entsteht eine Kaverne 10 im Si-Substrat 1, die von der nun freigelegten n- dotierten Gitterstruktur 2 überspannt wird. Diese dient als schalldruckempfindliche Membran 11. Über der Membran 11 und in einem Abstand zu dieser befindet sich die strukturierte Epitaxieschicht 7, die als feststehendes Gegenelement 12 bzw. Backplane dient. Diese Bauelementstruktur 100 ist in Fig. Ih dargestellt. Zur Wandlung von Schall in ein elektrisches Signal werden die n-dotierte Membran 11 und die Backplane 12 kapazitiv gegeneinander ausgewertet.
Fig. 2 veranschaulicht eine Variante des voranstehend in Verbindung mit den Figuren Ia bis Ih beschriebenen Verfahrens, die sich lediglich im Layout des zusammenhängenden n-dotierten Bereichs 20 von der in Fig. Ia dargestellten n-dotierten Gitterstruktur 2 unterscheidet. Der zusammenhängende n-dotierte Bereich 20 setzt sich hier aus einer Gitterstruktur 21, einem Rahmen 22 für die Gitterstruktur 21 und vier stegartigen Federaufhängungen 23 zusammen, über die die quadratische Gitterstruktur 21 an allen vier Seiten mit dem Rahmen 22 verbunden ist. Der so präparierte Halbleiterträger 200 wird dann wie in Verbindung mit den Figuren Ib bis Ih beschrieben prozessiert. Dabei entsteht eine „freischwebende" n-dotierte gitterförmige Membran 21, die nur über die vier stegartigen Federaufhängungen 23 mit dem Rahmen 22 verbunden ist, der im Randbereich der Kaverne angeordnet ist. Über das Design der Federaufhängungen 23, d.h. Geometrie und Dicke, lassen sich die mechanischen bzw. akustischen Eigenschaften der Membran 21 gezielt beeinflussen.
Die Figuren 3a, 3b beziehen sich auf eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Membranaufhängung in der dicken Epitaxieschicht 37 erzeugt wird. Diese Verfahrensvariante unterscheidet sich von der in Verbindung mit den Figuren Ia bis Ih beschriebenen Prozessführung zunächst nur in der Strukturierung der Opferschicht 35, die über der n-dotierten Gitterstruktur 32 erzeugt worden ist. Während die Kontaktöffnung 6 in der Opferschicht 5 gemäß Fig. Ie im Randbereich der n-dotierten Gitterstruktur 2 angeordnet wurde, werden hier Kontaktöffnungen 36 über der freizulegenden Gitterstruktur 32 erzeugt, so dass die danach abgeschiedene dicke Epitaxieschicht 37 an mehreren Stellen über dem oxPorSi-Bereich 33 in direktem Kontakt zu der freizulegenden Gitterstruktur 32 steht, was besonders gut durch Fig. 3a veranschaulicht wird. Die dicke Epitaxieschicht 37 wurde hier so strukturiert, dass die als Trägerstrukturen 313 dienenden Bereiche der dicken Epitaxieschicht 37 durch Trenchgräben 39 gegen die Backplane 312 elektrisch isoliert sind.
Fig. 3b zeigt die resultierende Bauelementstruktur 300 nach dem Entfernen der Opferschicht 35 und des oxPorSi im Bereich 33. Die in der strukturierten Epitaxieschicht 37 ausgebildeten
Trägerstrukturen 313 sind direkt mit der Membran 311 verbunden und über die verbleibenden Bereiche der Opferschicht 35 gegen das Si- Substrat 31 elektrisch isoliert. Schließlich sei noch erwähnt, dass im hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Bondpads 381 und 382 auf der dicken Epitaxieschicht 37 erzeugt wurden. Das Bondpad 381, das auf einer der Trägerstrukturen 313 angeordnet ist, dient zum elektrischen Anschluss des Membran 311, während die Backplane 312 über das Bondpad 382 angeschlossen wird. Die Epitaxieschicht 37 wird hier also sowohl zur Realisierung der mechanischen Membranaufhängung als auch des elektrischen Anschlusses der Membran 311 verwendet.
Anhand der Figuren 4a bis 4j wird eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben zur Herstellung eines Mikrofons mit optimierter mechanischer Aufhängung und elektrischer Isolation bzw. Kontaktierung über epitaktisches PoIy-Si.
Auch diese Verfahrensvariante geht von einem p-dotierten Si- Substrat 41 aus. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine n- Dotierung in die Substratoberfläche eingebracht, die einen quadratischen gitterförmigen Bereich 421 und einen davon abgesetzten Rahmen 422 umfasst, was in Fig. 4a dargestellt ist. Fig. 4b zeigt, dass anschließend eine Silizium-Nitrid Si3N4-Maske 44 auf der Substratoberfläche abgeschieden wird. Diese Maske 44 definiert die lateralen Abmessungen eines Bereichs 43, in dem das Si-Substrat 41 unterhalb der n-dotierten Bereichs 421, 422 porös geätzt wird, was in Fig. 4c dargestellt ist. Danach wird die Si3N4- Maske 44 wieder entfernt. Das poröse Silizium im Bereich 43 wird dann durch thermische Oxidation in oxPorSi umgewandelt, was in Fig. 4d dargestellt ist.
Im nächsten Verfahrensschritt wird eine erste Opferschicht 451 auf der Substratoberfläche erzeugt. Dabei handelt es sich typischerweise um ein Oxid, wie z.B. Tetra-Ethyl-Orthosilikat (TEOS) . Diese Opferschicht 451 wird strukturiert, wobei hier lediglich vier Kontaktöffnungen 46 über dem quadratischen gitterförmigen Bereich 421 erzeugt werden, wie aus Fig. 4e ersichtlich .
Anschließend erfolgt die Abscheidung und Strukturierung einer ersten dünnen Epitaxieschicht 471 zur Realisierung einer mechanischen Membranaufhängung und vergrabener Leiterbahnen. Dementsprechend besteht die Epitaxieschicht 471 hier aus stark dotiertem, polykristallinen Silizium. Nach der Strukturierung verbleiben lediglich vier Bereiche dieser ersten Epitaxieschicht 471, was durch Fig. 4f verdeutlicht wird. Jeder dieser Bereiche der Epitaxieschicht 471 erstreckt sich vom Bereich des n-dotierten Rahmens 422 bis über eine Kontaktöffnung 46, wo die Epitaxieschicht 471 in direktem Kontakt zum n-dotierten gitterförmigen Bereich 421 steht.
Über der so strukturierten ersten Epitaxieschicht 471 wird eine zweite Opferschicht 452 abgeschieden und strukturiert, was in Fig. 4g dargestellt ist. Bei der Strukturierung wird eine Öffnung 453 über einem Epitaxieschichtbereich 471 erzeugt.
Fig. 4h zeigt, dass dann eine zweite dicke Epitaxieschicht 472 abgeschieden wird. Diese steht im Bereich der Öffnung 453 in direktem Kontakt zum angrenzenden Epitaxieschichtbereich 471 und über die entsprechende Kontaktöffnung 46 zum n-dotierten gitterförmigen Bereich 421. Auf der dicken Epitaxieschicht 472 wird zur Erzeugung von Bondpads 48 eine Metallisierung abgeschieden und strukturiert.
Erst danach wird die dicke Epitaxieschicht 472 strukturiert, was durch Fig. 4i veranschaulicht wird. Dabei handelt es sich um den ersten Schritt zum Freilegen der funktionalen Strukturen des Bauelements 400.
In einem Ätzschritt werden nun zunächst die Opferschichten 451 und 452 im Bereich über der n-dotierten Gitterstruktur 421 entfernt und anschließend auch das darunter liegende oxPorSi. Der Ätzangriff erfolgt über die Trenchöffnungen 49 in der dicken Epitaxieschicht
472. Bei diesem Ätzschritt entsteht eine Kaverne 410 im Si-Substrat 41, über die dann auch das Opferschichtmaterial zwischen der n- dotierten Gitterstruktur 421 und der ersten dünnen Epitaxieschicht 471 herausgeätzt wird. Die so freigelegte n-dotierte Gitterstruktur 421 ist über die Epitaxieschichtbereiche 471 mit dem Randbereich der Kaverne 410 verbunden, so dass sie die Kaverne 410 überspannt und als schalldruckempfindliche Membran 411 dient. Über der Membran 411 und in einem Abstand zu dieser befindet sich die strukturierte dicke Epitaxieschicht 472, die als feststehendes Gegenelement 412 bzw. Backplane dient. Diese Bauelementstruktur 400 ist in Fig. 4j dargestellt. Zur Wandlung von Schall in ein elektrisches Signal werden die n-dotierte Membran 411 und die Backplane 412 kapazitiv gegeneinander ausgewertet.
Durch die in Verbindung mit den Fig. 4a bis 4j beschriebene
Prozessführung ergibt sich eine vollständige elektrische Isolation der frei schwebenden n-dotierten Membran 411 vom Substrat 41. Dies bedeutet geringere parasitäre Kapazitäten und geringere Leckströme. Auch hier können die mechanischen und akustischen Eigenschaften der Membran 411 über das Design, d.h. die Geometrie und Dicke, der Aufhängungen 471 eingestellt werden. Fig. 5 veranschaulicht eine Variante des voranstehend in Verbindung mit den Figuren 4a bis 4j beschriebenen Verfahrens, die sich lediglich im Layout der ersten Epitaxieschicht 571 von der in Fig. 4f dargestellten strukturierten ersten Epitaxieschicht 471 unterscheidet. Die einzelnen nach der Strukturierung verbleibenden Epitaxieschichtbereiche 571 sind hier als Federaufhängungen ausgelegt, über die die n-dotierte quadratische Gitterstruktur 521 an allen vier Seiten mit dem n-dotierten Rahmen 522 verbunden ist. Der so präparierte Halbleiterträger 500 wird dann wie in Verbindung mit den Figuren 4g bis 4j beschrieben weiter prozessiert.
Anhand der Figuren 6a bis 6e wird eine Variante des in den Figuren 4 bzw. 5 dargestellten Verfahrens erläutert. Zur Herstellung eines Mikrofons mit verbesserter Empfindlichkeit wird hier nicht nur die mechanische Membranaufhängung durch Strukturierung einer ersten dünnen Epitaxieschicht 671 optimiert, sondern auch eine mehrstufige Backplane 612 erzeugt, die für den akustischen Schall „transparent" ist.
Wie im Fall der Verfahrensvariante gemäß den Figuren 4, wird über der n-Dotierung 621/622 in der Oberfläche des Substrats 61 und über dem oxPorSi-Bereich 63 eine erste Opferschicht 651 gebildet und strukturiert, wobei vier Kontaktöffnungen 66 über der quadratischen n-dotierten Gitterstruktur 621 erzeugt werden, die in einem n- dotierten Rahmen 622 ausgebildet ist. Anschließend wird eine erste dünne Epitaxieschicht 671 abgeschieden und strukturiert. Danach verbleiben zum einen vier als Federaufhängungen ausgelegte Bereiche dieser ersten Epitaxieschicht 671, die sich jeweils vom Randbereich der zu erzeugenden Kaverne bis über eine Kontaktöffnung 66 erstrecken, wo die Epitaxieschicht 671 in direktem Kontakt zur n- dotierten Gitterstruktur 621 steht. Zum anderen wird bei der Strukturierung der ersten Epitaxieschicht 671 eine Art Raster über dem Membranbereich erzeugt. Die Geometrie der verbleibenden Epitaxieschichtbereiche 671 wird besonders gut durch die Draufsicht der Fig. 6a veranschaulicht. Über der so strukturierten ersten Epitaxieschicht 671 wird eine zweite Opferschicht 652 abgeschieden und strukturiert, was in Fig. 6b dargestellt ist. Bei der Strukturierung der zweiten Opferschicht 652 wird zum einen eine Öffnung 653 über einem Epitaxieschichtbereich 671 erzeugt, der in elektrischem Kontakt zur n-dotierten Gitterstruktur 621 steht, und zum anderen eine Grabenstruktur 654, die zumindest teilweise dem Raster in der strukturierten Epitaxieschicht 671 über dem Membranbereich entspricht .
Im Bereich dieser Grabenstruktur 654 wächst die nachfolgend abgeschiedene zweite dicke Epitaxieschicht 672 direkt auf der ersten dünnen Epitaxieschicht 671 auf, was in Fig. 6c dargestellt ist.
Fig. 6d zeigt die Bauelementstruktur 600 nach der Strukturierung der zweiten dicken Epitaxieschicht 672, und Fig. 6e zeigt die Bauelementstruktur 600 nach dem Entfernen der Opferschichten 651 und 652 im Membranbereich. Dabei ist eine mehrstufige Backplane 612 entstanden, die durch den Rasterbereich der ersten Epitaxieschicht 671 in Verbindung mit den darüber liegenden Bereichen der zweiten dicken Epitaxieschicht 672 gebildet wird. Die Membran 611, die durch die n-dotierte Gitterstruktur 621 gebildet wird, wurde durch Entfernen des darunter liegenden oxPorSi 63 freigelegt.
In Verbindung mit den Figuren 7a bis 7d wird eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, die mit allen vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten kombinierbar ist und die Realisierung eines Rückseitenzugangs vorsieht. Dieser dient entweder zur Vergrößerung des Rückvolumens der Membran oder auch der Schalleinleitung. Die Figuren 7a bis 7d zeigen nur die für die Realisierung des Rückseitenzugangs erforderlichen Verfahrensschritte .
Fig. 7a zeigt den Zustand eines erfindungsgemäß prozessierten
Halbleiterträgers 700 vor dem Beginn der Rückseitenprozessierung. Diese Figur entspricht Fig. 4h. Fig. 7b veranschaulicht die mehrstufige Strukturierung der Substratrückseite, die beispielsweise durch Trenchen erfolgen kann. In einem ersten Schritt wird dabei ein Trench 701 bis kurz vor den oxPorSi Bereich 43 durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird dann der Boden dieses Trench strukturiert. Dazu kann ein fotolithographisches Verfahren, beispielsweise unter Verwendung einer Sprühbelackung, eingesetzt werden. Anschließend kann der zweite Trench durchgeführt werden, der dann bis in den oxPorSi Bereich 43 hineinführt und das oxidierte PorSi als Stoppschicht nutzt. Dabei entsteht eine Substratstruktur 701 unterhalb der zu erzeugenden Membran und eine Zugangsöffnung 702. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Rückseitenprozessierung damit abgeschlossen.
Die Fig. 7c und 7d entsprechen den Figuren 4i und 4 j . Sie veranschaulichen die abschließenden Prozessschritte, die wieder auf der Substratvorderseite stattfinden. Zunächst wird gemäß Fig. 7c die zweite dicke Epitaxieschicht 472 strukturiert, um dann gemäß Fig. 7d die Opferschichten 451 und 452 zusammen mit dem oxPorSi im Membranbereich und darunter zu entfernen. Die unterhalb der dabei entstehenden Kaverne 410 verbleibende Substratstruktur 701 bildet eine zweite rückseitige Backplane für die Membran 411. Bei Kontaktierung der zweiten Backplane kann auf diese Weise auch eine differentielle und damit besonders empfindliche Auswertung erfolgen .
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren auch sehr gut zur Herstellung anderer mikromechanischer Sensoren eignet. Das Verfahren bietet mindestens zwei unabhängig voneinander elektrisch wie auch mechanisch strukturierbare Schichten, nämlich die einkristalline n-dotierte Schicht und mindestens eine Epitaxieschicht. Die Kopplung dieser beiden Schichten kann frei wählbar an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Dabei sind sowohl elektrische als auch mechanische Brücken einfach realisierbar.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Membranstruktur (11) mit feststehendem Gegenelement (12), ausgehend von einem p-dotierten Si-Substrat (1), gekennzeichnet durch die folgenden Prozessschritte n-Dotierung mindestens eines zusammenhängenden gitterförmigen Bereichs (2) der Substratoberfläche; (Fig. Ia) - porös Ätzen eines Substratbereichs (3) unterhalb der n-dotierten Gitterstruktur (2); (Fig. lb-c) Oxidation des porösen Siliziums; (Fig. Id)
Erzeugen mindestens einer Opferschicht (5) über der n-dotierten Gitterstruktur (2); (Fig. Ie) - Abscheidung und Strukturierung mindestens einer dicken Epitaxieschicht (7); (Fig. lf-g)
Entfernen der Opferschicht (5) zwischen der dicken Epitaxieschicht (7) und der n-dotierten Gitterstruktur (2) und Erzeugen einer Kaverne (10) im Si-Substrat (1) unterhalb der n- dotierten Gitterstruktur (2) durch Entfernen des oxidierten porösen Siliziums (oxPorSi) ; (Fig. Ih) so dass die freigelegte n-dotierte Gitterstruktur (2) eine Membranstruktur (11) bildet und in der strukturierten dicken Epitaxieschicht (7) mindestens ein feststehendes Gegenelement (12) ausgebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die n-Dotierung (20) der Substratoberfläche und der poröse Substratbereich (3) unterhalb der n-Dotierung (20) so ausgelegt werden, dass die gitterförmige Membranstruktur (21) über n-dotierte Stege (23) mit dem Randbereich der Kaverne (10) im Si-Substrat (1) verbunden ist. (Fig. 2)
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Membranaufhängung realisiert wird, indem die Opferschicht (35) im Bereich der n- dotierten Gitterstruktur (32) strukturiert wird, so dass die dicke Epitaxieschicht (37) in einem Kontaktbereich direkt auf der n- dotierten (32) Gitterstruktur abgeschieden wird. (Fig. 3a, b)
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Opferschicht (5) und die dicke Epitaxieschicht (7) so strukturiert werden, dass das feststehende Gegenelement (12) sowohl gegen das Substrat (1) als auch gegen die Membranstruktur (11) elektrisch isoliert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zur Realisierung einer Membranaufhängung - mindestens eine erste Opferschicht (451) über der n-dotierten Gitterstruktur (421, 422) ) erzeugt und im späteren Membranbereich strukturiert wird; (Fig. 4e) mindestens eine erste dünnere Epitaxieschicht (471) abgeschieden und im späteren Membranbereich strukturiert wird; (Fig. 4f) und - mindestens eine zweite Opferschicht (452) über dem späteren
Membranbereich erzeugt wird; (Fig. 4g) bevor die das feststehende Gegenelement (412) bildende dicke Epitaxieschicht (472) abgeschieden wird, so dass die erste Epitaxieschicht (471) in einem Kontaktbereich in direktem Kontakt zur n-dotierten Gitterstruktur (421) steht und eine mechanische Aufhängung für die Membranstruktur (411) bildet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Strukturierung der ersten dünneren Epitaxieschicht (571) und der poröse Substratbereich unterhalb der n-Dotierung (521, 522) so ausgelegt werden, dass die gitterförmige Membranstruktur über in der ersten dünneren Epitaxieschicht (571) ausgebildete Stege mit dem Randbereich der Kaverne im Si-Substrat verbunden ist. (Fig. 5)
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die erste dünnere Epitaxieschicht (471; 571) zur Realisierung von vergrabenen Leiterbahnen stark dotiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die n- dotierte Gitterstruktur (421), die Opferschichten (451, 452) und die Epitaxieschichten (471, 472) so strukturiert werden, dass eine vollständige elektrische Isolation der n-dotierten Gitterstruktur (421) gegen das Substrat (41) erzielt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem - die erste dünnere Epitaxieschicht (671) so strukturiert wird, dass über dem späteren Membranbereich ein Epitaxiebereich verbleibt; (Fig. 6a) und bei der Strukturierung der zweiten Opferschicht (652) über diesem Epitaxiebereich mindestens eine Struktur (654) erzeugt wird, (Fig. 6b) so dass die dicke Epitaxieschicht (672) über diese Struktur (654) mit der ersten dünneren Epitaxieschicht (671) verbunden ist und zusammen mit der ersten dünneren Epitaxieschicht (671) ein mehrstufiges feststehendes Gegenelement (612) bildet. (Fig. 6c-e)
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Rückseitenzugang zur Membranstruktur (411) erzeugt wird, indem im Bereich der zu erzeugenden Kaverne (410) , von der Substratrückseite ausgehend mindestens eine Zugangsöffnung (702) erzeugt wird. (Fig. 7b)
11. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung eines mikromechanischen Mikrofons mit kapazitivem Wandlerprinzip, insbesondere einer Mikrofonmembran, die zwischen zwei feststehenden Gegenelektroden angeordnet ist.
12. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung eines kapazitiven Beschleunigungssensors mit Sensierrichtung senkrecht zur Substratoberfläche.
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