WO2011101291A1 - Mems-mikrofon und verfahren zur herstellung - Google Patents

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WO2011101291A1
WO2011101291A1 PCT/EP2011/052019 EP2011052019W WO2011101291A1 WO 2011101291 A1 WO2011101291 A1 WO 2011101291A1 EP 2011052019 W EP2011052019 W EP 2011052019W WO 2011101291 A1 WO2011101291 A1 WO 2011101291A1
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WO
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membrane
layer
layers
region
area
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PCT/EP2011/052019
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English (en)
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Inventor
Pirmin Hermann Otto Rombach
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Epcos Ag
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Publication date
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/0078—Constitution or structural means for improving mechanical properties not provided for in B81B3/007 - B81B3/0075
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
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    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • MEMS microphones Micro Electro Mechanical System
  • the microphones have a fixed electrode and a spaced apart, deflectable by sound membrane, wherein the degree of deflection or the changing distance between the solid electrode and
  • Membrane can be read electrically. In most cases, these MEMS microphones function according to the capacity principle, in which the capacitance between the fixed electrode and the diaphragm is read from ⁇ which varies with the deflection of the diaphragm.
  • MEMS microphones can be manufactured easily and cheaply, but usually have the disadvantage of a
  • Sensitivity can be set.
  • a disadvantage of this featured microphone is proposed there complicated and expensive manufacturing process that makes it difficult to reproduce safely and thus mass production.
  • Object of the present invention is therefore, a
  • a microphone is specified in MEMS construction, which is constructed on a substrate which comprises at least silicon.
  • a structured layer structure which has various functional layers required for the functions of the microphone: a lower solid electrode, above which a membrane and above an upper solid electrode.
  • Each of the functional layers may comprise one or more sublayers. At least one of the partial layers is in each case designed to be electrically conductive.
  • the membrane is divided into different areas, which have different functions.
  • the membrane has an outer edge region which completely encloses a freely oscillating region. Within the free oscillating region, the membrane has substantially planar surfaces.
  • a significant portion of the outer edge area is formed by an anchor area in which the Membrane between the lower and upper fixed electrode is fixed against a vertical deflection. Sent off from the anchor area remains in the outer edge region, a connection area in which an electrical supply line to the membrane is arranged.
  • an opening extending through the entire layer thickness is provided, in which, in terms of area, the entire freely oscillating region of the membrane is exposed or accessible from below through the substrate.
  • the anchor region of the membrane is preferably arranged outside the aperture above the substrate surface or above an inner edge region of the substrate.
  • the measurement signal is composed of the capacitance changes of a first and a second capacitance, which form between the lower solid electrode and the membrane or between the membrane and the upper solid electrode.
  • each of the two capacitors is "biased" by a DC bias voltage with the two bias voltages being applied to each other out of the
  • Capacitance changes resulting voltage changes each other act in opposite directions and thus positively add up in a differential amplifier.
  • the microphone has an improved SNR ratio, which can be improved up to 3 dB. This allows either the microphone at the same
  • the differential readout of the measurement signal also makes it possible to eliminate interference if it has a symmetrical effect on both capacitances.
  • Sensitivity can also be increased so far by a correspondingly large-area membrane, that the MEMS microphone according to the invention is even suitable for the high-end sector.
  • all sub-layers of the layer structure are directly above one another
  • Anchor area is fixed in the original layer composite.
  • This layer composite may comprise further layers that are not partial layers of the functional layers.
  • Fixation of the membrane in the anchor area can therefore be between Sublayers of the adjacent functional layers or between sub-layers of the membrane and other layers different from said functional layers take place.
  • the membrane in a transversely to the layer plane considered cross-section on a height profile, which in addition to the essentially lent plan designed, free-swinging area has at least one bulge.
  • the bulge is designed to serve as a spacer of the membrane to the lower solid electrode.
  • a partial layer not belonging to the functional layers to be arranged in the layer composite between the lower end of the bulge and the fixed electrode.
  • the upper fixed electrode in the anchor region of the membrane may have a second bulge with which the upper solid electrode is supported on the membrane.
  • This second bulge serves as a spacer, here between the membrane and the upper electrode.
  • the second bulge can also be fixed in the original layer composite, in which the partial layers are firmly connected to one another by direct deposition.
  • the second bulge can also rest only loosely on the lower fixed electrode.
  • first and second bulges a secure vertical fixation of the membrane can be achieved in the anchor area. If the first and second projections only loosely on the adjacent function layers, so the membrane is vertically fixed while laterally but free Move ⁇ Lich. This allows a lateral movement of the membrane, which supports in particular the deflection of the membrane under the action of sound pressure. In this way, it is possible to change the characteristic of the microphone in the desired manner.
  • connection within at least one sub-layer of the membrane to a contact arranged outside the active region.
  • insulating layers are arranged between the bottom electrode and the membrane and between the membrane and the top electrode outside the active region enclosed by the incision.
  • Insulation layers may be formed in particular from silicon dioxide S1O 2 .
  • Electrically conductive partial layers of the functional layers may be formed of polysilicon, which is then preferably doped conductive.
  • the polysilicon layers may be provided with a p- or n-type doping and be highly doped, for example, with boron or phosphorus. However, other dopants in the polysilicon are also possible. Layer, as far as they can provide them with a suitable conductivity.
  • the lower solid electrode has a double layer of a silicon nitride layer and a polysilicon layer.
  • the membrane preferably has a symmetrical construction which assists in uniform deflection in both directions and increases the mechanical stability of the membrane.
  • the symmetrical structure therefore consists in particular of three partial layers, in which the named highly doped polysilicon layer is adjacent on both sides by a respective silicon nitride layer.
  • the upper fixed electrode may also have one or more partial layers, but in the simplest embodiment it consists of a conductive layer as the sole partial layer, in particular of a polysilicon layer.
  • an improved method for the production of the MEMS according to the invention is provided.
  • sacrificial layers are etched, which are produced in the original layer composite between the functional layers.
  • the sacrificial layers are removed at least in the freely oscillating region of the membrane in the layer regions between the membrane and the two fixed electrodes, so that the necessary distance between the functional layers relative to one another is ensured with the free space created thereby.
  • the method comprises the following steps: a) One or more partial layers for a lower solid electrode are deposited on a substrate one above the other. b) The sub-layers of the lower solid electrode are patterned by a lithographic etching process.
  • a second insulating layer is deposited in conformance over the lower solid electrode, which is subsequently applied to e.g. is planarized in a polishing step. Likewise, one or more sublayers are deposited for a membrane. d) The partial layers of the membrane are structured by a lithographic etching process.
  • a third insulation layer and at least one or more sub-layers for an upper solid electrode are deposited over the membrane.
  • Insulation layer generated.
  • a through opening is etched below an active region of the membrane.
  • the insulating layers serving as sacrificial layers are removed in the active region by isotropic wet etching.
  • the first insulating layer may be selected to serve as an etch stop layer for the etching of the aperture made by the layered surface opposite surface of the silicon substrate.
  • the second and the third insulating layer are preferably formed as a sacrificial layer, which are removed during the process step j) in the active region by etching.
  • the fourth insulating layer serves to protect the upper fixed electrode during the formation of the contact holes, during the production of the contacts in the contact holes, during the etching of the opening of the silicon substrate and last but not least during the removal of the sacrificial layers formed by the second and third insulating layers.
  • CVD low-pressure CVD process
  • other insulating layers and sacrificial layers are also suitable, in particular if they can be etched selectively.
  • RIE methods reactive ion etching methods
  • the upper and lower solid electrodes are structurally limited in area and provided in the active area with a pattern of through holes, which later allow the removal of the sacrificial layers and form the channels for the sound passage to the membrane during operation of the microphone.
  • S1O 2 generated S1O 2
  • CMP chemical mechanical polishing
  • Membrane according to this embodiment also has a plane surface, so that a deposited over the third insulating layer not to be planarized
  • the unevenness, the unevenness occurring by the structuring edge after the structuring of the membrane only affect those areas which are not assigned any function in the microphone, so that there is also no strict parallelism of the partial layers or parallelism of the corresponding surfaces required.
  • the sublayers of the functional layers become so
  • each of the functional layers ⁇ exactly with a desired mechanical stress to produce, that of to ensure optimum performance and in particular for the deformation of the functional layers during
  • the active area of the microphone is determined by the area which lies within the said incision through the sublayers of the membrane and within the one
  • the size of the area of the active area determines, in addition to the distance, the capacitance value that the
  • the contact holes are produced to electrically conductive partial layers of each functional layer.
  • a lithography is performed and etched the contact holes to the desired depth. It is again possible to implement a RIE method which selectively etches the insulating layers against the functional layers.
  • the uppermost RIE method which selectively etches the insulating layers against the functional layers.
  • Partial layer which is in particular a silicon nitride layer can be removed with a subsequent separate etching step in the region of the bottom of the contact hole.
  • the contacts themselves are preferably constructed of three sub-layers.
  • a base metallization is deposited, for example, in a PVD process (PVD - physical vapor deposition, eg sputtering or vapor deposition) and then removed outside the contact holes, for example in a lithographic etching process.
  • PVD physical vapor deposition
  • a conductive layer of an electrically well conducting and well depositable metal is formed on the base ⁇ metallization.
  • a covering layer is selectively above or a top layer be applied ⁇ which serves to passivate the conductive layer and for producing a bondable and solderable surface.
  • Conductive layer is nickel, while the cover layer is a noble metal such as e.g. Includes gold or platinum.
  • the now completed layer structure can now be covered with a resist and lithography for defining the opening can be carried out on the underside of the substrate.
  • Lithography lacquer and resist may comprise the same material.
  • the aperture can then be etched with an anisotropic etching process until the first insulating layer is exposed.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • Steep to vertical side walls of the opening have the advantage that it can minimize the area required by the chip, which is required for the construction of the microphone. A smaller size makes the microphone more versatile and reduces costs.
  • the sacrificial layers in the free-running region of the membrane are removed.
  • an isotropic etching process is used to completely remove the sacrificial layers even in shaded areas between the solid electrodes and the membrane.
  • a VHF (vapor HF etch) process which works with steam or gaseous hydrogen fluoride or hydrofluoric acid.
  • This etching process works selectively against silicon dioxide and silicon nitride, so that corresponding sub-layers of the functional layers thereof are not or only slightly attacked.
  • the removal of the sacrificial layers is done only free-running area, so that the edge area, so the anchor area and in the connection area of the original layer composite is maintained. So the membrane is fixed all around in this layer composite.
  • reactive surfaces can be passivated and saturated with unreactive groups.
  • SAM seif assembling monolayer
  • molecules having an elongate residue are attached to the reactive surfaces of the microphone by means of a reactive group at one end of the molecule, where they form a monolayer, ie a monomolecular film with a thickness of one molecule length.
  • the other end of the residue is chemically inert and preferably also has little physical interaction with other materials. If the rest, for example, a fluorinated alkyl radical, so judge the radicals with the inert ends parallel to each other and perpendicularly protruding from the surface. As a result, the surface is passivated, can no longer oxidise or corrode and is also water and dust repellent.
  • the microphone is ready for use.
  • it can be connected via the contacts with a corresponding control and evaluation circuit.
  • This can be realized as a separate component or module.
  • it is also possible to integrate at least parts of this circuit in the semiconductor body of the silicon substrate.
  • Figure 1 shows a cross section through a with a first
  • Figure 2 shows a cross section through this structure with a
  • FIG. 3 shows the arrangement for edge-covering deposition of an insulation layer
  • FIG. 4 shows the arrangement after planarization
  • Figure 5 shows the arrangement after generating a second
  • FIGS. 6A and 6B show two different cross sections of
  • Figure 7 shows the arrangement after the generation of the third
  • FIG. 9 shows the arrangement after the generation of another
  • FIG. 10 shows the arrangement after the creation of contact holes and contacts therein
  • FIGS 12A and 12B show various cross sections through the
  • FIGS. 13A to 13F show various process stages in the
  • Figures 14A and 14B show two different cross sections through a finished microphone according to the second
  • FIGS. 15A and 15B show two different cross sections through
  • FIGS. 16A and 16B show two different cross sections through
  • Figures 17A and 17B show two different cross sections through a finished microphone according to the first variant
  • Figure 18 is a plan view of a membrane together
  • Insulation layers in the anchor region according to the first embodiment are Insulation layers in the anchor region according to the first embodiment
  • Figure 19 is a plan view of a membrane according to the second
  • FIG. 1 shows, in a schematic cross-section, a substrate SU with a first sub-layer structure, which has a first sub-layer structure
  • Insulation layer ISl and two sub-layers of the lower fixed electrode FEI includes.
  • a substrate for example, silicon, which at a thickness of about 400 ym a
  • a first insulation layer IS1 is applied, for example, a 1 .mu.m thick Si0 2 layer, which is deposited in a TEOS process.
  • the first functional layer is the lower fixed electrode FEI, for which one or more of the first partial layer FEH Silicon nitride layers in an LPCVD process in a layer thickness of, for example, 1 ym is applied. The process is controlled so that the silicon nitride layer has a superstoichiometric content of silicon.
  • the second sub-layer FE12 of the lower fixed electrode is one or more polysilicon layers, which is also applied in an LPCVD method.
  • the polysilicon layer FE12 is highly doped in situ with an n- or a p-type dopant (for example boron or phosphorus), that is to say provided with a B ++ or P ++ doping.
  • FIG. 1 shows the arrangement on this process stage. As can be seen, the substrate SU is due to the selected coating method except on the top with the n- or a p-type dopant (for example boron or phosphorus), that is to say provided with a B ++ or P ++ doping.
  • FIG. 1 shows the arrangement on this process stage. As can be seen, the substrate SU is due to the selected coating method except on the top with the
  • Layer structure also co-coated on the underside of the substrate SU.
  • the underside coating is even advantageous, since in this way the substrate SU is subjected to less stress during thermal processes during the layer deposition. So is an unbalanced
  • FIG. 2 shows the arrangement after the structuring of the lower fixed electrode FEI.
  • the solid electrode is shown only as a uniform functional layer, but still includes the two
  • holes LO serve as a sound holes on the one hand and on the other hand allow access of the etchant during subsequent removal of the sacrificial layer.
  • the structuring of the lower fixed electrode FEI succeeds, for example, with a RIE etching process.
  • Figure 3 shows the arrangement according to the edges covering
  • the total height of the insulating layer reaches at least the level of the upper side of the lower fixed electrode FEI.
  • 2.2 ym are suitable for the further insulation layer.
  • the further insulation layer IS and first insulation layer IS1 combine due to the same deposition conditions to form a homogeneous layer, which in the figure thereby
  • FIG. 4 shows the arrangement according to a planarization process, in which the insulation layer IS from the top to the level of the upper partial layer FE12 of the lower
  • Solid electrode FEI is ground off. This can
  • FIG. 5 shows the arrangement after the deposition of a second insulation layer IS2 and three partial layers for the membrane M.
  • the second insulation layer IS2 is again referred to as an SiO 2 layer in a TEOS-LPCVD process in one
  • a first partial layer TSM1 is first applied as a silicon-rich silicon nitride layer in an LPCVD process in a layer thickness of, for example, 120 nm.
  • a approximately 300 nm thick polysilicon layer is applied as the second partial layer TSM2, and thereby with a
  • the top and third sub-layers TSM3 of the membrane M is again a 120 nm thick
  • Silicon nitride layer which is applied in a known manner.
  • the cross-sectionally symmetrical structure of the membrane prevents the sub-layers from becoming asymmetrical
  • FIG. 6A shows a first cross section through the arrangement after the structuring of the membrane.
  • a lithography is carried out and the structuring is carried out in an RIE etching process, which is designed for the etching of polysilicon and silicon nitride.
  • the two layers can be etched by continuously changing the etching atmosphere under different conditions.
  • the membrane M is etched by continuously changing the etching atmosphere under different conditions.
  • Figure 6B shows a cross section in which the membrane is bounded by the incisions SL or is defined as the area between the incisions. A part of Layer areas outside of the area bounded by the incisions SL remains for the composite in the
  • Figure 6A shows a cross-section through the terminal region of the membrane, in which the sub-layers of the membrane are led out of the freely oscillating region to provide a lead for later contact.
  • FIG. 7 shows the arrangement after the deposition of at least one further insulation layer IS and the upper one
  • a planarization is not required here due to the small structural width of the incision SL.
  • a third insulation layer in the form of a 2 ⁇ ym thick Si02 layer is first applied in a TEOS LPCVD process on the membrane M.
  • a poly silicon layer approximately 3 ⁇ m thick is applied in an LPCVD process to FIGS.
  • Insulation layer IS3 applied while in situ
  • FIG. 8 shows the arrangement after the structuring of the upper solid electrode FE2, which in turn can be carried out with lithographic support by means of an RIE etching process, which is adjusted to the etching of polysilicon.
  • the third insulation layer IS3 serves as an etching stop layer.
  • the upper fixed electrode FE2 overlaps the active region and is structured in such a way that it is larger in area than the region of the membrane defined by the incisions SL.
  • the upper fixed electrode FE2 is also provided with holes LO which fulfill the same purpose as the holes in the lower fixed electrode FEI already mentioned.
  • a further insulation layer IS is applied over the structured upper solid electrode, for example a 300 nm thick SiO 2 layer, which is applied in a TEOS-LPCVD process. This completely covers the structured upper solid electrode FE2 also in the holes and at the structuring edges.
  • FIG. 9 shows a first contact hole KL1, in which the lower fixed electrode FEI is exposed, a second contact hole KL2, in which the polysilicon layer of the membrane is exposed, and a third contact hole KL3, in which the polysilicon layer of the upper, fixed electrode FE2 is exposed.
  • Not shown are possible further contact holes to one of the functional layers mentioned or to the substrate SU comprising, for example, Si, into which semiconductor components or IC circuits can be integrated.
  • contacts KO are generated in the contact holes.
  • a base metallization, a conductive layer and a cover layer are produced one above the other.
  • the base layer is deposited and structured over its entire surface.
  • the conductive layer and the overcoat selectively grow over the patterned base metallization. Suitable layers are for example, 1 ym aluminum for the Grundmetalli ⁇ tion, 3 ym nickel for the conductive layer and Au 300 nm for the top layer.
  • an aperture DB is lithographically defined by the silicon substrate SU and anisotropically etched by a DRIE method.
  • a protective layer in particular with the lacquer used for lithography.
  • the first insulating layer serves directly on the substrate as an etching stop layer.
  • FIG. 11 shows the arrangement after production of the finished opening DB. In the next step, they will become the sacrificial layers
  • insulating layers IS serving areas of the insulating layers IS, in particular in the free-swinging area between lower solid electrode FEI, membrane and upper fixed electrode FE2, and the other superficially applied insulating layers removed.
  • Figure 12A shows a first cross-section through the structure thus obtained, in which the microphone is largely completed. While the cross section of FIG. 12A is guided by the connection region of the membrane M and the associated contact K02, the cross section of FIG. 12B shows a membrane region which is galvanically separated on both sides by the incisions SL from outer remaining surface regions of the sublayers forming the membrane. It has been shown that the isotropic VHF etching process leads to slight undercutting of the insulation layers. Nevertheless, remains in the anchor area, which corresponds to the outer edge region of the defined by the incisions SL membrane, the original layer composite remains, the outer edge region, in particular the anchor region, in this
  • FIGS. 17A and 17B show corresponding cross sections in a different representation.
  • FIG. 17A shows that the
  • FIG. 13 The production of a microphone according to a second embodiment is shown in FIG. 13 on the basis of several specific ones
  • first recesses VI are now produced in the second insulation layer IS2. These are defined by lithography and generated by a RIE etching process. The etching process is adjusted so that the recesses VI have a conical cross section and at the bottom of the recesses, the uppermost sublayer of the lower Fest ⁇ electrode is achieved.
  • the recesses have any but preferably round diameter and are along a line parallel to the outer edge region
  • FIG. 13A shows the opened recesses VI.
  • a separation layer is generated and TRI an about 50 nm thick Si0 2 layer deposited to a TEOS LPCVD process.
  • the separation layer TRI serves to provide a SiO 2 layer with a defined layer thickness above the lower fixed electrode.
  • Figure 13B shows the arrangement at this stage of the process.
  • depressions bulges SKI of the membrane form These bulges of the membrane and the lower solid electrode are separated only by the separation layer TS, in the rest Regions of the membrane is the full thickness of the second insulating layer IS2 between the membrane and lower solid electrode.
  • the third insulation layer IS3 as in the first embodiment as a 2 ym thick Si0 2 layer is applied over the entire surface.
  • second recesses V2 are generated. These are also produced as round openings with a conical cross section and in a surface area which is adjacent to the first bulges SKI but between them
  • FIG. 13E shows the second separation layer TR2
  • the upper fixed electrode ym thick poly is FE2 corresponding to the first execution ⁇ such as a silicon layer 3 is deposited and patterned.
  • Figure 13F shows the arrangement at this stage of the process. Since the polysilicon layer of the second solid electrode FE2 follows the topography of the third insulation layer IS3 or the release layer TR2 applied over it, it forms second indentations SK2 in the region of the second recesses V2 and in the depressions arranged adjacent thereto and corresponding to the first protrusions. The generation of the contacts, the etching free of the opening DB and the removal of the sacrificial layers is carried out as in the first embodiment. A microphone completed in this way according to the second embodiment is shown in cross section in FIGS. 14A and 14B. From the figure can be clearly seen that the membrane in the anchor area
  • the membrane M is vertically fixed by the first protrusions SKI of the membrane M rest on the lower fixed electrode FEI and the membrane are fixed from above through the second protrusions SK2 of the upper fixed electrode FE2 with little vertical clearance.
  • the insulating layers IS serving as sacrificial layers are etched back so far in this exemplary embodiment that the membrane is also completely exposed even in the edge region. Accordingly, the membrane M, as shown in Figure 14A, laterally, ie in the
  • FIG. 14B shows a section through the second contact K02 and the associated connection region of the membrane M, in which the membrane layers are led to the outside.
  • the membrane is fixed only in the connection region in the original layer composite, ie between the second and third insulation ⁇ layer.
  • the surface areas of the first and second bulges, corresponding to the sum of the cross sections, are minimized in order not to exert too much influence on the capacitances between the membrane and the two fixed electrodes, so that they are still essentially determined by the distance between the fixed electrodes and the membrane.
  • FIG. 14 also shows a substrate contact KOS, which
  • FIGS. 15A and 15B show two schematic cross sections through a further variant of the microphone. This is a combination of the first and second embodiment ⁇ example. First, it is characterized by the fact that the membrane is fixed in the edge region in the original layer composite, which here forms the anchor region AA.
  • first bulges are provided in the membrane sub-layers, but outside the free-oscillating region, which by the
  • Slits SL is defined, are arranged.
  • the lower solid electrode in the second insulation layer IS2 (between membrane and lower solid electrode) in a strip-shaped region outside the incisions, the lower solid electrode
  • the membrane is subsequently produced so that it comes into direct contact with the lower solid electrode in the strip-shaped structured zone.
  • the second depressions in the third insulating layer can also form a structure line, which is guided annularly around the membrane in the projection onto the layer plane and only leaves out the connection region of the membrane.
  • these patterns lead to the fact that, outside the active region, the lower solid electrode and the membrane in the region of the first bulges, as well as the upper solid electrode FE2 in FIG Area of the second bulges in direct contact with each other. This direct contact guarantees that even too much undercutting under the upper electrode and membrane will result in complete free etching of one of the
  • FIG. 15B again shows the section through the connection region and the associated contact K02 of the membrane. In the connection area, the membrane is extended beyond the active area in a narrow area and led to the contact K02.
  • FIG. 16A shows a further variant for the structuring of a microphone, in which the structural edges of the membrane in the outer edge region are completely etched free.
  • the membrane In the anchor area AA, the membrane is fixed by first bulges vertically against the lower fixed electrode, while second bulges ⁇ press the upper fixed electrode from above on the edge region of the membrane and fix it from above.
  • second and third insulating layers are in one before the application of membrane or upper solid electrode
  • FIG. 16B shows in section through the connection region and the contact of the membrane that only the connection region has a different layer composite.
  • the membrane is completely surrounded by insulating layers only in the connection area and thus better insulated against the two fixed electrodes.
  • FIG. 18 shows a possible structuring of the membrane M in a schematic plan view. The membrane is above the
  • the edge region of the membrane thus rests on the second insulation layer and can form an anchor region.
  • the incision SL separates outer regions AU of the membrane sublayers from the (electrically) active membrane.
  • the connection area is routed to a contact KO.
  • the third insulation layer IS may be structured similarly to the second insulation layer IS, so that their anchor regions coincide in terms of area and fix the membrane there from above and below.
  • FIG. 19 shows a membrane M whose edge region is free of underlying second insulation layer IS2.
  • the anchor region is formed by the first bulges SKI of the membrane and the second bulges, not shown, of the upper fixed electrode.
  • the second insulation layer IS2 is below the outer region AU of the membrane part ⁇ layers, ie outside of the incision SL

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Abstract

Es wird eine verbessertes Verfahren zur Herstellung eines MEMS Mikrofons mit doppelter Festelektrode angegeben, das zu einem ebenfalls in den Eigenschaften verbesserten Mikrofon führt.

Description

Beschreibung
MEMS-Mikrofon und Verfahren zur Herstellung Für Kommunikationsanwendungen werden zunehmend MEMS-Mikrofone (MEMS = micro electro mechanical System) eingesetzt, die mittels mikromechanischer Abscheide- und Strukturierungs- prozesse auf insbesondere kristallinen Substraten aufgebaut werden können. Die Mikrofone weisen eine Festelektrode und eine im Abstand dazu angeordnete, durch Schall auslenkbare Membran auf, wobei der Grad der Auslenkung beziehungsweise der sich verändernde Abstand zwischen Festelektrode und
Membran elektrisch ausgelesen werden kann. Zumeist funktionieren diese MEMS-Mikrofone nach dem Kapazitätsprinzip, bei dem die Kapazität zwischen Festelektrode und Membran aus¬ gelesen wird, die sich mit der Auslenkung der Membran ändert.
MEMS-Mikrofone können einfach und kostengünstig hergestellt werden, haben jedoch üblicherweise den Nachteil einer
geringen Sensitivität . Darüber hinaus können sie gegenüber zu hohen Schalldrucken empfindlich sein.
In einem Artikel von P. Rombach, M. Müllenborn, U. Klein und K. Rasmussen: „The first voltage, low noise differential Silicon microphone, technology development and measurement results" in Sensors and Actuators A3124 (2001), Seiten 1 bis 6, wird erstmals ein auf dem Kapazitätsprinzip basierendes MEMS-Mikrofon beschrieben, bei dem die Membran symmetrisch zwischen zwei Festelektroden angeordnet ist. Dieses Mikrofon kann nun differenziell betrieben werden und kann daher prinzipiell ein doppeltes Signal liefern, mit dem sich ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und eine höhere
Sensitivität einstellen lässt. Nachteilig an diesem vorgestellten Mikrofon ist das dort vorgeschlagene komplizierte und aufwendige Herstellungsverfahren, das eine sichere Reproduktionsfähigkeit und damit eine Massenfertigung erschwert .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
bezüglich seiner Mikrofoneigenschaften verbessertes MEMS- Mikrofon anzugeben, welches sich einfach und ohne unzulässig erhöhten Verfahrensaufwand mit doppelter Festelektrode herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrofon nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrofons sind
Gegenstand weiterer Ansprüche.
Es wird ein Mikrofon in MEMS-Bauweise angegeben, welches auf einem Substrat aufgebaut ist, welches zumindest Silizium umfasst. Auf dem Substrat ist ein strukturierter Schicht- aufbau angeordnet, der verschiedene für die Funktionen des Mikrofons erforderliche Funktionsschichten aufweist: Eine untere Festelektrode, darüber eine Membran und darüber eine obere Festelektrode. Jede der Funktionsschichten kann eine oder mehrere Teilschichten umfassen. Zumindest eine der Teilschichten ist jeweils elektrisch leitend ausgebildet.
Die Membran ist in verschiedene Flächenbereiche aufgeteilt, denen unterschiedliche Funktionen zukommen. So weist die Membran einen äußeren Randbereich auf, der einen frei schwingenden Bereich vollständig umschließt. Innerhalb des frei schwingenden Bereichs weist die Membran im Wesentlichen plane Oberflächen auf. Ein wesentlicher Anteil des äußeren Randbereichs wird von einem Ankerbereich gebildet, in dem die Membran zwischen unterer und oberer Festelektrode gegen eine vertikale Auslenkung fixiert ist. Vom Ankerbereich ausgespart verbleibt im äußeren Randbereich ein Anschlussbereich, in dem eine elektrische Zuleitung zur Membran angeordnet ist.
Im Substrat ist eine durch die gesamte Schichtdicke hindurch reichende Durchbrechung vorgesehen, in dem flächenmäßig der gesamten frei schwingende Bereich der Membran frei gelegt bzw. von unten durch das Substrat hindurch zugänglich ist. Der Ankerbereich der Membran ist vorzugsweise außerhalb der Durchbrechung über der Substratoberfläche beziehungsweise über einem inneren Randbereich des Substrat angeordnet.
Mit dieser Anordnung ist gewährleistet, dass die Membran vertikal zwischen den beiden Festelektroden fixiert ist, so dass eine symmetrische Anordnung zwischen den beiden
Festelektroden stabilisiert ist und sich nach Auslenkung der Membran immer wieder einstellen kann. Nur so gelingt es, dass Auslenkungen der Membran aus der durch die Fixierung
bestimmten Ruhelage an beiden Festelektroden zu einem gleich großen Signal führen beziehungsweise eine betragsmäßig gleich große Änderung der Kapazitätswerte liefert. Damit ist ein echtes differentielles Auslesen des Messwertes zumindest für kleine Auslenkungen möglich.
Das Messsignal setzt sich dabei aus den Kapazitätsänderungen einer ersten und einer zweiten Kapazität zusammen, die sich zwischen unterer Festelektrode und Membran beziehungsweise zwischen Membran und oberer Festelektrode ausbilden. Während des Betriebs wird jeder der beiden Kondensatoren durch eine DC-BIAS-Spannung „vorgespannt" wobei die beiden BIAS- Spannungen so angelegt werden, dass die sich aus den
Kapazitätsänderungen ergebenden Spannungsänderungen einander entgegengesetzt wirken und sich somit in einem Differenzverstärker positiv aufaddieren.
Mit der beschriebenen Fixierung der Membran im Ankerbereich wird verhindert, dass die Membran in Folge der nicht 100- prozentig symmetrischen elektrostatischen Kräfte, die Membran durch einseitig wirkende elektrostatische Kräfte aus der symmetrischen Ruhelage ausgelenkt wird, damit wird auch garantiert, dass bei der Auslenkung durch einen Schalldruck bereits ein maximales Signal ausgelesen werden kann.
Das Mikrofon weist ein verbessertes SNR ratio ( Signal-Rausch- Verhältnis) auf, das bis zu 3 dB verbessert sein kann. Diese ermöglicht es, entweder das Mikrofon bei gleicher
Empfindlichkeit auf geringerer Chipfläche auszubilden oder bei gleich bleibender Chipfläche mit höherer Empfindlichkeit zu versehen.
Die differenzielle Auslesung des Messsignals ermöglicht darüber hinaus eine Elimination von Störungen, sofern sie sich symmetrisch auf beide Kapazitäten auswirkt. Die
Sensitivität kann zudem durch eine entsprechend großflächig ausgebildete Membran so weit gesteigert werden, dass das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon sogar für den High-End-Bereich geeignet ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind alle Teilschichten des Schichtaufbaus direkt übereinander als
Schichtverbund erzeugt, wobei die Membran zumindest im
Ankerbereich im ursprünglichen Schichtverbund fixiert ist. Dieser Schichtverbund kann weitere Schichten umfassen, die nicht Teilschichten der Funktionsschichten sind. Die
Fixierung der Membran im Ankerbereich kann daher zwischen Teilschichten der benachbarten Funktionsschichten oder zwischen Teilschichten der Membran und anderen von den genannten Funktionsschichten verschiednen Schichten erfolgen. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Membran im Ankerbereich eine erste Ausbuchtung auf, mit der sie sich auf der unteren Festelektrode abstützt. Mit dieser Ausbuchtung weist die Membran in einem quer zur Schichtebene betrachteten Querschnitt ein Höhenprofil auf, das neben dem im Wesent- liehen plan ausgebildeten, frei schwingenden Bereich die zumindest eine Ausbuchtung aufweist. Die Ausbuchtung ist so gestaltet, dass sie als Abstandshalter der Membran zur unteren Festelektrode dient. Möglich ist es jedoch auch, dass zwischen dem unteren Ende der Ausbuchtung und der Fest- elektrode noch eine nicht zu den Funktionsschichten zählende Teilschicht im Schichtverbund angeordnet ist.
Im Bereich der Ausbuchtung können die Teilschichten im ursprünglichen Schichtverbund erhalten sein und daher die durch den Aufbau des Schichtverbunds bewirkten Schichtzu¬ sammenhalt aufweisen. Möglich ist es jedoch auch, dass die Membran mit der Ausbuchtung nur lose auf der unteren
Festelektrode aufsitzt. Zusätzlich kann die obere Festelektrode im Ankerbereich der Membran eine zweite Ausbuchtung aufweisen, mit der sich die obere Festelektrode auf der Membran abstützt. Auch diese zweite Ausbuchtung dient als Abstandshalter, hier zwischen Membran und oberer Festelektrode. Auch die zweite Ausbuchtung kann im ursprünglichen Schichtverbund fixiert sein, bei dem die Teilschichten durch direktes Abscheiden aufeinander fest miteinander verbunden sind. Die zweite Ausbuchtung kann aber auch nur lose auf der unteren Festelektrode aufliegen. Mit Hilfe von ersten und zweiten Ausbuchtungen kann im Ankerbereich eine sichere vertikale Fixierung der Membran erreicht werden. Liegen die ersten und zweiten Ausbuchtungen nur lose auf den jeweils benachbarten Funktionsschichten auf, so ist die Membran zwar vertikal fixiert aber lateral frei beweg¬ lich. Dies ermöglicht eine laterale Bewegung der Membran, die insbesondere die Auslenkung der Membran bei einwirkendem Schalldruck unterstützt. Auf diese Weise gelingt es, die Kennlinie des Mikrofons in gewünschter Weise zu verändern.
Außerhalb des Randbereichs und an diesen angrenzend ist ein Einschnitt durch die die Membran bildenden Teilschichten angeordnet, der die Größe der Membran definiert und den aktiven Bereich galvanisch von weiter außen liegenden
Flächenbereichen der die Membran bildenden Teilschichten trennt. Lediglich im Anschlussbereich ist eine leitende
Verbindung innerhalb zumindest einer Teilschicht der Membran zu einem außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Kontakt vorgesehen .
Gemäß einer Ausführung der Erfindung sind außerhalb des vom Einschnitt umschlossenen aktiven Bereichs Isolationsschichten zwischen unterer Festelektrode und Membran sowie zwischen Membran und oberer Festelektrode angeordnet. Diese
Isolationsschichten können insbesondere aus Siliziumdioxid S1O2 ausgebildet sein.
Elektrisch leitende Teilschichten der Funktionsschichten können aus Polysilizium ausgebildet sein, welches dann vor- zugsweise leitfähig dotiert ist. Die Polysiliziumschichten können mit einer p- oder n-Dotierung versehen sein und beispielsweise mit Bor oder Phosphor hoch dotiert sein. Möglich sind jedoch auch andere Dotierstoffe in der Polysilizium- Schicht, soweit sie diese mit einer geeigneten Leitfähigkeit versehen können.
Weitere Teilschichten der Funktionsschichten sind insbeson- dere Siliziumnitridschichten, die sowohl als elektrische Isolationsschichten als auch als mechanische Stabilisierungs¬ schichten dienen können. So weist die untere Festelektrode in einer bevorzugten Ausführungsform eine Doppelschicht aus einer Siliziumnitridschicht und einer Polysiliziumschicht auf.
Die Membran weist vorzugsweise einen symmetrischen Aufbau auf, der eine gleichmäßige Auslenkung in beide Richtunge unterstützt und die mechanische Stabilität der Membran erhöht. Der symmetrische Aufbau besteht daher insbesondere aus drei Teilschichten, bei denen die genannte hoch dotierte Polysiliziumschicht beiderseits von je einer Siliziumnitrid¬ schicht benachbart ist.
Auch die obere Festelektrode kann eine oder mehrere Teil- schichten aufweisen, besteht in der einfachsten Ausführung aber aus einer leitfähigen Schicht als einzige Teilschicht, insbesondere aus einer Polysiliziumschicht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein verbesser- tes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen MEMS-
Mikrofons angegeben. Dieses Verfahren zeichnet sich gegenüber dem bekannten in dem eingangs genannten Artikel von P.
Rombach et al . beschriebenen Verfahren dadurch aus, sämtliche Teilschichten des Schichtaufbaus und des Schichtverbunds sequenziell übereinander aufgebracht und von oben, also nur von einer Seite her strukturiert werden. Nur das Substrat wird nach der Herstellung des Substrataufbaus von unten geätzt, um die Durchbrechung unterhalb des frei schwingenden Bereichs zu erzeugen.
Gleichzeitig von oben und unten dagegen werden Opferschichten geätzt, die im ursprünglichen Schichtverbund zwischen den Funktionsschichten erzeugt sind. Die Opferschichten werden zumindest im frei schwingenden Bereich der Membran in den Schichtbereichen zwischen der Membran und den beiden Festelektroden entfernt, so dass mit dem dadurch geschaffenen Freiraum der nötige Abstand der Funktionsschichten zueinander gewährleistet ist.
Das Verfahren weist insbesondere die folgenden Schritte auf: a) Auf einem Substrat werden übereinander eine oder mehrere Teilschichten für eine untere Festelektrode abgeschieden. b) Die Teilschichten der unteren Festelektrode werden durch ein lithographisches Ätzverfahren strukturiert.
c) Über der unteren Festelektrode wird eine zweite Iso- lationsschicht konform abgeschieden, die daraufhin z.B. in einem Polierschritt planarisiert wird. Ebenso werden eine oder mehrere Teilschichten für eine Membran abgeschieden. d) Die Teilschichten der Membran werden durch ein lithographisches Ätzverfahren strukturiert.
e) Über der Membran werden eine dritte Isolationsschicht sowie zumindest eine oder mehrere Teilschichten für eine obere Festelektrode abgeschieden.
f) Die zumindest eine Teilschicht der oberen Festelektrode wird durch eine lithographisches Ätzverfahren strukturiert. g) Über der oberen Festelektrode wird eine vierte
Isolationsschicht erzeugt.
h) Es werden Kontaktlöcher zu elektrisch leitenden Teilschichten von unterer Festelektrode, Membran und oberer Festelektrode, sowie zum Substrat geätzt und anschließend darin Kontakte erzeugt.
i) Durch das Substrat hindurch wird unterhalb eines aktiven Bereichs der Membran eine durchgehende Durchbrechung geätzt. j) Die als Opferschichten dienenden Isolationsschichten werden im aktiven Bereich durch isotropes Nassätzen entfernt.
Die erste Isolationsschicht kann so gewählt werden, dass sie als Ätzstoppschicht für das Ätzen der Durchbrechung dienen kann, die von der dem Schichtaufbau gegenüberliegenden Oberfläche des Siliziumsubstrats durchgeführt wird. Die zweite und die dritte Isolationsschicht werden vorzugsweise als Opferschicht ausgebildet, die während des Verfahrensschritts j) im aktiven Bereich durch Ätzen entfernt werden. Die vierte Isolationsschicht dient insbesondere als Schutz der oberen Festelektrode während der Herstellung der Kontaktlöcher, während der Herstellung der Kontakte in den Kontaktlöchern, während der Ätzung der Durchbrechung des Siliziumsubstrats und nicht zuletzt während der Entfernung der durch die zweite und die dritte Isolationsschicht gebildeten Opferschichten. Ein bevorzugtes Material für sämtliche Isolations- und
Opferschichten ist Siliziumoxid, welches in einem LPCVD- Verfahren (Niederdruck-CVD-Verfahren) (CVD = chemical vapour deposition) aufgebracht werden können. Prinzipiell sind jedoch auch ander Isolationsschichten und Opferschichten geeignet, insbesondere wenn sie sich slektiv ätzen lassen.
Für die einfachste Ausführung des angegebenen MEMS-Mikrofons werden sämtliche Teilschichten des Schichtverbundes ganz- flächig auf jeweils planer oder planarisierter Oberfläche aufgebracht. Jede der Funktionsschichten wird nach der Aufbringung strukturiert, wobei die Strukturierung für sämtliche Teilschichten einer Funktionsschicht mit dem gleichen Ver- fahren durchgeführt werden kann. Insbesondere können dazu anisotrop wirkende reaktive Ionenätzverfahren (RIE-Verfahren) eingesetzt, die so eingestellt sein können, dass sie eine Selektivität gegenüber den jeweils darunter angeordneten Isolationsschichten aufweisen. So gelingt es, die Strukturierung bis zur jeweils darunter liegenden Isolationsschicht glatt und mit hohem Aspektverhältnis durchzuführen.
Obere und untere Festelektrode werden bei der Strukturierung flächenmäßig begrenzt und im aktiven Bereich mit einem Muster von durchgehenden Löchern versehen, die später das Entfernen der Opferschichten ermöglichen und die Kanäle für den Schall- durchlass zur Membran während des Betriebs des Mikrofons ausbilden .
Nach dem Strukturieren aller Teilschichten einer Funktionsschicht wird die nächste Isolationsschicht kantenbedeckend aufgebracht, vorzugsweise wieder in einem LPCVD-Verfahren, wobei als Isolationsschicht vorzugsweise aus TEOS (TEOS = Tetraethylorthosilicat = Si(OC2H5)4) erzeugtes S1O2 verwendet wird. Die Oberfläche der zweiten Isolationsschicht, die durch die darunter liegende strukturierte Festelektrode und das kantenbedeckende Aufbringverfahren uneben ist, wird in einem Planarisierungsverfahren eingeebnet, wozu insbesondere ein mechanisch oder ein chemisch-mechanisches Verfahren (zum Beispiel CMP = chemical mechanical polishing) eingesetzt werden kann. Anschließend kann eine gewünschte Schichtdicke der zweiten Isolationsschicht über der unteren Festelektrode durch Abscheiden einer weiteren Teilschicht eingestellt werden.
Die auf dementsprechend ebener Oberfläche aufgebrachte
Membran weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine plane Oberfläche auf, so dass eine darüber abgeschiedene dritte Isolationsschicht nicht planarisiert zu werden
braucht. Die Unebenheiten, die durch den Strukturierungsrand nach der Strukturierung der Membran auftretenden Unebenheiten betreffen nur noch solche Bereiche, denen keine Funktion im Mikrofon zugeordnet ist, so dass dort auch keine strikte Parallelität der Teilschichten beziehungsweise Parallelität der entsprechenden Oberflächen erforderlich ist. Die Teilschichten der Funktionsschichten werden so
strukturiert, dass die nach der Strukturierung verbleibenden Flächenbereiche mit maximaler gegenseitiger Überlappung übereinander zu liegen kommen. Die nach der Strukturierung verbleibenden Flächen der Funktionsschichten nehmen von unten nach oben ab, so dass Membran und obere Festelektrode jeweils vollständig innerhalb des verbleibenden Flächenbereichs der darunter liegenden Funktionsschicht angeordnet sind. Auf diese Weise gelingt es, Kontaktlöcher zu den jeweiligen
Funktionsschichten an Stellen vorzusehen, die nicht von einer darüber liegenden Funktionsschicht abgedeckt sind. Die Die vollständige bzw. maximale Überlappung garantiert auch ein maximales Signal und für den Schichtaufbau bzw. den Schicht¬ verbund eine maximale mechanische Stabilität. Gemäß dieser Ausführung sind sämtliche Teilschichten
sämtlicher Funktionsschichten plan und damit parallel
zueinander angeordnet. Im Ankerbereich und in den außerhalb davon liegenden Schichtbereichen der Funktionsschichten ist der ursprüngliche Schichtverbund erhalten, das sowohl in diesem äußeren Bereich als auch im Ankerbereich die durch die sequenzielle Abscheidung der Teilschichten direkt übereinander erreichte Schichtverbundsfestigkeit erhalten, die dort den gesamten Aufbau stabilisiert. In dieser Ausführung gelingt es auch in einfacher Weise, jede der Funktions¬ schichten genau mit einem gewünschten mechanischen Stress herzustellen, der für die optimale Funktion und insbesondere für die Deformation der Funktionsschichten während des
Betriebs des Mikrofons von entscheidender Bedeutung ist.
Der aktive Bereich des Mikrofons wird durch die Fläche bestimmt, die innerhalb des genannten Einschnitts durch die Teilschichten der Membran liegen und innerhalb der eine
Überlappung mit der normalerweise flächenmäßig größeren unteren Festelektrode sowie der oberen Festelektrode
stattfindet. Die Größe der Fläche des aktiven Bereichs bestimmt neben dem Abstand den Kapazitätswert, den die
Membran zu den beiden Festelektroden jeweils ausbildet.
Nach der Strukturierung der oberen Festelektrode werden die Kontaktlöcher zu elektrisch leitenden Teilschichten einer jeden Funktionsschicht erzeugt. Dazu wird eine Lithographie durchgeführt und die Kontaktlöcher bis zur gewünschten Tiefe geätzt. Es kann wieder ein RIE Verfahren eingeseetzt werden, welches die Isolationsschichten selektiv gegen die Funktionsschichten ätzt. Im Fall der Membran kann deren oberste
Teilschicht, die insbesondere eine Siliziumnitridschicht ist, mit einem anschließenden separaten Ätzschritt im Bereich des Bodens des Kontaktlochs entfernt werden.
Die Kontakte selbst werden bevorzugt aus drei Teilschichten aufgebaut. Zunächst wird ganzflächig eine Grundmetallisierung z.B. in einem PVD Prozess (PVD - Physical Vapour Deposition, z.B. Sputtern oder Aufdampfen) abgeschieden und anschließend außerhalb der Kontaktlöcher wieder entfernt, beispielsweise in einem lithographischen Ätzprozess. Durch vorzugsweise stromloses Abscheiden aus einer flüssigen Phase (chemische Metallabscheidung) wird über der Grund¬ metallisierung eine Leitschicht aus einem elektrisch gut leitenden und gut abscheidbaren Metall erzeugt. Als Deck- schicht wird selektiv darüber noch eine Deckschicht aufge¬ bracht, die zur Passivierung der Leitschicht und zur Herstellung einer bond- und lötbaren Oberfläche dient.
Für die Grundmetallisierung ist Aluminium oder ein anderes auf Polysilizium gut haftendes Metall geeignet. Für die
Leitschicht ist Nickel bevorzugt, während die Deckschicht ein Edelmetall wie z.B. Gold oder Platin umfasst.
Der nun fertig gestellte Schichtaufbau kann nun mit einem Resist abgedeckt werden und auf der Unterseite des Substrats eine Lithographie zur Definition der Durchbrechung durchgeführt werden. Lithographielack und Resist können das gleiche Material umfassen. Die Durchbrechung kann dann mit einem anisotropen Ätzverfahren bis zur Freilegung der ersten Isolationsschicht geätzt werden. Gut geeignet ist ein DRIE (= deep reactive ion etching) Verfahren, auch als Bosch-Prozess bekannt, mit dem sich besonders hohe Aspektverhältnisse beim Ätzen durch das relativ dicke Substrat erhalten lassen. Steile bis senkrechte Seitenwände der Durchbrechung haben den Vorteil, dass sich so der Flächenbedarf des Chips, der für den Aufbau des Mikrofons erforderlich ist, minimieren lässt. Eine geringere Größe macht das Mikrofon vielseitiger verwendbar und verringert die Kosten. Bei gleicher Chipgröße lässt sich mit steilen Seitenwänden der Durchbrechung eine größere aktive Fläche und damit ein leistungsfähigeres Mikrofon realisieren. Im nächsten Verfahrensschritt werden die Opferschichten im freischwingenden Bereich der Membran entfernt. Dazu wird ein isotropes Ätzverfahren eingesetzt, um die Opferschichten auch in abgeschatteten Bereiche zwischen den Festelektroden und der Membran vollständig zu entfernen. Gut geeignet ist z.B. ein VHF (vapour HF etch) Verfahren, das mit dampf- oder gasförmigem Fluorwasserstoff bzw. Flusssäure arbeitet.
Dieses Ätzverfahren arbeitet selektiv gegen Siliziumdioxid und Siliziumnitrid, so dass entsprechende Teilschichten der Funktionsschichten davon nicht oder nur wenig angegriffen werden .
Das Entfernen der Opferschichten erfolgt nur freischwingenden Bereich, sodass der Randbereich, also der Ankerbereich und im Anschlussbereich der ursprüngliche Schichtverbund erhalten bleibt. So ist die Membran rundum in diesem Schichtverbund fixiert .
In diesem Schritt werden dann alle Schutzschichten und über- flüssige Isolationsschichten von beiden Oberflächen des Substrats und des Schichtaufbaus entfernt.
In einem letzten Schritt können reaktive Oberflächen passiviert und mit unreaktiven Gruppen abgesättigt werden. Dazu ist z.B. das sogenannte SAM (= seif assembling monolayer)
Verfahren geeignet. Dabei werden einen langgestreckten Rest aufweisende Moleküle mittels einer reaktiven Gruppe an einem Ende des Moleküls an die reaktiven Oberflächen des Mikrofons angebunden und bilden dort eine Monolayer, also einen mono- molekularen Film von der Dicke einer Moleküllänge. Das andere Ende des Rests ist chemisch inert und weist vorzugsweise auch wenig physikalische Wechselwirkungen zu anderen Materialien auf. Ist der Rest z.B. ein fluorierter Alkylrest, so richten sich die Reste mit den inerten Enden parallel zueinander und von der Oberfläche senkrecht abstehend aus. Dadurch wird die Oberfläche passiviert, kann nicht mehr oxidieren oder korrodieren und ist außerdem wasser- und staubabweisend.
Nun ist das Mikrofon einsatzbereit. Dazu kann es über die Kontakte mit einer entsprechenden Steuer- und Auswerteschaltung verbunden werden. Diese kann als ein separates Bauelement oder Modul realisiert sein. Möglich ist jedoch auch, zumindest Teile dieser Schaltung in den Halbleiterkörper des Silizium Substrat zu integrieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellt. Einzelne Teile können vergrößert oder in den Dimensionen verzerrt dargestellt sein. Daher sind den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben zu entnehmen. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen .
Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch ein mit einem ersten
Teilschichtaufbau beschichtetes Substrat,
Figur 2 einen Querschnitt durch diesen Aufbau mit einer
strukturierten ersten Funktionsschicht darauf,
Figur 3 die Anordnung nach Kanten bedeckender Abscheidung einer Isolationsschicht, Figur 4 die Anordnung nach Planarisierung,
Figur 5 die Anordnung nach Erzeugen einer zweiten
Funktionsschicht,
Figur 6A und 6B zwei unterschiedliche Querschnitte der
Anordnung nach der Strukturierung der zweiten
FunktionsSchicht,
Figur 7 die Anordnung nach der Erzeugung der dritten
FunktionsSchicht,
Figur 8 die Anordnung nach der Strukturierung der dritten
Funktionsschicht,
Figur 9 die Anordnung nach der Erzeugung einer weiteren
Isolationsschicht und dem Öffnen von Kontaktlöchern darin,
Figur 10 die Anordnung nach dem Erzeugen von Kontaktlöchern und Kontakten darin,
Figur 11 die Anordnung nach der Erzeugung einer
Durchbrechung durch das Siliziumsubstrat,
Figur 12A und 12B verschiedene Querschnitte durch die
Anordnung nach dem Entfernen der Opferschichten im frei schwingenden Bereich der Membran,
Figuren 13A bis 13F verschiedene Verfahrensstufen bei der
Herstellung eines Mikrofons gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels , Figur 14A und 14B zwei verschiedene Querschnitte durch ein fertiges Mikrofon gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel ,
Figur 15A und 15B zwei verschiedene Querschnitte durch ein
Mikrofon gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 16A und 16B zwei verschiedene Querschnitte durch ein
Mikrofon gemäß einer weiteren Verfahrensvariante,
Figuren 17A und 17B zwei verschiedene Querschnitte durch ein fertiges Mikrofon gemäß der ersten Variante, Figur 18 eine Draufsicht auf eine Membran samt
Isolationsschichten im Ankerbereich gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 19 die Draufsicht auf eine Membran gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein Substrat SU mit einem ersten Teilschichtaufbau, der eine erste
Isolationsschicht ISl und zwei Teilschichten der unteren Festelektrode FEI umfasst. Als Substrat dient beispielsweise Silizium, welches bei einer Dicke von ca. 400 ym eine
geeignete Stabilität aufweist. Darüber wird in einem ersten LPCVD-Verfahren eine erste Isolationsschicht ISl aufgebracht, beispielsweise eine 1 ym starke Si02-Schicht , die in einem TEOS-Verfahren abgeschieden wird.
Die erste Funktionsschicht ist die untere Festelektrode FEI, für die als erste Teilschicht FEH eine oder mehrere Siliziumnitridschichten in einem LPCVD-Verfahren in einer Schichtdicke von beispielsweise 1 ym aufgebracht wird. Der Prozess wird so gesteuert, dass die Siliziumnitridschicht einen überstöchiometrischen Gehalt an Siliziumaufweist.
Als zweite Teilschicht FE12 der unteren Festelektrode dient eine oder mehrere Polysiliziumschichten, die ebenfalls in einem LPCVD-Verfahren aufgebracht wird. Während des
Aufbringens wird die Polysiliziumschicht FE12 in situ mit einem n- oder einem p-Dotierstoff (z.B. Bor oder Phosphor) hochdotiert, also mit einer B++ oder P++ Dotierung versehen. Figur 1 zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Wie zu sehen ist, ist das Substrat SU aufgrund des gewählten Beschichtungsverfahrens außer auf der Oberseite mit dem
Schichtaufbau auch auf der Unterseite des Substrats SU mitbeschichtet. Es ist zum Einen nicht erforderlich, auf der Unterseite eine Beschichtung vorzunehmen, ebenso wenig ist es aber erforderlich, die Unterseitenbeschichtung zu verhindern, da sich spätere Ätzschritte anschließen, bei denen diese Schichten von der unteren Substratoberfläche weder entfernt werden können. Teilweise ist die Unterseitenbeschichtung sogar vorteilhaft, da auf diese Weise das Substrat SU während thermischer Prozesse bei der Schichtabscheidung mit weniger Spannung beaufschlagt wird. So wird ein unsymmetrischer
Schichtaufbau vermieden und eine geringere Verspannung erzeugt .
Figur 2 zeigt die Anordnung nach der Strukturierung der unteren Festelektrode FEI. Der Einfachheit halber ist die Festelektrode nur noch als einheitliche Funktionsschicht dargestellt, umfasst aber nach wie vor die beiden
Teilschichten FEH und FE12 (siehe Fig. 1) . Zur
Strukturierung wird ein Fotolack aufgebracht, entwickelt und unerwünschte Schichtbereiche der unteren Festelektrode FEI entfernt. Insbesondere wird die untere Festelektrode
flächenmäßig begrenzt und im frei schwingenden Bereich mit Löchern LO versehen, die zum einen als Schallöffnungen dienen und zum anderen den Zutritt des Ätzmittels beim späteren Entfernen der Opferschicht ermöglichen.
Die Strukturierung der unteren Festelektrode FEI gelingt beispielsweise mit einem RIE-Ätzprozess .
Figur 3 zeigt die Anordnung nach der Kanten bedeckenden
Aufbringung einer weiteren Isolationsschicht IS. Dies erfolgt wieder in einem TEOS-Prozess in einem LPCVD-Verfahren . Die Schichtdicke dieser weiteren Isolationsschicht wird so bemessen, dass zum Einen die Löcher LO vollständig mit
Siliziumoxid zuwachsen und zum Anderen die Gesamthöhe der Isolationsschicht zumindest das Niveau der Oberseite der unteren Festelektrode FEI erreicht. Im gewählten Beispiel sind dazu 2,2 ym für die weitere Isolationsschicht geeignet.
Die weitere Isolationsschicht IS und erste Isolationsschicht IS1 verbinden sich aufgrund gleicher Abscheidebedingungen zu einer homogenen Schicht, was in der Figur dadurch
verdeutlicht ist, dass keine Abgrenzung zwischen erster und weiterer Isolationsschicht mehr dargestellt ist.
Figur 4 zeigt die Anordnung nach einem Planarisierungs- prozess, bei dem die Isolationsschicht IS von oben bis auf das Niveau der oberen Teilschicht FE12 der unteren
Festelektrode FEI abgeschliffen wird. Dazu kann
beispielsweise ein CMP-Verfahren eingesetzt werden. Figur 5 zeigt die Anordnung nach der Abscheidung einer zweiten Isolationsschicht IS2 und dreier Teilschichten für die Membran M. Die zweite Isolationsschicht IS2 wird wieder als Si02-Schicht in einem TEOS-LPCVD-Verfahren in einer
Schichtdicke von beispielsweise 2 ym aufgebracht. Für die Membran M wird zunächst eine erste Teilschicht TSM1 als siliziumreiche Siliziumnitridschicht in einem LPCVD-Verfahren in einer Schichtdicke von beispielsweise 120 nm aufgebracht. Darüber wird als zweite Teilschicht TSM2 eine zirka 300 nm dicke Polysiliziumschicht aufgebracht, und dabei mit einem
Dotierstoff in situ hochdotiert was wiederum in einem LPCVD- Verfahren erfolgen kann. Die oberste und dritte Teilschicht TSM3 der Membran M ist wieder eine 120 nm dicke
Siliziumnitridschicht, die in bekannter Weise aufgebracht wird. Der im Querschnitt symmetrische Aufbau der Membran verhindert, dass sich die Teilschichten unsymmetrisch
verspannen und die Membran sich nach dem Freiätzen aufgrund der Verspannung verbiegt. Figur 6A zeigt einen ersten Querschnitt durch die Anordnung nach der Strukturierung der Membran. Dazu wird eine Lithografie durchgeführt und die Strukturierung in einem RIE- Ätzverfahren durchgeführt, welches zur Ätzung von Poly- silizium und Siliziumnitrid ausgebildet ist. Gegebenenfalls können die beiden Schichten durch kontinuierliche Veränderung der Ätzatmosphäre bei unterschiedlichen Bedingungen geätzt werden. Bei der Strukturierung wird die Membran M
insbesondere flächenmäßig begrenzt und der frei schwingende Bereich durch Erzeugen von Einschnitten SL definiert.
Figur 6B zeigt einen Querschnitt, in dem die Membran von den Einschnitten SL umgrenzt ist beziehungsweise als die Fläche zwischen den Einschnitten definiert ist. Ein Teil der Schichtbereiche außerhalb der von den Einschnitten SL umgrenzten Fläche verbleibt für den Schichtverbund im
Außenbereich, der den Gesamtaufbau des Mikrofons mechanisch stabilisiert und stützt.
Figur 6A zeigt einen Querschnitt durch den Anschlussbereich der Membran, in dem die Teilschichten der Membran aus dem frei schwingenden Bereich hinausgeführt werden, um eine Zuleitung für einen späteren einen Kontakt zu schaffen.
Figur 7 zeigt die Anordnung nach dem Abscheiden zumindest einer weiteren Isolationsschicht IS und der oberen
Festelektrode FE2. Eine Planarisierung ist aufgrund der geringen Strukturbreite des Einschnitts SL hier nicht erforderlich. Dazu wird zunächst eine dritte Isolations¬ schicht in Form einer 2 ym starken Si02-Schicht in einem TEOS-LPCVD-Verfahren auf die Membran M aufgebracht. Für die obere Festelektrode FE2 wird eine zirka 3 ym dicke Poly- siliziumschicht in einem LPCVD-Verfahren auf die 3.
Isolationsschicht IS3 aufgebracht und dabei in situ
hochdotiert. Da alle Abscheideprozesse mit nur geringer Anisotropie und daher Kanten bedeckend geführt sind, folgen übereinander aufgebrachte Teilschichten jeweils der Topo- grafie der Oberfläche, auf der sie abgeschieden werden.
Figur 8 zeigt die Anordnung nach der Strukturierung der oberen Festelektrode FE2, die wiederum lithographisch unterstützt mittels eines RIE-Ätzverfahrens durchgeführt werden kann, das auf das Ätzen von Polysilizium eingestellt ist. Dabei dient die dritte Isolationsschicht IS3 als Ätzstoppschicht . Die obere Festelektrode FE2 überlappt den aktiven Bereich und wird so strukturiert, dass sie flächenmäßig größer ist als der durch die Einschnitten SL definierte Bereich der Membran. Im frei schwingenden Bereich die obere Festelektrode FE2 ebenfalls mit Löchern LO versehen, die denselben bereits erwähnten Zweck wie die Löcher in der unteren Festelektrode FEI erfüllen.
Im nächsten Schritt wird eine weitere Isolationsschicht IS über der strukturierten oberen Festelektrode aufgebracht, beispielsweise eine 300 nm dicke Si02-Schicht , die in einem TEOS-LPCVD-Verfahrens aufgebracht wird. Diese deckt die strukturierte obere Festelektrode FE2 auch in den Löchern und an den Strukturierungskanten vollständig ab.
Anschließend werden nun verschiedene Kontaktlöcher KL durch die Isolationsschichten geätzt, an deren Grund jeweils die leitenden Teilschichten von oberer Festelektrode, Membran, unterer Festelektrode und Silizium Substrat freigelegt werden. Die Definition der Kontaktlöcher erfolgt über einen weiteren Lithographieschritt. Die Entfernung der S1O2- Schichten in den Kontaktlöchern wird durch einen
Nassätzschritt durchgeführt, der selektiv auf Sich¬ ergestellt ist. Dabei fungiert die Polysiliziumschicht der oberen Festelektrode FE2, die oberste, Siliziumnitrid
umfassende Teilschicht TSM3 der Membran, die Polysilizium¬ schicht FE12 der unteren Festelektrode und das Bulksilizium- material des Substrats als Ätzstoppschicht. Zum Freilegen der Polysiliziumschicht der Membran muss im entsprechenden
Kontaktloch noch die Siliziumnitridschicht entfernt werden, was mittels eines RIE-Ätzverfahrens durchgeführt wird. Figur 9 zeigt ein erstes Kontaktloch KL1, in dem die untere Festelektrode FEI freigelegt ist, ein zweites Kontaktloch KL2, in dem die Polysiliziumschicht der Membran freigelegt ist, und ein drittes Kontaktloch KL3, in dem die Poly- siliziumschicht der oberen Festelektrode FE2 freigelegt ist. Nicht dargestellt sind mögliche weitere Kontaktlöcher zu einer der genannten Funktionsschichten oder zum z.B. Si umfassenden Substrat SU, in das Halbleiterbauelemente oder IC Schaltungen integriert sein können.
Im nächsten Schritt werden Kontakte KO in den Kontaktlöchern erzeugt. Diese werden in dem bereits beschriebenen Verfahren erzeugt, bei dem eine Grundmetallisierung, eine Leitschicht und eine Deckschicht übereinander erzeugt werden. Die Grund- schicht wird ganzflächig abgeschieden und strukturiert. Die Leitschicht und die Deckschicht wachsen selektiv über der strukturierten Grundmetallisierung auf. Geeignete Schichten sind beispielsweise 1 ym Aluminium für die Grundmetalli¬ sierung, 3 ym Nickel für die Leitschicht und 300 nm Au für die Deckschicht.
Im nächsten Schritt wird eine Durchbrechung DB durch das Siliziumsubstrat SU lithografisch definiert und mittels eines DRIE-Verfahrens anisotrop geätzt. Außerdem für die Durch- brechung DB vorgesehenen Flächenbereich auf der Unterseite des Substrats SU werden alle anderen Oberflächen mit einer Schutzschicht, insbesondere mit dem für die Lithographie verwendeten Lack abgedeckt. Bei dem DRIE-Verfahren dient die erste Isolationsschicht direkt auf dem Substrat als Ätzstopp- schicht. Figur 11 zeigt die Anordnung nach Herstellung der fertigen Durchbrechung DB. Im nächsten Schritt werden nun die als Opferschichten
dienenden Bereiche der Isolationsschichten IS, insbesondere im frei schwingenden Bereich zwischen unterer Festelektrode FEI, Membran und oberer Festelektrode FE2, sowie die übrigen oberflächlich aufgebrachten Isolationsschichten entfernt.
Dazu wird das bereits beschriebene VHF-Verfahren eingesetzt.
Figur 12A zeigt einen ersten Querschnitt durch die auf diese Weise erhaltene Struktur, bei der das Mikrofon weitgehend fertig gestellt ist. Während der Querschnitt von Figur 12A durch den Anschlussbereich der Membran M und den dazugehörigen Kontakt K02 geführt ist, zeigt der Querschnitt von Figur 12B einen Membranbereich, der beiderseits durch die Einschnitte SL von äußeren verbleibenden Flächenbereichen der die Membran bildenden Teilschichten galvanisch getrennt ist. Es zeigt sich, dass durch das isotrope VHF-Ätzverfahren ein leichtes Unterätzen der Isolationsschichten erfolgt. Dennoch bleibt im Ankerbereich, der dem äußeren Randbereich der von den Einschnitten SL definierten Membran entspricht, der ursprüngliche Schichtverbund erhalten bleibt, der den äußeren Randbereich, insbesondere den Ankerbereich, in diesem
ursprünglichen Schichtverbund fixiert.
Figuren 17A und 17B zeigen entsprechende Querschnitte in anderer Darstellung. In Figur 17A zeigt sich, dass der
Randbereich der Membran diesen Querschnitt beidseitig in einem Ankerbereich AA fixiert ist.
Die Herstellung eines Mikrofons gemäß einer zweiten Aus- führung ist in der Figur 13 anhand mehrerer spezifischer
Verfahrensstufen in schematischen Querschnitten dargestellt. Bis zur Aufbringung der zweiten Isolationsschicht IS2 wird dazu wie im ersten Ausführungsbeispiel vorgegangen, entsprechend einem Verfahrensstand zwischen den in den
Figuren 4 und 5 dargestellten Verfahrensstufen. In dieser Variante werden in der zweiten Isolationsschicht IS2 nun erste Vertiefungen VI hergestellt. Diese werden über eine Lithografie definiert und über ein RIE-Ätzverfahren erzeugt. Das Ätzverfahren wird so eingestellt, dass die Vertiefungen VI einen konischen Querschnitt aufweisen und am Grund der Vertiefungen die oberste Teilschicht der unteren Fest¬ elektrode erreicht wird. Die Vertiefungen weisen einen beliebigen aber vorzugsweise runden Durchmesser auf und sind entlang einer Linie parallel zum äußeren Randbereich
nebeneinander im Abstand angeordnet. Der Beerich mit den Vertiefungen entspricht dem späteren Ankerbereich für die Membran. Figur 13A zeigt die geöffneten Vertiefungen VI.
Im nächsten Schritt wird eine Trennschicht TRI erzeugt und dazu eine zirka 50 nm dicke Si02-Schicht in einem TEOS-LPCVD- Verfahren abgeschieden. Die Trennschicht TRI dient dazu, über der unteren Festelektrode eine Si02-Schicht mit definierter Schichtdicke zur Verfügung zu stellen. Figur 13B zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt werden drei Teilschichten für die Membran M ganzflächig erzeugt und strukturiert. Abscheideverfahren, Materialien, Schichtdicken und Strukturierung werden wie im ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt. Figur 13C zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Durch die Kanten bedeckende und daher oberflächenkonforme Abscheidung der Teilschichten der Membran folgen diese der Topografie der zweiten Isolationsschicht IS2, sodass sich im Bereich der
Vertiefungen Ausbuchtungen SKI der Membran ausbilden. Diese Ausbuchtungen der Membran und die untere Festelektrode sind nur durch die Trennschicht TS getrennt, in den übrigen Bereichen der Membran liegt die volle Schichtdicke der zweiten Isolationsschicht IS2 zwischen Membran und unterer Festelektrode . Im nächsten Schritt wird die dritte Isolationsschicht IS3 wie im ersten Ausführungsbeispiel als 2 ym dicke Si02-Schicht ganzflächig aufgebracht. Mittels einer Lithografie und einem RIE-Ätzverfahren werden zweite Vertiefungen V2 erzeugt. Diese werden ebenfalls als runde Öffnungen mit konischem Quer- schnitt erzeugt und in einem Flächenbereich, der benachbart zu den ersten Ausbuchtungen SKI aber zwischen diesen
Ausbuchtungen und dem äußeren Strukturrand der Membran M angeordnet ist. Durch die konforme Abscheidung der dritten Isolationsschicht folgt diese der Topografie der Membran und bildet über den ersten Ausbuchtungen weitere Vertiefungen aus, wie in Figur 13D dargestellt. Zur Abdeckung der in den zweiten Vertiefungen freigelegten Membranoberfläche wird nun eine zweite Trennschicht TR2 erzeugt, hier eine 50 nm dicke TEOS-LPCVD erzeugte Si02-Schicht . Figur 13E zeigt die
Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt wird entsprechend dem ersten Ausführungs¬ beispiel die obere Festelektrode FE2 als 3 ym dicke Poly- siliziumschicht abgeschieden und strukturiert. Figur 13F zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Da die Poly- siliziumschicht der zweiten Festelektrode FE2 der Topografie der dritten Isolationsschicht IS3 beziehungsweise der darüber aufgebrachten Trennschicht TR2 folgt, bildet sie im Bereich der zweiten Vertiefungen V2 und in den daneben angeordneten, den ersten Ausbuchtungen entsprechenden Vertiefungen zweite Ausbuchtungen SK2 aus . Die Erzeugung der Kontakte, das Freiätzen der Durchbrechung DB und das Entfernen der Opferschichten erfolgt wie im ersten Ausführungsbeispiel. Ein auf diese Weise gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel fertig gestelltes Mikrofon ist in den Figuren 14A und 14B im Querschnitt dargestellt. Aus der Figur ist gut zu erkennen, dass die Membran im Ankerbereich
vertikal fixiert ist, indem die ersten Ausbuchtungen SKI der Membran M auf der unteren Festelektrode FEI aufliegen und die Membran von oben durch die zweiten Ausbuchtungen SK2 der oberen Festelektrode FE2 mit nur geringem vertikalen Spielraum fixiert sind. Die als Opferschichten dienenden Isolationsschichten IS sind in diesem Ausführungsbeispiel so weit zurückgeätzt, dass die Membran auch im Randbereich vollständig freigelegt ist. Dementsprechend ist die Membran M, wie in Figur 14A ersichtlich, lateral, also in der
Schichtebene frei beweglich.
Figur 14B zeigt einen Schnitt durch den zweiten Kontakt K02 und den dazugehörigen Anschlussbereich der Membran M, in dem die Membranschichten nach außen geführt sind. Vorzugsweise ist die Membran nur im Anschlussbereich im ursprünglichen Schichtverbund, also zwischen zweiter und dritter Isolations¬ schicht fixiert. Die Flächenbereiche von ersten und zweiten Ausbuchtungen, entsprechend der Summe der Querschnitte sind minimiert, um die Kapazitäten zwischen Membran und den beiden Festelektroden nicht zu stark zu beeinflussen, sodass diese nach wie vor im Wesentlichen durch den Abstand zwischen den Festelektroden und der Membran bestimmt sind. In der Figur 14 ist außerdem ein Substratkontakt KOS dargestellt, der
zusammen mit den übrigen Kontakten hergestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, im Substrat SU integrierte Bauelemente zu kontaktieren. Möglich ist es auch, auf der Substratoberfläche lediglich eine Verdrahtungsstruktur vorzusehen und mit dem Kontakt KOS zu verbinden, über die das Mikrofon verschaltet werden kann.
Figuren 15A und 15B zeigen zwei schematische Querschnitte durch eine weitere Ausführungsvariante des Mikrofons. Diese ist eine Kombination aus erstem und zweitem Ausführungs¬ beispiel. Zum einen zeichnet sie sich dadurch aus, dass die Membran im Randbereich im ursprünglichen Schichtverbund fixiert ist, welcher hier den Ankerbereich AA ausbildet.
Weiterhin werden in dieser Ausführungsform erste Ausbuchtungen in den Membranteilschichten vorgesehen, die jedoch außerhalb des frei schwingenden Bereichs, der durch die
Einschnitte SL definiert ist, angeordnet sind. Dazu wird in der zweiten Isolationsschicht IS2 (zwischen Membran und unterer Festelektrode) in einem streifenförmigen Bereich außerhalb der Einschnitte die untere Festelektrode
freigelegt. Ohne Trennschicht wird anschließend die Membran erzeugt, sodass sie in der streifenförmigen strukturierten Zone in direktem Kontakt mit der unteren Festelektrode tritt.
In der dritten Isolationsschicht werden ebenfalls zweite Vertiefungen V2 erzeugt, die dem genannten streifenförmigen Bereich benachbart, aber ebenfalls außerhalb des frei
schwingenden Bereichs der Membran und damit außerhalb der durch die Einschnitte SL definierten Strukturkanten der
Membran angeordnet sind. Auch die zweiten Vertiefungen in der dritten Isolationsschicht können eine Strukturlinie bilden, die in der Projektion auf die Schichtebene ringförmig um die Membran geführt ist und lediglich den Anschlussbereich der Membran ausspart. Wie in Figur 15A gezeigt ist, führen diese Strukturierungen dazu, dass außerhalb des aktiven Bereichs die untere Festelektrode und die Membran im Bereich der ersten Ausbuchtungen, sowie die obere Festelektrode FE2 im Bereich der zweiten Ausbuchtungen in direktem Kontakt miteinander stehen. Dieser direkte Kontakt garantiert, dass selbst ein zu starkes Unterätzen unter oberer Festelektrode und Membran zu einem vollständigen Freiätzen einer der
Funktionsschichten führen kann. Selbst wenn die genannten
Isolationsschichten vollständig entfernt sind, sind die drei Funktionsschichten noch durch den direkten Kontakt miteinander gegeneinander fixiert. Figur 15B zeigt wieder den Schnitt durch Anschlussbereich und den dazugehörigen Kontakt K02 der Membran. Im Anschlussbereich wird die Membran in einem schmalen Bereich aus dem aktiven Bereich hinaus verlängert und zum Kontakt K02 geführt.
Figur 16A zeigt eine weitere Variante für die Strukturierung eines Mikrofons, bei der die Strukturkanten der Membran im äußeren Randbereich völlig freigeätzt sind. Im Ankerbereich AA ist die Membran durch erste Ausbuchtungen vertikal gegen die untere Festelektrode fixiert, während zweite Ausbucht¬ ungen der oberen Festelektrode von oben auf den Randbereich der Membran drücken und diesen von oben her fixieren. In einem äußeren Bereich außerhalb des aktiven Bereichs sind zweite und dritte Isolationsschicht vor dem Aufbringen von Membran beziehungsweise oberer Festelektrode in einem
streifenförmigen Bereich entfernt, sodass dort die Membran direkt auf der unteren Festelektrode und die obere Fest¬ elektrode direkt auf der Membran erzeugt wird und diese dort einen festen Schichtverbund miteinander bilden können.
Figur 16B zeigt im Schnitt durch den Anschlussbereich und den Kontakt der Membran, dass lediglich der Anschlussbereich einen anderen Schichtverbund aufweist. Die Membran ist nur im Anschlussbereich vollständig von Isolationsschichten umgeben und so besser gegen die beiden Festelektroden isoliert. Figur 18 zeigt eine mögliche Strukturierung der Membran M in schematischer Draufsicht. Die Membran ist über der
schraffiert dargestellten zweiten Isolationsschicht IS2 aufgebracht, deren verdeckte Strukturkanten gestrichelt dargestellt sind. Der Randbereich der Membran liegt also auf der zweiten Isolationsschicht auf und kann einen Ankerbereich ausbilden. Der Einschnitt SL trennt äußere Bereiche AU der Membranteilschichten von der (elektrisch) aktiven Membran. der Anschlussbereich ist zu einem Kontakt KO geleitet. Die nicht dargestellte dritte Isolationsschicht IS kann ähnlich wie die zweite Isolationsschicht IS strukturiert sein, so dass deren Ankerbereiche flächenmäßig übereinstimmen und die Membran dort von oben und unten fixieren.
Figur 19 zeigt eine Membran M, deren Randbereich frei von darunter liegender zweiter Isolationsschicht IS2 ist. Der Ankerberich wird von den ersten Ausbuchtungen SKI der Membran und den nicht dargestellten zweiten Ausbuchtungen der oberen Festelektrode gebildet. Die zweite Isolationsschicht IS2 liegt unterhalb des Außenbereichs AU der Membranteil¬ schichten, also außerhalb des von dem Einschnitt SL
begrenzten Bereichs.
Bezugs zeichenliste
AA Ankerbereich der Membran
AU äußerer Bereich (jenseits des Einschnitts)
DB Durchbrechung (im Substrat)
FEI untere Festelektrode
FE2 obere Festelektrode
FS Funktionsschicht
IS1-IS4 erste bis vierte Isolationsschicht
KL Kontaktlöcher
KO Kontakte
LO Löcher
M Membran
SKI erste Ausbuchtung (in der Membran)
SK2 zweite Ausbuchtung (in der oberen Festelektrode)
SL Einschnitt
SU Substrat
TA Anschlussbereich der Membran
TS Teilschichten des Schichtaufbaus
VI, V2 Vertiefungen in 2. und 3. Isolationsschicht
TR Trennschicht
KOS Substratkontakt

Claims

Patentansprüche
Mikrofon m miniaturisierter MEMS Bauweise
- mit einem Silizium umfassenden Substrat (SU) und einem darauf angeordneten strukturierten Schichtaufbau,
- wobei der Schichtaufbau übereinander angeordnete
Teilschichten für die folgenden Funktionsschichten umfasst :
eine untere Festelektrode (FEI), darüber
eine Membran (M) und darüber
eine obere Festelektrode (FE2),
- bei dem die Membran flächenmäßig aufgeteilt ist in einen äußeren Randbereich
einen frei schwingenden Bereich, der vom äußeren Randbereich vollständig umschlossen ist, und in dem die Membran im Wesentlichen plan ausgebildet ist
einen Ankerbereich (AA) innerhalb des äußeren Randbereichs, in dem die Membran zwischen unterer und oberer Festelektrode vertikal fixiert ist, wobei der äußere Randbereich im Wesentlichen aus dem Ankerbereich besteht, einen Anschlussbereich innerhalb des äußeren Randbereichs, in dem eine elektrische Zuleitung zur Membran angeordnet ist, und
- bei dem durch das Substrat hindurch unter dem gesamten freischwingenden Bereich eine Durchbrechung (DU) angeordnet ist und bei dem der Ankerbereich außerhalb des Flächenbereichs der Durchbrechung über einem inneren Randbereich des Substrats angeordnet ist. Mikrofon nach Anspruch 1,
bei dem alle Teilschichten des Schichtaufbaus direkt übereinander als Schichtverbund erzeugt sind und bei dem die Membran (M) im Ankerbereich (AA) im ursprünglichen Schichtverbund fixiert ist.
Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Membran (M) im Ankerbereich (AA) eine erste Ausbuchtung (SKI) aufweist, mit der sie sich auf der unteren Festelektrode abstützt.
Mikrofon nach Anspruch 3,
bei dem die obere Festelektrode (FE2) im Ankerbereich (AA) eine zweite Ausbuchtung (SK2) aufweist, mit der sie sich auf der Membran (M) abstützt.
Mikrofon nach Anspruch 3 oder 4,
bei dem erste und zweite Ausbuchtungen (SK1,SK2) nur lose auf der jeweils benachbarten Teilschicht des
Schichtaufbaus aufliegen, so dass die Membran (M) im Ankerbereich (AA) innerhalb der Schichtebene frei beweglich, gegen eine vertikale Auslenkung aber fixiert ist .
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1-5,
bei dem die die Membran (M) bildenden Teilschichten durch einen außerhalb des äußeren Randbereichs
verlaufenden, den Anschlussbereich aussparenden
Einschnitt von den übrigen Flächenbereichen der
entsprechenden Teilschichten galvanisch getrennt sind. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1-6,
bei dem zumindest außerhalb des von dem Einschnitt umschlossenen Bereichs Isolationsschichten zwischen unterer Festelektrode und Membran sowie zwischen Membran und oberer Festelektrode angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons in MEMS
Bauweise mit den Schritten
a) auf einem Substrat werden übereinander abgeschieden: eine erste Isolationsschicht sowie eine oder mehrere Teilschichten für eine untere Festelektrode
b) die Teilschichten der unteren Festelektrode werden durch ein lithographisches Ätzverfahren strukturiert c) über der unteren Festelektrode werden abgeschieden: eine zweite Isolationsschicht sowie eine oder mehrere Teilschichten für eine Membran
d) die Teilschichten der Membran werden durch ein
lithographisches Ätzverfahren strukturiert
e) über der Membran werden abgeschieden: eine dritte
Isolationsschicht sowie zumindest eine Teilschicht für eine obere Festelektrode
f) die zumindest eine Teilschicht der oberen
Festelektrode wird durch ein lithographisches
Ätzverfahren strukturiert
g) über der oberen Festelektrode wird eine vierte
Isolationsschicht erzeugt
h) es werden Kontaktlöcher zu elektrisch leitenden
Teilschichten von unterer Festelektrode, Membran und oberer Festelektrode geätzt und darin Kontakte abgeschieden
i) durch das Substrat hindurch wird unterhalb eines
aktiven Bereichs der Membran eine durchgehende
Durchbrechung geätzt j) die Isolationsschichten werden im aktiven Bereich durch isotropes Nassätzen entfernt.
Verfahren nach Anspruch 8,
bei dem im Verfahrensschritt c) vor dem Aufbringen der Membran die Oberfläche der zweiten
Isolationsschicht planarisiert wird
bei dem in der zweiten Isolationsschicht außerhalb des aktiven Bereichs erste Sacklöcher erzeugt werden bei dem danach die Teilschichten der Membran
kantenbedeckend so abgeschieden werden, dass sie auch in den Sacklöchern der Topographie der zweiten
Isolationsschicht folgen und dort Ausbuchtungen ausbilden
bei dem die dritte Isolationsschicht kantenbedeckend erzeugt wird, so dass sie auch in den Sacklöchern der Topographie der Membran folgt
bei dem in der dritten Isolationsschicht außerhalb des aktiven Bereichs zweite Sacklöcher erzeugt werden bei dem die zumindest eine Teilschicht der oberen Festelektrode kantenbedeckend so abgeschieden wird, dass sie auch in den Sacklöchern der Topographie der dritten Isolationsschicht folgt und dort zweite
Ausbuchtungen ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
bei dem die Teilschichten und die Isolationsschichten mittels LPCVD Verfahren abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8-10,
bei dem im Verfahrenschritt a) als Isolationsschicht eine S1O2 Schicht und als Teilschichten der unteren Festelektrode eine Siliziumnitridschicht und eine Polysiliziumschicht abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8-11,
bei dem im Verfahrenschritt c) als Teilschichten der Membran eine Siliziumnitridschicht, darüber eine
Polysiliziumschicht und darüber eine weitere
Siliziumnitridschicht abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8-12,
bei dem in den Strukturierungsschritten anisotrope Ätzverfahren eingesetzt werden, wobei die
Teilschichten so strukturiert werden, dass alle Funktionsschichten im gesamten aktiven Bereich überlappen,
bei dem innerhalb des aktiven Bereichs in den
Teilschichten der unteren und der oberen
Festelektrode bei der Strukturierung durchgehende Löcher erzeugt werden,
bei dem in allen Teilschichten der Membran im
Verfahrensschritt d) Einschnitte erzeugt werden, die einen äußeren Randbereich der Membran mit Ausnahme eines Anschlussbereichs umschließen, dabei den aktiven Bereich der Membran definieren und diesen galvanisch von übrigen Schichtbereichen der Membran galvanisch trennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8-13,
bei dem die Isolationsschichten im Verfahrensschritt j) mittels Fluorwasserstoff enthaltendem Dampf in einem VHF Verfahren geätzt werden, wobei zumindest in einem freischwingenden Bereich der Membran die Isolationsschichten zwischen Membran und der oberen und unteren Festelektrode entfernt werden wobei die Membran in einem Ankerbereich innerhalb des äußeren Randbereichs der Membran zwischen oberer und unterer Festelektrode oder zwischen zweiter und dritter Isolationsschicht fixiert bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13-14,
bei dem im Verfahrensschritt j) die Membran innerhalb der von den Einschnitten eingeschlossenen Fläche
inklusive des Randbereichs aber mit Ausnahme des
Anschlussbereichs vollständig von anliegenden
Isolationsschichten freigeätzt wird, so dass die Membran in der Schichtebene lateral beweglich wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13-14,
bei dem im Verfahrensschritt j) die Membran innerhalb der Einschnitte nur so weit freigeätzt wird, dass im äußeren Randbereich der Membran der komplette
ursprüngliche Schichtverbund erhalten beliebt und der äußere Randbereich der Membran somit im Schichtverbund fixiert bleibt. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-16,
bei dem die zweite und dritte Isolationsschicht nach dem Aufbringen so strukturiert werden, dass die jeweilige Isolationsschicht zumindest abschnittsweise innerhalb eines äußeren, jenseits der Einschnitte angeordneten Bereichs entfernt wird, so dass dort alle Funktions¬ schichten direkt übereinander aufgebracht werden können.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
bei dem im genannten äußeren Bereich die jeweilige
Isolationsschicht entlang eines den Einschnitten im Abstand folgenden, weitgehend geschlossenen Streifens entfernt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-18,
bei dem nach Verfahrensschritt j) die Oberflächen mit einer reaktiven, Fluor haltigen Verbindung behandelt werden, so dass sich auf reaktiven Oberflächen eine
Fluor haltige Passivierungsschicht ausbildet.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-19,
bei dem die Schichtabscheidungen zumindest von einzelnen Teilschichten so geführt werden, dass auch auf der
Rückseite des Substrats eine entsprechende Teilschicht abgeschieden wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-20,
bei dem in den Ätzprozessen der Verfahrensschritte b) , d) , f) und h) reaktives Ionenätzen eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-21,
bei dem zur Herstellung der Kontakte zunächst eine Grundmetallisierung ganzflächig abgeschieden wird, bei dem die Grundmetallisierung außerhalb der Kontaktlöcher durch ein Lithographisches Ätzverfahren entfernt wird,
bei dem über der Grundmetallisierung durch ein galvanisches oder stromloses Verfahren eine
Leitschicht abgeschieden wird,
bei dem über der weiteren Metallschicht eine bond- und lötbare Deckschicht aufgebracht wird.
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