WO2016030040A1 - Mems-bauelement - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Schichtmaterial vorgeschlagen, das für die Realisierung von freitragenden Strukturelementen (31) mit Elektrode (7) im Schichtaufbau eines MEMS-Bauelements (102) besonders gut geeignet ist. Erfindungsgemäß soll das freitragende Strukturelement (31) zumindest teilweise aus einer Siliziumcarbonitrid (Si1-x-yCxNy)-basierten Schicht bestehen.

Description

Beschreibung
Titel
MEMS-Bauelement
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ganz allgemein MEMS-Bauelemente, in deren Schichtaufbau mindestens ein freitragendes Strukturelement mit mindestens einer Elektro- de realisiert ist.
Bei dem freitragenden Strukturelement kann es sich um eine mikromechanische Komponente handeln, der eine eigene Sensor- oder Aktorfunktion zukommt, wie z.B. die Membran eines Drucksensors, eines Mikrofons oder eines Lautspre- chers. Das freitragende Strukturelement kann aber auch lediglich als Träger für eine Sensorfunktion dienen, wie beispielsweise im Fall eines Strömungssensors mit Heizwiderständen, die zur thermischen Entkopplung auf einer Membran angeordnet sind. Dementsprechend kann die Elektrode des freitragenden Strukturelements als Kondensatorelektrode zur Messsignalerfassung oder Schwin- gungsanregung genutzt werden oder auch einfach zur elektrischen Kontaktierung eines elektrischen Widerstands oder einer anderen Schaltungskomponente. In jedem Fall wirken sich Leckströme zwischen der Elektrode und dem angrenzenden Trägermaterial des Strukturelements nachteilig auf die Bauelementfunktion aus.
Die mikromechanische Struktur von MEMS-Bauelementen wird in der Regeln in einem Schichtaufbau realisiert, der das Ergebnis einer Abfolge von Schichtab- scheidungsprozessen und Strukturierungsprozessen ist. Freitragende Strukturen werden entweder in einem Rückseitenätzprozess oder im Rahmen der
Vorderseitenprozessierung in einem Opferschichtätzprozess erzeugt. In beiden
Fällen erweist sich die Verwendung einer Ätzstoppschicht zur räumlichen Be- grenzung des Ätzprozesses als vorteilhaft. Dies ermöglicht die Realisierung von Strukturelementen mit einer vorgebbaren definierten Geometrie und insbesondere auch die Realisierung von sehr dünnwandigen Strukturelementen, wie Membranen und Biegebalken.
Das freitragende Strukturelement sollte in einer Schicht oder in mehreren Schichten ausgebildet werden, deren mechanische Eigenschaften der Funktion des Strukturelements entsprechen bzw. entgegenkommen. So sollte ein freitragendes Strukturelement, das als Sensor- oder Mikrofonmembran genutzt werden soll, möglichst dünn und elastisch sein, während das feststehende Gegenelement einer Mikrofonstruktur möglichst starr sein muss.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Schichtmaterial vorgeschlagen, das für die Realisierung von freitragenden MEMS-Strukturelementen mit Elektrode besonders gut geeignet ist. Erfindungsgemäß soll das freitragende Strukturelement zumindest teilweise aus einer Siliziumcarbonitrid (Sii-x-yCxNy)-basierten Schicht bestehen.
Siliziumcarbonitrid hat einen sehr hohen spezifischen Widerstand, wirkt also elektrisch hochisolierend, so dass Leckströme zwischen der Elektrode auf dem Strukturelement und dem angrenzenden Halbleitermaterial des MEMS-
Bauelements wirkungsvoll unterbunden werden.
Außerdem ist Siliziumcarbonitrid chemisch weitgehend inert. Zumindest wird es von den Ätzmedien, die üblicherweise beim Siliziumoxid-Opferschichtätzen verwendet werden, wie z.B. HF, nicht nennenswert angegriffen. So ist die Ätzrate von Siliziumcarbonitrid in der HF-Gasphase kleiner als 0,2 nm/min. Deshalb eignet sich Siliziumcarbonitrid sehr gut als Ätzstoppmaterial für die gängigen Opfer- schichtätzprozesse.
Die mechanischen Schichteigenschaften einer Siliziumcarbonitrid (Sii-x-yCxNy)- basierten Schicht hängen von deren Materialzusammensetzung ab, d.h. von den Anteilen der einzelnen Materialkomponenten Silizium Si, Kohlenstoff C und
Stickstoff N, aber auch von etwaigen weiteren Materialkomponenten. Dement- sprechend können bestimmte Schichteigenschaften, wie z.B. die mechanische Spannung, einfach variiert und an die jeweilige Funktion des freitragenden Strukturelements angepasst werden. Zudem vorteilhaft ist, dass sich Siliziumcarbonitrid basierte Schichten einfach mit
Standard-Abscheidungsverfahren erzeugen lassen, wie z.B. in einem
LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)-Verfahren bei Temperaturen im Bereich von 700-900°C. Alternativ können derartige Schichten auch in einem PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)-Verfahren bei 300-800°C abgeschieden werden. Dabei können beispielsweise Silan SiH4, Methan CH oder Ammoniak NH3 als Ausgangsgase verwendet werden. Auch für die Strukturierung von Siliziumcarbonitrid basierten Schichten können Standardverfahren eingesetzt werden, wie z.B. DRIE(deep reactive ion etching)-Ätzen mit SF6. Für die Realisierung von freitragenden Strukturelementen besonders geeignet sind Schichtzusammensetzungen, die 40-55 at% Si-Anteil, 5-40 at% C-Anteil und 55-5 at% N-Anteil enthalten. Schichten mit dieser Zusammensetzung weisen eine leicht tensile Verspannung und eine hohe Bruchspannung auf, so dass sie insgesamt mechanisch sehr robust sind.
Besonders gut lässt sich der Verspannungszustand von Siliziumcarbonitroborid- Schichten Sii-x-y-zCxNyBz mit x, y, z > 1 % einstellen. Als vorteilhaft erweist sich z.B. eine Schichtzusammensetzung mit 35 at% Si-Anteil, 35 at% C-Anteil, 20 at% N-Anteil und 10 at% B-Anteil.
Als elektrisch hochisolierend sind Siliziumcarbonitrid basierte Schichten besonders geeignet als Träger für Elektroden von Kondensatoranordnungen. In diesem Fall ist im Schichtaufbau des MEMS-Bauelements mindestens eine weitere Elektrode ausgebildet, die zusammen mit der Elektrode des freitragenden Struk- turelements eine Kondensatoranordnung bildet. Wenn zumindest eine der beiden
Elektroden der Kondensatoranordnung beweglich gelagert ist, dann kann eine solche Kondensatoranordnung, je nach Funktion des MEMS-Bauelements, vorteilhaft zur Signalerfassung oder Schwingungsanregung verwendet werden. Das freitragende Strukturelement kann sowohl als Träger oder Aufhängung für die bewegliche Elektrode der Kondensatoranordnung dienen, als auch als fest- stehender Träger oder feststehende Anbindung für mindestens eines Elektrode der Kondensatoranbindung.
Von besonderer Bedeutung ist der Einsatz derartiger Kondensatoranordnungen zur Signalerfassung bei Drucksensor- und Mikrofonbauelementen. Vorteilhafterweise wird hier die Drucksensormembran bzw. die Mikrofonmembran als freitragendes Strukturelement in einer Siliziumcarbonitrid basierten Schicht ausgebildet und mit einer Elektrode versehen. Die Gegenelektrode der
Kondensatoranordnung wird meist auf einem feststehenden Gegenelement des MEMS-Schichtaufbaus angeordnet. Dieses Gegenelement kann ebenfalls als freitragendes Strukturelement in einer Siliciumcarbonitrid basierten Schicht realisiert sein.
Als weitere Anwendung der Erfindung, die für die Realisierung von MEMS- Bauelementen mit Sensor- und/oder Aktorfunktion von Bedeutung ist, seien hier noch Biegebalken mit Elektrode zur Messsignalerfassung oder Anregung genannt. Derartige Biegebalken kommen beispielsweise im Rahmen von
Inertialsensoren zum Einsatz oder auch als mikromechanischer Schalter.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
Fig. 1 a, 1 b zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines kapazitiven MEMS-Drucksensorelements 101 bzw. 102;
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines kapazitiven
MEMS- Mikrofonbauelements 200;
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines kapazitiven
MEMS-Inertialsensorelements 300 und Fig.4a, 4b zeigen eine schematische Schnittdarstellung und eine Draufsicht auf ein weiteres kapazitives Sensorelement 400.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Der Schichtaufbau der beiden in den Figuren 1a und 1 b dargestellten Bauelemente 101 und 102 geht jeweils von einem CMOS-Substrat 1 aus, in das - hier nicht im Einzelnen wiedergegebene - Schaltungsfunktionen integriert sind. Diese sind über einen Backendstapel 2 mit mehreren Verdrahtungsebenen 21 und Durchkontakten 22 zwischen den Verdrahtungsebenen 21 miteinander verschaltet und elektrisch kontaktierbar. Die elektrische Kontaktierung erfolgt im hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Durchkontakt 6, der sich von der Bau- elementvorderseite bis zur obersten Verdrahtungsebene des Backendstapels 2 erstreckt.
Auf dem Backendstapel 2 befindet sich eine vergleichsweise dünne
Siliziumcarbonitrid basierte Schicht 3, in der eine freitragende Druckmembran 31 ausgebildet ist. Diese überspannt eine Kaverne 23 im Backendstapel 2. Der
Schichtaufbau der Bauelemente 101 und 102 umfasst ferner eine relativ dicke Funktionsschicht 4, die im Bereich über der Druckmembran 31 strukturiert ist. Die Funktionsschicht 4 wurde hier mit Durchgangsöffnungen 41 zur Druckbeaufschlagung der Druckmembran 31 versehen, die in einen Hohlraum 5 zwischen der Druckmembran 31 und der Funktionsschicht 4 münden.
Zur Herstellung der in den Figuren 1a und 1 b dargestellten Bauelementstrukturen wurde eine Siliziumoxid-Opferschicht auf der Siliziumcarbonitrid basierten Schicht 3 erzeugt - und im Fall des Bauelements 101 strukturiert, bevor die Funk- tionsschicht 4 abgeschieden wurde. Erst nach der Strukturierung der Funktionsschicht 4 wurde die Druckmembran 31 freigestellt, indem das Opferschichtmaterial in einem HF-Gasphasen-Ätzprozess über die Durchgangsöffnungen 41 in der Funktionsschicht 4 wieder entfernt wurde.
Dabei wurde die Siliziumcarbonitrid basierte Schicht 3 nicht angegriffen. Sie fun- gierte bei diesem Opferschichtätzprozess als Ätzstopp und Passivierung für den
Backendstapel 2. Sowohl im Fall des Bauelements 101 als auch im Fall des Bauelements 102 werden die Auslenkungen der Druckmembran 31 kapazitiv erfasst, mit Hilfe einer oder mehrerer Elektroden 7, die zusammen mit der Druckmembran 31 ausge- lenkt werden, und einer oder mehrerer feststehender Gegenelektroden 8.
Im Fall des in Fig. 1 a dargestellten Bauelements 101 sind sowohl die auslenkbaren Elektroden 7 als auch die feststehenden Elektroden 8 in der Funktionsschicht 4 ausgebildet. Die auslenkbaren Elektroden 7 sind aufgrund der Strukturierung der Opferschicht mechanisch mit der Druckmembran 31 verbunden, und zwar über Stege 71 , während sie aufgrund der Strukturierung der Funktionsschicht 4 aus dieser herausgelöst sind. Im Unterschied dazu sind die feststehenden Elektroden 8 an die Funktionsschicht 4 angebunden. Der sehr hohe spezifische Widerstand der Siliziumcarbonitrid basierten Schicht 3 verhindert das Auftreten von Leckströmen zwischen den auslenkbaren Elektroden 7 und dem Schichtaufbau des Bauelements 101.
Im Fall des in Fig.1 b dargestellten Bauelements 102 sind nur die feststehenden Elektroden 8 in der Funktionsschicht 4 ausgebildet. Die auslenkbare Elektrode 7 ist hier in Form einer Metallisierung der Druckmembran 31 realisiert. Auch hier verhindert der sehr hohe spezifische Widerstand der Siliziumcarbonitrid basierten Schicht 3 das Auftreten von Leckströmen zwischen den auslenkbaren Elektroden 7 und dem Schichtaufbau des Bauelements 102. Im Unterschied zu den beiden voranstehend beschriebenen Drucksensorelementen 101 und 102 ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Mikrofonbauelement 200 nicht die Mikrofonmembran 21 1 sondern das feststehende Gegenelement 231 in einer Siliziumcarbonitrid basierten Schicht 230 ausgebildet. Die Mikrofonmembran 21 1 des Bauelements 200 ist in einer dünnen
Polysiliziumschicht 210 auf dem Bauelementsubstrat 10 realisiert. Sie überspannt eine Öffnung 240 in der Bauelementrückseite. Zur Herstellung der Mikrofonstruktur wurde über der Polysilizium-Membranschicht 210 eine
Siliziumoxid-Opferschicht 220 erzeugt, deren Dicke den Abstand zwischen der Mikrofonmembran 211 und dem Gegenelement 231 bestimmt. Diese Opferschicht 220 wurde über dem Randbereich der Mikrofonmembran 211 strukturiert, um mechanische Anschläge 232 zur Begrenzung der Membranauslenkung zu schaffen. Die Opferschicht über dem Mittelbereich der Mikrofonmembran 211 wurde nicht strukturiert. Auf diesen geschlossenen Schichtbereich wurde eine elektrisch leitfähige Schicht 235, wie z.B. eine dotierte Polysiliziumschicht oder eine Metallisierung, aufgebracht und strukturiert. Über der so strukturierten und beschichteten Opferschicht 220 wurde dann eine relativ dicke Siliziumcarbonitrid basierte Schicht 230 abgeschieden und strukturiert. Dabei wurden im Bereich über der Mikrofonmembran 211 Durchgangsöffnungen 233 erzeugt, die sich auch durch die elektrisch leitfähige Schicht 235 erstrecken.
Erst nach diesem Strukturierungsprozess wurden die Mikrofonmembran 211 und das Gegenelement 231 freigestellt, indem das Opferschichtmaterial in einem HF- Gasphasen-Ätzprozess über die Durchgangsöffnungen 233 in der
Siliziumcarbonitrid basierten Schicht 230 wieder entfernt wurde. Dabei wurden auch die mechanischen Anschläge 232 im Randbereich des Gegenelements 231 freigestellt, da das Material der Siliziumcarbonitrid basierten Schicht 230 beim
Opferschichtätzen nicht angegriffen wurde.
Die Schalldruckbeaufschlagung der Mikrofonmembran 211 kann - je nach Montage des Bauelements 200 entweder über die rückseitige Öffnung 240 im Bau- elementsubstrat 10 erfolgen oder auch über die Durchgangsöffnungen 233 im
Gegenelement 231. Die Auslenkungen der Mikrofonmembran 21 1 werden mit Hilfe einer Mikrofonkondensatoranordnung in elektrische Signale umgewandelt. Die Polysilizium-Mikrofonmembran 211 fungiert hier als auslenkbare Elektrode dieses Mikrofonkondensators und wirkt mit einer Gegenelektrode zusammen, die in der leitfähigen Schicht 235 auf der Unterseite des freitragenden Gegenelements 231 ausgebildet ist. Da das Gegenelement 231 aufgrund der Durchgangsöffnungen 233 akustisch durchlässig ist, ist die Position der Gegenelektrode 235 fest gegenüber der Mikrofonmembran 21 1 . Auch die Sensorstruktur des in Fig. 3 dargestellten Bauelements 300 ist in einem
Schichtaufbau auf einem Siliziumsubstrat 10 realisiert. Dazu wurde die Substratoberfläche zunächst mit einer Siliziumoxidpassivierung 11 versehen, auf der dann eine erste Siliziumcarbonitridschicht 12 abgeschieden wurde. Die elektrische Kontaktierung der Sensorstruktur erfolgt über eine Verdrahtungsschicht 13, die auf die Siliziumcarbonitridschicht 12 aufgebracht und in geeigneter Weise strukturiert wurde. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine dünne dotierte Polysiliziumschicht 13. Die elektrische Kontaktie- rung der Sensorstruktur könnte aber auch in Form einer Metallisierung realisiert sein. Auf die strukturierte Verdrahtungsschicht 13 wurde dann eine Siliziumoxid- Opferschicht 14 aufgebracht und strukturiert. Dabei wurde die Opferschicht 14 im Bereich einer feststehenden Elektrode 22 und eines Durchkontakts 30 geöffnet, über den die Verdrahtungsschicht 13 kontaktierbar ist. Darüber wurde eine dicke Funktionsschicht 15 als mikromechanische Funktionsschicht abgeschieden. In einem ersten Strukturierungsprozess wurden erste Trenchgräben 16 erzeugt, die sich über die gesamte Funktionsschicht 15 und zum Teil auch über die ge- samte Opferschicht 14 und die Verdrahtungsschicht 13 bis zur
Siliziumcarbonitridschicht 12 erstrecken. Auf der so strukturierten Funktionsschicht 15 wurde dann eine weitere Siliziumcarbonitridschicht 17 abgeschieden, wobei die Trenchgräben 16 verfüllt wurden. Dadurch wurden einzelne Bereiche in der Funktionsschicht 15 elektrisch entkoppelt, wie z.B. der Durchkontakt 30. Die Siliziumcarbonitridschicht 17 wurde dann noch mit einer Metallisierung 18 versehen, in der Leiterbahnen und Anschlusspads ausgebildet wurden.
Erst danach wurde die Siliziumcarbonitridschicht 17 zumindest bereichsweise wieder von der Oberfläche der Funktionsschicht 15 entfernt, um in diesen Schichtbereichen weitere Trenchgräben 19 zur Definition der Sensorstruktur zu erzeugen. Dabei wurden einzelne Schichtbereiche 21 und 22 der Funktionsschicht 15 mechanisch und auch elektrisch entkoppelt.
Die so definierte Sensorstruktur wurde schließlich in einem Opferschichtätzpro- zess freigestellt, bei dem das Opferschichtmaterial unter der Funktionsschicht 15 über die Trenchgräben 19 zumindest bereichsweise herausgelöst wurde. Bei diesem Ätzprozess wirkten die Siliziumcarbonitridschicht 17 und die verfüllten
Trenchgräben 16 als Ätzstopp.
Die so erzeugte Sensorstruktur umfasst mehrere seismische Massen 21 , die in der Funktionsschicht 15 ausgebildet sind und über freitragende Strukturelemente 171 in der Siliziumcarbonitridschicht 17 an den Schichtaufbau angebunden sind, so dass sie in der Schichtebene, also lateral, auslenkbar sind. Diese seismischen Massen 21 fungieren als auslenkbare Elektroden einer Kondensatoranordnung zur Messwerterfassung. Die feststehenden Gegenelektroden 22 dieser
Kondensatoranordnung sind ebenfalls in der Funktionsschicht 15 ausgebildet und sowohl mechanisch als auch elektrisch mit der Verdrahtungsschicht 13 verbunden. Die Sensorstruktur des in Fig. 4 dargestellten Bauelements 400 umfasst zwei kammförmige ineinander greifende Biegebalkenanordnungen mit jeweils drei freitragenden Biegebalken 401 und 402, die in einem Schichtaufbau auf einem Bau- elementsubstrat 410 ausgebildet sind und eine Kaverne 41 1 im Substrat 410 überragen. Der Schichtaufbau besteht aus mehreren hier nicht näher spezifizierten Schichten und wird von einer Siliziumcarbonitridschicht 420 mit einer Metallisierung 430 abgeschlossen. In der Metallisierung 430 sind entsprechend der Form der beiden Biegebalkenanordnungen zwei Interdigitalelektroden 431 und 432 ausgebildet, die zusammen eine Messkondensatoranordnung zum Erfassen von laterale Auslenkungen der Biegebalkenanordnungen bilden.

Claims

5 Ansprüche
1. MEMS-Bauelement (102), in dessen Schichtaufbau mindestens ein freitragendes Strukturelement (31) mit mindestens einer Elektrode (7) realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Strukturelement (31) zu-0 mindest teilweise aus einer Siliziumcarbonitrid (Sii-x-yCxNy)-basierten Schicht
(3) besteht.
2. MEMS-Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumcarbonitrid-basierte Schicht des freitragenden Strukturelements um-5 fasst:
40-55 at% Si-Anteil, 5-40 at% C-Anteil und 55-5 at% N-Anteil
3. MEMS-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass o die Siliziumcarbonitrid-basierte Schicht des freitragenden Strukturelements in Form einer Siliziumcarbonitroborid-Schicht Sii-x-y-zCxNyBz mit x, y, z > 1 % realisiert ist.
4. MEMS-Bauelement (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- 5 kennzeichnet, dass im Schichtaufbau mindestens eine weitere Elektrode (8) ausgebildet ist, die zusammen mit der Elektrode (7) des freitragenden Strukturelements (31) eine Kondensatoranordnung bildet, und dass zumindest eine der beiden Elektroden (7, 8) der Kondensatoranordnung beweglich gelagert ist.
0
5. MEMS-Bauelement (102) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Strukturelement (31) als Träger oder Aufhängung für die bewegliche Elektrode (7) der Kondensatoranordnung dient. 5 6. MEMS-Bauelement (200) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Strukturelement (231) als feststehender Träger oder feststehende Anbindung für mindestens eine Elektrode (235) der
Kondensatoranbindung dient.
7. MEMS-Bauelement (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Strukturelement (31) eine Drucksensoroder Mikrofonmembran ist.
8. MEMS-Bauelement (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Strukturelement (231) das feststehende Gegenelement zu einer Drucksensor- oder Mikrofonmembran ist.
9. MEMS-Bauelement (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Strukturelement (401 , 402) ein Biegebalken ist.
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