WO2021191123A1 - Verfahren zum herstellen eines mikromechanischen sensors - Google Patents

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WO2021191123A1
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layer
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oxide
sacrificial
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PCT/EP2021/057209
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Thomas Friedrich
Christoph Hermes
Peter Schmollngruber
Heribert Weber
Andreas Scheurle
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a micro-mechanical sensor.
  • the present invention also relates to a micro-mechanical sensor.
  • OMM surface micromechanics
  • DE 102013213065 B4 discloses a mechanical component and a manufacturing method for a micromechanical component.
  • DE 102013222664 A1 discloses a micromechanical structure and a method for producing a micromechanical structure.
  • the object is achieved with a method for producing a micromechanical sensor, comprising the steps:
  • sensing region on a carrier structure, the sensing region and the carrier structure being formed on the oxide sacrificial layers and the sensing region and / or the carrier structure being connected to the substrate via at least one connection region forming a flexible structure;
  • a sensing area is provided on a carrier structure which is mechanically decoupled or separated from the underlying substrate, e.g. a silicon substrate (Si substrate) and is only connected to the Si substrate at a few points on the front side.
  • a stress-decoupled sensing area can be produced by means of a sacrificial oxide that has been removed over a large area.
  • a distance between a carrier structure with a sensing area formed thereon and a support structure can advantageously be varied via layer thicknesses. As a result, a stress-related micromechanical sensor can be produced in this way.
  • a sensing area of a micromechanical sensor (which is conventionally produced on a silicon wafer (Si wafer or Si substrate) without stress decoupling) is produced according to the invention on the carrier structure.
  • the object is achieved with a micromechanical sensor, having: a carrier structure with a sensing area formed on a carrier structure; with the support structure down at least is partially spaced from the substrate and is laterally at least partially attached to the substrate.
  • An advantageous development of the method is characterized in that trenches and / or trench structures are formed in the substrate to remove the oxide sacrificial layers between the carrier structure and the substrate.
  • trenches and / or trench structures are formed in the substrate to remove the oxide sacrificial layers between the carrier structure and the substrate.
  • structures in the substrate for distributing etching gas are provided, which make it possible to quickly distribute an etching gas over a large area.
  • the support structure can be exposed in a simple manner.
  • support structures in the form of trenches and / or the trench structures in the substrate are filled with a first sacrificial oxide layer and serve as a support for the carrier structure in the further manufacturing process.
  • a subsequently implemented layer structure can be made flat, bend-resistant and mechanically stable, whereby e.g. large-area carrier structures can be provided, under which silicon can be removed partially or over a large area for the production of etching channels.
  • etching process for producing trenches and / or trench structures is designed as etching channels and / or support structures to support a carrier structure in the substrate isotropic or anisotropic. This allows the shape of the trenches to be influenced in a simple manner.
  • Another advantageous development of the method is characterized in that, in order to form the trenches and / or trench structures, the substrate below a first sacrificial oxide layer is partially removed through openings in the first sacrificial oxide layer and the openings in the first sacrificial oxide layer through applying a second oxide sacrificial layer are sealed. In this way, a further variant for creating the substructure below the support structure is provided.
  • a further advantageous development of the method is characterized in that knobs oriented towards the substrate and / or knobs formed on the substrate are formed on the carrier structure.
  • a supporting function is implemented in the layer structure of the sensor element, and on the other hand, it can prevent the carrier structure from “sticking” to the substrate in the event of impacts (e.g. due to electrostatic forces).
  • the knob height can be varied in a simple manner by setting an etching depth.
  • a further advantageous development of the method is characterized in that pillars oriented towards the substrate are formed on the carrier structure. This provides an alternative support structure for the carrier structure.
  • the pillars are connected to the substrate or formed at a distance from the substrate.
  • Different support concepts for the support structure can be implemented in the various ways mentioned for the formation of the columns.
  • Another advantageous development of the method is characterized in that a first polysilicon layer with a defined layer thickness is formed on the oxide sacrificial layers.
  • Another advantageous development of the method is characterized in that a second, rapidly growing, polysilicon layer with a defined layer thickness is formed on a first polysilicon layer.
  • connection area of the carrier structure to the substrate is at least partially and / or in areas monocrystalline. Circuit components can advantageously be formed in the monocrystalline regions.
  • connection area of the carrier structure to the substrate is polycrystalline.
  • connection area which are connected to the sensing area with conductor tracks.
  • circuit components can be electrically connected to the sensing area with conductor tracks that can be routed, for example, via spring structures.
  • 19 shows a plan view of a further specific embodiment for producing a proposed micromechanical sensor; 20-39 exemplary views of process stages of an embodiment of a proposed method for producing a micromechanical sensor; and
  • 40 shows a basic sequence of a method for producing a proposed micromechanical sensor.
  • a core idea of the invention is in particular to provide a stress-decoupled micromechanical sensor or a sensing area of a micromechanical sensor in a simple manner.
  • a sensing area is understood to be an area of the micromechanical sensor in which a physical signal (e.g. pressure sensor signal) is converted into an electrical signal.
  • a physical signal e.g. pressure sensor signal
  • movable and non-movable structures such as membranes, movable masses, electrodes, and / or electrical conductor tracks can be embedded in a surrounding periphery, which are used for the production of e.g. pressure sensors, microphones, acceleration sensors, rotation rate sensors, air mass sensors, gas sensors and the like is required.
  • a substrate 1 Si substrate on which a first sacrificial oxide layer 2 (for example an SiO 2 sacrificial layer) is arranged or deposited.
  • a first polysilicon layer 3a (“polysilicon start layer”) with etching channels Xi that extend as far as the oxide layer 2, on which a second polysilicon layer 3b (epitaxial polysilicon, EPI-PolySi) is provided with the aid of a selective silicon deposition was deposited in an EPI reactor.
  • a selective silicon deposition is intended to ensure that no silicon grows on an oxide surface when polysilicon is deposited in an EPI reactor.
  • widened etching channels X2 can optionally also be formed in the oxide sacrificial layer 2, as indicated in FIG. 2.
  • 3 shows that when the second polysilicon layer 3b grows on nucleation nuclei on oxide surfaces in the etching channels, such as, for example, etching residues or particles, silicon can be deposited. If the first sacrificial oxide layer 2 is then removed later, freely movable silicon particles 5 can arise, as is indicated in FIGS. 3a) to 3d).
  • a first sacrificial oxide layer 2 is initially deposited at least in that area of a micromechanical sensor in which a sensing area is separated from the substrate 1 in a later process stage target.
  • the first sacrificial oxide layer 2 is structured with the aid of standard semiconductor processes and the substrate 1 is exposed in the resulting openings X3. In the areas exposed in this way, silicon in the substrate 1 is then removed. This can be done, as indicated in FIG. 4, with an isotropic or, as indicated in FIG. 5, with an anisotropic etching process.
  • silicon-free areas below the first sacrificial oxide layer 2 in the Si substrate can also be produced when using an isotropic Si etching process. This makes it possible, for example, to be able to produce channel structures or trenches 1 a with a larger channel cross section, as can be seen in FIGS. 6 and 7, under the first sacrificial oxide layer 2.
  • the Si-free areas can, for example, also further serve to produce knob structures from substrate material, which can serve to avoid sticking of the sensing areas later exposed from the substrate 1 to the substrate 1.
  • the openings are closed with the aid of a second sacrificial oxide layer 6 (for example with a SiO 2 sacrificial layer).
  • a second sacrificial oxide layer 6 for example with a SiO 2 sacrificial layer.
  • S1O2 is deposited in the structures produced in the substrate 1, this is also removed in a later S1O2 sacrificial layer etching process, whereby advantageously no freely movable particles 5 arise.
  • the maximum width of the openings in the first sacrificial oxide layer 2 is decisive for the required minimum thickness of the second sacrificial oxide layer 6, which is necessary for a secure closure of the Openings in the first sacrificial oxide layer 2 is required.
  • a first polysilicon layer 3a is then deposited on the second sacrificial oxide layer 6, on which a second polysilicon layer 3b can also be deposited, the first polysilicon layer 3a also being used as a starting layer for the growth of the second polysilicon layer 3b in an EPI reactor can.
  • the first polysilicon layer 3a and optionally the second polysilicon layer 3b can also be deposited on the substrate 1 (area A) and here, for example, attachment points / -form structures on the substrate 1 for the sensing area to be exposed, as shown in FIGS. 8a, 8b.
  • polycrystalline and monocrystalline Si regions D can be produced at the same time during the epitaxial Si deposition of the subsequent silicon layer 3b.
  • the polycrystalline silicon regions arise on the first polysilicon layer 3a and the monocrystalline regions D on the exposed monocrystalline substrate 1, as indicated in FIGS. 9a and 9b with regions B and D.
  • the monocrystalline silicon areas D can now serve as attachment points / structures on the substrate 1 for the sensing area to be exposed later and / or for the further integration of electrical semiconductor circuits.
  • a polishing step chemical mechanical polishing, CMP
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a thickness of the second polysilicon layer 3b can be up to approx. 100 ⁇ m and more and can be deposited / grown significantly faster in an EPI reactor, such as in a LPCVD process (low pressure chemical vapor deposition, LPCVD) as a result
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • a micromechanical component eg in the form of a capacitive pressure sensor
  • an area is provided in which epitaxially monocrystalline Si silicon can grow on the Si substrate (so-called EPI plug area).
  • EPI plug area is now placed in area B on the Si substrate, which is also monocrystalline, as shown in FIG polycrystalline silicon layers 3a, 3b arise, which are located on oxide sacrificial layers 2, 6, as shown in FIG. 10 and can also have monocrystalline areas D on the surface.
  • an etching access 8 is now produced within the sensing area 20 in one of the last processing steps from the surface into the “channel system” below the oxide sacrificial layers 2, 6, this etching access can be used to quickly and extensively etch the oxide sacrificial layers 2, 6 take place below the support structure 3a, 3b of the sensing area 20, whereby a cavity 16 is formed below the support structure 3a, 3b on which the sensing area 20 is located.
  • an etching access 8 was created in the polycrystalline area of the EPI plug with the help of one or more preferably anisotropic plasma etching processes (cutting silicon and etching S1O2 or etching a homogeneous or uniform silicon layer in a plasma etching step) and through this etching access 8 the Oxide sacrificial layers 2, 6 removed.
  • FIG. 12 shows a further example in which the etching access 8 takes place through the layer system in the sensing area 20.
  • the oxide sacrificial layers 2, 6 consist of S1O2
  • oxide layers within the layer system in the sensing area 20 of the micromechanical component are be removed.
  • knobs 9 can also be present under the exposed sensing area 20, which are located on the side of the carrier structure 10 facing the substrate and can strike corresponding surfaces on the substrate 1 in certain situations.
  • the sensing region 20 thus has essentially the same lateral dimensions as the carrier structure 3a, 3b arranged underneath.
  • a variant is not shown in the figures in which the sensing area 20 can also have smaller lateral dimensions than the carrier structure 3a, 3b located underneath.
  • the knobs 9 can consist of polysilicon or an electrically insulating material which has a high etch resistance to the oxide sacrificial layer etching medium and was deposited and optionally structured on the second oxide sacrificial layer 6 before the deposition of the polysilicon layer 3a.
  • Figures a) and b) of FIG. 12 show different variants of the nubs 9.
  • a variant is shown in which an etch-resistant layer is optionally located in the area of a nub 9 made of polysilicon on a corresponding surface of the substrate 1 4, the material of which has a high etch resistance to the oxide sacrificial layer etching medium and is electrically insulating.
  • the knob 9 itself consists of an electrically insulating material that has a high etching resistance to the sacrificial layer etching medium.
  • the knobs 9 can be produced by targeted structuring of the two sacrificial oxide layers 2, 6. It is also conceivable to provide an etch-resistant and electrically insulating layer 4 on nub structures on the substrate surface, which can be produced by targeted structuring of the first sacrificial oxide layer 2 and targeted etching of the substrate 1, as shown in Figure 12 a). In this case, the deposition and structuring of this layer would take place before the deposition of the first sacrificial oxide layer 2.
  • the distance between the carrier structure 3a, 3b on which the sensing region 20 is located and the substrate 1 cannot alone can be defined by appropriate choice of the layer thicknesses of the oxide sacrificial layers 2, 6. Rather, the distance can also be increased by etching the substrate 1 with the aid of an additional gas phase etching process (for example by means of XeF2).
  • FIG. 14 shows how the etching access 8 must be designed for this purpose. Since there is no unwanted etching attack on exposed Si surfaces with XeF2 etching, they must be protected with an etch-resistant layer 11, such as S1O2, which also applies to the area of the etching access 8.
  • an etch-resistant layer 11, such as S1O2 which also applies to the area of the etching access 8.
  • FIG. 15 shows an example of a stress-decoupled sensing area 20 on a carrier structure 3a, 3b after XeF2 etching with oxide sacrificial layers 2, 6 still present and etch-resistant (protective) layer 11 still present.
  • the S1O2 protective and sacrificial layers are then removed with the aid of a gas phase etching process (eg HF gas phase etching process).
  • a gas phase etching process eg HF gas phase etching process.
  • an additional layer of e.g. silicon and / or silicon-rich silicon nitride must be present in an etching access channel 8 behind the walls made of a material 11 that is etch-resistant to XeF2, such as S1O2 , which is etch-resistant to a gas phase etching process.
  • the protective layer must consist of an electrically non-conductive material such as silicon-rich silicon nitride.
  • FIG. 16 shows a stress-decoupled sensing region 20 with a carrier structure 3a, 3b after an additional HF gas phase estimation.
  • FIG. 11 it can be seen here that with the aid of an additional XeF2 gas phase etching process, the distance between the carrier structure 3a, 3b of the sensing region 20 and the substrate 1 can be additionally increased.
  • connection area 30 of the sensing area 20 to the substrate is completely polycrystalline and, after removal of the sacrificial oxides of the sensing area 20, is connected via one or more steles or pillars 12 connected to the substrate 1.
  • connection area 30 can also be completely polycrystalline in the variant described in FIGS. 10 and 11.
  • FIGS. 18a, 18b show a possibility of how a carrier structure 3a, 3b with a sensing area 20 can be designed in a stress-decoupled manner from the surrounding substrate 1 and / or layer system.
  • the carrier structure 3a, 3b with the sensing region 20 is fixed on one side on the surrounding substrate 1 and / or layer system, but is otherwise formed separately from the surrounding silicon substrate 1 and / or layer system.
  • the lateral separation takes place here by introducing a trench structure X 4 down to the oxide sacrificial layers 2,
  • the trench structure is produced in a polycrystalline Si area C, which encloses the carrier structure 3a, 3b and the sensing area 20, which in turn is surrounded by monocrystalline silicon. Via the unilateral "clamping xs" achieved in this way The carrier structure 3a, 3b and the sensing area 20 can furthermore lead electrical conductor tracks 13 from the sensing area 20 to the mainland and this can be electrically connected to integrated circuits and bond pads 14.
  • the area surrounding the carrier structure 3a, 3b and the sensing area 20 can consist entirely of polycrystalline silicon or a circumferential polycrystalline Si area, which in turn is surrounded by an area in which the oxide sacrificial layers 2, 6 die the same layer sequence as in the case of the carrier structure 3a, 3b and the sensing region 20 is formed.
  • FIGS. 18a, 18b and 19 show examples of springs 15 or conductor tracks 13. However, other suspension structures that are not explicitly explained can also be implemented in the manner described.
  • FIG. 19 shows a further example in which the carrier structure 3a, 3b with the sensing area 20 is connected to the surrounding mainland via flexible structures / springs 15.
  • the etching process for producing the trench structure X 4 is also used to produce the spring structures 15, which are partially or completely located in the polycrystalline Si region that encloses the carrier structure 3a, 3b and the sensing region 20.
  • the electrical connection of structures in the sensing area 20 takes place in this example with the help of electrical conductor tracks 13, which are guided over the elastic structures or springs 15 and which are made of doped polysilicon, metallic material, metal silicides, from specifically doped areas in the Silicon surface or can consist of combinations of these.
  • the polysilicon layers 3a, 3b produced on the oxide sacrificial layers 2, 6 essentially serve as a substructure or as a support structure for sensors or sensing areas, which are formed by an at least partially surrounding trench and by removing the oxide sacrificial layers 2, 6 from surrounding substrate 1 and / or surrounding layer system should / must be stress-decoupled.
  • the structure shown has the advantage that it enables both high Si0 2 sacrificial oxide etching rates through etching channels in the silicon substrate and a stable, bend-free, substrate and layer structure that allows the use of standard semiconductor processes to generate the desired Structures allowed without restrictions.
  • the possibility of being able to provide areas on the chip surface that are made of monocrystalline silicon also allows integrated circuits to be provided. In this way, for example, an integrated OMM pressure sensor chip or inertial sensor chip can be implemented, the sensing area 20 of which is designed to be stress-decoupled from the surrounding substrate.
  • a further variant for producing a micromechanical sensor 100 is explained in more detail below with reference to FIGS. 20-39.
  • FIG Fig. 21 shows that in order to increase a distance between an area to be exposed and a substrate 1, defined trench structures 1b can be introduced into the substrate 1, which are then filled with the aid of a first oxide sacrificial layer 2 (e.g. silicon oxide layer), as shown in FIG Fig. 21 is indicated.
  • a first oxide sacrificial layer 2 e.g. silicon oxide layer
  • This can be done, for example, by thermal oxidation, deposition of an LPCVD or PECVD oxide layer or a TEOS oxide layer or combinations of these layers.
  • the shape of the trench structures 1b can be selected such that the smallest opening width exists on the substrate surface and the trench structures 1b widen with increasing trench depth.
  • a trench structure 1b lined with S1O2 can be produced, which is closed on the substrate surface.
  • the cavity created in this way serves for local stress decoupling and prevents the formation of undesired cracks in the substrate 1.
  • the shape of the trench structures 1b can be, for example, bottle-like (FIG. 22a), triangular (FIG. 22b), or bulbous (FIG. 22c). be executed.
  • openings X 6 are etched outside the filled or closed trench structures 1b in the deposited first oxide sacrificial layer 2, through which, with the aid of an isotropic silicon etching process (for example XeF2 or isotropic plasma etching step), the silicon located underneath is removed, as indicated in FIG. 23. You can see the pillars that remained after the silicon etching process the first sacrificial oxide layer 2.
  • an isotropic silicon etching process for example XeF2 or isotropic plasma etching step
  • the depth of the resulting cavity should be selected to be less than or equal to the depth of the trench structures 1b lined with the first sacrificial oxide layer 2 in order to avoid undercutting the SiO 2 structures produced in the process. This is important because the S1O2 structures serve to stabilize the subsurface for the further layer structure of the area to be exposed later.
  • the Si0 2 structures can have any number and shape.
  • a superficial planarization step CMP step
  • CMP step can also be carried out prior to the creation of openings X 6 in the first sacrificial oxide layer.
  • the SiO2 structures produced in the substrate 1 can also be used to produce lateral etch stop structures with a suitable design. This has the advantage that the lateral and vertical dimensions of the cavern under the area to be exposed can be selected or performed independently of one another.
  • a first polysilicon layer 3a can also be deposited, which is removed outside the stress decoupling area together with the SiO 2 layers already deposited, as shown in FIG. 24.
  • pillars and optional lateral etch stop structures consisting of the first sacrificial oxide layer 2 are now formed between the substrate 1 and the second sacrificial oxide layer 6 with the first polysilicon layer 3a deposited thereon, and at least partially provide mechanical stability for the further layer structure are surrounded by closed cavities.
  • a second silicon layer is now deposited / grown on the surface prepared in this way in an epitaxial reactor (EPI reactor), as shown in FIG. 25, it grows polycrystalline in the areas in which the first polysilicon layer 3a is present , the second polysilicon layer 3b being formed, and monocrystalline in the areas in which the substrate 1 has been exposed (area B). If, on the other hand, only the sacrificial oxide layers 2, 6 are structured and the first polysilicon layer 3a is deposited over the entire wafer, as shown in FIG 27 can be seen and corresponds to area A in FIG. 8a.
  • the second polysilicon layer 3b grown in an EPI reactor and the first polysilicon layer 3a serve as a carrier structure 3a, 3b for further layers with which a sensing area 20 is to be stress-decoupled can be realized, while the area in which silicon has grown monocrystalline can be used for the integration of electronic circuit components.
  • FIG. 28 shows a cross-sectional view with a sensing area 20 and the monocrystalline area D, in which electronic circuit components (not shown) can be arranged, which can be electrically connected to the sensing area 20.
  • etching accesses 8 through the existing layer system to the cavern 16 underneath and pervaded with SiO 2 structures can be implemented at one or more positions on the surface. Since the Si0 2 layers within the cavern 16 are to be removed through these etching channels 8 by means of wet chemical or gaseous etching with HF, it is advantageous to provide the etching accesses 8 in areas in which there are layers of silicon and / or resistant to HF Materials are located in order to be able to avoid unwanted or uncontrolled etching within the layer system, as indicated in FIG. 29.
  • the “footprints” of the pillars of the first oxide sacrificial layer 2 in the substrate 1, which were removed by the gas phase etching process, can also be seen here.
  • etching accesses 8 in such a way that a defined separation between the area that is to be stress-decoupled and the surrounding area / substrate can be achieved.
  • spring-like suspensions or springs 15 can be implemented analogously to the representations in FIGS. 18a, 18b and 19, via which the later exposed and stress-decoupled area is still connected to the surrounding substrate and over which, for example, electrical conductor tracks 13 (see FIGS. 18a, 18b, 19) can also be routed.
  • knobs 9 on the underside and thus on the side of the stress-decoupled area or the carrier structure 3a, 3b with the sensing area 20 facing the substrate 1, in order to be able to avoid possible adhesion of this area to the substrate 1.
  • depressions X 7 can be introduced into the second sacrificial oxide layer 6 (closure oxide), as shown in FIG. 30, which are filled with silicon in later process steps.
  • depressions can also be etched into the substrate 1, which are lined with the first sacrificial oxide layer 2 and the second sacrificial oxide layer 6, for example, and filled with silicon in the subsequent process steps, as indicated in FIG. 31.
  • openings X 3 through which the substrate 1 can be etched are also made here. These openings X 3 can optionally also be located in the area of the depressions etched into the substrate 1 (not shown).
  • nubs 9 made of polysilicon can be implemented on the underside of the area to be decoupled from a stress-related point of view, as can be seen in FIG. 32.
  • the knobs 9 can also consist of an electrically insulating and etch-resistant material 4 or be covered by it.
  • an electrically insulating layer must be deposited which is etch-resistant to HF in liquid or gaseous form.
  • silicon-rich silicon nitride for example, has proven itself.
  • the use of layers of aluminum oxide or silicon carbide or combinations of the materials mentioned is also conceivable.
  • the insulating layer 4 can be structured and is only located in the area of the knobs 9. Furthermore, it is also conceivable that the area to be decoupled from stress is connected to the substrate 1 via column-like structures or columns 12 of any shape.
  • the columnar structures or columns 12 are here verbun directly to the underside of the support structure 3a, 3b and the upper side of the substrate.
  • the construction of the pillar-like structures 12 is comparable to that of knob structures or knobs 9.
  • the number and position of the column-like structures can here, as with the knob structures, be selected as desired and adapted to existing requirements.
  • the material of the column structures can comprise silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon-rich silicon nitride, aluminum oxide, silicon carbide or a combination of the materials mentioned.
  • care must be taken that the material which comes into contact with the etching medium to remove the oxide sacrificial layers 2, 6 has a high etching resistance compared to this.
  • the material of the columnar structures can also be located flat on the underside of the stress-decoupled sensing area 20 area and here in particular on the underside of the carrier structure 3a, 3b or be structured in such a way that it is only located in the area of the columnar structures, as in FIG. 35 indicated.
  • FIGS. 36 to 39 Some examples of further possible columnar structures 12 are shown in FIGS. 36 to 39.
  • columnar structures 12 can be seen which can have a jacket made of electrically insulating material that is etch-resistant with respect to the etching medium of the oxide sacrificial layers 2, 6, for example silicon-rich silicon nitride and a core made of polysilicon.
  • FIG. 37 shows an example of a columnar structure 12 with a core made of poly- and monocrystalline silicon which is formed from the material of the carrier structure 1 and from the material of the substrate 1.
  • a SOI wafer 40 silicon on isolator, SOI
  • SOI silicon on isolator
  • the substrate material which has a monocrystalline silicon substrate 40a, an electrically insulating layer 40b arranged above it (eg S1O2) and a has mono- or polycrystalline silicon 40c arranged thereon, wherein the method described can be carried out with the SOI wafer 40.
  • the trench structures 1b can advantageously completely penetrate the silicon layer 40c and the insulating layer 40b can be used as an etch stop layer for the etching process (e.g. trench etching process) (not shown).
  • the etching process e.g. trench etching process
  • areas in substrate 1 can be defined from which the substrate material can be removed without undercutting trench structures 1b within this area.
  • the substrate 1 can be etched with an etching process that does not have to meet high requirements, e.g. with regard to the anisotropic etching behavior.
  • the insulating layer 40b can be structured before the deposition / application of the silicon layer 40c in such a way that in openings of the insulating Layer 40b Material of the silicon layer 40c is deposited on the monocrystalline silicon substrate 40a and can thus act as a lateral etch stop.
  • a planarization step for producing a flat surface can further be carried out.
  • a recess is first created in the silicon substrate 40a, which is filled with the insulating layer 40b.
  • the deposited layer thickness of the insulating layer 40b is advantageously selected to be greater than the layer thickness carried out in the recess of the silicon substrate 40a.
  • the Surface removed in such a way that the insulating layer 40b is only located in the depressions in the silicon substrate and a flat surface is created.
  • the silicon layer 40c is deposited on the planarized surface and islands laterally separated from one another are formed from the material of the insulating layer 40c. Areas in which the silicon layer 40c comes into contact with the silicon substrate 40a can also be used here as a lateral etch delimitation.
  • the islands separated from one another are formed from the insulating layer 40b with the aid of a LOCOS process.
  • a planarization step with which the nitride mask is also removed to produce the local SiO 2 areas, a flat surface with SiO 2 areas separated from one another can also be produced here.
  • All of the aforementioned examples are to be understood as examples and can be modified and / or combined in a wide variety of ways.
  • the elastic structures and the way in which the sensing area is suspended can be selected as desired and adapted to the particular application.
  • the stress decoupling variants shown are advantageously not limited to pressure sensors, but can also be used with other stress-sensitive sensors, such as micromechanical inertial sensors or temperature sensors.
  • the invention can advantageously be applied to all types of micro-mechanical sensors in which a stress decoupling of the sensing area is to be implemented. In this way, influences from the assembly and connection technology (AVT) on the sensor signal can be reduced or avoided and cost-intensive assemblies to reduce the stress input can be dispensed with or reduced.
  • AVT assembly and connection technology
  • a first sacrificial oxide layer 2 is applied to a substrate 1.
  • a step 210 material from the substrate 1 is removed through openings X 3 in the first sacrificial oxide layer 2.
  • a step 220 the openings X 3 in the first oxide
  • Sacrificial layer 2 carried out by applying a second oxide sacrificial layer 6.
  • a sensing region 20 is formed on a carrier structure 3a, 3b, the sensing region 20 and the carrier structure 3a, 3b being formed on the oxide sacrificial layers 2, 6 and the sensing region 20 and / or the carrier structure 3a, 3b be connected to the substrate 1 via at least one connection area 30 forming a flexible structure 15.
  • Sacrificial layers 2, 6 carried out between the carrier structure 3a, 3b and the substrate 1 by means of an etching process.

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (100), aufweisend die Schritte: - Aufbringen einer ersten Oxid-Opferschicht (2) auf ein Substrat (1); - Entfernen von Material des Substrats (1) durch Öffnungen (x3) in der ersten Oxid-Opferschicht (2); - Verschließen der Öffnungen (x3) in der ersten Oxid-Opferschicht (2) durch Aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht (6); - Ausbilden eines Sensierbereichs (20) auf einer Trägerstruktur (3a, 3b), wobei der Sensierbereich (20) und die Trägerstruktur (3a, 3b) auf den Oxid-Opferschichten (2, 6) ausgebildet werden und der Sensierbereich (20) und/oder die Trägerstruktur (3a, 3b) über zumindest einen eine flexible Struktur (15) bildenden Anbindungsbereich (30) mit dem Substrat (1) verbunden werden; und - wenigstens teilweises Entfernen der Oxid-Opferschichten (2, 6) zwischen der Trägerstruktur (3a, 3b) und dem Substrat (1) mittels eines Ätzprozesses.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikro mechanischen Sensors. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen mikro mechanischen Sensor.
Stand der Technik
In der Oberflächen-Mikromechanik (OMM) kommt es immer wieder zu der Anforderung, unter großflächigen Bereichen Opferschichten entfernen zu müssen. Können diese Bereiche nicht derart strukturiert werden, dass sie flächig von einem Ätzmedium durchdrungen werden, um etwa Wege zur Entfernung einer Opferschicht kurz halten zu können, muss eine Opferschichtätzung aus gehend von den äußersten Kanten des Bereichs/der Struktur erfolgen. Dies erfordert eine sehr lange Ätzzeit, was zu höheren Kosten führen kann. Aus diesem Grund gibt es verschiedene Ansätze, gezielt Kanäle im Bereich einer Opferschicht umzusetzen, mit deren Hilfe sich das Ätzmedium schnell in der Fläche verteilen lässt und dadurch deutlich geringere Ätzzeiten realisiert werden können.
DE 102013213065 B4 offenbart ein mechanisches Bauteil und ein Herstel lungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
DE 102013222664 A1 offenbart eine mikromechanische Struktur und ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors bereitzustellen. Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit Verfahren zum Herstel len eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:
- Aufbringen einer ersten Oxid-Opferschicht auf ein Substrat;
- Entfernen von Material des Substrats durch Öffnungen in der ersten Oxid- Opferschicht;
- Verschließen der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht durch Aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht;
- Ausbilden eines Sensierbereichs auf einer Trägerstruktur, wobei der Sensierbereich und die Trägerstruktur auf den Oxid-Opferschichten ausgebildet werden und der Sensierbereich und/oder die Trägerstruktur über zumindest einen eine flexible Struktur bildenden Anbindungsbereich mit dem Substrat verbunden werden; und
- wenigstens teilweises Entfernen der Oxid-Opferschichten zwischen der Trägerstruktur und dem Substrat mittels eines Ätzprozesses.
Auf diese Weise wird ein Sensierbereich auf einer Trägerstruktur bereitgestellt, der vom darunterliegenden Substrat, z.B. einem Silizium-Substrat (Si-Substrat), mechanisch entkoppelt bzw. getrennt ist und nur an wenigen Punkten mit dem Si-Substrat stirnseitig verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Herstellung eines stressentkoppelten Sensierbereichs mittels eines in einer großen Fläche ent fernten Opfer-Oxids ermöglicht. Ein Abstand zwischen einer Trägerstruktur mit darauf ausgebildetem Sensierbereich und einer Stützstruktur ist vorteilhaft über Schichtdicken variierbar. Im Ergebnis kann auf diese Weise ein stresstechnisch entkoppelter mikromechanischer Sensor hergestellt werden. Im Ergebnis wird dadurch ein Sensierbereich eines mikromechanischen Sensors (der konventio nell auf einem Silizium-Wafer (Si-Wafer oder auch Si-Substrat) ohne Stressent kopplung hergestellt wird), erfindungsgemäß auf der Trägerstruktur erzeugt. Dies bedeutet, dass der vollständige Herstellprozess eines Sensors von einer Si- Waferoberfläche auf die Oberfläche einer Trägerstruktur transferiert wird, was eine Stressentkopplung ermöglicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechani schen Sensor, aufweisend: eine T rägerstruktur mit einem auf einer T rägerstruktur ausgebildeten Sensierbereich; wobei die Trägerstruktur nach unten wenigstens teilweise vom Substrat beabstandet ist und seitlich wenigstens abschnittsweise an das Substrat angebunden ist.
Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zum Entfernen der Oxid-Opferschichten zwischen der Trägerstruktur und dem Substrat im Substrat Gräben und/oder Trenchstrukturen ausgebildet werden. Auf diese Weise werden Strukturen im Substrat zum Verteilen von Ätzgas bereitge stellt, die es ermöglichen, schnell großflächig ein Ätzgas zu verteilen. Auf diese Weise kann die Freistellung der Trägerstruktur auf einfache Weise bewerkstelligt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass Stützstrukturen in Form von Gräben und/oder die Trenchstrukturen im Substrat mit einer ersten Oxid-Opferschicht aufgefüllt werden und im weiteren Herstellprozess als Unterstützung der Trägerstruktur dienen. Auf diese Weise kann ein nachfolgend durchgeführter Schichtaufbau eben, verbiegungsarm und mechanisch stabil ausgeführt werden, wodurch z.B. großflächige Trägerstruk turen bereitgestellt werden können, unter denen partiell oder aber auch groß flächig Silizium für die Herstellung von Ätzkanälen entfernt werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Ätzprozess zur Erzeugung von Gräben und/oder Trenchstrukturen als Ätzkanäle und/oder Stützstrukturen zur Unterstützung einer Trägerstruktur im Substrat isotrop oder anisotrop ausgebildet ist. Dadurch kann die Form der Gräben auf einfache Weise beeinflusst werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zum Ausbilden der Gräben und/oder Trenchstrukturen ein teilweises Entfernen des Substrats unterhalb einer ersten Oxid-Opferschicht durch Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht erfolgt und die Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht durch aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht verschlossen werden. Auf diese Weise wird eine weitere Variante zur Schaffung des Unterbaus unterhalb der Trägerstruktur bereitgestellt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass an der Trägerstruktur zum Substrat hin ausgerichtete Noppen und/oder am Substrat ausgebildete Noppen ausgebildet werden. Dadurch wird einerseits eine unterstützende Funktion beim Schichtaufbau des Sensorelements realisiert, andererseits kann dadurch verhindert werden, dass bei Stößen die Trägerstruk tur am Untergrund „anklebt“ (z.B. aufgrund von elektrostatischen Kräften). Auf einfache Weise lässt sich durch ein Einstellen einer Ätztiefe die Noppenhöhe variieren.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekenn zeichnet, dass an der Trägerstruktur zum Substrat hin ausgerichtete Säulen ausgebildet werden. Dadurch wird eine alternative Stützstruktur für die Träger struktur bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Säulen mit dem Substrat verbunden oder vom Substrat beabstan- det ausgebildet werden. Auf die genannten unterschiedlichen Arten der Ausbil dung der Säulen können unterschiedliche Stützkonzepte für die Trägerstruktur realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass auf den Oxid-Opferschichten eine erste Polysiliziumschicht mit einer definierten Schichtdicke ausgebildet wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer ersten Polysiliziumschicht eine zweite, schnell aufwachsen de, Polysiliziumschicht mit einer definierten Schichtdicke ausgebildet wird. Da durch lässt sich vorteilhaft auf einfache Weise eine größere/höhere Gesamt schichtdicke für eine Trägerstruktur bereitstellen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Anbindungsbereich der Trägerstruktur an das Substrat zumindest teilweise und/oder bereichsweise monokristallin ausgebildet wird. Vorteilhaft können in den monokristallinen Bereichen Schaltungskomponenten ausgebildet werden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Anbindungsbereich der Trägerstruktur an das Substrat polykristallin ausgebildet wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass im Anbindungsbereich elektrische Schaltungskomponenten ausge bildet werden, die mit Leiterbahnen an den Sensierbereich angebunden werden. Dadurch kann eine elektrische Anbindung der Schaltungskomponenten an den Sensierbereich mit Leiterbahnen realisiert werden, die z.B. über Federstrukturen geführt werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Ele mente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu ge dacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszei chen eingezeichnet sind.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1-3 Querschnittsansichten eines konventionellen mikromechanischen
Schichtaufbaus;
Fig. 4-17 beispielhafte Ansichten von Prozessstadien eines vorgeschla- genen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors;
Fig. 18 eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines vorgeschla genen mikromechanischen Sensors;
Fig. 19 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors; Fig. 20-39 beispielhafte Ansichten von Prozessstadien einer Ausführungs form eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors; und
Fig. 40 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der Erfindung ist es insbesondere, auf einfache Art und Weise einen stressentkoppelten mikromechanischen Sensor bzw. einen Sensierbereich eines mikromechanischen Sensors bereitzustellen.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen konventionellen Schichtaufbau zur Bereitstellung eines stressentkoppelten Sensierbereichs. Unter einem Sensier bereich wird dabei ein Bereich des mikromechanischen Sensors verstanden, in welchem eine Umsetzung eines physikalischen Signals (z.B. Drucksensorsignal) in ein elektrisches Signal stattfindet. In dem Sensierbereich können bewegliche und nicht bewegliche Strukturen, wie z.B. Membranen, bewegliche Massen, Elektroden, und/oder elektrische Leiterbahnen in einer sie umgebenden Peri pherie eingebettet sein, die zur Herstellung von z.B. Drucksensoren, Mikrofonen, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Luftmassensensoren, Gassensoren und dergleichen erforderlich ist.
Man erkennt ein Substrat 1 (Si-Substrat), auf dem eine erste Oxid-Opferschicht 2 (z.B. eine Si02-Opferschicht) angeordnet bzw. abgeschieden ist. Auf der ersten Oxid-Opferschicht 2 befindet sich eine erste Polysiliziumschicht 3a („Polysilizium- Startschicht“) mit Ätzkanälen Xi die bis an die Oxid-Schicht 2 reichen, auf der eine zweite Polysiliziumschicht 3b (epitaktisches Polysilizium, EPI-PolySi) mit Hilfe einer selektiven Siliziumabscheidung in einem EPI-Reaktor abgeschieden wurde. Mit einer selektiven Siliziumabscheidung soll erreicht werden, dass bei einer Abscheidung von Polysilizium in einem EPI-Reaktor kein Silizium auf einer Oxidoberfläche aufwächst.
Als Variante dazu können optional auch verbreiterte Ätzkanäle X2 in der Oxid- Opferschicht 2 ausgebildet werden, wie in Fig. 2 angedeutet. ln Fig. 3 ist gezeigt, dass es beim Aufwachsen der zweiten Polysiliziumschicht 3b an Nukleationskeimen auf Oxidflächen in den Ätzkanälen, wie z.B. Ätzrückstände oder Partikel, zur Abscheidung von Silizium kommen kann. Wird dann später die erste Oxid-Opferschicht 2 entfernt, können frei bewegliche Siliziumpartikel 5 ent stehen, wie es in den Figuren 3a) bis 3d) angedeutet ist.
Um dies zu vermeiden, wird in einer Variante des vorgeschlagenen Verfahrens, wie in Fig. 4 dargestellt, zunächst eine erste Oxid-Opferschicht 2 zumindest in jenem Bereich eines mikromechanischen Sensors abgelegt, in welchem in einem späteren Prozessstadium eine Trennung eines Sensierbereichs vom Substrat 1 stattfinden soll. In einem nachfolgenden Schritt wird die erste Oxid-Opferschicht 2 mit Hilfe von Standard-Halbleiterverfahren strukturiert und in den dabei entste henden Öffnungen X3 das Substrat 1 freigelegt. In den auf diese Weise freige legten Bereichen wird anschließend Silizium im Substrat 1 entfernt. Dies kann, wie in Fig. 4 angedeutet, mit einem isotropen oder, wie in Fig. 5 angedeutet, mit einem anisotropen Ätzprozess erfolgen.
Je nach Abstand der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht 2 können beim Einsatz eines isotropen Si-Ätzprozesses auch größere sowie lateral ausgedehnte und zusammenhängende, siliziumfreie, Bereichen unterhalb der ersten Oxid- Opferschicht 2 im Si-Substrat erzeugt werden. Dadurch ist es zum Beispiel mög lich, Kanalstrukturen bzw. Gräben 1a mit einem größeren Kanalquerschnitt, wie in Fig. 6 und Fig. 7 erkennbar, unter der ersten Oxid-Opferschicht 2 erzeugen zu können. Die Si-freien Bereiche können zum Beispiel auch weiter dazu dienen, Noppenstrukturen aus Substratmaterial zu erzeugen, welche dazu dienen kön nen, ein Kleben (engl sticking) der später vom Substrat 1 freigestellten Sensier- bereiche am Substrat 1 zu vermeiden.
Nach dem Entfernen des Siliziums im Bereich der Öffnungen der ersten Oxid- Opferschicht 2 erfolgt der Verschluss der Öffnungen mithilfe einer zweiten Oxid- Opferschicht 6 (z.B. mit einer Si02-0pferschicht). Wird hierbei S1O2 in den im Substrat 1 erzeugten Strukturen abgelegt, wird dieses in einem späteren S1O2- Opferschichtätzprozess mit entfernt, wodurch vorteilhaft keine frei beweglichen Partikel 5 entstehen. Die maximale Breite der Öffnungen in der ersten Oxid- Opferschicht 2 ist dabei ausschlaggebend für die erforderliche minimale Dicke der zweiten Oxid-Opferschicht 6, welche für einen sicheren Verschluss der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht 2 erforderlich ist. Je kleiner die maximale Breite der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht 2 ist, umso kleiner kann die minimal erforderliche Schichtdicke der zweiten Oxid-Opfer schicht 6 gewählt werden. Auf die zweite Oxid-Opferschicht 6 wird anschließend eine erste Polysiliziumschicht 3a abgeschieden, auf die weiterhin eine zweite Polysiliziumschicht 3b abgeschieden werden kann, wobei die erste Polysilizium schicht 3a auch als Startschicht für das Aufwachsen der zweiten Polysilizium schicht 3b in einem EPI-Reaktor benutzt werden kann. Werden die beiden Oxid- Opferschichten 2, 6 vor der Abscheidung der ersten und zweiten Polysilizium schicht 3a, 3b strukturiert, können die erste Polysiliziumschicht 3a und optional die zweite Polysiliziumschicht 3b auch auf dem Substrat 1 abgelegt werden (Bereich A) und hier z.B. Befestigungspunkte/-strukturen auf dem Substrat 1 für den freizustellenden Sensierbereich bilden, wie den Figuren 8a, 8b dargestellt.
Wird die Polysiliziumschicht 3a zusammen mit den beiden Oxid-Opferschichten 2, 6 strukturiert, können bei der epitaktischen Si-Abscheidung der nachfolgenden Siliziumschicht 3b gleichzeitig polykristalline und monokristalline Si-Bereiche D erzeugt werden. Die polykristallinen Siliziumbereiche entstehen dabei auf der ersten Polysiliziumschicht 3a und die monokristallinen Bereiche D auf dem frei gelegten monokristallinen Substrat 1, wie in den Figuren 9a und 9b mit dem Bereichen B und D angedeutet. In letzterem Fall können nun die monokristallinen Siliziumbereiche D als Befestigungspunkte/-strukturen auf dem Substrat 1 für den später freizustellenden Sensierbereich und/oder für die weitere Integration von elektrischen Halbleiterschaltungen dienen. Wie in den Figuren 8b, 9b darge stellt, kann nach der Siliziumabscheidung zudem ein Polierschritt (engl. Chemical mechanical polishing, CMP) durchgeführt werden, um eine plane Oberfläche zu erhalten.
Eine Dicke der zweiten Polysiliziumschicht 3b kann dabei bis zu ca. 100 pm und mehr betragen und in einem EPI-Reaktor signifikant schneller abgeschieden/auf gewachsen werden wie z.B. in einen LPCVD-Prozess (engl low pressure Chemi cal vapor deposition, LPCVD) Im Ergebnis kann dadurch für den mikromecha nischen Sensor eine stabile und verwindungssteife Backplane in Form der Trägerstruktur mit den Polysiliziumschichten 3a, 3b bereitgestellt werden. Auf der so vorbereiteten Si-Oberfläche kann jetzt ein mikromechanisches Bauteil (z.B. in Form eines kapazitiven Drucksensors) hergestellt werden. Bei diesem wird konstruktiv ein Bereich vorgesehen, in dem epitaktisch monokristallines Si lizium auf dem Si-Substrat aufwachsen kann (sogenannter EPI-Plug Bereich). Wird dieser EPI-Plug-Bereich nun in dem Bereich B auf dem Si-Substrat platziert, der auch monokristallin ausgebildet wurde, wie in Fig. 9b dargestellt, ist es tech nisch möglich, z.B. ein oberflächenmikromechanisches Bauteil hersteilen zu können, dessen Sensierbereich 20 auf polykristallinen Siliziumschichten 3a, 3b entsteht, welche sich auf Oxid-Opferschichten 2, 6 befinden, wie in Fig. 10 dar gestellt und an der Oberfläche zudem monokristalline Bereiche D aufweisen kann.
Auf nähere Details zur prozesstechnischen Herstellung des Sensierbereichs 20 auf der Trägerstuktur mit den Polysiliziumschichten 3a, 3b wird hier nicht näher eingegangen, da diese Prozessschritte an sich bekannt sind.
Wird innerhalb des Sensierbereichs 20 in einem der letzten Prozessierungs- schritte nun ein Ätzzugang 8 von der Oberfläche bis hinein in das „Kanalsystem“ unterhalb der Oxid-Opferschichten 2, 6 erzeugt, so kann über diesen Ätzzugang eine schnelle, großflächige Ätzung der Oxid-Opferschichten 2, 6 unterhalb der Trägerstruktur 3a, 3b des Sensierbereichs 20 erfolgen, wodurch unterhalb der Trägerstruktur 3a, 3b, auf der sich der Sensierbereich 20 befindet, eine Kaverne 16 ausgebildet wird.
In Fig. 11 ist dies bildlich dargestellt. Hier wurde zum Beispiel im polykristallinen Bereich des EPI-Plugs ein Ätzzugang 8 mit Hilfe eines oder mehrerer vorzugs weise anisotroper Plasmaätzprozesse (Trenchen von Silizium und Ätzen von S1O2 oder Ätzen einer homogenen bzw. einheitlichen Siliziumschicht in einem Plasmaätzschritt) geschaffen und durch diesen Ätzzugang 8 die Oxid-Opfer schichten 2, 6 entfernt.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem der Ätzzugang 8 durch das Schicht system im Sensierbereich 20 erfolgt. Bestehen die Oxid-Opferschichten 2, 6 aus S1O2, ist es sinnvoll, den Rand des Ätzzugangs 8 aus Silizium auszubilden. Hier durch kann vorteilhaft vermieden werden, dass Oxidschichten innerhalb des Schichtsystems im Sensierbereich 20 des mikromechanischen Bauteils mit ent- fernt werden. Wie ferner in Fig. 12 erkennbar ist, können unter dem freigestellten Sensierbereich 20 auch Noppen 9 vorhanden sein, welche sich an der dem Substrat zugewandten Seite der Trägerstruktur 10 befinden und in bestimmten Situationen auf korrespondierenden Flächen am Substrat 1 auftreffen können.
Im Ergebnis weist somit der Sensierbereich 20 im Wesentlichen gleiche laterale Abmessungen auf, wie die darunter angeordnete Trägerstruktur 3a, 3b. Nicht in Figuren dargestellt ist eine Variante, bei der der Sensierbereich 20 auch kleinere laterale Abmessungen haben kann als die darunter befindliche Trägerstruktur 3a, 3b.
Die Noppen 9 können aus Polysilizium oder aus einem elektrischen isolierenden Material bestehen, welche eine hohe Ätzresistenz gegenüber dem Oxid-Opfer- schichtätzmedium besitzt und vor der Abscheidung der Polysiliziumschicht 3a auf der zweiten Oxid-Opferschicht 6 abgeschieden und optional strukturiert wurde.
Die Abbildungen a) und b) von Fig. 12 zeigen unterschiedliche Varianten der Noppen 9. In Abbildung 12 a) ist z.B. eine Variante gezeigt, bei der sich im Bereich einer Noppe 9 aus Polysilizium auf einer korrespondierenden Fläche des Substrat 1 optional eine ätzresistente Schicht 4 befindet, deren Material eine hohe Ätzresistenz gegenüber dem Oxid-Opferschichtätzmedium besitzt und elektrisch isolierend ist.
In Abbildung 12 b) ist die Variante zu sehen, bei der die Noppe 9 selbst aus einem elektrisch isolierenden Material besteht das eine hohe Ätzresistenz gegenüber dem Opferschichtätzmedium besitzt. Wie in Fig. 13 erkennbar ist, können die Noppen 9 durch gezielte Strukturierungen der beiden Oxid-Opfer schichten 2, 6 hergestellt werden. Denkbar ist auch, auf Noppenstrukturen an der Substratoberfläche, welche durch gezielte Strukturierung der ersten Oxid-Opfer schicht 2 und gezieltes Ätzen des Substrats 1 hergestellt werden können, eine ätzresistente und elektrisch isolierende Schicht 4 vorzusehen, wie in Abbildung 12 a) gezeigt wird. In diesem Fall würde die Abscheidung und Strukturierung dieser Schicht vor der Abscheidung der ersten Oxid-Opferschicht 2 erfolgen.
In Anlehnung an Fig. 12 kann der Abstand zwischen der Trägerstruktur 3a, 3b, auf der sich der Sensierbereich 20 befindet, und dem Substrat 1 nicht alleine durch entsprechende Wahl der Schichtdicken der Oxid-Opferschichten 2, 6 definiert werden. Vielmehr kann der Abstand auch durch Ätzen des Substrats 1 mit Hilfe eines zusätzlichen Gasphasenätzprozesses (z.B. mittels XeF2) erhöht werden.
In Fig. 14 ist dargestellt, wie hierzu der Ätzzugang 8 ausgebildet sein muss. Da mit beim XeF2-Ätzen kein ungewollter Ätzangriff auf frei liegende Si-Flächen er folgt, müssen diese mit einer ätzresistenten Schicht 11, wie zum Beispiel S1O2 geschützt werden, was auch für den Bereich des Ätzzugangs 8 gilt. Durch eine Auswahl einer geeigneten Form und Verteilung der Öffnungen X3 in der ersten Oxid-Opferschicht 2 a kann festgelegt werden, wie die Gräben 1a im Substrat 1 ausgebildet werden. In Fig. 14 ist erkennbar, wie auf diese Weise auch nach oben ausgerichtete nicht geätzte Bereiche des Substrats 1 erzeugt werden können, die wie Noppen wirken, was in Fig. 16 noch deutlicher erkennbar ist, wo das gesamte Opfer-Oxid herausgeätzt ist. Vorteilhaft könnend diese Noppen dazu beitragen, dass bei Vorliegen von starken Beschleunigungskräften auf den Sensor die in der Kaverne 16 freigestellte Oberfläche der Trägerstruktur 3a, 3b nicht am Substrat 1 „ankleben“ kann.
Fig. 15 zeigt beispielhaft einen stressentkoppelten Sensierbereich 20 auf einer Trägerstruktur 3a, 3b nach einer XeF2-Ätzung mit noch vorliegenden Oxid- Opferschichten 2, 6 und noch vorliegender ätzresistenter (Schutz-) Schicht 11.
Nach dem Ätzen des Substrats 1 unterhalb der Trägerstruktur 3a, 3b auf der sich der Sensierbereichs 20 befindet, erfolgt anschließend die Entfernung der S1O2- Schutz- und Opferschichten mit Hilfe eines Gasphasenätzprozesses (z.B. HF- Gasphasenätzprozess). Damit hier kein Ätzangriff auf Si02-lsolationsschichten zwischen Leiterbahnebenen des Sensierbereichs erfolgen kann, muss in einem Ätzzugangskanal 8 hinter den Wänden aus einem gegenüber XeF2 ätzresisten ten Material 11 , wie z.B. S1O2, zusätzlich eine Schicht aus z.B. Silizium und/oder siliziumreiches Siliziumnitrid vorhanden sein, welche ätzresistent gegenüber einem Gasphasenätzprozess ist.
Auch andere Strukturen, die keine Ätzresistenz gegenüber dem verwendeten Ätzgas (z.B. HF-Dampf) besitzen, sollten mit einer entsprechenden Schutz schicht geschützt werden, wobei es sich bei diesen anderen Strukturen auch um elektrische Leiterbahnen, elektrisch isolierte Bereiche oder elektrische Isolations schichten handeln kann. Um in diesen Fällen elektrische Kurzschlüsse vermei den zu können, muss die Schutzschicht hier aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie zum Beispiel siliziumreiches Siliziumnitrid bestehen.
Fig. 16 zeigt einen stressentkoppelten Sensierbereich 20 mit Trägerstruktur 3a, 3b nach einer zusätzlichen HF-Gasphasenschätzung. In Bezug auf Figur 11 ist hier erkennbar, dass mit Hilfe eines zusätzlichen XeF2-Gasphasenätzprozesses der Abstand zwischen der Trägerstruktur 3a, 3b des Sensierbereich 20 und dem Substrat 1 zusätzlich vergrößert werden kann.
Fig. 17 zeigt eine weitere Variante, bei der der Anbindungsbereich 30 des Sensierbereichs 20 an das Substrat vollständig polykristallin ausgebildet ist und nach Entfernung der Opferoxide des Sensierbereichs 20 über eine oder mehrere, mit dem Substrat 1 verbundene Stelen bzw. Säulen 12 verbunden ist. Der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt, dass auch bei der in den Figuren 10 und 11 beschriebenen Variante der Anbindungsbereich 30 vollständig polykristallin ausgeführt sein kann.
Die Draufsicht und die korrespondierende Querschnittsansicht der Figuren 18a, 18b zeigen eine Möglichkeit, wie eine Trägerstruktur 3a, 3b mit einem Sensier bereich 20 stressentkoppelt zum umgebenden Substrat 1 und/oder Schicht system ausgeführt werden kann. Im gezeigten Fall ist die Trägerstruktur 3a, 3b mit dem Sensierbereich 20 einseitig am umgebenden Substrat 1 und/oder Schichtsystem fixiert, sonst aber getrennt vom umgebenden Silizium-Substrat 1 und/oder Schichtsystem ausgebildet. Die laterale Trennung erfolgt hier durch Einbringen einer Grabenstruktur X4 bis hinunter zum den Oxid-Opferschichten 2,
6 und dem darunter befindlichen Ätzkanalsystem, wobei eine Trennung zwischen der Trägerstruktur 3a, 3b mit darauf befindlichem Sensierbereich 20 und dem Substrat 1 durch ein Entfernen/Ätzen der Oxid-Opferschichten 2, 6 erreicht wurde.
Ferner ist erkennbar, dass die Herstellung der Grabenstruktur in einem polykri stallinen Si-Bereich C erfolgt, welcher die Trägerstruktur 3a, 3b und den Sensierbereich 20 umschließt, der wiederum von monokristallinem Silizium umgeben ist. Über die dadurch erreichte einseitige „Einspannung xs“ der Trägerstruktur 3a, 3b und des Sensierbereichs 20 können weiterhin elektrische Leiterbahnen 13 aus dem Sensierbereich 20 auf das Festland geführt und dieser mit integrierten Schaltungen und Bondpads 14 elektrisch verbunden werden. Bei einerweiteren Variante kann der die Trägerstruktur 3a, 3b und den Sensier bereich 20 umschließende Bereich vollständig aus polykristallinem Silizium bestehen oder aber aus einem umlaufenden polykristallinen Si-Bereich, der wiederum von einem Bereich umgeben ist in dem auf den Oxid-Opferschichten 2, 6 die gleiche Schichtenfolge wie bei der Trägerstruktur 3a, 3b und dem Sensierbereich 20 ausgebildet ist.
Die Figuren 18a, 18b und 19 zeigen Beispiele für Federn 15 bzw. Leiterbahnen 13. Es können auf die beschriebene Art und Weise jedoch auch weitere, nicht explizit erläuterte Aufhängungsstrukturen realisiert werden.
Die Draufsicht von Fig. 19 zeigt ein weiteres Beispiel, in welchem die Träger struktur 3a, 3b mit dem Sensierbereich 20 über flexible Strukturen/Federn 15 mit dem umgebenden Festland verbunden ist. In diesem Fall wird der Ätzprozess zur Herstellung der Grabenstruktur X4 auch zur Herstellung der Federstrukturen 15 benutzt, welche sich teilweise oder vollständig in dem polykristallinen Si-Bereich befinden der die Trägerstruktur 3a, 3b und den Sensierbereich 20 umschließt.
Der elektrische Anschluss von Strukturen im Sensierbereich 20 erfolgt in diesem Beispiel mit Hilfe von elektrischen Leiterbahnen 13, welche über die elastischen Strukturen bzw. Federn 15 geführt werden und welche aus dotiertem Polysili zium, aus metallischem Material, aus Metallsiliziden, aus gezielt dotierten Bereichen in der Siliziumoberfläche oder aus Kombinationen dieser bestehen können.
Die auf den Oxid-Opferschichten 2, 6 erzeugten Polysiliziumschichten 3a, 3b dienen im Wesentlichen als ein Unterbau bzw. als eine Trägerstruktur für Sensoren bzw. Sensierbereiche, welche durch einen wenigstens partiell um laufenden Graben und durch Entfernen der Oxid-Opferschichten 2, 6 vom umgebenden Substrat 1 und/oder umgebenden Schichtsystem stressentkoppelt werden sollen/müssen. Der gezeigte Aufbau hat den Vorteil, dass er sowohl hohe Si02-Opferoxidätzraten durch Ätzkanäle im Siliziumsubstrat als auch einen stabilen, verbiegungsfreien, Untergrund und Schichtaufbau ermöglicht, der die Verwendung von Standard-Halbleiterprozessen zur Erzeugung der gewünschten Strukturen ohne Einschränkungen erlaubt. Die Möglichkeit, an der Chipober fläche Bereiche vorsehen zu können, welche aus monokristallinem Silizium be stehen, erlaubt es weiterhin, integrierte Schaltungen vorsehen zu können. Auf diese Weise kann z.B. ein integrierter OMM-Drucksensorchip oder Inertial- sensorchip realisiert werden, dessen Sensierbereich 20 stressentkoppelt zum umgebenden Substrat ausgebildet ist.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 20-39 eine weitere Variante zum Her stellen eines mikromechanischen Sensors 100 näher erläutert.
Fig. 20 zeigt, dass zur Erhöhung eines Abstands zwischen einem freizustel lenden Bereich und einem Substrat 1 definiert Trenchstrukturen 1b in das Substrat 1 eingebracht werden können, welche anschließend mit Hilfe einer ersten Oxid-Opferschicht 2 (z.B. Siliziumoxidschicht) aufgefüllt werden, wie es in Fig. 21 angedeutet ist. Dies kann zum Beispiel durch thermische Oxidation, Ab scheiden einer LPCVD- oder PECVD-Oxidschicht oder einer TEOS-Oxidschicht oder Kombinationen aus diesen Schichten erfolgen. Um den durch das Auffüllen der Trenchstrukturen 1b mit S1O2 entstehenden lokalen Stress minimieren zu können, kann die Form der Trenchstrukturen 1b derart gewählt sein, dass an der Substratoberfläche die kleinste Öffnungsweite existiert und sich die Trenchstruk turen 1b mit zunehmender Grabentiefe aufweiten.
Auf diese Weise kann eine mit S1O2 ausgekleidete Trenchstruktur 1b erzeugt werden, welche an der Substratoberfläche verschlossen ist. Der so erzeugte Hohlraum dient zur lokalen Stressentkopplung und verhindert die Bildung von unerwünschten Rissen im Substrat 1. Die Form der Trenchstrukturen 1b kann dabei zum Beispiel flaschenartig (Fig. 22a), dreiecksartig (Fig. 22b), oder bauch artig (Fig. 22c) ausgeführt sein.
Nach Abscheiden der ersten Opfer-Oxidschicht 2 in die Trenchstrukturen 1b und Verschließen der Trenchstrukturen 1b durch die erste Opfer-Oxidschicht 2 werden außerhalb der aufgefüllten bzw. verschlossenen Trenchstrukturen 1b in die abgeschiedene erste Oxid-Opferschicht 2 Öffnungen X6 geätzt, durch die mit Hilfe eines isotropen Siliziumätzprozesses (zum Beispiel XeF2- oder isotroper Plasmaätzschritt), das darunter befindliche Silizium entfernt wird, wie in Fig. 23 angedeutet. Man erkennt die nach dem Siliziumätzprozess verbliebenen Säulen der ersten Oxid-Opferschicht 2. Die Tiefe des dabei entstehenden Hohlraums sollte kleiner oder gleich der Tiefe der mit der ersten Oxid-Opferschicht 2 ausge kleideten Trenchstrukturen 1b gewählt werden, um ein Unterätzen der dabei erzeugten Si02-Strukturen zu vermeiden. Dies ist insofern wichtig, weil die S1O2- Strukturen zur Stabilisierung des Untergrunds für den weiteren Schichtaufbau des später freizustellenden Bereichs dienen. Die Si02-Strukturen können dabei beliebige Anzahl und Form haben. Um einen möglichst plane erste Oxid-Opfer schicht 2 zu erhalten, kann vor der Erzeugung von Öffnungen X6 in der ersten Oxid-Opferschicht noch zusätzlich ein oberflächlicher Planarisierungsschritt (CMP-Schritt) erfolgen.
Die hergestellten Si02-Strukturen im Substrat 1 können bei geeigneter Ausle gung auch dazu benutzt werden, laterale Ätzstoppstrukturen zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass die lateralen und vertikalen Abmessungen der Kaverne unter dem freizustellenden Bereich unabhängig voneinander gewählt bzw. aus geführt werden können.
Nach der Entfernung des Siliziums durch die Öffnungen X6 in der ersten Oxid- Opferschicht 2 werden die Öffnungen X6 in der ersten Oxid-Opferschicht 2 mit Hilfe einer zweiten Oxid-Opferschicht 6 verschlossen. Nach dem Verschluss der Öffnungen X6 kann weiterhin eine erste Polysiliziumschicht 3a abgeschieden werden, welche außerhalb des Stressentkopplungsbereichs zusammen mit den bereits abgeschiedenen Si02-Schichten entfernt wird, wie in Fig. 24 dargestellt. Im Ergebnis sind jetzt zwischen dem Substrat 1 und der zweiten Oxid-Opfer schicht 6 mit der darauf abgeschiedenen ersten Polysiliziumschicht 3a Säulen und optional laterale Ätzstoppstrukturen bestehend aus der ersten Oxid- Opferschicht 2 ausgebildet, die eine mechanische Stabilität für den weiteren Schichtaufbau bereitstellen und zumindest teilweise von geschlossenen Hohlräumen umgeben sind.
Wird nun auf die so vorbereitete Oberfläche in einem Epitaxie-Reaktor (EPI- Reaktor) eine zweite Siliziumschicht abgeschieden/aufgewachsen, wie in Fig. 25 dargestellt, so wächst dieses in den Bereichen, in denen die erste Polysilizium schicht 3a vorhanden ist, polykristallin auf, wobei die zweite Polysiliziumschicht 3b gebildet wird, und in den Bereichen, in denen das Substrat 1 freigelegt wurde, monokristallin auf (Bereich B). Werden hingegen nur die Opfer-Oxidschichten 2, 6 strukturiert und die erste Polysiliziumschicht 3a flächig auf dem gesamten Wafer abgeschieden, wie in Fig. 26 dargestellt, so wächst bei einer Siliziumabscheidung in einem EPI-Reaktor ganzflächig polykristallines Silizium auf dem Wafer, wie in Fig. 27 erkennbar und entsprechend dem Bereich A in Fig. 8a. Die in einem EPI-Reaktor aufgewach sene zweite Polysiliziumschicht 3b und die in diesem Zusammenhang in der Fachsprache als „Startschicht“ bezeichnete erste Polysiliziumschicht 3a dienen im Bereich, der stressentkoppelt werden soll, als Trägerstruktur 3a, 3b für weitere Schichten, mit denen ein Sensierbereich 20 realisiert werden kann, während der Bereich, in dem Silizium monokristallin aufgewachsen ist, für die Integration elektronischer Schaltungskomponenten genutzt werden kann.
Fig. 28 zeigt eine Querschnittsansicht mit einem Sensierbereich 20 und dem monokristallinen Bereich D, in welchem elektronische Schaltungskomponenten (nicht dargestellt) angeordnet sein können, die elektrisch mit dem Sensierbereich 20 verbunden werden können.
Nach Umsetzung aller notwendigen Prozessschritte für die Realisierung des Sensierbereichs 20 können an einer oder mehreren Positionen der Oberfläche Ätzzugänge 8 durch das vorhandene Schichtsystem bis zur darunter befindlichen und mit Si02-Strukturen durchzogenen Kaverne 16 umgesetzt werden. Da durch diese Ätzkanäle 8 die Si02-Schichten innerhalb der Kaverne 16 mittels nass chemischer oder gasförmiger Ätzung mit HF entfernt werden soll, ist es von Vorteil, die Ätzzugänge 8 in Gebieten vorzusehen, in denen sich Schichten aus Silizium und/oder gegenüber HF resistente Materialen befinden, um ungewollte bzw. unkontrollierte Ätzungen innerhalb des Schichtsystems vermeiden zu können, wie in Fig. 29 angedeutet. Erkennbar sind hier auch die „Fussabdrücke“ der Säulen der ersten Oxid-Opferschicht 2 im Substrat 1 , die durch den Gasphasenätzprozess entfernt wurden.
Denkbar ist ferner, die Ätzzugänge 8 derart auszubilden, dass eine definierte Trennung zwischen dem Bereich, der stressentkoppelt werden soll, und dem umgebenden Gebiet/Substrat erreicht werden kann. Dabei können zum Beispiel federartige Aufhängungen bzw. Federn 15 analog zu den Darstellungen in den Figuren 18a, 18b und 19 realisiert werden, über die der später freigestellte und stressentkoppelte Bereich noch mit dem umgebenden Substrat verbunden ist und über die zum Beispiel auch elektrische Leiterbahnen 13 (siehe Figuren 18a, 18b, 19) geführt werden können.
Weiterhin ist auch denkbar, an der Unterseite und somit der dem Substrat 1 zugewandten Seite des stressentkoppelten Bereichs bzw. der Trägerstruktur 3a, 3b mit dem Sensierbereich 20 Noppen 9 vorzusehen, um ein mögliches Anhaften dieses Bereichs am Substrat 1 möglichst vermeiden zu können. Zu deren Her stellung können Vertiefungen X7 in die zweite Oxid-Opferschicht 6 (Verschluss oxid) eingebracht werden, wie in Fig. 30 dargestellt, die in späteren Prozess schritten mit Silizium aufgefüllt werden. Alternativ können aber auch Vertiefungen in das Substrat 1 geätzt werden, welche zum Beispiel mit der ersten Oxid-Opfer schicht 2 und der zweiten Oxid-Opferschicht 6 ausgekleidet und in anschließen den Prozessschritten mit Silizium aufgefüllt werden, wie in Fig. 31 angedeutet. Nach dem Abscheiden der ersten Oxid-Opferschicht 2 erfolgt auch hier die Her stellung von Öffnungen X3, durch welche das Substrat 1 geätzt werden kann. Diese Öffnungen X3 können sich optional auch im Bereich der in das Substrat 1 geätzten Vertiefungen befinden (nicht dargestellt).
Mit beiden Varianten können auf diese Weise Noppen 9 aus Polysilizium an der Unterseite des stresstechnisch zu entkoppelnden Bereichs umgesetzt werden, wie in Fig. 32 erkennbar.
Wie in den Querschnittsansichten der Figuren 33 und 34 graphisch angedeutet, können die Noppen 9 auch aus einem elektrisch isolierenden und ätzresistenten Material 4 bestehen bzw. von diesem überzogen sein. Hierzu muss nach dem Abscheiden der zweiten Oxid-Opferschicht 6 und dessen optionaler Struktur ierung, die Abscheidung einer elektrisch isolierenden Schicht erfolgen, welche ätzresistent gegenüber HF in flüssiger oder gasförmiger Form ist. Zu diesem Zweck hat sich z.B. siliziumreiches Siliziumnitrid bewährt. Denkbar ist auch der Einsatz von Schichten aus Aluminiumoxid oder Siliziumcarbid oder Kombina tionen aus den erwähnten Materialien.
Ebenso ist es denkbar, wie in Fig. 34 dargestellt, dass die isolierende Schicht 4 strukturiert sein kann und sich nur im Bereich der Noppen 9 befindet. Weiterhin ist es auch denkbar, dass der zu stressentkoppelnde Bereich über säulenartige Strukturen bzw. Säulen 12 beliebiger Form mit dem Substrat 1 ver bunden ist. Die säulenartigen Strukturen bzw. Säulen 12 sind hier direkt mit der Unterseite der Trägerstruktur 3a, 3b und der Oberseite des Substratsl verbun den. Der Aufbau der säulenartigen Strukturen 12 ist vergleichbar zu dem von Noppenstrukturen bzw. Noppen 9. Die Anzahl und Lage der säulenartigen Strukturen kann hierbei, wie auch bei den Noppenstrukturen, beliebig gewählt und an bestehende Erfordernisse angepasst werden. Das Material der Säulenstrukturen kann Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, siliziumreiches Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder eine Kombination aus den erwähnten Materialien aufweisen. Bei der Wahl des Materials bzw. bei der Wahl der Materialkombinationen ist aber darauf zu achten, dass das Material welches mit dem Ätzmedium zur Entfernung der Oxid-Opferschichten 2, 6 in Berührung kommt diesem Gegenüber eine hohe Ätzresistenz aufweist.
Auch kann sich Material der säulenartigen Strukturen flächig auf der Unterseite des stressentkoppelten Sensierbereichs 20 Bereichs und hier im Besonderen auf der Unterseite der Trägerstruktur 3a, 3b befinden oder derart strukturiert sein, dass es sich nur im Bereich der säulenartigen Strukturen befindet, wie in Fig. 35 angedeutet.
In den Figuren 36 bis 39 sind einige Beispiele zu weiteren möglichen säulen artigen Strukturen 12 dargestellt. In Fig. 36 sind säulenartige Strukturen 12 erkennbar, die einen Mantel aus elektrisch isolierendem und gegenüber dem Ätzmedium der Oxid-Opferschichten 2, 6 ätzresistenten Material wie z.B. siliziumreiches Siliziumnitrid und einen Kern aus Polysilizium aufweisen können.
Fig. 37 zeigt ein Beispiel einer säulenartigen Struktur 12 mit einem Kern aus poly- und monokristallinem Silizium der aus Material der Trägerstruktur 1 und aus Material des Substrats 1 gebildet wird.
Fig. 38 zeigt eine Variante von säulenartigen Strukturen 12 mit einem polykristal linen Siliziumkern aus Material der Trägerstruktur 1, der am Boden der säulen artigen Strukturen 12 elektrisch und mechanisch mit dem Substrat 1 verbunden ist und Fig. 39 eine Variante, bei welcher der Mantel aus elektrisch isolierendem Material, z.B. S1O2, von der säulenartigen Struktur 12 entfernt wurde und nur noch der Kern aus Silizium vorhanden ist.
Wie in Fig. 40 zu sehen ist, ist es auch denkbar, als Substratmaterial einen SOI- Wafer40 (engl. Silicon on isolator, SOI) vorzusehen, der ein monokristallines Siliziumsubstrat 40a, eine darüber angeordnete elektrisch isolierende Schicht 40b (z.B. S1O2) und eine darauf angeordnete mono- oder polykristallines Silizium 40c aufweist, wobei das beschriebene Verfahren mit dem SOI-Wafer 40 durchgeführt werden kann. Bei Verwendung eines SOI-Wafers können vorteilhaft die T renchstrukturen 1 b die Siliziumschicht 40c vollständig durchdringen und die isolierende Schicht 40b als Ätzstoppschicht für den Ätzprozess (z.B. Trenchätz- prozess) verwendet werden (nicht gezeigt). Bei Verwendung von Trenchstruk- turen 1b als laterale Ätzstoppstrukturen, welche mit der ersten Oxid-Opferschicht 2 verfüllt und verschlossen werden, können so Bereiche im Substrat 1 definiert werden aus denen das Substratmaterial entfernt werden kann ohne Trenchstruk- turen 1b innerhalb diese Bereichs zu unterätzen.
Da hier die isolierende Schicht 40c als auch die lateralen Ätzstoppstrukturen gegenüber einem Siliziumätzprozess ätzresistent ausgeführt werden können, kann das Substrat 1 mit einem Ätzprozess geätzt werden, an den keine hohen Anforderungen z.B. hinsichtlich des anisotropen Ätzverhaltens gestellt werden müssen. Um eine unkontrollierte laterale Ätzung der isolierenden Schicht 40b und somit eine Unterätzung der Siliziumschicht 40c beim späteren Oxid-Opfer- schichtätzen zu vermeiden, kann die isolierende Schicht 40b vor dem Abschei den/Aufbringen der Siliziumschicht 40c derart strukturiert werden, dass in Öffnun gen der isolierenden Schicht 40b Material der Siliziumschicht 40c auf dem mono kristallinen Siliziumsubstrat 40a abgeschieden wird und somit als lateraler Ätz stopp wirken kann. Nach dem Abscheiden der Siliziumschicht 40c kann weiter ein Planarisierungsschritt zur Herstellung einer planen Oberfläche durchgeführt werden.
Bei einer alternativen Variante wird zuerst im Siliziumsubstrat 40a eine Ver tiefung erzeugt, welche mit der isolierenden Schicht 40b aufgefüllt wird. Die abgeschiedene Schichtdicke der isolierenden Schicht 40b ist dabei vorteilhafter Weise größer gewählt als die in der Vertiefung des Siliziumsubstrat 40a abge tragene Schichtdicke. Durch einen Planarisierungsschritt wird nachfolgend die Oberfläche derart abgetragen, dass sich die isolierende Schicht 40b nur noch in den Vertiefungen im Siliziumsubstrat befindet und einen plane Oberfläche er zeugt wird. In einem nachfolgenden Abscheideprozess wird die Siliziumschicht 40c auf die planarisierte Oberfläche abgeschieden und lateral voneinander separierte Inseln aus dem Material der isolierenden Schicht 40c gebildet. Bereiche in denen die Siliziumschicht 40c in Kontakt mit dem Siliziumsubstrat 40a kommt können auch hier als laterale Ätzbegrenzung verwendet werden.
Bei einerweiteren Variante werden die voneinander separierten Inseln aus der isolierenden Schicht 40b mit Hilfe eines LOCOS-Prozesses gebildet. Durch Einsatz eines Planarisierungsschrittes, mit welchem auch die Nitridmaske zur Erzeugung der lokalen Si02-Bereiche entfernt wird, kann auch hier eine plane Oberfläche mit voneinander getrennten Si02-Bereichen erzeugt werden. Alle vorgenannten Beispiele sind exemplarisch zu verstehen und können auf vielfältige Art und Weise modifiziert und/oder kombiniert werden. Ferner können die elastischen Strukturen und die Art und Weise der Aufhängung des Sensier- bereichs beliebig gewählt und dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Vorteilhaft sind die gezeigten Stressentkopplungsvarianten nicht nur auf Druck sensoren beschränkt, sondern können auch bei anderen, stresssensitiven Sen soren, wie z.B. mikromechanischen Inertialsensoren oder bei Temperatursen soren eingesetzt werden. Vorteilhaft kann die Erfindung auf alle Arten von mikro mechanischen Sensoren angewendet werden, bei denen eine Stressentkopplung des Sensierbereichs realisiert werden soll. Hierdurch können Einflüsse durch die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) auf das Sensorsignal verringert bzw. vermieden werden und kostenintensive Aufbauten zur Reduzierung des Stress eintrags entfallen bzw. reduziert sein.
Vorgehend sind nur grobe Prozessschritte aufgeführt. Der Fachmann kann somit anhand der Beschreibung und seiner fachlichen Expertise auf erforderliche Prozessierungsdetails schließen. Weiterhin können in bzw. nach den beschrie benen Abläufen, falls notwendig, auch zusätzliche CMP-Schritte durchgeführt werden, um Oberflächen zu erzeugen, auf denen mit Standardhalbleiterverfahren weitere Prozessschritte bzw. -Sequenzen durchführbar sind. Fig. 41 zeigt in prinzipieller Art und Weise einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100.
In einem Schritt 200 wird ein Aufbringen einer ersten Oxid-Opferschicht 2 auf ein Substrat 1 durchgeführt.
In einem Schritt 210 wird ein Entfernen von Material des Substrats 1 durch Öffnungen X3 in der ersten Oxid-Opferschicht 2 durchgeführt. In einem Schritt 220 wird ein Verschließen der Öffnungen X3 in der ersten Oxid-
Opferschicht 2 durch Aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht 6 durchgeführt.
In einem Schritt 230 wird ein Ausbilden eines Sensierbereichs 20 auf einer Trägerstruktur 3a, 3b durchgeführt, wobei der Sensierbereich 20 und die Trägerstruktur 3a, 3b auf den Oxid-Opferschichten 2, 6 ausgebildet werden und der Sensierbereich 20 und/oder die Trägerstruktur 3a, 3b über zumindest einen eine flexible Struktur 15 bildenden Anbindungsbereich 30 mit dem Substrat 1 verbunden werden. In einem Schritt 240 wird ein wenigstens teilweises Entfernen der Oxid-
Opferschichten 2, 6 zwischen der Trägerstruktur 3a, 3b und dem Substrat 1 mittels eines Ätzprozesses durchgeführt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (100), aufweisend die Schritte:
- Aufbringen einer ersten Oxid-Opferschicht (2) auf ein Substrat (1);
- Entfernen von Material des Substrats (1) durch Öffnungen (X3) in der ersten Oxid-Opferschicht (2);
- Verschließen der Öffnungen (X3) in der ersten Oxid-Opferschicht (2) durch Aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht (6);
- Ausbilden eines Sensierbereichs (20) auf einer Trägerstruktur (3a, 3b), wobei der Sensierbereich (20) und die Trägerstruktur (3a, 3b) auf den Oxid-Opferschichten (2, 6) ausgebildet werden und der Sensierbereich (20) und/oder die Trägerstruktur (3a, 3b) über zumindest einen eine flexible Struktur (15) bildenden Anbindungsbereich (30) mit dem Substrat (1) verbunden werden; und
- wenigstens teilweises Entfernen der Oxid-Opferschichten (2, 6) zwischen der Trägerstruktur (3a, 3b) und dem Substrat (1) mittels eines Ätz prozesses.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zum Entfernen der Oxid-Opferschichten (2, 6) zwischen der Trägerstruktur (3a, 3b) und dem Substrat (1) im Substrat (1) Gräben (1a) und/oder Trenchstrukturen (1b) ausgebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Stützstrukturen in Form der Gräben (1a) und/oder die Trenchstrukturen (1b) im Substrat mit einer ersten Oxid- Opferschicht (2) aufgefüllt werden und im weiteren Herstellprozess als Unterstützung der Trägerstruktur (3a, 3b) dienen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ätz prozess zur Erzeugung der Gräben (1a) und/oder der Trenchstrukturen (1b) als Ätzkanäle und/oder der Stützstrukturen zur Unterstützung einer Träger struktur im Substrat isotrop oder anisotrop ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zum Ausbilden der Gräben (1a) ein teilweises Entfernen des Substrats unterhalb der ersten Oxid-Opferschicht (2) durch Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht (2) erfolgt und die Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht (2) durch Aufbringen der zweiten Oxid-Opferschicht (6) verschlossen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Trägerstruktur (3a, 3b) zum Substrat (1) hin ausgerichtete Noppen (9) und/oder am Substrat (1) zur Trägerstruktur (3a, 3b) hin ausgerichtete Noppen ausgebildet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Trägerstruktur (3a, 3b) zum Substrat (1) hin ausgerichtete Säulen (12) ausgebildet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Säulen (12) mit dem Substrat (1) verbunden oder vom Substrat (1) beabstandet ausgebildet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den Oxid- Opferschichten (2, 6) eine erste Polysiliziumschicht (3a) mit einer definierten Schichtdicke ausgebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei als Trägerstruktur (3a, 3b) auf einer ersten Polysiliziumschicht (3a) eine zweite Polysiliziumschicht (3b) mit einer definierten Schichtdicke ausgebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei an der zum Substrat (1) hin ausgerichteten Seite der ersten Polysiliziumschicht (3a) eine ätzresistente Schicht (4) ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei ein Anbindungsbereich (30) der Trägerstruktur (3a, 3b) an das Substrat 1 zumindest teilweise und/oder bereichsweise monokristallin ausgebildet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei ein Anbindungsbereich (30) der Trägerstruktur (3a, 3b) an das Substrat 1 polykristallin ausgebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei im Anbindungsbereich (30) elektrische Schaltungskomponenten ausgebildet werden, die mit Leiterbahnen (13) an den Sensierbereich (20) angebunden werden.
15. Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend:
- eine Trägerstruktur (3a, 3b) mit einem auf einer Trägerstruktur (3a, 3b) ausgebildeten Sensierbereich (20); wobei die Trägerstruktur (3a, 3b) nach unten wenigstens teilweise vom Substrat (1) beabstandet ist und seitlich wenigstens abschnittsweise an das Substrat (1) angebunden ist.
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