WO2023041250A1 - Mikromechanisches bauelement - Google Patents

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WO2023041250A1
WO2023041250A1 PCT/EP2022/072246 EP2022072246W WO2023041250A1 WO 2023041250 A1 WO2023041250 A1 WO 2023041250A1 EP 2022072246 W EP2022072246 W EP 2022072246W WO 2023041250 A1 WO2023041250 A1 WO 2023041250A1
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WO
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wiring level
oxide layer
micromechanical component
layer
stop layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/072246
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heribert Weber
Peter Schmollngruber
Thomas Friedrich
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00777—Preserve existing structures from alteration, e.g. temporary protection during manufacturing
    • B81C1/00785—Avoid chemical alteration, e.g. contamination, oxidation or unwanted etching
    • B81C1/00801—Avoid alteration of functional structures by etching, e.g. using a passivation layer or an etch stop layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/07—Interconnects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
    • B81C2201/0128—Processes for removing material
    • B81C2201/013—Etching
    • B81C2201/0135—Controlling etch progression
    • B81C2201/014—Controlling etch progression by depositing an etch stop layer, e.g. silicon nitride, silicon oxide, metal

Definitions

  • the present invention relates to a micromechanical component.
  • the present invention also relates to a method for producing a micromechanical component.
  • a micromechanical component having:
  • etch stop layer arranged directly on the at least one first oxide layer; wherein a wiring plane is arranged on an underside of the etch stop layer.
  • electrical conductor tracks for example, which are provided for an electrical connection to electrical components and/or electrical components such as electrodes in a cavern area, can be routed below the etch stop layer.
  • Etchings for example, can be advantageous as a result of electrical insulation layers along conductor tracks out of the cavern area can be avoided or etching of electrical insulation layers made of sacrificial layer material along conductor tracks below the etch stop layer can thereby be avoided during the necessary etching of sacrificial layers made of oxide material in a cavern area.
  • the object is achieved with a method for producing a micromechanical component, having the steps:
  • micromechanical component is characterized in that the further wiring level is used for electrical contacting of electrical components and/or electrical components in a cavern area. This advantageously supports diverse usability of the further wiring level.
  • a further advantageous development of the micromechanical component is characterized in that at least one element of the further wiring level is arranged in a lateral etching channel. In this way, for example, a parasitic capacitance of a conductor track of the further wiring level can advantageously be reduced.
  • the lateral etching channel it is advantageously not necessary, for example, to provide an etching channel in a membrane in order to remove sacrificial layer material from a cavity area.
  • a further advantageous development of the micromechanical component is characterized in that at least one element of the further wiring level is formed directly on an underside of the etch stop layer or at a distance from the etch stop layer in a self-supporting manner in a lateral etch channel.
  • a conductor track of the further wiring level is held only by electrical contacting structures, as a result of which a parasitic stray capacitance between the conductor track and a functional layer system arranged above it can be reduced.
  • a further advantageous development of the micromechanical component is characterized in that a reference capacitance is formed by means of the further wiring level in combination with the etch stop layer.
  • the reference capacitance thus provided can advantageously be used for functionalities of the micromechanical component.
  • a further advantageous development of the micromechanical component is characterized in that the further wiring level forms a reference capacitance in combination with a partially removed etch stop layer. In this way, a further alternative to providing a reference capacitance by means of the further wiring level is provided.
  • a further advantageous development of the micromechanical component is distinguished by the fact that the further wiring level is formed at least partially areally within a lateral etching channel. An even better formation of a defined reference capacitance is advantageously supported by means of the flat further wiring level.
  • the reference capacitance is arranged in an anchoring area of a cavern area and/or outside the cavern area and/or inside the cavern area. This results in a variety of circuitry options for using the reference capacitance formed by means of the further wiring level for the micromechanical component. Further advantageous developments of the micromechanical component are characterized in that the wiring level extends into an area below the cavern area. In this way, a reference capacitance produced in a defined manner can advantageously be produced from a combination of the counter-electrode, the additional wiring level and the etching stop layer, it also being possible to implement conductor tracks for the electrical connection of the reference capacitance by means of the wiring level.
  • the thickness of the etch stop layer is defined in the region of the reference capacitances.
  • the etching stop layer can be made thinner or thicker locally as required, as a result of which a size of the reference capacitance can advantageously be dimensioned.
  • micromechanical component is a capacitive pressure sensor and/or an acceleration sensor and/or a yaw rate sensor. This results in a number of advantageous configurations/wiring options for the micromechanical component using the proposed additional wiring level below the etch stop layer.
  • An advantageous development of the proposed method provides that depressions in the surface of the at least one first oxide layer are used with the aid of a CMP process, e.g. to form conductor tracks of the further wiring level on the upper side of the at least one first oxide layer, which are electrically insulated from one another and which form a planar surface together with the at least one first oxide layer.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of an embodiment of a proposed micromechanical component
  • FIG. 2-4 depictions for methods for producing a further wiring level
  • FIG. 11 shows an equivalent circuit diagram of a Wheatstone bridge circuit, which can be implemented by interconnecting membranes
  • FIG. 16 shows a basic sequence for producing a proposed micromechanical component.
  • SiC>2 can be etched or etched in the area or along electrical conductor tracks that are led out of the cavern area. Since these are electrically isolated, eg with SiO2, within the functional layer system, eg in the first poly-Si layer/level, through which the lateral etching delimitations of the cavern area, eg made of poly-Si, must be routed, lateral paths along conductor tracks are created here which, when removing sacrificial oxide layers, can also result in an etching attack on SiCh insulating layers.
  • the length along which SiO2 layers are removed around conductor tracks is dependent on the etching time of the sacrificial layer etching process and the position of the etching channels or etching accesses in relation to conductor track leadthroughs in lateral etching boundaries of the cavern area. The closer the etching accesses and interconnect leadthroughs are to one another and the longer the sacrificial layer etching process lasts, the longer SiO2 etchings can be formed along electrical interconnects.
  • the insulation layers and the lateral etching boundaries of the cavern area could consist of an electrically insulating material (e.g. silicon-rich silicon nitride, SiRiN) that is etch-resistant, for example, to HF (hydrofluoric acid) in liquid or gaseous form.
  • an electrically insulating material e.g. silicon-rich silicon nitride, SiRiN
  • SiRiN silicon-rich silicon nitride
  • HF hydrofluoric acid
  • a core idea of the invention consists in particular in providing a further electrical wiring level, e.g. made of doped poly-Si, directly on a bottom side or below a passivation or etching stop layer in a micromechanical component (e.g. inertial sensor, pressure sensor, microphone, yaw rate sensor, etc.), which can extend into a cavity area and whose surrounding electrical insulation cannot be attacked or removed by etching when sacrificial layers are removed from a cavity area of the component.
  • a micromechanical component e.g. inertial sensor, pressure sensor, microphone, yaw rate sensor, etc.
  • a further electrical wiring level under a passivation layer which is etch-resistant to a medium with which sacrificial layers are removed from a cavern area, has the advantage that electrical rewiring can also be formed within the cavern area, which allows more complex electrical wiring of the sensor Without the electrical insulation of the further wiring level under the passivation layer being undesirably attacked or even completely during the sacrificial layer etching process Will get removed. In terms of design and process technology, this also supports the fact that parasitic capacitances to the silicon substrate generated by the additional wiring level can be kept small or even eliminated.
  • etch stop layer 3 e.g. SiRiN
  • the functional layer system is built up on the etch stop layer 3, beginning with a first functional layer 4 (e.g. made of doped polysilicon (poly-Si)), which serves as an electrical connection or wiring level for components of the functional layer system formed upwards.
  • a first functional layer 4 e.g. made of doped polysilicon (poly-Si)
  • the etch stop layer 3 is etch-resistant, e.g. to an etching medium (e.g. HF vapour), by forming a further wiring level 10 of the functional layer system, e.g. of doped poly-Si, directly on an underside of the etch stop layer 3, it can be avoided that a second Oxide layer 5 made of e.g. SiO2 and/or a third oxide layer 7 made of e.g. SiO2 from a cavern area 9 undercutting of poly-Si conductor tracks in the first functional layer 4 occurs and these lose their adhesion to the substrate and etching or etching of electrical insulation layers occurs e.g. SiÜ2 in the area or along poly-Si conductor tracks, which are led out of the cavern area 9.
  • an etching medium e.g. HF vapour
  • the etch stop layer 3 protects the substructure with the at least one first oxide layer 2 made of e.g. SiO2 in the cavern area 9 against an etch attack by e.g. HF vapor. In this way, undercuts in the substructure of sensor components within the cavern area 9 can advantageously be avoided by providing an etch stop layer 3 .
  • the proposed micromechanical component 100 from FIG. 1 is designed as a capacitive pressure sensor.
  • the wiring level 10 can be electrically connected to the functional layer structure, for example to electrodes in the cavern area 9, by means of one or more contacting elements K. 1 thus shows a core idea of the present invention, which consists in particular in providing the further wiring level 10 below or directly on an underside of the passivation or etching stop layer 3, thereby providing the possibility of making electrical connections from the cavern area 9 via this bring out further wiring level 10.
  • conductor tracks of the further wiring level 10 can be passed under lateral etching delimitations of the cavern area 9 and etchings along conductor tracks out of the cavern area 9 can be avoided. There are therefore no longer any time and/or constructional restrictions for the selection of the sacrificial layer etching time and the position of the etching accesses.
  • the production of the proposed additional wiring level 10 can be carried out using methods of semiconductor technology that are known per se, as indicated in FIGS. 2-4.
  • the first oxide layer 2 is first deposited on the substrate 1 and the later structure of the further wiring level 10 is transferred to the surface of the first oxide layer 2 by etching with the aid of a mask.
  • a further poly-Si layer is then deposited over the entire surface directly onto the structured surface of the at least one first oxide layer 2, and then a CMP (chemical mechanical polishing) process is carried out, with the help of which the further poly-Si is removed from the surface of the first oxide layer 2 is removed such that the additional poly-Si only remains in depressions in the first oxide layer, as indicated in FIGS. 2a)-2c).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the at least one first oxide layer 2 first, to arrange the further wiring level 10 immediately thereafter, to cover it completely with an additional oxide layer 2a and to planarize the surface using a CMP process.
  • the additional oxide layer 2a is removed in such a way that the structures of the further wiring level 10 are exposed on the surface, as is indicated in FIGS. 3a)-3c).
  • the thickness of the first oxide layer 2 below the further wiring level 10 is smaller than the thickness of the oxide layer surrounding it. This can result in larger parasitic capacitances C p towards the substrate 1 in the area of the further wiring level 10 than in other, electrically conductive structures of the remaining functional layer system of the micromechanical component 100.
  • the further wiring level 10 can be produced as follows:
  • first oxide layer 2 Before the first oxide layer 2 is produced or deposited, structures which correspond to structures in the further wiring level 10 are etched into the substrate 1 with the aid of a mask level. The first oxide layer 2 is then deposited directly onto the surface of the substrate 1 prepared in this way, in whose surface depressions 10a are formed, corresponding to the substrate surface, as indicated in FIG. After the at least one first oxide layer 2 has been deposited, further recesses 13a can be produced in the at least one first oxide layer 2, which can later be filled with polysilicon of the further wiring level 10 and which electrical contacting structures 13 form with their help electrical contacting of the substrate 1 is enabled.
  • a further doped poly-Si layer is now deposited directly on the at least one first oxide layer 2 and the surface is planarized using the CMP process in such a way that the further doped poly-Si layer on the at least one first oxide layer 2 is superficially removed and poly-Si is only retained in depressions in the first oxide layer 2, electrically conductive silicon regions can be produced which are electrically insulated from one another by the at least one first oxide layer 2. In this way it can be achieved that the thickness of the at least one first oxide layer 2 under the structures (e.g.
  • the conductor track) of the further wiring level 10 can be the same or even greater than the thickness of the at least one first oxide layer 2 surrounding it be achieved that parasitic capacitances C p between structures of the further wiring level 10 and the substrate 1 can be comparable or even smaller than between electrically conductive structures of the functional layer system and the substrate 1, as shown in FIG.
  • the further recesses 13a are filled with material of the etch stop layer 3 and can in this way be used to produce electrically insulating, lateral etch stop delimitations.
  • the production of the further wiring level 10 can be used to produce lateral etching stop structures for lateral etching channels 12a . . . 12n and/or electrical contacting structures 13 for the substrate 1. If the further electrical wiring level 10 is produced according to one of the options explained above, a further masking and etching step can be carried out after the production of depressions 1a in the substrate 1, for example, in which structures are removed from the at least one first oxide layer 2, which of lateral etch stop and/or contacting structures are required.
  • the structures 13 in the at least one first oxide layer 2 can be used for the realization of lateral etching stop structures and/or for the electrical contacting of the substrate 1 and the recessed structures of the further wiring level 10 be filled in the first oxide layer 2 with silicon. If a polishing step is then carried out and the surface of the poly-Si layer on the at least one second oxide layer 2 is removed, a planar surface is obtained on which the Si structures mentioned are freely accessible and are separated from one another by the material of the at least one first oxide layer 2.
  • lateral etch stop structures 13a and/or structures for electrical contacting of the substrate 1 are first formed in the least creates a first oxide layer 2 and this decays with doped poly-Si.
  • the poly-Si on the surface of the at least one first oxide layer 2 can now be removed using the CMP method in order to then produce the further wiring level 10 on the planar surface thus obtained, as already described above. to be able to len.
  • the poly-Si can also remain on the surface of the at least one first oxide layer 2 and be used to implement the structures for the further wiring level 10 .
  • the structures of the further wiring level 10 are then covered with an additional oxide layer 2a and superficially exposed again using the CMP method.
  • the deposition and structuring of the electrical insulation and etching stop layer 3 made of SiRiN, for example, would now be carried out.
  • contact hole structures are formed through the electrical insulation and etching stop layer 3, which are required for the subsequent contacting of the further wiring level 10 and/or the contacting structures 13 through the at least one first oxide layer 2 to the substrate 1, as in Figures 2d), 3d) implied.
  • openings can be formed in the etch stop layer 3 which are used for the targeted passage of an etching medium from the upper side of the functional layer system into a lateral etching channel 12a . . . 12n and from there into the cavern area 9 .
  • an additional fourth oxide layer 14 (eg SiÜ2) are inserted. With the help of this additional fourth oxide layer 14, the distance between the further wiring level 10 and the first functional layer 4 of the functional layer system can be increased and parasitic capacitances C p can be reduced. If conductor tracks buried in this way of the further wiring level 10 are integrated into lateral etching channels 12a... 12n in the substructure of the sensor element, after removing the oxide layers 2, 14 in the lateral etching channels 12a... 12n in the wiring level 10 exposed or self-supporting conductor track structures arise the further wiring level 10, which can advantageously have even lower parasitic capacitances C p between the further wiring level 10 and the functional layer system, as indicated in FIG.
  • this additional fourth oxide layer 14 eg SiÜ2
  • the additional wiring level 10 can also be used, for example, to reference capacitances C r to manufacture.
  • a reference capacitance C r are generated, in which, for example, the etch stop layer 3 can act as a dielectric, as indicated in FIG.
  • FIG. 9 shows a further variant of the proposed micromechanical component 100 in which there is largely no dielectric between the electrodes of the reference capacitance C r .
  • This can be achieved by also removing sacrificial layer material between the electrodes of the reference capacitance C r when removing the sacrificial layer material of the third oxide layer 7 (eg SiO2) from the cavern area 9 .
  • the etch stop layer 3 can be used to implement a lateral etch stop at the reference capacitances C r .
  • CM . . . Cm also below the counter-electrode region, in which case the counter-electrode can serve both as an electrode for the useful capacitance and as an electrode for a reference capacitor structure.
  • the reference capacitances C r i . . . C m can be provided below the counter-electrode, as indicated in the cross-sectional view of FIG.
  • a movable electrode coupled to the third functional layer 8 in the form of the membrane has a first functional layer 4 arranged on the etch stop layer 3 in the form a fixed counter-electrode and thus forms a variable useful capacitance Cv.
  • the reference capacitance C r is formed from the counter-electrode of the first functional layer 4 , the etch stop layer 3 and the further wiring level 10 .
  • the further wiring level 10 formed below the etch stop layer 3 makes it possible to use the stationary or fixed counter-electrode of the variable useful capacitance Cvi... Cvn to provide at least one below to use the reference capacitance Cri...Cm formed on the counter electrode of the first functional layer 4.
  • the etch stop layer 3 is formed as a dielectric layer between the counter electrode structure and the electrode(s), which was produced below the etch stop layer 3 with the aid of the further wiring level 10 or further poly-Si layer.
  • a defined reduction in the layer thickness of the etch stop layer 3 in the region of the at least one reference electrode structure makes it possible to increase the reference capacitance with the same reference electrode area (FIG. 12) or to reduce the reference electrode area with the same reference capacitance size.
  • FIG. 10 shows that the further wiring level 10 extends into the cavern area, as a result of which the reference capacitance C r is formed essentially completely below the cavern area 9 .
  • the dielectric of the reference capacitance C r used in this case is formed from other electrically insulating layers of the functional layer system.
  • FIG. 11 shows how a Wheatstone half-bridge circuit that can be easily produced with little wiring effort can be generated by electrically connecting two membrane sensors M1, M2 placed next to one another, for example two pressure sensors, with reference capacitances C ri , Cr2 provided in the cavern area 9.
  • substrate contact and conductor track structures are created in a SiO2 layer, these are filled with poly-Si and optionally electrically separated from each other, e.g. with the help of a CMP step. In this way, a planar wafer surface is obtained, onto which the further layers of the micromechanical component 100 can be deposited.
  • the next step is the deposition and structuring of the insulation or etch stop layer 3, followed by the deposition and structuring of the first functional layer 4 for producing the counter-electrode structure.
  • the first sacrificial oxide layer is then deposited and structured, the movable electrode is produced by depositing and structuring a poly-Si layer, another, second sacrificial oxide layer is deposited and structured, and finally the membrane layer is produced by depositing and structuring a poly-Si layer.
  • reference capacitances C r can also be provided in a targeted manner in lateral etching channel structures 12a . . . 12n, as indicated in FIG. Based on the arrangement shown in FIG. 7, self-supporting electrode surfaces can also be realized if the additional fourth oxide layer 14 is also removed between the electrode surface in the further wiring level 10 and the etch stop layer 3, as indicated in FIG.
  • the proposed micromechanical component 100 produced using the proposed method can be a capacitive pressure sensor, for example, as explained above.
  • Other forms of implementation of the proposed micromechanical component 100 that are not shown in the figures are also conceivable, such as a microphone, piezoresistive pressure sensor, acceleration sensor, yaw rate sensor, etc.
  • Fig. 16 shows a basic sequence of a method for producing a proposed micromechanical component 100.
  • a substrate 1 is provided.
  • a first oxide layer 2 is provided on the substrate 1 .
  • a wiring level is provided on the surface of the first oxide layer 2 facing away from the substrate.
  • a planar surface is provided from areas of the wiring level and areas of the first oxide layer and/or a further oxide layer.
  • an etching stop layer is provided on the planar surface from areas of the wiring level and areas of the first oxide layer and/or a further oxide layer.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

Mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend: - ein Substrat (1); - wenigstens eine auf dem Substrat (1) angeordnete erste Oxidschicht (2); und - eine unmittelbar auf der wenigstens einen ersten Oxidschicht (2) angeordnete Ätzstoppschicht (3); wobei auf einer Unterseite der Ätzstoppschicht (3) eine weitere Verdrahtungsebene (10) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanisches Bauelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
Stand der Technik
Im Stand der Technik ist es bekannt, Verdrahtungsebenen in einem Schichtsystem durch elektrische Isolationsschichten voneinander zu trennen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Bauelement, aufweisend:
- ein Substrat;
- wenigstens eine unmittelbar auf dem Substrat angeordnete erste Oxidschicht; und
- eine unmittelbar auf der wenigstens einen ersten Oxidschicht angeordnete Ätzstoppschicht; wobei auf einer Unterseite der Ätzstoppschicht eine Verdrahtungsebene angeordnet ist.
Auf diese Weise können unterhalb der Ätzstoppschicht z.B. elektrische Leiterbahnen geführt werden, die für eine elektrische Anbindung an elektrischen Bauteilen und/oder elektrischen Komponenten wie z.B. Elektroden in einem Kavernenbereich vorgesehen sind. Vorteilhaft können dadurch z.B. Anätzungen von elektrischen Isolationsschichten entlang von Leiterbahnen aus dem Kavernenbereich heraus vermieden werden bzw. kann dadurch beim erforderlichen Ätzen von Opferschichten aus Oxidmaterial in einem Kavernenbereich eine Anätzung von elektrischen Isolationsschichten aus Opferschichtmaterial entlang von Leiterbahnen unterhalb der Ätzstoppschicht vermieden werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen eines Substrats;
- Bereitstellen wenigstens einer ersten Oxidschicht unmittelbar auf dem Substrat;
- Bereitstellen einer Verdrahtungsebene an der dem Substrat abgewandten Oberfläche der ersten Oxidschicht;
- Bereitstellen einer ebenen Oberfläche aus Bereichen der Verdrahtungsebene und Bereichen der ersten Oxidschicht und/oder einer weiteren Oxidschicht; und
- Bereitstellen einer Ätzstoppschicht auf der ebenen Oberfläche aus Bereichen der Verdrahtungsebene und Bereichen der ersten Oxidschicht und/oder einer weiteren Oxidschicht.
Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Bauelements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die weitere Verdrahtungsebene zu einer elektrischen Kontaktierung von elektrischen Bauteilen und/oder elektrischen Komponenten in einem Kavernenbereich genutzt wird. Eine vielfältige Nutzbarkeit der weiteren Verdrahtungsebene ist dadurch vorteilhaft unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Element der weiteren Verdrahtungsebene in einem lateralen Ätzkanal angeordnet ist. Vorteilhaft lässt sich auf diese Weise z.B. eine parasitäre Kapazität einer Leiterbahn der weiteren Verdrahtungsebene reduzieren. Mittels des lateralen Ätzkanals ist es z.B. vorteilhaft nicht erforderlich, in einer Membran eine Ätzkanal vorzusehen, um Opferschichtmaterial aus einen Kavernenbereich auszuräumen. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Element der weiteren Verdrahtungsebene unmittelbar auf einer Unterseite der Ätzstoppschicht oder beabstandet von der Ätzstoppschicht freitragend in einem lateralen Ätzkanal ausgebildet ist. Vorteilhaft werden dadurch verschiedene Realsierungen der weiteren Verdrahtungsebene bereitgestellt. Zum Beispiel wird eine Leiterbahn der weiteren Verdrahtungsebene nur durch elektrische Kontaktierungsstrukturen gehalten, wodurch eine parasitäre Streukapazität zwischen der Leiterbahn und einem darüber angeordneten Funktionsschichtsystem reduziert sein kann.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der weiteren Verdrahtungsebene in Kombination mit der Ätzstoppschicht eine Referenzkapazität ausgebildet ist. Vorteilhaft kann die dadurch bereitgestellte Referenzkapazität für Funktionalitäten des mikromechanischen Bauelements genutzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Verdrahtungsebene in Kombination mit einer partiell entfernten Ätzstoppschicht eine Referenzkapazität bildet. Auf diese Weise wird eine weitere Alternative zur Bereitstellung einer Referenzkapazität mittels der weiteren Verdrahtungsebene bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die weitere Verdrahtungsebene wenigstens partiell flächig innerhalb eines lateralen Ätzkanals ausgebildet ist. Mittels der flächig ausgebildeten weiteren Verdrahtungsebene ist vorteilhaft eine noch bessere Ausbildung einer definierten Referenzkapazität unterstützt.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Bauelements zeichnen sich dadurch aus, dass die Referenzkapazität in einem Verankerungsbereich eines Kavernenbereichs und/oder außerhalb des Kavernenbereichs und/oder innerhalb des Kavernenbereichs angeordnet ist. Auf diese Weise ergeben sich für das mikromechanische Bauelement vielfältige schaltungstechnische Möglichkeiten zur Nutzung der mittels der weiteren Verdrahtungsebene ausgebildeten Referenzkapazität. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Bauelements zeichnen sich dadurch aus, dass sich die Verdrahtungsebene bis in einen Bereich unterhalb des Kavernenbereichs erstreckt. Auf diese Weise lässt sich aus einer Kombination der Gegenelektrode, der zusätzlichen Verdrahtungsebene und der Ätzstoppschicht vorteilhaft eine definiert hergestellte Referenzkapazität herstellen, wobei mittels der Verdrahtungsebene auch Leiterbahnen zum elektrischen Anschluss der Referenzkapazität realisierbar sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass eine Dicke der Ätzstoppschicht im Bereich der Referenzkapazitäten definiert ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Ätzstoppschicht je nach Bedarf lokal dünner oder dicker ausgebildet werden, wodurch vorteilhaft eine Größe der Referenzkapazität dimensioniert werden kann.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Bauelements zeichnen sich dadurch aus, dass das mikromechanische Bauelement ein kapazitiver Drucksensor und/oder ein Beschleunigungssensor und/oder ein Drehratensensor ist. Dadurch ergeben sich unter Verwendung der vorgeschlagenen weiteren Verdrahtungsebene unterhalb der Ätzstoppschicht mehrere vorteilhafte Ausgestaltungen/Verdrahtungsoptionen für das mikromechanische Bauelement.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, dass Vertiefungen in der Oberfläche der wenigstens einen ersten Oxidschicht unter Zuhilfenahme eines CMP-Prozess dazu benutzt werden z.B. Leiterbahnen der weiteren Verdrahtungsebene an der Oberseite der wenigstens einen ersten Oxidschicht auszubilden, welche zueinander elektrisch isoliert sind und welche zusammen mit der wenigstens einen ersten Oxidschicht eine ebene Oberfläche ausbilden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, dass die weitere Verdrahtungsebene unmittelbar auf der ersten Oxidschicht abgeschieden wird, danach strukturiert wird, darüber eine weitere Oxidschicht abgeschieden wird, wobei mit Hilfe eines Planarisierungsschritts oberflächlich die weitere Verdrahtungsebene freigelegt wird. Vorteilhaft ergeben sich dadurch für das Ausbilden der weiteren Verdrahtungsebene vorteilhaft keine Mehraufwendungen. Standardmäßige Prozessabläufe können dadurch zur Herstellung des vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements vorteilhaft weitgehend unverändert verwendet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements;
Fig. 2-4 Darstellungen für Verfahren zum Herstellen einerweiteren Verdrahtungsebene;
Fig. 5-10 Querschnittsansicht von weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements;
Fig. 11 ein Ersatzschaltbild einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, die aus einer Verschaltung von Membranen realisiert werden kann;
Fig. 12-15 Querschnittsansicht von weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements; und
Fig. 16 einen prinzipiellen Ablauf zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements.
Beschreibung von Ausführungsformen Konventionell kann es bei einem SiO2-Opferschichtprozess zur Ätzung bzw. Anätzung von SiC>2 im Bereich bzw. entlang von elektrischen Leiterbahnen kommen, die aus dem Kavernenbereich herausgeführt werden. Da diese elektrisch isoliert, z.B. mit SiO2, innerhalb des Funktionsschichtsystems, z.B. in der ersten Poly-Si Schicht/Ebene, durch die laterale Ätzbegrenzungen des Kavernenbereichs, z.B. aus Poly-Si, geführt werden müssen, entstehen hier laterale Pfade entlang von Leiterbahnen, entlang derer beim Entfernen von Oxidopferschichten zudem ein Ätzangriff auf SiCh-lsolationsschich- ten erfolgen kann. Die Länge, entlang derer um Leiterbahnen herum SiO2-Schichten entfernt werden, ist dabei abhängig von der Ätzdauer des Opferschichtätzprozesses und der Lage der Ätzkanäle bzw. Ätzzugänge bezogen auf Leiterbahndurchführungen in lateralen Ätzbegrenzungen des Kavernenbereichs. Je näher sich Ätzzugänge und Leiterbahndurchführungen zueinander befinden und je länger der Opferschichtätzprozess dauert, desto länger können SiO2-Anätzungen entlang von elektrischen Leiterbahnen ausgebildet sein.
Prinzipiell könnten die Isolationsschichten und die lateralen Ätzbegrenzungen des Kavernenbereichs aus einem elektrisch isolierenden und einem z.B. gegenüber HF (Flusssäure) in flüssiger oder gasförmiger Form ätzresistenten Material (z.B. siliziumreiches Siliziumnitrid, SiRiN) bestehen. Dies würde aber nachteilig zusätzliche Kosten und eine komplexere Prozessierung des Funktionsschichtbereichs bedeuten.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, bei einem mikromechanischen Bauelement (z.B. Inertialsensor, Drucksensor, Mikrofon, Drehratensensor, usw.) eine weitere elektrische Verdrahtungsebene z.B. aus dotiertem Poly-Si unmittelbar auf einer Unterseite bzw. unterhalb einer Passivier- bzw. Ätzstoppschicht vorzusehen, die bis in einen Kavernenbereich reichen kann und deren umgebende elektrische Isolation beim Entfernen von Opferschichten aus einem Kavernenbereich des Bauelements ätztechnisch nicht angegriffen bzw. entfernt werden kann.
Das Vorsehen einer weiteren elektrischen Verdrahtungsebene unter einer Passivierschicht, die ätzresistent gegenüber einem Medium ist, mit dem Opferschichten aus einem Kavernenbereich entfernt werden, hat demgegenüber den Vorteil, dass auch innerhalb des Kavernenbereichs elektrische Umverdrahtungen ausgebildet werden können, die eine komplexere elektrische Verdrahtung des Sensors erlauben, ohne dass die elektrische Isolation der weiteren Verdrahtungsebene unter der Passivierschicht bei dem Opferschichtätzprozess unerwünscht angegriffen oder gar vollständig entfernt wird. Design- und prozesstechnisch ist auf diese Weise weiterhin unterstützt, dass durch die weitere Verdrahtungsebene erzeugte parasitäre Kapazitäten zum Siliziumsubstrat klein gehalten oder sogar eliminiert werden können.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100. Man erkennt eine Ätzstoppschicht 3 (z.B. SiRiN), die das Funktionsschichtsystem von einem Unterbau trennt, der sich zwischen dem Funktionsschichtsystem und einem Siliziumsubstrat 1 befindet. Auf der Ätzstoppschicht 3 erfolgt der Aufbau des Funktionsschichtsystems beginnend mit einer ersten Funktionsschicht 4 (z.B. aus dotiertem Poly-Silizium (Poly-Si)), die als elektrische Anschluss- bzw. Verdrahtungsebene für Komponenten des nach oben hin ausgebildeten Funktionsschichtsystems dient.
Da die Ätzstoppschicht 3 ätzresistent z.B. gegenüber einem Ätzmedium (z.B. HF- Dampf) ist, kann durch Ausbilden einer weiteren Verdrahtungsebene 10 des Funktionsschichtsystems aus z.B. dotiertem Poly-Si unmittelbar auf einer Unterseite der Ätzstoppschicht 3 vermieden werden, dass es bei einem Entfernen z.B. einer zweiten Oxidschicht 5 aus z.B. SiÜ2 und/oder einer dritten Oxidschicht 7 aus z.B. SiÜ2 aus einem Kavernenbereich 9 zu Unterätzungen von Poly-Si Leiterbahnen in der ersten Funktionsschicht 4 kommt und diese ihre Haftung zum Untergrund verlieren und es zur Ätzung bzw. Anätzungen von elektrischen Isolationsschichten aus z.B. SiÜ2 im Bereich bzw. entlang von Poly-Si Leiterbahnen kommt, die aus dem Kavernenbereich 9 herausgeführt werden.
Des Weiteren schützt die Ätzstoppschicht 3 den Unterbau mit der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 aus z.B. SiÜ2 im Kavernenbereich 9 vor einen Ätzangriff durch z.B. HF-Dampf. Auf diese Weise können Unterätzungen im Unterbau von Sensorkomponenten innerhalb des Kavernenbereichs 9 durch vorsehen einer Ätzstoppschicht 3 vorteilhaft vermieden werden.
Im Ergebnis ist dadurch das vorgeschlagene mikromechanische Bauelement 100 von Fig. 1 als ein kapazitiver Drucksensor ausgebildet. Mittels eines oder mehrerer Kontaktierungselemente K kann die Verdrahtungsebene 10 an den Funktionsschichtaufbau, z.B. an Elektroden im Kavernenbereich 9 elektrisch angeschlossen werden. Fig. 1 zeigt somit einen Kerngedanken der vorliegenden Erfindung, der insbesondere darin besteht, die weitere Verdrahtungsebene 10 unterhalb bzw. unmittelbar auf einer Unterseite der Passivier- bzw. Ätzstoppschicht 3 vorzusehen, wodurch eine Möglichkeit bereitgestellt wird, elektrische Verbindungen aus dem Kavernenbereich 9 über diese weitere Verdrahtungsebene 10 herauszuführen. Auf diese Weise können Leiterbahnen der weiteren Verdrahtungsebene 10 unter lateralen Ätzbegrenzungen des Kavernenbereichs 9 hindurchgeführt und Anätzungen entlang von Leiterbahnen aus dem Kavernenbereich 9 heraus vermieden werden. Für die Wahl der Opferschichtätzzeit und die Lage der Ätzzugänge ergeben sich somit keine zeitlichen und/oder konstruktiven Einschränkungen mehr.
Die Herstellung der vorgeschlagenen weiteren Verdrahtungsebene 10 kann mit an sich bekannten Verfahren der Halbleitertechnik durchgeführt werden, wie in den Figuren 2-4 angedeutet. Um nach der Bereitstellung der weiteren Verdrahtungsebene 10 eine plane Oberfläche zu erhalten, wird auf dem Substrat 1 zunächst die erste Oxidschicht 2 abgeschieden und mit Hilfe einer Maske die spätere Struktur der weiteren Verdrahtungsebene 10 durch Ätzen in die Oberfläche der ersten Oxidschicht 2 übertragen.
Anschließend erfolgt das vollflächige Abscheiden einer weiteren Poly-Si Schicht unmittelbar auf die strukturierte Oberfläche der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 und danach ein CMP (chemical mechanical polishing)-Prozess, mit dessen Hilfe das weitere Poly-Si derart von der Oberfläche der ersten Oxidschicht 2 entfernt wird, dass das weitere Poly-Si nur in Vertiefungen der ersten Oxidschicht zurückbleibt, wie in den Figuren 2a) - 2c) angedeutet. Auf diese Weise wird eine plane Oberfläche erzeugt, an der Leiterbahnen der weiteren Verdrahtungsebene 10 vorliegen, welche in der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 eingebettet sind bzw. durch die wenigstens eine erste Oxidschicht 2 elektrisch voneinander getrennt sind.
Alternativ ist es auch denkbar, zuerst die wenigstens eine erste Oxidschicht 2 abzuscheiden, unmittelbar darauf die weitere Verdrahtungsebene 10 anzuordnen, diese vollständig mit einer zusätzlichen Oxidschicht 2a zu überdecken und per CMP-Prozess die Oberfläche zu planarisieren. Beim Planarisieren wird die zusätzliche Oxidschicht 2a derart entfernt, dass die Strukturen der weiteren Verdrahtungsebene 10 oberflächlich freigelegt werden, wie es in den Figuren 3a) - 3c) angedeutet ist. Bei beiden Varianten ist die Dicke der ersten Oxidschicht 2 unterhalb der weiteren Verdrahtungsebene 10 kleiner als die Dicke der sie umgebenden Oxidschicht. Dies kann zur Folge haben, dass im Bereich der weiteren Verdrahtungsebene 10 größere parasitäre Kapazitäten Cp zum Substrat 1 hin entstehen als bei anderen, elektrisch leitfähigen Strukturen des restlichen Funktionsschichtsystems des mikromechanischen Bauelements 100.
Um die beim Zufügen der weiteren Verdrahtungsebene 10 erzeugten parasitären Kapazitäten Cp zum Substrat 1 minimieren zu können, kann die Herstellung der weiteren Verdrahtungsebene 10 wie folgt durchgeführt werden:
Vor der Herstellung bzw. Abscheidung der ersten Oxidschicht 2 werden in das Substrat 1 mit Hilfe einer Maskenebene Strukturen geätzt, die Strukturen in der weiteren Verdrahtungsebene 10 entsprechen. Unmittelbar auf die so vorbereitete Oberfläche des Substrats 1 wird anschließend die erste Oxidschicht 2 abgeschieden, in deren Oberfläche sich, korrespondierend zur Substratoberfläche, Vertiefungen 10a abbilden, wie in Fig. 4 angedeutet. Nach dem Abscheiden der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 können weiter Ausnehmungen 13a in der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 erzeugt werden, welche später mit Poly-Silizium der weiteren Verdrahtungsebene 10 aufgefüllt werden können und welche elektrische Kontaktierungsstrukturen 13 bilden mit deren Hilfe eine elektrische Kontaktierung des Substrats 1 ermöglicht wird.
Wird unmittelbar auf die wenigstens eine erste Oxidschicht 2 nunmehr eine weitere dotierte Poly-Si Schicht abgeschieden und per CMP-Prozess die Oberfläche derart planarisiert, dass die weitere dotierte Poly-Si Schicht auf der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 oberflächlich entfernt wird und Poly-Si nur in Vertiefungen der ersten Oxidschicht 2 erhalten bleibt, so lassen sich elektrisch leitende Siliziumbereiche herstellen, die zueinander durch die wenigstens eine erste Oxidschicht 2 elektrisch isoliert sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Dicke der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 unter den Strukturen (z.B. Leiterbahn) der weiteren Verdrahtungsebene 10 gleich oder sogar größer sein kann, als die Dicke der sie umgebenden wenigstens einen ersten Oxidschicht 2. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass parasitäre Kapazitäten Cp zwischen Strukturen der weiteren Verdrahtungsebene 10 und dem Substrat 1 vergleichbar oder sogar kleiner sein können als zwischen elektrisch leitfähigen Strukturen des Funktionsschichtsystems und dem Substrat 1, wie in Fig. 5 darstellt. Alternativ ist es auch denkbar, nach der Planarisierung der Oberfläche und unmittelbar vor der Abscheidung der Ätzstoppschicht 3 weitere Ausnehmungen 13a in der Oxid- schicht 2 oder alternativ in der Oxidschicht 2 und der Oxidschicht 2a zu erzeugen. Während der Abscheidung der Ätzstoppschicht 3 aus z.B. SiRiN werden die weiteren Ausnehmungen 13a mit Material der Ätzstoppschicht 3 aufgefüllt und können auf diese Weise zur Herstellung von elektrisch isolierenden, lateralen Ätzstoppbegrenzungen eingesetzt werden.
Wie in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt, kann die Erzeugung der weiteren Verdrahtungsebene 10 zur Herstellung von lateralen Ätzstoppstrukturen für laterale Ätzkanäle 12a... 12n und/oder elektrischen Kontaktierungsstrukturen 13 für das Substrat 1 verwendet werden. Wird die weitere elektrische Verdrahtungsebene 10 nach einer der oben erläuterten Möglichkeiten hergestellt, so kann z.B. nach dem Erzeugen von Vertiefungen 1a im Substrat 1 ein weiterer Maskier- und Ätzschritt erfolgen, in welchem Strukturen aus der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 entfernt werden, die zur Herstellung von lateralen Ätzstopp- und/oder Kontaktierungsstrukturen benötigt werden.
Scheidet man danach eine Schicht aus Poly-Si ab, können die Strukturen 13 in der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 für die Realisierung von lateralen Ätzstoppstrukturen und/oder für die elektrische Kontaktierung des Substrats 1 verwendet werden können und die vertieft angelegten Strukturen der weiteren Verdrahtungsebene 10 in der ersten Oxidschicht 2 mit Silizium aufgefüllt werden. Wird danach ein Polierschritt durchgeführt und die Poly-Si Schicht oberflächlich auf der wenigstens einen zweiten Oxidschicht 2 entfernt, erhält man eine plane Oberfläche, an der die genannten Si-Strukturen frei zugänglich sind und durch Material der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 voneinander getrennt sind. Bei der Variante, bei der keine Vertiefungen für die weitere Verdrahtungsebene 10 in der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 erzeugt werden, werden nach der Herstellung der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 zuerst laterale Ätzstoppstrukturen 13a und/oder Strukturen zur elektrischen Kontaktierung des Substrats 1 in der wenigsten einen ersten Oxidschicht 2 erzeugt und diese mit dotiertem Poly-Si verfällt.
Per CMP-Verfahren kann jetzt das Poly-Si auf der Oberfläche der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 entfernt werden, um anschließend auf der so erhaltenen planen Oberfläche, wie bereits zuvor beschrieben, die weitere Verdrahtungsebene 10 herstel- len zu können. Optional kann aber auch das Poly-Si auf der Oberfläche der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 verbleiben und dazu benutzt werden, die Strukturen für die weitere Verdrahtungsebene 10 zu realisieren. Danach werden die Strukturen der weiteren Verdrahtungsebne 10 mit einer zusätzlichen Oxidschicht 2a überdeckt und per CMP-Verfahren oberflächlich wieder freigelegt.
Bei allen beschriebenen Varianten würde jetzt die Abscheidung und Strukturierung der elektrischen Isolations- und Ätzstoppschicht 3 aus z.B. SiRiN durchgeführt werden. Hierbei werden Kontaktlochstrukturen durch die elektrische Isolations- und Ätzstoppschicht 3 gebildet, die für die spätere Kontaktierung der weiteren Verdrahtungsebene 10 und/oder der Kontaktierungsstrukturen 13 durch die wenigstens eine erste Oxidschicht 2 zum Substrat 1 benötigt werden, wie in den Figuren 2d), 3d) angedeutet.
In der Ätzstoppschicht 3 können zudem Öffnungen ausgebildet werden, die zum gezielten Durchleiten eines Ätzmediums von der Oberseite des Funktionsschichtsystems in einen lateralen Ätzkanal 12a... 12n und von da aus in den Kavernenbereich 9 dienen.
Dabei ist es auch möglich, innerhalb eines von einem vertikalen Ätzkanal 11 ausgehenden lateralen Ätzkanals 12a... 12n eine oder mehrere Leiterbahnen der weiteren Verdrahtungsebene 10 zu integrieren. Durch das Entfernen der wenigstens einen ersten Oxidschicht 2 zwischen den Leiterbahnen und dem Substrat 1 können parasitäre Kapazitäten Cp reduziert und separat vorzuhaltende Bereiche für das Herausführen von Leiterbahnen aus dem Kavernenbereich 9 eingespart werden, wie in Fig. 6 dargestellt.
Um parasitäre Kapazitäten Cp zwischen der weiteren Verdrahtungsebene 10 und der ersten Funktionsschicht 4 des Funktionsschichtsystems aus z.B. dotiertem Poly-Si reduzieren zu können, kann nach der Durchführung des CMP-Schritts zur Herstellung der weiteren Verdrahtungsebene 10 und vor der Abscheidung der Ätzstoppschicht 3 eine zusätzliche vierte Oxidschicht 14 (z.B. SiÜ2) eingefügt werden. Mit Hilfe dieser zusätzlichen vierten Oxidschicht 14 kann der Abstand zwischen der weiteren Verdrahtungsebene 10 und der ersten Funktionsschicht 4 des Funktionsschichtsystems vergrößert und parasitäre Kapazitäten Cp reduziert werden. Werden derart vergrabene Leiterbahnen der weiteren Verdrahtungsebene 10 in laterale Ätzkanäle 12a... 12n im Unterbau des Sensorelements integriert, so entstehen nach dem Entfernen der Oxidschichten 2, 14 in den lateralen Ätzkanälen 12a... 12n in der Verdrahtungsebene 10 freigestellte bzw. freitragende Leiterbahnstrukturen der weiteren Verdrahtungsebene 10, die vorteilhaft noch geringere parasitäre Kapazitäten Cp zwischen der weiteren Verdrahtungsebene 10 und dem Funktionsschichtsystem aufweisen können, wie in Fig. 7 angedeutet.
Während, wie zuvor erläutert, parasitäre Kapazitäten zwischen Leiterbahnen der weiteren Verdrahtungsebene 10 und dem Substrat 1 und/oder elektrisch leitfähigen Schichten/Leiterbahnen des Funktionsschichtsystems angepasst bzw. minimiert werden können, kann die weitere Verdrahtungsebene 10 auch benutzt werden, um z.B. gezielt Referenzkapazitäten Cr herzustellen. So kann beispielsweise ausgehend von der in Fig. 5 dargestellten Anordnung zwischen der flächig ausgebildeten weiteren Verdrahtungsebene 10 und einem elektrisch leitfähigen Bereich des Funktionsschichtsystems (dies kann z.B. die erste Funktionsschicht 4, die zweite Funktionsschicht e oder die dritte Funktionsschicht 8 sein) eine Referenzkapazität Cr erzeugt werden, bei der z.B. die Ätzstoppschicht 3 als Dielektrikum fungieren kann, wie in Fig. 8 angedeutet.
Fig. 9 zeigt eine weitere Variante des vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100, bei der sich zwischen den Elektroden der Referenzkapazität Cr großteils kein Dielektrikum befindet. Dies kann erreicht werden, indem beim Entfernen des Opferschichtmaterials der dritten Oxidschicht 7 (z.B. SiO2) aus dem Kavernenbereich 9 auch Opferschichtmaterial zwischen den Elektroden der Referenzkapazität Cr entfernt wird. Die Ätzstoppschicht 3 kann hierbei dazu benutzt werden, einen lateralen Ätzstopp bei den Referenzkapazitäten Cr zu realisieren.
In einer weiteren Variante ist auch denkbar, eine oder mehrere Referenzkapazitäten CM . .. Cm auch unterhalb des Gegenelektrodenbereichs auszubilden, wobei die Gegenelektrode in diesem Fall sowohl als Elektrode für die Nutzkapazität als auch als Elektrode für eine Referenzkondensatorstruktur dienen kann. Auf diese Weise können die Referenzkapazitäten Cri... Cm unterhalb der Gegenelektrode vorgesehen sein, wie in der Querschnittsansicht von Fig. 10 angedeutet. Man erkennt, dass eine an der der dritten Funktionsschicht 8 in Form der Membran angekoppelte bewegliche Elektrode mit einer auf der Ätzstoppschicht 3 angeordneten ersten Funktionsschicht 4 in Form einer feststehenden Gegenelektrode zusammenwirkt und dadurch eine variable Nutzkapazität Cv bildet. Die Referenzkapazität Cr wird aus der Gegenelektrode der ersten Funktionsschicht 4, der Ätzstoppschicht 3 und der weiteren Verdrahtungsebene 10 gebildet.
Fig. 10 zeigt eine weitere Variante des vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100, bei dem mittels der unterhalb der Ätzstoppschicht 3 ausgebildeten weiteren Verdrahtungsebene 10 die Möglichkeit besteht, die feststehende bzw. fixe Gegenelektrode der variablen Nutzkapazität Cvi...Cvn für die Bereitstellung mindestens einer unterhalb der Gegenelektrode der ersten Funktionsschicht 4 ausgebildeten Referenzkapazität Cri...Cm zu nutzen.
In Fig. 10 erkennt man, dass die Ätzstoppschicht 3 als eine dielektrische Schicht zwischen der Gegenelektrodenstruktur und der Elektrode(n), welche mit Hilfe der weiteren Verdrahtungsebene 10 bzw. weiteren Poly-Si Schicht unterhalb der Ätzstoppschicht 3 erzeugt wurde, ausgebildet ist. Durch eine definierte Reduzierung der Schichtdicke der Ätzstoppschicht 3 im Bereich der mindestens einen Referenzelektrodenstruktur ist es möglich, bei gleicher Referenzelektrodenfläche, die Referenzkapazität zu erhöhen (Fig. 12) oder bei gleichbleibender Referenzkapazitätsgröße die Referenzelektrodenfläche zu verkleinern.
Fig.10 zeigt im Ergebnis somit, dass sich die weitere Verdrahtungsebene 10 in den Kavernenbereich hinein erstreckt, wodurch die Referenzkapazität Cr im Wesentlichen vollständig unterhalb des Kavernenbereichs 9 ausgebildet ist.
Ferner kann durch Vorsehen einer dickeren Ätzstoppschicht 3 und/oder einer weiteren dielektrischen Schicht, z.B. in Form einer vierten Oxidschicht 14 zwischen der Elektrodenfläche in der weiteren Verdrahtungsebene 10 und der Ätzstoppschicht 3 eine kleinere Referenzkapazität Cr erzeugt werden, wie es in Fig. 13 prinzipiell angedeutet ist.
Optional ist es auch denkbar, dass das in diesem Fall verwendete Dielektrikum der Referenzkapazität Cr aus anderen elektrisch isolierenden Schichten des Funktionsschichtsystems gebildet ist.
In Fig. 11 ist die Möglichkeit des platzsparenden Vorsehens ein Referenzkapazität Cr unterhalb des Kavernenbereichs 9 nochmals in vereinfachter Weise dargestellt. Weiter wird in Fig. 11 gezeigt, wie durch elektrische Verschaltung zweier nebeneinander platzierter Membransensoren M1 , M2 z.B. zweier Drucksensoren mit im Kavernenbereich 9 vorgesehenen Referenzkapazitäten Cri , Cr2 eine auf einfache Weise mit geringem Verdrahtungsaufwand herstellbare Wheatstone'schen Halbbrückenverschaltung erzeugt werden kann.
Der prinzipielle Herstellprozess zur Umsetzung von Referenzkapazitäten Cr unter einer Gegenelektrodenstruktur sieht im Prinzip wie folgt aus:
Zunächst werden in einer SiO2-Schicht Substratkontakt- und Leiterbahnstrukturen erzeugt, diese mit Poly-Si aufgefüllt bzw. verfüllt und z.B. mit Hilfe eines CMP-Schrittes optional elektrisch voneinander separiert. Man erhält auf diese Weise ein plane Waferoberfläche, auf welche die weiteren Schichten des mikromechanischen Bauelements 100 abgeschieden werden können. Als nächstes folgt die Abscheidung und Strukturierung der Isolations- bzw. Ätzstoppschicht 3, gefolgt von der Abscheidung und Strukturierung der ersten Funktionsschicht 4 zur Herstellung der Gegenelektrodenstruktur.
Im Anschluss daran wird die erste Opferoxidschicht abgeschieden und strukturiert, die bewegliche Elektrode durch Abscheidung und Strukturierung einer Poly-Si Schicht erzeugt, eine weitere, zweite Opferoxidschicht abgeschieden und strukturiert und final die Membranschicht durch Abscheidung und Strukturierung einer Poly-Si Schicht hergestellt.
Alternativ zu dem zuvor Erläuterten können Referenzkapazitäten Cr auch gezielt in lateralen Ätzkanalstrukturen 12a... 12n vorgesehen werden, wie es in Fig. 14 angedeutet ist. Ausgehend von der in Fig. 7 dargestellten Anordnung können hierbei auch freitragende Elektrodenflächen realisiert werden, wenn zwischen der Elektrodenfläche in der weiteren Verdrahtungsebene 10 und der Ätzstoppschicht 3 auch die zusätzliche vierte Oxidschicht 14 entfernt wird, wie in Fig. 15 angedeutet.
Prinzipiell lassen sich auf diese Art und Weise auch mehrere Referenzkapazitäten CM . .. Cm an beliebigen Stellen außerhalb und/oder innerhalb des Kavernenbereichs 9 und/oder im Bereich der Membraneinspannung bzw. Verankerungsbereich der Membran realisieren. Das mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte vorgeschlagene mikromechanische Bauelement 100 kann z.B. wie vorgehend erläutert, ein kapazitiver Drucksensor sein. Denkbar sind auch andere, nicht in Figuren dargestellte Realisierungsformen des vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100, wie z.B. Mikrofon, piezoresistiver Drucksensor, Beschleunigungssensor, Drehratensensor, usw.
Fig. 16 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelements 100.
In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats 1.
In einem Schritt 210 erfolgt ein Bereitstellen einer ersten Oxidschicht 2 auf dem Substrat 1 .
In einem Schritt 220 erfolgt ein Bereitstellen einer Verdrahtungsebene an der dem Substrat abgewandten Oberfläche der ersten Oxidschicht 2.
In einem Schritt 230 erfolgt ein Bereitstellen einer ebenen Oberfläche aus Bereichen der Verdrahtungsebene und Bereichen der ersten Oxidschicht und/oder einer weiteren Oxidschicht.
In einem Schritt 240 erfolgt ein Bereitstellen einer Ätzstoppschicht auf der ebenen Oberfläche aus Bereichen der Verdrahtungsebene und Bereichen der ersten Oxidschicht und/oder einer weiteren Oxidschicht.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauelement (100), aufweisend:
- ein Substrat (1);
- wenigstens eine auf dem Substrat (1) angeordnete erste Oxidschicht (2); und
- eine unmittelbar auf der wenigstens einen ersten Oxidschicht (2) angeordnete Ätzstoppschicht (3); wobei auf einer Unterseite der Ätzstoppschicht (3) eine weitere Verdrahtungsebene (10) angeordnet ist.
2. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Verdrahtungsebene (10) zu einer elektrischen Kontaktierung von elektrischen Bauteilen und/oder elektrischen Komponenten in einem Kavernenbereich (9) genutzt wird.
3. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element der weiteren Verdrahtungsebene (10) in einem lateralen Ätzkanal (12a... 12n) angeordnet ist.
4. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Element der weiteren Verdrahtungsebene (10) unmittelbar auf einer Unterseite der Ätzstoppschicht (3) oder beab- standet von der Ätzstoppschicht (3) freitragend in einem lateralen Ätzkanal (12a... 12n) ausgebildet ist.
5. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der weiteren Verdrahtungsebene (10) in Kombination mit der Ätzstoppschicht (3) eine Referenzkapazität (Cr) ausgebildet ist. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Verdrahtungsebene (10) in Kombination mit einer partiell entfernten Ätzstoppschicht (3) eine Referenzkapazität (Cr) bildet. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Verdrahtungsebene (10) wenigstens partiell flächig innerhalb eines lateralen Ätzkanals (12a... 12n) ausgebildet ist. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkapazität (Cr) in einem Verankerungsbereich eines Kavernenbereichs (9) und/oder außerhalb des Kavernenbereichs (9) und/oder innerhalb des Kavernenbereichs (9) angeordnet ist. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verdrahtungsebene (10) bis in einen Bereich unterhalb des Kavernenbereichs (9) erstreckt. Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der Ätzstoppschicht (3) im Bereich der Referenzkapazitäten (CM ... Cm) definiert ausgebildet ist. Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (100) ein kapazitiver Drucksensor und/oder ein Beschleunigungssensor und/oder ein Drehratensensor ist. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (100), aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen eines Substrats (1);
- Bereitstellen wenigstens einer ersten Oxidschicht (2) unmittelbar auf dem Substrat (1);
- Bereitstellen einer Verdrahtungsebene (10) an der dem Substrat abgewandten Oberfläche der ersten Oxidschicht (2); - 18 -
- Bereitstellen einer ebenen Oberfläche aus Bereichen der Verdrahtungsebene (10) und Bereichen der ersten Oxidschicht (2) und/oder einer weiteren Oxidschicht; und
- Bereitstellen einer Ätzstoppschicht (3) auf der ebenen Oberfläche aus Bereichen der Verdrahtungsebene (10) und Bereichen der ersten Oxidschicht (2) und/oder einer weiteren Oxidschicht. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zum Herstellen der weiteren Verdrahtungsebene (10) in der wenigstens einen ersten Oxidschicht (2) wenigstens eine Vertiefung vorgesehen wird, die mit Material der weiteren Verdrahtungsebene (10) aufgefüllt wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei nach der Planarisierung der Oberfläche und unmittelbar vor der Abscheidung der Ätzstoppschicht (3) weitere Ausnehmungen (13a) in der Oxidschicht (2) oder alternativ in der Oxidschicht (2) und der Oxidschicht (2a) erzeugt werden, wobei die weiteren Ausnehmungen 13a mit Material der Ätzstoppschicht (3) aufgefüllt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die weitere Verdrahtungsebene (10) unmittelbar auf der ersten Oxidschicht (2) abgeschieden wird, danach strukturiert wird, darüber eine weitere Oxidschicht (2a) abgeschieden wird, wobei mit Hilfe eines Planarisierungsschritts oberflächlich die weitere Verdrahtungsebene (10) freigelegt wird.
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US20120261830A1 (en) * 2011-04-18 2012-10-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Mems device etch stop
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