DE10052419A1

DE10052419A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen

Info

Publication number: DE10052419A1
Application number: DE2000152419
Authority: DE
Inventors: Stephan Marksteiner; Robert Aigner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-10-24
Also published as: DE10052419B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauteils. Dabei wird zunächst auf ein Substrat 1 eine Hilfsschicht 2 und eine mit wenigstens einem Ätzloch 4 versehene Membranschicht 3 aufgebracht. DOLLAR A Anschließend wird eine Spacerschicht 5 aufgebracht. Die Spacerschicht 5 wird dann anisotrop zurückgeätzt, so daß in dem Ätzloch 4 ein Spacer erzeugt wird, wodurch das Ätzloch 4 verengt wird. Anschließend wird die Hilfsschicht 2 durch das Ätzloch 4 hindurch geätzt, so dass in der Hilfsschicht ein Hohlraum 7 entsteht. Nachfolgend wird eine Verschlussschicht 8 aufgebracht, wodurch der Hohlraum 7 verschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen.

Mikromechanische Systeme, die aus einem mikromechanischen Bauelement und einer dazugehörigen integrierten Schaltung zum Beispiel zur Ansteuerung oder zur Auswertung auf demselben Substrat bestehen, sind von großem Interesse. Bei dem mikromechanischen Bauelement ist häufig eine Membran bzw. eine über einem Hohlraum angeordnete Deckschicht erforderlich. Diese Schicht kann sowohl eine passive Funktion als mechanischer Träger oder Schutz übernehmen als auch als aktives Element dienen, beispielsweise als Elektorde einer Kapazität wirken oder andere elektrische Elemente beinhalten. Je nach Aufgabenstellung soll die Deckschicht entweder den Hohlraum vollständig dicht abschließen oder ihn durch eine definierte Öffnung in der Schicht mit der Umwelt verbinden. Ein Beispiel für den ersten Fall ist ein Drucksensor, für den zweiten Fall ein Tintespritzer oder andere mikromechanische Düsen. In jedem Fall ist eine hohe mechanische Stabilität wichtig, unter anderem im Hinblick auf die Weiterverarbeitung und Montage des gesamten Systems in ein Gehäuse.

Die DE 196 00 400 beschreibt ein Verfahren, mit dem Hohlräume, die durch eine gelochte Platte (z. B. aus Polysilizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid) freigeätzt wurden, mit hochdotiertem Silikatglas (z. B. PSG oder BPSG) verschlossen werden können. Das Verschließen mit hochdotiertem Silikatglas ist möglich, weil es bei hohen Temperaturen (bei BPSG normalerweise ab ca. 700°C) zähflüssig wird und sich wie eine gut benetzende Flüssigkeit verhält. Durch seine Oberflächenspannung verschließt es kleine Öffnungen von z. B. 1 µm Durchmesser gasdicht. Allerdings besteht bei dotierten Oxiden die Gefahr, dass im verschlossenen Hohlraum die Dotierstoffe ausgasen und der Hohlraumdruck verändert wird.

Ein gasdichter Verschluss mit undotierten Oxiden ist ungleich schwieriger, weil undotierte Oxide bei hohen Temperaturen kein Fließverhalten zeigen. Ca. 1 µm große Öffnungen können daher nur mit relativ dicken Schichten verschlossen werden, da die Öffnungen bereits während der Abscheidung zuwachsen müssen.

Das Problem, kleine Öffnungen mit nicht fließfähigem Material zu verschließen, konnte bisher nicht vollständig gelöst werden. Hohlräume mit geringem Innendruck konnten bisher nur erzeugt werden, indem ein fließfähiges Material (z. B. BPSG) bei entsprechend geringem Prozessdruck abgeschieden wurde. Bei diesem Verfahren gibt es zwei wesentliche Nachteile. Einerseits besteht die Gefahr, dass sich der Hohlraumdruck durch Ausgasen des Verschlussmaterials mit der Zeit ändert, andererseits ist eine fertigungsgerechte Prozessführung sehr schwer möglich. Da das Verschlussmaterial unter hohen Temperaturen fließfähig ist, müssen die Wafer im BPSG-Ofen unter Prozessdruck auf eine Temperatur abgekühlt werden, die unterhalb der Fließgrenze von BPSG liegt (ca. 500°C). Würde man bei Temperaturen oberhalb der Fließgrenze von BPSG die Wafer an den Umgebungsdruck ausfahren, könnten die Hohlräume durch plastische Verformung des Verschlussmaterials zerstört werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen bereitzustellen, durch das Hohlräume mit nicht fließfähigem Material verschlossen werden können.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente wird zunächst auf ein Substrat eine Hilfsschicht und eine mit wenigstens einem Ätzloch versehene Membranschicht aufgebracht. Anschließend wird eine Spacerschicht aufgebracht. Die Spacerschicht wird dann anisotrop zurückgeätzt, so daß in dem Ätzloch ein Spacer erzeugt wird, wodurch das Ätzloch verengt wird. Anschließend wird die Hilfsschicht durch das Ätzloch hindurch geätzt, so dass in der Hilfsschicht ein Hohlraum entsteht. Nachfolgend wird eine Verschlussschicht aufgebracht, wodurch der Hohlraum verschlossen wird. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Hilfsschicht selektiv zur Membranschicht bzw. zum Substrat geätzt wird.

Für einen gasdichten Verschluss von Hohlraum- Freiätzlöchern mit undotierten Oxiden ist es grundsätzlich bevorzugt, wenn die Freiätzlöcher relativ klein sind (Durchmesser kleiner ca. 250 nm). Löcher dieser Größe sind photolithografisch jedoch nur sehr schwer herstellbar. Die Löcher zur Bildung des Hohlraums werden deshalb durch den erfindungsgemäßen Prozess von beispielsweise ca. 1 µm auf ca. 200 nm verkleinert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also durch die Verkleinerung der Ätzlöcher der Hohlraum schon beim Abscheideprozess verschlossen werden. Dadurch ist es möglich, verschiedene Verschlussmaterialien mit gewünschten Materialeigenschaften für den Hohlraumverschluss zu verwenden. Das Verschlussmaterial muss insbesondere keine Fließeigenschaften aufweisen. So kann als Verschlussmaterial auch das Material der Membranschicht verwendet werden, so daß Schwierigkeiten, die auf die Verwendung unterschiedlicher Materialien zurückzuführen sind, weitgehend vermieden werden können.

Weiterhin können Abscheideprozesse angewendet werden, die eine große Freiheit in der Prozessführung zulassen. Es ist beispielsweise möglich, durch geeignete Wahl der Prozessführung, den Innendruck im Hohlraum einzustellen. Der resultierende Druck im verschlossenen Hohlraum ist in der Regel proportional zum Prozessdruck und der Abscheidetemperatur der Verschlussschicht. Werden LPCVD- Prozesse (z. B. Polysilizium, TEOS, Siliziumnitrid) für den Hohlraumverschluss verwendet, kann man Hohlraumdrücke von < 1 mbar erzeugen. Zum Verschließen der Löcher können also auch Prozesse mit geringem Prozessdruck verwendet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es zudem möglich, Hohlräume auch mit relativ dünnen Schichten zu verschließen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat eine Hilfsschicht und eine Membranschicht mit Ätzlöchern aufgebracht. Anschließend wird auf die Membranschicht und auf die zugänglichen Teile der Hilfsschicht eine dünne Schicht, eine sogenannte Ätzstop- Schicht abgeschieden. Dieser Schritt bringt insbesondere dann Vorteile mit sich, wenn sich bei der Spacerätzung keine gute Selektivität zwischen der Spacerschicht und dem Membranmaterial erzielen läßt. Die Ätzstop-Schicht wirkt als Ätzstop bei der Spacerätzung. Besteht das Spacermaterial z. B. aus Polysilizium, so ist eine Ätzstop-Schicht aus Siliziumnitrid gut geeignet.

Nach dem Abscheiden der Ätzstop-Schicht wird auf diese Ätzstop-Schicht eine Spacerschicht abgeschieden und anschließend bis zur Ätzstop-Schicht zurückgeätzt. Nach dem anisotropen Rückätzen der Spacerschicht bleiben an den Flanken der Ätzlöcher Reste des Materials der Spacerschicht zurück, wodurch die Ätzlöcher verengt werden. Der Durchmesser der verbleibenden Öffnung kann dabei über die Schichtdicke der Spacerschicht kontrolliert werden.

Anschließend kann die Ätzstop-Schicht bis zur Membran- Schicht bzw. bis zur Hilfsschicht zurückgeätzt werden. Mit Hilfe eines isotropen Ätzprozesses wird nun die Hilfsschicht durch das Ätzloch hindurch bevorzugt selektiv bis zur Membranschicht bzw. bis zum Substrat geätzt, so dass ein Hohlraum unterhalb der Öffnung entsteht. Durch Abscheidung einer Verschlussschicht wird der Hohlraum gasdicht verschlossen.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Verschlussschicht bei einem Druck von weniger als 100 mbar, insbesondere weniger als 10 mbar aufgebracht wird. Ganz besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die Verschlussschicht bei einem Druck von weniger als 1 mbar, insbesondere weniger als 0,5 mbar aufgebracht wird. Gemäß diesen bevorzugten Ausführungsformen ist es also möglich, Hohlräume mit sehr geringem Innendruck (z. B. < 1 mbar) zu erzeugen, indem das Verschlussmaterial z. B. mit einem LPCVD Prozess abgeschieden wird. Der Prozessdruck beträgt dann typischerweise 0,1 bis 0,5 mbar. Gelingt es, den Hohlraum während des LPCVD- Prozesses gasdicht zu verschließen, so ergibt sich ein Hohlraumdruck, der ungefähr dem Prozessdruck entspricht. Noch geringere Drücke sind sind erzeugbar, wenn die Verschlussschicht durch Elektronenstrahlverdampfen in einer UHV-Kammer erzeugt wird. Auf dies Weise sind Drücke von weniger als 0,5 µbar möglich. Damit der geringe Hohlraumdruck gehalten werden kann, darf das Verschlussmaterial nicht ausgasen.

Vorteilhafterweise wird eine Verschlussschicht bestehend aus Polysilizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, insbesondere TEOS, aufgebracht. Alternativ können auch Metalle wie AlSiCu, Ti, W, Mo oder Au eingesetzt werden.

Die Membranschicht besteht bevorzugt aus Polysilizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, während als Material für die Spacerschicht bevorzugt Polysilizium verwendet wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Ätzstop-Schicht aus Siliziumnitrid. Ebenfalls bevorzugt wird eine Ausführungsform, gemäß der das Substrat ein Siliziumsubstrat ist.

Vorteilhafte Effekte werden erzielt, wenn die Dicke der Hilfsschicht weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 2 µm beträgt. Weiterhin ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Dicke der Hilfsschicht rund 1 µm beträgt.

Ebenfalls als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Dicke der Spacerschicht weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 2 µm beträgt. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Dicke der Spacerschicht rund 1 µm beträgt.

Je nach Einsatz des mikromechanischen Bauelements kann der Druck im Hohlraum gewählt werden. Der Hohlraum kann ebenso zur Aufnahme einer flüssigen oder gasförmigen Substanz dienen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verschlüsse sind sehr stabil und halten auch den bei der Montage im Plastikgehäuse auftretenden Verpressdrücken von bis zu 80 bar stand. Gleichzeitig erfolgt ihre Herstellung mit einem mit Halbleitertechnologien vollständig kompatiblen Verfahren, so dass Mikrosysteme kostengünstig herstellbar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 mehrere Querschnitte durch ein Halbleitersubstrat im Bereich des mikromechanischen Bauteils, an dem die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden;

Fig. 2 mehrere Querschnitte durch ein Halbleitersubstrat im Bereich des mikromechanischen Bauteils, an dem die Schritte einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden;

Fig. 3 in Aufsicht eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Ätzloches nach der Hohlraumätzung;

Fig. 4 eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts durch ein Ätzloch nach dem Hohlraumverschluss.

Fig. 1 zeigt mehrere Querschnitte durch ein Halbleitersubstrat im Bereich des mikromechanischen Bauelements, an dem im folgenden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 1 ist eine aus Siliziumdioxid bestehende Hilfsschicht 2 von etwa 1 µm Dicke und eine beispielsweise aus Polysilizium bestehende Membranschicht 3 aufgebracht. Die Membranschicht 3 wurde mit Hilfe einer Fototechnik strukturiert, so dass sie Ätzlöcher 4 aufweist (Schritt a). Anschließend wird auf die Membranschicht 3 und auf die zugänglichen Teile der Hilfsschicht 2 eine Spacerschicht 5 aus Polysilizium abgeschieden (Schritt b).

Nach dem anisotropen Rückätzen der Spacerschicht 5 bleiben an den Flanken der Ätzlöcher 4 Reste des Materials der Spacerschicht zurück, wodurch die Ätzlöcher 4 verengt werden (Schritt c). Der Durchmesser der verbleibenden Öffnung 6 kann dabei über die Schichtdicke der Spacerschicht 5 kontrolliert werden.

Mit Hilfe eines isotropen Ätzprozesses wird nun die Hilfsschicht 2 durch das verengte Ätzloch 6 hindurch selektiv bis zur Membranschicht 3 bzw. bis zum Substrat 1 geätzt, so dass ein Hohlraum 7 unterhalb der Öffnung 6 entsteht (Schritt d). Durch Abscheidung einer Verschlussschicht 8 wird der Hohlraum 7 gasdicht verschlossen (Schritt e).

Fig. 2 zeigt mehrere Querschnitte durch ein Halbleitersubstrat im Bereich des mikromechanischen Bauelements, an dem im folgenden die Schritte einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Auf einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 1 ist eine aus Siliziumdioxid bestehende Hilfsschicht 2 von etwa 1 µm Dicke und eine beispielsweise aus Polysilizium bestehende Membranschicht 3 aufgebracht. Die Membranschicht 3 wurde mit Hilfe einer Fototechnik strukturiert, so dass sie Ätzlöcher 4 aufweist (Schritt a). Anschließend wird auf die Membranschicht 3 und auf die zugänglichen Teile der Hilfsschicht 2 eine dünne Schicht 9, die sogenannte Ätzstop-Schicht 9, bestehend aus Siliziumnitrid abgeschieden (Schritt b). Dieser Schritt ist immer dann notwendig, wenn bei der Spacerätzung keine gute Selektivität zwischen der Spacerschicht 5 und dem Membranmaterial besteht. Die Ätzstop-Schicht 9 wirkt also als Ätzstop bei der Spacerätzung. Besteht das Spacer-Material z. B. aus Polysilizium, so ist eine Ätzstop-Schicht aus Siliziumnirid gut geeignet.

Nach dem Aufbringen der Ätzstop-Schicht 9 wird auf diese Ätzstop-Schicht 9 eine Spacerschicht 5 aus Polysilizium abgeschieden (Schritt b) und anschließend bis zur Ätzstop- Schicht 9 zurückgeätzt (Schritt c). Nach dem anisotropen Rückätzen der Spacerschicht 5 bleiben an den Flanken der Ätzlöcher 4 Reste des Materials der Spacerschicht zurück, wodurch die Ätzlöcher 4 verengt werden (Schritt c). Der Durchmesser der verengten Ätzlöcher 6 kann dabei über die Schichtdicke der Spacerschicht 5 kontrolliert werden.

Anschließend wird die Ätzstop-Schicht 9 bis zur Membran-Schicht 3 bzw. bis zur Hilfsschicht 2 zurückgeätzt (nach Schritt c, vor Schritt d). Mit Hilfe eines isotropen Ätzprozesses wird nun die Hilfsschicht 2 durch die Öffnung 6 hindurch selektiv bis zur Membranschicht 3 bzw. bis zum Substrat 1 geätzt, so dass ein Hohlraum 7 unterhalb der Öffnung 6 entsteht (Schritt d). Durch Abscheidung einer Verschlussschicht 8 wird der Hohlraum 7 gasdicht verschlossen (Schritt e).

Fig. 3 zeigt in Aufsicht eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Ätzloches nach der Hohlraumätzung. Die Ätzlochkante vor dem Aufbringen der Spacerschicht 5 und die Ätzlochkante nach dem Aufbringen der Spacerschicht 5 sind gekennzeichnet. Es zeigt sich eine deutliche Verringerung des Durchmessers des Ätzlochs 4.

Fig. 4 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts durch ein Ätzloch nach dem Hohlraumverschluss. Die Verschlussschicht 8 (gekennzeichnet mit "TEOS") verschließt vollständig den Hohlraum 7.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikromechanischen Bauelemente lassen sich vorteilhaft bei folgenden beispielhaft aufgelisteten mikromechanischen Systemen, Sensoren bzw. Bauelementen einsetzen:

- Abdeckung (mechanischer Schutz) für Beschleunigungssensoren
- Abdecken von Hohlräumen für fusible conductors
- Ausbilden von langen Kanälen für Gaschromatographen
- Ausbilden von Kanal-Netzwerken für Fluidics
- Ausbilden von Kühlkanälen bei integrierten Schaltungen mit hoher Verlustleistung an der Chip- Oberfläche (für Helium- oder H₂O-Kühlung)
- Ausbilden von Kapillaren
- Herstelllen von Lichtleitern (Wave Guides)
- Herstellen von Membranen für Resonatoren, Mikrophone, Drucksensoren oder ähnlichem.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente umfassend die Schritte

a) auf ein Substrat (1) wird eine Hilfsschicht (2) und eine mit wenigstens einem Ätzloch (4) versehene Membranschicht (3) aufgebracht,
b) eine Spacerschicht (5) wird aufgebracht,
c) die Spacerschicht (5) wird anisotrop zurückgeätzt, so dass in dem Ätzloch (4) ein Spacer gebildet wird wodurch das Ätzloch (4) verengt wird,
d) die Hilfsschicht (2) wird durch das Ätzloch (4) hindurch geätzt, so dass in der Hilfsschicht (2) ein Hohlraum (7) entsteht,
e) eine Verschlussschicht (8) wird aufgebracht, wodurch der Hohlraum (7) verschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt a) und vor Schritt b) auf die Membranschicht (3) und auf die zugänglichen Teile der Hilfsschicht (2) eine Ätzstop-Schicht (9) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt e) bei einem Druck von weniger als 100 mbar, insbesondere weniger als 10 mbar durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt e) bei einem Druck von weniger als 1 mbar, insbesondere weniger als 0,5 mbar und insbesondere weniger als 0,5 µbar durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschlussschicht (8) aus Polysilizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, insbesondere TEOS, aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membranschicht (3) aus Polysilizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spacerschicht (5) aus Polysilizium aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ätzstop-Schicht (9) aus Siliziumnitrid aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein Siliziumsubstrat ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Hilfsschicht (2) weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 2 µm beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Hilfsschicht (2) rund 1 µm beträgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Spacerschicht (5) weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 2 µm beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Spacerschicht (5) rund 1 µm beträgt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) und vor Schritt e) in den Hohlraum (7) ein Gas oder eine Flüssigkeit eingebracht wird.