DE10142952A1

DE10142952A1 - Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Struktur

Info

Publication number: DE10142952A1
Application number: DE10142952A
Authority: DE
Inventors: Frank Fischer; Lars Metzger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-09-01
Publication date: 2002-12-19

Abstract

Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Struktur mit den Schritten: Bereitstellen einer mikromechanischen Struktur mit einem ersten mikromechanischen Strukturelement (MS) aus einem ersten Material und einem zweiten mikromechanischen Strukturelement (OS) aus einem zweiten Material; Leiten eines gasförmigen Ätzmediums (G) über die mikromechanische Struktur, wobei das Ätzmedium (G) derart beschaffen ist, daß es in einem ersten Temperaturbereich oberhalb Raumtemperatur selektiv das zweite Material gegenüber dem ersten Material ätzt; und Bringen der mikromechanischen Struktur in den ersten Temperaturbereich zum selektiven Ätzen des zweiten Materials gegenüber dem ersten Material.

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfah ren für eine mikromechanische Struktur.

Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Strukturen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwend bar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrun deliegende Problematik in bezug auf eine in der Technologie der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbare mikrome chanische Struktur erläutert.

In A. E. Franke, Y. Jiao, M. T. Wu, T.-J. King, R. T. Howe, POST-CMOS MODULAR INTEGRATION OF POLY-SIGE MICORSTRUCTURES USING POLY-GE SACRIFICIAL LAYERS, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, South Carolina, 4.- 8. Juni 2000 wird ein Prozess zur Herstellung von Oberflä chenmikromechanischen Strukturen beschrieben, bei dem frei bewegliche bzw. funktionale Strukturen aus polykristallinem Silizium/Germanium (poly-SiGe) bestehen und bei dem für die Opferschicht polykristallines Germanium (poly-Ge) einge setzt wird. Durch die bei diesem Prozess eingesetzten Mate rialien wird die Integration von oberflächenmikromechanisch erzeugten Strukturen in einen Standard-CMOS-Prozess ermög licht.

Eine Integration ist bei der Erzeugung von MEMS (MEMS = Mi cro Electromechanical Systems)-Strukturen aus polykristal linem Silizium nicht möglich, da sehr hohe Temperaturen bis zu 1100°C für die Schichtabscheidung und den anschließenden Dotierprozess benötigt werden. Siehe dazu die DE 195 37 814 A1. Diese hohen Temperaturen sind nicht mit den Materialien Aluminium oder Kupfer eines CMOS-Prozesses kompatibel.

Bei Standard-MEMS-Prozessen dient SiO₂ als Opferschicht. Das Entfernen der Opferschicht erfolgt in Flusssäure oder durch einen Flusssäure-Gasphasenätzprozess. Beide Verfahren greifen die Materialien des CMOS-Prozesses an und sind so mit nicht kompatibel. Um MEMS-Strukturen in einem CMOS- Prozess integrieren zu können, müssen die Materialien für die mikromechanischen Strukturen und die Prozesse zu deren Strukturierung kompatibel sein.

Gemäß dem oben erwähnten Artikel von A. E. Franke et al. zeigt sich, dass polykristallines Silizium/Germanium (poly- SiGe) und polykristallines Germanium (poly-Ge) die oben ge nannten Anforderungen erfüllen. Beide Materialien werden in einem LPCVD-Reaktor bei Temperaturen um 450°C (poly-SiGe) und 375°C (poly-Ge) abgeschieden. Die abgeschiedenen Schichten besitzen einen geringen Schichtwiderstand und weisen geringe Spannungen auf, wodurch eine Temperaturbe handlung nach der Abscheidung entfällt. Die polykristalline Silizium/Germanium-Schicht kann mittels der in der Halb leittechnik bekannten Plasmaätzprozesse strukturiert wer den. Die Germanium-Opferschicht kann selektiv zur Silizium/ Germanium-Schicht mit heißem Wasserstoffperoxyd (H₂O₂) ge ätzt werden. Da SiO₂ und Aluminium nicht von der Ätzlösung H₂O₂ angegriffen werden, kann dieses Ätzverfahren in den CMOS-Prozess integriert werden. Die Nachteile dieses Ver fahrens liegen in der nasschemischen Strukturierung der Germanium-Opferschicht.

Fig. 5a-d zeigen eine Darstellung der wesentlichen Prozeß schritte eines bekannten Verfahrens.

In Fig. 5a bezeichnet S ein Substrat, MS ein mikromechani sches Strukturelement in Form eines unsymmetrischen T- Balkens aus Polysilizium und OS eine Opferschicht aus Ger manium. Mittels des besagtem flüssigen Ätzmediums EM in Form von H₂O₂ wird die Opferschicht OS geätzt, wie in Fig. 5b illustriert. Dabei kann es gemäß Fig. 5c, d beim Trocknungsprozess zu einem "sticking" zwischen den freiste henden Strukturen und dem Substrat S kommen. Dies rührt da her, dass zwischen dem mikromechanischen Strukturelement MS und dem Substrat 5 Kapillarkräfte KK durch Rückstände des flüssigen Ätzmediums EM auftreten, welche bewirken, dass es zu einer dauerhaften Adhäsion ADH kommt.

Um diese zu vermeiden, ist ein sehr aufwendiger Trocknungs prozess notwendig, wie z. B. eine Trocknung mit CO₂ (auch als CO₂ critical point drying bezeichnet). Zudem ist es mit nasschemischen Ätzverfahren nicht möglich, schmal und lan ge Strukturen, wie z. B. Kanäle auszuätzen, da die Kapillar kräfte KK den Medienfluss stark beeinträchtigen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende allgemeine Problematik besteht somit darin, ein Trockenätzverfahren bereitzustellen, welches die erwähnten Nachteile des be kannten Nassätzverfahrens nicht aufweist.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 zugrunde liegende Idee ist die Bereitstellung eines Trockenätzpro zesses, bei dem ein mikromechanisches Material in einem vorbestimmten Temperaturbereich oberhalb Raumtemperatur se lektiv gegenüber einem anderen mikromechanischen Material geätzt werden kann. Durch die Selektivität sind keine Pas sivierungsschichten notwendig. Vorzugsweise ist das erste mikromechanische Material Germanium und das zweite mikrome chanische Material Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid bzw. Silizium-Germanium. Als Ätzmedium wird in diesem Fall vorzugsweise molekulares Chlor (Cl₂) verwendet. Da Germani um nicht spontan mit Chlor reagiert, muss der Ätzvorgang thermisch aktiviert werden. Dies kann entweder durch ein Heizverfahren oder durch ein thermisches Absorptionsverfah ren geschehen.

Die Selektivität des Ätzmediums gegenüber dem ersten Mate rial wird dadurch erreicht, dass für die Ätzung des zweiten Materials niedrigere Temperaturen als für die Ätzung des ersten Materials benötigt werden. Dadurch hat man ein Tem peraturfenster zur Verfügung, in dem das zweite Material selektiv gegenüber dem ersten Material geätzt werden kann. Hinsichtlich der Materialien Germanium/Silizium wurde die Möglichkeit des selektiven Ätzens in K. Ikeda, S. Imai, M. Matsumara, Atomic layer etching of germanium, Applied Sur face Science, Band 112, 1997, Seiten 87-91 berichtet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das "sticking" so mit nicht auftreten, da das zweite Material aus der Gaspha se herausgeätzt wird.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil dungen und Verbesserungen des Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das erste mikro mechanische Strukturelement ein T-Balken, z. B. aus Polysi lizium.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das er ste Material aus folgender Gruppe ausgewählt: Silizium, insbesondere Polysilizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Silizium-Germanium.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das zweite mikromechanische Strukturelement eine Opferschicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das zweite Material Germanium. Dieses Material läßt sich mit dem Ätzmedium Chlorgas besonders gut thermisch aktiviert selektiv gegenüber Silizium und Siliziumverbindungen ätzen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die mi kromechanische Struktur auf einem Substrat vorgesehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die ge samte mikromechanische Struktur auf eine Temperatur im er sten Temperaturbereich gebracht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die das zweite mikromechanische Strukturelement selektiv durch Strahlungsabsorption auf eine Temperatur im ersten Tempera turbereich gebracht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Leiten des gasförmigen Ätzmediums über die mikromechanische Struktur bei Raumtemperatur begonnen, bevor die mikromecha nische Struktur in den ersten Temperaturbereich gebracht wird.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ätzreaktors zur Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2a-d eine Darstellung der wesentlichen Prozeßschritte der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ätzreaktors zur Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4a-d eine Darstellung der wesentlichen Prozeßschritte der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 5a-d eine Darstellung der wesentlichen Prozeßschritte eines bekannten Verfahrens.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ätzreak tors zur Durchführung einer ersten Ausführungsform des er findungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen R einen Ätzreaktor, E einen Gaseinlass für ein Ätzgas G, hier Cl₂, A einen Gasauslass, SH einen Sub strathalter und WH eine Widerstandsheizung, mit der der Ätzreaktor R umgeben ist.

Der Ätzreaktor R ist an ein nicht gezeigtes Gas-Versor gungssystem zum Einlass des Ätzgases G in Form von Cl₂ so wie eine nicht gezeigte Vakuumeinheit angeschlossen. Das Substrat S, hier in Form eines Wafers, kann durch die Wi derstandsheizung WH geheizt werden oder durch eine nicht gezeigte Heizung des Substrathalters SH.

Fig. 2a-d zeigen eine Darstellung der wesentlichen Prozeß schritte der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gemäß Fig. 2a beginnt der Trockenätzprozess mit dem Einlass von Chlorgas in den Ätzreaktor R, in dem sich die mikrome chanische Struktur auf dem Substrathalter SH befindet. Dies geschieht bei Raumtemperatur. Das im Ätzreaktor R befindli che Chlorgas adsorbiert an der Germanium-Oberfläche der Op ferschicht OS und bildet dort eine GeCl_x-Schicht, d. h. ver schiedene stöchiometrische Verbindungen mit Chlor, wie z. B. GeCl und GeCl₂. Diese Reaktionsprodukte können jedoch bei Raumtemperatur nicht desorbieren.

Um den Ätzvorgang dann zu aktivieren wird der Ätzreaktor mittels der Widerstandsheizung WH auf eine Temperatur im Temperaturbereich 300°C < T < 600°C aufgeheizt, vorzugswei se 400°C. Die thermisch zugeführte Energie hat zur Folge, dass die Reaktionsprodukte in Form von GeCl₂ von der Germa nium-Oberfläche desorbieren können bzw. sich die Reaktions produkte in Form von GeCl in Reaktionsprodukte in Form von GeCl₂ umwandeln. Selbstverständlich adsorbiert das Chlorgas auch auf dem mikromechanischen Strukturelement MS in Form des T-Balkens. Allerdings ist für die Desorption von GeCl₂ eine geringere Temperatur notwendig als für die Desorption von SiCl₂. Letztere benötigt eine Temperatur von mindestens 600°C. Aufgrund dieses Verhaltens hat man ein großes Tempe raturfenster 300°C < T < 600°C zur Verfügung, in dem man das Germanium der Opferschicht OS selektiv gegenüber dem Silizium des T-Balkens MS ätzen kann.

Wird die Widerstandsheizung WH auf der erhöhten Temperatur von beispielsweise 400°C konstant gehalten und kontinuier lich Chlorgas G in den Ätzreaktor R eingelassen, dann fin det eine kontinuierliche Ätzung der Germanium-Opferschicht OS statt, wie in Fig. 2d illustriert, was letztendlich zum in Fig. 2e gezeigten Zustand führt, in dem die Opferschicht OS vollständig entfernt ist.

Fig. 3 zeigen eine schematische Darstellung eines Ätzreak tors zur Durchführung einer zweiten Ausführungsform des er findungsgemäßen Verfahrens.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform des Ätzreaktors R unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungs form dadurch, dass anstelle der Widerstandsheizung WH eine Lichtquelle LQ zur Emission von Strahlung einer bestimmten Energie hν vorgesehen ist.

Fig. 4a-d eine Darstellung der wesentlichen Prozeßschritte der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah rens.

Der Ätzprozess gemäß Fig. 4a und 4b beginnt ebenso wie bei dem oben im Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten ersten Aus führungsbeispiel.

Gemäß Fig. 4c wird dann allerdings nicht die gesamte mikro mechanische Struktur durch eine Heizung erwärmt, sondern die Erwärmung erfolgt selektiv durch die Absorption der Lichteinstrahlung durch die Lichtquelle LQ.

Aufgrund der kleineren Bandlücke von Germanium im Vergleich zu Silizium kann die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts hν so gewählt werden, dass das Licht durch das Silizium des mikromechanischen Strukturelements MS hindurch geht und im Germanium der Opferschicht CS absorbiert wird. Dies führt zur lokalen Erwärmung der Opferschicht OS. Mit anderen Wor ten muß, damit die Lichtenergie von der Germanium-Opfer schicht OS absorbiert wird, die Energie der Strahlung grö ßer sein als der Bandabstand des Germaniums. Um jedoch die Erwärmung des Siliziums zu verhindern, muss die Energie der Strahlung kleiner sein als der Bandabstand des Siliziums.

Durch die besagte Strahlungsabsorption lässt sich ebenfalls eine Temperatur im Bereich 300°C < T < 600°C, vorzugsweise 400°C einstellen, welche zum bereits beschriebenen Ätzver halten führt, das für diese Ausführungsform in Fig. 4d und 4e illustriert ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevor zugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie dar auf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifi zierbar.

Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für die oben illustrierte Opferschichtätzung interessant, sondern allgemein für die selektive Strukturierung eines bestimmten Materials, z. B. Germanium, gegenüber anderen in der Halbleitertechnik bekannter. Materialien.

BEZUGSZEICHENLISTE

G gasförmiges Ätzmedium
E Gaseinlaß
A Gasauslaß
R Ätzreaktor
SH Substrathalter
S Substrat
MS erstes mikromechanisches Strukturele ment, T-Balken
OS zweites mikromechanisches Strukturele ment, Opferschicht
WH Wiederstandsheizung
LQ Strahlungsquelle
hv Strahlungsquanten
EM flüssiges Ätzmedium
KK Kapillarkraft
ADH Adhäsion

Claims

1. Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Struk tur mit den Schritten:
Bereitstellen einer mikromechanischen Struktur mit einem ersten mikromechanischen Strukturelement (MS) aus einem er sten Material und einem zweiten mikromechanischen Struktur element (OS) aus einem zweiten Material;
Leiten eines gasförmigen Ätzmediums (G) über die mikrome chanische Struktur, wobei das Ätzmedium (G) derart beschaf fen ist, daß es in einem ersten Temperaturbereich oberhalb Raumtemperatur selektiv das zweite Material gegenüber dem ersten Material ätzt;
Bringen der mikromechanischen Struktur in den ersten Tempe raturbereich zum selektiven Ätzen des zweiten Materials ge genüber dem ersten Material.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste mikromechanische Strukturelement (MS) ein T- Balken ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das erste Material aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Silizium, insbesondere Polysilizium, Siliziumoxid, Si liziumnitrid, Silizium-Germanium.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das zweite mikromechanische Strukturelement (OS) eine Opferschicht ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das zweite Material Germanium ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Ätzmedium (G) Chlorgas ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die mikromechanische Struktur auf einem Substrat (1) vorgesehen ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die gesamte mikromechanische Struktur auf eine Temperatur im ersten Temperaturbereich gebracht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die das zweite mikromechanische Strukturelement (OS) selektiv durch Strahlungsabsorption auf eine Temperatur im ersten Temperaturbereich gebracht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Leiten des gasförmigen Ätzme diums über die mikromechanische Struktur bei Raumtemperatur begonnen wird, bevor die mikromechanische Struktur in den ersten Temperaturbereich gebracht wird.