DE102006032195A1

DE102006032195A1 - Verfahren zur Herstellung von MEMS-Strukturen

Info

Publication number: DE102006032195A1
Application number: DE102006032195A
Authority: DE
Inventors: Andreas Scheurle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-24
Also published as: US20100297781A1; JP2009542452A; WO2008006641A1; EP2051929A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von MEMS-Strukturen mit mindestens einer Funktionsschicht aus Silizium, die Strukturen enthält, die durch Entfernen einer Opferschicht freigestellt werden, wobei mindestens eine Opferschicht und mindestens eine Funktionsschicht so abgeschieden werden, dass sie einkristallin aufwachsen, und die Opferschicht aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von MEMS-Strukturen (Micro Electro Mechanical Systems) auf Siliziumbasis, vorzugsweise von mehrlagig abscheidbaren MEMS-Strukturen.
Stand der Technik
Insbesondere für eine Verwendung in Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren, die auf kapazitiven Messverfahren beruhen (kapazitive MEMS), umfassen derartige Strukturen im Wesentlichen eine leitfähige Funktionsschicht, die feststehende und bewegliche Bereiche enthält. Bewegliche Bereiche werden während der Herstellung üblicherweise durch eine sogenannte Opferschicht fixiert, die am Ende des Fertigungsprozesses durch aus der Mikromechanik- bzw. Halbleitertechnologie bekannte Verfahrensschritte selektiv entfernt wird.
Es ist bekannt, Opferschichten aus Siliziumoxid in Verbindung mit epitaktisch gewachsenen Funktionsschichten aus polykristallinem Silizium einzusetzen. Diese Technologie schließt eine nachträglich Einstellung verschiedener Schichtparameter der Funktionsschicht, insbesondere der Leitfähigkeit, durch Eintreiben eines drei- oder fünfwertigen Dotierstoffes ein. Aus der polykristallinen Struktur folgt außerdem die Notwendigkeit, durch zusätzliche Temperschritte herstellungsbedingte Stressgradienten in den beweglichen Bereichen der Funktionsschicht zu kompensieren, um Deformationen dieser beweglichen Bereiche ohne das Auftreten bestimmungsgemäßer Belastungen zu vermeiden. Das Verfahren erlaubt nur relativ niedrige Ätzraten und Unterätzweiten.
Es ist weiterhin bekannt, die Opferschicht aus Siliziumoxid durch eine Opferschicht aus Silizium-Germanium zu ersetzen. Diese lässt sich beispielsweise durch ClF₃-Gasphasenätzen selektiv entfernen. Die erreichbaren Ätzraten und Unterätzweiten sind gegenüber dem Verfahren mit Opferschichten aus Siliziumoxid deutlich größer. Problematisch ist jedoch das Diffusionsverhalten von Germanium, welches in Prozessschritten mit länger anhaltenden thermischen Belastungen, beispielsweise während des Eintreibens erforderlicher Dotierstoffe, dazu führt, dass Germanium aus der Opferschicht in die Funktionsschicht diffundiert. Durch daraus folgende Schichtverschmelzungen können sich ursprünglich ausgebildete Strukturen verändern und in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt werden.
Es ist bekannt, dieses Problem in Strukturen aus polykristallinen Schichten dadurch zu mindern, dass die Opferschicht mit einer Diffusionsbarriere gegenüber Germanium umgeben wird. Das bedeutet jedoch einen zusätzlichen Verfahrensschritt, der strukturabhängig, insbesondere wenn Kontaktlöcher zu „vergrabenen Leiterbahnen" erforderlich sind, einen teilweise erheblichen Mehraufwand mit sich bringt und mit entsprechenden Mehrkosten verbunden ist.
Ein weiterer Nachteil der genannten Verfahren besteht in der generell recht sensiblen Kompensation von Stressgradienten durch das Eintreiben der Dotierstoffe. Der Erfolg dieser Kompensation hängt empfindlich von der Vermeidung späterer thermischer Überlastungen der dotierten Schichten ab, weshalb bei einer gewünschten Integration mehrerer Sensorelemente in einen Chip die Sensorelemente lateral versetzt werden müssen, um sie während der Herstellung thermisch zu entkoppeln. Dadurch erhöhen sich Platzbedarf und Kosten der MEMS-Struktur und des fertigen Bauelementes.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das die Herstellung von komplexen MEMS-Strukturen mit hoher Effektivität auf engem Raum ermöglicht und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Technische Lösung
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Abscheidung weitgehend einkristalliner Funktions- und Opferschichten. Offensichtlich erfolgt durch den damit verbundenen Wegfall der Korngrenzen eine wirksame Behinderung insbesondere der Diffusion von Germanium. Dadurch wird der Einsatz von Opferschichten aus Silizium-Germanium möglich, ohne dass eine zusätzliche Barriere gegenüber Germanium aufgebracht werden muss, um dessen Diffusion zu begrenzen. Die Anwendung des Verfahrens erfolgt zur Herstellung von MEMS-Strukturen mit mindestens einer Funktionsschicht aus Silizium, die Strukturen enthält, die durch Entfernen einer Opferschicht freigestellt werden. Erfindungsgemäß werden mindestens eine Opferschicht und mindestens eine Funktionsschicht so abgeschieden, dass sie einkristallin aufwachsen, wobei die Opferschicht aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht besteht.
Vorteilhafte Wirkungen
Vorteilhafterweise werden mehrere Funktionsschichten und Opferschichten übereinander abgeschieden, wobei alle Funktionsschichten und alle Opferschichten so abgeschieden werden, dass sie einkristallin aufwachsen, und die Opferschichten jeweils aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht bestehen. Die Mehrfachabscheidung ist möglich, da durch die relativ hohen Aufwachsgeschwindigkeiten die Erwärmung der Gesamtanordnung nur einen relativ kurzen Zeitraum beansprucht, in dem eine Diffusion von Germanium, die zudem durch fehlende Korngrenzen behindert wird, vernachlässigt werden kann. Vorteilhafterweise erfolgt das Entfernen des Opfermaterials durch ClF₃-Gasphasenätzen. Somit lassen sich die Vorteile großer Unterätzweiten und hoher Ätzgeschwindigkeiten nutzen, ohne den zusätzlichen Aufwand für das Aufbringen einer zusätzlichen Isolationsschicht zur Verhinderung der Diffusion von Germanium treiben zu müssen.
Vorteilhafterweise werden dementsprechend Prozessparameter zumindest zeitweise so eingestellt, dass das epitaktische Wachstum mit einer Aufwachsgeschwindigkeit von mindestens 3 μm/min erfolgt.
Wird eine Einstellung des Leitwertes der Siliziumschichten erforderlich, ist es vorteilhaft, diesen durch eine In-Situ-Dotierung einzustellen. Stressgradienten können so vermieden werden.
Der Wechsel zwischen Siliziumschichten und Silizium-Germanium-Mischschichten erleichtert durch Überwachung der Plasmaemission und/oder massenspektroskopisch nachweisbarer Species die Vermeidung falscher Ätztiefen und damit das Auftreten von Fehlstrukturierungen.
Zur Erzielung der vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sollten mindestens folgende Schritte umfasst sein:

– Bereitstellung eines SOI-Wafers (Silicon an Insulator) mit einer einkristallinen Startschicht aus Silizium,
– Strukturierung der einkristallinen Startschicht aus Silizium,
– epitaktisches Abscheiden eines Opfermaterials in Form von einkristallinem Silizium-Germanium,
– Strukturierung der einkristallinen Opferschicht,
– epitaktisches Abscheiden einer Funktionsschicht aus einkristallinem Silizium,
– Strukturieren der Funktionsschicht aus einkristallinem Silizium,
– erneutes epitaktisches Abscheiden des Opfermaterials in Form von einkristallinem Silizium-Germanium,
– Strukturierung der zuletzt abgeschiedenen einkristallinen Opferschicht,
– epitaktisches Abscheiden einer Kappenschicht aus einkristallinem Silizium,
– Durchstrukturierung der Kappenschicht bis auf die zuletzt abgeschiedene Opferschicht,
– Entfernen des Opfermaterials,
– Verschließen der Öffnungen in der Kappenschicht.

Je nach Bedarf und Komplexität der angestrebten Funktionsstruktur können die Schritte der Abscheidung und Strukturierung einer Opferschicht und der Abscheidung und Strukturierung einer Funktionsschicht mehrmals wiederholt werden, bevor ein Abschluss mit einer Kappenschicht erfolgt.
Die Justage einzelner Schichten zueinander kann mit Vorteil durch am Waferrand eingebrachte Marken erfolgen. Wird direkt beim ersten Ätzen eine Oxidfläche freigelegt, die so groß ist, dass sie während der folgenden Epitaxieprozesse nicht zuwächst, können dort Marken platziert werden, die während der gesamten Herstellung der MEMS-Struktur zugänglich sind. Vorteilhaft ist es, sich dazu der selektiven Epitaxie zu bedienen. Dazu werden die Prozessparameter so eingestellt, dass auf Siliziumoxid keine Abscheidung erfolgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
An einem Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Die zugehörigen schematischen Darstellungen zeigen auszugsweise:
1 einen unstrukturierten SOI-Wafer;
2 einen SOI-Wafer mit strukturierter Startschicht;
3 einen SOI-Wafer mit einer zusätzlichen ersten strukturierten Opferschicht;
4 einen SOI-Wafer mit einer ersten strukturierten Funktionsschicht;
5 einen SOI-Wafer mit einer zweiten strukturierten Funktionsschicht;
6 einen SOI-Wafer mit einer geschlossenen Kappenschicht;
7 einen SOI-Wafer mit vollständig freigelegter Funktionsstruktur; und
8 einen SOI-Wafer mit versiegelter und kontaktierter MEMS-Struktur.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt einen unstrukturierten SOI-Wafer als Ausgangsmaterial für die Herstellung von mehrlagig abscheidbaren MEMS-Strukturen. Ein derartiger Wafer besteht aus einer dicken Siliziumschicht 1, die gleichzeitig als mechanischer Träger dient, auf der als Isolationsschicht 2 eine Siliziumoxidschicht abgeschieden ist. Auf der Isolationsschicht 2 befindet sich eine einkristalline Startschicht 3 aus Silizium. Auf derartigen SOI-Wafern ist es möglich, durch entsprechende Strukturierung einzelne elektrisch voneinander isolierte Bereiche zu erzeugen, die als Startschicht für späteres epitaktisches Aufwachsen weiterer Schichten dienen können.
2 zeigt einen SOI-Wafer mit strukturierter Startschicht 3. Die Strukturierung erfolgt durch einen Ätzschritt. Vorlie gend sind mehrere Bereiche der Startschicht 3 elektrisch voneinander isoliert, da die geätzten Gräben 4 bis zur Isolationsschicht 2 reichen. Die einzelnen auf diese Weise freigelegten Bereiche der Startschicht 3 bilden die Sockel der späteren MEMS-Strukturen.
Es können auch leitende Verbindungen zwischen einzelnen Strukturen definiert werden. Oftmals muss die Siliziumschicht dazu einen bestimmten Leitwert aufweisen. Der Leitwert kann durch Dotierung des Siliziums eingestellt werden. Um Schichtstress und Leitwertschwankungen innerhalb der Strukturen zu vermeiden, wird der Leitwert der Startschicht 3 durch eine In-Situ-Dotierung während der Abscheidung weiterer Schichten beibehalten. Eine nachträgliche Dotierung und thermische Überlastung einzelner Strukturbereiche kann dadurch vermieden werden.
Ist die Startschicht 3 aus einkristallinem Silizium strukturiert, wird Opfermaterial in Form von einkristallinem Silizium-Germanium abgeschieden. Dabei dient die Fläche der nach der Strukturierung der Startschicht 3 verbliebenen Siliziumbereiche für das Aufwachsen einer zunächst geschlossenen Opferschicht 5 als Startschicht, um ein epitaktisches Wachstum zu ermöglichen. Die genaue Einstellung der Dicke der Opferschicht 5, welche für die Erstreckung später auszubildender Hohlräume in der fertigen Funktionsstruktur entscheidend ist, erfolgt beispielsweise durch einen CMP-Schritt (chemisch-mechanisches Polieren), als dessen Ergebnis eine polierte Oberfläche zur Verfügung steht, die wiederum als Startstruktur für weiteres epitaktisches Wachstum dienen kann. In 3 ist außerdem sichtbar, dass die Ätzgräben 4 aus der vorangegangenen Strukturierung mit dem Opfermaterial gefüllt werden. Die polierte Opferschicht 5 wird anschließend durch einen Ätzschritt strukturiert, um Kontaktlöcher 6 zu einzelnen Bereichen der Startschicht 3, die als Sockel oder Leiterbahn dienen können, herzustellen. Um ein zu tiefes Ätzen zu vermeiden, kann während dieses Prozessschrittes die Plasmaemission überwacht werden. Verschwinden Emissionslinien, die eine Präsenz von Germanium indizieren, ist eine Durchstrukturierung der Opferschicht 5 ablesbar und der Ätzvorgang wird abgebrochen.
4 zeigt einen SOI-Wafer mit einer ersten strukturierten Funktionsschicht 7 aus einkristallinem Silizium. Diese wird zunächst epitaktisch auf der Opferschicht 5 abgeschieden und anschließend in einem Trenchprozess strukturiert. Da keine Schicht vorhanden ist, die einen Ätzstopp verursacht und ein zu weites Überätzen unter Umständen ungewollte Verbindungen zwischen leitfähigen Bereichen herstellen könnte, sollte in diesem Prozessschritt in jedem Fall die Ätztiefe überwacht werden. Das kann beispielsweise durch ein Massenspektrometer erfolgen, dem die Abgase des Trenchers zugeleitet werden. Wird Germanium detektiert, erfolgt ein Abbruch des Ätzvorganges. Im Ergebnis dieses Schrittes besteht eine strukturierte Funktionsschicht 7, deren Bereiche sich teilweise auf der Opferschicht abstützen und teilweise mit Bereichen der Startschicht 3 in elektrisch leitender Verbindung stehen.
Die in den 3 und 4 ablesbaren Schritte der Abscheidung und Strukturierung einer Opferschicht und der Abscheidung und Strukturierung einer Funktionsschicht können mehrmals wiederholt werden, um mehrere Strukturen übereinander zu platzieren, bis eine angestrebte Funktionsstruktur ausgebildet ist. So können beispielsweise Beschleunigungssensoren auf einem Chip übereinander aufgebaut werden, deren Detektionsrichtungen um 90° versetzt liegen, was ohne Vergrößerung der Chipfläche zu zweiachsigen Beschleunigungssensoren führt. Des Weiteren sind kaskadierte Strukturen realisierbar. So können Drehratensensoren hergestellt werden, deren Detektionsstrukturen (Beschleunigungssensoren) auf oder unter einem Schwinger (Oszillator) angeordnet werden.
5 zeigt einen SOI-Wafer mit einer zweiten strukturierten Funktionsschicht 8 aus einkristallinem Silizium und einer zweiten Opferschicht 9 aus einkristallinem Silizium- Germanium. Wichtig ist dabei, dass die Strukturierung so erfolgt, dass die durch das Opfermaterial erfüllten Zonen jeweils zusammenhängende und durch die letzte Siliziumschicht hindurch erreichbare Bereiche bilden.
6 zeigt einen SOI-Wafer mit einer geschlossenen Kappenschicht 10. Zwischen der Kappenschicht 10 und der obersten Funktionsschicht 8 befindet sich eine letzte Opferschicht 11 aus einkristallinem Silizium-Germanium, die an Stellen, an denen später eine Kontaktierung zu erfolgen hat, durchbrochen ist. Das Aufbringen der letzten Opferschicht 11, deren Strukturierung und das Aufbringen der Kappenschicht 10 erfolgen, nachdem die Funktionsstruktur vollständig ausgebildet ist.
Anschließend werden gemäß 7 Zugänge 12 in der Kappenschicht 10 strukturiert, über die das gesamte Opfermaterial in einem Schritt durch ClF₃-Gasphasenätzen herausgelöst werden kann. Dadurch wird die mechanische Funktionsfähigkeit der Funktionsstrukturen hergestellt.
Zu beachten ist dabei, dass auch Strukturen 13, die einer späteren Kontaktierung der MEMS-Strukturen dienen sollen, vom Rest der Kappenschicht 10 getrennt werden müssen, was durch Ätzen eines ringförmigen Zugangs 14 erfolgen kann. Wenn sich in diesem Fall Instabilitäten einzelner Strukturen ergeben würden, könnte die Öffnung der ringförmigen Zugänge 14 auch vor der Öffnung der restlichen Zugänge 12 in der Kappenschicht vorgenommen werden. In diesem Fall müsste ein Verschließen der ringförmigen Zugänge 14 mit einem isolierenden Material, das gleichzeitig der Abstützung der zu stabilisierenden Struktur dienen würde, erfolgen, bevor das Herauslösen des Opfermaterials durch ClF₃-Gasphasenätzen veranlasst wird. Bei ausreichend stabilen Strukturen kann auf diese Form der mehrfachen Strukturierung der Kappenschicht 10 verzichtet werden, wodurch alle erforderlichen Zugänge 12, 14 in einem Prozessschritt durch Ätzen geöffnet werden können.
Nach der Entfernung des Opfermaterials wird die Kappenschicht 10 wieder hermetisch verschlossen. 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem SOI-Wafer mit versiegelter und kontaktierter MEMS-Struktur. Er weist beispielhaft vier mechanisch auslenkbare Strukturen 15, 16, 17, 18 auf, von denen jeweils zwei übereinander angeordnet sind. Die für das Herauslösen des Opfermaterials erforderlichen Zugänge in der Kappenschicht 10 wurden vorliegend durch plasmagestütztes nicht konformes Abscheiden eines Oxides 19 bei niedriger Temperatur, beispielsweise auf der Basis von Silan oder TEOS, hermetisch verschlossen. Durch die plasmagestützte Oxidabscheidung lässt sich durch entsprechende Einstellung der Plasmaparameter in Abstimmung mit den geometrischen Randbedingungen der Zugänge in der Kappenschicht 10 sichern, dass kein zu tiefes Eindringen des Plasmas in die strukturbedingten Hohlräume der Anordnung erfolgt. Dadurch wird verhindert, dass in tiefergelegenen Bereichen eine Oxidabscheidung erfolgen und mechanische Eigenschaften des Systems verändern kann.
Vor dem Vereinzeln des Bauelementes mit der erfindungsgemäß hergestellten MEMS-Struktur erfolgt vorzugsweise unter Zuhilfenahme der Sputtertechnologie die Prozessierung von Bondpads 20 auf Strukturen 13, die der Kontaktierung dienen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von MEMS-Strukturen mit mindestens einer Funktionsschicht aus Silizium, die Strukturen enthält, die durch Entfernen einer Opferschicht freigestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Opferschicht und mindestens eine Funktionsschicht so abgeschieden werden, dass sie einkristallin aufwachsen, und die Opferschicht aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Funktionsschichten und Opferschichten übereinander abgeschieden werden, wobei alle Funktionsschichten und alle Opferschichten so abgeschieden werden, dass sie einkristallin aufwachsen, und die Opferschichten jeweils aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens folgende Schritte: – Bereitstellung eines SOI-Wafers mit einer einkristallinen Startschicht aus Silizium, – Strukturierung der einkristallinen Startschicht aus Silizium, – epitaktisches Abscheiden eines Opfermaterials in Form von einkristallinem Silizium-Germanium, – Strukturierung der einkristallinen Opferschicht, – epitaktisches Abscheiden einer Funktionsschicht aus einkristallinem Silizium, – Strukturieren der Funktionsschicht aus einkristallinem Silizium, – erneutes epitaktisches Abscheiden des Opfermaterials in Form von einkristallinem Silizium-Germanium, – Strukturierung der zuletzt abgeschiedenen einkristallinen Opferschicht, – epitaktisches Abscheiden einer Kappenschicht aus einkristallinem Silizium, – Durchstrukturierung der Kappenschicht bis auf die zuletzt abgeschiedene Opferschicht, – Entfernen des Opfermaterials, – Verschließen der Öffnungen in der Kappenschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidens der Funktionsschichten eine In-Situ-Dotierung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter zumindest zeitweise so eingestellt werden, dass das epitaktische Wachstum mit einer Aufwachsgeschwindigkeit von mindestens 3 μm/min erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter so eingestellt werden, dass auf Siliziumoxid keine Abscheidung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Opfermaterials durch ClF₃-Gasphasenätzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem vollständigen Entfernen des Opfermaterials elektrische Durchführungen durch die Kappenschicht freigestellt und mit einem isolierenden Material umgeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen von Öffnungen in der Kappenschicht durch eine nicht konforme Abscheidung eines Oxids erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Strukturierung eine Überwachung der Plasmaemission und/oder massenspektroskopisch nach weisbarer Species erfolgt, um eine falsche Ätztiefe zu vermeiden.