DE102008040597A1

DE102008040597A1 - Mikromechanisches Bauelement mit Rückvolumen

Info

Publication number: DE102008040597A1
Application number: DE102008040597A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth; Michael Saettler; Stefan Weiss; Arnim Hoechst
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-01-28
Also published as: EP2308243A1; CN102106161A; US20110198713A1; WO2010009934A1; CN102106161B; US8692339B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Bauelement bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements, bei dem, ausgehend von einer Öffnung, in der Rückseite eines einkristallinen Halbleitersubstrats ein Hohlraum in dem Substrat erzeugt wird. Dabei wird der hierzu verwendete Prozess in Verbindung mit dem verwendeten einkristallinen Halbleitersubstrat derart gesteuert, dass ein weitestgehend rechteckiger Hohlraum entsteht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Mikromechanische Sensoren verwenden häufig Membranen, die über einem Hohlraum angeordnet sind. Dabei beeinflusst bei bestimmten Sensoren wie den MEMS-Mikrofonen die Größe und die Form dieses Hohlraums das Auflösevermögen der Sensoren.
Üblicherweise wird ein MEMS-Mikrofon aber auch ein Membransensor mittels eines zweistufigen Prozesses realisiert. Dabei wird ein Sensorelement 120, welches beispielsweise eine Membran und ein Gegenelektrode 130 aufweist, auf ein Halbleitersubstrat 100 aufgelegt. Wie in 1a dargestellt, wird anschließend von der Rückseite 170 des Halbleitersubstrats 100 eine Kaverne 110 in das Substrat eingebracht, die bis zur aktiven Sensorstruktur, d. h. bei einem Mikrofon beispielsweise bis zu Gegenelektrode 130 reicht. Die Ausformung der Kaverne 110 kann dabei mit Hilfe eines einzelnen Trenchätzprozesses erreicht werden. Dabei ist jedoch notwendig, dass die Ätzfront die aktive Sensorstruktur sehr genau treffen muss, da ansonsten bei einem Versatz der Kavernenöffnung zur Sensorstruktur ein mechanischer/akustischer Kurzschluss entstehen könnte. Wird dagegen die Öffnung der Kaverne zu gering in Bezug auf die Größe der Sensorstruktur ausgelegt, wird die Sensorstruktur, beispielsweise eine Membran, unnötig gedämpft.
Allgemein muss bei der Öffnung unterhalb der Sensorstruktur gerade bei der Verwendung eines MEMS-Mikrofons ein Mindestvolumen eingehalten werden, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu ermöglichen. Zur Steigerung der Empfindlichkeit ist es jedoch wünschenswert, dieses Volumen möglichst groß zu machen. Demgegenüber kann das Volumen jedoch nicht beliebig vergrößert werden, da die Fläche auf der Rückseite 170 des Bauelements bei der Weiterverarbeitung dazu genutzt wird, das Bauelement auf Leiterplatten oder in Gehäuse zu montieren. Daher muss ein Mittelweg zwischen einem großen Rückvolumen und einer ausreichend großen Befestigungsfläche auf der Rückseite des Substrats gefunden werden.
Ein weiteres bekanntes Beispiel, das Rückvolumen zu vergrößern, ist in 1b gezeigt. Dabei wurde im Vergleich zum Bauelement nach 1a ein zweistufiger Trenchätzprozess verwendet. Bei diesem Vorgehen wird mit einem ersten Trenchätzschritt eine Kaverne 140 mit einer gegenüber der aktiven Sensorstruktur 130 größeren Öffnung in das Substrat 100 eingebracht. In einem nachfolgenden zweiten Trenchätzschritt wird eine kleinere Kaverne 150 erzeugt, die an die Dimensionen des Sensorelements 120 bzw. der Sensorstruktur 130 angepasst ist. Obwohl mit diesem Verfahren ein größeres Rückvolumen, bestehend aus den Kavernen 140 und 150, und somit eine Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht werden kann, ist der durch die zwei separaten Strukturierungsschritte verbundene Aufwand im Vergleich zum Bauelement der 1a deutlich erhöht. Auch eine beliebige Vergrößerung der Kaverne 140 ist nicht möglich, da auf der Rückseite 170 des Substrats 100 eine ausreichende Fläche zur Befestigung vorgesehen sein muss.
Abhilfe bei dem Dilemma zwischen vergrößertem Rückvolumen und ausreichender Befestigungsfläche schafft dagegen ein Verfahren, welches ein Bauelement gemäß 1c schafft. Dabei wird durch eine Kombination von anisotropen und isotropen Ätzschritten eine Ringstruktur 160 in das Substrat 100 unterhalb des Sensorelements 120 bzw. der aktiven Sensorstruktur 130 geätzt. Mit dieser Methode erhält man eine Volumenerhöhung bei im Vergleich zur 1a gleichbleibend großer Befestigungsfläche. Durch die Ringstruktur ist die damit erhaltene Volumenerhöhung gegenüber dem Bauelement der 1a jedoch bei gleichbleibender Dicke des Substrats 100 im Vergleich zum Bauelement der 1b deutlich geringer.
Aus der DE 10 2007 026450 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mittels eines besonderen Trenchprozesses in einem Halbleitersubstrat eine seitliche Erweiterung einer Kaverne erzeugt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Bauelement bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements, bei dem ausgehend von einer Öffnung in der Rückseite eines einkristallinen Halbleitersubstrats ein Hohlraum in dem Substrat erzeugt wird. Dabei wird der hierzu verwendete Prozess in Verbindung mit dem verwendeten einkristallinen Halbleitersubstrat derart gesteuert, dass ein weitestgehend rechteckiger Hohlraum entsteht.
Dabei ist vorgesehen, den Hohlraum in lateraler und/oder vertikaler Richtung in rechteckiger Form zu realisieren.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Vorderseite des Halbleitersubstrats ein Sensorelement aufgebracht. Um den Hohlraum mit dem Sensorelement zu verbinden, d. h. um einen Medienzugang zu dem Sensorelement zu erreichen, ist ausgehend von dem Hohlraum eine Öffnung in der Vorderseite des Halbleitersubstrats vorgesehen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist als Sensorelement ein Mikrofon vorgesehen, bei dem ein Medienaustausch zwischen dem Hohlraum und dem Bereich zwischen Membran und Gegenelektrode als Druckausgleich nötig ist. Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Gegenelektrode direkt in die Vorderseite des Halbleitersubstrats einstrukturiert wird und die Membran als zusätzliches Bauelement auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird.
Vorteilhafterweise sind die Wände bei der Verwendung eines einkristallinen Halbleitersubstrats in die entsprechenden Kristallrichtungen ausgerichtet. So ist beispielsweise bei einem (100)-Kristall eine Ausbildung von Wänden in <110>-Richtung zu beobachten, während die Übergänge zwischen den Wänden in <100>-Richtung verlaufen. Diese Übergänge sind durch die verminderte Ätzgeschwindigkeit in diesen Kristallrichtungen mehr oder weniger abgerundet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des rechteckigen Hohlraums unterhalb der Membran bzw. Gegenelektrode kann in dem Halbleitersubstrat ein größeres Volumen gegenüber einer ovalen Ausgestaltung realisiert werden. Dies ermöglicht eine größere Medienaufnahme. Darüber hinaus lässt sich dadurch auch eine Steigerung der Empfindlichkeit des Sensorelements erreichen. Weiterhin ist somit die Herstellung dünnerer und kleinerer Sensorelemente, insbesondere Mikrofone möglich.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
Die 1a bis 1c zeigen Ausgestaltungen von Hohlräumen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. In den 2a bis 2d wird die Herstellung des rechteckigen Hohlraums gezeigt. Die 3 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Hohlraum. 4 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel in Form eines teilweise in das Halbleitersubstrat integrierten Mikrofons.
Ausführungsbeispiel
Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements wird zunächst ein Sensorelement 220 auf ein einkristallines Halbleitersubstrat 200 aufgebracht werden. Dabei kann es sich sowohl um einen üblichen mikromechanischen Membransensor aber auch um ein mikromechanisch hergestelltes Mikrofon handeln. Dabei kann die Membran oder das Gegenelement bzw. die Gegenelektrode 230 direkt auf das Substrat aufgebracht. Alternativ ist jedoch auch möglich, dass das Sensorelement 220 derart auf die Vorderseite 310 des Substrats 200 aufgebracht wird, dass zwischen Membran bzw. Gegenelement und dem Substrat ein mehr oder weniger großer Abstand befindet, um einen direkten Kontakt und somit eine Beschädigung bei der Herstellung zu vermeiden.
Anschließend wird gemäß einem üblichen mikromechanischen Trenchätzprozess eine Maske 240 auf die Rückseite des Substrats 200 aufgebracht, die die spätere Kaverne 210 definiert. Bei dem nachfolgenden Trenchätzprozess wird, wie in 2a dargestellt, anisotrop eine näherungsweise senkrechte Vertiefung in das Substrat 200 eingebracht, welche die Kaverne 210 bildet. Dabei baut sich an der Seitenwand der Kaverne eine Passivierung 250 auf. Um ein besonders hohes Rückvolumen zu erreichen, sollte der Trenchätzprozess näherungsweise bis zur Hälfte der Dicke des Substrats 200 durchgeführt werden.
Optional kann in einem weiteren Ätzschritt gemäß 2b ausgehend von der Kaverne 210 ein isotroper Ätzschritt, z. B. mittels einer SF₆-Ätzung, ein Ring 260 in die Tiefes des Substrats eingebracht werden. Dieser optionale Schritt verkürzt die Herstellungszeit, da die Ätzgeschwindigkeit der SF₆-Ätzung im Vergleich zum nachfolgenden Ätzschritt erhöht ist.
Die wesentliche Änderung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass ein Ätzschritt verwendet wird, der die Kristallorientierungen des Substrats berücksichtigt. Vorteilhaft hat sich dabei eine Ätzung mit CIF₃, XeF₂ oder einem anderen anisotrpätzenden Gas herausgestellt. Bei diesem Ätzvorgang sind die Ätzfronten in den verschiedenen Kristallrichtungen derart unterschiedlich, dass sich ein annähernd rechteckiger Hohlraum 270 im Substrat 200 ergibt, wie es die 2c zeigt. Die Größe des Hohlraums 270, d. h. die laterale Ausdehnung des Hohlraums 270 im Substrat 200 lässt sich über die Ätzzeit bestimmen. So ist es möglich, ein gegenüber dem Sensorelement 220 bzw. der Membran oder der Gegenelektrode 230 lateral ausgedehnten Hohlraum zu erzeugen, der nach allen Seiten die gleiche Tiefe aufweist.
Im letzten Ätzschritt wird mittels eines (ansisotropen) Trenchätzprozess durch die im ersten Trenchätzprozess erzeugte Öffnung 215 der Hohlraum 270 zum Sensorelement 220 bzw. zur Membran oder der Gegenelektrode 230 geöffnet. Dabei muss, wie eingangs beschrieben, die Größe der erzeugten Öffnung 280 auf das Sensorelement 220 bzw. die Membran oder die Gegenelektrode 230 abgestimmt werden.
Falls notwendig, kann in einem weiteren Schritt auch die Ätzmaske 240 sowie die Passivierungsschicht 250 entfernt werden, bevor das Bauelement separiert wird.
Im Querschnitt durch das Bauelement gemäß der 2d lässt sich die Wirkung der unterschiedliche Ausbreitung der Ätzfronten anhand der Kristallorientierungen in einem einkristallinen Halbleitersubstrat verdeutlichen. So ist beispielsweise bei einem (100)-Si-Substrat die Ätzrate in <100>-Richtung 340 kleiner als in die <110>-Richtung 350, weswegen die Wände 320 des Hohlraums 270 nahezu rechteckig bzw. quadratisch ausgerichtet sind. Wie anhand der 3 ebenfalls zu erkennen ist, wirkt der anisotrope Ätzprozess auch auf die Maskenöffnung 215 indem dort ebenfalls eine rechteckförmige bzw. quadratische Ätzfront 330 entsteht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist auch möglich, statt einer einzelnen Öffnung 280 mehrere kleinere Öffnungen 400 als Durchgangsöffnung zum Sensorelement 420 zu erzeugen, wie es in 4 dargestellt ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Gegenelektrode 410 direkt in die Vorderseite des Substrats 200 eingebracht wird. Dabei kann gegebenenfalls auch eine zusätzliche Dotierung dieses Gebiets vorgenommen werden. Der Vorteil bei diesem Ausführungsbeispiel liegt darin, dass nicht das gesamte MEMS-Mikrofon auf das Substrat 200 aufgebracht werden muss, sondern nur das mit der Membran 430 versehene Sensorelement 420.
Darüber hinaus ist auch denkbar, das Sensorelement ganz in das Substrat zu integrieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007026450 A1 [0007]

Claims

Mikromechanisches Bauelement mit einem einkristallinen Halbleitersubstrat (200) und einem Hohlraum (270) in dem Halbleitersubstrat, wobei in der Rückseite (300) des Halbleitersubstrats eine Öffnung (215) zum Hohlraum vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum in lateraler Richtung eine über die Ausdehnung der Öffnung hinausgehende Tiefe aufweist und eine angenähert rechteckige Form aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraums in lateraler und/oder vertikaler Richtung eine angenäherte rechteckige Form aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein mikromechanisches Sensorelement (220, 420) mit einer Membranstruktur (230, 430) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Membranstruktur über wenigstens eine Öffnung (280) auf der Vorderseite (310) des Halbleitersubstrats in Kontakt mit dem Hohlraum steht.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement eine Mikrofonstruktur bestehend aus einer Membran und einer mit wenigstens einer Öffnung (400) versehenen Gegenelektrode (410) aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran und/oder die Gegenelektrode wenigstens teilweise in die Vorderseite des Halbleitersubstrats integriert ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Gegenelektrode der Mikrofonstruktur aus dem Halbleitersubstrat herausstrukturiert wurde.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Ausdehnung des Hohlraums größer als die laterale Ausdehnung der Membran und/oder der Gegenelektrode ist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Hohlraums auf die Kristallrichtungen des einkristallinen Halbleitersubstrats ausgerichtet sind, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Substrat eine (100)-Orientierung aufweist und die Wände in <110>-Richtung des Halbleitersubstrats bzw. die Übergänge zwischen den Wänden in <100>-Richtungen ausgerichtet sind.
Verfahren zur Erzeugung eines mikromechanisches Bauelements, insbesondere eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren ausgehend von der Rückseite (300) eines einkristallinen Halbleitersubstrats (200) die Schritte – Durchführung eines ersten anisotropen Trenchätzprozesses zur Erzeugung einer Kaverne (210) in dem Halbleitersubstrat, und – Durchführung eines anisotropen Gasphasenätzschritts, insbesondere mittels CIF₃ oder XeF2, zur Erzeugung eines angenähert rechteckigen Hohlraums (270) in dem Halbleitersubstrat aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung der Kaverne ein isotroper Ätzschritt durchgeführt wird, der eine seitliche Vertiefung der Kaverne in dem Halbleitersubstrat erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erzeugung des Hohlraums ein zweiter anisotroper Trenchätzprozess durchgeführt wird, durch den wenigstens eine Öffnung (280, 400) auf der Vorderseite (310) des Halbleitersubstrats erzeugt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die wenigstens eine Öffnung einen Medienaustausch zwischen dem Hohlraum und einem auf die Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebrachtem Sensorelement (220, 420) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Trenchätzprozess in zwei Schritten erfolgt, wobei der erste Schritt ein Gegenelement (410) einer Mikrophonstruktur in der Vorderseite des Halbleitersubstrats und der zweite Schritt Durchgangsöffnungen (400) in dem Gegenelement erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch den ersten Trenchätzprozess eine Kaverne mit näherungsweise die halben Halbleitersubstrattiefe erzeugt wird.