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WO2008006641A1 - Verfahren zur herstellung von mems-strukturen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von mems-strukturen Download PDF

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WO2008006641A1
WO2008006641A1 PCT/EP2007/054988 EP2007054988W WO2008006641A1 WO 2008006641 A1 WO2008006641 A1 WO 2008006641A1 EP 2007054988 W EP2007054988 W EP 2007054988W WO 2008006641 A1 WO2008006641 A1 WO 2008006641A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
sacrificial
silicon
monocrystalline
structuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2007/054988
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Scheurle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US12/308,530 priority Critical patent/US20100297781A1/en
Priority to JP2009518807A priority patent/JP2009542452A/ja
Priority to EP07729426A priority patent/EP2051929A1/de
Publication of WO2008006641A1 publication Critical patent/WO2008006641A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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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
    • B81C1/00642—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for improving the physical properties of a device
    • B81C1/00714—Treatment for improving the physical properties not provided for in groups B81C1/0065 - B81C1/00706
    • 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
    • B81C2201/0102—Surface micromachining
    • B81C2201/0105—Sacrificial layer
    • B81C2201/0109—Sacrificial layers not provided for in B81C2201/0107 - B81C2201/0108
    • 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
    • B81C2201/0174—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate for making multi-layered devices, film deposition or growing
    • B81C2201/0176—Chemical vapour Deposition
    • B81C2201/0177—Epitaxy, i.e. homo-epitaxy, hetero-epitaxy, GaAs-epitaxy

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of MEMS structures (Micro Electro Mechanical Systems) based on silicon, preferably multi-layer depositable MEMS structures.
  • MEMS structures Micro Electro Mechanical Systems
  • silicon preferably multi-layer depositable MEMS structures.
  • such structures essentially comprise a conductive functional layer containing fixed and movable regions. Movable regions are usually fixed during production by a so-called sacrificial layer, which is selectively removed at the end of the production process by methods known from micromechanical or semiconductor technology.
  • Another disadvantage of said methods is the generally quite sensitive compensation of stress gradients by the driving in of the dopants.
  • the success of this compensation depends sensitively on the avoidance of later thermal overloads of the doped layers, which is why, when a desired integration of a plurality of sensor elements into a chip is required, the sensor elements must be displaced laterally in order to thermally decouple them during manufacture. This increases the space requirements and costs of the MEMS structure and the finished component.
  • the object of the invention is to provide a method which allows the production of complex MEMS structures with high efficiency in a small space and avoids the disadvantages of the prior art.
  • the inventive method is based on the deposition of largely monocrystalline functional and sacrificial layers. Obviously, the associated omission of the grain boundaries effectively impedes the diffusion of germanium. This makes it possible to use sacrificial layers of silicon germanium without having to apply an additional barrier to germanium in order to limit its diffusion.
  • the method is used to produce MEMS structures with at least one functional layer made of silicon, which contains structures which are released by removing a sacrificial layer.
  • at least one sacrificial layer and at least one functional layer are deposited such that they grow up monocrystalline, wherein the sacrificial layer consists of a silicon-germanium mixed layer.
  • a plurality of functional layers and sacrificial layers are deposited on top of each other, wherein all functional layers and all sacrificial layers are deposited in such a way that they grow up monocrystalline, and the sacrificial layers each consist of a silicon-germanium mixed layer.
  • the multiple separation is possible because of the relatively high Growth rates claimed the heating of the entire assembly only a relatively short period in which a diffusion of germanium, which is also hampered by lack of grain boundaries, can be neglected.
  • the removal of the sacrificial material by CIF3 gas phase cats takes place.
  • process parameters are advantageously adjusted at least temporarily so that the epitaxial growth takes place at a growth rate of at least 3 ⁇ m / min.
  • the change between silicon layers and silicon-germanium mixed layers facilitates by monitoring the plasma emission and / or species detectable by mass spectroscopy the avoidance of false etching depths and thus the occurrence of faulty structuring.
  • the steps of depositing and structuring a sacrificial layer and depositing and structuring a functional layer can be repeated several times before completion with a capping layer.
  • FIG. 2 shows an SOI wafer with a structured starting layer
  • FIG. 3 shows an SOI wafer with an additional first structured sacrificial layer
  • 4 shows an SOI wafer with a first structured functional layer
  • 5 shows an SOI wafer with a second structured functional layer
  • FIG. 6 shows an SOI wafer with a closed cap layer
  • FIG. 7 shows an SOI wafer with a completely exposed functional structure
  • FIG. and FIG. 8 shows a SOI wafer with a sealed and contacted MEMS structure.
  • FIG. 1 shows an unstructured SOI wafer as starting material for the production of multi-layer depositable
  • Such a wafer consists of a thick silicon layer 1, which also serves as a mechanical carrier, on which a silicon oxide layer is deposited as the insulating layer 2.
  • a silicon oxide layer is deposited as the insulating layer 2.
  • the insulating layer 2 On the insulating layer 2 there is a monocrystalline starting layer 3 made of silicon.
  • SOI wafers it is possible to produce by individual structuring individual electrically isolated regions, which can serve as a starting layer for later epitaxial growth of other layers.
  • FIG. 2 shows an SOI wafer with a structured starting layer 3.
  • the structuring takes place by means of an etching step. Vorlie- In addition, several regions of the starting layer 3 are electrically insulated from one another, since the etched trenches 4 extend to the insulating layer 2. The individual areas of the starting layer 3 thus exposed form the bases of the later MEMS structures.
  • the silicon layer must have a certain conductance value for this purpose.
  • the conductance can be adjusted by doping the silicon.
  • the conductance of the start layer 3 is maintained by in-situ doping during the deposition of further layers. Subsequent doping and thermal overload of individual structural areas can be avoided.
  • the starting layer 3 is structured from monocrystalline silicon
  • sacrificial material is deposited in the form of monocrystalline silicon germanium.
  • the area of the silicon regions remaining after the structuring of the starting layer 3 serves for the growth of an initially closed sacrificial layer 5 as a starting layer in order to allow epitaxial growth.
  • CMP step chemical mechanical polishing
  • the polished sacrificial layer 5 is then patterned by an etching step in order to produce contact holes 6 to individual regions of the starting layer 3, which can serve as a base or conductor track.
  • the plasma emission can be monitored during this process step. Disappear emission lines, the one Indicate the presence of germanium, a structuring of the sacrificial layer 5 can be read and the etching process is stopped.
  • FIG. 4 shows an SOI wafer with a first structured functional layer 7 of monocrystalline silicon. This is first epitaxially deposited on the sacrificial layer 5 and then patterned in a trench process. Since there is no layer that causes an etch stop and too much overcutting could cause unwanted connections between conductive areas, the etch depth should always be monitored in this process step. This can be done, for example, by a mass spectrometer, to which the exhaust gases of the trencher are supplied. If germanium is detected, the etching process is stopped. As a result of this step, there is a structured functional layer 7, the regions of which partially protrude on the sacrificial layer and are partially in electrically conductive connection with regions of the starting layer 3.
  • the steps of the deposition and structuring of a sacrificial layer which can be read in FIGS. 3 and 4 and the deposition and structuring of a functional layer can be repeated several times in order to place a plurality of structures one above the other until a desired functional structure is formed.
  • acceleration sensors can be superimposed on a chip whose detection directions are offset by 90 °, which leads to two-axis acceleration sensors without enlarging the chip surface.
  • cascaded structures can be realized.
  • rotation rate sensors can be produced whose detection structures (acceleration sensors) are arranged on or under a vibrator (oscillator).
  • FIG. 5 shows an SOI wafer having a second structured functional layer 8 of monocrystalline silicon and a second sacrificial layer 9 of monocrystalline silicon. Germanium. It is important that the structuring takes place in such a way that the zones which are filled by the sacrificial material in each case form interconnected areas which can be reached through the last silicon layer.
  • FIG. 6 shows an SOI wafer with a closed cap layer 10.
  • a last sacrificial layer 11 made of monocrystalline silicon germanium, which is broken at points at which contact has to be made later.
  • the application of the last sacrificial layer 11, its structuring and the application of the cap layer 10 take place after the functional structure has been completely formed.
  • accesses 12 are structured in the cap layer 10, via which the entire sacrificial material can be leached out by C1F 3 gas phase salts in one step. This produces the mechanical functionality of the functional structures.
  • FIG. 8 shows a detail of an SOI wafer with a sealed and contacted MEMS structure. By way of example, it has four mechanically deflectable structures 15, 16, 17, 18, two of which are arranged one above the other.
  • the accesses required in the cap layer 10 for dissolving out the sacrificial material were hermetically sealed in the present case by plasma-assisted nonconformal deposition of an oxide 19 at low temperature, for example based on silane or TEOS.
  • the plasma-assisted oxide deposition can be ensured by appropriate adjustment of the plasma parameters in coordination with the geometric boundary conditions of the access in the cap layer 10 that no too deep penetration of the plasma takes place in the structural cavities of the arrangement.
  • the processing of bond pads 20 onto structures 13, which serve to make contact is preferably carried out with the aid of sputtering technology.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

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

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON MEMS-STRUKTUREN
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 leitfahige Funktionsschicht, die feststehende und bewegliche Bereiche enthalt. Bewegliche Bereiche werden wahrend der Herstellung üblicherweise durch eine soge- nannte 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 nachtraglich Einstellung verschiedener Schichtparameter der Funktionsschicht, insbesondere der Leitfähigkeit, durch Eintreiben eines drei- oder funfwertigen Dotierstoffes ein. Aus der polykristallinen Struktur folgt außerdem die Notwendigkeit, durch zusatzliche Temperschritte herstellungsbedingte Stressgradienten in den beweglichen Bereichen der Funktionsschicht zu kompensieren, um Deformationen dieser beweglichen Bereiche ohne das Auftreten bestimmungsgemaßer Belastun- gen zu vermeiden. Das Verfahren erlaubt nur relativ niedrige Atzraten und Unteratzweiten. Es ist weiterhin bekannt, die Opferschicht aus Siliziumoxid durch eine Opferschicht aus Silizium-Germanium zu ersetzen. Diese lasst sich beispielsweise durch C1F3-Gasphasenatzen selektiv entfernen. Die erreichbaren Atzraten und Unteratzwei- ten sind gegenüber dem Verfahren mit Opferschichten aus Siliziumoxid deutlich großer. Problematisch ist jedoch das Diffusionsverhalten von Germanium, welches in Prozessschritten mit langer anhaltenden thermischen Belastungen, beispielsweise wahrend des Eintreibens erforderlicher Dotierstoffe, dazu fuhrt, dass Germanium aus der Opferschicht in die Funktionsschicht diffundiert. Durch daraus folgende Schichtverschmelzungen können sich ursprunglich ausgebildete Strukturen verandern und in ihrer Funktionsfahigkeit 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 zusatzlichen Verfahrensschritt, der strukturabhangig, insbesondere wenn Kontaktlocher zu „vergra- benen 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 hangt empfindlich von der Vermeidung spaterer thermischer Überlastungen der dotierten Schichten ab, weshalb bei einer gewünschten Integration mehrerer Sensorelemente in ei- nen Chip die Sensorelemente lateral versetzt werden müssen, um sie wahrend der Herstellung thermisch zu entkoppeln. Dadurch erhohen 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 Merkma- len 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 zu- sätzliche 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 freige- stellt 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. Vorteilhafter- weise erfolgt das Entfernen des Opfermaterials durch CIF3- Gasphasenatzen . Somit lassen sich die Vorteile großer Unteratzweiten und hoher Atzgeschwindigkeiten nutzen, ohne den zusatzlichen Aufwand für das Aufbringen einer zusatzlichen 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 Atztiefen und damit das Auftreten von Fehlstrukturierungen .
Zur Erzielung der vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgema- ßen Verfahrens sollten mindestens folgende Schritte umfasst sein:
- Bereitstellung eines SOI-Wafers (Silicon on 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 ein- kristallinem 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 zu- letzt abgeschiedene Opferschicht,
- Entfernen des Opfermaterials,
- Verschließen der Offnungen in der Kappenschicht.
Je nach Bedarf und Komplexität der angestrebten Funktions- struktur 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 Atzen eine Oxidflache freigelegt, die so groß ist, dass sie wahrend der folgenden Epitaxieprozesse nicht zuwachst, können dort Marken platziert werden, die wahrend der gesamten Herstellung der MEMS-Struktur zuganglich 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 Ausfuhrungsbeispiel wird das erfindungsgemaße Ver- fahren naher erläutert. Die zugehörigen schematischen Darstellungen zeigen auszugsweise:
Fig. 1 einen unstrukturierten SOI-Wafer;
Fig. 2 einen SOI-Wafer mit strukturierter Startschicht; Fig. 3 einen SOI-Wafer mit einer zusatzlichen ersten strukturierten Opferschicht;
Fig. 4 einen SOI-Wafer mit einer ersten strukturierten Funktionsschicht; Fig. 5 einen SOI-Wafer mit einer zweiten strukturierten Funk- tionsschicht ;
Fig. 6 einen SOI-Wafer mit einer geschlossenen Kappenschicht; Fig. 7 einen SOI-Wafer mit vollständig freigelegter Funktionsstruktur; und Fig. 8 einen SOI-Wafer mit versiegelter und kontaktierter MEMS-Struktur.
Ausfuhrungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt einen unstrukturierten SOI-Wafer als Ausgangs- material für die Herstellung von mehrlagig abscheidbaren
MEMS-Strukturen . Ein derartiger Wafer besteht aus einer dicken Siliziumschicht 1, die gleichzeitig als mechanischer Trager dient, auf der als Isolationsschicht 2 eine Siliziumoxidschicht abgeschieden ist. Auf der Isolationsschicht 2 be- findet 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 spateres epitaktisches Aufwachsen weiterer Schichten dienen können.
Fig. 2 zeigt einen SOI-Wafer mit strukturierter Startschicht 3. Die Strukturierung erfolgt durch einen Atzschritt. Vorlie- gend sind mehrere Bereiche der Startschicht 3 elektrisch voneinander isoliert, da die geatzten Graben 4 bis zur Isolationsschicht 2 reichen. Die einzelnen auf diese Weise freigelegten Bereiche der Startschicht 3 bilden die Sockel der spa- teren 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 Schicht- stress und Leitwertschwankungen innerhalb der Strukturen zu vermeiden, wird der Leitwert der Startschicht 3 durch eine In-Situ-Dotierung wahrend der Abscheidung weiterer Schichten beibehalten. Eine nachtragliche Dotierung und thermische U- berlastung 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 Flache 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 spater auszubildender Hohlräume in der fertigen Funktionsstruktur entscheidend ist, erfolgt beispielsweise durch einen CMP-Schritt (chemischmechanisches Polieren) , als dessen Ergebnis eine polierte O- berflache zur Verfugung steht, die wiederum als Startstruktur für weiteres epitaktisches Wachstum dienen kann. In Figur 3 ist außerdem sichtbar, dass die Atzgraben 4 aus der vorangegangenen Strukturierung mit dem Opfermaterial gefüllt werden. Die polierte Opferschicht 5 wird anschließend durch einen Atzschritt strukturiert, um Kontaktlocher 6 zu einzelnen Bereichen der Startschicht 3, die als Sockel oder Leiterbahn dienen können, herzustellen. Um ein zu tiefes Atzen zu vermeiden, kann wahrend dieses Prozessschrittes die Plasmaemission überwacht werden. Verschwinden Emissionslinien, die eine Präsenz von Germanium indizieren, ist eine Durchstrukturie- rung der Opferschicht 5 ablesbar und der Atzvorgang wird abgebrochen .
Figur 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 Atzstopp verursacht und ein zu weites Uberatzen unter Umstanden ungewollte Verbindungen zwischen leitfahigen Bereichen herstellen konnte, sollte in diesem Prozessschritt in jedem Fall die Atztiefe überwacht werden. Das kann beispielsweise durch ein Massenspektrometer erfolgen, dem die Abgase des Trenchers zugeleitet werden. Wird Germanium detektiert, erfolgt ein Abbruch des Atzvorganges. Im Ergebnis dieses Schrittes besteht eine strukturierte Funktionsschicht 7, deren Bereiche sich teilweise auf der Opferschicht abstutzen und teilweise mit Bereichen der Startschicht 3 in elektrisch leitender Verbindung stehen.
Die in den Figuren 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 Detektions- richtungen um 90° versetzt liegen, was ohne Vergrößerung der Chipflache zu zweiachsigen Beschleunigungssensoren fuhrt. Des Weiteren sind kaskadierte Strukturen realisierbar. So können Drehratensensoren hergestellt werden, deren Detektionsstruk- turen (Beschleunigungssensoren) auf oder unter einem Schwinger (Oszillator) angeordnet werden.
Figur 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 zusammenhangende und durch die letzte Siliziumschicht hindurch erreichbare Bereiche bilden.
Figur 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 spater 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 Figur 7 Zugange 12 in der Kappenschicht 10 strukturiert, über die das gesamte Opfermaterial in einem Schritt durch C1F3-Gasphasenatzen herausgelost werden kann. Dadurch wird die mechanische Funktionsfahigkeit der Funktionsstrukturen hergestellt.
Zu beachten ist dabei, dass auch Strukturen 13, die einer spateren Kontaktierung der MEMS-Strukturen dienen sollen, vom Rest der Kappenschicht 10 getrennt werden müssen, was durch Atzen eines ringförmigen Zugangs 14 erfolgen kann. Wenn sich in diesem Fall Instabilitäten einzelner Strukturen ergeben wurden, konnte die Öffnung der ringförmigen Zugange 14 auch vor der Öffnung der restlichen Zugange 12 in der Kappenschicht vorgenommen werden. In diesem Fall musste ein Verschließen der ringförmigen Zugange 14 mit einem isolierenden Material, das gleichzeitig der Abstutzung der zu stabilisierenden Struktur dienen wurde, erfolgen, bevor das Herauslosen des Opfermaterials durch C1F3-Gasphasenatzen veranlasst wird. Bei ausreichend stabilen Strukturen kann auf diese Form der mehrfachen Strukturierung der Kappenschicht 10 verzichtet werden, wodurch alle erforderlichen Zugange 12, 14 in einem Prozessschritt durch Atzen geöffnet werden können. Nach der Entfernung des Opfermaterials wird die Kappenschicht 10 wieder hermetisch verschlossen. Figur 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem SOI-Wafer mit versiegelter und kontaktier- ter MEMS-Struktur . Er weist beispielhaft vier mechanisch aus- lenkbare 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 Tempera- tur, 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

Ansprüche
1. 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.
2. 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 einkri- stallin aufwachsen, und die Opferschichten jeweils aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens folgende Schritte:
- Bereitstellung eines SOI-Wafers mit einer einkristalli- nen 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 Offnungen in der Kappenschicht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wahrend des Abscheidens der Funktionsschichten eine In-Situ-Dotierung vorgenommen wird.
5. 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 .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter so eingestellt werden, dass auf Siliziumoxid keine Abscheidung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Opfermaterials durch C1F3-Gasphasenatzen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem vollständigen Entfernen des Opfermaterials elektrische Durchfuhrungen durch die Kappenschicht freigestellt und mit einem isolierenden Material umgeben werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen von Offnungen in der Kappenschicht durch eine nicht konforme Abscheidung eines Oxids erfolgt.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wahrend der Strukturierung eine Überwachung der Plasmaemission und/oder massenspektroskopisch nach- weisbarer Species erfolgt, um eine falsche Atztiefe zu vermeiden .
PCT/EP2007/054988 2006-07-12 2007-05-23 Verfahren zur herstellung von mems-strukturen Ceased WO2008006641A1 (de)

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