Vorrichtung mit Funktionselement

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Funktionselement und einem Siliziumsubstrat mit Membran, auf der das Funktionselement angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.

Der zunehmende Bedarf an integrierten Chiplosungen im Bereich Sensorik und Aktorik hat in den letzten Jahren zu verstärkten Bestrebungen gefuhrt, die entsprechenden Funktionselemente zur thermischen bzw. akustischen Entkopplung von dem Siliziumsubstrat auf dünnen, stresskompensierten Membranen aufzubringen .

Bei den bestehenden Losungen wird dabei in der Regel auf Schichtpakete zurückgegriffen, bei denen sich die Spannungsanteile (Druck- bzw. Zugspannungen) der Einzelschichten gegenseitig kompensieren. Typische für derartige dielektrische Membranen sind beispielsweise Aufbauten aus Siü2 als Druckkomponente und Si3N ₄ als Zugkomponente, die mittels CVD- Verfahren abgeschieden werden. Die Siθ ₂ -Schicht hat dabei als unterste Schicht auch die Funktion eines geeigneten Atzstopps beim rückseitigen Freilegen der Membran, durch Abtrag des Si- Substrats durch einen Atzprozess.

Ein üblicher Prozessablauf, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird in Fig. 1 (a) - (e) gezeigt. Zunächst erfolgt die Abscheidung der Membran, die aus Einzellagen aus Siü2 10 und SiaN ₄ 11 auf einem Siliziumwafer 12. Anschließend wird auf der Si3N ₄ -Schicht 11 eine Schichtfolge abgeschieden, die die Basis für das entsprechende Bauelement (Funktionselement) liefert. Beispielsweise kann diese Schichtfolge aus einer Grundelektrode 13, einer Funktionsschicht 14 und einer Topelektrode 15 bestehen, vgl. Fig. 1 (b) .

Wie in Fiσ. 1 (c) σezeiσt. werden im nachfolσenden Schritt

diese Schichten 13, 14, 15 zum Aufbau des entsprechenden Funktionselements mittels fotolithografischer Verfahren strukturiert. Anschließend erfolgt die Deposition und Strukturierung der Hardmask auf der Ruckseite des Si-Wafers, vgl. Fig. 1 (d) .

Abschließend werden Bereiche der Membran unter dem jeweiligen Funktionselement von der Ruckseite des Siliziumwafers 12 freigelegt, wodurch die gewünschte Kopplung des Funktionsele- ments vom Tragermaterial erreicht wird, vlg. Fig. 1 (e) . Beispielsweise kann hier ein reaktiver Trockenatzprozess verwendet werden. Ein entscheidender Vorteil gegenüber nasschemischen Verfahren ist hier die Realisierung senkrechter Atzflanken, was eine effiziente Materialausnutzung sicherstellt.

Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren treten jedoch mehrere Probleme auf, die eine reproduzierbare Herstellung von Funktionselementen auf einer stressfreien Membran wesentlich erschweren.

Aufgrund der geringen Selektivität der angewendeten Atzverfahren bei der vorderseitigen Strukturierung der Funktionselemente kommt es zu einem partiellen und möglicherweise inhomogenem Abtrag der oberen Schicht der Membran. Dabei wird das Kompensationsgleichgewicht, das aus den verschiedenen

Einzelschichten gebildet wird, empfindlich gestört, was sich insbesondere bei dünnen Membranen negativ bemerkbar macht. Die Folge sind Aufwölbungen der freigelegten Membran, wenn diese unter Druckstress gelangt. Insbesondere Anwendungen im Bereich der Aktorik, wie zum Beispiel Piezomikrofone, erfordern jedoch eine reproduzierbare Realisierung möglichst stressfreier Membranen.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei der Freilegung der Membran von der Ruckseite des Siliziumwafers eine Beeinträchtigung des Aufbaus durch so genanntes "Notehing" auftritt. Hierbei handelt es sich um einen Effekt, der bei Trockenatzverfahren auftritt, wenn bis zur oxidischen Atzstopp-

Schicht abgetragen wird. Aufgrund der isolierenden Eigenschaften dieser Schicht wird die Ladungsableitung behindert, was zu partiellen Aufladungen (Raumladungswolken) fuhren kann. Die Folge ist ein stärkerer horizontaler Abtrag, wo- durch die ursprungliche Struktur deutlich verbreitert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit einem Funktionselement, das auf einer Membran angeordnet ist, deren Gesamtstress sich auch bei einseitigem Abdunnen des Substrats nicht verändert, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung ei- ner solchen Vorrichtung nach Anspruch 8 gelost.

Bevorzugte Ausfuhrungsformen und weiterfuhrende, besondere Merkmale der Erfindung werden in den Unteranspruchen angegeben .

Eine erfindungsgemaße Vorrichtung umfasst ein Funktionselement, das auf einer Membran eines Siliziumsubstrats angeordnet ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Funktionselement um ein Dunnschicht-Bauelement, z.B. um ein Sensor- oder Aktorelement, wie z. B. Pyrosensor oder Piezomikrofon .

Erfindungsgemaß weist die Membran eine nitridische und eine metallische Schicht auf, wobei die metallische Schicht auf dem Siliziumsubstrat und die nitridische Schicht auf der metallischen Schicht angeordnet ist. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die metallische Schicht aus Aluminium.

Durch den metallischen Atzstopp wird der unerwünschte Not- ching-Effekt unterdruckt, da eine Ableitung von Ladungsträgern ermöglicht wird. Als besonders vorteilhaft hat sich in der Praxis eine Schichtdicke der metallischen Schicht im Be-

reich von 10 bis 100 nm erwiesen, die die erfindungsgemaße Wirkung sicherstellt ohne die Gesamtdicke der Membran wesentlich zu beeinflussen und gleichzeitig den Notching-Effekt besonders wirksam verhindert.

Auf der metallischen Schicht ist erfindungsgemaß eine nitridische Schicht vorgesehen, deren allgemeine Struktur mit Si _x N _y Oz mit x, y > 0 und z ≥ 0 angegeben werden kann, die jedoch vorzugsweise aus SiaN ₄ besteht.

Die Schichtdicke der nitridischen Schicht liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 5μm, die die erfindungsgemaßen Wirkungen und gleichzeitig die gewünschten Eigenschaften der Membran, wie thermische und/oder akustische Isolation, beson- ders zuverlässig sicherstellt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform dieser nitridischen Schicht handelt es sich um eine in sich stresskompensierte PE-CVD-Nitridschicht, bestehend aus einer Mehrzahl nur einiger Nanometer dicker und sich gegenseitig stresskompensierender Einzellagen. Aufgrund des gezielten Aufbaus der Si ₃ N ₄ -Schicht in sehr dünnen stresskompensierenden Lagen wird durch einen teilweisen Abtrag der Membran der Strukturie- rungsverfahren der Funktionselemente das Stressverhalten der Membran nicht wesentlich beeinflusst. Auf diese Weise lasst sich der Membranstress technologisch besser kontrollieren, und unerwünschte Aufwölbungen der freigelegten Membran werden zuverlässig verhindert.

Der erfindungsgemaße Aufbau mit einem vorzugsweise als Funktionselement ausgestalteten Funktionselement auf einer freitragenden Membran eines Siliziumsubstrats unter Verwendung der Schichtfolge aus metallischen Atzstopp und nitridischer Deckschicht ist insbesondere im Bereich der Aktorik vorteil- haft. Beispielsweise kann das Dunnschicht-Funktionselement eine piezoelektrische Membran für Applikationen z.B. als Mikrofon umfassen. Ein weiterer Anwendungsbereich liegt im Bereich der Erstellung so genannter BAW (BuIk Acoustic Wave) -

Resonatoren auf der Basis piezoakustischer Volumenresonatoren .

Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, umfassende die Schritte: Abscheiden einer metallischen Schicht auf einem Siliziumsubstrat, Abscheiden einer nitridischen Schicht auf der metallischen Schicht, Aufbau eines Funktionselements auf der metallischen Schicht und Freilegen einer Membran durch Materialabtrag von der Unter- seite des Siliziumsubstrats.

Erfindungsgemaß kommt dabei bevorzugt ein PE-CVD (Plasma En- hanced Chemical Wafer Deposition) -Verfahren zum Einsatz. Bei diesem aus dem Stand der Technik grundsatzlich bekannten plasma-unterstutzten CVD-Verfahren wird in kapazitiver (Parallelplatten-Reaktor) oder induktiver Anordnung ein Niederdruckplasma erzeugt, welches das Arbeitsgas in niederschlagende Schichtkomponenten und fluchtige Komponenten zerlegt.

Durch gezielte Steuerung der Anregungsfrequenz kann dabei eine Schichtfolge bestehend aus Einzelschichten hergestellt werden, die in sich spannungskompensiert ist.

Der Materialabtrag zur Freilegung der Membran von der Unter- seite des Siliziumsubstrats kann durch einen Trockenatzpro- zess erfolgen, wobei die metallische Schicht als Atzstopp fungiert .

Ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemaßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemaßen Vorrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben .

Fig. 1 (a) bis (e) zeigt die Verfahrensschritte eines Ablaufs zur Herstellung eines Funktionselements, das auf einer Membran eines Siliziumsubstrats angeordnet ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt.

Fig. 2 (a) bis (e) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Bezugnehmend auf Fig. 2 wird im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung eines piezoakustischen Resonatorelements beschrieben. Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnen entsprechende Teile.

Zunächst wird in Schritt 20 eine Aluminiumschicht 21 mit einer Schichtdicke von 100 nm auf einem Siliziumsubstrat 22 abgeschieden. In Schritt 21 wird auf der Al- Schicht 21 mittel PE-CVD-Verfahren eine Si3N ₄ -Schicht 23 bestehend aus mehreren in sich stresskompensierter Einzellagen abgeschieden, Fig. 2a. In Schritt 22 werden, wie in Fig. 2b gezeigt, eine Pt-Grundelektrode 13, eine AlN-Funktionsschicht 14 und eine Pt-Topelektrode 15 auf der Si3N ₄ -Schicht 23 abgeschieden.

Mittels fotolithografischer Verfahren wird in Schritt 23 aus den Schichten 13, 14, 15 durch Mikrostrukturierung ein Dünnschicht Funktionselement 18 erstellt, Fig. 2c. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein piezo- akustisches Resonatorelement (FBAR, Film BuIk Acoustic Wave- Resonator) 18. Nachfolgend wird in Schritt 24 auf der Rück- seite des Siliziumsubstrats 12 eine Hardmask 16 aufgebracht und strukturiert, vergleiche Fig. 2d.

Im Schritt 25 wird, wie in Fig. 2e gezeigt, durch Trockenätzung des Si-Wafers 12 von der Rückseite her die Membran 29, bestehend aus der Aluminiumschicht 21 und der SiaN ₄ -

Deckschicht 23 mit dem Si-Wafer 22 als Träger im Randzonenbereich, auf dem die freitragende Membran 29 getragen wird. Im Ergebnis resultiert ein FBAR-Resonator in Dünnschichtbauweise, der auf einer stressfreien Membran 29 eines Substrats 22 angeordnet ist.