Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement und entsprechendes mikromechanisches Bauelement

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement und ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement.

Stand der Technik

Oberflächen-mikromechanisch hergestellte MEMS-Strukturen mit hohen

Aspektverhältnissen werden in der Regel durch Strukturieren von dicken Schichten, beispielsweise Polysiliziumschichten, mittels eines DRI E-Ätzprozesses (trockenes reaktives lonenätzen) hergestellt. Dieses Vorgehen hat jedoch Besonderheiten für MEMS- Bauelemente mit Strukturelementen, die in der Ebene angetrieben werden und über Federelemente aufgehängt sind. Bedingt durch den Aufbau der DRI E-Ätzanlagen weisen die Strukturen zum Waferrand hin keine symmetrischen Querschnitte mehr auf, sondern sind parallelogrammartig verzerrt. Dies hat zur Folge, dass ein unerwünschtes

Bewegungsmoment aus der Ebene heraus entstehen kann, was sich möglicherweise auf die Funktionstüchtigkeit auswirkt. Beispielsweise verlangt die durch die parallelogrammartige Verzerrung notwendige Korrektur bei Drehratensensoren im MEMS- und ASIC-Design einen hohen Grad an Komplexität und Chipfläche. Dies drückt sich hauptsächlich in der sogenannten

Quadraturkompensation aus. Die Quadratur ist ein durch den Antrieb des

Drehratensensors in die Detektion eingekoppeltes Fehlersignal. Diese Kompensation erfordert die Bereitstellung von Spannungen größer als 10 V, welche nur mit hohen Kosten verbunden vom ASIC bereitgestellt werden können.

Darüber hinaus bestehen die Funktionsschichten heutzutage in vielen Fällen aus polykristallinen Siliziumschichten. Die Korngrößen sind dabei in der Größenordnung der lateralen Federbreiten, was dazu führt, dass einzelne Körner und deren Kristallorientierung in Bereichen von Stressmaxima das mechanische Verhalten einzelner Federaufhängungen stark beeinflussen können.

Vapor-Liquid-Solid- bzw. Vapor-Solid-Solid-Verfahren zum selektiven Wachstum von einkristallinen Schichten sind beispielsweise bekannt aus„Growth, Thermodynamics, and Electrical Properties of Silicon Nanowires", V. Schmidt, J.V. Wittemann und U. Gösele in Chem. Ref. 2010, 1 10, Seiten 361 bis 388 sowie aus„Catalytic Growth of Nanowires: Vapor-Liquid-Solid, Vapor-Solid-Solid, Solution-Liquid-Solid and Solid-Liquid-Solid Growth", K.W. Kolasinski, Current Opinion in Solid State and Materials Science 10 (2006), Seiten 182 bis 191 .

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 und ein entsprechendes mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 14.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, anstatt subtraktiv Material einer zuvor ganzflächig abgeschiedenen mikromechanischen Funktionsschicht in einem DRIE-Schritt zu entfernen, das Material in einer Vorstufe als Startschicht zu strukturieren und anschließend additiv kristallin und selektiv durch eine Katalysatorschicht gesteuert aufzuwachsen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, selektiv einkristalline MEMS-Strukturen mit symmetrischen Querschnitten über einen gesamten Wafer herzustellen. Insbesondere sind durch das erfindungsgemäße Verfahren symmetrische

Profilquerschnitte für mikromechanische Federn in Inertialsensoren herstellbar.

Für Drehratensensoren führt bereits eine Asymmetrie von 0,5° in den Flankenwinkeln der Aufhängefedern zu einer unerwünschten Modenanregung. Durch die Sicherstellung einer auf weniger als beispielsweise 0,5° - idealerweise auf weniger von 0,1 ° - von der niedrigindizierten Kristallebene fehlorientierten Startschicht kann die störende

Modenanregung für bestimmte Sensoren signifikant verbessert werden. Dies hat eine Reduktion der Quadratur zur Folge, wodurch ein kleinerer und damit kostengünstigerer ASIC aufgrund des Entfalls der Hochvoltoption in der Schaltung einsetzbar ist. Höhere Aspektverhältnisse sowohl in den Strukturen als auch in den Abständen sind durch das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu bekannten subtraktiven DRIE-Verfahren erreichbar. Auch sind geringere Spaltabstände für mikromechanische Detektionselektroden realisierbar. Aufgrund der Abscheidung von einkristallinen Strukturen bilden sich keine Korngrenzen aus, was eine stark

eingeschränkte E-Modul-Streuung der betreffenden mikromechanischen Strukturen zur Folge hat. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zudem eine Abscheidung in einem Batch-Prozess im Gegensatz zur bekannten Einzelwafer-DRIE-Strukturierung.

Auch ergibt sich ein potenzieller Kostenvorteil durch die Strukturierung einer dünnen einkristallinen Startschicht und anschließendes selektives Aufwachsen gegenüber den bekannten Verfahren, welche auf einem Abscheiden einer dicken Funktionsschicht und einem anschließenden Strukturieren derselben mit DRIE beruhen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Startschicht aus einkristallinem Material, insbesondere Silizium. Dies hat den Vorteil, dass die Siliziumtechnologie gut beherrscht und ausgereift ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Oberseite eine

Verkippung von weniger als 0,5° gegenüber einer niedrig indizierten Kristallebene, insbesondere der (1 1 1 )-Ebene auf. Dies hat sich für bestimmte Sensoranwendungen als besonders günstig herausgestellt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein SOI-Substrat mit einer ersten Siliziumschicht, einer Oxidschicht und der Startschicht. Dies ist ein besonders günstiger Ausgangspunkt, da derartige SOI-Wafer in sehr guter Qualität auf dem Markt erhältlich sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Oberseiten im Wesentlichen eben und die Flanken im Wesentlichen vertikal zur Oberseite. Dies ist eine für viele Anwendungen vorteilhafte Geometrie. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Startschicht und die Katalysatorschicht zunächst unstrukturiert aufeinander vorgesehen und anschließend durch einen Ätzprozess gemeinsam strukturiert. Dadurch lässt sich eine geringe Anzahl von Prozessschritten erreichen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Startschicht zunächst ohne die Katalysatorschicht strukturiert und anschließend die Katalysatorschicht auf der Oberseite gebildet und strukturiert. Auch diese Alternative ist sehr kostengünstig darstellbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden an den Flanken Spacer vor dem Durchführen des selektiven Aufwachsprozesses gebildet. Die Spacer sorgen für eine strukturtreue Abbildung beim späteren Aufwachsprozess, denn sie verhindern beispielsweise ein Zusammenziehen einer Flüssigphase durch Kapillareffekte in konvexen Ecken.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Katalysatorschicht aus einem der Elemente 4. bis 15. Hauptgruppe des Periodensystems gebildet. Diese Elemente eignen sich sehr gut für das VLS- bzw. VSS-Wachstum.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden an den Flanken Spacer vor dem Bilden der Katalysatorschicht gebildet, daran anschließend die Katalysatorschicht abgeschieden, wobei die Katalysatorschicht mit der Oberseite reagiert und nicht mit den Spacern reagiert, und der nicht reagierte Teil der Katalysatorschicht schließlich selektiv von den Spacern entfernt wird. Dadurch können die Spacer eine Doppelfunktion erfüllen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird beim Durchführen des selektiven Aufwachsprozesses eine silanhaltige Gasatmosphäre, insbesondere bei einer Temperatur von mehr als 600 °C, verwendet. Hierdurch lässt sich ein besonderes effektives Wachstum erzielen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die mikromechanische Funktionsschicht durch einen Opferätzschritt unterätzt. So lassen sich beispielsweise Inertialsensoren bilden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Katalysatorschicht nach dem Durchführen des selektiven Aufwachsprozesses entfernt wird. Dies kann zweckmäßig sein, wenn weitere Funktionselemente in darüberliegenden Ebenen zu bilden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 a) - f) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines

mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden

Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2a)-f) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines

mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden

Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1 a)-f) zeigen schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 a) bis e) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein SOI-Substrat mit einer ersten

Siliziumschicht 1 a, einer auf der ersten Siliziumschicht 1 a befindlichen Oxidschicht 1 b, und einer auf der Oxidschicht 1 b befindlichen zweiten einkristallinen Siliziumschicht 1 c.

Die einkristalline Siliziumschicht 1 c ist beim vorliegenden Beispiel als eine (1 1 1 )- Kristallebene ausgebildet. Gemäß Fig. 1 a) wird auf der einkristallinen Siliziumschicht 1 c eine Katalysatorschicht 2 ausgebildet, welche beispielsweise Zn, Ag, AI, Cu, Au, Ni oder Pt aufweist.

Für das VLS (Vapor-Liquid-Solid)- bzw. VSS (Vapor-Solid-Solid)-Wachstum von Silizium kommen bekannterweise prinzipiell zahlreiche metallische Elemente des

Periodensystems als Katalysatoren in Frage.

Einige dieser Katalysatoren bilden dabei ein festes oder flüssiges Silizid, andere ein Silizium-Eutektikum aus. Die Katalysatoren besitzen idealerweise folgende Eigenschaften. Erstens fördern sie eine hohe Wachstumsrate durch ihre hohe Löslichkeit für Silizium bzw. durch ihre niedrige Aktivierungsenergie für das Wachstum. Zweitens sind sie idealerweise kompatibel mit CMOS-Prozessen, sodass die Prozessierung in bekannter Halbleitertechnologie erfolgen kann. Drittens besitzen sie einen niedrigen Dampfdruck, sodass der Katalysator nicht während des Wachstums verdampft. Gerade die

Verwendung von festen Siliziden verspricht eine hohe Strukturtreue, da damit Strukturen unabhängig von Oberflächenspannungen der flüssigen Silizide entworfen und hergestellt werden können.

Aufgrund dieser angegebenen Anforderungen sind insbesondere, aber nicht

ausschließlich, die oben angegebenen Metalle Zn, Ag, AI, Cu, Au, Ni und Pt zur Bildung der Katalysatorschicht 2 interessant, allerdings ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, sondern es können prinzipiell alle Elemente der 4. bis 15. Hauptgruppe des

Periodensystems dafür verwendet werden. Beim Abscheiden der Katalysatorschicht 2 auf der einkristallinen Siliziumschicht 1 c reagiert das Katalysatormetall mit dem darunter befindlichen Silizium, also beispielsweise zur Bildung eines entsprechenden Silizids.

In einem darauffolgenden Prozessschritt, welcher in Fig. 1 b) illustriert ist, erfolgt ein Schritt des gemeinsamen Strukturierens der Katalysatorschicht 2 und der darunter befindlichen einkristallinen Siliziumschicht in Strukturbereiche 3a bis 3e, wobei letztere somit eine Startschicht mit einer Vorläuferstruktur 3 einer später daraus durch selektives additives Wachstum zu bildenden mikromechanischen Funktionsschicht 3' (vgl. Fig. 1 e)) bildet. Das Strukturieren erfolgt vorzugsweise mittels eines Ätzprozesses, welcher auf der Oxidschicht 1 b stoppt. Wie aus Fig. 1 b) ersichtlich, ist nach dem Ätzschritt eine Oberseite O der strukturierten einkristallinen Siliziumschicht 1 c mit der Katalysatorschicht 2 bedeckt, wohingegen die Flanken F der Strukturbereiche 3a bis 3e der strukturierten einkristallinen

Polysiliziumschicht 1 c davon unbedeckt sind.

Weiter mit Bezug auf Fig. 1 c) wird über der strukturierten einkristallinen

Polysiliziumschicht 1 c mit der an der Oberseite O befindlichen Katalysatorschicht 2 eine weitere Oxidschicht 5 abgeschieden. In einem anschließenden Prozessschritt, welcher in Fig. 1 d) illustriert ist, erfolgt ein trockenes Rückätzen der Oxidschicht 5 durch einen Trockenätzprozess, wodurch Spacer 5' aus Oxid an den Flanken der Strukturbereiche 3a bis 3e entstehen.

Die Oxidspacer 5' sorgen für eine strukturtreue Abbildung beim späteren

Aufwachsprozess, denn sie verhindern beispielsweise ein Zusammenziehen einer Flüssigphase durch Kapillareffekte in konvexen Ecken. Allerdings können sie unter Umständen in Abhängigkeit vom verwendeten Abscheidungsprozess und Material auch weggelassen werden. Danach mit Bezug auf Fig. 1 e) erfolgt ein selektiver Aufwachsprozess an der Oberseite O der Strukturbereiche 3a bis 3e der strukturierten einkristallinen Siliziumschicht 1 c mittels der Katalysatorschicht 2 in einer Reaktivgasatmosphäre, wodurch ein Höhenwachstum und im Wesentlichen kein Breitenwachstum der Strukturbereiche 3a bis 3e erfolgt.

Dadurch wird eine mikromechanische Funktionsschicht 3' mit Strukturbereichen 3a' bis 3e' aus einkristallinem Silizium auf der Oxidschicht 1 b und unter der Katalysatorschicht 2 ausgebildet.

Beim Durchführen des selektiven Aufwachsprozesses wird vorzugsweise eine silanhaltige Gasatmosphäre (z. B. mit Dichlorsilan) bei einer Temperatur von mehr als 600 °C verwendet. Die Tatsache, dass sich an den Flanken F kein Siliziumwachstum einstellt, liegt daran, dass sich an den Flanken F ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen einem Abscheidungsprozess und einem Ätzprozess ausbildet.

Das VLS- bzw. VSS-Wachstum von Strukturflanken erfolgt völlig symmetrisch zu den Kristallebenen. Die Oberfläche und damit die Flanken der mit den VLS- bzw. VSS- Verfahren aufgewachsenen Strukturen orientieren sich nämlich an thermodynamisch günstigen Kristalloberflächen. Die Fehlorientierung zwischen den beiden Flankenwinkeln von mit dem VLS- bzw. VSS-Verfahren gewachsenen Strukturen ist deswegen in guter Näherung direkt durch die Fehlorientierung der Startschicht in Form der einkristallinen Siliziumschicht 1 c gegeben.

Schließlich mit Bezug auf Fig. 1f) erfolgt ein Opferschichtätzen, beispielsweise mittels HF- Gasphasenätzen, um die Oxidschicht 1 b, welche als Opferschicht dient, bereichsweise zu entfernen, so dass die Strukturbereiche 3a', 3b', 3c' und 3d' über der ersten

Siliziumschicht 1 a beweglich gemacht werden, wohingegen der Strukturbereich 3e' über einem verbleibenden Teil der Oxidschicht 1 b mit der ersten Siliziumschicht 1 a als

Verankerung verbunden bleibt. Eine derart ausgebildete mikromechanische

Funktionsschicht 3' ist beispielsweise eine verankerte Federstruktur als Bestandteil eines Inertialsensors, insbesondere eines Drehratensensors. Hinsichtlich der Katalysatorschicht 2 sei erwähnt, dass diese, wie im vorliegenden

Ausführungsbeispiel gezeigt, optional mittels lonenstrahlätzen oder Plasmaätzen entfernt werden kann. Allerdings kann es auch Anwendungen geben, bei denen die

Katalysatorschicht 2 auf der mikromechanischen Funktionsschicht 3' belassen werden kann.

Fig. 2a)-f) zeigen schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der zweiten Ausführungsform wird im Unterschied zur ersten Ausführungsform zunächst die einkristalline Siliziumschicht 1 c in einem Ätzprozess in die Strukturbereiche 3a bis 3e der Vorläuferstruktur 3 ohne darauf befindliche Katalysatorschicht 2 strukturiert, wie in Fig. 2a) gezeigt. Anschließend wird mit Bezug auf Fig. 2b) eine weitere Oxidschicht 5 über der in die

Strukturbereiche 3a bis 3e strukturierten einkristallinen Siliziumschicht 1 c abgeschieden.

Durch ein gerichtetes Rückätzen der Oxidschicht 5 lassen sich Spacer 5' aus Oxid an den Flanken F der Strukturbereiche 3a bis 3e erzeugen, wohingegen die Oberseite O davon unbedeckt bleibt, wie in Fig. 2c) gezeigt. Wie weiter mit Bezug auf Fig. 2d) wird anschließend die Katalysatorschicht 2 über der strukturierten einkristallinen Siliziumschicht 1 c mit den Spacern 5' durch Abscheidung des Katalysatormetalls bei einer entsprechenden Temperatur gebildet, wobei die

Katalysatorschicht 2 mit der freiliegenden Oberseite O reagiert, aber nicht mit den Spacern 5' aus Oxid bzw. der Oxidschicht 1 b. So lässt sich in einem nicht dargestellten weiteren Prozessschritt der nicht reagierte Teil der Katalysatorschicht selektiv von den Spacern 5' und der Oxidschicht 1 b entfernen, was zu einem Prozesszustand analog Fig. 1 b) führt. Wie in Fig. 2e) dargestellt, erfolgt dann in Analogie zur ersten Ausführungsform der selektive Aufwachsprozess, um aus der einkristallinen Siliziumschicht 1 c mit den

Strukturbereichen 3a bis 3e die mikromechanische Funktionsschicht 3' zu bilden.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel findet ebenfalls ein Opferschichtätzen in Analogie zum obigen ersten Ausführungsbeispiel statt, jedoch verbleibt die Katalysatorschicht 2 auf der mikromechanischen Funktionsschicht 3'. Die Katalysatorschicht 2 kann somit entweder zur Reduzierung des elektrischen Widerstandes und/oder als eutektische Bondmetallschicht für eine Sensorkappe auf der mikromechanischen Funktionsschicht 3' verwendet werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind die angegebenen Materialien und Strukturen nur beispielhaft und nicht einschränkend angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich, wie gesagt, insbesondere zur Darstellung von im Querschnitt symmetrischen Strukturen, insbesondere Federstrukturen, in MEMS- Bauelementen mit einer Asymmetrie von weniger als 0,5°. Derartige Strukturen finden insbesondere Verwendung bei Verfahren zum Herstellen von Inertialsensoren, insbesondere Drehratensensoren. Allerdings ist es generell auf beliebige

mikromechanische Funktionsstrukturen anwendbar.