Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und Sensorelement

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer in der Bauteiloberfläche ausgebildeten Membran, die eine Kaverne überspannt, und mit mindestens einer von der Bauteilrückseite ausgehenden Zugangsöffnung zu der Kaverne, wobei zumindest eine erste Membranschicht und die Kaverne von der Bauteiloberfläche ausgehend in einem monolithischen Halbleitersubstrat erzeugt werden und wobei die Zugangsöffnung von der Substratrückseite ausgehend in einem zeitlich begrenzten ätzschritt erzeugt wird.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein derartiges Bauteil, das als Sensorelement zur Relativdruckmessung eingesetzt wird.

Es ist bekannt, mikromechanische Sensorelemente mit Membranen zur Relativdruckmessung einzusetzen. Für diese Anwendung muss die Membran, die meist in der Bauteiloberfläche ausgebildet ist, beidseitig zugänglich sein. In der Praxis wird die Membran derartiger mikromechanischer Sensorelemente deshalb häufig von der Waferrückseite ausgehend freigelegt. Dazu werden volumenmikromechanische Verfahren eingesetzt, wie z.B. KOH-ätzen, wobei relativ große Ausnehmungen entstehen, die für die Größe des Sensorelements mitbestimmend sind.

In den deutschen Patentanmeldungen DE 100 32 579 Al, DE 10 2004 036 035 Al und DE 10 2004 036 032 Al werden Verfahren

beschrieben, die auch unter dem Begriff APSM (Advanced Porous Silicon Membrane) -Technologie bekannt sind. Mit diesen Verfahren können beispielsweise Sensorelemente zur Absolutdruckmessung mit sehr kleiner Chipfläche und sehr genauen Herstellungstoleranzen gefertigt werden. Diese Verfahren lassen sich relativ einfach realisieren und sind dementsprechend kostengünstig. Da die APSM-Technologie außerdem CMOS-kompatibel ist, lassen sich auch Schaltungselemente einer Auswerteschaltung und insbesondere Widerstände zur piezoresistiven Signalerfassung einfach auf dem Sensorelement integrieren.

Gemäß dem aus der DE 100 32 579 Al bekannten Verfahren wird mit Hilfe eines ätzmediums, das die unmaskierten Oberflächenbereiche eines monolithischen Siliziumsubstrats angereift, ein erster poröser Schichtbereich im Substrat erzeugt, der an die Substratoberfläche angrenzt. Die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Poren lässt sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen der Oberseite und der Unterseite des Substrats und durch geeignete Einstellung der elektrischen Feldstärke während des ätzangriffs beeinflussen. Durch Erhöhen der elektrischen Feldstärke wird unterhalb des ersten Schichtbereichs ein zweiter poröser Schichtbereich erzeugt, dessen Porosität größer ist als die Porosität des ersten Schichtbereichs. In einem anschließenden Temperschritt ordnen sich die Poren im zweiten Schichtbereich so um, dass eine einzige große Pore, d.h. eine Kaverne, unterhalb des ersten Schichtbereichs entsteht. Zumindest die Poren auf der Oberseite des ersten Schichtbereichs werden durch die Temperung weitgehend verschlossen. Dadurch ist es möglich, auf diesem ersten Schichtbereich eine weitgehend monokristalline Siliziumschicht als Membranschicht abzuscheiden, in die dann einfach elektrische

Schaltungselemente, wie z.B. Widerstände, zur Signalerfassung und -auswertung integriert werden können.

Gemäß den aus der DE 10 2004 036 035 Al und DE 10 2004 036 032 Al bekannten Verfahren wird in einem Halbleiterträger ein erster Bereich mit einer ersten Dotierung erzeugt, der die Kaverne unter der zu erzeugenden Membran bilden soll. über diesem ersten Bereich wird ein gitterförmiger Bereich mit einer zweiten Dotierung erzeugt, der als Stabilisierungselement für die zu erzeugenden Membran dient. In einer ersten Verfahrensvariante wird dann der erste Bereich durch die Gitteröffnungen des Stabilisierungselements hoch porös geätzt. Aufgrund der unterschiedlichen Dotierungen wird das Stabilisierungselement dabei praktisch nicht angegriffen. Danach wird der Halbleiterträger mit einer Epitaxieschicht versehen. Diese wächst im Wesentlichen auf der Gitterstruktur des Stabilisierungselements auf, wobei das Wachstum sowohl in vertikaler als auch in lateraler Richtung erfolgt, so dass sich die Gitteröffnungen schließen. Das hoch poröse Halbleitermaterial des ersten Bereichs lagert sich während dem Aufwachsvorgang oder während eines Temperschritts zu einer großen Pore bzw. einer Kaverne unter der idealerweise monokristallinen Epitaxieschicht um, die dann als Membranschicht fungiert. In einer zweiten Verfahrensvariante wird das Halbleitermaterial des ersten Bereichs noch vor dem Erzeugen der Epitaxieschicht vollständig herausgelöst.

Da die an die Kaverne angrenzenden Membranschichten hier oftmals prozessbedingt aus demselben Material bestehen wie das Substrat, nämlich aus monokristallinem Silizium, erweist sich eine nachträgliche Strukturierung der Substratrückseite zum Erzeugen einer Zugangsöffnung zur Kaverne als problematisch. In diesem Fall sind besondere Maßnahmen zum Schutz der Membranstruktur erforderlich.

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Die US 2006/0260408 Al beschäftigt sich mit dieser Problematik. Hier wird unter anderem vorgeschlagen, den von der Substratrückseite ausgehenden ätzangriff zeitlich zu begrenzen, und zwar so, dass eine Zugangsöffnung zur Kaverne erzeugt wird, die darüber liegende Membranstruktur aber möglichst nicht angegriffen wird.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine derartige zeitliche Begrenzung des rückseitigen ätzangriffs kritisch ist und deshalb nicht ohne weiteres für eine Massenproduktion geeignet ist. Ein Grund dafür ist, dass die Dicke der

Membranstruktur und die Ausdehnung der Kaverne gering sind im

Vergleich zur Substratdicke. Hinzu kommt, dass die Dicke der Membranstruktur im Bereich der Dickenschwankungen liegt, mit denen die üblicherweise als Substratmaterial verwendeten

Wafer gefertigt werden. Insgesamt ist die zeitliche

Begrenzung des rückseitigen ätzangriffs deshalb sehr sensibel .

Offenbarung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung werden einfache Maßnahmen vorgeschlagen, die eine nachträgliche Rückseitenprozessierung von Bauteilen mit einer Membranstruktur in der Bauteiloberfläche ermöglichen, um Zugangsöffnungen zu der Kaverne unterhalb der Membran zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird die Zugangsöffnung in einem Bereich angeordnet, in dem das Substratmaterial an die erste Membranschicht heranreicht. Der ätzprozess zum Erzeugen der Zugangsöffnung umfasst mindestens einen anisotropen ätzschritt und mindestens einen isotropen ätzschritt. In dem

anisotropen ätzschritt wird ein von der Substratrückseite ausgehender ätzkanal erzeugt, der unterhalb der ersten Membranschicht in der Umgebung der Kaverne endet. Zumindest der Endbereich dieses ätzkanals wird dann in dem isotropen ätzschritt aufgeweitet, bis der ätzkanal an die Kaverne angeschlossen ist.

Im Rahmen des beanspruchten Verfahrens wird der ätzstopp bei der Erzeugung der rückwärtigen Zugangsöffnung ohne zusätzliche ätzstoppschichten sondern einfach durch zeitliche Begrenzung des ätzprozesses realisiert. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass die Dauer des ätzprozesses nicht exakt auf die Dicke des Substrats im Bereich unter der Kaverne eingestellt werden muss, sondern dass sich durch geschicktes Anordnen der Zugangsöffnung in Kombination mit einem zweistufigen ätzprozess eine den Herstellungsprozess wesentlich vereinfachende Herstellungstoleranz ergibt. Erfindungsgemäß wird die Zugangsöffnung in einem Bereich angeordnet, in dem das Substratmaterial an die erste Membranschicht heranreicht. Der ätzkanal, der in einem ersten anisotropen ätzschritt erzeugt wird, mündet also nicht direkt in der Kaverne, sondern endet unterhalb der ersten Membranschicht in der Umgebung der Kaverne. D.h., die Dauer dieses anisotropen ätzschritts muss lediglich so bemessen sein, dass das Ende des ätzkanals in einem Bereich liegt, der in etwa der vertikalen Abmessung der Kaverne entspricht. Erst durch den anschließenden isotropen ätzschritt wird eine Verbindung zwischen dem ätzkanal und der Kaverne hergestellt. Die Dauer dieses ätzschritts muss zwar auf die Lage und Tiefe des ätzkanals abgestimmt werden, ist aber nicht so kritisch wie im Fall des anisotropen ätzangriffs. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird das Herstellungsverfahren insgesamt robuster. So kann die Dauer des ätzprozesses beispielsweise unabhängig von Dickenschwankungen des

Substrats bemessen werden, solange sich diese Dickenschwankungen im üblichen Rahmen bewegen.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, was die Anordnung der Zugangsöffnungen betrifft. So kann eine Zugangsöffnung beispielsweise im äußeren Randbereich der Kaverne angeordnet werden, um die mechanischen Eigenschaften der Membran möglichst wenig zu beeinflussen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Kaverne durch einen Hohlraum gebildet, an den sich eine unter der ersten Membranschicht verlaufende Stichleitung für den rückwärtigen Druckanschluss anschließt. In diesem Fall dient der Membranbereich über dem Hohlraum zur Messwerterfassung. Die Zugangsöffnung wird dann im Bereich der Stichleitung angeordnet, um die mechanischen Eigenschaften der Membran im Bereich über dem Hohlraum so wenig wie möglich zu beeinträchtigen. In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Zugangsöffnung im Bereich einer Stützstelle der Membran erzeugt, die innerhalb der Kaverne ausgebildet wird. Durch die Stützstelle wird die Membran während des Herstellungsprozesses unterstützt und stabilisiert .

Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, dass die Membranstruktur von der Bauteiloberfläche ausgehend im Substratmaterial erzeugt wird. Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, die voranstehend beschriebene APSM-Technologie zum Erzeugen der Membranstruktur anzuwenden.

Demnach wird in einer Verfahrensvariante zunächst ein erster poröser Schichtbereich in einem Substrat erzeugt. Dann wird unter dem ersten porösen Schichtbereich ein zweiter poröser

Schichtbereich im Substrat erzeugt, wobei die Porosität des zweiten Schichtbereichs größer ist als die Porosität des ersten Schichtbereichs. In einem nachfolgenden Temperschritt wird der zweite Schichtbereich in einen Hohlraum bzw. eine Kaverne umgewandelt. Bei diesem Temperschritt verschließen sich die Poren des erste Schichtbereichs zumindest weitgehend, so dass dieser erste Schichtbereich eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet.

In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein poröser Schichtbereich im Substrat erzeugt, über dem dann eine Epitaxieschicht aus dem Substratmaterial abgeschieden wird. In einem anschließenden Temperschritt wird der poröse Schichtbereich in eine Kaverne umgewandelt, so dass die Epitaxieschicht eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet.

In einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante wird ein erster Schichtbereich mit einer ersten Dotierung in einem Halbleitersubstrat erzeugt. über diesem ersten Schichtbereich wird ein vorzugsweise gitterförmiger Stabilisierungsbereich mit mindestens einer öffnung erzeugt, wobei sich die Dotierung des Stabilisierungsbereichs von der des ersten Schichtbereichs unterscheidet. Der erste Schichtbereich wird dann porös geätzt, bevor über dem Stabilisierungsbereich eine Epitaxieschicht erzeugt wird. Durch eine Temperaturbehandlung wird der poröse erste Schichtbereich schließlich in eine Kaverne umgewandelt, so dass die Epitaxieschicht eine erste Membranschicht über der Kaverne bildet. Diese Verfahrensvariante kann dahingehend modifiziert werden, dass das Halbleitermaterial des ersten Schichtbereichs nicht nur porös geätzt wird, sondern bereits vor dem Erzeugen der Epitaxieschicht herausgelöst wird, so dass eine Kaverne unter dem Stabilisierungsbereich entsteht.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen - nämlich die spezielle Anordnung der rückseitigen Zugangsöffnung in Verbindung mit einem zweistufigen, zeitlich begrenzten ätzprozess zum Erzeugen dieser Zugangsöffnung - ermöglichen die Herstellung von Sensorelementen zur Relativdruckmessung in APSM- Technologie mit sämtlichen Vorteilen, die der Einsatz dieser Technologie mit sich bringt. So lassen sich in APSM- Technologie Sensorelemente mit beliebiger Membrangeometrie bei sehr geringer Chipgröße und sehr genauen Herstellungstoleranzen realisieren. Das Herstellungsverfahren ist zudem CMOS-kompatibel, d.h. es besteht die Möglichkeit der monolithischen Integration von Schaltungselementen einer Auswerteschaltung auf dem Sensorelement. Der Einsatz der APSM-Technologie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch im Hinblick auf die Herstellungskosten der Sensorelemente vorteilhaft, da ein kostengünstiges Ausgangsmaterial, nämlich ein Siliziumsubstrat, verwendet werden kann, das einfach mit Hilfe von üblichen, gut handhabbaren und kontrollierbaren Halbleiterverfahren prozessiert werden kann.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn im ersten ätzschritt zur Strukturierung der Bauteilrückseite ein Trenchverfahren zum Einsatz kommt. Dadurch lassen sich auch bei größerer Substratdicke gezielt Zugangsöffnungen mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche erzeugen, was im Hinblick auf die zunehmende Miniaturisierung mikromechanischer Bauelemente vorteilhaft ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen einen schematischen Querschnitt durch ein Sensorelement in verschiedenen Stadien des Herstellungsverfahrens .

Ausführungsform der Erfindung

Bei dem in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Sensorelement 10 handelt es sich um einen piezoresistiven Relativdrucksensor mit integrierter Auswerteschaltung, dessen mikromechanische Struktur eine Membran 11 umfasst, die in der Bauteiloberfläche ausgebildet ist und eine Kaverne 12 in einem Substrat 1 überspannt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Siliziumwafer handeln.

Fig. 1 zeigt das Sensorelement 10, nachdem die Kaverne 12 in einem APSM-Prozess von der Bauteiloberfläche ausgehend erzeugt worden ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde dabei auch eine Stützstelle 13 innerhalb des Membranbereichs erzeugt, an der die Membran 11 noch mit dem Bulkmaterial des Substrats 1 in Verbindung steht. Dazu wurde die Maske für den APSM-Prozess entsprechend ausgelegt. Durch geeignetes Layout und geeignete Dotierung eines n-Gitters 7 im Bereich der Kaverne 12 wurde der Bereich der Stützstelle 13 während der Anodisierung des APSM-Prozesses nicht porös

geätzt. In diesem APSM-Prozess hat sich über der Kaverne 12 eine erste Membranschicht aus Substratmaterial gebildet, die durch eine n-Epitaxieschicht 2 auf dem Siliziumsubstrat 1 verstärkt wurde.

Nach dieser mikromechanischen Prozessierung des Substrats 1 erfolgte die Integration von Schaltungselementen, die in Form von dotierten Bereichen in der n-Epitaxieschicht 2 und dem Substrat 1 realisiert sind, in den Figuren aber nicht im einzelnen bezeichnet sind. Dann wurde eine Kontaktschicht 3 auf die n-Epitaxieschicht 2 aufgebracht. Des Weiteren umfasst die Auswerteschaltung metallische Leiterbahnen bzw. Leitungsschichten 5, die durch ein Zwischendielektrikum 4 gegeneinander isoliert sind. Schließlich wurde die gesamte Bauteiloberfläche noch mit einer Passivierung 6 versehen.

In einem nächsten Schritt wurde eine Maskierschicht 8 für einen von der Substratrückseite ausgehenden Trenchprozess auf die Rückseite des Substrats 1 aufgebracht. Durch Strukturierung der Maskierschicht 8 wurden dann die Lage, die Form und die Größe, genauer die Querschnittsfläche, des zu erzeugenden ätzkanals 15 so definiert, dass er sich unter Berücksichtigung aller lateralen Toleranzen innerhalb der Stützstelle 13 ausbildet. Als Maskierschicht 2 kann beispielsweise eine geeignete Fotolackschicht oder auch eine sogenannte „Hardmask", z.B. aus Si-Oxid, verwendet werden.

Fig. 2 zeigt das Sensorelement 10 nach dem Trenchprozess, bei dem ein von der Bauteilrückseite ausgehender ätzkanal 15 entstanden ist, der sich innerhalb der Stützstelle 13 bis in den Bereich der Kaverne 12 erstreckt. Die Tiefe des ätzkanals 15 wurde durch die Dauer des Trenchprozesses bestimmt. Der in Fig. 2 mit 50 bezeichnete Bereich des ätzkanals 15 stellt den vertikalen Toleranzbereich für die Trenchtiefe dar. Die

Untergrenze der Trenchtiefe liegt etwa auf dem Niveau des Kavernenbodens, die Obergrenze liegt etwa auf dem Niveau der Kavernendecke. Eine ätzstoppschicht ist dank dieses Toleranzbereichs 50 nicht erforderlich. Durch die Anordnung des ätzkanals 15 im Bereich der Stützstelle 13 können die Trenchtoleranzen sowohl in der Breite als auch in der Tiefe aufgefangen werden.

Während des Trechprozesses, der den ersten anisotropen ätzschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet, wird ständig zwischen einem isotropen ätzangriff und einer Seitenwandpassivierung hin und her geschaltet. Dabei wird die Passivierschicht am Boden durchgeätzt, bleibt jedoch an der Wandung bestehen, so dass der ätzkanal 15 mit einem sehr hohen Aspektverhältnis realisiert werden kann. Im Anschluss an den Trenchprozess wird ein ebenfalls von der Bauteilrückseite ausgehender isotroper ätzschritt durchgeführt. Dazu kann beispielsweise einfach der letzte isotrope ätzangriff des Trenchprozesses verlängert werden. Alternativen dazu sind beispielsweise ein isotroper ätzschritt mit C1F3 oder ein Nassätzschritt . Bei dem isotropen ätzschritt erweitert sich der Endbereich 16 des ätzkanals 15 blasenartig. Dieser ätzangriff wird so lange fortgesetzt, bis der ätzkanal 15 mit seinem Endbereich 16 eine Zugangsöffnung 14 zur Kaverne 12 bildet, was in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt einen ätzkanal 15, dessen Endbereich 16 auf dem Niveau des Kavernenbodens liegt, also an der Untergrenze des Toleranzbereichs 50, und Fig. 4 zeigt einen ätzkanal 15, dessen Endbereich 16 auf dem Niveau der Kavernendecke liegt, also an der Obergrenze des Toleranzbereichs 50. Durch die laterale Erweiterung des Endbereichs 16 des ätzkanals 15 wurde die Stützstelle 13 zur Kaverne hin geöffnet. Dadurch wurde die Membran 11 frei beweglich. Da die Zugangsöffnung 14 einen rückwärtigen

Druckanschluss an die Membran 11 bildet, kann das Sensorelement 10 zur Relativdruckerfassung eingesetzt werden. Außerdem kann das Sensorelement 10 auch als Rückseitendrucksensor für den Einsatz in aggressiven Medien verwendet werden. In diesem Fall muss durch eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik ein entsprechendes Referenzvakuum auf der Substratvorderseite eingeschlossen werden .

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die Zugangsöffnung 14 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt mittig im Bereich einer Stützstelle 13 der Membran 11 angeordnet werden muss, sondern auch seitlich beispielsweise im Bereich einer mit der Kaverne verbundenen Stichleitung angeordnet werden kann.