Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zu dessen

Herstellung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Schichtaufbau, der mindestens eine Membran auf der Oberseite und mindestens ein Gegenelement umfasst, wobei zwischen der Membran und dem Gegenelement ein Hohlraum ausgebildet ist und das Gegenelement mindestens eine Durchgangsöffnung zu einem Rückvolumen aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements.

Derartige Bauelemente werden in der Praxis häufig als Mikrofonelement beispielsweise im Rahmen von Hörgeräten oder Mobilkommunikationssystemen eingesetzt. Die Membran dient hier als Schallaufnehmer. Bei kapazitiv arbeitenden Mikrofonen ist das Gegenelement als Gegenelektrode für die ebenfalls als Elektrode fungierende Membran ausgelegt. Die Durchgangsöffnungen im Gegenelement ermöglichen einen Druckausgleich zum Rückvolumen.

In der deutschen Patentanmeldung 10 2005 042664.6 wird ein Bauelement der eingangs genannten Art beschrieben. Der Schichtaufbau dieses Bauelements umfasst eine Membran, die durch oberflächenmikromechanische Prozessierung erzeugt worden ist. Sie ist über den restlichen Chipbereich erhaben und überspannt einen Hohlraum, dessen Boden durch ein Gegenelement gebildet wird. Durch Rückseitenprozessierung des Schichtaufbaus wurde die Rückseite des Gegenelements freigelegt. Zudem weist das Gegenelement Durchgangsöffnungen

auf, so dass der Druckausgleich hier über die Rückseite des Bauelements erfolgt.

Viele Anwendungen für Bauelemente der hier in Rede stehenden Art erfordern einen hohen Grad an Miniaturisierung. Dies kann einerseits durch Verkleinerung der mikromechanischen Strukturelemente erreicht werden, wobei die elektroakustische Leistungsfähigkeit beibehalten oder sogar noch verbessert werden sollte, und andererseits durch Integration der Auswerteelektronik auf demselben Chip. Beide Maßnahmen lassen sich aber nur bedingt mit einer Rückseitenprozessierung des Schichtaufbaus, wie im Stand der Technik beschrieben, vereinbaren .

Offenbarung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine kostengünstige Technologie bereitgestellt, die die mikromechanischen Sensorfunktionen und die Auswerteelektronik einfach auf einem Chip zu integrieren vermag und auch für eine Massenproduktion geeignet ist.

Dafür sieht das erfindungsgemäße Bauelementkonzept vor, dass das Rückvolumen des Bauelements durch einen abgeschlossenen weiteren Hohlraum unterhalb des Gegenelements gebildet wird und dass der weitere Hohlraum unterhalb des Gegenelements über mindestens eine Druckausgleichsöffnung an die Oberseite des Schichtaufbaus angebunden ist.

Die Struktur des erfindungsgemäßen Bauelements ist so konzipiert, dass sie durch rein oberflächenmikromechanische Prozessierung (OMM) erzeugt werden kann. Eine Prozessierung der Rückseite des Schichtaufbaus in Bulk-Mikromechanik (BMM)

ist nicht erforderlich, wodurch zusätzliche Prozessschritte und damit Herstellungskosten eingespart werden. Ein weiterer Vorteil der rein oberflächenmikromechanischen Prozessierung liegt in der Vielzahl von realisierbaren Designs und Bauformen in minimaler Strukturgröße. So können beispielsweise SMD-taugliche Chips von geringer Größe durch OMM hergestellt werden, was mit BMM nicht möglich ist. Außerdem lässt sich die Technologie der OMM mit den Herstellungstechniken der Mikroelektronik verbinden, so dass kostengünstige Batch-Prozesse für die Serienproduktion des erfindungsgemäßen Bauelements eingesetzt werden können. Da die Prozesse der OMM und CMOS-Prozesse in der Regel kompatibel sind, lassen sich Sensorstruktur und Auswerteelektronik zudem einfach auf einem Chip integrieren.

Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Bauelements weist der Hohlraum unterhalb des Gegenelements mindestens eine Einschnürung auf. Alternativ kann dieser Hohlraum auch durch mehrere miteinander kommunizierende Kavernen gebildet sein. Die Wandung des Hohlraums bildet in diesem Fall eine Abstützung für das Gegenelement und erhöht dessen mechanische Stabilität. Damit vergrößert sich die Prozessfreiheit bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements, beispielsweise für eine Planarisierung des Gegenelements mit Hilfe von Plasma oder CMP.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauelements sieht eine Verkappung der Druckausgleichsöffnungen auf der Oberseite des Schichtaufbaus vor, um den Druckanschluss des Hohlraums unterhalb des Gegenelements seitlich umzulenken. Auf diese Weise kann einfach vermieden werden, dass der auf die Membran einfallende Druck auch über die Druckausgleichsöffnungen in den Hohlraum unterhalb des Gegenelements gelangt. So wird

gewahrleistet, dass dieser Hohlraum ein Ausgleichsvolumen für den Hohlraum zwischen der Membran und dem Gegenelement bildet. Eine derartige Verkappung der Druckausgleichsoffnungen kann beispielsweise in Form eines aufgebondeten Kappenwafers realisiert werden.

Wie bereits erwähnt, lasst sich die Struktur des erfindungsgemaßen Bauelements durch rein oberflachenmikromechanische Prozessierung erzeugen. Das erfindungsgemaße Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements geht dazu von einem Substrat aus, auf dem mindestens eine erste Schicht erzeugt wird. In dieser ersten Schicht werden Offnungen erzeugt, die sich zumindest bis zum Substrat erstrecken, wobei mindestens eine öffnung als Durchgangsoffnung im Gegenelement im Bereich der zu erzeugenden Membran angeordnet wird und mindestens eine öffnung als Druckausgleichsoffnung in einem Bereich neben der zu erzeugenden Membran angeordnet wird. In einem ersten Atzschritt, der von der Oberseite des Schichtaufbaus ausgehend, über die Offnungen in der ersten Schicht erfolgt, wird ein Hohlraum im Substrat unter der ersten Schicht erzeugt. Dann wird mindestens eine Opferschicht über der strukturierten ersten Schicht erzeugt, wobei die Offnungen in der ersten Schicht verschlossen werden. In dieser Opferschicht wird ein Rahmenbereich für die Membran erzeugt und über der Opferschicht wird mindestens eine Schicht aus Membranmaterial abgeschieden und strukturiert. Danach wird die Membran freigelegt, indem das Opferschichtmaterial in einem zweiten Atzschritt entfernt wird, der von der Oberseite des Schichtaufbaus ausgehend, über die Druckausgleichsoffnung in der ersten Schicht, den Hohlraum unter der ersten Schicht und die Durchgangsoffnung im Gegenelement erfolgt.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung, Ausgestaltung und Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Verfahrensanspruch nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.

Zeichnungen

Die Figuren 1 bis 9 illustrieren die Abfolge der Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements. Bei den Figuren 1, 2 und 4 bis 9 handelt es sich um Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus, während Fig. 3 eine Draufsicht auf die Oberseite des in Fig. 2 dargestellten Schichtaufbaus zeigt.

Die Figuren 10 bis 13 illustrieren vorteilhafte Varianten des Herstellungsverfahrens und beziehen sich deshalb jeweils nur auf einen Aspekt des Herstellungsverfahrens. Bei den Figuren 10 bis 12 handelt es sich um Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus. Fig. 13 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite des Schichtaufbaus.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Wie voranstehend erläutert, wird die Struktur des erfindungsgemäßen Bauelements in einem Schichtaufbau durch oberflächenmikromechanische Prozessierung eines Substrats realisiert. Als Ausgangsmaterial im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel dient ein p-dotiertes Siliziumsubstrat 1, dessen Dotierung und Orientierung beliebig sein können.

Vorzugsweise wird (100) orientiertes Material mit einem spezifischen Widerstand um 2,75 Ohm/cm verwendet, um auf Standard-CMOS-Prozesse zurückgreifen zu können. Fig. 1 zeigt das Substrat 1 nach dem Aufbringen einer ersten Schicht 2, in der im Folgenden das Gegenelement der Bauelementstruktur ausgebildet wird. Bei der Schicht 2 handelt es sich hier um eine n-dotierte Epitaxieschicht mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 2 und 10 μm. Eine solche Schicht kann aber auch durch POC13-Belegung oder Implantation erzeugt werden. Als Auswerteschaltung für das Bauelement wurde ein ASIC 3 in die Schicht 2 integriert. Dieser kann bei Bedarf durch eine hier nicht dargestellte Maskierschicht gegen die nachfolgend beschriebene oberflachenmikromechanische Prozessierung geschützt werden.

In einem nächsten Verfahrensschritt, der durch die Figuren 2 und 3 veranschaulicht wird, werden Offnungen 4 und 5 in der ersten Schicht 2 erzeugt. Diese Offnungen 4 und 5 werden hier in einem Trenchprozess geatzt und erstrecken sich bis in das Substrat 1. Die Offnungen 4 sind als Durchgangsoffnungen im Gegenelement im Bereich unter der noch zu erzeugenden Membran konzipiert, wahrend die Offnungen 5 als Druckausgleichsoffnungen in einem Bereich neben der zu erzeugenden Membran angeordnet sind. Fig. 3 zeigt eine mögliche Anordnung und Geometrie der Offnungen 4 und 5 in Aufsicht. So werden im Membranbereich bevorzugt kleinere Offnungen 4 generiert, beispielsweise mit einem Durchmesser von ca. 0,5 bis 3 μm. Die Offnungen 4 sind hier hexagonal angeordnet. Genauso können aber auch eine andere Anzahl und Anordnung von Offnungen 4 gewählt werden. Deutlich großer sind die Offnungen 5 ausgebildet mit einer Lange von bis hin zu mehreren 10 μm. Auch die Offnungen 5 seitlich vom Membranbereich können beliebig angeordnet werden. Typisch sind Abstande zwischen einigen 10 μm bis zu 300 μm zum

Membranbereich. Wie Fig. 3 veranschaulicht, können die Offnungen 5 auch im Randbereich des Schichtaufbaus angeordnet werden, so dass der Druckausgleich beim Betrieb des Bauelements seitlich erfolgen kann.

Die Offnungen 4 und 5 dienen im anschließenden ersten Atzschritt, der von der Oberseite des Schichtaufbaus ausgeht, auch als Atzoffnungen, über die ein Hohlraum 6 im Substrat 1 unter der ersten Schicht 2 erzeugt wird. Im hier beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel umfasst der erste Atzschritt einen Elektropoliturschritt in Flusssaure (HF) . Dabei wird lediglich das p-dotierte Siliziumsubstrat 1 angegriffen. Aufgrund der hohen Dotierselektivitat der elektrochemischen Auflosung von Silizium wird die n-dotierte erste Schicht 2 dagegen nicht angegriffen. Die Tiefe des Hohlraums 6 kann ohne Weiteres bis zu 300 μm betragen. Je nach Einstellung der Prozessparameter sind Atzraten von bis zu 10 μm/sec realisierbar. Die HF-Konzentration bewegt sich typischerweise zwischen 5 und 40 %m, wobei die Wirkung noch durch Zugabe eines Netzmittels mit einem Anteil zwischen 5 und 30 %vol verbessert werden kann. Die Stromdichten betragen je nach HF-Konzentration einige 10 mA/cm2 bis einige A/cm2. Die bei der Reaktion auftretenden Reaktionsgase können durch die Offnungen 4, 5 entweichen, ohne die perforierte erste Schicht 2 zu zerstören. Fig. 4 zeigt den Schichtaufbau nach diesem ersten Atzschritt, in dem ein zusammenhangender Hohlraum 6 unterhalb der Offnungen 4 und 5 ausgebildet wurde.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird eine Opferschicht 7 auf die perforierte erste Schicht 2 aufgebracht, wobei die Offnungen 4 und 5 in der ersten Schicht 2 verschlossen werden. Dazu wird im hier beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel SiGe in einem LPCVD Prozess weitgehend konform auf der ersten Schicht 2 abgeschieden. Fig. 5 zeigt den Schichtaufbau nach

Erreichen einer Schichtdicke der Opferschicht 7, die dem halben Offnungsdurchmesser entspricht, so dass die Offnungen 4 und 5 verschlossen sind. Typischerweise werden 0,5 bis 2 μm SiGe deponiert. Die kleinste Dimension der Offnungen 5 bestimmt hierbei die zum Verschluss erforderliche Schichtdicke .

Nachfolgend wird die Opferschicht 7 planarisiert . Außerdem wird ein Rahmenbereich 8 prozessiert, was in Fig. 6 dargestellt ist. Als Isolationsmaterial dient hier SiO2.

Fig. 7 zeigt den Schichtaufbau, nachdem über der Opferschicht 7 eine dotierte Polysiliziumschicht 10 abgeschieden und strukturiert worden ist, um eine Membran aus dotiertem Polysilizium zu erzeugen. Die Membran soll hier als Aufnehmer für den Schalldruck dienen und fungiert als Elektrode zur kapazitiven Auswertung der Membrandeformationen. Das Opferschichtmaterial in den Druckausgleichsoffnungen 5 ist hier mit 11 bezeichnet.

Im nächsten Verfahrensschritt wird die Membran 12 freigelegt, indem das gesamte Opferschichtmaterial SiGe mittels C1F3- Atzen entfernt wird. Dabei wird weder das Polysilizium der Membran 12 noch das Siliziumsubstrat 1 noch das SiO2 des Rahmenbereichs 8 angegriffen. Der Atzangriff geht von der Oberseite des Schichtaufbaus aus. Zunächst wird das frei zugangliche Material der Opferschicht 7 auf der ersten Schicht 2 entfernt. Dann wird das Opferschichtmaterial 11 in den Druckausgleichsoffnungen 5 entfernt, so dass das Atzmedium in den Hohlraum 6 unter der ersten Schicht 2 eindringen kann und auch das Opferschichtmaterial auf der Wandung des Hohlraums 6 angreifen kann. Von hier aus wird schließlich auch das Opferschichtmaterial in den Offnungen 4 und unter der Membran 12 entfernt. Die Membran 12 wird also

mittels Atzen des Opferschichtmaterials durch die außen liegenden Druckausgleichsoffnungen 5 und den Hohlraum 6 freigelegt. Das Ergebnis dieses zweiten Atzschritts, nämlich eine freitragende, geschlossene Membran 12 über einer perforierten Gegenelektrode 13, ist in Fig. 8 dargestellt. Unterhalb dieser Kondensatorstruktur befindet sich ein großes Ausgleichsvolumen in Form des Hohlraums 6.

Die freigelegten Druckausgleichsoffnungen 5 werden abschließend noch mittels Kappenwafern 14 derart zur Seite oder nach hinten abgeführt, dass auf die Membran 12 einfallender Schalldruck nicht auch über die

Druckausgleichsoffnungen 5 in das Ausgleichsvolumen 6 gelangen kann. Fig. 9 zeigt den Schichtaufbau mit zwei aufgebondeten Kappenwafern 14.

Im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, können an Stelle von SiGe auch andere Opferschichtmaterialien eingesetzt werden. Dafür eignet sich beispielsweise auch ein PECVD-Oxid, was in Fig. 10 dargestellt ist. Wahrend bei der Abscheidung von SiGe auf der ersten Schicht 2 auch die Wandung des Hohlraums 6 über die Offnungen 4 und 5 beschichtet wird, bis diese verschlossen sind, werden die Offnungen 4 und 5 hier durch das PECVD-Oxid der Opferschicht 15 verschlossen, ohne dass sich eine Oxidschicht auf der Wandung des Hohlraums 6 ausbildet. Dadurch lassen sich größere Abstande zwischen der Membran und der perforierten Gegenelektrode realisieren. Der Rahmenbereich 16, der die elektrische Isolation zwischen Membran und Gegenelektrode bildet, kann hier mittels SiN oder auch mittels p-Dotierung realisiert werden. Nach Abscheidung und Strukturierung einer Polysiliziumschicht als Membran wird die SiO2-Opferschicht 15 mittels HF-Dampfatzen selektiv herausgeatzt.

Des Weiteren kann die Opferschicht auch aus dotiertem Polysilizium bestehen, was in Fig. 11 dargestellt ist. In diesem Fall wird die Siliziumstruktur vor Aufbringen der Opferschicht 17 durch thermische Oxidation 21 passiviert. Dazu reichen wenige 10 nm Oxid aus, so dass der resultierende Stress vernachlassigbar ist. Die Offnungen 4 und 5 werden auch hier mit dem Opferschichtmaterial verschlossen. Als Membranmaterial wird ein Dielektrikum 18 verwendet. Dafür eignet sich beispielsweise SiO2, SiN, Si3N4 oder SiC. Der elektrische Anschluss wird mittels Sputtern einer dünnen Metallschicht 19 realisiert.

Die Leitfähigkeit der perforierten n-dotierten Gegenelektrode 13 kann gezielt erhöht werden, indem die Dotierung der

Gegenelektrode 13 durch zusatzliche oberflachennahe

Implantation eingestellt wird. Dies ist in Form der

Schattierung 22 in Fig. 12 dargestellt. Die Dotierung der n-

Epitaxieschicht 2 liegt typischerweise unter 10 ¹⁵ /cm ³ . D.h., der spezifische Widerstand ist großer als 10 Ohmcm. In Fig.

12 ist außerdem eine n-dotierte Zone 23 im Substrat 1 im

Randbereich des Hohlraums 6 unterhalb der Schicht 2 dargestellt. Diese Zone 23 wurde vor Abscheidung der Schicht

2 erzeugt. Sie wirkt als Tiefenmaske und erhöht lokal die Stabilität der Bauelementstruktur.

Falls das Erfordernis einer Anti-Stiction Schicht unter der Membran gegeben ist, kann dies beispielsweise vor Abscheiden der Membran geschehen oder nach Atzen der Opferschicht durch die Druckausgleichsoffnungen mittels konformen Niederdruckprozessen .

Die Leistungsfähigkeit und Stabilität des erfindungsgemaßen Bauelements hangen wesentlich von der Große und Form des

Hohlraums 6 unterhalb des Gegenelements 13 ab. Durch geschickte Anordnung der Durchgangsöffnungen 4 im Gegenelement 13 kann erreicht werden, dass nicht ein einziger großer Hohlraum 6 entsteht sondern mehrere kleinere zusammenhängende Hohlräume, die durch Stützverbindungen bzw. Einschnürungen 24 teilweise getrennt sind. Fig. 13 zeigt eine Aufsicht auf ein Bauelement mit einem so geformten Hohlraum. Durch die Stützverbindungen 24 wird die mechanische Stabilität des über dem Hohlraum 6 liegenden Gegenelements 13 verbessert, so dass bei der Herstellung des Bauelements eine größere Prozessfreiheit besteht.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Bauteil nicht auf eine Anwendung als Mikrofon beschränkt ist, sondern auch einfach für andere Anwendungen, wie beispielsweise Druckmessung oder als Schallwandler, konfiguriert werden kann.