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Title:
MICROMECHANICAL SENSOR AND CORRESPONDING PRODUCTION METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/009440
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a micromechanical sensor and to a corresponding production method, comprising the following steps: a) preparing a doped semiconductor wafer (4); b) applying an epitaxial layer (1) that is doped in such a way that a jump in the charge carrier density in the interface (11) between the semiconductor wafer and the epitaxial layer occurs; c) optionally etching ventilation holes (2) traversing the epitaxial layer and optionally filling the ventilation holes with a sacrificial material; d) depositing at least one sacrificial layer (9), at least one spacing layer (10), a membrane (5) and optionally a semiconductor circuit (8) on the top side of the epitaxial layer using a technology known per se, wherein the semiconductor circuit may be applied after the membrane is formed or while depositing the layers required to form the membrane; e) etching a hole (6) on the back part of the sensor, wherein the etching method is selected in such a way that etching advances in the direction of the top side and ceases in the interface between the wafer (4) and the epitaxial layer (1) by changing charge carrier concentration. The invention also relates to the utilization of the micromechanical sensor in pressure sensors or microphones.

Inventors:
Aigner, Robert (Einsteinstrasse 104/8-13 München, D-81675, DE)
Bever, Thomas (Gustav-Heinemann-Ring 33 München, D-81739, DE)
Timme, Hans-jörg (Putzbrunner Strasse 90 Ottobrunn, D-85521, DE)
Application Number:
PCT/DE1999/002375
Publication Date:
February 24, 2000
Filing Date:
August 03, 1999
Export Citation:
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Assignee:
INFINEON TECHNOLOGIES AG (St.-Martin-Strasse 53 München, D-81541, DE)
Aigner, Robert (Einsteinstrasse 104/8-13 München, D-81675, DE)
Bever, Thomas (Gustav-Heinemann-Ring 33 München, D-81739, DE)
Timme, Hans-jörg (Putzbrunner Strasse 90 Ottobrunn, D-85521, DE)
International Classes:
G01L9/12; B81B3/00; B81C1/00; H01L29/84; H04R19/04; H04R19/00; H04R31/00; (IPC1-7): B81B3/00; B81C1/00
Foreign References:
DE19648424C11998-06-25
US5259247A1993-11-09
US5725785A1998-03-10
DE4441903C11996-03-21
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 320 (E - 651) 30 August 1988 (1988-08-30)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 277 (E - 640) 30 July 1988 (1988-07-30)
None
Attorney, Agent or Firm:
ZIMMERMANN & PARTNER (Postfach 33 09 20 München, D-80069, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. l. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors (12) umfassend die Schritte a) Bereitstellung eines dotierten Halbleiterwafers (4), b) Aufbringen einer epitaktischen Schicht (1), zumindest in einem dem Substrat zugewandten Flächenbereich die so do tiert ist, daß an der Grenzfläche (11) zwischen Halblei terwafer und epitaktischer Schicht ein Sprung in der Ladungsträgerdichte auftritt, c) ggf. Atzen von Ventilationsöffnungen (2), die durch die epitaktische Schicht hindurchreichen, und ggf. Füllen der Ventilationsöffnungen mit einem Opfermaterial, d) Aufbringen mindestens einer Opferschicht (9), mindestens einer Abstandsschicht (10), einer Membran (5) und ggf.
2. einer Halbleiterschaltung (8) in an sich bekannter Technologie auf der Oberseite der Epitaxieschicht, wobei die Halbleiterschaltung nach Bildung der Membran oder während der Aufbringung der zur Bildung der Membran benötigten Schichten aufgebracht werden kann, e) Atzung einer rückseitig des Sensors angeordneten Öffnung (6), wobei die Atzmethode so gewählt wird, daß der Atzvorgang in Richtung der Oberseite voranschreitet und an der Grenzfläche zwischen Wafer (4) und Epitaxieschicht (1) durch Änderung der Ladungsträgerkonzentration abstoppt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ätzung in Schritt e) die Ventilationsöffnungen (2) und der Hohlraum (3) durch Entfernung der/den Opferschicht/ en mit einem Atzmittel freigelegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Atzung in Schritt e) ein elektrochemisches Atzverfahren angewendet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseitenätzung in zwei Schritten erfolgt, wobei zunächst naßchemisch für eine definierte Zeitdauer bis nahe an die Grenzfläche zwischen Wafermaterial (4) und epitaktischer Schicht (1) herangeätzt wird, und im zweiten Schritt elektrochemisch geätzt wird, wobei der zweite Ätzvorgang durch Änderung der Ladungsträgerkonzentration zwischen Wafermaterial (4) und epitaktischer Schicht (1) gestoppt wird.
6. Mikromechanischer Sensor umfassend ein Substrat (4), eine über die gesamte Waferoberfläche ragende epitaktisch aufge wachsene Schicht (1), eine aufseitig angeordnete Membran (5) aus überwiegend polykristallinem oder einkristallinem Silizium, eine unterhalb der Membran befindliche Gegenelektrode (7), eine Rückseitenöffnung (6) und einen Hohlraum (3) zwischen Membran und Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem dotierten Halbleitermaterial besteht und die epitaktische Schicht zumindest in einem dem Substrat zugewandten Flächenbereich so dotiert ist, daß ein Sprung in der Ladungsträgerkonzentration an der Grenzfläche zwischen Substratmaterial (4) und epitaktischer Schicht (1) vorhanden ist.
7. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silizium mit einer Ladungsträgerkonzentration im Bereich von mehr als 1018 cm3 besteht.
8. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der dem Substrat zugewandte Flächenbereich der epitaktischen Schicht eine Ladungsträgerkonzentration von weniger als 5 x 1014 cm3 hat.
9. Mikromechanischer Sensor nach mindestens einem der Ansprü che 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite der epitaktischen Schicht (1) eine Halblei terschaltung (8) in an sich bekannter Technologie aufgebracht ist.
10. Mikromechanischer Sensor nach mindestens einem der Ansprü che 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gegenelektrode Ventilationsöffnungen (2) vorhanden sind, welche den Hohlraum (3) mit der Rückseitenöffnung (6) verbinden.
11. Verwendung des mikromechanischen Sensors nach Anspruch 5 für Drucksensoren oder Mikrofone.
Description:
Beschreibung Mikromechanischer Sensor und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor umfas- send ein Substrat, eine über die gesamte Substratoberfläche ragende epitaktisch aufgewachsene Schicht, eine Membran, eine Gegenelektrode, eine Rückseitenöffnung und einen Hohlraum, welcher zwischen Membran und Gegenelektrode angeordnet ist.

Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des vorstehend be- schriebenen mikromechanischen Sensors beschrieben.

In Anwendungen, bei denen es auf geringe Kosten und möglichst geringen Platzbedarf ankommt, wie beispielsweise Drucksenso- ren, Mikrofone oder auch Beschleunigungssensoren, werden mi- niaturisierte mikromechanische Sensoren mit auf dem Chip in- tegrierten Halbleiterschaltungselementen benötigt.

Ein mikromechanischer Sensor zur Anwendungen in der Akustik ist in der US 5, 146, 435 beschrieben. Der angegebene Sensor besteht aus einer beweglichen Membran und einer Stützstruktur aus einem Siliziumsubstrat. Oberhalb des Substrats ist eine Gegenelektrode aus Silizium angeordnet, die einen Hohlraum zwischen Membran und Gegenelektrode bildet. Die Gegenelektro- de und die Membran ist durch geeignete Dotierung des Silizi- ums leitfähig ausgebildet, wodurch eine Kondensatorstruktur entsteht. Wird die Membran zu Schwingungen angeregt, verän- dert sich die Kapazität des Kondensators. Die Kapazitätsbe- stimmung erfolgt mit Hilfe von auf der Oberseite der Struktur angeordneten Metallkontakten. Eine Ausführungsform mit inte- grierter Ansteuer- bzw. Auswerteelektronik ist nicht angege- ben.

Bei der angegebenen Sensorstruktur ragt die Gegenelektrode über die Substratoberfläche hinaus. Die Gegenelektrode befin- det sich auf der Oberseite des Sensors. Zum Zwecke einer Ver- bindung des Hohlraums mit der Umgebung sind in der Gegenelek- trode Ventilationsöffnungen eingearbeitet. Unterhalb der Mem-

bran ist der Wafer mit einer Öffnung versehen, die ebenfalls eine Verbindung der Membranoberfläche mit der Umgebung her- stellt. Durch die unterseitige Öffnung können an die Membran Schallschwingungen direkt herantreten und diese zu Schwingun- gen anregen.

Die deutsche Patentanmeldung 196 48 424. 3 beschreibt einen mikromechanischen Sensor mit integriertem Schaltkreis, wel- cher bei Druck- und Schallmessungen eingesetzt werden kann.

Der Sensor weist eine in Richtung der Oberseite angeordnete Membranfläche auf. Unterhalb der Membran befindet sich ein Hohlraum. Im Bereich des Substrats ist die Gegenelektrode an- geordnet. Die Gegenelektrode weist Ventilationsöffnungen zur Reduzierung der Resonanzfrequenz der Membran auf. Die Venti- lationsöffnungen sind in Richtung der Unterseite des Sensors angeordnet und verbinden das Volumen des Hohlraums mit der Unterseite des Sensors. Bei der Herstellung des beschriebenen mikromechanischen Sensors wird von einem SOI-Wafer (Silicon Oxide Isolator) ausgegangen. Ein SOI-Wafer besteht aus den Schichten einkristallines Silizum/Siliziumdioxid/einkris- tallines Silizium. Nach der Fertigstellung der Sensorstruktur auf der Oberseite des SOI-Wafers wird auf der Unterseite des Chips in einem zusatzlichen Atzschritt ein Hohlraum herge- stellt, welcher die Gegenelektrode mit den Ventilationsöff- nungen freilegt. Die Ätzung dieser unterseitigen Öffnungen erfolgt selektiv gegenüber Siliziumoxid mit KOH oder TMAH.

Gegenüber diesen Atzmitteln stellt die Siliziumoxidschicht des SOI-Substrats einen Ätzstopp dar.

Es wurde nun gefunden, daß bei der Herstellung von mikrome- chanischen Sensoren der Einsatz von KOH zur Rückseitenätzung Nachteile mit sich bringt. Es hat sich gezeigt, daB KOH wäh- rend des Ätzvorgangs bereits auf der Oberfläche des Sensors befindliche Strukturen angreifen kann, beispielsweise Schich- ten aus Aluminium auf der Oberseite des mikromechanischen Sensors, Werden mikromechanische Sensoren mit Membranen her- gestellt, die zusätzliche Öffnungen aufweisen, ergeben sich

besondere Probleme. Diese zusätzlichen Öffnungen in der Mem- bran werden entweder zur einfacheren Herstellung des Hohl- raums oder zur Absenkung der Resonanzfrequenz hergestellt.

Bei Ätzung der Rückseitenöffnungen kann es im Fertigungsab- lauf zu einer völligen Zerstörung von Teilbereichen der Mem- bran kommen und damit zum Kontakt der Säure mit der Oberseite des mikromechanischen Sensors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend ge- schilderten Nachteile des Herstellungsverfahrens nach dem Stand der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll durch Ver- meidung dieser Nachteile die Wirtschaftlichkeit des Herstel- lungsverfahrens erhöht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Patentan- spruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Gemäß der Erfindung wird eine Atzmethode zur Herstellung der Rückseitenöffnungen eingesetzt, welche durch eine Anderung der Ladungsträgerkonzentration im zu ätzenden Material wäh- rend des Ätzvorgangs abgestoppt wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mikromechani- scher Sensor umfassend ein Substrat 4, eine über die gesamte Substratoberfläche ragende epitaktisch aufgewachsene Schicht 1, eine aufseitig angeordnete Membran 5 aus überwiegend poly- kristallinem oder einkristallinem Silizium, eine unterhalb der Membran befindliche Gegenelektrode 7, eine Rückseitenöff- nung 6 und einen Hohlraum 3 zwischen Membran und Gegenelek- trode, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der Wafer aus einem dotierten Halbleitermaterial besteht und die epitakti- sche Schicht zumindest in einem dem Substrat zugewandten Fla- chenbereich so dotiert ist, daß ein Sprung in der Ladungsträ-

gerkonzentration an der Grenzfläche zwischen Substratmaterial (4) und epitaktischer Schicht (1) vorhanden ist.

Die Gegenelektrode 7 wird vorzugsweise durch einen in der epitaktischen Schicht angeordneten und durch Dotierung elek- trisch leitfähig gemachten Bereich gebildet. Dieser Bereich befindet sich zweckmäßigerweise direkt unterhalb der Membran S.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der vorstehend be- schriebenen mikromechanischen Sensoren in Drucksensoren und Mikrofonen.

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für einen mi- kromechanischen Sensor gemåß der Erfindung.

Anhand des mikromechanischen Sensors in Figur 1 wird das Ver- fahren der Erfindung erläutert. Auf einem hochdotierten Substrat 4 mit einer Dotierungskonzentration von vorzugsweise mehr als 1 x 1018 cm~3 wird eine epitaktische Schicht 1 der Dicke 5 - 10 um mit einer Dotierungskonzentration vorzugswei- se im Bereich von 5 x 1014 cm3 abgeschieden. Anschließend werden in zwei Schritten Öffnungen in den Wafer 4 geätzt. Im ersten Schritt erfolgt eine naßchemische Atzung mit bei- spielsweise HF/HN03 mit großer Atzrate und im zweiten Schritt eine elektrochemische Atzung mit Atzstopp auf n--Silizium (Epitaxieschicht). Wie sich zeigt, ist ein Schutz der auf der Oberseite des Sensors befindlichen Aluminiummetallisierung mit üblichen Fotoresist und Folie möglich. Bei der Herstel- lung des Sensors werden folgende Schritte durchgeführt : Nach dem Aufbringen der Epitaxieschicht 1 werden Gräben 2 von der Oberseite in die Epitaxieschicht eingeatzt, welche bis in die Substratschicht 4 hineinreichen. Dann werden die Gräben mit Siliziumoxid auf an sich bekannte Weise gefüllt. Auf der Oberseite wird im Anschluß daran auf an sich bekannte Weise eine Halbleiterschaltung nach einem CMOS- oder BiCMOS-Prozeß aufgebracht. Es werden dabei auch der dotierte Bereich 7 und

für die Herstellung der Abstandsschicht 10 benötigte Hilfs- schichten aufgebracht. Auf der Oberseite der Hilfsschicht wird dann eine Siliziumschicht, welche polykristallin oder einkristallin sein kann, aufgebracht. Die Dicke der Silizium- schicht ist vorzugsweise kleiner gleich 1 um. Das Silizium für die Membranschicht 5 kann vorzugsweise in einem Prozeß- schritt zusammen mit den Gate-Elektroden, die für MOSFET s vorgesehen sind, abgeschieden werden. Die elektronischen Bau- elemente in der Bulk-Silizium-Schicht werden in herkömmlicher Weise hergestellt (VLSI-Prozeß oder CMOS-Prozeß). Ein Verfah- ren zur Herstellung dieser Strukturen auf Epitaxieschicht 1 ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 196 484 24. 3 beschrieben.

Nach Fertigstellung der Oberseite des Chips wird die Unter- seite bearbeitet. Zunächst wird zur Herstellung der Rücksei- tenöffnung 6 eine naßchemische Atzung beispielsweise mit HF/ HN03 oder auch KOH bzw. TMAH durchgeführt, welche den Vorteil einer hohen Atzgeschwindigkeit hat. Dieser Atzvorgang wird durch Zeitmessung abgestoppt. Im zweiten Schritt wird der Atzvorgang für die Rückseitenöffnung 8 mit einer elektroche- mischen Atzung fortgesetzt. Während dieses Atzvorgangs er- folgt ein Abstoppen der Rückseitenätzung an dem Übergang von hochdotiertem Substrat 4 zu niedrig dotierter Epitaxieschicht 1. Die elektrochemische Atzung erfolgt mittels HF-Elektrolyt oder KOH-Elektrolyt.

Zur Fertigstellung des Sensors wird von der Rückseite her ei- ne Atzung z. B. mittels Flußsäure selektiv gegen Silizium durchgeführt. Hierdurch bildet sich der Hohlraum 3 und die Ventilationsöffnungen 2.