22.07.08 Gi

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart

Mikromechanisches Bauelement mit Rückvolumen

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Mikromechanische Sensoren verwenden häufig Membranen, die über einem Hohlraum angeordnet sind. Dabei beeinflusst bei bestimmten Sensoren wie den MEMS- Mikrofonen die Größe und die Form dieses Hohlraums das Auflösevermögen der

Sensoren.

Üblicherweise wird ein MEMS-Mikrofon aber auch ein Membransensor mittels eines zweistufigen Prozesses realisiert. Dabei wird ein Sensorelement 120, welches beispielsweise eine Membran und ein Gegenelektrode 130 aufweist, auf ein

Halbleitersubstrat 100 aufgelegt. Wie in Figur Ia dargestellt, wird anschließend von der Rückseite 170 des Halbleitersubstrats 100 eine Kaverne 110 in das Substrat eingebracht, die bis zur aktiven Sensorstruktur, d.h. bei einem Mikrofon beispielsweise bis zu Gegenelektrode 130 reicht. Die Ausformung der Kaverne 110 kann dabei mit Hilfe eines einzelnen Trenchätzprozesses erreicht werden. Dabei ist jedoch notwendig, dass die Ätzfront die aktive Sensorstruktur sehr genau treffen muss, da ansonsten bei einem Versatz der Kavernenöffnung zur Sensorstruktur ein mechanischer/akustischer Kurzschluss entstehen könnte. Wird dagegen die Öffnung der Kaverne zu gering in Bezug auf die Größe der Sensorstruktur ausgelegt, wird die Sensorstruktur, beispielsweise eine Membran, unnötig gedämpft. R324370

Allgemein muss bei der Öffnung unterhalb der Sensorstruktur gerade bei der Verwendung eines M E M S -Mikrofons ein Mindestvolumen eingehalten werden, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu ermöglichen. Zur Steigerung der Empfindlichkeit ist es jedoch wünschenswert, dieses Volumen möglichst groß zu machen. Demgegenüber kann das Volumen jedoch nicht beliebig vergrößert werden, da die Fläche auf der Rückseite 170 des Bauelements bei der Weiterverarbeitung dazu genutzt wird, das Bauelement auf Leiterplatten oder in Gehäuse zu montieren. Daher muss ein Mittelweg zwischen einem großen Rückvolumen und einer ausreichend großen Befestigungsfläche auf der Rückseite des Substrats gefunden werden.

Ein weiteres bekanntes Beispiel, das Rückvolumen zu vergrößern, ist in Figur Ib gezeigt. Dabei wurde im Vergleich zum Bauelement nach Figur Ia ein zweistufiger Trenchätzprozess verwendet. Bei diesem Vorgehen wird mit einem ersten Trenchätzschritt eine Kaverne 140 mit einer gegenüber der aktiven Sensorstruktur 130 größeren Öffnung in das Substrat 100 eingebracht. In einem nachfolgenden zweiten Trenchätzschritt wird eine kleinere Kaverne 150 erzeugt, die an die Dimensionen des Sensorelements 120 bzw. der Sensorstruktur 130 angepasst ist. Obwohl mit diesem Verfahren ein größeres Rückvolumen, bestehend aus den Kavernen 140 und 150, und somit eine Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht werden kann, ist der durch die zwei separaten Strukturierungsschritte verbundene Aufwand im Vergleich zum Bauelement der Figur Ia deutlich erhöht. Auch eine beliebige Vergrößerung der Kaverne 140 ist nicht möglich, da auf der Rückseite 170 des Substrats 100 eine ausreichende Fläche zur Befestigung vorgesehen sein muss.

Abhilfe bei dem Dilemma zwischen vergrößertem Rückvolumen und ausreichender Befestigungsfläche schafft dagegen ein Verfahren, welches ein Bauelement gemäß Figur Ic schafft. Dabei wird durch eine Kombination von anisotropen und isotropen Ätzschritten eine Ringstruktur 160 in das Substrat 100 unterhalb des Sensorelements 120 bzw. der aktiven Sensorstruktur 130 geätzt. Mit dieser Methode erhält man eine

Volumenerhöhung bei im Vergleich zur Figur Ia gleichbleibend großer Befestigungsfläche. Durch die Ringstruktur ist die damit erhaltene Volumenerhöhung R324370

gegenüber dem Bauelement der Figur Ia jedoch bei gleichbleibender Dicke des Substrats 100 im Vergleich zum Bauelement der Figur Ib deutlich geringer.

Aus der DE 10 2007 026450 Al ist ein Verfahren bekannt, bei dem mittels eines besonderen Trenchprozesses in einem Halbleitersubstrat eine seitliche Erweiterung einer Kaverne erzeugt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Bauelement bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements, bei dem ausgehend von einer Öffnung in der Rückseite eines einkristallinen Halbleitersubstrats ein Hohlraum in dem Substrat erzeugt wird. Dabei wird der hierzu verwendete Prozess in Verbindung mit dem verwendeten einkristallinen Halbleitersubstrat derart gesteuert, dass ein weitestgehend rechteckiger Hohlraum entsteht.

Dabei ist vorgesehen, den Hohlraum in lateraler und/oder vertikaler Richtung in rechteckiger Form zu realisieren.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Vorderseite des Halbleitersubstrats ein Sensorelement aufgebracht. Um den Hohlraum mit dem Sensorelement zu verbinden, d.h. um einen Medienzugang zu dem Sensorelement zu erreichen, ist ausgehend von dem Hohlraum eine Öffnung in der Vorderseite des Halbleitersubstrats vorgesehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist als Sensorelement ein Mikrofon vorgesehen, bei dem ein Medienaustausch zwischen dem Hohlraum und dem Bereich zwischen Membran und Gegenelektrode als Druckausgleich nötig ist. Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Gegenelektrode direkt in die Vorderseite des Halbleitersubstrats einstrukturiert wird und die Membran als zusätzliches Bauelement auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird. R324370

Vorteilhafterweise sind die Wände bei der Verwendung eines einkristallinen Halbleitersubstrats in die entsprechenden Kristallrichtungen ausgerichtet. So ist beispielsweise bei einem (lOO)-Kristall eine Ausbildung von Wänden in <110>- Richtung zu beobachten, während die Übergänge zwischen den Wänden in <100>-Richtung verlaufen. Diese Übergänge sind durch die verminderte

Ätzgeschwindigkeit in diesen Kristallrichtungen mehr oder weniger abgerundet.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des rechteckigen Hohlraums unterhalb der Membran bzw. Gegenelektrode kann in dem Halbleitersubstrat ein größeres Volumen gegenüber einer ovalen Ausgestaltung realisiert werden. Dies ermöglicht eine größere Medienaufnahme. Darüber hinaus lässt sich dadurch auch eine Steigerung der Empfindlichkeit des Sensorelements erreichen. Weiterhin ist somit die Herstellung dünnerer und kleinerer Sensorelemente, insbesondere Mikrofone möglich.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen

Die Figuren Ia bis Ic zeigen Ausgestaltungen von Hohlräumen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. In den Figuren 2a bis 2d wird die Herstellung des rechteckigen Hohlraums gezeigt. Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Hohlraum. Figur 4 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel in

Form eines teilweise in das Halbleitersubstrat integrierten Mikrofons. R324370

Ausführungsbeispiel

Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements wird zunächst ein Sensorelement 220 auf ein einkristallines Halbleitersubstrat 200 aufgebracht werden. Dabei kann es sich sowohl um einen üblichen mikromechanischen Membransensor aber auch um ein mikromechanisch hergestelltes Mikrofon handeln. Dabei kann die Membran oder das Gegenelement bzw. die Gegenelektrode 230 direkt auf das Substrat aufgebracht. Alternativ ist jedoch auch möglich, dass das Sensorelement 220 derart auf die Vorderseite 310 des Substrats 200 aufgebracht wird, dass zwischen Membran bzw. Gegenelement und dem Substrat ein mehr oder weniger großer Abstand befindet, um einen direkten Kontakt und somit eine Beschädigung bei der Herstellung zu vermeiden.

Anschließend wird gemäß einem üblichen mikromechanischen Trenchätzprozess eine Maske 240 auf die Rückseite des Substrats 200 aufgebracht, die die spätere Kaverne

210 definiert. Bei dem nachfolgenden Trenchätzprozess wird, wie in Figur 2a dargestellt, anisotrop eine näherungsweise senkrechte Vertiefung in das Substrat 200 eingebracht, welche die Kaverne 210 bildet. Dabei baut sich an der Seitenwand der Kaverne eine Passivierung 250 auf. Um ein besonders hohes Rückvolumen zu erreichen, sollte der Trenchätzprozess näherungsweise bis zur Hälfte der Dicke des

Substrats 200 durchgeführt werden.

Optional kann in einem weiteren Ätzschritt gemäß Figur 2b ausgehend von der Kaverne 210 ein isotroper Ätzschritt, z.B. mittels einer SF ₆ -Ätzung, ein Ring 260 in die Tiefes des Substrats eingebracht werden. Dieser optionale Schritt verkürzt die

Herstellungszeit, da die Ätzgeschwindigkeit der SF ₆ -Ätzung im Vergleich zum nachfolgenden Ätzschritt erhöht ist.

Die wesentliche Änderung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass ein Ätzschritt verwendet wird, der die Kristallorientierungen des Substrats berücksichtigt.

Vorteilhaft hat sich dabei eine Ätzung mit CI F ₃ , XeF ₂ oder einem anderen anisotrp ätzenden Gas herausgestellt. Bei diesem Ätzvorgang sind die Ätzfronten in den verschiedenen Kristallrichtungen derart unterschiedlich, dass sich ein annähernd R324370

rechteckiger Hohlraum 270 im Substrat 200 ergibt, wie es die Figur 2c zeigt. Die Größe des Hohlraums 270, d.h. die laterale Ausdehnung des Hohlraums 270 im Substrat 200 lässt sich über die Ätzzeit bestimmen. So ist es möglich, ein gegenüber dem Sensorelement 220 bzw. der Membran oder der Gegenelektrode 230 lateral ausgedehnten Hohlraum zu erzeugen, der nach allen Seiten die gleiche Tiefe aufweist.

Im letzten Ätzschritt wird mittels eines (ansisotropen) Trenchätzprozess durch die im ersten Trenchätzprozess erzeugte Öffnung 215 der Hohlraum 270 zum Sensorelement 220 bzw. zur Membran oder der Gegenelektrode 230 geöffnet. Dabei muss, wie eingangs beschrieben, die Größe der erzeugten Öffnung 280 auf das Sensorelement

220 bzw. die Membran oder die Gegenelektrode 230 abgestimmt werden.

Falls notwendig, kann in einem weiteren Schritt auch die Ätzmaske 240 sowie die Passivierungsschicht 250 entfernt werden, bevor das Bauelement separiert wird.

Im Querschnitt durch das Bauelement gemäß der Figur 2d lässt sich die Wirkung der unterschiedliche Ausbreitung der Ätzfronten anhand der Kristallorientierungen in einem einkristallinen Halbleitersubstrat verdeutlichen. So ist beispielsweise bei einem (100)- Si-Substrat die Ätzrate in <100>-Richtung 340 kleiner als in die <110>-Richtung 350, weswegen die Wände 320 des Hohlraums 270 nahezu rechteckig bzw. quadratisch ausgerichtet sind. Wie anhand der Figur 3 ebenfalls zu erkennen ist, wirkt der anisotrope Ätzprozess auch auf die Maskenöffnung 215 indem dort ebenfalls eine rechteckförmige bzw. quadratische Ätzfront 330 entsteht.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist auch möglich, statt einer einzelnen

Öffnung 280 mehrere kleinere Öffnungen 400 als Durchgangsöffnung zum Sensorelement 420 zu erzeugen, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Gegenelektrode 410 direkt in die Vorderseite des Substrats 200 eingebracht wird. Dabei kann gegebenenfalls auch eine zusätzliche Dotierung dieses Gebiets vorgenommen werden. Der Vorteil bei diesem Ausführungsbeispiel liegt darin, dass nicht das gesamte M E MS- Mikrofon auf das Substrat 200 aufgebracht werden muss, sondern nur das mit der Membran 430 versehene Sensorelement 420. R324370

Darüber hinaus ist auch denkbar, das Sensorelement ganz in das Substrat zu integrieren.