DE10063991A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen BauelementenInfo
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Abstract
Drei Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen mit unterätzten Schichtelementen, die mit Hilfe einer isotropen Ätzung durch Ätzlöcher erzeugt werden, werden beschrieben. Die unterätzten Schichtelemente können z. B. Membrane, Brücken, mechanische Schalter oder andere elektrische oder mechanische Elemente sein. Die anschließende Schließung der Ätzlöcher zur Stabilisierung oder Abdichtung der unterätzten Schichtelemente geschieht durch die Abscheidung von Abdeckmaterial, wobei durch die Erzeugung von Passivierungen in verschiedenen Bereichen des mikromechanischen Bauelements es ermöglicht wird, daß das Abdeckmaterial aus dem gleichen Material wie die unterätzten Schichtelemente ist. Weiterhin ermöglichen die Passivierungen, daß die unterätzten Schichtelemente durch das Abscheiden des Abdeckmaterials nicht übermäßig dick werden oder mit dem Substrat zusammenwachsen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
mikromechanischen Bauelementen mit unterätzten
Schichtelementen.
Mikromechanische Bauelemente finden zunehmend Anwendung
in Drucksensoren, Mikrophonen, Beschleunigungssensoren,
Schaltern, Mikropippetierungseinheiten, elektrischen
Hohlraumsicherungen und anderen Apparaten. Die
mikromechanischen Herstellungsverfahren ermöglichen dabei
einen hohen Grad der Miniaturisierung, wobei man sich
gleichzeitig die Vorteile einer monolithische Integration mit
einer mikroelektronisch hergestellten Auslese- oder
Steuerelektronik zu Nutze machen kann. Auf diese Weise können
mikromechanische Bauelemente auf kompakte, zuverlässige und
kostengünstige Weise in großer Stückzahl hergestellt werden.
Bei der Erzeugung von mikromechanischen Bauelementen
spielt die Herstellung von unterätzten Schichtelementen eine
besondere Rolle. Unter unterätzten Schichtelementen versteht
man die Bereiche von Schichten, die auf keiner fremden
Schicht aufliegen. Beispiele für unterätzte Schichtelemente
sind mikromechanische Membrane, Brücken, Stege und ähnliches.
Die Herstellung unterätzter Schichtelemente für
mikromechanische Bauelemente wird meist wie folgt
durchgeführt (Fig. 1a) bis 1d)): ein Schichtstapel 1-0 mit
einem Substrat 1-1 aus Silizium, darauf aufgebracht einer
sogenannten Opferschicht 1-2, z. B. aus Siliziumoxid, und
darauf aufgebracht einer zu unterätzenden Schicht 1-3 wird
erzeugt (Fig. 1a). Die zu unterätzende Schicht 1-3 ist häufig
aus Polysilizium oder epitaktisch aufgewachsenem Silizium.
Um Teile der zu unterätzenden Schicht 1-3 unterätzen zu
können, muß die zu unterätzende Schicht, z. B. mit Hilfe
photolithographischer Verfahren, geöffnet werden. In Fig. 1b)
erfolgt die Öffnung durch eine Strukturierung der zu
unterätzenden Schicht 1-3, z. B. zu drei Balken, die an einer
Seite verbunden sind. Wird die Opferschicht 1-2 nun isotrop
geätzt, so wird die Opferschicht 1-2 auch unterhalb der drei
Balken geätzt, so daß sich bei ausreichend langer Ätzzeit die
drei Balken zu unterätzten Schichtelementen 1-4 ausbilden.
Dabei werden gleichzeitig auch Hohlbereiche 1-7 im Bereich
zwischen unterätzten Schichtelementen 1-4 und Substrat 1-1
erzeugt. Fig. 1b) zeigt auch, daß die Opferschicht 1-2
aufgrund der begrenzten Ätzzeit lediglich im
Verbindungsbereich der drei Balken zurückgeblieben ist. Der
zurückgebliebene Bereich der Opferschicht 1-2 dient in dieser
Ausführung als Stützung der drei unterätzten Balken 1-4.
Dieses Verfahren hat jedoch Nachteile. Zum einen ist es
mit diesem Verfahren nicht möglich, Membrane, die hermetisch
dicht rundum auf einer Opferschicht aufliegen, herzustellen,
da in diesem Falle die zu unterätzende Schicht nicht
strukturiert wird und somit keine Öffnungen vorhanden sind,
durch welche die Opferschicht geätzt werden kann. Zum anderen
besteht für die Erzeugung von großflächigen unterätzten
Schichtelementen das Problem, daß das notwendige Unterätzen
durch den isotropen Ätzschritt sehr lange dauern kann. So
dauert es z. B. bis zu zwei Stunden, um in einer Opferschicht
aus Siliziumoxid Hohlräume von einem mittleren Volumen von
400 µm3 mit 10%-tiger Flusssäure freizuätzen. Bei diesen
langen Ätzzeiten ist zudem die Reproduzierbarkeit für eine
plangenaue Strukturierung der Opferschicht nur begrenzt
gegeben. Das kann z. B. zur Folge haben, daß Teile der
Opferschicht, die z. B. zu Stützzwecken erhalten bleiben
sollen, gelegentlich ebenfalls entfernt werden.
Zur Lösung dieses Problems werden zusätzlich kleine
Öffnungen, sogenannte Ätzlöcher, in der zu unterätzenden
Schicht erzeugt, welche die Aufgabe haben, eine möglichst
große Angriffsfläche auf die darunterliegende Opferschicht
für das isotrop ätzende Medium herzustellen. Die Ätzlöcher
können dabei runde, aber auch nichtrunde Formen wie z. B.
schlitzförmige Formen aufweisen und ggf. auch an die
gewünschte Form der zu erzeugenden unterätzten
Schichtelemente angepaßt gestaltet werden.
Für viele Anwendungen ist es von Vorteil, wenn die
Ätzlöcher nach der isotropen Ätzung wieder geschlossen
werden. Zum einen können die unterätzten Schichtelemente
damit ihre mechanische oder elektrische Stabilität weitgehend
wieder zurückerhalten; zum anderen mag es erforderlich sein,
daß die unterätzten Schichtelemente Strukturen auf dem
Substrat abdecken oder, wie im Fall von Drucksensoren, einen
hermetisch dichten Verschluß bilden sollen.
Damit die Ätzlöcher mit einem Abdeckmaterial problemlos
geschlossen werden können, sollten die Ätzlöcher möglichst
kleine Durchmesser haben. Fig. 1c) zeigt schematisch das
mikromechanische Bauelement 1b) mit den drei unterätzten
Balken 1-4, von denen jeder mit einem zusätzlichen Ätzloch 1-
5 versehen ist. Auf diese Weise kann die Ätzzeit verkürzt
werden, so daß der Stützbereich der Opferschicht 1-2 im
Vergleich zu Fig. 1b) vergrößert wurde. In dieser Zeichnung
sind die Ätzlöcher im Vergleich zu der Balkenstrukturgröße
aus Darstellungsgründen deutlich größer als in Wirklichkeit.
Die Materialien des Schichtstapels 1-0 werden bei diesem
Verfahren zum einen so gewählt, daß die Strukturierung der zu
unterätzenden Schicht 1-3 durch Ätzung selektiv zur
darunterliegende Opferschicht 1-2 erfolgen kann. Weiterhin
sollten die Materialien es erlauben, die Opferschicht 1-2 mit
naßchemischen Verfahren zu entfernen, ohne daß die zu
unterätzende Schicht 1-3 zerstört wird. Beispielsweise
besteht die Opferschicht 1-2 aus einem Siliziumoxid und die
zu unterätzende Schicht 1-3 aus Epi- oder Polysilizium. Die
Epi- oder Polysiliziumschicht kann naßchemisch mit Basen wie
KOH geätzt werden (große Strukturen) oder, wenn die
mikromechanischen Abmessungen in der Größenordnung von
wenigen µm oder kleiner liegen, mit in einem Plasma
befindlichen Gasen "trockenchemisch" geätzt werden (z. B.
Cl2-, HBr- oder SF6-Gase oder Mischungen von Gasen).
Die Opferschicht aus Siliziumoxid 1-2 wird z. B. mit
einer flußsäurehaltigen Lösung entfernt (verdünnte HF oder
verdünnte NF3/HF), welche die darüber liegende zu
unterätzende Schicht aus Silizium 1-3 nicht angreift. Der
Angriff der Ätzchemikalie auf die Opferschicht 1-2 erfolgt
über die offenen Gebiete der zu unterätzenden Schicht 1-3
einschließlich der Ätzlöcher 1-5. Typische Abmessungen der
Ätzlochdurchmesser liegen - abhängig von der Geometrie der
mikromechanischen Elemente - im Bereich von einigen 10 nm bis
zu mehreren Mikrometern.
Der Verschluß der Ätzlöcher wird gewöhnlich durch ein
Abscheiden von Abdeckmaterial erreicht. Durch Diffusion gerät
das Abdeckmaterial jedoch auch in die Hohlbereiche 1-7 und
lagert sich dort ab. Fig. 1d) zeigt in einem Querschnitt das
in Fig. 1c) dargestellte mikromechanische Bauelement nach dem
Abscheiden des Abdeckmaterials 1-6. Die zum Schließen der
Ätzlöcher erforderliche Schichtdicke des Abdeckmaterials 1-6
erzeugt jedoch auch eine Schicht im Hohlbereich 1-7, die die
Schichtdicke der unterätzten Schichtelemente erhöht und das
mechanische oder elektrische Verhalten verändert.
Die Größe der Ätzlöcher ist abhängig von dem gesamten
Prozeßablauf, mit dem die unterätzten Schichtelemente 1-4
hergestellt werden. Weiterhin hängt ihre Größe von der
geplanten Enddicke der zu unterätzten Schichtelemente 1-4 ab:
je dünner die Enddicke der unterätzten Schichtelemente, desto
kleiner muß der Durchmesser der Ätzlöcher 1-5 sein. Somit
ergeben sich derzeit Ätzlöcher mit einem Durchmesser größer
als 50 nm und kleiner als 5 µm.
Eine Methode, Ätzlöcher mit kleinem Durchmesser
abzudecken oder zu verschließen, ist in der europäischen
Patentanmeldung EP 0 783 108 A1 beschrieben. Dort werden die
Ätzlöcher durch die Abscheidung einer fließfähigen BPSG-
Schicht (Bor-Phosphor-Silikat-Glas) geschlossen. Ein Nachteil
dieser Methode liegt jedoch darin, daß die unterätzten
Schichtelemente bzw. Membranschichten dann nicht mehr nur aus
Epi- oder Polysilizium sondern aus verschiedenen Materialien
mit unterschiedlichen Materialeigenschaften bestehen. Das
kann zu mechanischen Spannungen zwischen den Materialien
führen. Weiterhin wird in der Regel die Kompatibilität zu den
folgenden Prozessschritten verringert. Schließlich kann eine
BPSG-Schicht aufgrund ihrer Dotierung ausgasen, so daß bei
hermetisch abzudichtenden Membranen sich ein unerwünschter
Überdruck im Hohlraum bilden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das die oben
aufgeführten Schwierigkeiten vermindert bzw. ganz vermeidet.
Diese Aufgabe wird von den Verfahren zur Herstellung von
mikromechanischen Bauelementen gemäß der unabhängigen
Patentansprüche 1, 7 und 8 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden
Zeichnungen.
Erfindungsgemäß wird ein erstes Verfahren zur Herstellung
von mikromechanischen Bauelementen mit unterätzten
Schichtelementen mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
- a) auf ein Substrat wird ein Schichtstapel, der eine Opferschicht und darauf aufgebracht eine zu unterätzende Schicht aufweist, aufgebracht;
- b) durch die zu unterätzende Schicht wird mindestens ein Ätzloch erzeugt;
- c) die Opferschicht wird isotrop geätzt, so daß unterätzte Schichtelemente erzeugt werden;
- d) eine Passivierung wird im Oberflächenbereich zwischen unterätzten Schichtelementen und Substrat erzeugt;
- e) Abdeckmaterial wird selektiv zu der Passivierung abgeschieden, so daß das Ätzloch geschlossen wird.
Erfindungsgemäß wird ein weiteres Verfahren zur
Herstellung von mikromechanischen Bauelementen mit
unterätzten Schichtelementen mit den folgenden Schritten
bereitgestellt:
- a) auf ein Substrat wird ein Schichtstapel, der eine erste Passivierungsschicht, darauf aufgebracht eine Opferschicht und darauf aufgebracht eine zu unterätzende Schicht aufweist, aufgebracht;
- b) durch die zu unterätzende Schicht wird mindestens ein Ätzloch erzeugt;
- c) die Opferschicht wird isotrop geätzt, so daß unterätzte Schichtelemente erzeugt werden;
- d) Abdeckmaterial wird selektiv zu der ersten Passivierungsschicht abgeschieden, so daß das Ätzloch geschlossen wird.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein drittes Verfahren zur
Herstellung von mikromechanischen Bauelementen mit
unterätzten Schichtelementen mit den folgenden Schritten
bereitgestellt:
- a) auf ein Substrat wird ein Schichtstapel, der eine Opferschicht, darauf aufgebracht eine zweite Passivierungsschicht und darauf aufgebracht eine zu unterätzende Schicht aufweist, aufgebracht;
- b) durch die zu unterätzende Schicht und die zweite Passivierungsschicht wird mindestens ein Ätzloch erzeugt;
- c) die Opferschicht wird isotrop geätzt, so daß unterätzte Schichtelemente erzeugt werden;
- d) Abdeckmaterial wird selektiv zu der zweiten Passivierungsschicht abgeschieden, so daß das Ätzloch geschlossen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, daß die
Ätzlöcher mit dem gleichen Material wie dem der unterätzten
Schichtelemente geschlossen werden, so daß die unterätzten
Schichtelemente nach dem Ätzlochverschluß aus einem
einheitlichen Material sind. Das einheitliche Material eines
unterätzten Schichtelements vermeidet mechanische Spannungen
und ungewollte chemische Reaktionen zwischen Schichten aus
verschiedenen Materialien und vereinfacht die weitere
Prozeßführung.
Diese Vorzüge werden durch die selektive Abscheidung des
Abdeckmaterials bezüglich der Passivierungen im
Oberflächenbereich zwischen unterätzten Schichtelementen und
Substrat ermöglicht. Die Passivierung, die erfindungsgemäß
auch mit Hilfe von erster oder zweiter Passivierungsschicht
erzeugt werden kann, bewirkt, daß bei geeigneter
Prozeßführung das Abdeckmaterials sich bevorzugt auf
Oberflächen abscheidet, die keine passivierte Oberfläche
aufweisen. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Abscheidung
von Abdeckmaterial im Bereich zwischen unterätzten
Schichtelementen und Substrat unterdrückt ist, während die
Ablagerung des Abdeckmaterials auf der Oberseite der
unterätzten Schichtelemente zum Schließen der Ätzlöcher
unbeschadet fortgeführt wird.
Durch die Unterdrückung der Abscheidung von Abdeckmaterial
im Bereich zwischen unterätzten Schichtelementen und Substrat
kann eine größere Menge von Abdeckmaterial zum Abdecken der
Ätzlöcher abgeschieden werden, ohne daß sich zu viel
Abdeckmaterial im zu unterätzenden Bereich abscheidet, das im
schlimmsten Fall zu einem Zusammenwachsen von unterätztem
Schichtelement und Substrat durch das Abdeckmaterial führen
kann. Ein Zusammenwachsen von unterätztem Schichtelement und
Substrat durch Abdeckmaterial würde die Charakteristik der
unterätzten Schichtelemente zerstören, was Funktionen der
unterätzten Schichtelemente z. B. als Membranen, Drucksensoren
oder als elektrische Hohlraumsicherung beeinträchtigen würde.
Weiterhin wird das Schichtdickenwachstum und damit
Verfälschungen des mechanischen oder elektrischen Verhaltens
der unterätzten Schichtelemente deutlich reduziert.
Die Ätzlöcher dienen dazu, die Angriffsfläche des isotrop
ätzenden Medium auf die Opferschicht zu erweitern, so daß
auch großflächige Schichtelemente in einer vorgegebenen
Ätzzeit unterätzt werden können. Auf diese Weise kann die
Strukturgröße eines zu erzeugenden unterätzten
Schichtelements weitgehend unabhängig von der Ätzzeit gewählt
werden, was die Gestaltungsfreiheit für unterätzte
Schichtelementestrukturen erhöht.
Unter unterätzten Schichtelementen sind die Bereiche der
auf der Opferschicht aufliegenden Schichten zu verstehen, die
durch die isotrope Ätzung der Opferschicht nicht mehr auf der
Opferschicht aufliegen. Im Falle von Anspruch 1 und 7
bestehen die unterätzten Schichtelemente bevorzugt aus
Bereichen der zu unterätzenden Schicht 1-3. Im Falle von
Anspruch 8 bestehen die unterätzen Schichtelemente bevorzugt
aus Bereichen der zu unterätzenden Schicht und der zweiten
Passivierungsschicht.
Die Ätzlöcher können im Prinzip jede Form annehmen, so
lange sie klein genug sind, um während des Abscheidens des
Abdeckmaterials wieder geschlossen zu werden. Sie können
daher runde, ovale oder eckige Löcher mit ausreichend kleinem
Durchmessern, aber auch z. B. Schlitze von ausreichender
Schmalheit sein. Bevorzugt werden die Ätzlöcher gleichzeitig
mit der Strukturierung der zu ätzenden Schicht, z. B. für die
Herstellung einer Brücke, erzeugt. Bevorzugt werden die
Ätzlöcher dabei in einem photolithographischen Verfahren
hergestellt.
Die isotrope Ätzung bewirkt ein laterales Ätzen der
Opferschicht, so daß Opferschichtmaterial auch unterhalb der
zu unterätzenden Schicht, d. h. zwischen zu unterätzender
Schicht und Substrat, entfernt wird. Da die isotrope Ätzung
die zu unterätzende Schicht weitgehend chemisch nicht
angreift, werden Bereiche der zu unterätzenden Schicht
unterätzt und bilden somit unterätzte Schichtelemente. Durch
Fortführen der isotropen Ätzung ist es weiterhin möglich, daß
benachbarte unterätzte Schichtelemente zusammenwachsen und
ein gemeinsames großes unterätztes Schichtelement bilden.
Sind z. B. durch eine Vielzahl von benachbarten Ätzlöcher
viele unterätzte Schichtelemente erzeugt worden, so kann
durch ein Fortsetzen der isotropen Ätzung ein großes
unterätztes Schichtelement erzeugt werden. Bevorzugt wird das
isotrope Ätzen durch einen naßchemischen Ätzschritt erzeugt.
Die Prozeßführung zur Abscheidung des Abdeckmaterial ist
so gewählt, daß das Abdeckmaterial auf der Oberseite der
zu unterätzenden Schicht oder auf den Seitenwänden der
Ätzlöcher mit einer vielfach größeren Wachstumsrate aufwächst
als auf den passivierten Schichten (Passivierung oder
Passivierungsschicht). Durch die passivierten Oberflächen
zwischen unterätzten Schichtelementen und Substrat ist
gewährleistet, daß das Abdeckmaterial, das durch Diffusion in
die Hohlbereiche unterhalb der unterätzten Schichtelemente
eingedrungen ist, sich nicht oder nur sehr langsam auf dem
Substrat oder auf der unteren Seite der unterätzten
Schichtelemente ablagert. Dadurch kann verhindert werden, daß
unterätzte Schichtelemente und Substrat durch das
abgeschiedene Abdeckmaterial zusammenwachsen oder die zu
unterätzende Schicht dicker als erwünscht wird.
In dem Verfahren nach Anspruch 1 wird die Passivierung
bezüglich des Abdeckmaterials durch eine Passivierung
erzielt, die nach der isotropen Ätzung auf den Oberflächen
zwischen unterätzten Schichtelementen und Substrat erzeugt
wird. Die Passivierung kann aufgebracht oder auch an der
Oberfläche erzeugt (z. B. thermische Oxidation) sein. Im
Unterschied zu erster und zweiter Passivierungsschicht kann
die Passivierung Bereiche zwischen unterätzten
Schichtelementen und Substrat dreidimensional auskleiden. In
den Verfahren nach Anspruch 7 und 8 wird die Passivierung
dagegen durch mindestens eine Passivierungsschicht erzeugt,
die vor der Strukturierung in den Schichtstapel eingebracht
worden ist und die erst durch die isotrope Ätzung wieder
freigelegt wird.
Die erfindungsgemäße Schließung der Ätzlöcher mit
Abdeckmaterial setzt voraus, daß die Oberseite der
unterätzten Schichtelemente oder die Seitenwände der
Ätzlöcher weitgehend frei von Passivierung sind. Unter der
Oberseite ist hier wie im folgenden die Seite der unterätzten
Schichtelemente zu verstehen, die dem Substrat nicht
zugewandt ist. Die Oberseite der unterätzten Schichtelemente
oder die Seitenwände der Ätzlöcher werden als Auflagefläche
für die Abscheidung des Abdeckmaterials benötigt, mit denen
die Ätzlöcher geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Oberseite der
unterätzten Schichtelemente dadurch frei von Passivierung
gehalten, daß nach einem Passivierungsschritt die
Passivierung auf der Oberseite der unterätzten
Schichtelemente wieder entfernt wird. Bevorzugt wird die
Entfernung der Passivierung auf der Oberseite der unterätzten
Schichtelemente dabei durch einen weitgehend anisotropen
Ätzschritt vollzogen.
In einer bevorzugten Ausführung weisen die Ätzlöcher
trichterförmig schräge Seitenwände auf, so daß nach der
anisotropen Ätzung der Oberseiten der unterätzten
Schichtelemente auch die Seitenwände der Ätzlöcher frei von
Passivierungsbelag sind. Dadurch kann sich bei der
Abscheidung des Abdeckmaterials das Abdeckmaterial auch auf
den Seitenwände der Ätzlöcher ablagern, was das Verschließen
der Ätzlöcher beschleunigt. Insbesondere kann damit auch
erreicht werden, daß die Ätzlöcher verschlossen werden, ohne
daß ein zusätzlicher Schichtauftrag des Abdeckmaterials auf
der Oberseite der unterätzten Schichtelementen benötigt wird.
Dadurch können die unterätzten Schichtelemente ihre
ursprüngliche Schichtdicke unabhängig von den zu schließenden
Ätzlochdurchmessern beibehalten.
Bevorzugt ist der anisotrope Ätzprozeß so eingestellt,
daß die Ätzrate auf der Oberfläche des Substrats um mehr als
10% kleiner ist als die Ätzrate auf der Oberfläche der
unterätzten Schichtelemente. Dies kann z. B. über eine
ausreichend kurze freie Weglänge des Ätzgases im Reaktor
eingestellt werden. Durch dieses Verfahren wird
gewährleistet, daß die Passivierung auf der Oberseite der
unterätzten Schichtelemente durch die anisotrope Ätzung
vollständig entfernt wird, während die Passivierung auf dem
Substrat direkt unterhalb der offenen Bereiche der zu
unterätzenden Schicht und insbesondere unterhalb der
Ätzlöcher noch vorhanden ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführung wird die
Oberseite der zu unterätzenden Schicht vor der Erzeugung der
Passivierung mit einer Schutzschicht bedeckt, die die
Erzeugung einer Passivierung auf der Oberseite der zu
unterätzenden Schicht verhindert. Dadurch kann der anisotrope
Ätzschritt zur Beseitigung der Passivierung auf der Oberseite
der zu unterätzenden Schicht wegfallen. Bevorzugt wird die
Schutzschicht nach der Erzeugung des Passivierung wieder
entfernt.
Bevorzugt weist das Substrat auf der Oberfläche Silizium
auf. Die Passivierung ist in einer ersten bevorzugten
Ausführung ein Siliziumoxid, das thermisch oder in einem
Abscheidungsprozeß im Oberflächenbereich zwischen unterätzten
Schichtelementen und Substrat erzeugt wird. In einer zweiten
bevorzugten Ausführung ist die Passivierung ein
Siliziumnitrid. Die Erzeugung einer Passivierung aus
Siliziumoxid oder Siliziumnitrid auf den
Oberflächenbereichen, die bevorzugt aus Silizium sind,
geschieht mit Methoden nach Stand der Technik.
In dem Verfahren nach Anspruch 7 weist der Schichtstapel
eine erste Passivierungsschicht auf, die zwischen dem
Substrat und der Opferschicht angeordnet ist. Die erste
Passivierungsschicht ist aus einem Material, bevorzugt
Siliziumnitrid, das bei der Abscheidung des Abdeckmaterials
eine Ablagerung unterdrückt. Die erste Passivierungsschicht
wird bei dem isotropen Ätzen der Opferschicht teilweise oder
vollständig freigelegt. Auf diese Weise wird die Abscheidung
von Abdeckmaterial im Bereich zwischen unterätzten
Schichtelementen und Substrat weitgehend unterdrückt.
In dem Verfahren nach Anspruch 8 weist der Schichtstapel
eine zweite Passivierungsschicht auf, die zwischen
Opferschicht und zu unterätzender Schicht angeordnet ist. Die
zweite Passivierungsschicht besteht ebenfalls aus einem
Material, bevorzugt Siliziumnitrid, das bei der Abscheidung
des Abdeckmaterials eine Ablagerung des Abdeckmaterials
unterdrückt.
Die nach dem Verfahren nach Anspruch 8 erzeugten Ätzlöcher
führen durch die zu unterätzende Schicht und die zweite
Passivierungsschicht hindurch. Durch die isotrope Ätzung der
Opferschicht werden Bereiche der Oberfläche der zweiten
Passivierungsschicht freigelegt. Die unterätzten
Schichtelemente setzen sich somit aus Elementen der zweiten
Passivierungsschicht und der zu unterätzenden Schicht
zusammen. Durch das Freilegen von Bereichen der zweiten
Passivierungsschicht wird die Abscheidung des Abdeckmaterials
auf den Unterseiten der unterätzten Schichtelemente
weitgehend unterdrückt. Weiterhin wird das
Schichtdickenwachstum der unterätzten Schichtelemente durch
das Abdeckmaterial reduziert.
Bevorzugt weist der Schichtstapel eine erste
Passivierungsschicht und eine zweite Passivierungsschicht
auf. Die erste Passivierungsschicht ist von der Art wie in
Anspruch 7 beschrieben und zwischen Substrat und Opferschicht
angeordnet, die zweite Passivierungsschicht ist von der Art
wie in Anspruch 8 beschrieben und zwischen Opferschicht und
zu unterätzender Schicht angeordnet. Auf diese Weise kann die
isotrope Ätzung der Opferschicht sowohl Bereiche der ersten
Passivierungsschicht auf dem Substrat als auch Bereiche der
zweiten Passivierungsschicht auf der Unterseite der
unterätzten Schichtelemente freilegen. Damit wird die
Abscheidung von Abdeckmaterial sowohl auf dem Substrat als
auch auf den Unterseiten der unterätzten Schichtelemente
unterdrückt. Dadurch kann die Menge des Abdeckmaterials, mit
denen die Ätzlöcherabgedeckt werden sollen, um ein Vielfaches
erhöht werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß unterätzte
Schichtelemente und Substrat durch Abscheidungen des
Abdeckmaterials ungewollt zusammenwachsen.
Bevorzugt weist der Schichtstapel auf der zu unterätzenden
Schicht eine dritte Passivierungsschicht auf, so daß das
Abdeckmaterial auch selektiv zur dritten Passivierungsschicht
abgeschieden wird. Die Ätzlöcher führen dabei durch die
dritte Passivierungsschicht und die zu unterätzende Schicht
hindurch. Durch die dritte Passivierungsschicht wird die
Abscheidung von Abdeckmaterial auf der Oberseite der
unterätzten Schichtelemente unterdrückt. Damit wird das
Wachstum der Schichtdicke der unterätzten Schichtelemente
während des Verschließens der Ätzlöcher unterdrückt, so daß
die unterätzten Schichtelemente ihre mechanischen oder
elektrischen Eigenschaften beibehalten. In einer bevorzugten
Ausführung weist der Schichtstapel sowohl erste, zweite als
auch dritte Passivierungsschicht auf. Auf diese Weise kann
das Abdeckmaterial im Bereich der Ätzlöcher nur noch an den
Seitenwände der Ätzlöcher abgeschieden werden. Auf diese
Weise können die Ätzlöcher durch das Abdeckmaterial
geschlossen werden, ohne daß die Schichtdicke der unterätzten
Schichtelemente zunimmt.
Bevorzugt sind Abdeckmaterial und Material der unterätzten
Schichtelemente aus dem gleichen Material. Dadurch ist die
materialbezogene Homogenität der unterätzten Schichtelemente
gewährleistet, was mechanische Spannungen und chemische
Reaktionen durch unterschiedliche Materialeigenschaften
verhindert und die weitere Prozeßführung erleichtert.
Bevorzugt ist das Substrat aus einem Halbleitermaterial,
und insbesondere aus Silizium, da für solche Substrate eine
Vielfalt von technologischen Mitteln für das Aufbringen und
Strukturierung von Schichten vorhanden ist.
Das Substrat dient vor allem als Auflagefläche für
Passivierungsschichten oder Opferschichten. Seine Oberfläche
kann vor dem Erzeugen des Schichtstapels in vielfältiger
Weise vorstrukturiert und vorbehandelt sein. In einer
bevorzugten Weise ist das Substrat ein Halbleitersubstrat mit
einer vor dem Erzeugen des Schichtstapels aufgebrachten
mikroelektronischen Schaltung oder mit vor dem Erzeugen des
Schichtstapels aufgebrachten mikromechanischen Elementen.
Daher ist unter Substrat auch ein Halbleitersubstrat mit auf
der Oberfläche aufgebrachten strukturierten Schichten aus
anderen Materialien zu verstehen. Auf diese Weise lassen sich
vielfältige mikromechanische Elemente zusammen mit den zu
erzeugenden Opferschichtelementen und mit den zu
unterätzenden Schichtelementen herstellen. Insbesondere
lassen sich auf diese Weise mikromechanische Elemente und
mikroelektronische Schaltungen auf kompakte und
kostengünstige Weise monolithisch miteinander integrieren.
Bevorzugt ist die Opferschicht aus Siliziumoxid,
Polygermanium, undotiertem Polysilizium oder Siliziumnitrid,
je nachdem aus welchen Materialien die zu unterätzende
Schicht und die Passivierungsschichten sind. Die Opferschicht
ist bevorzugt aus Siliziumoxid, wenn die zu unterätzende
Schicht aus Silizium, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid ist.
Die Opferschicht ist bevorzugt aus undotiertem Polysilizium,
wenn die zu unterätzende Schicht aus Siliziumoxid oder
Siliziumnitrid ist. Die Opferschicht ist bevorzugt aus
Nitrid, wenn die zu unterätzende Schicht aus Silizium oder
Siliziumcarbid ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die
Opferschicht strukturiert, bevor eine zweite
Passivierungsschicht oder die zu unterätzende Schicht
aufgebracht werden. Auf diese Weise sind die
Gestaltungsmöglichkeiten von mikromechanischen Elementen
deutlich erhöht. Zum Beispiel kann damit erreicht werden, daß
unterätzte Schichtelemente bereichsweise auch direkt auf dem
Substrat aufliegen.
Bevorzugt ist die zu unterätzende Schicht aus Silizium,
insbesondere aus Polysilizium oder epitaktisch gewachsenem
Silizium, aus Siliziumcarbid, aus Siliziumoxid oder
Siliziumnitrid. Schichten aus Siliziumnitrid und Siliziumoxid
haben den Vorteil, daß sie im optischen Bereich durchsichtig
sind, so daß z. B. bei einer Membranschicht durch die
Membranschicht für Meß- und Beobachtungszwecke in den
Hohlbereich eingesehen werden kann. Siliziumcarbid hat den
Vorteil einer hohen Temperaturfestigkeit. Silizium hat den
Vorteil einer einfachen Prozessierbarkeit, guter
Temperaturleitfähigkeit, Feuchtigkeit abweisenden Oberfläche
und guter Haltbarkeit. Alle Schichten lassen sich auf
definierte Weise auf Opferschichten oder auf
Passivierungsschichten aufbringen und z. B. mittels
photolithographischer Verfahren strukturieren.
Bevorzugt ist die erste, die zweite oder auch die dritte
Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid (Si3N4),
Siliziumoxid, Polysilizium oder monochristallinem Silizium,
je nachdem, mit welchem Material abgedeckt werden soll und
aus welchem Material die zu unterätzende Schicht ist. Eine
Passivierungsschicht aus Siliziumoxid kann als
Passivierungsschicht gegen eine Abdeckschicht aus Nitrid, die
auf einer zu unterätzenden Schicht aus Nitrid aufgewachsen
werden soll, eingesetzt werden. Eine Passivierungsschicht aus
Silizium, d. h. undotiertem oder dotiertem Polysilizium oder
monokristallinem, kann als Passivierungsschicht gegen eine
Abdeckschicht aus Siliziumoxid, die auf einer zu
unterätzenden Schicht aus Siliziumoxid aufgewachsen werden
soll, eingesetzt werden. Weiterhin kann eine
Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid als
Passivierungsschicht gegen eine Abdeckschicht aus Silizium
oder Siliziumcarbid, die auf einer zu unterätzenden Schicht
aus Silizium oder Siliziumcarbid aufgewachsen werden soll,
eingesetzt werden. Bevorzugt sind die erste und zweite, und
bevorzugt auch die dritte Passivierungsschicht aus dem
gleichen Material. Die gleichen
Passivierungsschichtsmaterialien erleichtern das
Herstellungsverfahren und das Einstellen der
Prozeßführungsparamter für die Abscheidung des
Abdeckmaterials.
Bevorzugt sind die erste und zweite Passivierungsschicht
weniger als 1000 nm und bevorzugt weniger als 5 nm dick. Die
Passivierungsschichten dienen bevorzugt lediglich der
Passivierung von Oberflächen und haben bevorzugt keinen
signifikanten mechanischen oder elektronischen Einfluß auf
das mikromechanische Bauelement. Da in einer bevorzugten
Ausführung die unterätzten Schichtelemente Material der
zweiten Passivierungsschicht und Material der zu
unterätzenden Schicht aufweisen, können bei einer dünnen
zweiten Passivierungsschicht die durch Materialunterschiede
erzeugten mechanischen Spannungen innerhalb der unterätzten
Schichtelemente gering gehalten werden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die dritte
Passivierungsschicht so strukturiert, daß zusätzlich zu den
zu verschließenden Oberflächen Abscheidungsregionen für die
Herstellung von elektrisch leitenden Komponenten definiert
werden. In vorteilhafter Weise kann dadurch die Abscheidung
des Abdeckmaterials zum Schließen der Ätzlöcher gleichzeitig
für die Erzeugung von elektronischen Schaltungselementen,
Leiterbahnen oder mechanischen Strukturen genutzt werden. Ist
das Abdeckmaterial z. B. aus Polysilizium, so können
gleichzeitig mit dem Schließen der Ätzlöcher Widerstände,
Kontaktanschlüsse oder Leiterbahnen bzw. Leiterbahnebenen
erzeugt werden. Dies kann einen oder mehrere Maskenschritte
einsparen.
Ist die zu unterätzende Schicht aus einem elektrisch
leitenden Material, so werden Abscheidungsregionen bevorzugt
auf Regionen der zu unterätzenden Schicht erzeugt, die von
anderen unterätzten Schichtelementen elektrisch isoliert
sind. Anderenfalls würden die zu erzeugenden elektronischen
Schaltungselemente durch die unterätzten Schichtelemente
elektrisch leitend verbunden sein und ggf. miteinander
kurzgeschlossen sein. So kann auch ein unterätztes
Schichtelement leitend angeschlossen werden.
Die erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Erzeugung von
unterätzten Schichtelementen angewandt, unabhängig davon, ob
das unterätzte Schichtelement unstrukturiert, wie z. B. bei
einer Membran, oder strukturiert, wie z. B. bei Brücken,
Stegen und Schaltern und ähnlichem, sein soll. Ist die zu
unterätzende Schicht zu strukturieren, so wird die
Strukturierung bevorzugt in einem Schritt mit der Erzeugung
der Ätzlöcher durchgeführt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der
Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1a)-d) Verfahren zur Herstellung von unterätzten
Schichtelementen nach dem Stand der Technik.
Fig. 2a)-d) erste Ausführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung von unterätzten
Schichtelementen mit Ätzlöchern und zwei
Passivierungsschichten.
Fig. 3a)-d) zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung von unterätzten
Schichtelementen mit Ätzlöchern und drei
Passivierungsschichten bei gleichzeitiger
Erzeugung eines elektrischen
Kontaktierungsanschlusses mit der zu
unterätzenden Schicht.
Fig. 4a)-e) vierte Ausführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung von unterätzten
Schichtelemente mit Ätzlöchern und
Passivierung.
Die Fig. 1a) bis 1d) sind bereits weiter oben
beschrieben worden.
Fig. 2a) bis 2d) beschreiben schematisch den Ablauf einer
ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahren zur
Herstellung von mikromechanischen Bauelementen mit
unterätzten Schichtelementen mit Ätzlöchern, die
erfindungsgemäß zu schließen sind. Die Abstände und Maße der
folgenden Figuren sind dabei im folgenden, wenn nicht anders
ausdrücklich erwähnt, qualitativ und nicht maßstabsgetreu zu
verstehen. Fig. 2a) zeigt einen Ausschnitt aus einem
Schichtstapel 2-12, der ein Substrat 2-1, darauf aufgebracht
eine erste Passivierungsschicht 2-2, darauf aufgebracht eine
Opferschicht 2-3, darauf aufgebracht eine zweite
Passivierungsschicht 2-4 und darauf aufgebracht eine zu
unterätzende Schicht 2-5 aufweist. Das Substrat ist bevorzugt
aus Silizium und z. B. eine Siliziumscheibe. Die erste und
zweite Passivierungsschicht, 2-2 und 2-4, sind bevorzugt aus
Siliziumnitrid, das z. B. in einem standardmäßigen LPCVD-
Prozeß auf dem Substrat 2-1 bzw. auf der Opferschicht 2-3
abgeschieden wird. Die Dicke der Siliziumnitridschichten ist
bevorzugt deutlich dünner als die Dicke der Opferschicht 2-3.
Ein typischer Wert für die Dicke der Siliziumnitridschichten
ist z. B. 20 nm.
Die Opferschicht 2-3 ist bevorzugt ein Siliziumoxid und
wird ebenfalls in einem der standardmäßigen Verfahren auf der
ersten Passivierungsschicht 2-2 abgeschieden. Sie kann aber
auch z. B. thermisch erzeugt sein, indem z. B. erst eine
Polysiliziumschicht abgeschieden und diese dann thermisch
oxidiert wird. Die Dicke der Opferschicht hängt von der
Anwendung und Prozeßschrittfolge ab. Sie ist bevorzugt
ausreichend groß, damit die zu unterätzende Schicht 2-5 und
Substrat 2-1 nach der Abscheidung der Abdeckmaterials nicht
miteinander in Berührung kommen. In der vorliegenden
Ausführung ist die Opferschicht 2-3 etwa 500 nm dick.
Die zu unterätzende Schicht 2-5 ist bevorzugt aus
Silizium. In der einen bevorzugten Ausführung ist das
Silizium als undotiertes Polysilizium auf der zweiten
Passivierungsschicht 2-4 abgeschieden. In einer anderen
bevorzugten Ausführung ist das Silizium als Polysilizium, das
dotiert ist, auf der zweiten Passivierungsschicht 2-4
abgeschieden. Die dotierte Polysiliziumschichtabscheidung
kann so gleichzeitig als Material für eine Verdrahtungsebene
auf einem nicht hier gezeigten mikroelektronischen Schaltung
verwendet werden. Die erforderliche Dicke der zu
unterätzenden Schicht 2-5 hängt von den Anwendung und den
Prozessierungschritten ab. In der vorliegenden Ausführung ist
die Schicht etwa 500 nm dick.
Fig. 2b) zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem
Schichtstapel 2-12 nach der Erzeugung der Ätzlöcher 2-6 durch
die zu unterätzende Schicht 2-5 und die zweite
Passivierungsschicht 2-4. Bevorzugt werden die Ätzlöcher mit
Hilfe eines standardmäßigen photolithographischen Verfahrens
erzeugt, wobei der photolithographische Schritt auch zur
Erzeugung einer vorgegebenen Struktur, z. B. zur Erzeugung
einer Brücke oder eines Balkens, genutzt werden kann. Fig.
2b) zeigt repräsentativ nur die Struktur eines Ätzloches 2-6.
In der Regel werden in den zu unterätzenden Schichten 2-5
jedoch eine Vielzahl von Ätzlöchern erzeugt, wenn
großflächige zu unterätzende Strukturen wie z. B. Membrane
erzeugt werden sollen. Die Ätzlöcher haben in dieser
Ausführung einen Durchmesser von z. B. 1 µm. Die Ätzlöcher mit
Durchmessern dieser Größe sind technologisch einfacher
herzustellen und ermöglichen ein schnelles Ätzen der
Opferschicht. Der Abstand benachbarter Ätzlöcher zueinander
ist in der vorliegenden Ausführung etwa 10 µm bis 20 µm.
Fig. 2c) zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem
Schichtstapel 2-12 nach dem isotropen Ätzen der Opferschicht
2-3. Die isotrope Ätzung führt zu der Unterätzung der zu
unterätzenden Schicht 2-5 und der zweiten
Passivierungsschicht 2-4, so daß die zu unterätzende Schicht
2-5 und zweite Passivierungsschicht 2-4 ein unterätztes
Schichtelement 2-8 bilden. Die isotrope Ätzung wird bei dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel bevorzugt naßchemisch und
bevorzugt mit einer 20%-tigen HF-Säure durchgeführt. Die
isotrope Ätzung wird bevorzugt mindestens so lange
durchgeführt bis die Opferschicht 2-3 bis zur ersten
Passivierungsschicht 2-2 durchgeätzt ist. Auf diese Weise
liegt die erste Passivierungsschicht 2-2 frei, um dort später
die Abscheidung von Abdeckmaterial zu unterdrücken. Bevorzugt
wird die isotrope Ätzung weiterhin mindestens so lange
durchgeführt, bis sich die entstehenden Hohlbereiche 2-7
benachbarter Ätzlöcher berühren und die Opferschicht 2-3 in
den von den Ätzlöchern 2-6 überdeckten Bereichen weitgehend
entfernt ist. Angesichts des Abstandes benachbarter Ätzlöcher
in dieser Ausführung erfordert dies eine Unterätzung über
eine Reichweite von mindestens 5-10 µm.
Fig. 2d) zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem
Schichtstapel 2-12, nachdem das Abdeckmaterial 2-9 selektiv
abgeschieden worden ist. Für eine gute Selektivität wird das
Abdeckmaterial, das hier Polysilizium ist, das in einem
LPCVD-Prozeß, z. B. mit einer Centura HT, mit Hilfe von
Dichlorsilan (100 sccm), H2 (25 slm) und HCl (50 sccm) bei
einer Temperatur von etwa 850 C bis 900 C und einem Druck
von 6 Torr abgeschieden wird. Die gute Konformität der
Polysilizium-Abscheidung bewirkt ein schnellen laterales
Wachstum des Polysiliziums 2-9 im Bereich der Seitenkanten
der Ätzlöcher 2-6 und damit einen schnellen Verschluß 2-10
der Ätzlöcher.
Aufgrund der offengelegten ersten und zweiten
Passivierungsschichten, 2-2 und 2-4, scheidet sich das
Abdeckmaterial 2-9 fast nur auf den Oberseiten und
Seitenkanten der zu unterätzenden Schicht 2-5 ab. Wegen der
ersten und zweiten Passivierungsschichten, 2-2 und 2-4,
besteht somit keine Gefahr, daß das Abdeckmaterial 2-9 den
Hohlbereich 2-7 beim Verschließen der Ätzlöcher 2-6 auffüllt.
Bei einem Ätzloch von 1 µm Durchmesser muß die
Schichtdicke des Abdeckmaterials 2-9 auf der zu unterätzenden
Schicht 2-5 mindestens 500 nm dick sein, damit das Ätzloch 2-
6 vollständig abgedeckt werden kann. Die Hohlbereiche 2-7
unterhalb der unterätzten Schichtelemente 2-8 werden dabei
nicht aufgefüllt. Durch die Wahl von Polysilizium als
Abdeckmaterial wird weiterhin dafür gesorgt, daß die
unterätzten Schichtelemente 2-8 durchgehend aus dem gleichen
Material, nämlich Silizium, bestehen, wobei dabei lediglich
von der sehr dünnen zweiten Passivierungsschicht 2-4 aus z. B.
Siliziumnitrid abgesehen wird.
Fig. 3a) bis 3d) zeigen die Abfolge für eine weitere
Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
von unterätzten Schichtelementen mit Ätzlöchern, die
verschlossen werden, und drei Passivierungsschichten. Fig.
3a) zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem Schichtstapel
2-12 der im Vergleich zu Fig. 2a) sich lediglich durch die
dritte Passivierungsschicht 2-20, die auf der zu
unterätzenden Schicht 2-5 aufgebracht ist, unterscheidet. Die
dritte Passivierungsschicht 2-20 ist ebenfalls bevorzugt eine
Siliziumnitridschicht, die ebenfalls bevorzugt dünn ist im
Vergleich zur Opferschicht 2-3. In der vorliegenden
Ausführung ist die dritte Passivierungsschicht etwa 20 nm
dick, was jedoch keine Einschränkung bezüglich anderer
möglicher Schichtdicken bedeutet.
Weiterhin weist die dritte Passivierungsschicht 2-20
eine Strukturierung auf, mit der eine Abscheidungsregion 2-22
auf der zu unterätzenden Schicht 2-5 definiert ist und auf
der später Abdeckmaterial abgeschieden wird. Das
Abdeckmaterial auf den Abscheidungsregionen 2-22 kann je nach
Layout und Dotierung unterschiedliche Funktionen in dem
mikromechanischen Bauelement übernehmen. Es kann mechanische
Funktionen haben, z. B. der Stabilisierung einer Membrane
dienen, es kann aber auch elektronische Funktionen
übernehmen. Wenn das Abdeckmaterial aus eine dotiertem
Polysilizium besteht, kann auf diese Weisen z. B. eine
Leiterbahn zur elektronischen Kontaktierung der unterätzten
Schicht gleichzeitig mit der Schließung der Ätzlöcher erzeugt
werden. Auf diese Weise kann z. B. eine monolithische
Integration eines mikromechanischen Bauelements mit einem
mikroelektronischen Schaltung erfolgen. Die Strukturierung
zur Erzeugung der Abscheidungsregion 2-22 geschieht bevorzugt
durch ein photolithographisches Verfahren.
In einem weiteren Schritt, bevorzugt durch
photolithographische Strukturierung, wird die dritte
Passivierungsschicht 2-20 zur Erzeugung von Ätzlöchern
geöffnet und die Ätzlöcher 2-6, die durch dritte
Passivierungsschicht, zu unterätzende Schicht 2-5 und zweite
Passivierungsschicht 2-4 hindurchführen, erzeugt (Fig. 3b)).
Es folgt die isotrope Ätzung der Opferschicht 2-3 analog zu
der in Fig. 2c) gezeigten Ätzung, so daß unterätzte
Schichtelemente 2-8 und Hohlbereiche 2-7 erzeugt werden (Fig.
3c).
Fig. 3d) zeigt schematisch den Ausschnitt des
Schichtstapels 2-12 nach dem Abscheiden des Abdeckmaterials
2-9, das in der vorliegenden Ausführung bevorzugt wiederum
Polysilizium ist. Das Abdeckmaterial ist mit dem gleichen
Verfahren wie in Fig. 2d) beschrieben aufgebracht worden.
Wegen der dritten Passivierungsschicht 2-20 kann das
Abdeckmaterial 2-9 nur auf der zu unterätzenden Schicht 2-5
im Bereich der Abscheidungsregion 2-22 abgeschieden werden,
wo es einen elektrisch leitenden Kontaktanschluß 2-24 zur
Kontaktierung des elektrisch leitenden unterätzten
Schichtelements 2-8 bildet. Durch die Dotierungskonzentration
der Abdeckschicht kann weiterhin der elektronische Widerstand
des Kontaktanschlusses 2-24 eingestellt werden.
Außerhalb der Abscheidungsregion 2-22 kann das
Abdeckmaterial 2-9 in dieser Ausführung nur an den Kanten der
zu unterätzenden Schicht 2-5, insbesondere an den
Seitenwänden 2-31 der Ätzlöcher und, falls die Opferschicht
2-3 nicht als Passivierung wirkt, auch an den Kanten der
zurückgebliebenen Opferschicht 2-3 abgeschieden werden. Auf
diese Weise können die Ätzlöcher verschlossen werden, ohne
daß die unterätzten Schichtelemente 2-8 durch die Abscheidung
des Abdeckmaterials 2-9 dicker gemacht werden.
Ist wie im vorliegenden Fall das Abdeckmaterial 2-9
identisch mit dem Material der zu unterätzenden Schicht 2-5,
so können damit materialmäßig homogene unterätzte
Schichtelemente 2-8 hergestellt werden, wie man sie ohne
Ätzlöcher gehabt hätte. Die unterätzten Schichtelemente 2-8
erhalten damit eine bessere mechanische Stabilität und lassen
sich leichter weiter prozessieren. Die durch die Erzeugung
der Ätzlöcher erlittene mechanische Änderung der zu
unterätzenden Schicht kann damit wieder rückgängig gemacht
werden.
Fig. 4a) bis 4d) zeigen eine weitere Ausführung der
erfindungsgemäßen Verfahren. Der Schichtstapel 2-12 besteht
in dieser Ausführung aus dem Substrat 2-1 aus Silizium,
darauf aufgebracht der Opferschicht 2-3 aus Siliziumoxid mit
einer Dicke von z. B. 300 nm, darauf aufgebracht die zu
unterätzende Schicht 2-5 aus z. B. Polysilizium mit einer
Dicke von z. B. 400 nm und darauf aufgebracht eine dritte
Passivierungsschicht 2-20 aus Siliziumnitrid mit einer Dicke
von etwa 60 nm (Fig. 4a)). Die Dicke der dritten
Passivierungsschicht 2-20 ist so groß gewählt, daß bei der
anisotropen Ätzung zur Entfernung einer später zu erzeugenden
Passivierung eine Bedeckung der zu unterätzenden Schicht 2-5
durch die Passivierungsschicht 2-20 noch zurückbleibt.
Fig. 4b) zeigt den Schichtstapel 2-12 mit einem Ätzloch
2-6, das durch die zu unterätzende Schicht 2-5 und die dritte
Passivierungsschicht 2-20 hindurchführt. In dieser Ausführung
ist der Durchmesser des Ätzloches 2-6 ungefähr 500 tun. Aus
später ersichtlichen Gründen sind die Seitenwände 2-31 der
Ätzlöcher 2-6 mit einem der Verfahren, die dem Fachmann
geläufig sind, trichterförmig schräg geätzt. Der Winkel in
dieser Ausführung beträgt etwa 80°-90°.
Fig. 4c) zeigt das mikromechanische Bauelement nach der
isotropen Ätzung der Opferschicht 2-3, die die unterätzten
Schichtelemente 2-8 und Teile der Oberfläche des Substrats 2-
1 freilegt und so den Hohlbereich 2-7 erzeugt. Fig. 4d) zeigt
das mikromechanische Bauelement nach der Erzeugung der
Passivierung 2-30 aus Nitrid. In dieser Ausführung ist die
Passivierung 2-30 etwa 20 nm dick. Die Passivierung zieht
sich über die offenen Siliziumoberflächen von Substrat 2-1
und die Oberfläche der zu unterätzenden Schicht 2-5.
Fig. 4e) zeigt die Struktur während einer anisotropen
Trockenätzung mit einem üblichen Trockenätzgas 2-32. Die
Prozeßführung der Trockenätzung ist so eingestellt, daß die
freie Weglänge des Ätzgases (in dieser Ausführung < 300 nm) im
Ätzreaktor im Bereich des Substrats so kurz ist, daß die
Ätzrate des Trockenätzgases 2-32 im oberen Bereich des
Ätzloches 2-6 größer ist als im unteren Bereich des Ätzloches
2-6 und dort wiederum größer als im Hohlbereich 2-7 auf der
Oberfläche des Substrats 2-1. Die Dauer der anisotropen
Ätzung ist daher bevorzugt so eingestellt, daß die
Passivierung 2-30 im oberen Bereich der Seitenwand des
Ätzloches 2-31 weitgehend entfernt ist während die
Passivierung auf dem Substrat 2-1 unterhalb des Ätzloches in
ausreichender Weise zurückbleibt. Die dritte
Passivierungsschicht 2-20 bleibt nach der Trockenätzung
dagegen aufgrund ihrer anfänglich großen Schichtdicke als
zwar gedünnte, aber immer noch passivierende Schicht
erhalten. In der Region unterhalb des Ätzloches ist lediglich
eine Stufe 2-33 in der Passivierungsschicht erkennbar.
Fig. 4f) zeigt das mikromechanische Bauelement, nachdem
Abdeckmaterial 2-9 aus Silizium, z. B. in einem LPCVD-
Verfahren, selektiv abgeschieden wurde. Das Abdeckmaterial
ist wieder Polysilizium, das in einem LPCVD-Prozeß, z. B. mit
einer Centura HT, mit Hilfe von Dichlorsilan (100 sccm), H2
(25 slm) und HCl (50 sccm) bei einer Temperatur von etwa
850°C bis 900°C und einem Druck von 6 Torr abgeschieden wird.
Das Abdeckmaterial 2-9 scheidet sich selektiv auf den
Siliziumoberflächen ab, so daß es weitgehend nur auf der
Seitenwand des Ätzloches 2-6 aufwächst. Auf diese Weise
können die Ätzlöcher 2-6 verschlossen werden, wobei das
Abdeckmaterial 2-9 identisch mit dem Material der zu
unterätzenden Schicht 2-5 ist, und die ursprüngliche
Schichtdicke der zu unterätzenden Schicht 2-5 erhalten
bleibt. Anschließend wird die dritte Passivierungsschicht 2-
20 bevorzugt entfernt, so daß die unterätzten Schichtelemente
2-8, abgesehen von einer dünnen Passivierungsschicht, nur aus
Silizium bestehen.
1-0
Schichtstapel
1-1
Substrat
1-2
Opferschicht
1-3
zu unterätzende Schicht
1-4
unterätztes Schichtelement
1-5
Ätzloch
1-6
Abdeckmaterial
1-7
Hohlbereich
1-8
Abdeckung
2-1
Substrat
2-2
erste Passivierungsschicht
2-3
Opferschicht
2-4
zweite Passivierungsschicht
2-5
zu unterätzende Schicht
2-6
Ätzloch
2-7
Hohlbereich
2-8
unterätztes Schichtelement
2-9
Abdeckmaterial
2-10
Verschluß
2-12
Schichtstapel
2-20
dritte Passivierungsschicht
2-22
Abscheidungsregion
2-24
Kontaktanschluß
2-30
Passivierung
2-31
Seitenwand eines Ätzloches
2-32
Trockenätzgas
2-33
Stufe
Claims (18)
1. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen
Bauelementes mit unterätzten Schichtelementen mit den
folgenden Schritten:
- a) auf ein Substrat wird ein Schichtstapel, der eine Opferschicht und darauf aufgebracht eine zu unterätzende Schicht aufweist, aufgebracht;
- b) durch die zu unterätzende Schicht wird mindestens ein Ätzloch erzeugt;
- c) die Opferschicht wird isotrop geätzt, so daß unterätzte Schichtelemente erzeugt werden;
- d) eine Passivierung wird im Oberflächenbereich zwischen unterätzten Schichtelementen und Substrat erzeugt;
- e) Abdeckmaterial wird selektiv zu der Passivierung abgeschieden, so daß das Ätzloch geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Passivierung aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Passivierung auf der Oberseite der unterätzten
Schichtelemente vor dem Beschichten mit Abdeckmaterial
entfernt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Passivierung auf der Oberseite der unterätzten
Schichtelemente durch eine anisotrope Ätzung entfernt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ätzlöcher trichterförmig schräge Seitenwände
aufweisen.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der anisotrope Ätzprozeß so eingestellt ist, daß die
Ätzrate auf der Oberfläche des Substrats um mehr als 10%
kleiner ist wie die Ätzrate auf der Oberseite der
unterätzten Schichtelemente..
7. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen
Bauelementes mit unterätzten Schichtelementen mit den
folgenden Schritten:
- a) auf ein Substrat wird ein Schichtstapel, der eine erste Passivierungsschicht, darauf aufgebracht eine Opferschicht und darauf aufgebracht eine zu unterätzende Schicht aufweist, aufgebracht;
- b) durch die zu unterätzende Schicht wird mindestens ein Ätzloch erzeugt;
- c) die Opferschicht wird isotrop geätzt, so daß unterätzte Schichtelemente erzeugt werden;
- d) Abdeckmaterial wird selektiv zu der ersten Passivierungsschicht abgeschieden, so daß das Ätzloch geschlossen wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen
Bauelementes mit unterätzten Schichtelementen mit den
folgenden Schritten:
- a) auf ein Substrat wird ein Schichtstapel, der eine Opferschicht, darauf aufgebracht eine zweite Passivierungsschicht und darauf aufgebracht eine zu unterätzende Schicht aufweist, aufgebracht;
- b) durch die zu unterätzende Schicht und die zweite Passivierungsschicht wird mindestens ein Ätzloch erzeugt;
- c) die Opferschicht wird isotrop geätzt, so daß unterätzte Schichtelemente erzeugt werden;
- d) Abdeckmaterial wird selektiv zu der zweiten Passivierungsschicht abgeschieden, so daß das Ätzloch geschlossen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schichtstapel die erste Passivierungsschicht, darauf
aufgebracht die Opferschicht, darauf aufgebracht die
zweite Passivierungsschicht und darauf aufgebracht die zu
unterätzende Schicht aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf der zu unterätzenden Schicht eine dritte
Passivierungsschicht aufgebracht ist, so daß das
Abdeckmaterial selektiv zur dritten Passivierungsschicht
abgeschieden wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
Abdeckmaterial und zu unterätzende Schicht aus dem
gleichen Material sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat aus einem Halbleitermaterial, insbesondere
Silizium, ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Opferschicht aus Siliziumoxid, undotiertem
Polysilizium, Siliziumnitrid oder Polygermanium ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zu unterätzende Schicht aus Silizium, insbesondere
Polysilizium oder epitaktisch gewachsenem Silizium, aus
Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Siliziumcarbid ist.
15. Verfahren nach Anspruch 7, sowie nach 9 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid,
Siliziumoxid, Polysilizium oder monokristallinem Silizium
ist.
16. Verfahren nach Anspruch 8 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid oder
Siliziumoxid ist.
17. Verfahren nach Anspruch 9 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste und zweite Passivierungsschicht weniger als 1000 nm
und bevorzugt weniger als 50 nm dick sind.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zu unterätzende Schicht strukturiert wird.
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