DE102020203906A1

DE102020203906A1 - Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors

Info

Publication number: DE102020203906A1
Application number: DE102020203906.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hermes; Peter Schmollngruber; Thomas Friedrich; Andreas Scheurle; Heribert Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-09-30
Also published as: WO2021191123A1; US20230339745A1; CN115335318A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (100), aufweisend die Schritte:
- Aufbringen einer ersten Oxid-Opferschicht (2) auf ein Substrat (1);
- Entfernen von Material des Substrats (1) durch Öffnungen (x₃) in der ersten Oxid-Opferschicht (2);
- Verschließen der Öffnungen (x₃) in der ersten Oxid-Opferschicht (2) durch Aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht (6);
- Ausbilden eines Sensierbereichs (20) auf einer Trägerstruktur (3a, 3b), wobei der Sensierbereich (20) und die Trägerstruktur (3a, 3b) auf den Oxid-Opferschichten (2, 6) ausgebildet werden und der Sensierbereich (20) und/oder die Trägerstruktur (3a, 3b) über zumindest einen eine flexible Struktur (15) bildenden Anbindungsbereich (30) mit dem Substrat (1) verbunden werden; und
- wenigstens teilweises Entfernen der Oxid-Opferschichten (2, 6) zwischen der Trägerstruktur (3a, 3b) und dem Substrat (1) mittels eines Ätzprozesses.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen mikromechanischen Sensor.
Stand der Technik
In der Oberflächen-Mikromechanik (OMM) kommt es immer wieder zu der Anforderung, unter großflächigen Bereichen Opferschichten entfernen zu müssen. Können diese Bereiche nicht derart strukturiert werden, dass sie flächig von einem Ätzmedium durchdrungen werden, um etwa Wege zur Entfernung einer Opferschicht kurz halten zu können, muss eine Opferschichtätzung ausgehend von den äußersten Kanten des Bereichs/der Struktur erfolgen. Dies erfordert eine sehr lange Ätzzeit, was zu höheren Kosten führen kann. Aus diesem Grund gibt es verschiedene Ansätze, gezielt Kanäle im Bereich einer Opferschicht umzusetzen, mit deren Hilfe sich das Ätzmedium schnell in der Fläche verteilen lässt und dadurch deutlich geringere Ätzzeiten realisiert werden können.
DE 10 2013 213 065 B4 offenbart ein mechanisches Bauteil und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
DE 10 2013 222 664 A1 offenbart eine mikromechanische Struktur und ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:

- Aufbringen einer ersten Oxid-Opferschicht auf ein Substrat;
- Entfernen von Material des Substrats durch Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht;
- Verschließen der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht durch Aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht;
- Ausbilden eines Sensierbereichs auf einer Trägerstruktur, wobei der Sensierbereich und die Trägerstruktur auf den Oxid-Opferschichten ausgebildet werden und der Sensierbereich und/oder die Trägerstruktur über zumindest einen eine flexible Struktur bildenden Anbindungsbereich mit dem Substrat verbunden werden; und
- wenigstens teilweises Entfernen der Oxid-Opferschichten zwischen der Trägerstruktur und dem Substrat mittels eines Ätzprozesses.

Auf diese Weise wird ein Sensierbereich auf einer Trägerstruktur bereitgestellt, der vom darunterliegenden Substrat, z.B. einem Silizium-Substrat (Si-Substrat), mechanisch entkoppelt bzw. getrennt ist und nur an wenigen Punkten mit dem Si-Substrat stirnseitig verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Herstellung eines stressentkoppelten Sensierbereichs mittels eines in einer großen Fläche entfernten Opfer-Oxids ermöglicht. Ein Abstand zwischen einer Trägerstruktur mit darauf ausgebildetem Sensierbereich und einer Stützstruktur ist vorteilhaft über Schichtdicken variierbar. Im Ergebnis kann auf diese Weise ein stresstechnisch entkoppelter mikromechanischer Sensor hergestellt werden. Im Ergebnis wird dadurch ein Sensierbereich eines mikromechanischen Sensors (der konventionell auf einem Silizium-Wafer (Si-Wafer oder auch Si-Substrat) ohne Stressentkopplung hergestellt wird), erfindungsgemäß auf der Trägerstruktur erzeugt. Dies bedeutet, dass der vollständige Herstellprozess eines Sensors von einer Si-Waferoberfläche auf die Oberfläche einer Trägerstruktur transferiert wird, was eine Stressentkopplung ermöglicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend:

- eine Trägerstruktur mit einem auf einer Trägerstruktur ausgebildeten Sensierbereich; wobei die Trägerstruktur nach unten wenigstens teilweise vom Substrat beabstandet ist und seitlich wenigstens abschnittsweise an das Substrat angebunden ist.

Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zum Entfernen der Oxid-Opferschichten zwischen der Trägerstruktur und dem Substrat im Substrat Gräben und/oder Trenchstrukturen ausgebildet werden. Auf diese Weise werden Strukturen im Substrat zum Verteilen von Ätzgas bereitgestellt, die es ermöglichen, schnell großflächig ein Ätzgas zu verteilen. Auf diese Weise kann die Freistellung der Trägerstruktur auf einfache Weise bewerkstelligt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass Stützstrukturen in Form von Gräben und/oder die Trenchstrukturen im Substrat mit einer ersten Oxid-Opferschicht aufgefüllt werden und im weiteren Herstellprozess als Unterstützung der Trägerstruktur dienen. Auf diese Weise kann ein nachfolgend durchgeführter Schichtaufbau eben, verbiegungsarm und mechanisch stabil ausgeführt werden, wodurch z.B. großflächige Trägerstrukturen bereitgestellt werden können, unter denen partiell oder aber auch großflächig Silizium für die Herstellung von Ätzkanälen entfernt werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Ätzprozess zur Erzeugung von Gräben und/oder Trenchstrukturen als Ätzkanäle und/oder Stützstrukturen zur Unterstützung einer Trägerstruktur im Substrat isotrop oder anisotrop ausgebildet ist. Dadurch kann die Form der Gräben auf einfache Weise beeinflusst werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zum Ausbilden der Gräben und/oder Trenchstrukturen ein teilweises Entfernen des Substrats unterhalb einer ersten Oxid-Opferschicht durch Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht erfolgt und die Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht durch aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht verschlossen werden. Auf diese Weise wird eine weitere Variante zur Schaffung des Unterbaus unterhalb der Trägerstruktur bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass an der Trägerstruktur zum Substrat hin ausgerichtete Noppen und/oder am Substrat ausgebildete Noppen ausgebildet werden. Dadurch wird einerseits eine unterstützende Funktion beim Schichtaufbau des Sensorelements realisiert, andererseits kann dadurch verhindert werden, dass bei Stößen die Trägerstruktur am Untergrund „anklebt“ (z.B. aufgrund von elektrostatischen Kräften). Auf einfache Weise lässt sich durch ein Einstellen einer Ätztiefe die Noppenhöhe variieren.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Trägerstruktur zum Substrat hin ausgerichtete Säulen ausgebildet werden. Dadurch wird eine alternative Stützstruktur für die Trägerstruktur bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Säulen mit dem Substrat verbunden oder vom Substrat beabstandet ausgebildet werden. Auf die genannten unterschiedlichen Arten der Ausbildung der Säulen können unterschiedliche Stützkonzepte für die Trägerstruktur realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass auf den Oxid-Opferschichten eine erste Polysiliziumschicht mit einer definierten Schichtdicke ausgebildet wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer ersten Polysiliziumschicht eine zweite, schnell aufwachsende, Polysiliziumschicht mit einer definierten Schichtdicke ausgebildet wird. Dadurch lässt sich vorteilhaft auf einfache Weise eine größere/höhere Gesamtschichtdicke für eine Trägerstruktur bereitstellen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Anbindungsbereich der Trägerstruktur an das Substrat zumindest teilweise und/oder bereichsweise monokristallin ausgebildet wird. Vorteilhaft können in den monokristallinen Bereichen Schaltungskomponenten ausgebildet werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Anbindungsbereich der Trägerstruktur an das Substrat polykristallin ausgebildet wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass im Anbindungsbereich elektrische Schaltungskomponenten ausgebildet werden, die mit Leiterbahnen an den Sensierbereich angebunden werden. Dadurch kann eine elektrische Anbindung der Schaltungskomponenten an den Sensierbereich mit Leiterbahnen realisiert werden, die z.B. über Federstrukturen geführt werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
In den Figuren zeigt:

1-3 Querschnittsansichten eines konventionellen mikromechanischen Schichtaufbaus;
4-17 beispielhafte Ansichten von Prozessstadien eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors;
18 eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
19 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
20-39 beispielhafte Ansichten von Prozessstadien einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors; und
40 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der Erfindung ist es insbesondere, auf einfache Art und Weise einen stressentkoppelten mikromechanischen Sensor bzw. einen Sensierbereich eines mikromechanischen Sensors bereitzustellen.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen konventionellen Schichtaufbau zur Bereitstellung eines stressentkoppelten Sensierbereichs. Unter einem Sensierbereich wird dabei ein Bereich des mikromechanischen Sensors verstanden, in welchem eine Umsetzung eines physikalischen Signals (z.B. Drucksensorsignal) in ein elektrisches Signal stattfindet. In dem Sensierbereich können bewegliche und nicht bewegliche Strukturen, wie z.B. Membranen, bewegliche Massen, Elektroden, und/oder elektrische Leiterbahnen in einer sie umgebenden Peripherie eingebettet sein, die zur Herstellung von z.B. Drucksensoren, Mikrofonen, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Luftmassensensoren, Gassensoren und dergleichen erforderlich ist.
Man erkennt ein Substrat 1 (Si-Substrat), auf dem eine erste Oxid-Opferschicht 2 (z.B. eine SiO₂-Opferschicht) angeordnet bzw. abgeschieden ist. Auf der ersten Oxid-Opferschicht 2 befindet sich eine erste Polysiliziumschicht 3a („Polysilizium-Startschicht“) mit Ätzkanälen x₁ die bis an die Oxid-Schicht 2 reichen, auf der eine zweite Polysiliziumschicht 3b (epitaktisches Polysilizium, EPI-PolySi) mit Hilfe einer selektiven Siliziumabscheidung in einem EPI-Reaktor abgeschieden wurde. Mit einer selektiven Siliziumabscheidung soll erreicht werden, dass bei einer Abscheidung von Polysilizium in einem EPI-Reaktor kein Silizium auf einer Oxidoberfläche aufwächst.
Als Variante dazu können optional auch verbreiterte Ätzkanäle x₂ in der Oxid-Opferschicht 2 ausgebildet werden, wie in 2 angedeutet.
In 3 ist gezeigt, dass es beim Aufwachsen der zweiten Polysiliziumschicht 3b an Nukleationskeimen auf Oxidflächen in den Ätzkanälen, wie z.B. Ätzrückstände oder Partikel, zur Abscheidung von Silizium kommen kann. Wird dann später die erste Oxid-Opferschicht 2 entfernt, können frei bewegliche Siliziumpartikel 5 entstehen, wie es in den 3a) bis 3d) angedeutet ist.
Um dies zu vermeiden, wird in einer Variante des vorgeschlagenen Verfahrens, wie in 4 dargestellt, zunächst eine erste Oxid-Opferschicht 2 zumindest in jenem Bereich eines mikromechanischen Sensors abgelegt, in welchem in einem späteren Prozessstadium eine Trennung eines Sensierbereichs vom Substrat 1 stattfinden soll. In einem nachfolgenden Schritt wird die erste Oxid-Opferschicht 2 mit Hilfe von Standard-Halbleiterverfahren strukturiert und in den dabei entstehenden Öffnungen x₃ das Substrat 1 freigelegt. In den auf diese Weise freigelegten Bereichen wird anschließend Silizium im Substrat 1 entfernt. Dies kann, wie in 4 angedeutet, mit einem isotropen oder, wie in 5 angedeutet, mit einem anisotropen Ätzprozess erfolgen.
Je nach Abstand der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht 2 können beim Einsatz eines isotropen Si-Ätzprozesses auch größere sowie lateral ausgedehnte und zusammenhängende, siliziumfreie, Bereichen unterhalb der ersten Oxid-Opferschicht 2 im Si-Substrat erzeugt werden. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, Kanalstrukturen bzw. Gräben 1a mit einem größeren Kanalquerschnitt, wie in 6 und 7 erkennbar, unter der ersten Oxid-Opferschicht 2 erzeugen zu können. Die Si-freien Bereiche können zum Beispiel auch weiter dazu dienen, Noppenstrukturen aus Substratmaterial zu erzeugen, welche dazu dienen können, ein Kleben (engl. sticking) der später vom Substrat 1 freigestellten Sensierbereiche am Substrat 1 zu vermeiden.
Nach dem Entfernen des Siliziums im Bereich der Öffnungen der ersten Oxid-Opferschicht 2 erfolgt der Verschluss der Öffnungen mithilfe einer zweiten Oxid-Opferschicht 6 (z.B. mit einer SiO₂-Opferschicht). Wird hierbei SiO₂ in den im Substrat 1 erzeugten Strukturen abgelegt, wird dieses in einem späteren SiO₂-Opferschichtätzprozess mit entfernt, wodurch vorteilhaft keine frei beweglichen Partikel 5 entstehen. Die maximale Breite der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht 2 ist dabei ausschlaggebend für die erforderliche minimale Dicke der zweiten Oxid-Opferschicht 6, welche für einen sicheren Verschluss der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht 2 erforderlich ist. Je kleiner die maximale Breite der Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht 2 ist, umso kleiner kann die minimal erforderliche Schichtdicke der zweiten Oxid-Opferschicht 6 gewählt werden. Auf die zweite Oxid-Opferschicht 6 wird anschließend eine erste Polysiliziumschicht 3a abgeschieden, auf die weiterhin eine zweite Polysiliziumschicht 3b abgeschieden werden kann, wobei die erste Polysiliziumschicht 3a auch als Startschicht für das Aufwachsen der zweiten Polysiliziumschicht 3b in einem EPI-Reaktor benutzt werden kann. Werden die beiden Oxid-Opferschichten 2, 6 vor der Abscheidung der ersten und zweiten Polysiliziumschicht 3a, 3b strukturiert, können die erste Polysiliziumschicht 3a und optional die zweite Polysiliziumschicht 3b auch auf dem Substrat 1 abgelegt werden (Bereich A) und hier z.B. Befestigungspunkte/-strukturen auf dem Substrat 1 für den freizustellenden Sensierbereich bilden, wie den 8a, 8b dargestellt.
Wird die Polysiliziumschicht 3a zusammen mit den beiden Oxid-Opferschichten 2, 6 strukturiert, können bei der epitaktischen Si-Abscheidung der nachfolgenden Siliziumschicht 3b gleichzeitig polykristalline und monokristalline Si-Bereiche D erzeugt werden. Die polykristallinen Siliziumbereiche entstehen dabei auf der ersten Polysiliziumschicht 3a und die monokristallinen Bereiche D auf dem freigelegten monokristallinen Substrat 1, wie in den 9a und 9b mit dem Bereichen B und D angedeutet. In letzterem Fall können nun die monokristallinen Siliziumbereiche D als Befestigungspunkte/-strukturen auf dem Substrat 1 für den später freizustellenden Sensierbereich und/oder für die weitere Integration von elektrischen Halbleiterschaltungen dienen. Wie in den 8b, 9b dargestellt, kann nach der Siliziumabscheidung zudem ein Polierschritt (engl. chemical mechanical polishing, CMP) durchgeführt werden, um eine plane Oberfläche zu erhalten.
Eine Dicke der zweiten Polysiliziumschicht 3b kann dabei bis zu ca. 100 µm und mehr betragen und in einem EPI-Reaktor signifikant schneller abgeschieden/aufgewachsen werden wie z.B. in einen LPCVD-Prozess (engl. low pressure chemical vapor deposition, LPCVD) Im Ergebnis kann dadurch für den mikromechanischen Sensor eine stabile und verwindungssteife Backplane in Form der Trägerstruktur mit den Polysiliziumschichten 3a, 3b bereitgestellt werden.
Auf der so vorbereiteten Si-Oberfläche kann jetzt ein mikromechanisches Bauteil (z.B. in Form eines kapazitiven Drucksensors) hergestellt werden. Bei diesem wird konstruktiv ein Bereich vorgesehen, in dem epitaktisch monokristallines Silizium auf dem Si-Substrat aufwachsen kann (sogenannter EPI-Plug Bereich). Wird dieser EPI-Plug-Bereich nun in dem Bereich B auf dem Si-Substrat platziert, der auch monokristallin ausgebildet wurde, wie in 9b dargestellt, ist es technisch möglich, z.B. ein oberflächenmikromechanisches Bauteil herstellen zu können, dessen Sensierbereich 20 auf polykristallinen Siliziumschichten 3a, 3b entsteht, welche sich auf Oxid-Opferschichten 2, 6 befinden, wie in 10 dargestellt und an der Oberfläche zudem monokristalline Bereiche D aufweisen kann.
Auf nähere Details zur prozesstechnischen Herstellung des Sensierbereichs 20 auf der Trägerstuktur mit den Polysiliziumschichten 3a, 3b wird hier nicht näher eingegangen, da diese Prozessschritte an sich bekannt sind.
Wird innerhalb des Sensierbereichs 20 in einem der letzten Prozessierungsschritte nun ein Ätzzugang 8 von der Oberfläche bis hinein in das „Kanalsystem“ unterhalb der Oxid-Opferschichten 2, 6 erzeugt, so kann über diesen Ätzzugang eine schnelle, großflächige Ätzung der Oxid-Opferschichten 2, 6 unterhalb der Trägerstruktur 3a, 3b des Sensierbereichs 20 erfolgen, wodurch unterhalb der Trägerstruktur 3a, 3b, auf der sich der Sensierbereich 20 befindet, eine Kaverne 16 ausgebildet wird.
In 11 ist dies bildlich dargestellt. Hier wurde zum Beispiel im polykristallinen Bereich des EPI-Plugs ein Ätzzugang 8 mit Hilfe eines oder mehrerer vorzugsweise anisotroper Plasmaätzprozesse (Trenchen von Silizium und Ätzen von SiO₂ oder Ätzen einer homogenen bzw. einheitlichen Siliziumschicht in einem Plasmaätzschritt) geschaffen und durch diesen Ätzzugang 8 die Oxid-Opferschichten 2, 6 entfernt.
12 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem der Ätzzugang 8 durch das Schichtsystem im Sensierbereich 20 erfolgt. Bestehen die Oxid-Opferschichten 2, 6 aus SiO₂, ist es sinnvoll, den Rand des Ätzzugangs 8 aus Silizium auszubilden. Hierdurch kann vorteilhaft vermieden werden, dass Oxidschichten innerhalb des Schichtsystems im Sensierbereich 20 des mikromechanischen Bauteils mit entfernt werden. Wie ferner in 12 erkennbar ist, können unter dem freigestellten Sensierbereich 20 auch Noppen 9 vorhanden sein, welche sich an der dem Substrat zugewandten Seite der Trägerstruktur 10 befinden und in bestimmten Situationen auf korrespondierenden Flächen am Substrat 1 auftreffen können.
Im Ergebnis weist somit der Sensierbereich 20 im Wesentlichen gleiche laterale Abmessungen auf, wie die darunter angeordnete Trägerstruktur 3a, 3b. Nicht in Figuren dargestellt ist eine Variante, bei der der Sensierbereich 20 auch kleinere laterale Abmessungen haben kann als die darunter befindliche Trägerstruktur 3a, 3b.
Die Noppen 9 können aus Polysilizium oder aus einem elektrischen isolierenden Material bestehen, welche eine hohe Ätzresistenz gegenüber dem Oxid-Opferschichtätzmedium besitzt und vor der Abscheidung der Polysiliziumschicht 3a auf der zweiten Oxid-Opferschicht 6 abgeschieden und optional strukturiert wurde.
Die Abbildungen a) und b) von 12 zeigen unterschiedliche Varianten der Noppen 9. In ist z.B. eine Variante gezeigt, bei der sich im Bereich einer Noppe 9 aus Polysilizium auf einer korrespondierenden Fläche des Substrat 1 optional eine ätzresistente Schicht 4 befindet, deren Material eine hohe Ätzresistenz gegenüber dem Oxid-Opferschichtätzmedium besitzt und elektrisch isolierend ist.
In ist die Variante zu sehen, bei der die Noppe 9 selbst aus einem elektrisch isolierenden Material besteht das eine hohe Ätzresistenz gegenüber dem Opferschichtätzmedium besitzt. Wie in 13 erkennbar ist, können die Noppen 9 durch gezielte Strukturierungen der beiden Oxid-Opferschichten 2, 6 hergestellt werden. Denkbar ist auch, auf Noppenstrukturen an der Substratoberfläche, welche durch gezielte Strukturierung der ersten Oxid-Opferschicht 2 und gezieltes Ätzen des Substrats 1 hergestellt werden können, eine ätzresistente und elektrisch isolierende Schicht 4 vorzusehen, wie in gezeigt wird. In diesem Fall würde die Abscheidung und Strukturierung dieser Schicht vor der Abscheidung der ersten Oxid-Opferschicht 2 erfolgen.
In Anlehnung an 12 kann der Abstand zwischen der Trägerstruktur 3a, 3b, auf der sich der Sensierbereich 20 befindet, und dem Substrat 1 nicht alleine durch entsprechende Wahl der Schichtdicken der Oxid-Opferschichten 2, 6 definiert werden. Vielmehr kann der Abstand auch durch Ätzen des Substrats 1 mit Hilfe eines zusätzlichen Gasphasenätzprozesses (z.B. mittels XeF2) erhöht werden.
In 14 ist dargestellt, wie hierzu der Ätzzugang 8 ausgebildet sein muss. Damit beim XeF2-Ätzen kein ungewollter Ätzangriff auf frei liegende Si-Flächen erfolgt, müssen diese mit einer ätzresistenten Schicht 11, wie zum Beispiel SiO₂ geschützt werden, was auch für den Bereich des Ätzzugangs 8 gilt. Durch eine Auswahl einer geeigneten Form und Verteilung der Öffnungen x₃ in der ersten Oxid-Opferschicht 2 a kann festgelegt werden, wie die Gräben 1a im Substrat 1 ausgebildet werden. In 14 ist erkennbar, wie auf diese Weise auch nach oben ausgerichtete nicht geätzte Bereiche des Substrats 1 erzeugt werden können, die wie Noppen wirken, was in 16 noch deutlicher erkennbar ist, wo das gesamte Opfer-Oxid herausgeätzt ist. Vorteilhaft könnend diese Noppen dazu beitragen, dass bei Vorliegen von starken Beschleunigungskräften auf den Sensor die in der Kaverne 16 freigestellte Oberfläche der Trägerstruktur 3a, 3b nicht am Substrat 1 „ankleben“ kann.
15 zeigt beispielhaft einen stressentkoppelten Sensierbereich 20 auf einer Trägerstruktur 3a, 3b nach einer XeF2-Ätzung mit noch vorliegenden Oxid-Opferschichten 2, 6 und noch vorliegender ätzresistenter (Schutz-) Schicht 11.
Nach dem Ätzen des Substrats 1 unterhalb der Trägerstruktur 3a, 3b auf der sich der Sensierbereichs 20 befindet, erfolgt anschließend die Entfernung der SiO₂-Schutz- und Opferschichten mit Hilfe eines Gasphasenätzprozesses (z.B. HF-Gasphasenätzprozess). Damit hier kein Ätzangriff auf SiO₂-Isolationsschichten zwischen Leiterbahnebenen des Sensierbereichs erfolgen kann, muss in einem Ätzzugangskanal 8 hinter den Wänden aus einem gegenüber XeF2 ätzresistenten Material 11, wie z.B. SiO₂, zusätzlich eine Schicht aus z.B. Silizium und/oder siliziumreiches Siliziumnitrid vorhanden sein, welche ätzresistent gegenüber einem Gasphasenätzprozess ist.
Auch andere Strukturen, die keine Ätzresistenz gegenüber dem verwendeten Ätzgas (z.B. HF-Dampf) besitzen, sollten mit einer entsprechenden Schutzschicht geschützt werden, wobei es sich bei diesen anderen Strukturen auch um elektrische Leiterbahnen, elektrisch isolierte Bereiche oder elektrische Isolationsschichten handeln kann. Um in diesen Fällen elektrische Kurzschlüsse vermeiden zu können, muss die Schutzschicht hieraus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie zum Beispiel siliziumreiches Siliziumnitrid bestehen.
16 zeigt einen stressentkoppelten Sensierbereich 20 mit Trägerstruktur 3a, 3b nach einer zusätzlichen HF-Gasphasenschätzung. In Bezug auf 11 ist hier erkennbar, dass mit Hilfe eines zusätzlichen XeF2-Gasphasenätzprozesses der Abstand zwischen der Trägerstruktur 3a, 3b des Sensierbereich 20 und dem Substrat 1 zusätzlich vergrößert werden kann.
17 zeigt eine weitere Variante, bei der der Anbindungsbereich 30 des Sensierbereichs 20 an das Substrat vollständig polykristallin ausgebildet ist und nach Entfernung der Opferoxide des Sensierbereichs 20 über eine oder mehrere, mit dem Substrat 1 verbundene Stelen bzw. Säulen 12 verbunden ist. Der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt, dass auch bei der in den 10 und 11 beschriebenen Variante der Anbindungsbereich 30 vollständig polykristallin ausgeführt sein kann.
Die Draufsicht und die korrespondierende Querschnittsansicht der 18a, 18b zeigen eine Möglichkeit, wie eine Trägerstruktur 3a, 3b mit einem Sensierbereich 20 stressentkoppelt zum umgebenden Substrat 1 und/oder Schichtsystem ausgeführt werden kann. Im gezeigten Fall ist die Trägerstruktur 3a, 3b mit dem Sensierbereich 20 einseitig am umgebenden Substrat 1 und/oder Schichtsystem fixiert, sonst aber getrennt vom umgebenden Silizium-Substrat 1 und/oder Schichtsystem ausgebildet. Die laterale Trennung erfolgt hier durch Einbringen einer Grabenstruktur x₄ bis hinunter zum den Oxid-Opferschichten 2, 6 und dem darunter befindlichen Ätzkanalsystem, wobei eine Trennung zwischen der Trägerstruktur 3a, 3b mit darauf befindlichem Sensierbereich 20 und dem Substrat 1 durch ein Entfernen/Ätzen der Oxid-Opferschichten 2, 6 erreicht wurde.
Ferner ist erkennbar, dass die Herstellung der Grabenstruktur in einem polykristallinen Si-Bereich C erfolgt, welcher die Trägerstruktur 3a, 3b und den Sensierbereich 20 umschließt, der wiederum von monokristallinem Silizium umgeben ist. Über die dadurch erreichte einseitige „Einspannung x₅ “ der Trägerstruktur 3a, 3b und des Sensierbereichs 20 können weiterhin elektrische Leiterbahnen 13 aus dem Sensierbereich 20 auf das Festland geführt und dieser mit integrierten Schaltungen und Bondpads 14 elektrisch verbunden werden. Bei einer weiteren Variante kann der die Trägerstruktur 3a, 3b und den Sensierbereich 20 umschließende Bereich vollständig aus polykristallinem Silizium bestehen oder aber aus einem umlaufenden polykristallinen Si-Bereich, der wiederum von einem Bereich umgeben ist in dem auf den Oxid-Opferschichten 2, 6 die gleiche Schichtenfolge wie bei der Trägerstruktur 3a, 3b und dem Sensierbereich 20 ausgebildet ist.
Die 18a, 18b und 19 zeigen Beispiele für Federn 15 bzw. Leiterbahnen 13. Es können auf die beschriebene Art und Weise jedoch auch weitere, nicht explizit erläuterte Aufhängungsstrukturen realisiert werden.
Die Draufsicht von 19 zeigt ein weiteres Beispiel, in welchem die Trägerstruktur 3a, 3b mit dem Sensierbereich 20 über flexible Strukturen/Federn 15 mit dem umgebenden Festland verbunden ist. In diesem Fall wird der Ätzprozess zur Herstellung der Grabenstruktur x₄ auch zur Herstellung der Federstrukturen 15 benutzt, welche sich teilweise oder vollständig in dem polykristallinen Si-Bereich befinden der die Trägerstruktur 3a, 3b und den Sensierbereich 20 umschließt. Der elektrische Anschluss von Strukturen im Sensierbereich 20 erfolgt in diesem Beispiel mit Hilfe von elektrischen Leiterbahnen 13, welche über die elastischen Strukturen bzw. Federn 15 geführt werden und welche aus dotiertem Polysilizium, aus metallischem Material, aus Metallsiliziden, aus gezielt dotierten Bereichen in der Siliziumoberfläche oder aus Kombinationen dieser bestehen können.
Die auf den Oxid-Opferschichten 2, 6 erzeugten Polysiliziumschichten 3a, 3b dienen im Wesentlichen als ein Unterbau bzw. als eine Trägerstruktur für Sensoren bzw. Sensierbereiche, welche durch einen wenigstens partiell umlaufenden Graben und durch Entfernen der Oxid-Opferschichten 2, 6 vom umgebenden Substrat 1 und/oder umgebenden Schichtsystem stressentkoppelt werden sollen/müssen. Der gezeigte Aufbau hat den Vorteil, dass er sowohl hohe SiO₂-Opferoxidätzraten durch Ätzkanäle im Siliziumsubstrat als auch einen stabilen, verbiegungsfreien, Untergrund und Schichtaufbau ermöglicht, der die Verwendung von Standard-Halbleiterprozessen zur Erzeugung der gewünschten Strukturen ohne Einschränkungen erlaubt. Die Möglichkeit, an der Chipoberfläche Bereiche vorsehen zu können, welche aus monokristallinem Silizium bestehen, erlaubt es weiterhin, integrierte Schaltungen vorsehen zu können. Auf diese Weise kann z.B. ein integrierter OMM-Drucksensorchip oder Inertialsensorchip realisiert werden, dessen Sensierbereich 20 stressentkoppelt zum umgebenden Substrat ausgebildet ist.
Nachfolgend wird anhand der 20-39 eine weitere Variante zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors 100 näher erläutert.
20 zeigt, dass zur Erhöhung eines Abstands zwischen einem freizustellenden Bereich und einem Substrat 1 definiert Trenchstrukturen 1b in das Substrat 1 eingebracht werden können, welche anschließend mit Hilfe einer ersten Oxid-Opferschicht 2 (z.B. Siliziumoxidschicht) aufgefüllt werden, wie es in 21 angedeutet ist. Dies kann zum Beispiel durch thermische Oxidation, Abscheiden einer LPCVD- oder PECVD-Oxidschicht oder einer TEOS-Oxidschicht oder Kombinationen aus diesen Schichten erfolgen. Um den durch das Auffüllen der Trenchstrukturen 1b mit SiO₂ entstehenden lokalen Stress minimieren zu können, kann die Form der Trenchstrukturen 1b derart gewählt sein, dass an der Substratoberfläche die kleinste Öffnungsweite existiert und sich die Trenchstrukturen 1b mit zunehmender Grabentiefe aufweiten.
Auf diese Weise kann eine mit SiO₂ ausgekleidete Trenchstruktur 1b erzeugt werden, welche an der Substratoberfläche verschlossen ist. Der so erzeugte Hohlraum dient zur lokalen Stressentkopplung und verhindert die Bildung von unerwünschten Rissen im Substrat 1. Die Form der Trenchstrukturen 1b kann dabei zum Beispiel flaschenartig (22a), dreiecksartig (22b), oder bauchartig (22c) ausgeführt sein.
Nach Abscheiden der ersten Opfer-Oxidschicht 2 in die Trenchstrukturen 1 b und Verschließen der Trenchstrukturen 1b durch die erste Opfer-Oxidschicht 2 werden außerhalb der aufgefüllten bzw. verschlossenen Trenchstrukturen 1b in die abgeschiedene erste Oxid-Opferschicht 2 Öffnungen x₆ geätzt, durch die mit Hilfe eines isotropen Siliziumätzprozesses (zum Beispiel XeF2- oder isotroper Plasmaätzschritt), das darunter befindliche Silizium entfernt wird, wie in 23 angedeutet. Man erkennt die nach dem Siliziumätzprozess verbliebenen Säulen der ersten Oxid-Opferschicht 2. Die Tiefe des dabei entstehenden Hohlraums sollte kleiner oder gleich der Tiefe der mit der ersten Oxid-Opferschicht 2 ausgekleideten Trenchstrukturen 1b gewählt werden, um ein Unterätzen der dabei erzeugten SiO₂-Strukturen zu vermeiden. Dies ist insofern wichtig, weil die SiO₂-Strukturen zur Stabilisierung des Untergrunds für den weiteren Schichtaufbau des später freizustellenden Bereichs dienen. Die SiO₂-Strukturen können dabei beliebige Anzahl und Form haben. Um einen möglichst plane erste Oxid-Opferschicht 2 zu erhalten, kann vor der Erzeugung von Öffnungen x₆ in der ersten Oxid-Opferschicht noch zusätzlich ein oberflächlicher Planarisierungsschritt (CMP-Schritt) erfolgen.
Die hergestellten SiO2-Strukturen im Substrat 1 können bei geeigneter Auslegung auch dazu benutzt werden, laterale Ätzstoppstrukturen zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass die lateralen und vertikalen Abmessungen der Kaverne unter dem freizustellenden Bereich unabhängig voneinander gewählt bzw. ausgeführt werden können.
Nach der Entfernung des Siliziums durch die Öffnungen x₆ in der ersten Oxid-Opferschicht 2 werden die Öffnungen x₆ in der ersten Oxid-Opferschicht 2 mit Hilfe einer zweiten Oxid-Opferschicht 6 verschlossen. Nach dem Verschluss der Öffnungen x₆ kann weiterhin eine erste Polysiliziumschicht 3a abgeschieden werden, welche außerhalb des Stressentkopplungsbereichs zusammen mit den bereits abgeschiedenen SiO₂-Schichten entfernt wird, wie in 24 dargestellt. Im Ergebnis sind jetzt zwischen dem Substrat 1 und der zweiten Oxid-Opferschicht 6 mit der darauf abgeschiedenen ersten Polysiliziumschicht 3a Säulen und optional laterale Ätzstoppstrukturen bestehend aus der ersten Oxid-Opferschicht 2 ausgebildet, die eine mechanische Stabilität für den weiteren Schichtaufbau bereitstellen und zumindest teilweise von geschlossenen Hohlräumen umgeben sind.
Wird nun auf die so vorbereitete Oberfläche in einem Epitaxie-Reaktor (EPI-Reaktor) eine zweite Siliziumschicht abgeschieden/aufgewachsen, wie in 25 dargestellt, so wächst dieses in den Bereichen, in denen die erste Polysiliziumschicht 3a vorhanden ist, polykristallin auf, wobei die zweite Polysiliziumschicht 3b gebildet wird, und in den Bereichen, in denen das Substrat 1 freigelegt wurde, monokristallin auf (Bereich B).
Werden hingegen nur die Opfer-Oxidschichten 2, 6 strukturiert und die erste Polysiliziumschicht 3a flächig auf dem gesamten Wafer abgeschieden, wie in 26 dargestellt, so wächst bei einer Siliziumabscheidung in einem EPI-Reaktor ganzflächig polykristallines Silizium auf dem Wafer, wie in 27 erkennbar und entsprechend dem Bereich A in 8a. Die in einem EPI-Reaktor aufgewachsene zweite Polysiliziumschicht 3b und die in diesem Zusammenhang in der Fachsprache als „Startschicht“ bezeichnete erste Polysiliziumschicht 3a dienen im Bereich, der stressentkoppelt werden soll, als Trägerstruktur 3a, 3b für weitere Schichten, mit denen ein Sensierbereich 20 realisiert werden kann, während der Bereich, in dem Silizium monokristallin aufgewachsen ist, für die Integration elektronischer Schaltungskomponenten genutzt werden kann.
28 zeigt eine Querschnittsansicht mit einem Sensierbereich 20 und dem monokristallinen Bereich D, in welchem elektronische Schaltungskomponenten (nicht dargestellt) angeordnet sein können, die elektrisch mit dem Sensierbereich 20 verbunden werden können.
Nach Umsetzung aller notwendigen Prozessschritte für die Realisierung des Sensierbereichs 20 können an einer oder mehreren Positionen der Oberfläche Ätzzugänge 8 durch das vorhandene Schichtsystem bis zur darunter befindlichen und mit SiO₂-Strukturen durchzogenen Kaverne 16 umgesetzt werden. Da durch diese Ätzkanäle 8 die SiO₂-Schichten innerhalb der Kaverne 16 mittels nasschemischer oder gasförmiger Ätzung mit HF entfernt werden soll, ist es von Vorteil, die Ätzzugänge 8 in Gebieten vorzusehen, in denen sich Schichten aus Silizium und/oder gegenüber HF resistente Materialen befinden, um ungewollte bzw. unkontrollierte Ätzungen innerhalb des Schichtsystems vermeiden zu können, wie in 29 angedeutet. Erkennbar sind hier auch die „Fussabdrücke“ der Säulen der ersten Oxid-Opferschicht 2 im Substrat 1, die durch den Gasphasenätzprozess entfernt wurden.
Denkbar ist ferner, die Ätzzugänge 8 derart auszubilden, dass eine definierte Trennung zwischen dem Bereich, der stressentkoppelt werden soll, und dem umgebenden Gebiet/Substrat erreicht werden kann. Dabei können zum Beispiel federartige Aufhängungen bzw. Federn 15 analog zu den Darstellungen in den 18a, 18b und 19 realisiert werden, über die der später freigestellte und stressentkoppelte Bereich noch mit dem umgebenden Substrat verbunden ist und über die zum Beispiel auch elektrische Leiterbahnen 13 (siehe 18a, 18b, 19) geführt werden können.
Weiterhin ist auch denkbar, an der Unterseite und somit der dem Substrat 1 zugewandten Seite des stressentkoppelten Bereichs bzw. der Trägerstruktur 3a, 3b mit dem Sensierbereich 20 Noppen 9 vorzusehen, um ein mögliches Anhaften dieses Bereichs am Substrat 1 möglichst vermeiden zu können. Zu deren Herstellung können Vertiefungen x₇ in die zweite Oxid-Opferschicht 6 (Verschlussoxid) eingebracht werden, wie in 30 dargestellt, die in späteren Prozessschritten mit Silizium aufgefüllt werden. Alternativ können aber auch Vertiefungen in das Substrat 1 geätzt werden, welche zum Beispiel mit der ersten Oxid-Opferschicht 2 und der zweiten Oxid-Opferschicht 6 ausgekleidet und in anschließenden Prozessschritten mit Silizium aufgefüllt werden, wie in 31 angedeutet. Nach dem Abscheiden der ersten Oxid-Opferschicht 2 erfolgt auch hier die Herstellung von Öffnungen x₃ , durch welche das Substrat 1 geätzt werden kann. Diese Öffnungen x₃ können sich optional auch im Bereich der in das Substrat 1 geätzten Vertiefungen befinden (nicht dargestellt).
Mit beiden Varianten können auf diese Weise Noppen 9 aus Polysilizium an der Unterseite des stresstechnisch zu entkoppelnden Bereichs umgesetzt werden, wie in 32 erkennbar.
Wie in den Querschnittsansichten der 33 und 34 graphisch angedeutet, können die Noppen 9 auch aus einem elektrisch isolierenden und ätzresistenten Material 4 bestehen bzw. von diesem überzogen sein. Hierzu muss nach dem Abscheiden der zweiten Oxid-Opferschicht 6 und dessen optionaler Strukturierung, die Abscheidung einer elektrisch isolierenden Schicht erfolgen, welche ätzresistent gegenüber HF in flüssiger oder gasförmiger Form ist. Zu diesem Zweck hat sich z.B. siliziumreiches Siliziumnitrid bewährt. Denkbar ist auch der Einsatz von Schichten aus Aluminiumoxid oder Siliziumcarbid oder Kombinationen aus den erwähnten Materialien.
Ebenso ist es denkbar, wie in 34 dargestellt, dass die isolierende Schicht 4 strukturiert sein kann und sich nur im Bereich der Noppen 9 befindet.
Weiterhin ist es auch denkbar, dass der zu stressentkoppelnde Bereich über säulenartige Strukturen bzw. Säulen 12 beliebiger Form mit dem Substrat 1 verbunden ist. Die säulenartigen Strukturen bzw. Säulen 12 sind hier direkt mit der Unterseite der Trägerstruktur 3a, 3b und der Oberseite des Substrats1 verbunden. Der Aufbau der säulenartigen Strukturen 12 ist vergleichbar zu dem von Noppenstrukturen bzw. Noppen 9. Die Anzahl und Lage der säulenartigen Strukturen kann hierbei, wie auch bei den Noppenstrukturen, beliebig gewählt und an bestehende Erfordernisse angepasst werden. Das Material der Säulenstrukturen kann Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, siliziumreiches Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder eine Kombination aus den erwähnten Materialien aufweisen. Bei der Wahl des Materials bzw. bei der Wahl der Materialkombinationen ist aber darauf zu achten, dass das Material welches mit dem Ätzmedium zur Entfernung der Oxid-Opferschichten 2, 6 in Berührung kommt diesem Gegenüber eine hohe Ätzresistenz aufweist.
Auch kann sich Material der säulenartigen Strukturen flächig auf der Unterseite des stressentkoppelten Sensierbereichs 20 Bereichs und hier im Besonderen auf der Unterseite der Trägerstruktur 3a, 3b befinden oder derart strukturiert sein, dass es sich nur im Bereich der säulenartigen Strukturen befindet, wie in 35 angedeutet.
In den 36 bis 39 sind einige Beispiele zu weiteren möglichen säulenartigen Strukturen 12 dargestellt. In 36 sind säulenartige Strukturen 12 erkennbar, die einen Mantel aus elektrisch isolierendem und gegenüber dem Ätzmedium der Oxid-Opferschichten 2, 6 ätzresistenten Material wie z.B. siliziumreiches Siliziumnitrid und einen Kern aus Polysilizium aufweisen können.
37 zeigt ein Beispiel einer säulenartigen Struktur 12 mit einem Kern aus poly- und monokristallinem Silizium der aus Material der Trägerstruktur 1 und aus Material des Substrats 1 gebildet wird.
38 zeigt eine Variante von säulenartigen Strukturen 12 mit einem polykristallinen Siliziumkern aus Material der Trägerstruktur 1, der am Boden der säulenartigen Strukturen 12 elektrisch und mechanisch mit dem Substrat 1 verbunden ist und 39 eine Variante, bei welcher der Mantel aus elektrisch isolierendem Material, z.B. SiO₂, von der säulenartigen Struktur 12 entfernt wurde und nur noch der Kern aus Silizium vorhanden ist.
Wie in 40 zu sehen ist, ist es auch denkbar, als Substratmaterial einen SOI-Wafer 40 (engl. silicon on isolator, SOI) vorzusehen, der ein monokristallines Siliziumsubstrat 40a, eine darüber angeordnete elektrisch isolierende Schicht 40b (z.B. SiO₂) und eine darauf angeordnete mono- oder polykristallines Silizium 40c aufweist, wobei das beschriebene Verfahren mit dem SOI-Wafer 40 durchgeführt werden kann. Bei Verwendung eines SOI-Wafers können vorteilhaft die Trenchstrukturen 1 b die Siliziumschicht 40c vollständig durchdringen und die isolierende Schicht 40b als Ätzstoppschicht für den Ätzprozess (z.B. Trenchätzprozess) verwendet werden (nicht gezeigt). Bei Verwendung von Trenchstrukturen 1b als laterale Ätzstoppstrukturen, welche mit der ersten Oxid-Opferschicht 2 verfüllt und verschlossen werden, können so Bereiche im Substrat 1 definiert werden aus denen das Substratmaterial entfernt werden kann ohne Trenchstrukturen 1b innerhalb diese Bereichs zu unterätzen.
Da hier die isolierende Schicht 40c als auch die lateralen Ätzstoppstrukturen gegenüber einem Siliziumätzprozess ätzresistent ausgeführt werden können, kann das Substrat 1 mit einem Ätzprozess geätzt werden, an den keine hohen Anforderungen z.B. hinsichtlich des anisotropen Ätzverhaltens gestellt werden müssen. Um eine unkontrollierte laterale Ätzung der isolierenden Schicht 40b und somit eine Unterätzung der Siliziumschicht 40c beim späteren Oxid-Opferschichtätzen zu vermeiden, kann die isolierende Schicht 40b vor dem Abscheiden/Aufbringen der Siliziumschicht 40c derart strukturiert werden, dass in Öffnungen der isolierenden Schicht 40b Material der Siliziumschicht 40c auf dem monokristallinen Siliziumsubstrat 40a abgeschieden wird und somit als lateraler Ätzstopp wirken kann. Nach dem Abscheiden der Siliziumschicht 40c kann weiter ein Planarisierungsschritt zur Herstellung einer planen Oberfläche durchgeführt werden.
Bei einer alternativen Variante wird zuerst im Siliziumsubstrat 40a eine Vertiefung erzeugt, welche mit der isolierenden Schicht 40b aufgefüllt wird. Die abgeschiedene Schichtdicke der isolierenden Schicht 40b ist dabei vorteilhafter Weise größer gewählt als die in der Vertiefung des Siliziumsubstrat 40a abgetragene Schichtdicke. Durch einen Planarisierungsschritt wird nachfolgend die Oberfläche derart abgetragen, dass sich die isolierende Schicht 40b nur noch in den Vertiefungen im Siliziumsubstrat befindet und einen plane Oberfläche erzeugt wird. In einem nachfolgenden Abscheideprozess wird die Siliziumschicht 40c auf die planarisierte Oberfläche abgeschieden und lateral voneinander separierte Inseln aus dem Material der isolierenden Schicht 40c gebildet. Bereiche in denen die Siliziumschicht 40c in Kontakt mit dem Siliziumsubstrat 40a kommt können auch hier als laterale Ätzbegrenzung verwendet werden.
Bei einer weiteren Variante werden die voneinander separierten Inseln aus der isolierenden Schicht 40b mit Hilfe eines LOCOS-Prozesses gebildet. Durch Einsatz eines Planarisierungsschrittes, mit welchem auch die Nitridmaske zur Erzeugung der lokalen SiO2-Bereiche entfernt wird, kann auch hier eine plane Oberfläche mit voneinander getrennten SiO2-Bereichen erzeugt werden. Alle vorgenannten Beispiele sind exemplarisch zu verstehen und können auf vielfältige Art und Weise modifiziert und/oder kombiniert werden. Ferner können die elastischen Strukturen und die Art und Weise der Aufhängung des Sensierbereichs beliebig gewählt und dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Vorteilhaft sind die gezeigten Stressentkopplungsvarianten nicht nur auf Drucksensoren beschränkt, sondern können auch bei anderen, stresssensitiven Sensoren, wie z.B. mikromechanischen Inertialsensoren oder bei Temperatursensoren eingesetzt werden. Vorteilhaft kann die Erfindung auf alle Arten von mikromechanischen Sensoren angewendet werden, bei denen eine Stressentkopplung des Sensierbereichs realisiert werden soll. Hierdurch können Einflüsse durch die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) auf das Sensorsignal verringert bzw. vermieden werden und kostenintensive Aufbauten zur Reduzierung des Stresseintrags entfallen bzw. reduziert sein.
Vorgehend sind nur grobe Prozessschritte aufgeführt. Der Fachmann kann somit anhand der Beschreibung und seiner fachlichen Expertise auf erforderliche Prozessierungsdetails schließen. Weiterhin können in bzw. nach den beschriebenen Abläufen, falls notwendig, auch zusätzliche CMP-Schritte durchgeführt werden, um Oberflächen zu erzeugen, auf denen mit Standardhalbleiterverfahren weitere Prozessschritte bzw. -sequenzen durchführbar sind.
41 zeigt in prinzipieller Art und Weise einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100.
In einem Schritt 200 wird ein Aufbringen einer ersten Oxid-Opferschicht 2 auf ein Substrat 1 durchgeführt.
In einem Schritt 210 wird ein Entfernen von Material des Substrats 1 durch Öffnungen x₃ in der ersten Oxid-Opferschicht 2 durchgeführt.
In einem Schritt 220 wird ein Verschließen der Öffnungen x₃ in der ersten Oxid-Opferschicht 2 durch Aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht 6 durchgeführt.
In einem Schritt 230 wird ein Ausbilden eines Sensierbereichs 20 auf einer Trägerstruktur 3a, 3b durchgeführt, wobei der Sensierbereich 20 und die Trägerstruktur 3a, 3b auf den Oxid-Opferschichten 2, 6 ausgebildet werden und der Sensierbereich 20 und/oder die Trägerstruktur 3a, 3b über zumindest einen eine flexible Struktur 15 bildenden Anbindungsbereich 30 mit dem Substrat 1 verbunden werden.
In einem Schritt 240 wird ein wenigstens teilweises Entfernen der Oxid-Opferschichten 2, 6 zwischen der Trägerstruktur 3a, 3b und dem Substrat 1 mittels eines Ätzprozesses durchgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013213065 B4 [0003]
DE 102013222664 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (100), aufweisend die Schritte: - Aufbringen einer ersten Oxid-Opferschicht (2) auf ein Substrat (1); - Entfernen von Material des Substrats (1) durch Öffnungen (x₃) in der ersten Oxid-Opferschicht (2); - Verschließen der Öffnungen (x₃) in der ersten Oxid-Opferschicht (2) durch Aufbringen einer zweiten Oxid-Opferschicht (6); - Ausbilden eines Sensierbereichs (20) auf einer Trägerstruktur (3a, 3b), wobei der Sensierbereich (20) und die Trägerstruktur (3a, 3b) auf den Oxid-Opferschichten (2, 6) ausgebildet werden und der Sensierbereich (20) und/oder die Trägerstruktur (3a, 3b) über zumindest einen eine flexible Struktur (15) bildenden Anbindungsbereich (30) mit dem Substrat (1) verbunden werden; und - wenigstens teilweises Entfernen der Oxid-Opferschichten (2, 6) zwischen der Trägerstruktur (3a, 3b) und dem Substrat (1) mittels eines Ätzprozesses.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Entfernen der Oxid-Opferschichten (2,6) zwischen der Trägerstruktur (3a, 3b) und dem Substrat (1) im Substrat (1) Gräben (1a) und/oder Trenchstrukturen (1b) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Stützstrukturen in Form der Gräben (1a) und/oder die Trenchstrukturen (1b) im Substrat mit einer ersten Oxid-Opferschicht (2) aufgefüllt werden und im weiteren Herstellprozess als Unterstützung der Trägerstruktur (3a, 3b) dienen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ätzprozess zur Erzeugung der Gräben (1a) und/oder der Trenchstrukturen (1b) als Ätzkanäle und/oder der Stützstrukturen zur Unterstützung einer Trägerstruktur im Substrat isotrop oder anisotrop ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zum Ausbilden der Gräben (1a) ein teilweises Entfernen des Substrats unterhalb der ersten Oxid-Opferschicht (2) durch Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht (2) erfolgt und die Öffnungen in der ersten Oxid-Opferschicht (2) durch Aufbringen der zweiten Oxid-Opferschicht (6) verschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Trägerstruktur (3a, 3b) zum Substrat (1) hin ausgerichtete Noppen (9) und/oder am Substrat (1) zur Trägerstruktur (3a, 3b) hin ausgerichtete Noppen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Trägerstruktur (3a, 3b) zum Substrat (1) hin ausgerichtete Säulen (12) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Säulen (12) mit dem Substrat (1) verbunden oder vom Substrat (1) beabstandet ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den Oxid-Opferschichten (2, 6) eine erste Polysiliziumschicht (3a) mit einer definierten Schichtdicke ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei als Trägerstruktur (3a, 3b) auf einer ersten Polysiliziumschicht (3a) eine zweite Polysiliziumschicht (3b) mit einer definierten Schichtdicke ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei an der zum Substrat (1) hin ausgerichteten Seite der ersten Polysiliziumschicht (3a) eine ätzresistente Schicht (4) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei ein Anbindungsbereich (30) der Trägerstruktur (3a, 3b) an das Substrat 1 zumindest teilweise und/oder bereichsweise monokristallin ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei ein Anbindungsbereich (30) der Trägerstruktur (3a, 3b) an das Substrat 1 polykristallin ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei im Anbindungsbereich (30) elektrische Schaltungskomponenten ausgebildet werden, die mit Leiterbahnen (13) an den Sensierbereich (20) angebunden werden.
Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend: - eine Trägerstruktur (3a, 3b) mit einem auf einer Trägerstruktur (3a, 3b) ausgebildeten Sensierbereich (20); wobei die Trägerstruktur (3a, 3b) nach unten wenigstens teilweise vom Substrat (1) beabstandet ist und seitlich wenigstens abschnittsweise an das Substrat (1) angebunden ist.