Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionalität von mechanischen
Komponenten in mikromechanischen Systemen, z.B. integrierten mikromechanischen
Systemen, insbesondere bei Verwendung einer SiGe-Technologie zu
verbessern, so dass auch eine Herstellung vergleichsweise großer Sensorflächen mit
hoher Auflösung
möglich
wird.
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5 oder 6 gelöst. In den
Unteransprüchen
sind vorteilhafte oder zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung angegeben.
Zunächst geht
die Erfindung von einem Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen
aus, bei welchem auf eine Opferschicht eine Funktionsschicht abgeschieden
und für
die Herstellung von wenigstens einem mechanischen Funktionselement
die Opferschicht wieder entfernt wird. Ein erster wesentlicher Aspekt
der Erfindung liegt darin, dass eine Randschicht, mit welcher die
Funktionsschicht auf der Opferschicht beginnt und die eine andere
Beschaffenheit wie die übrige
Funktionsschicht aufweist, zumindest zu einem erheblichen Teil ebenfalls
entfernt wird. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde,
dass der Stressgradient in bekannten Strukturen im Wesentlichen
dadurch verursacht wird, das die Schichtspannung auf der Unterseite
der Schicht eine andere ist als auf der Oberseite der Schicht, sodass
sich freie z.B. SiGe-Balken teilweise um ein Vielfaches der Schichtdicke
nach oben wölben
und darüber
hinaus der Schichtspannungsunterschied mehr oder weniger ausschließlich von
einer vergleichsweise dünnen Randschicht
auf der Unterseite der Funktionsschicht verursacht wird, die bei
der Herstellung der Funktionsschicht sich von der übrigen Funktionsschicht
unterscheidet. In der Regel tritt an der Unterseite der Funktionsschicht
eine Druckspannung auf, während an
der Oberseite eine niedrigere Druckspannung bzw. eine Zugspannung
herrscht. Hierdurch ergibt sich aufgrund dieses Spannungsunterschieds
eine Auslenkung von z.B. einseitig eingespannten Balken bzw. eine
Verbiegung frei liegender Strukturen in eine Richtung nach oben,
also von z.B. einem Träger
weg in Richtung der Schichtoberfläche.
Die
Ursache des Verhaltens der Randschicht in der Funktionsschicht,
die den Spannungsgradienten mit beschriebenen Auswirkungen zur Folge
hat, liegt darin, dass sich die Kristallstruktur während der Abscheidung
verändert.
Relativ unabhängig
von Abscheideparametern bildet sich meist zuerst eine amorphe bzw.
sehr fein kristalline Randschicht aus, welche zwischen einigen 10
nm und einigen 100 nm dick ist. Mit fortschreitender Abscheidung,
werden die Kristallite in der Schicht immer größer, wobei jedoch die Änderung
der Kristallgröße nach
einer gewissen Schichtdicke (Randschicht) nicht mehr so stark ist
bzw. keine Änderung
mehr stattfindet. Damit ist der Abschnitt der Schicht in diesem
Bereich der Funktionsschicht im Hinblick auf die Kristallstruktur relativ
homogen. Da die mechanische Spannung (sowie der thermische Ausdehnungskoeffizient)
einer Schicht sehr stark von der Kristallstruktur abhängt, zeigt
die feinkristalline bzw. amorphe Randschicht eine andere Spannung
als die darauffolgende polykristalline Hauptschicht der Funktionsschicht.
Das erklärt,
warum hauptsächlich
der Bereich der Randschicht dafür
verantwortlich ist, dass sich die gesamte Funktionsschicht aufgrund
eines Stressgradienten z.B. nach oben verbiegt. Erfindungsgemäß wird nun die
Randschicht im unteren Bereich der Funktionsschicht abgetragen,
womit auch die Ursache des Stressgradienten beseitigt ist. Ein solches
Verfahren kann bei allen mikromechanischen Strukturen zur Anwendung
kommen und muss nicht notwendigerweise auf integrierte mikromechanische Systeme
beschränkt
sein. Das Abtragen der Randschicht kann auf unterschiedliche Arten
erfolgen. Ihnen gemeinsam ist, dass die Opferschicht bereits ganz
oder zumindest teilweise entfernt sein muss, da sonst die Randschicht
nicht frei zugänglich
ist und dann nicht abgetragen werden kann.
Regelmäßig wird
die Opferschicht aus einem Material hergestellt, das sich mit einer
mehr oder weniger großen
Selektivität
zur Funktionsschicht ätzen lässt. Das
hat den Vorteil, dass beim Entfernen der Opferschicht die Funktionsschicht
nahezu gar nicht oder in einem nicht erheblichen Ausmaß angegriffen wird.
Beispielsweise besteht die Opferschicht aus Ge und die Funktionsschicht
aus SiGe, wobei der Germaniumanteil kleiner als 65% bis 70% ist,
um eine ausreichende Selektivität
beim Opferschichtätzen zwischen
der Opferschicht und der Funktionsschicht zu erzielen. Als Opferschicht-Ätze eignet
sich neben H2O2 fast
jede andere oxidierende Flüssigkeit.
Die Opferschicht muss nicht zwangsläufig aus Ge bestehen, sie kann
auch aus SiGe mit einem hohen Germaniumanteil aufgebaut sein. Daneben
kommen auch andere Werkstoffe, wie z.B. Siliziumdioxid in Frage.
In diesem Fall kann dann Flusssäure
(HF) zum Opferschichtätzen
zum Einsatz kommen. Im Fall eines vergleichsweise niedrigen Germaniumanteils (kleiner
65% bis 70%) in der Funktionsschicht kann die Randschicht z.B. nasschemisch
mit Ätzen,
die zum Siliziumätzen
eingesetzt werden, wie z.B. TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) abgetragen
werden, nachdem die Opferschicht entfernt ist. Denkbar ist aber
auch ein chemisches Entfernen der Startschicht mit gasförmigen Stoffen
wie z.B. ClF3, XeF2 oder
auch in einem Plasma mit isotroper Ätzwirkung. Zum Plasmaätzen eignet
sich z.B. SF6. Mit einem solchen Verfahren
aus der Gasphase kann auch die Opferschichtätzung selbst durchgeführt werden,
wenn die eigentlichen Funktionselemente zuvor geeignet passiviert
wurden.
Ist
der Germaniumanteil der Funktionsschicht größer als 65% bis 70% so wird
beim Opferschichtätzen
einer z.B. reinen Germanium-Opferschicht mit beispielsweise H2O2 auch die Funktionsschicht
angegriffen. Dies kann gezielt genutzt werden, um die Randschicht
bereits während
des Opferschichtätzens
zu entfernen. Hierbei ist dann kein zusätzlicher Schritt notwendig,
um den Stressgradienten zu reduzieren. Die Selektivität zwischen
Opferschicht und Funktionsschicht kann durch den Germaniumgehalt
(z.B. Germaniumgehaltgradienten) der Funktionsschicht exakt eingestellt
werden.
Beispielsweise
besteht die Opferschicht aus Germanium und die Funktionsschicht
aus SiGe mit einem Germaniumanteil von größer als 65%, der über die
gesamte Schichtdicke konstant ist. Die Abscheidebedingungen für die Germaniumopferschicht, welche
z.B. aus zwei Lagen bestehen kann, können z.B. für einen LPCVD-Ofen 400°C, 400 mTorr
Prozessdruck, 190 sccm Si2H6 Gasfluss
für eine
Dauer von zehn Minuten für
eine Germaniumstartschicht und 400°C, 400 mTorr Druck und 190 sccm
GeH4 Gasfluss für die Germaniumopferschicht
selbst sein. Als Parameter für
die Funktionsschicht kommen z.B. 425°C, 400 mTorr Druck und für die Gasflüsse 100 sccm
SiH4, 70 sccm GeH4 sowie
60 sccm B2H6 in
Frage. Wird diese Opferschicht mit H2O2 geätzt,
so entfernt man automatisch die untere Schicht der Funktionsschicht
und beseitigt damit auch den Stressgradienten. Die Selektivität zwischen
einer solchen Kombination von Opferschicht und Funktionsschicht
liegt in der Größenordnung
von 1:50. Die Selektivität
und Ätzzeit
der Opferschicht bestimmt hier die von der Funktionsschicht abgetragene
Schichtdicke. Mit dem vorliegenden Verfahren biegen sich z.B. 3,5 μm dicke und
500 μm lange
Balken aus einer entsprechend hergestellten Funktionsschicht um
weniger als 1,5 μm
in Bezug auf eine Ebene durch. Die Balken mit der größten Ebenheit
können
dabei Auslenkungen von weniger als 0,4 μm bei 500 μm Balkenlänge zeigen. Diese Werte werden selbst
auf Wafern in verschiedenen Bootpositionen erreicht, da das Verfahren
relativ robust im Hinblick auf Abscheideparameteränderungen
ist. Die Auslenkung von Balken deren unterste Schicht dagegen nicht
entfernt wurde, ist typischerweise mehr als zehnmal so groß. Hinzu kommt,
dass vergleichsweise große
Streuungen von Wafer zu Wafer auftreten.
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die
Funktionsschicht in einer Zusammensetzung von der Randschicht in
Richtung übrige
Funktionsschicht betrachtet aufgebracht, dass sich wenigstens ein
Teil der Randschicht zumindest ansatzweise selektiv zur verbleibenden
Randschicht und/oder zur verbleibenden Funktionsschicht ätzen lässt. Durch
diese Vorgehensweise kann z.B. die Randschicht mit einer relativ
kleinen oder gar keinen Selektivität zur Opferschicht ausgestaltet
werden, wodurch beim Opferschichtätzen gleichzeitig die Randschicht
entfernt wird, aber dennoch die Funktionsschicht kaum oder gar nicht
abgetragen wird.
Insbesondere
ist es bevorzugt, wenn die Funktionsschicht in wenigstens einem
Teilbereich der Randschicht vorzugsweise bis in die verbleibende Funktionsschicht
hinein aus SiGe mit einem höheren Germaniumanteil
als 65% bis 70% aber kleiner als 100% abgeschieden und bei der Abscheidung
für die verbleibende
Funktionsschicht der Germaniumanteil reduziert wird, vorzugsweise
unter einen Anteil von 65% bis 70%. Beispielsweise wird in ein und
derselben Ofenabscheidung direkt nacheinander ohne dazwischenliegende
Stabilisierungsschichten die Rand- und dann die verbleibende Funktionsschicht abgeschieden.
Hierzu wird z.B. während
der Abscheidung einfach der Germanfluss nach einer vorgegebenen
Zeit gesenkt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
kann ungefähr
in der Dicke der Randschicht, welche für den Stressgradienten verantwortlich
ist, eine Schicht mit einem Germaniumgehalt von größer 65%
bis 70% aber deutlich kleiner als 100% abgeschieden werden.
Direkt
darauf kann dann die Funktionsschicht mit niedrigerem Germaniumgehalt
für eine verbesserte
Selektivität
beim Opferschichtätzen
deponiert werden. Beim Opferschichtätzen wird somit nur die Randschicht
mit hohem Germaniumanteil entfernt, jedoch keine oder im Wesentlichen
keine Bereiche der Funktionsschicht. Zielgenau wird somit nur die
Schicht von der Funktionsschicht entfernt, die den Stressgradienten
verursacht, ohne dabei beim Ätzen
exakte Zeitfenster einhalten zu müssen.
Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen,
bei welchen auf eine Opferschicht, eine Funktionsschicht abgeschieden
und für
die Herstellung von wenigstens einem mechanischen Funktionselement
die Opferschicht wieder entfernt wird, auch dadurch gelöst, dass
eine Schicht oder mehrere Schichten mit zumindest annähernd gleichen
Eigenschaften im Hinblick auf die Schichtspannung in der Schicht
bzw. den Schichten zusammen betrachtet wie eine Randschicht, mit
welcher die Funktionsschicht auf der Opferschicht beginnt und die
eine andere Beschaffenheit wie die übrige Funktionsschicht aufweist,
auf die Funktionsschicht aufgebracht wird bzw. werden. Hierdurch
werden auf gegenüberliegenden
Oberflächenbereichen
der Funktionsschicht Schichten mit gleicher Spannung erzeugt, wodurch mit
einer gleichmäßigen Schicht
zwischen diesen Schichten eine Spannungsneutralisation erfolgt,
so dass keine unerwünschten
Verbiegungen auftreten. Das Aufbringen der weiteren Schicht bzw.
Schichten auf der Funktionsschicht kann z.B. dadurch erfolgen, dass
der Abscheideprozess einfach gestoppt und wieder angefahren wird.
Damit entsteht auf der Funktionsschicht naturgemäß eine Schicht, die zumindest annährend gleiche
Eigenschaften wie die Randschicht zur Opferschicht aufweist, da
auch die Randschicht durch Anfahren des Prozesses mit vorgegebenen
Abscheideparametern entstanden ist. Bei jedem Neuanfahren nach einem
Stopp wird sich zunächst
eine Schicht etablieren, die der Randschicht der Funktionsschicht
entspricht, wenn die Startbedingungen der beiden Schichten vergleichbar
sind. Das kann z.B. durch eine Startschicht aus amorphem Silizium
erreicht werden.
Es
ist jedoch auch möglich,
eine andere Schicht auf die Funktionsschicht aufzubringen, wenn diese
nur entsprechendes Spannungsverhalten wie die Randschicht besitzt.
Damit lässt
sich dann die gewünschte
Spannungsneutralisation in der Funktionsschicht erreichen.
Die
beschriebenen Herstellungsverfahren haben den Vorteil, dass sich
hierdurch Funktionsschichten mit vergleichsweise niedrigem Stressgradienten
bei CMOS kompatiblen Herstellungsbedingungen erzeugen lassen. Die
Verfahren sind vergleichsweise robust im Hinblick auf Schwankungen
der Abscheideparameter, da der Stressgradient nicht über den
Germaniumgehalt, dem Druck, die Temperatur die Dotierkonzentration
oder gar einen Gradienten dieser Parameter eingestellt wird. Dies
erleichtert außerordentlich
die Prozessführung,
insbesondere bei Batchprozessen, z.B. mit einer LPCVD-Ofenabscheidung.
Gleichzeitig können
die Abscheideparameter so gewählt
werden, dass die Schichten mit einer vergleichsweise hohen Rate
deponiert werden, was im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit von
Vorteil ist. Es sind außerdem
weniger Testläufe
erforderlich, um ein Herstellungsverfahren einzufahren, da die erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
in einem großen
Prozessfenster "funktionieren".
Die
Aufgabe wird außerdem
ausgehend von einer mikromechanischen Struktur mit einer Funktionsschicht
aus SiGe, die in einem lateralen Bereich, insbesondere vollständig vom übrigen Aufbau
getrennt ist, dadurch gelöst,
dass die Funktionsschicht über
ihre Dicke betrachtet einen Aufbau derart aufweist, dass sich Spannungen
in der Schicht zumindest zum Großteil neutralisieren oder kein
Spannungsgradient auftritt. Dem liegt die oben beschriebene Erkenntnis
zugrunde, dass Spannungsgradienten in der Funktionsschicht regelmäßig nur
von einer dünnen
Schicht verursacht werden, deren Auswirkungen durch eine Schicht
mit entsprechenden Eigenschaften ausgeglichen werden kann.
Im
einfachsten Fall ist die Funktionsschicht bevorzugt über ihre
Dicke betrachtet zumindest annähernd
symmetrisch zu einer Mittelebene durch die Schicht aufgebaut. Bei
einem symmetrischen Schichtaufbau kann weitgehend davon ausgegangen werden,
dass nach außen
hin ein spannungsneutrales Verhalten des Schichtsandwiches auftritt.
In
diesem Zusammenhang ist es außerdem vorteilhaft,
wenn wie im Hinblick auf das Verfahren beschrieben, die Funktionsschicht
eine Randschicht aufweist, deren Spannungsgradienten verursachende
Wirkung durch eine entsprechende Schicht auf der Oberseite neutralisiert
ist.
Im
einfachsten Fall ist die Funktionsschicht über ihren Querschnitt betrachtet
zumindest großenteils
homogen. Eine in sich homogene Schicht ist zwangsläufig spannungsneutral.
Bei geringen Inhomogenitäten
wird sich eine geringe Restspannung einstellen, die jedoch vielfach
akzeptabel ist.
Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
In
der einzigen Figur ist ein Ausführungsbeispiel
eines Schichtaufbaus zur Veranschaulichung der Erfindung dargestellt.
Die Figur zeigt in einem schematischen Querschnitt einen typischen
Aufbau einer SiGe- Funktionsschicht 1.
Die Funktionsschicht 1 weist auf der Unterseite eine Randschicht 2 auf,
die aus amorphen oder sehr kleinen Kristalliten besteht. Auf die
Randschicht 2 folgt die verbleibende Funktionsschicht 3.
Die verbleibende Funktionsschicht 3 besteht aus vergleichsweise
großen
Kristalliten, die über
die gesamte Dicke dieser Schicht weitgehend gleichmäßig sind.
Daher weist diese Schicht über ihre
Dicke d betrachtet, eine im Wesentlichen konstante Schichtspannung
auf. Die konstante Schichtspannung ist entweder eine vergleichsweise
geringe Zug- oder Druckspannung, die durch die Pfeile 4 in der
Schicht 3 symbolisiert ist.
Demgegenüber herrscht
in der Randschicht 2 eine wesentlich größere Druckspannung (durch Pfeile 5 symbolisiert),
die zur Folge hat, dass sich die Schicht in der Figur nach oben
aufbiegt.
Erfindungsgemäß können nur
zweierlei Dinge erfolgen.
- 1. Entweder wird
die Randschicht 2 entfernt, womit eine verbleibende Funktionsschicht 3 erhalten wird,
die in sich weitgehend homogen ist und damit keinen wesentlichen
Spannungsgradienten zeigt, der zu einer unerwünschten Verformung der Schicht
führen
würde.
- 2. Auf die Schicht 3 wird (werden) eine (oder mehrere)
weitere Schicht (Schichten) aufgebracht, die ein zur Randschicht 5 vergleichbares
Spannungsverhalten besitzt (besitzen). Hierdurch können die hohen
Druckspannungen in der Randschicht durch entsprechende hohe Druckspannungen
auf der Oberseite des Schichtaufbaus kompensiert werden.