DE10333189A1

DE10333189A1 - Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems

Info

Publication number: DE10333189A1
Application number: DE10333189A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Frey; Silvia Kronmueller; Christoph Duenn; Gary Mountain View Yama; Jochen Zoellin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-10
Also published as: US20050054134A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems (1) beschrieben, das eine auf einem Substrat (2) angeordnete erste Funktionsschicht (3) aufweist, die einen leitenden Bereich (7) und eine Schichtlage (8) umfaßt. Auf der ersten Funktionsschicht (3) ist eine zweite mechanische Funktionsschicht (4) angeordnet, die zunächst auf eine auf der ersten Funktionsschicht (3) angeordnete und strukturierte Opferschicht (6) aufgebracht wird. Zusätzlich ist auf der dem leitenden Bereich (7) abgewandten Seite der Schichtlage (8) eine Schicht (11) angeordnet. Die Schicht (11) stellt auf der ersten Funktionsschicht (3) eine während eines Opferschichtätzprozesses bereichsweise derart wirkende Schutzschicht dar, dass bei einem Entfernen der Opferschicht (6) ein Ätzen der von der Schutzschicht (11) bedeckten Bereiche der ersten Funktionsschicht (3) unterbleibt und dass im Bereich der ohne die Schutzschicht (11) ausgeführten Bereiche der ersten Funktionsschicht (3) die Schichtlage (8) gleichzeitig mit der Opferschicht (6) im Wesentlichen selektiv zum leitenden Bereich (7) entfernt wird (Figur 4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Eine Herstellung eines integrierten Mikrosystems der einleitend genannten Art wird u. a. mit Silizium-Germanium-Verbindungen und Germanium durchgeführt, wie dies in Franke, A. E.; Jiao, Y.; Wu, T.; King, T.-J.; Howe, R. T.: Post-CMOS modular integration of poly-SiGe microstructures using poly-Ge sacrificial layers. Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, S.C.: June 2000, S. 18-21 und in der US 6,210,988 beschrieben wird.

Bei integrierten Mikrosystemen handelt es sich in der Regel um elektronische Systeme oder um eine Kombination aus elek tronischen und mechanischen Systemen, wie beispielsweise Resonatoren, Beschleunigungs- oder Drehratensensoren.

Zu deren Herstellung wird auf einem Wafer mit elektronischen Schaltkreisen über einer Elektronikpassivierung zunächst eine Leiterbahnebene aus Silizium-Germanium oder Aluminium aufgebracht und strukturiert. Auf dem Aluminium befindet sich in der Regel eine Diffusionsbarriere, z.B. aus Titan-Nitrid (TiN), um eine Diffusion zwischen der Aluminiumleiterbahnebene und einer SiGe-Schicht zu verhindern. Ohne diese Barriere würden Aluminiumatome in die SiGe-Schicht diffundieren und die Materialeigenschaften der Si-Ge-Schicht unter Umständen derart verändern, dass ihre günstigen Strukturierungseigenschaften sowie ihre guten mechanischen Eigenschaften verschlechtert werden.

Zur Strukturierung wird auf die Silizium-Germanium-Schicht oder die Aluminium-(TiN)-Schicht eine Photolackschicht aufgebracht, welche anschließend belichtet wird. Durch die Belichtung wird definiert, an welchen Stellen der zuvor aufgetragene Photolack stehen bleibt, wobei sich an die Belichtungsphase eine sogenannte Entwicklungsphase anschließt. Daran anschließend wird der Wafer bzw. die Silizium-Germanium-Schicht oder Aluminium-(TiN)-Schicht in einem Ätzverfahren geätzt, wobei die nicht maskierten Teile, d.h. die nicht mit dem belichteten und entwickelten Photolack passivierten Teile, während des Ätzprozesses abgetragen werden.

Auf die Silizium-Germanium-Schicht oder Aluminium-Schicht, welche beispielsweise eine Verbindung zwischen elektroni schen und mechanischen Komponenten eines Mikrosystems darstellt, wird üblicherweise eine sogenannte Opferschicht abgeschieden und strukturiert, welche beispielsweise aus Germanium oder germaniumreichem Silizium-Germanium besteht, wobei bei letztgenannten Materialien ein Germaniumanteil vorzugsweise 80 % beträgt.

Über dieser Opferschicht wird die eigentliche SiGe-Funktionsschicht aufgebracht und strukturiert, wobei vor dem Aufbringen der SiGe-Funktionsschicht eine Strukturierung der Opferschicht, beispielsweise mittels eines reaktiven Plasmas, vorgesehen sein kann. Die SiGe-Funktionsschicht weist einen geringeren Germaniumanteil als die Opferschicht auf, wobei ein Germaniumanteil der SiGe-Funktionsschicht beispielsweise kleiner als 80 % vorgesehen sein kann. Über einer germaniumreichen SiGe-Opferschicht oder einer Germanium-Opferschicht ist somit eine SiGe-Funktionsschicht mit einem geringeren Germaniumanteil vorgesehen, die in die Geometrie der Sensorelemente mittels an sich bekannter RIE-Verfahren strukturiert wird.

Nach dem Aufbringen dieser SiGe-Funktionsschicht wird die Opferschicht mit einem Oxidationsmittel wenigstens teilweise entfernt, wobei typischerweise unter der Opferschicht sowohl Bereiche mit einer Passivierung elektronischer Schaltkreise als auch offene Bondpads und Vias, eventuell sogar offene Leiterbahnen, die in der Regel aus Aluminium, Aluminium-Silizium oder Aluminium-Silizium-Kupfer bestehen, angeordnet sind. Bei dem sogenannten Opferschichtätzen werden diese metallischen Gebiete freigelegt, so dass die me tallischen Gebiete mit der Ätzlösung in direkten Kontakt und somit in Wechselwirkung mit dieser treten können.

Als Ätzlösung wird, wie auch in DE 38 74 411 T2 beschrieben, beispielsweise Wasserstoffperoxid verwendet, welches die Elektronikpassivierung nicht angreift, weshalb keine speziellen Vorkehrungen zum Schutz der Passivierung erforderlich sind.

Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch, dass beim Ätzen der Opferschichten eine Reaktion zwischen der Ätzlösung, beispielsweise Wasserstoffperoxid , und eventuell offenen Leiterbahnen und Bondkontakten aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen auftritt, welche teilweise sogar eine komplette Zerstörung von Bondpads und anderen offenen metallischen Bereichen zur Folge hat, bevor die abzutragende Opferschicht vollständig entfernt ist. Die Beschädigung oder Zerstörung der Bondpads bzw. Leiterbahnen ist unter Umständen mit der Zerstörung des gesamten integrierten Mikrosystems gleichzusetzen. Der Ätzangriff resultiert aus der Tatsache, dass bei einem Auflösen der Ge-Opferschicht oder der SiGe-Opferschicht saure Reaktionsprodukte gebildet werden, die den pH-Wert der H₂O₂-Lösung so stark erniedrigen und derart in den sauren Bereich verschieben, dass auch die erwähnten Metallstrukturen angegriffen werden. Eine annähernd neutrale H₂O₂-Lösung hat nicht den unerwünschten Ätzangriff der Metallstrukturen zur Folge.

Um einen derartigen Angriff bzw. eine derartige Zerstörung der Bondpads bzw. Leiterbahnen eines Mikrosystems zu vermeiden, wird in der Praxis versucht, die Bondpads bzw. die Leiterbahnen mit Passivierungsschichten zu versehen, was jedoch zusätzliche Prozessschritte erfordert, die zu einer Erhöhung der Herstellkosten führen.

Vorteile der Erfindung

Mit dem Verfahren nach der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 zur Herstellung eines Mikrosystems, mittels welchem auf der ersten Funktionsschicht eine Schutzschicht aufgebracht wird, wird vorteilhafterweise erreicht, dass bei einem Entfernen der Opferschicht ein Ätzen der von der Schutzschicht bedeckten Bereiche der ersten Funktionsschicht vermieden wird und dass im Bereich der freien Abschnitte der ersten Funktionsschicht die Schichtlage, welche neben dem leitenden Bereich, der wenigstens eine zweite Lage der ersten Funktionsschicht darstellt und ebenfalls unter der Schutzschicht liegt, zusammen mit der Opferschicht von dem leitenden Bereich der ersten Funktionsschicht entfernt wird.

Dabei ist von Vorteil, dass als Schutzschicht eine Schicht des Mikrosystems, die bei aus der Praxis bekannten Mikrosystemen auf der der Opferschicht zugewandten Seite der ersten Funktionsschicht als strukturierte Ätzstoppschicht bei einem Plasma- oder Opferschichtätzprozess bereits vorgesehen ist, ohne zusätzliche Abscheidungsprozesse auf der ersten Funktionsschicht zur Verfügung steht.

Die während des Opferschichtätzens für die Schichtlage als Schutzschicht wirkende und bereits vorhandene Schicht wird beim Aufbau des Mirkosystems mit dem erfindungsgemäßen Verfahren derart auf der ersten Funktionsschicht strukturiert, dass die Bereiche der ersten Funktionsschicht, welche während des Opferschichtätzens von dem Ätzmittel nicht geätzt werden dürfen, von der Schutzschicht bedeckt sind, weitere Bereiche der ersten Funktionsschicht während des Opferschichtätzens in gewünschter Art und Weise einem Ätzangriff unterliegen und zudem die Eigenschaft der Schutzschicht als Ätzstoppschicht während des Opferschichtätzprozesses weiterhin sicher gewährleistet ist.

Dabei ist von Vorteil, daß erfindungsgemäß hergestellte Mikrosysteme kostengünstig gefertigt werden können, weil die erfindungsgemäß zusätzlich als Schutzschicht eingesetzte und nicht leitende Schicht in der Praxis ebenfalls bereits strukturiert wird und die Strukturierung Schicht nunmehr in Bezug auf das spätere Opferschichtätzen erfindungsgemäß in besonders geeigneter Art und Weise durchgeführt wird.

Durch die bereichsweise auf der ersten Funktionsschicht vorgesehene Schutzschicht wird eine Ätzung der vorzugsweise mit einer Diffusionsbarriere ausgeführten Schichtlage in den von der Schutzschicht bedeckten Bereichen auf einfache Art und Weise verhindert. Dies ist besonders von Vorteil, da eine Ätzung der Diffusionsbarriere unter Umständen eine Zerstörung des Gesamtsystems zur Folge haben kann, da sich die Diffusionsbarriere zwischen dem mechanischen Mikrosystem und der Elektronik des Mikrosystems befindet und bei Entfernung der Diffusionsbarriere unter Ankern des Mikrosystems das Mikrosystem bzw. Teilbereiche davon nicht fest mit der Elektronik verbunden sind. Ein Herausbrechen einzelner Strukturen des Mikrosystems ist in jedem Fall einer Zerstörung des Mikrosystems gleichzusetzen.

Des Weiteren liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vorteil zugrunde, dass der leitende Bereich der ersten Funktionsschicht nach dem Ätzen der Opferschicht ohne einen zusätzlichen Prozessschritt bereichsweise ohne die Diffusionsbarriere, welche u. U. aus sehr harten Materialien besteht und auf der dann ein Drahtbonden nur schwer durchführbar ist, ausgeführt ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung entnehmbar.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel eines Mikrosystems, welches mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist, ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein Substrat eines Mikrosystems mit einer darauf aufgesputterten und strukturierten ersten zweilagigen Funktionsschicht sowie einer darauf angeordneten Schutzschicht;
2 die Darstellung gemäß 1, wobei auf der ersten Funktionsschicht und dem Substrat jeweils eine Opferschicht aufgebracht ist, welche in der gleichen Art und Weise wie die Schutzschicht strukturiert ist;
3 die Darstellung gemäß 2, wobei auf der strukturierten Opferschicht eine zweite strukturierte Funktionsschicht angeordnet ist;
4 die Darstellung gemäß 3 nach einem Ätzen der Opferschicht.
5 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines Bereiches des Mikrosystems gemäß 1 mit Unterscheidungen in Seitenwänden der ersten Funktionsschicht;
6 den Bereich X, wobei die Seitenwände der ersten Funktionsschicht im Wesentlichen senkrecht zum Substrat verlaufen; und
7 den Bereich X, wobei die erste Funktionsschicht mit einem Querschnitt im Wesentlichen trapezförmig ausgeführten Seitenwänden ausgebildet ist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 bis 4 zeigen verschiedene Fertigungsstufen eines Mikrosystems 1, welches aus einem Substrat 2, einer ersten Funktionsschicht 3, die einen leitenden Bereich 7, wie Al, AlSi, AlSiCu oder dergleichen, und eine Schichtlage 8, die vorliegend eine Diffusionsbarriere darstellt und vorzugsweise aus TiN gebildet ist, aufweist, und einer zweiten Funktionsschicht 4 besteht, die ein mikroelektromechanisches System mit einem integrierten Schaltkreis ausbilden.
Die Schichtlage der ersten Funktionsschicht kann abweichend von dem vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel auch mehrlagig ausgeführt sein und beispielsweise eine zwischen dem leitenden Bereich und der Diffusionsbarriere angeordnete Haftvermittlerschicht und/oder eine auf der dem leitenden Bereich abgewandten Seite der Diffusionsbarriere angeordnete Kontaktschicht aufweisen, wobei letztgenannte Kontaktschicht durch an sich bekannte Diffusionsprozesse einen elektrischen Kontakt zwischen der Diffusionsbarriere und der zweiten Funktionsschicht verbessert.
Der integrierte Schaltkreis bzw. die elektronische Schaltung 5, welche in der Zeichnung lediglich stark schematisiert dargestellt ist, ist direkt auf dem Substrat 2 angeordnet. Ein mechanisches System ist teilweise durch die vorliegend aus Silizium-Germanium bestehende strukturierte zweite Funktionsschicht 4 gebildet.
Die zweite Funktionsschicht 4 ist mit einem derart niedrigen Germanium-Anteil ausgeführt, dass sie bei einem Ätzen einer in 2 dargestellten Opferschicht 6, die beim Aufbau des Mikrosystems 1 zwischen der elektronischen Schaltung 5 und der zweiten Funktionsschicht 4 vorgesehen ist, von der beim Opferschichtätzen verwendeten Ätzlösung nicht angegriffen wird. Der Germanium-Anteil der zweiten Funktionsschicht 4 ist vorliegend kleiner als 80 %, wobei der Germanium-Anteil bei einer weiteren Ausführung des Mikrosystems vorzugsweise kleiner als 40 % und bei einer weiteren Ausführung einen Wert zwischen 20 % und 30 % annehmen kann. Mit derartigen Germanium-Anteilen werden Reaktionen zwischen der Ätzlösung, die bei einer germaniumhaltigen Opferschicht vorzugsweise Wasserstoffperoxid enthält, und der zweiten Funktionsschicht sicher vermieden.
Die Opferschicht 6, die mittels einem LPCVD-Verfahren (Low Pressure Chemical Vapour Deposition) oder auch einem anderen geeigneten Verfahren aufgetragen wird, ist vorliegend als eine Germanium-Opferschicht ausgeführt und kann bis zu einem gewissen Anteil auch weitere Bestandteile aufweisen. Derartige Bestandteile können u. a. Silizium sein, wobei ein Silizium-Anteil nur bis zu einem Grenzwert von etwa 30 vorgesehen werden darf, um ein Ätzen nicht zu verhindern. Der Silizium-Anteil sollte derart gering sein, dass das Entfernen der Opferschicht 6 bzw. das teilweise Entfernen der Opferschicht 6 während des Opferschicht-Ätzverfahrens nicht durch eine zu geringe Ätzrate der Opferschicht 6 negativ beeinflusst wird oder zum Auftreten von Siliziumrückständen führt.
Bei der Herstellung des Mikrosystems 1 wird zunächst die elektronische Schaltung 5 auf dem Substrat bzw. dem Wafer 2 in an sich bekannter Weise erzeugt. Das bedeutet, dass auf dem Wafer 2 zunächst die erste Funktionsschicht 3 mit dem leitenden Bereich 7 und der darauf angeordneten leitenden Diffusionsbarriere 8 aufgebracht und strukturiert wird. Dabei ist der leitende Bereich 7 vorliegend als Aluminiumschicht und die Diffusionsbarriere 8 als Titan-Nitrid-Schicht ausgeführt. Nachdem die erste Funktionsschicht 3 auf den Wafer 2 aufgesputtert worden ist, wird auf die erste Funktionsschicht 3 ein organischer Lack aufgetragen, welcher anschließend belichtet, entwickelt und thermisch behandelt wird. Alternativ hierzu ist anstatt einer Lackmaske auch eine Hartmaske verwendbar.
Danach anschließend wird die erste Funktionsschicht 3 mittels eines Plasmaätzverfahrens strukturiert, wobei die Plasmastrukturierung vorzugsweise mit einer Lam Autoetch und mit BCl₃-, Cl₂- oder CHCl₃-Gas und vorzugsweise mit einem Gasvolumenstrom von 50 sccm, 30 sccm oder 30 sccm durchgeführt wird. Selbstverständlich ist die Plasmastrukturierung auch mit anderen geeigneten Apparaturen, Gasen und Gasflüssen durchführbar.
Die thermische Behandlung des vor der Strukturierung der ersten Funktionsschicht 3 aufgebrachten organischen Lacks wird bei einer Temperatur zwischen 100 °C bis 180 °C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 165 °C, und einer derartigen Prozessdauer durchgeführt, dass Randbereiche des Lacks nach der thermischen Behandlung verrundet oder im Querschnitt wenigstens annähernd trapezförmig ausgeführt sind.
Dadurch wird erreicht, dass Seitenwände 9 der ersten Funktionsschicht 3 nach dem Strukturierungsprozess ebenfalls verrundet oder im Querschnitt wenigstens annähernd trapezförmig ausgeführt sind. Die nicht senkrechte Ausgestaltung der Seitenwände 9 der ersten Funktionsschicht 3 ist dabei derart, dass ein in 5 bis 7 vergrößert dargestellter Bereich X aus 1 des Mikrosystems 1 eine im Querschnitt trapezförmige Ausgestaltung aufweist und ohne in 5 dargestellte Hinterschneidungen 14 ausgeführt ist, die eine ausreichende Kantenabdeckung der Funktionsschicht 3 mit einer Schutzschicht 11 verhindern. D. h., dass das Mikrosystem 1 in dem in 5 dargestellten Bereich X ausgehend von dem Substrat 2 in Richtung der Diffusionsbar riere 8 mit einer sich stetig verkleinernden Schichtbreite der Schutzschicht 11 ausgeführt ist, was bei einer naßchemischen Strukturierung in den nicht von der Schutzschicht 11 bedeckten Bereichen der ersten Funktionsschicht 3, d. h. im Bereich der Hinterschneidungen 14, einen Ätzangriff auf die Titan-Nitrid-Schicht 8 ermöglicht.
Eine in 6 und 7 dargestellte Seitenwandgeometrie der strukturierten ersten Funktionsschicht 3 ist eine Voraussetzung für eine konforme Bedeckung der ersten Funktionsschicht 3 durch die während des Opferschichtätzens eine Ätzstoppschicht darstellende und elektrisch isolierend ausgeführte Schutzschicht 11, welche einen Schutz für die erste Funktionsschicht 3 beim Entfernen der Opferschicht 6 darstellt, da die Schutzschicht 11 nicht von dem Ätzmittel angegriffen wird.
Die Schutzschicht 11 wird auf die strukturierte erste Funktionsschicht 3 aufgetragen, wobei vor dem Auftragen der Schutzschicht 11 die für die Strukturierung der ersten Funktionsschicht 3 aufgetragene Lackschicht wieder entfernt wird.
Die in 7 dargestellte Seitenwandgeometrie der ersten Funktionsschicht 3 mit im Wesentlichen im Querschnitt trapezförmigen Seitenwänden 9 führt dazu, dass eine erste Funktionsschicht 3 mit einer Dicke von beispielsweise 700 nm mit einer vorzugsweise als SiO₂-Schicht, insbesondere als Low-Temperature-Oxide-Schicht (LTO-Schicht), ausgeführten Schutzschicht 11, die eine Schichtdicke von beispielsweise 100 nm aufweist, vollständig eingekapselt werden kann. Die Qualität der Verkapselung der ersten Funktionsschicht 3 mit der Schutzschicht 11 ist vorliegend entscheidend, um ein Ätzen der Diffusionsbarriere 8 der ersten Funktionsschicht 3 beim Entfernen der Opferschicht 6 sicher zu vermeiden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Seitenwände 9 des Mikrosystems während der thermischen Nachbehandlung nicht verrundet werden bzw. nach der thermischen Behandlung im Querschnitt, wie in 6 dargestellt keine trapezförmige Form aufweisen, sondern im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der ersten Funktionsschicht 3 verlaufen. Damit trotzdem eine ausreichende Bedeckung der ersten Funktionsschicht 3 im Bereich der Seitenwände 9 erzielt wird, ist die Schutzschicht 11 mit einer größeren Schichtdicke als bei trapezförmig ausgeführten Seitenwänden 9 der ersten Funktionsschicht 3 auszuführen, wodurch sich jedoch die Prozessdauer des Abscheidungsprozesses sowie der Plasmastrukturierung verlängert, da längere Ätz- und Überätzzeiten notwendig sind. Des weiteren steigt die Prozessunsicherheit.
Die Schutzschicht bzw. vorliegend die LTO-Schicht 11 wird vorzugsweise bei einer Ofentemperatur von 400 °C, bei einem Prozessdruck von 300 mTorr, einem Sauerstoffvolumenstrom von 135 sccm und einem Gasvolumenfluss von 90 sccm an SiH₄ abgeschieden. Anschließend wird die Opferschicht 6 auf die Schutzschicht 11 aufgebracht und strukturiert. Zur Strukturierung wird die Opferschicht 6 zunächst mit einem organischen Lack beschichtet, der belichtet, entwickelt und an schließend thermisch behandelt wird, wobei die Opferschicht 6 danach mittels eines Plasmaätzverfahrens strukturiert wird.
Die thermische Behandlung der jeweils zur Strukturierung der einzelnen Schichten des Mikrosystems 1 aufgetragenen Lackschichten erfolgt außer bei der Lackschicht, welche zur Strukturierung der ersten Funktionsschicht 3 aufgetragen und durch die thermische Behandlung verrundet wird, bei einer Temperatur von 90 °C bis 130 °C, vorzugsweise bei 120 °C, und einer derartigen Prozessdauer, dass die Lackschichten jeweils mit im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der jeweils unter der Lackschicht liegenden Schicht verlaufenden Seitenflächen ausgeführt sind und die flüchtigen Bestandteile aus den Lackschichten entfernt sind. Dadurch wird erreicht, dass bei einem anschließenden Strukturierungsprozess, wie beispielsweise einem Plasmaätzverfahren, eine zu strukturierende Schicht mit ebenfalls wenigstens annähernd senkrechten bzw. vertikalen Seitenflächen erzeugt wird. Auch hier ist alternativ eine Hartmaske verwendbar.
Nach dem Strukturieren der Opferschicht 6, bei der die Schutzschicht 11 zusätzlich eine für den Ätzprozess der Opferschicht 6 begrenzende Schicht darstellt, wird die Schutzschicht 11 in vordefinierter Art und Weise beispielsweise mit der gleichen Lackmaske wie die Opferschicht 6 bereichsweise von der ersten Funktionsschicht 3 entfernt. Die Schutzschicht 11 wird mittels eines Plasmaätzprozesses bereichsweise von der ersten Funktionsschicht 3 entfernt, wobei SF₆-Gas oder CH F₃-Gas verwendet wird, das jeweils in geeigneter Art und Weise mit Helium verdünnt wird.
Das Öffnen der Schutzschicht 11 ist jedoch nur dann erforderlich, wenn die Schutzschicht 11 während der Strukturierung der Opferschicht 6 in den Bereichen der ersten Funktionsschicht 3, die als Kontaktflächen für spätere elektrische Anschlüsse bzw. elektrische Verbindungen vorgesehen sind, nicht bzw. nicht vollständig entfernt worden ist.
Nach dem Strukturieren der Opferschicht 6 und dem gegebenenfalls zusätzlich erforderlichen Öffnen der Schutzschicht 11 in den vorbeschriebenen Bereichen der ersten Funktionsschicht 3 befindet sich das Mikrosystem 1 auf einer Fertigungsstufe, bei dem das Mikrosystem 1 nur in jenen Gebieten mit offenen Metallbereichen ausgeführt ist, die zu einem späteren Zeitpunkt des Fertigungsverfahrens als Anker, Bondpads oder Kontaktpads verwendet werden. Alle anderen Bereiche des Mikrosystems 1 sind auf dieser Fertigungsstufe bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl von der Germanium-Opferschicht 6 als auch von der als SiO₂-Schicht ausgeführten Schutzschicht 11 bedeckt. Die Lackmaske wird nach der Strukturierung der Opferschicht 6 bzw. der Schutzschicht 11 wieder entfernt.
Anschließend wird die zweite Funktionsschicht 4 mittels eines LPCVD-Verfahrens oder mittels eines anderen geeigneten Verfahrens auf das Mikrosystem 1 aufgetragen. Nach dem Abscheiden der als SiGe-Funktionsschicht ausgeführten zweiten Funktionsschicht 4 wird auf dieser ein organischer Lack aufgebracht, der belichtet, entwickelt und bei einer Temperatur von 90 °C bis 130 °C, vorzugsweise bei 120 °C, und einer derartigen Prozessdauer thermisch behandelt wird, dass die Seitenwände der Lackschicht wenigstens annähernd vertikal bzw. senkrecht zur Oberfläche der Lackschicht verlaufen und die flüchtigen Anteile aus der Lackschicht entfernt sind.
Daran anschließend wird die zweite Funktionsschicht 4 mittels eines Plasmaätzverfahrens strukturiert, so dass ein in 3 schematisch dargestelltes Mikrosystem 1, bei dem die Bondpads des Mikrosystems 1 weder von der zweiten Funktionsschicht 4 und von der Opferschicht 6 noch von der Schutzschicht 11 bedeckt sind, vorliegt.
Nach der Strukturierung der zweiten Funktionsschicht 4 wird die Opferschicht 6 entfernt. Beim Ätzen der Opferschicht 6 kommt das Ätzmittel nur im Bereich der Bondpads des Mikrosystems 1 mit der Diffusionsbarriere 8 bzw. mit freien Metallflächen der ersten Funktionsschicht 3 in Kontakt, da die übrigen Bereiche der ersten Funktionsschicht 3 entweder von der Schutzschicht 11 oder von der zweiten Funktionsschicht 4 bedeckt sind. Die Bereiche der Anker 13 des Mikrosystems 1, die wie die Bondpads ohne Schutzschicht 11 ausgeführt sind, sind beim Opferschichtätzen von der zweiten Funktionsschicht 4 bedeckt und somit beim Entfernen der Opferschicht 6 von der Ätzlösung abgeschirmt.
Mit der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird erreicht, dass die als Titan-Nitrid-Schicht ausgeführte Diffusionsbarriere 8 im Bereich der Bondpads des Mikrosystems 1 von der ersten Funktionsschicht 3 entfernt wird und die darunter liegende Aluminium-Schicht 7 bei einem anschließenden Drahtbond-Prozess ohne die diesen Prozess er schwerende Titan-Nitrid-Schicht 8 ausgeführt ist. In allen anderen Bereichen des Mikrosystems 1 wird die Aluminiumschicht 7 und die Diffusionsbarriere 8 von der Schutzschicht 11 gegenüber dem beim Opferschichtätzen verwendeten Ätzmittel abgeschirmt, so dass der für die Funktionsweise des Mikrosystems 1 wichtige leitende Bereich 7 und die Diffusionsbarriere 8 der ersten Funktionsschicht 3 erhalten bleiben.
Alternativ zu dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel des Mikrosystems 1 kann die Schutzschicht für die erste Funktionsschicht 3 auch als Silizium-Carbid-Schicht und die Opferschicht als eine LTO- oder PECVD-SiO₂-Schicht, welche zum Entfernen mit Flusssäure geätzt wird, ausgeführt sein, wobei der generelle Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Materialauswahl für die Schutzschicht und die Opferschicht nicht beeinflusst wird.
Der Einsatz von Wasserstoffperoxid führt u. U. zu einem Ätzen der Aluminium-Schicht bzw. des leitenden Bereichs 7 der ersten Funktionsschicht sowie der Diffusionsbarriere 8, der teilweise sogar bis zur kompletten Zerstörung der Bondpads sowie der anderen freien metallischen Bereiche des Mikrosystems führt, bevor die Opferschicht 6 vollständig entfernt wird. Derartige Effekte sind der mit der Zerstörung des gesamten integrierten Mikrosystems 1 gleichzusetzen.
Vorliegend wird zur Entfernung der Opferschicht 6 eine maximal 30-%ige wässrige Wasserstoffperoxid-Lösung, die einen wenigstens annähernd neutralen pH-Wert aufweist, verwendet. Um ein Ätzen eines offenen Aluminium-Pads der ersten Funk tionsschicht 3 durch die Ätzlösung bzw. die während des Ätzens entstehenden sauren Ätzprodukte zu vermeiden, wird der Ätzlösung vor dem Ätzprozess ein Puffer zugegeben, welcher den pH-Wert der Ätzlösung während des Ätzverfahrens wenigstens annähernd neutral, d. h. auf einem Wert von etwa 7, hält bzw. den pH-Wert in einem neutralen Bereich einstellt, da die Lösung kommerziell häufig nur als angesäuerte Lösung erhältlich ist.
Damit wird ein Ätzen metallischer Leiterbahnen oder Metall-Pads, die vorzugsweise aus Aluminium bestehen können, auf einfache Art und Weise vermieden. Alternativ kann es selbstverständlich auch vorgesehen werden, den pH-Wert der Ätzlösung während des Ätzprozesses der Opferschicht 6 online über einen Sensor zu messen und bei einem unzulässigen Absinken oder Ansteigen des pH-Wertes der Ätzlösung eine Pufferlösung über eine Titration in der erforderlichen Menge zuzudosieren, um den pH-Wert der Ätzlösung in einem neutralen Bereich, d.h. vorzugsweise in einem pH-Wertbereich zwischen 6 und 8, einzustellen.
Die durch Zugabe des Puffers ermöglichte Stabilisierung des pH-Wertes der Ätzlösung während des Ätzprozesses der Opferschicht 6 ist insbesondere bei einer Opferschicht aus Germanium oder Silizium-Germanium von Vorteil, da auftretende Ätzprodukte wie beispielsweise H₂Ge(OH)₆ oder von H₂Si(OH)₆ die Ätzlösung in unerwünschter Weise ansäuern. Eine solche "Ansäuerung" der Ätzlösung, welche einen Ätzangriff auf die Leiterbahnen und damit eine Zerstörung des Mikrosystems und der elektronischen Schaltung 5 zur Folge hätte, wird durch die Zugabe eines geeigneten Puffers verhindert.
Insbesondere bei Verwendung einer Ätzlösung aus Wasserstoffperoxid muss der verwendete Puffer zumindest weitgehend alkali-, erdalkali- und metallfrei ausgeführt sein, da sonst das Wasserstoffperoxid durch Gegenwart von Metall-, Alkali- oder Erdalkaliionen katalytisch rasch zu Wasser und Sauerstoff zerfallen würde. Dieser Zerfall kann insbesondere bei Verwendung von Natriumacetat oder ähnlichen alkalischen Puffern zu einer Explosion führen. Außerdem besteht bei der Halbleiterfertigung die Forderung, alkali-, erdalkali- und metallfreie Lösungen zu verwenden, da derartige Stoffe Fertigungseinrichtungen kontaminieren und somit zu einem Ausfall der integrierten Schaltkreise der in denselben Anlagen gefertigten mikroelektromechanischen Systeme führen können.
Alternativ zu Wasserstoffperoxid können auch andere geeignete Oxidationsmittel zum Ätzen der Opferschicht 6 verwendet werden, deren pH-Wert wenigstens annähernd neutral ist oder durch Zugabe von Puffern annähernd neutral eingestellt werden kann. Der pH-Wert des Oxidationsmittels stellt bei der Auswahl eines verwendeten Oxidationsmittels dahingehend eine Prämisse dar, dass ein geeignetes Oxidationsmittel bei dem geforderten, wenigstens annähernd neutralen pH-Wert stabil ist. Eine weitere Prämisse bei der Auswahl des Oxidationsmittels ist, dass es im pH-neutralen Bereich Titan-Nitrid ätzt.
Ein derartiges Oxidationsmittel kann beispielsweise konzentrierte Salpetersäure sein, da diese in hoch konzentrierter Form in nicht dissoziierter Form vorliegt und keine Proto nen aufweist. Beim Einsatz von konzentrierter Salpetersäure wird beispielsweise ein offenes Aluminium-Pad passiviert, womit ein Angriff der offenen Aluminium-Schicht 7 unterbleibt. Des weiteren kann Peroxosulfat, Peroxodisulfat oder Chlorat, letzteres beispielsweise auch als Ammoniumverbindung in Form von Ammoniumchlorat, Ammoniumchlorit oder Ammoniumhypochlorit, eingesetzt werden, da diese Substanzen sowohl ätzen als auch puffern.
Ist die Opferschicht 6 beispielsweise aus Germanium oder einer Silizium-Germanium-Schicht mit einem hohen Germaniumanteil, vorzugsweise mit einem Germaniumanteil größer als 80 % ausgebildet, wird die Opferschicht von der konzentrierten Salpetersäure geätzt, da Germanium im Gegensatz zu Aluminium kein dichtes Oxid ausbildet. Auf jeden Fall sollte gewährleistet sein, dass bei der Verwendung von Salpetersäure diese in konzentrierter Form verwendet wird, um einen Angriff der freien Metallflächen an den Bondpads des Mikrosystems 1 zu vermeiden.
Der verwendete Puffer kann aus Verbindungen bestehen, welche Kationen beispielsweise Ammonium-, Tetramethylammonium- oder Tetraethylammoniumionen aufweisen. Damit korrespondierend und mit den vorgenannten Kationen Verbindungen bildende Anionen können Chlorid-, Hydrogenkarbonat-, Karbonat-, Dihydrogenphosphat-, Hydrogenphosphat-, Phosphat-, Acetat-, Tartrat- oder Nitrationen sein. Das bedeutet, dass ein verwendeter Puffer eine Verbindung aus den vorgenannten Kationen und Anionen, wie beispielsweise Ammoniumacetat, Ammoniumdihydrogenphosphat oder auch Tetramethylammoniumdihydrogenphosphat sein kann.
Die verwendeten Konzentrationswerte des Puffers und die Zusammensetzung der Ätzlösung sind auf den jeweilig vorliegenden Anwendungsfall abzustimmen, wobei insbesondere eine Kontrolle des Ätzprozesses wesentlich von der Konzentration des Oxidationsmittels in der Ätzlösung abhängt. Vorliegend wird eine 30-%ige wässrige Wasserstoffperoxidlösung als Ätzlösung vorgeschlagen, die mit einer Konzentration des Puffers von 1 % bis 10 %, wenn der Puffer ein Mol Kationen bzw. ein Mol Anionen aufweist, gepuffert wird.
Des weiteren wird durch die Verwendung eines vorgenannten Puffers einer zur Stabilisierung des Wasserstoffperoxids häufig vorgenommenen Zugabe von sauren Komponenten zu Wasserstoffperoxid auf einfache Art und Weise vorteilhaft entgegengewirkt, denn ohne Puffer hätte die Zugabe der sauren Komponenten eine Verschiebung des pH-Wertes zur Folge, die wiederum ein Ätzen offener metallischer Leiterbahnen eines Mikrosystems durch die Ätzlösung während eines Opferschichtverfahrens bewirken würde.
Einige der vorbeschriebenen Puffer weisen insbesondere beim Ätzen von Germanium-Opferschichten in Verbindung mit Aluminium als Metallisierung Vorteile auf. So bilden sich insbesondere beim Einsatz von Ammoniumacetat als Puffer auf offenen Aluminiumflächen eines Mikrosystems sogenannte Chelate bzw. Aluminiumacetat-Schichten aus, welche das Aluminium zusätzlich passivieren. Zusätzlich wird beim Einsatz von Ammoniumacetat eine Erhöhung der Ätzrate des Germaniums beim Ätzen mit Wasserstoffperoxid erzielt.

1: Mikrosystem
2: Substrat, Wafer
3: erste Funktionsschicht
4: zweite Funktionsschicht
5: elektronische Schaltung
6: Opferschicht
7: leitender Bereich der ersten Funktionsschicht, Alumini
: umschicht
8: Schichtlage, Diffusionsbarriere
9: Seitenwände
10
11: Schutzschicht
12
13: Anker
14: Hinterschneidung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems (1) mit einer auf einem Substrat (2) angeordneten ersten Funktionsschicht (3), die einen leitenden Bereich (7) und eine auf der dem Substrat (2) abgewandten Seite des leitenden Bereichs (7) angeordnete Schichtlage (8) aufweist, und mit einer zweiten mechanischen Funktionsschicht (4), die auf der dem Substrat (2) abgewandten Seite der ersten Funktionsschicht (3) angeordnet ist und zunächst auf eine auf der ersten Funktionsschicht (3) angeordneten Opferschicht (6) aufgebracht wird, und mit einer bei einem Opferschichtätzen eine Ätzstoppschicht darstellende Schicht (11), welche auf der dem leitenden Bereich (7) abgewandten Seite der Schichtlage (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (11) zusätzlich auf der ersten Funktionsschicht (3) bereichsweise als eine während eines Opferschichtätzprozesses derart wirkende Schutzschicht ausgebildet ist, dass bei einem Entfernen der Opferschicht (6) ein Ätzen der von der Schutzschicht (11) bedeckten Bereiche der ersten Funktionsschicht (3) unterbleibt und dass im Bereich der ohne die Schutzschicht (11) ausgeführten Bereiche der ersten Funktionsschicht (3) die Schichtlage (8) gleichzeitig mit der Opferschicht (6) im wesentlichen selektiv zum leitenden Bereich (7) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtlage (8) vorzugsweise mehrlagig ausgeführt ist und eine der Lagen als eine Diffusionsbarriere ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionsschicht (3) derart strukturiert und elektrisch leitend ausgeführt ist, dass diese eine elektrische Verbindung zwischen einer Mechanik und einer Elektronik (5) des Mikrosystems darstellt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Bereich (7) der ersten Funktionsschicht (3) als eine Metallschicht, vorzugsweise als eine Aluminiumschicht, ausgeführt ist und die Diffusionsbarriere (8) vorzugsweise als eine TiN-Schicht ausgebildet ist, die mittels eines Plasmaätzprozesses strukturiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (11) als eine SiO₂-Schicht ausgeführt ist, die beim Entfernen und/oder Strukturieren der Opferschicht (6) eine Ätzstoppschicht darstellt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (11) als LTO-Schicht ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (11) als PECVD-SiO₂-Schicht ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (6) eine Ge-Opferschicht ist, die mit H₂O₂ entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht eine SiC-Schicht ist und die Opferschicht als eine LTO-Schicht ausgeführt ist, wobei die Opferschicht mit Flusssäure entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Strukturieren einer Schicht (3, 4, 6, 11) des Mikrosystems (1) jeweils eine organische Lackschicht auf der zu strukturierenden Schicht (3, 4, 6, 11) aufgebracht wird, die vor dem Strukturieren der Schicht (3, 4, 6, 11) belichtet, entwickelt und vorzugsweise thermisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der Lackschichten, die jeweils vor der Strukturierung einer Schicht (4, 6, 11) des Mikrosystems (1) auf eine zu strukturierende Schicht (4, 6, 11) aufgebracht werden, bei einer derartigen Temperatur und mit einer derartigen Prozessdauer durchgeführt wird, dass die Lackschichten mit im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der darunter liegenden Schicht (4, 6, 11) des Mikrosystems (1) verlaufenden Seitenflächen ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei einer Temperatur von 90 °C bis 130 °C, vorzugsweise bei 120 °C, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der Lackschicht, welche vor der Strukturierung der ersten Funktionsschicht (3) auf dieser aufgebracht wird, bei einer Temperatur von 100 °C bis 180 °C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 165 °C, und einer derartigen Prozessdauer durchgeführt wird, dass Randbereiche der Lackschicht verrundet oder im Querschnitt wenigstens annähernd trapezförmig ausgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der ersten Funktionsschicht (3) derart durchgeführt wird, dass die Profile der Seitenwände (9) der strukturieren ersten Funktionsschicht (3) im wesentlichen dem Seitenwandprofil der zum Strukturieren auf der ersten Funktionsschicht (3) aufgetragenen Lackschicht entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die belichteten, entwickelten und thermisch behandelten Lackschichten vor einem Auftragen einer Schicht (4, 6, 11) des Mikrosystems (1) auf eine bereits strukturierte Schicht (3, 6, 11) entfernt werden.