DE102006003718B4

DE102006003718B4 - Mikro-elektro-mechanisches Bauelement und Fertigungsprozess für integrierte mikro-elektro-mechanische Bauelemente

Info

Publication number: DE102006003718B4
Application number: DE102006003718A
Authority: DE
Inventors: Franz Dietz; Alida Würtz
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: DE102006003718A1; WO2007085405A1; US20090017305A1; DE112007000037A5

Abstract

Verfahren zur Herstellung von integrierten mikro-elektro-mechanischen Bauelementen mit den Schritten
• Herstellen einer ersten leitfähigen Schicht (3) auf einer ersten Isolatorschicht (1),
• Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht (3),
• Herstellen einer zweiten Isolatorschicht (5) auf der strukturierten ersten leitfähigen Schicht (3),
• Herstellen einer zweiten leitfähigen Schicht (6) auf der zweiten Isolatorschicht (5),
• Herstellen mindestens einer Ätzöffnung (7) zum wenigstens teilweise Ätzen der zweiten Isolatorschicht (5) unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht (6) zur Herstellung wenigstens eines Hohlraums (8), und
• elektrische Kontaktierung (11) wenigstens eines Teils der ersten leitfähigen Schicht (3) und der zweiten leitfähigen Schicht (6),
• wobei durch die Tiefe der Strukturierung der ersten leitfähigen Schicht (3) der Abstand einer zu bildenden freitragenden Membran zur Bodenplatte (14) des wenigstens einen Hohlraumes (8) festgelegt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung von integrierten mikroelektromechanischen Bauelementen.
Mikro-elektro-mechanische Systeme MEMS, mit denen physikalische Größen wie Druck, Kraft, Beschleunigung, Durchfluss etc. in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können, sind bekannt. Umgekehrt ist es auch bekannt, elektrische Signale beispielsweise durch Auslenkung einer freitragenden Membran in mechanische Bewegung umzusetzen. Die Herstellung von unterschiedlichen Bauteilen wie Sensoren, mikromechanischen Schaltern oder Schallquellen ist unter Verwendung der Technik, wie sie bei der Halbleiterherstellung verwendet wird, bekannt.
Igal Ladabaum, et al. in IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 45, no. 3, May 1998 Seite 678–690 offenbart beispielsweise ein Verfahren, bei dem zunächst auf eine p-dotierte Siliziumschicht beidseitig eine Oxidschicht von ca. 1 μm mittels eines Nassprozessschritts aufgebracht wird. Dann erfolgt beidseitig eine Abscheidung (LPCVD) einer Nitridschicht mit einer Dicke von 350 nm. Danach werden die Ätzöffnungen mittels eines elektronenstrahllithographischen Prozesses in die Nitridschicht übertragen. Anschließend wird das Nitrid mittels eines Plasmaprozesses geätzt und die Oxidschicht, welche als Opferschicht dient, mittels Flusssäureätzung HF entfernt. Danach wird eine zweite Nitridschicht mit einer Dicke von 250 nm auf die mit Öffnungen versehene erste Nitridschicht aufgebracht, wodurch die geätzten Löcher in der Oxidschicht unter Vakuum verschlossen werden. Anschließend werden eine Chromschicht und eine 50 nm dicke Goldschicht auf den Wafer aufgedampft. Nach der Vereinzelung der Bauelemente werden die Deckelektrode und auch die untere Elektrode kontaktiert.
Auch die US 6563106 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS Bauteils unter Ausnutzung von Standardherstellungsprozessen der Halbleiterindustrie. Bei diesem Verfahren werden zur elektrischen Kontaktierung der Bodenplatte die Rückseite des Substrats strukturiert und Elektroden umgeben von einer Oxidschicht, die als Isolierung dienen soll, hergestellt.
Aus der DE 689 23 589 T2 ist eine monolithisch integrierte Matrix aus Bolometern für die Erfassung von Strahlung in einem Spektralbereich bekannt. Die Matrix enthält eine Matrix aus Widerständen, wobei jeder Widerstand einen Abstand von einer Fläche eines Substrats hat und zum Empfangen von Strahlung ausgerichtet ist.
Aus der WO 99/05723 A1 ist ein Pixel einer Matrix mit einer Doppelfunktion bekannt zur Detektion von sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung durch dasselbe Oberflächengebiet des Pixels. Aus der DE 100 58 861 A1 ist ein Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem mikro-elektro-mechanische Bauelemente möglichst einfach und kostengünstig hergestellt und möglichst gemeinsam mit den zur Signalaufbereitung und Signalverarbeitung nötigen Schaltungskomponenten in Standardfertigungsprozesse integriert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei dem Verfahren zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen werden nacheinander folgende Schritte ausgeführt. Zunächst wird auf einer ersten Isolatorschicht eine erste leitfähige Schicht hergestellt. Diese erste leitfähige Schicht kann aus Mono- oder Polysilizium bestehen. Anschließend wird die erste leitfähige Schicht mittels bekannter Verfahren strukturiert, wobei hier durch die Tiefe der Strukturierung bereits der Abstand der freitragenden Membran zur Bodenplatte im mikro-elektro-mechanischen Bauelement bestimmt wird. Bei der Strukturierung wird die erste Isolatorschicht nicht entfernt und auch nicht angegriffen, um die Isolation gegenüber einer gegebenenfalls darunter liegenden Trägerschicht sicherzustellen. Anschließend wird auf die strukturierte erste leitfähige Schicht eine zweite Isolatorschicht als Opferschicht abgeschieden. Die zweite Isolatorschicht, die beispielsweise aus SiO₂ besteht, isoliert die leitenden Bereiche voneinander.
Auf der zweiten Isolatorschicht wird wiederum eine zweite leitfähige Schicht und im Anschluss daran mindestens eine Ätzöffnung hergestellt, durch die die zweite Isolatorschicht wenigstens teilweise unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht zur Herstellung wenigstens eines Hohlraums geätzt wird. Im Anschluss an die Herstellung der Ätzöffnung wird wenigstens ein Teil der ersten leitfähigen Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht elektrisch kontaktiert. Durch die Tiefe der Strukturierung der ersten leitfähigen Schicht wird der Abstand einer zu bildenden freitragenden Membran zur Bodenplatte des wenigstens einen Hohlraumes festgelegt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Ätzöffnung, die zur Herstellung des Hohlraums in der zweiten Isolatorschicht dient, in der zweiten leitfähigen Schicht hergestellt.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verfahren erwiesen, bei dem die wenigstens teilweise Ätzung der zweiten Isolatorschicht unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht nach der elektrischen Kontaktierung der ersten und zweiten leitfähigen Schichten erfolgt. Um die Herstellung von MEMS vollständig in einen Standardprozess zur IC-Herstellung, beispielsweise SOI-(Silicon on Insulator Technologie, integrieren zu können, werden die MEMS während der Herstellung von anderen Bauelementen durch Oxid-Trenches separiert. Die Prozessabfolge ist so gewählt, dass erst alle anderen Bauelemente inklusive der Leitbahn-Verdrahtung hergestellt werden und erst anschließend die Ätzung der zweiten Isolatorschicht zur Herstellung eines Hohlraums erfolgt. Da die zweite leitfähige Schicht nach der Herstellung der Hohlräume einer Membran entspricht, bestünde ansonsten die Gefahr, dass die Membran bei einer Weiterprozessierung beschädigt wird. Durch den Ätzvorgang wird in wenigstens Teilbereichen der zweiten Isolatorschicht der mindestens eine Hohlraum hergestellt, dessen Struktur und Form durch die Wahl des Materials der zweiten Isolatorschicht sowie der Ätzlösung und der Ätzzeit bestimmt wird. Möglich ist es auch, eine nicht durch die Ätzzeit terminierte Ätzung vorzunehmen, bei der die Ätzung vertikal und lateral durch die strukturierte erste leitfähige Schicht gestoppt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Ätzöffnung wieder verschlossen wird, um das Eindringen unerwünschter Stoffe in den Hohlraum zu vermeiden.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die erste Isolatorschicht auf einer Trägerschicht hergestellt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht in mehreren, gestaffelten Schritten, beispielsweise durch ein Ätzverfahren. Bei einer so genannten gestaffelten Rückätzung wird erst ein Teil einer so genannten Maske beispielsweise mit Hilfe eines Litho graphieschrittes entfernt und anschließend eine erste Ätzung durchgeführt. In einem weiteren Schritt wird dann ein weiterer Teil der verbliebenen Maske entfernt, so dass eine neue Fläche für eine zweite Ätzung freigegeben wird. Bei der zweiten Ätzung vertiefen sich gleichzeitig, die aus der ersten Ätzung entstandenen Gräben um den Betrag der zweiten Ätztiefe. Aus dieser Abfolge ergibt sich eine stufenförmige Topographie der ersten leitfähigen Schicht, die für unterschiedlichste mikro-elektro-mechanische Strukturen und Bauelemente genutzt werden kann.
Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass das Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht diese in Teilbereichen ihrer gesamten Stärke bis zur ersten Isolatorschicht erfasst. Durch das Strukturieren eines tiefen Grabens (deep trench), der bis zu der unter der ersten leitfähigen Schicht vergrabenen ersten Isolatorschicht hinunterreicht, können Teilbereiche der aktiven ersten leitfähigen Schicht voneinander getrennt und somit auch elektrisch voneinander isoliert werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Herstellen der zweiten Isolatorschicht in mehreren Teilschritten erfolgt. Hierbei bestimmt die Gesamtdicke der abgeschiedenen Schicht im Wesentlichen die Höhe des Hohlraumes unter der freitragenden Struktur. Falls beim Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht Gräben bis hinunter zur ersten Isolatorschicht hergestellt wurden, werden diese nun mit der Isolatorschicht gefüllt. Dadurch entstehen elektrisch voneinander isolierte Teilbereiche. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn gemeinsam mit den mikro-elektro-mechanischen Bauelementen, welche häufig hohe Betriebsspannungen benötigen, weitere Schaltungskomponenten integriert werden sollen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die erste leitfähige Schicht aus einem dotierten oder hochdotierten Halbleitermaterial bestehen. Hierbei kann bereits dotiertes Material verwendet werden oder die Dotierung des Halbleitermaterials kann in einem weiteren Prozessschritt erfolgen, nachdem das Material für die erste leitfähige Schicht auf der ersten Isolator schicht aufgebracht worden ist. Weiterhin kann, um leitfähige Strukturen zu erzeugen, die Dotierung des Materials für die erste leitfähige Schicht auch nach dem Strukturieren erfolgen. Somit kann eine untere Elektrode erzeugt werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, nach dem Strukturieren eine leitfähige Schicht aus einem anderen leitungsfähigen Material, wie beispielsweise Metall abzuscheiden, die dann eine untere Elektrode formt. Auch hier ist es möglich, einzelne voneinander getrennte Segmente zu erzeugen, die elektrisch voneinander isoliert und daher auch separat kontaktiert werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Oberfläche der zweiten Isolatorschicht nach dem Herstellungs- oder Abscheidevorgang einzuebnen. Hierzu eignet sich ein chemisch-mechanisches Verfahren.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass vor dem Abscheiden der zweiten leitfähigen Schicht eine Isolatorschicht abgeschieden wird, die die zweite leitfähige Schicht zumindest in Teilbereichen überdeckt, also eine größere flächige Abmessung hat. Beim späteren Ätzen wird die Isolatorschicht angegriffen und es entstehen in diesen Teilbereichen unter der zweiten leitfähigen Schicht Kanäle. Dadurch muss die zweite leitfähige Schicht, die eine obere Abdeckschicht darstellt, nicht strukturiert werden, sondern die Ätzlösung dringt seitlich unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht in die Isolatorschicht ein, legt die Kanäle frei und greift die zweite Isolatorschicht zur Herstellung eines Hohlraums auf diese Weise an.
Als besonders vorteilhaft, hat es sich erwiesen, das Ätzen der zweiten Isolatorschicht so zu unterbrechen, dass an den umgebenden Wänden des entstandenen Hohlraums noch ein Teil der Isolatorschicht zurückbleibt, die somit eine isolierende Schicht gegenüber der ersten leitfähigen Schicht bildet. Im Anschluss an das Ätzen wird üblicherweise die Ätzlösung in einem Spül- und Temperaturschritt aus dem Hohlraum entfernt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass nach der Herstellung eines Hohlraums in der zweiten Isolatorschicht eine Passivierung des Hohlraums durch Einleitung eines Gases oder einer Flüssigkeit durch die Ätzöffnungen erfolgt. Eine derartige Passivschicht verhindert im Falle eines mechanischen Kontakts bei verformter freitragender Membran einen Kurzschluss zwischen der zweiten leitenden Schicht und der ersten leitenden Schicht.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während des Schließens der Ätzöffnungen ein definierter Innendruck in den Hohlräumen erzeugt wird, der, da er dort auch gehalten wird, bei Druckmessungen mit dem mikro-elektro-mechanischen Bauelement einen definierten Referenzdruck liefert, so dass das Bauelement als Absolutdruck-Sensor mit reproduzierbaren Eigenschaften sowohl in Gasen als auch Flüssigkeiten eingesetzt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann nach dem Schließen der Ätzöffnungen nachträglich zusätzliches Material auf die zweite leitfähige Schicht abgeschieden werden. Dadurch wird die Masse der freitragenden Struktur erhöht und das mechanische Verhalten des Bauelements kann gezielt beeinflusst werden. So kann auch eine unbewegliche oder nahezu unbewegliche Abdeckplatte erzeugt werden, die als Referenzstruktur zur Ermittlung eines Differenzsignals dient, um parasitäre Effekte zu eliminieren. Die Kapazität einer derartig steifen Struktur hängt dann nicht oder nur kaum von der zu messenden physikalischen Größe, wie etwa dem Umgebungsdruck ab.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement mit wenigstens zwei Isolatorschichten, einer ersten Isolatorschicht und einer zweiten Isolatorschicht und wenigstens zwei leitfähigen Schichten, einer ersten leitfähigen Schicht und einer zweiten leitfähigen Schicht. Die erste leitfähige Schicht ist auf der ersten Isolatorschicht angeordnet.
Die zweite leitfähige Schicht ist auf der zweiten Isolatorschicht angeordnet. Zusätzlich ist wenigstens eine Membran vorgesehen, die über wenigstens einem Hohlraum vorgesehen ist, wobei der Hohlraum wenigstens teilweise in der zweiten Isolatorschicht angeordnet ist. Die erste leitfähige Schicht weist eine stufenförmige Topographie auf.
Vorteilhafterweise ist die Membran großflächig und beweglich ausgebildet. Mit Hilfe der unteren Elektrode, die ebenfalls großflächig ausgebildet sein kann, kann die Membran dann entweder ausgelenkt werden, um beispielsweise als Ultraschallquelle zu fungieren oder eine Membranauslenkung ka pazitiv detektiert werden. Im letzteren Fall kann das mikro-elektro-mechanische Bauelement beispielsweise als Druck- und Schallsensor eingesetzt werden.
Als besonders vorteilhaft für die Integration in Standardherstellungsprozesse hat es sich erwiesen, dass die elektrische Kontaktierung der beiden leitfähigen Schichten, also der oberen und unteren Elektrode von derselben Seite, vorzugsweise von der Oberseite des Wafers aus erfolgt.
Um ein ausreichend großes Summensignal zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mehrere mikro-elektro-mechanische Bauelemente zu einem Array zu verschalten. Dazu sind in den leitfähigen Schichten Verbindungen vorgesehen, die die einzelnen Bauelemente gitterartig vernetzen. Dabei sind unterschiedliche geometrische Formen, beispielsweise quadratische oder hexagonale Gitter möglich. Auch die Form der einzelnen Elektroden ist variabel, so dass Ausführungen in runder, quadratischer, sechs- oder achteckiger Form möglich sind.
MEMS-Bauelemente eignen sich besonders als Schall- und Ultraschallwandler, die bei Abstandsmessungen einen breiten Anwendungsbereich auf den unterschiedlichsten technischen Gebieten finden. Sie können für abbildende Verfahren in der Medizintechnik, zur Insassendetektion in Kraftfahrzeugen, in Mikrofonen, bei Durchflussmessungen in Rohren oder bei zerstörungsfreien Materialprüfungen, um nur wenige Möglichkeiten zu nennen, eingesetzt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Anhand der Figuren soll die Erfindung näher beschrieben werden.
1a bis 1g zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen gemäß einer ersten Ausführungsform.
2a bis 2g zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen gemäß einer zweiten Ausführungsform.
3a bis 3f zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen gemäß einer dritten Ausführungsform.
4a bis 4i zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung eine Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Bauelementen gemäß einer vierten Ausführungsform.
5 zeigt eine Draufsicht auf ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß einer fünften Ausführungsform
6 zeigt einen Schnitt durch ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß der Ausführungsform nach 5
7 zeigt eine Draufsicht auf mehrere mikro-elektromechanische Bauelemente, die zu einem Array verschaltet sind.
1a zeigt einen Schnitt durch ein Halbleitermaterial mit einer ersten vergrabenen Isolatorschicht 1. Auf einer Trägerschicht 2 ist die erste Isolatorschicht 1 beispielsweise aus SiO₂ aufgebracht, auf der wiederum eine erste leitfähige Schicht 3 abgeschieden wurde. Wie in 1b und 1c gezeigt, wird die erste leitfähige Schicht 3 durch strukturierendes Rückätzen wieder teil weise entfernt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt das Rückätzen in mehreren gestaffelten Schritten. Zunächst wird ein Teil einer so genannten Maske (nicht dargestellt) beispielsweise mittels eines Lithographieschrittes entfernt. Danach erfolgt eine erste Ätzung bis der in 1b gezeigte Zustand der ersten leitfähigen Schicht 3 erreicht ist. Anschließend wird in einem weiteren Schritt ein weiterer Teil der verbliebenen Maske entfernt und somit eine neue Fläche der ersten leitfähigen, Schicht 3 zur Ätzung freigegeben. Bei dem zweiten Ätzschritt vertiefen sich gleichzeitig die aus der ersten Ätzung entstandenen Gräben 4 um den Betrag der zweiten Ätztiefe. Aus dieser Staffelung mehrerer Ätzvorgänge, ergibt sich eine stufenförmige Topographie. Sofern für die erste leitfähige Schicht 3 kein dotiertes Material verwendet worden ist, kann dieses auch noch an dieser Stelle im Prozess dotiert werden. Alternativ kann zu diesem Zeitpunkt auch noch ein anderes leitfähiges Material beispielsweise eine Metallschicht abgeschieden und strukturiert werden, um oberhalb der ersten Isolatorschicht 1 eine leitfähige Schicht zu erzeugen.
Anschließend wird, wie in 1d gezeigt, ein zweite Isolatorschicht 5, die als Opferschicht dient, auf die strukturierte erste leitfähige Schicht 3 abgeschieden. Dies kann in mehreren Teilschritten erfolgen. Danach wird, wie in 1e ersichtlich, eine zweite leitfähige Schicht 6, die hier die obere Abdeckschicht darstellt, auf der zweiten Isolatorschicht 5 abgeschieden. Diese kann aus einem dotierten, auch hochdotierten Halbleitermaterial bestehen. Vorteilhafterweise handelt es sich hierbei um ermüdungsfreies, einkristallines Material. Allerdings ist auch die Verwendung von polykristallinen Materialien möglich.
Anschließend erfolgt die Strukturierung der zweiten leitfähigen Schicht 6, bei der Ätzöffnungen 7 hergestellt werden, die das Ätzen der unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht 6 liegenden zweiten Isolatorschicht 5 ermöglichen.
1f zeigt einen Prozessschritt, in welchem bereits ein Hohlraum 8 in der zweiten Isolatorschicht 5 durch den Ätzprozess entstanden ist und die Ätzöffnungen 7 wieder mit einer dritten Schicht 9 verschlossen sind. Bei der Ätzung wurde darauf geachtet, dass an den Seitenwänden des Hohlraums 8 noch eine isolierende Schicht 10 zur strukturierten ersten leitfähigen Schicht 3 verblieben ist.
Im Anschluss daran erfolgt, wie in 1g gezeigt, die elektrische Kontaktierung 11 der oberen Elektrode 12, die aus der zweiten leitfähigen Schicht 6 und der unteren Elektrode 14, die aus der ersten leitfähigen Schicht 3 besteht. Üblicherweise sind hierbei die Metallisierungsschichten, die die elektrische Kontaktierung 11 bilden, an der Oberfläche von einer Abdeckschicht aus Oxid, Nitrid, Polyimid oder ähnlichem umgeben.
Die 2a bis 2g zeigen die gleiche Standardprozessabfolge wie bei der Herstellung des Bauelements in den 1a bis 1g. Allerdings werden, wie in 2c ersichtlich, bei der gestaffelten Rückätzung der ersten leitfähigen Schicht 3 tiefe Gräben 13 (deep trenches) bis hinunter zur ersten Isolatorschicht 1 geätzt. Diese tiefen Gräben 13 werden beim Abscheiden der zweiten Isolatorschicht 5 wieder aufgefüllt. Wie aus der 2g ersichtlich, wird durch die Gräben 13 die untere Elektrode 14, die aus der strukturierten ersten leitfähigen Schicht 3 hervorgegangen ist, in separate elektrisch isolierte Segmente 15 geteilt, die auch separat elektrisch kontaktierbar sind.
Auch die 3a bis 3d zeigen die aus den vorgenannten Figuren bekannte Prozessabfolge. Allerdings wird, wie aus 3e ersichtlich, vor dem Abscheiden der zweiten leitfähigen Schicht 6 auf der zweiten Isolatorschicht 5 in Teilbereichen eine weitere dünne Isolatorschicht 16 abgeschieden. Beim Aufbringen der zweiten leitfähigen Schicht 6 wird darauf geachtet, dass diese die dünne Isolatorschicht 16 nicht vollkommen überdeckt, sondern beispielsweise einen seitlichen Zugang ermöglicht. Beim anschließenden Ätzvorgang wird die dünne Isolatorschicht 16 in Teilbereichen zuerst geätzt, so dass zwischen zweiter leitfähiger Schicht 6 und zweiter Isolatorschicht 5 dünne Kanäle 17 geformt werden, die das Eindringen der Ätzlösung unter die zweite leitfähige Schicht 6 ermöglichen, wodurch zum einen ein Hohlraum 8 und zum anderen aus der zweiten leitfähigen Schicht 6 eine Mem bran entsteht. Wie aus 3f ersichtlich, erfolgt das Verschließen der Kanäle 17 nach dem Ätzen eines Hohlraums 8 durch Abscheidung einer Verschlussmasse 18, beispielsweise eines Isolators, am Rand der Abdeckschicht 6.
Aus einem in den 4a bis 4 i dargestellten Ausführungsbeispiel wird ersichtlich, dass die spätere Membran nicht nur wie in den 1e, 2e und 3e gezeigt, aus der leitfähigen Schicht 6, sondern auch aus einer weiteren Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 bestehen kann. 4f zeigt, dass zur Herstellung der oberen Elektrode und deren elektrischer Kontaktierung 11 eine weitere leitfähige Schicht 6 auf die Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 aufgebracht werden muss. Zur Herstellung der Ätzöffnungen 7 werden anschließend sowohl die leitfähige Schicht 6 als auch die Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 strukturiert geätzt. Danach kann die Herstellung der elektrischen Kontaktierung 11, wie in 4g gezeigt, jedoch vor der Ätzung des Hohlraums 8 erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren in einen Herstellungsprozess integriert werden kann, ohne dass auf eine bewegliche Membran geachtet werden müsste, die sonst während der weiteren Prozessschritte beschädigt werden kann. Wie in 4h zu sehen, kann die Ätzung den kompletten Bereich unterhalb der späteren Membran erfassen, da durch die Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 eine ausreichende elektrische Isolierung zu den Seitenwänden und der unteren Elektrode 14 des mikro-elektro-mechanischen Bauelements gewährleistet ist.
Alternativ zu einer zusätzlichen Passivierungs- oder Isolatorschicht 19 kann auch die zweite Isolatorschicht 5 so dick ausgeführt werden, dass sie die strukturierte erste leitfähige Schicht 3 überdeckt. Dann kann die Herstellung des Hohlraums 8 durch kontrolliertes Ätzen der zweiten Isolatorschicht 5 mit Ätzstopp so erfolgen, dass über dem Hohlraum 8 eine beweglich aufgehängte Membran aus der zweiten Isolatorschicht 5 zurückbleibt. Auch in diesem Fall muss zur Herstellung der oberen Elektrode eine weitere leitfähige Schicht 6 auf der späteren Membran abgeschieden werden.
5 zeigt eine Draufsicht auf ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement. Die gezeigte Ausprägung des MEMS-Bauelements ist mit einer beweglichen Membran, die aus der zweiten leitfähigen Schicht 6 besteht, versehen. Das MEMS-Bauelement kann beispielsweise als Ultraschallquelle (CMUT capacitive micromechanic ultrasonic transducer) dienen, indem eine Membranauslenkung hervorgerufen wird.
Um eine Membranauslenkung kapazitiv zu detektieren, beispielsweise für einen Druck- oder Schallsensor, ist es von Vorteil beim Sender, auch die untere Elektrode 14, die aus der ersten leitfähigen Schicht 3 besteht, großflächig auszubilden, da das kapazitive Signal flächenabhängig ist und bei größeren Elektroden bei gleichem Druck eine höhere Signalausbeute erfolgen kann als bei kleinen Elektroden.
6 zeigt einen Schnitt durch ein mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform nach 5. Für die elektrische Kontaktierung 11 der unteren Elektrode 14 ist die leitfähige Schicht 3 ringförmig an die Oberfläche des Halbleiterbauelementes geführt, wo dann beispielsweise mittels Metallbahnen eine elektrische Kontaktierung 11 stattfindet. Alternativ dazu ist es auch möglich, säulenförmige Abschnitte der ersten leitfähigen Schicht 3 zu strukturieren und mit deren Hilfe die Verbindung zur unteren Elektrode 14 herzustellen.
7 zeigt in einer Draufsicht mehrere zusammengeschaltete MEMS-Bauelemente, die ein Array 20 bilden und daher ein Summensignal erzeugen können. Die einzelnen MEMS-Bauelemente sind über die Metallisierungsschicht, die auch die elektrische Kontaktierung 11 bildet, miteinander vernetzt. Im Gegensatz dazu wäre jedoch auch eine Vernetzung der oberen Elektroden 12 über die zweite leitfähige Schicht 6 denkbar. Nicht dargestellt ist die Ebene der unteren Elektroden 14, die in gleicher Weise miteinander vernetzt sind. Grundsätzlich können die Elektroden 12, 14 in beliebiger Form, beispielsweise kreisförmig, quadratisch, rechteckig oder achteckig hergestellt werden. Auch die Vernetzung der Elektroden 12, 14 kann in unterschiedlichen Gittern, beispielsweise quadratisch oder hexagonal erfolgen.

1: Erste Isolatorschicht
2: Trägerschicht
3: Erste leitfähige Schicht
4: Graben
5: Zweite Isolatorschicht
6: Zweite leitfähige Schicht
7: Ätzöffnung
8: Hohlraum
9: Verschluss der Ätzöffnung
10: Halbleitermaterial
11: Elektrische Kontaktierung
12: Obere Elektrode
13: Tiefer Graben
14: Untere Elektrode
15: Segment
16: Dünne Isolatorschicht
17: Kanal
18: Verschlussmasse
19: Passivierungs- oder Isolatorschicht
20: Array
21: Abdeckschicht

Claims

Verfahren zur Herstellung von integrierten mikro-elektro-mechanischen Bauelementen mit den Schritten • Herstellen einer ersten leitfähigen Schicht (3) auf einer ersten Isolatorschicht (1), • Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht (3), • Herstellen einer zweiten Isolatorschicht (5) auf der strukturierten ersten leitfähigen Schicht (3), • Herstellen einer zweiten leitfähigen Schicht (6) auf der zweiten Isolatorschicht (5), • Herstellen mindestens einer Ätzöffnung (7) zum wenigstens teilweise Ätzen der zweiten Isolatorschicht (5) unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht (6) zur Herstellung wenigstens eines Hohlraums (8), und • elektrische Kontaktierung (11) wenigstens eines Teils der ersten leitfähigen Schicht (3) und der zweiten leitfähigen Schicht (6), • wobei durch die Tiefe der Strukturierung der ersten leitfähigen Schicht (3) der Abstand einer zu bildenden freitragenden Membran zur Bodenplatte (14) des wenigstens einen Hohlraumes (8) festgelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ätzöffnung (7) in der zweiten leitfähigen Schicht (6) hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens teilweise Ätzung der zweiten Isolatorschicht (5) unterhalb der zweiten leitfähigen Schicht (6) nach der elektrischen Kontaktierung der ersten und zweiten leitfähigen Schichten (3, 6) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ätzöffnung (7) verschlossen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolatorschicht (1) auf einer Trägerschicht (2) hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht (3) in mehreren, gestaffelten Schritten erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht (3) diese in Teilbereichen in ihrer gesamten Stärke bis zur ersten Isolatorschicht (1) erfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial für die erste leitfähige Schicht (3) ein hochdotiertes Material verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial für die erste leitfähige Schicht (3) Metall verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dotierung der ersten leitfähigen Schicht (3) nach dem Aufbringen auf der ersten Isolatorschicht (1) in einem weiteren Prozessschritt erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dotierung der ersten leitfähigen Schicht (3) nach deren Strukturierung erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der zweiten Isolatorschicht (5) nach dem Abscheidevorgang eingeebnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der zweiten leitfähigen Schicht (6) eine Isolatorschicht (16) abgeschieden wird, die zumindest in Teilbereichen räumlich über die zweite leitfähige Schicht (6) hinausreicht.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Ätzöffnung (7) durch das Ätzen der in Teilbereichen vorhandenen Isolatorschicht (16) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung eines Hohlraums (8) in der zweiten Isolatorschicht (5) eine vollständige oder teilweise Passivierung des Hohlraums durch Einleitung eines Gases oder einer Flüssigkeit durch die Ätzöffnungen (7) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens der Ätzöffnungen (7) ein definierter Innendruck in den Hohlräumen (8) erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schließen der mindestens einen Ätzöffnung (7) zusätzliches Material auf die zweite leitfähige Schicht (6) abgeschieden wird.
Mikro-elektro-mechanisches Bauelement – mit wenigstens einer ersten Isolatorschicht (1) und einer zweiten Isolatorschicht (5), – mit wenigstens einer ersten leitfähigen Schicht (3) und einer zweiten leitfähigen Schicht (6), – mit wenigstens einer Membran, die über wenigstens einem Hohlraum (8) vorgesehen ist, – wobei die erste leitfähige Schicht (3) auf der ersten Isolatorschicht (1) und die zweite leitfähige Schicht (6) auf der zweiten Isolatorschicht (5) angeordnet ist, – wobei der Hohlraum (8) wenigstens teilweise in der zweiten Isolatorschicht (5) angeordnet ist, und – wobei die erste leitfähige Schicht (3) eine stufenförmige Topographie aufweist.
Mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass für eine elektrische Kontaktierung die erste leitfähige Schicht (3) an die Oberfläche geführt ist.
Mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (3) ringförmig an die Oberfläche geführt ist.
Mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (3) säulenförmig an die Oberfläche geführt ist.
Mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung (11) der beiden leitfähigen Schichten (3, 6) von einer Seite aus erfolgt.
Mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der zweiten Isolatorschicht (5) die Höhe des Hohlraumes (8) bestimmt.
Mikro-elektro-mechanisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in den leitfähigen Schichten (3, 6) Verbindungen zur Verschaltung mehrerer mikro-elektro-mechanischer Bauelemente zu einem Array vorgesehen sind.