Mikromechanisches Bauteil mit einem Schaltelement als beweglicher Struktur, Mikrosystem und Herstellverfahren

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einer festen mikromechanischen Struktur, die zwei Elektroden umfaßt, und einer beweglichen mikromechanischen Struktur, ein Mikrosystem auf einem Halbleitersubstrat mit einer integrierten Schaltung und dem mikromechanischen Bauteil sowie ein Herstellverfahren.

Mikromechanische Bauteile werden zu verschiedenen Zwecken eingesetzt, bekannt sind bspw. proportionale und nichtproportionale Kraftsensoren (Beschleunigungs-und Neigungssensoren), Motoren und Aktoren. Sie besitzen feste und bewegliche mikromechanische Strukturen und ihre Funktion basiert in den meisten Fällen auf elektrostatischen Kräften, insbesondere zwischen Kondensatorflächen mit variablem Abstand (s.zB. den Artikel von Sherman et al., Conf. Proc. IEDM 1992, S.501 (Nr. 0-7803-0817-4/92 IEEE).

Bei der Herstellung von derartigen mikromechanischen Bauteilen besteht ein großes Interesse an Prozessen, die mit der Fertigung von integrierten Schaltungen, insbesondere auf einem Silizium-Substrat, kompatibel sind. Nur eine Kompatibilität der Herstellungsprozesse erlaubt die Integration von Mikromechanik und Ansteuer- oder Auswerteschaltungen in Mikrosystemen. Dies ist auch dann wichtig, wenn bestehende Halbleiterfertigungsanlagen auch zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen genutzt werden sollen. Besonders vorteilhaft wäre ein Prozeß, mit dem gleichzeitig eine integrierte Schaltung und ein mikromechanisches Bauteil in verschiedenen Bereichen des Halbleitersubstrats erzeugt werden, d.h. ein Mikrosystem mit nur minimalem zusätzlichem Prozeßaufwand zur integrierten Schaltung hergestellt wird.

Für mikromechanische Bauteile sind u.a. folgende Herstellprozesse bekannt:

• a) Polysilizium Center-pin- und Flange-Prozeß (M. Mehrengany, Y.-C. Tai, J. Micromech. Microeng., vol. 1, 73, 1991)
  
  

  Dieser Prozeß erfordert bei der Herstellung der mikromechanischen Strukturen im Anschluß an die Herstellung der integrierten Schaltung zusätzliche Polysiliziumabscheidungen nach dem Metallisierungskomplex. Im Fall, daß der Center-Pin-Prozeß vor der Metallisierung der integrierten Schaltung durchgeführt werden soll, ergibt sich das Problem, die beweglichen Strukturen freizuätzen, und gleichzeitig die Isolation der Metallisierung zu schützen. Ein weiterer Nachteil ist der relativ hohe spezifische Widerstand von dotiertem Polysilizium.

• b) Polysilizium LOCOS-Prozeß (L.S. Tavrow et al, Sensors and Actuators A, Phys. vol. A35, 33, 1992):
  
  

  Der Prozeß sieht vor, die beweglichen mikromechanischen Strukturen auf einer planen LOCOS-Oxidschicht herzustellen, wobei der Oxidationsschritt wegen der Temperaturbelastung nur vor der Transistorherstellung einer integrierten Schaltung erfolgen. Bei vollständiger Durchführung des Prozesses vor Herstellung der integrierten Schaltung ergibt sich eine ungünstige Topologie für die Nachfolgeschritte sowie das Problem, die mikromechanischen Strukturen während der Herstellung der integrierten Schaltung zu schützen. Bei einer ineinander verzahnten Herstellung muß das Problem der Freiätzung des Rotors bei gleichzeitigem Schutz der Schaltungsisolationsoxide gelöst werden.

• c) Selektiver Wolfram-Prozeß (L.Y.Chen et al, TRANSDUCERS '91., Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. San Francisco, USA, IEEE Cat. No. 91CH2817-5, 739, 1991):
  
  

  Dieser Prozeß kann im Anschluß an einen Schaltungs-Fertigungsprozeß durchgeführt werden, wobei das Problem der elektrischen Kontaktierung und des Schutzes der Metallisierungsisolation durch das vorgeschlagene Verfahren nicht gelöst werden. Der Prozeß ist insbesondere bezüglich der Lithographieschritte sehr aufwendig.

• d) LIGA-Prozeß (P.Bley et al, Microelectronic Engineering 13, 509, 1991; H. Guckel et al, Conf. Proceedings IEEE-Micro Electro Mechanical Systems, Nara, Japan, 1991): Dieser Prozeß benötigt Röntgenstrahl-Lithographie und eventuell eine nachträgliche Montage von losen mikroskopischen Bauteilen.

Alle diese Prozesse sind in ihrer Konzeption nicht für die gemeinsame und insbesondere gleichzeitige Fertigung von integrierter Schaltung und dem mikromechanischen Bauteil in einem Mikrosystem ausgelegt. Sie benötigen eine Vielzahl von Schichten und Prozeßschritten, welche ausschließlich der Herstellung des mikromechanischen Bauteils dienen und die für die Herstellung einer integrierten Schaltung überflüssig oder sogar einschränkend oder nachteilig sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges mikromechanisches Bauteil anzugeben, das als Sensorschalter eingesetzt werden kann, einschließlich eines einfachen Herstellverfahrens , sowie ein Mikrosystem mit einer integrierten Schaltung und dem mikromechanischen Bauteil und ein Herstellverfahren anzugeben, bei welchem ausgehend von der IS-Herstellung kein oder ein nur minimaler zusätzlicher Prozeßaufwand für die Herstellung des mikromechanischen Bauteils notwendig ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 8, 14 und 18 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Verwendung der beweglichen Struktur als Schaltelement zwischen zwei voneinander isolierten festen Elektroden; ein solcher Schalter ist makroskopisch als sogenannter Quecksilberschalter bekannt. Je nach Lage des beweglichen leitenden Schaltelementes stellt dieses eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden her oder nicht.

Vorzugsweise besitzt das Bauteil eine Sicherung gegen Herausfallen des Schaltelementes, die aus einer höherliegenden Schicht gebildet ist. Diese Schicht kann leitend oder nichtleitend sein, sie kann über der beweglichen Struktur gitterförmig strukturiert sein. Da die Sicherung i.a. vor Freiätzen des Schaltelementes hergestellt wird, muß sie so strukturiert sein, daß sie das Freiätzen mittels eines Ätzprozesses mit isotroper Komponente erlaubt. Nach der Freiätzung kann das Bauteil mithilfe einer Abdeckschicht, die möglichst nicht-konform abgeschieden wird, hermetisch verschlossen werden, so daß es gegen äußere Einflüsse geschützt und mechanisch sehr stabil ist.

Das Bauteil kann als nicht-proportionaler Kraftsenssor (Ereignissensor) genutzt werden, indem man die Trägheitskraft auf das bewegliche Schaltelement ausnutzt und einen Kurzschluß (oder eine Unterbrechung) zwischen den (von außen anschließbaren Elektroden nachweist. Es ist jedoch genauso möglich, andere Krafteinwirkungen auf die bewegliche Struktur, bspw. einer strömenden Flüssigkeit oder eines Gases oder die direkte Krafteinwirkung eines externen mechanischen Bauteils zu detektieren.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren werden das Schaltelement und die Elektroden aus derselben oder aus verschiedenen leitenden Schichten strukturiert. Feste und bewegliche Strukturen sind dabei zunächst durch mindestens eine isolierende Schicht voneinander und zumindest die bewegliche Struktur auch vom Substrat getrennt. Dann wird eine Maske aufgebracht und ein Ätzprozeß mit einer isotropen Komponente durchgeführt, der die isolierende Schicht mindestens um das Schaltelement herum selektiv zu der leitenden Schicht oder den leitenden Schichten entfernt. Nach dem Ätzprozeß ist das Schaltelement entweder frei beweglich und besitzt keine Verbindung mehr zum übrigen Bauteil oder es ist noch über durchtrennbare Schmelzsicherungen (Fuses) mit ihm verbunden. Die Elektroden sind zumindest an einer ihrer Oberflächen (die dem Schaltelement zugewandt ist) freigelegt, so daß das Schaltelement bei Bewegung einen Kontakt zwischen den Elektroden über diese Oberflächen herstellen kann.

Die Erfindung umfaßt auch ein Mikrosystem mit einer Integrierten Schaltung (IS) und dem mikromechanischen Bauteil (BT). Bei dem Mikrosystem werden eine oder mehrere leitende Schichten, die bereits für die integrierte Schaltung, z.B. ihre Verdrahtung, benötigt werden, als Teile des mikromechanischen Bauteils verwendet. Diese Schicht oder Schichten müssen lediglich durch ein entsprechendes Design so strukturiert werden, daß im Bereich des mikromechanischen Bauteils mindestens zwei Elektroden als feste mikromechanische Strukturen und ein Schaltelement als bewegliche mikromechanische Struktur gebildet werden. Als Ätzprozeß mit isotroper Komponente kann der bei der IS-Herstellung bereits zur Freiätzung der Anschlußpads benötigte Prozeß genutzt werden, die dabei eingesetzte Maske muß lediglich im Bereich des Bauteils geeignet ausgebildet sein, so daß das Schaltelement und eine Oberfläche der Elektroden freigelegt werden . Die integrierte Schaltung kann eine Ein- oder Mehrlagenverdrahtung (d.h. eine oder mehrere Metallisierungsebenen) aufweisen, von denen eine, mehrere oder alle für das mikromechanische Bauteil verwendet werden können. Die Integrierte Schaltung kann in einer beliebigen Technologie, bspw. CMOS, ausgeführt sein. Vorzugsweise umfaßt sie eine Auswerteschaltung, mit der die Elektroden direkt verbunden sind.Ein Ausschnitt aus einer solchen Schaltung ist in den Figuren 1 und 2 der deutschen Patentanmeldung "Mikrosystem mit integrierter Schaltung und mikromechanischen Bauteil und Herstellverfahren" desselben Erfinders und desselben Anmeldetags dargestellt, auf die diesbezüglich verwiesen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 - 3

eine Aufsicht auf und einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat im Bereich des mikromechanischen Bauteils, an dem das Verfahren verdeutlicht wird,

FIG 4

eine Aufsicht auf ein mikromechanisches Bauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

FIG 1 - 3:

In der dargestellten Ausführungsform weist das mikromechanische Bauteil zwei Elektroden E und ein bewegliches Schaltelement S in Form eines Bügels auf, die aus derselben leitenden Schicht 3 strukturiert sind. Das Schaltelement S und ein Ende jeder Elektrode befinden sich in einem Hohlraum H, wobei die Strukturen und der Hohlraum so dimensioniert sind, daß bei Bewegung des Schaltelements ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden hergestellt oder unterbrochen werden kann. Die Elektroden sind von außen anschließbar. Im Ausführungsbeispiel sind die Elektroden an derselben Hohlraumwand angeordnet. Vorzugsweise ist eine Sicherung gegen Herausfallen des Schaltelementes S vorgesehen, die aus einer über dem Hohlraum gitterförmig strukturierten Schicht bestehen kann. Die Seitenwände des Hohlraums H werden von den Kontaktflächen der Elektroden E sowie von einer unteren isolierenden Schicht 2, einer mittleren isolierenden Schicht (hier Doppelschicht) 4,5, und einer oberen isolierenden Schicht 7 gebildet, in die die Elektroden teilweise eingebettet sind. Der Boden des Hohlraums wird von einem Substrat 1 gebildet, nach oben kann der Hohlraum zusätzlich durch eine Abdeckschicht 9 hermetisch verschlossen sein (in Fig.1 ist die Abdeckschicht 9 nicht dargestellt).

In FIG 2 ist ein Substrat 1 mit beliebiger Oberfläche (z.B. Silizium, ein Feldoxid oder eine geeignete Ätzstopschicht) dargestellt.Auf dem Substrat wird eine untere isolierende Schicht 2 aufgebracht und ggf. strukturiert. Auf dieser wird eine leitende Schicht 3, bspw. eine erste Metallisierungsebene, aufgebracht und zu Elektroden E und Schaltelement S strukturiert. Dabei und bei der Dicke der unteren isolierenden Schicht 2 (bzw. der späteren Ätztiefe) sind die oben erläuterten Dimensionierungen zu beachten. Es werden eine oder mehrere mittlere isolierende Schichten 4,5 aufgebracht und ggf. planarisiert . Als Sicherung gegen das Herausfallen des später freizulegenden beweglichen Schaltelements wird eine Schicht 6 aufgebracht und über dem späteren Hohlraum in geeigneter Weise, beispielsweise gitterförmig, strukturiert. Die Sicherung wird mit einer oberen isolierenden Schicht 7 abgedeckt.

Nachfolgend wird ein Ätzprozeß durchgeführt, wofür entweder eine Maske 8 aufgebracht wird, die eine Öffnung oberhalb des freizulegenden beweglichen Schaltelement S aufweist, oder es wird Schicht 6 als Maske verwendet (die dann insbesondere am Rand und außerhalb des Hohlraums geeignet strukturiert sein muß). Es werden die isolierenden Schichten 2, 4, 5, 7 geätzt. Dabei müssen folgende Bedingungen berücksichtigt werden:

• Der Ätzprozeß muß ausreichend selektiv zu der leitenden Schicht 3 und in diesem Beispiel auch zum Gitter 6 sein,
• die isotrope Komponente des Ätzprozesses und die Größe der Öffnung in der Maske müssen unter Berücksichtigung der einzelnen Schichtdicken so gewählt sein, daß das Schaltelement S völlig unterätzt und frei beweglich wird. Die dem Schaltelement zugewandte Seite der Elektroden muß ebenfalls freigeätzt werden.

Nach der Freiätzung kann das Bauteil durch eine weitgehend nicht-konforme Abscheidung einer Abdeckschicht 9 verschlossen werden. Ein solches Vorgehen ist in der DE-Anmeldung Nr. 43 32 843.1 "Mikromechanische Vorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung" desselben Anmelders, Anmeldetag 27.9.93, beschrieben. Beispielsweise kann Plasmanitrid, PSG oder BPSG in einem Verfahren mit schlechter Kantenbedeckung abgeschieden werden.Das unterliegende Gitter 6 ist für den Prozeß vorteilhaft, aber nicht unbedingt erforderlich.

Für die einzelnen Schritte des Herstellungsverfahrens können die aus der IS-Fertigung bekannten Prozesse und Materialien (bspw. Siliziumoxid als isolierende und Al-Legierungen oder W-haltige Schichten als leitende Schicht) eingesetzt werden.

Das Gitter 6 kann aus einer isolierenden oder leitenden Schicht bestehen. Im zweiten Fall können zusätzlich zu den lateralen Elektroden E auch Gitterelektroden gebildet werden.

Fig 4 :

Bei mikromechanischen Bauteilen ist das sog. Sticking-Problem bekannt, nämlich das Haften der beweglichen Struktur am Untergrund nach ihrer Freiätzung durch Kapillarkräfte bei der Trocknung (bei Naßätzung). Zur Lösung diesess Problems können bei dem Bauteil ein oder mehrere sog. Fuses (Schmelzsicherungen) vorgesehen sein, wie sie in dem Artikel von W. Yun et al., IEEE-Konferenz 1992, 0-7803-0456-X/92, S.126 beschrieben sind.

In Fig 4 ist eine Aufsicht auf ein derartig verbessertes Bauteil mit zwei Fuses F (ohne Gitter und Abdeckschicht ) dargestellt. Eine Fuse wird aus breiten Zuleitungen Z und einer schmalen Schmelzleitung L, beide bestehend aus einem leitfähigen Material, gebildet. Vorzugsweise wird die leitende Schicht 3 verwendet. Die Fuses halten das Schaltelement S auch nach der Unterätzung fest und verhindern so das Haften am Substrat 1. Nach Abschluß des Herstellprozesses, wie er vorstehend oder nachfolgend unter A - D beschrieben ist, wird durch Anlegen einer Spannung an die Zuleitungen Z ein Strompuls geeigneter Größe und Dauer durch die Schmelzleitungen L geschickt, der zum Aufschmelzen bzw. zur Zerstörung der Fuse an dieser Stelle führt. Dadurch wird das Schaltelement erst zu diesem Zeitpunkt frei beweglich. Da die Zuleitungen Z nach dem Schmelzen von L nicht mehr mit dem Schaltelement elektrisch verbunden sind, können sie nun als Elektroden verwendet werden. Ferner können die Schmelzleitungen auch an den Elektroden selbst vorgesehen sein, so daß diese die Aufgabe der Zuleitungen übernehmen und zusätzliche Fuses entfallen können. Damit können Fuses ohne einen Mehrbedarf an Platz hergestellt werden.

Beim Design der Fuse und bei der Steuerung des Strompulses muß darauf geachtet werden, daß der Strompuls die Schmelzleitung L derart aufschmilzt, daß das Schaltelement von beiden Zuleitungen getrennt und damit frei beweglich wird. Sollen die Zuleitungen später als Elektroden verwendet werden, müssen auch sie sicher voneinander getrennt werden.

Das Bauteil kann in ein Mikrosystem integriert werden, wobei die Herstellung der IS (z.B. Ansteuer- oder Auswerteschaltung) gleichzeitig mit dem beschriebenen Prozeß erfolgt. Dabei werden vorzugsweise folgende Punkte berücksichtigt:

• An dem Substrat 1 werden weitere, für die Herstellung der integrierten Schaltung notwendige Verfahrensschritte vorgenommen, also beispielsweise bei CMOS-Technologie Herstellen von epitaktischen Schichten, dotierten Wannen, Kanalimplantation, Gate-0xid. Für die Gate-Isolation der IS kann bspw die Schicht 2 verwendet werden. Es wird u.a. eine Implantation der Source/Drain-Gebiete durchgeführt.
• Im IS-Bereich kann die leitende Schicht 3 als erste Metallisierungsebene beispielsweise zum Anschluß von S/D-Gebieten von Transistoren dienen. Die mikromechanischen Strukturen E, S können auch aus der Gate-Ebene gebildet werden, so daß die Schicht 3 aus Polysilizium besteht.
• Als isolierende Schichten werden vorzugsweise - in situ oder durch geeignete Prozesse - planare Schichten eingestzt. Planare Schichten sind auch im Bereich des mikromechanischen Bauteils (BT-Bereich) vorteilhaft.
• Die obere isolierende Schicht 7 kann aus der üblichen Passivierung aus Siliziumoxid und -nitrid bestehen.Die Maske 8, die im BT-Bereich eine Öffnung oberhalb der freizulegenden beweglichen Struktur aufweist, besitzt im IS-Bereich oberhalb der von außen anzuschließenden Pads Öffnungen. Im IS-Bereich muß die isotrope Ätzung auf diesen Anschluß-Pads stoppen.
• Wird das mikromechanische Bauteil mit einem Verschluß versehen, werden getrennte Photomasken und Ätzprozesse für den Hohlraum bzw. die Padfreiätzung eingesetzt, nämlich vor bzw. nach der Abscheidung der Abdeckschicht.
• Für die Sicherung kann bspw. bei einer Mehrlagenverdrahtung eine höherliegende Metallisierungsebene oder eine üblicherweise als Teil der Passivierung verwendete Siliziumnitridschicht eingesetzt werden.

Das Mikrosystem besteht weitestgehend oder sogar vollständig aus Schichten , welche bereits für die integrierte Schaltung benötigt werden, so daß die Herstellung sehr einfach ist. Im einfachsten Fall ist lediglich eine Designmaßnahme (Maskenanpassung) erforderlich.

Im folgenden werden die wesentlichen Punkte von einigen Beispielen erfindungsgemäßer Mikrosysteme dargelegt:

A:

S + E : Metall 1 (3)

Gitter: Metall 2 (6)

Dieser Prozeß erfordert keine zusätzlichen Schritte, sondern nur eine Designanpassung.

B:

S + E : Metall 1 (3)

Gitter: Metall 2 (6)

hermetischer Verschluß des Hohlraums

C:

S + E : Polysilizium (3)

Gitter: Si₃N₄ (6)

2-Lagen-Metallisierung

Dieser Prozeß benötigt keine Zusatzschichten. Da die isotrope HF-Ätzung u.U. das Metall AlSiCu angreift, können getrennte Fototechniken für Hohlraum und Padöffnungen gewählt werden.

D:

S + E : Polysilizium (3)

Gitter: Si₃N₄ (6)

hermetischer Verschluß des Hohlraums

2-Lagen-Metallisierung

Bei den beschriebenen Beispielen können Probleme durch Haften des Schaltelementes am Substrat 1 auftreten (sog. Sticking). Diese können entweder durch die bereits beschriebenen Fuses oder dadurch beseitigt werden, daß ohne Trocknung von der HF-Ätzung zum Belacken übergegangen wird, und/oder der Photoresist trocken in einem O₂-Plasma entfernt wird.