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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Piezoelektrische MEMS-Resonatoren auf Siliziumbasis bieten neben einer hohen Resonanzschärfe und einem kleinen Formfaktor den Vorteil, dass sie sich als integrierte Komponenten von Silizium-Chips herstellen lassen. Der Aktor, der die Umwandlung eines elektrischen Signals in eine mechanische Schwingung erzeugt, ist hierbei üblicherweise eine piezoelektrische Schicht, die als Teil einer Sandwich-Struktur zwischen zwei Elektroden angeordnet ist und sich unter der Wirkung des von den Elektroden erzeugten Feldes elastisch verformt.
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Ein derartiger Silizium-Resonator ist beispielsweise aus der Veröffentlichung „Experimental study of the effects of size variations on piezoelectrically transduced MEMS resonators“ von Jaakkola et al. (2010 IEEE International Frequency Control Symposium, Newport Beach, CA, 2010, pp. 410-414) bekannt. Der darin untersuchte Resonator besteht aus einer quadratischen Platte aus einkristallinem Silizium mit einer hohen p-Dotierung, die an den Ecken mit flexiblen Ankern am Substrat angebunden ist. Die elektromechanische Ankopplung wird über eine Schicht aus Aluminiumnitrid (AIN) erzielt, die auf der Platte abgeschieden wird. Eine auf dieser piezoelektrischen Schicht angeordnete Molybdän-Schicht wirkt dabei als obere Elektrode, während die untere Elektrode durch die Siliziumplatte selbst gebildet wird. Durch eine entsprechende Kontaktierung der Elektroden kann an der AIN-Schicht ein elektrisches Wechselfeld angelegt werden, durch das sich verschiedene Schwingungsmoden des Resonators anregen lassen, deren Form und Frequenz im Wesentlichen durch die Geometrie des Resonators und insbesondere durch dessen laterale Abmessungen bestimmt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen MEMS-Prozess für einen hoch performanten und kleinbauenden Resonator mit einer piezoelektrischen Funktionsschicht bereitzustellen.
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Das Verfahren gemäß Anspruch 1 erlaubt es gegenüber dem Stand der Technik, einen kostengünstigen, hochparallelen MEMS-Prozess zu realisieren, mit dem sich eine maximale Überdeckung der piezoelektrischen Schicht mit beiden Elektroden und damit eine maximale elektromechanische Effizienz des Resonators erreichen lässt, wobei gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit der drahtbondbaren Anschlusselemente und Zuleitungen gewährleistet ist. Die beiden weichen Metallisierungsschichten führen dabei auf dem Resonator bei hoher Leitfähigkeit weder zu Versteifungen, noch zu mechanischen Verspannungen, bzw. Verspannungen mit ausgeprägter Temperaturabhängigkeit. Weiterhin ergibt sich durch das Verfahren ein Resonator, dessen piezoelektrische Schicht sehr geringe Streuungen in der Schichtdicke aufweist und der insgesamt sehr geringe Strukturvariation von Bauteil zu Bauteil zeigt.
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Das Mehrschichtsystem, das durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt und strukturiert wird, weist zu Beginn mindestens eine hochdotierte, insbesondere p-dotierte, Silizium-Funktionsschicht auf, die parallel zu einem Substratwafer angeordnet ist. Durch die Haupterstreckungsebene der Silizium-Funktionsschicht bzw. des Substrats werden laterale (d.h. parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende) Richtungen festgelegt und eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung, die im Folgenden auch als vertikale Richtung bezeichnet wird. Die Ausdehnung der verschiedenen Schichten in vertikaler Richtung werden als Dicke und die gegenseitige Lage der Schichten mit den Begriffen „oberhalb“ und „unterhalb“ bezeichnet. Die Bildungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem ersten, zweiten und dritten lateralen Bereich ausgeführt, die jeweils voneinander verschieden bzw. in lateraler Richtung voneinander beabstandet sind. Im ersten lateralen Bereich wird die schwingungsfähige Struktur des Resonators gebildet, im zweiten Bereich der Anschluss für die untere Elektrode und im dritten Bereich der Anschluss für die obere Elektrode. Das erste Anschlusselement im zweiten Bereich ist dabei über die Ausnehmung in der piezoelektrischen Schicht mit der darunterliegenden Siliziumschicht verbunden, die wiederum über die Verankerung der schwingungsfähigen Struktur mit der Siliziumschicht dieser Struktur verbunden ist, die auf diese Weise als untere Elektrode fungiert. Das zweite Anschlusselement im dritten Bereich ist über die Zuleitung mit der ersten Metallisierungsschicht auf der schwingungsfähigen Struktur verbunden, so dass sich diese über das zweite Anschlusselement kontaktieren lässt und die obere Elektrode für die piezoelektrische Schicht bildet. Denkbar ist darüber hinaus, dass die piezoelektrische Schicht zwei oder mehr Ausnehmungen aufweist, die insbesondere analog zur ersten Ausnehmung ausgebildet sein können.
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Im ersten Bereich ist unterhalb der Silizium-Funktionsschicht eine Kavität angeordnet, die insbesondere durch Ätzung des Substrats oder einer Opferschicht gebildet werden kann. Dabei ist insbesondere Material unter der gesamten Fläche des ersten lateralen Bereichs entfernt, so dass dieser Bereich nach unten freigestellt ist. Im zweiten und dritten Bereich ist vorzugsweise mindestens eine dielektrische Schicht zwischen Substrat und Silizium-Funktionsschicht angeordnet, die diese beiden Schichten elektrisch voneinander isoliert und/oder die als Ätzmaske für die Kavität benutzt wurde.
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Nach dem Abscheiden einer piezoelektrischen Schicht wird eine Opferschicht, insbesondere aus Siliziumoxid abgeschieden. Durch die Opferschicht wird die notwendige Überätzung der Metallisierungsschichten des Kontakts in der Opferschicht aufgefangen, so dass es zu keinem Materialabtrag der piezoelektrischen Schicht kommt, die zu nachteiligen Variationen der Schichtdicken führen würde. Eine Opferschicht aus Oxid kann insbesondere über eine Gasphasen-Flusssäure-Ätzung, durch chemisch-physikalisches Trockenätzen oder durch Ätzen mit einer wässrigen Flusssäure-Lösung entfernt werden. In der Opferschicht und der piezoelektrischen Schicht wird danach die Ausnehmung gebildet, durch die innerhalb der Ausnehmung eine Fläche der Silizium-Funktionsschicht freigelegt wird (Kontaktloch). Um den elektrischen Kontakt zwischen der Siliziumschicht und den nachfolgend abgeschiedenen Metallisierungsschichten zu erhöhen, wird zunächst eine Silizidschicht gebildet. Um die Diffusion von Metall in die Siliziumschicht zu unterbinden, wird im Anschluss an die Silizidbildung eine diffusionshemmende Schicht abgeschieden. Vorzugsweise wird die Silizidschicht und die Barriereschicht um die Ausnehmung herum gezielt entfernt, da es sich hier um steife, mechanisch verspannte Schichten handelt, die nicht auf der Resonatorstruktur vorhanden sein dürfen. Anschließend werden zwei Metallisierungsschichten abgeschieden. Die erste und zweite Metallisierungsschicht können dabei beispielsweise jeweils überwiegend, im Wesentlichen oder vollständig aus Gold bestehen. Insbesondere ist dabei die zweite Metallisierungsschicht dicker als die erste Metallisierungsschicht.
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Bei der anschließenden Strukturierung des ersten lateralen Bereichs, durch die die schwingungsfähige Struktur bezüglich der lateralen Richtungen freigestellt wird, werden insbesondere auch eine, zwei oder mehr Verankerungen gebildet, über die die Siliziumschicht der schwingungsfähigen Struktur mit der Siliziumschicht des zweiten Bereichs und vorzugsweise auch mit der Siliziumschicht des dritten Bereichs verbunden ist. Die Silizium-Funktionsschicht der schwingungsfähigen Struktur erfüllt bei dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Resonator eine Doppelfunktion. Zum einen stellt bildet sie den Schwingkörper zur Anregung der Resonatormoden, zum anderen fungiert sie als untere Elektrode für die auf der Siliziumschicht angeordneten piezoelektrischen Schicht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid aufweist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Silizidschicht Platin und Nickel auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Diffusionsbarrierenschicht Tantal und Tantalnitrid auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste und zweite Metallisierungsschicht (7, 8) Gold auf, wobei die erste Metallisierungsschicht (7) insbesondere aus einer Schichtfolge aus einer dünnen Tantalschicht, einer Platinschicht, einer Goldschicht, einer weiteren Platinschicht und einer weiteren dünnen Tantalschicht besteht, wobei die zweite Metallisierungsschicht (8) insbesondere aus einer Schichtfolge aus einer Tantalschicht und einer Goldschicht besteht. Die Silizidschicht wird vorzugsweise mit einer Kombination aus Platin und Nickel gebildet. Beide Materialien sind gute Silizidbildner und Nickel ermöglicht darüber hinaus eine ausgezeichnete Haftung sowohl auf der Oxidoberfläche, als auch auf einer AIN-Seitenwand der Ausnehmung. Für die besonderen Anforderungen an den Metall-Silizium-Kontakt hat sich die vorstehend beschriebene, gezielt aufeinander abgestimmte Materialkombination für die Silizid- und Barriereschicht als optimal herausgestellt. Durch die erfindungsgemäße Kombination wird ein guter elektrischer Kontakt hergestellt und eine effiziente Hemmung der Golddiffusion erreicht, eine gute Haftung auf dem Oxid und eine geringe Schichtdicke erzielt. Darüber hinaus ergibt sich eine ausgezeichnete Stabilität des elektrischen Kontakts und der Barriere gegenüber thermischen Belastungen in Folgeprozessen (wie z.B. Wafer-Bonden). Die Silizidschicht kann dabei Platin-Nickel-Silizid (NiPtSi) aufweisen oder aus Platin-Nickel-Silizid bestehen. Die Barriereschicht besteht vorzugsweise aus Tantal und Tantalnitrid.
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Vorzugsweise besteht die erste Metallisierungsschicht aus einer Schichtfolge Tantal/Platin/Gold/Platin/Tantal. Die beiden dünnen Tantal-Schichten sind dabei Haftschichten zum darunterliegenden Aluminiumnitrid sowie zur darüber liegenden Schicht, insbesondere der ersten Maskenschicht. Die zweite Metallisierungsschicht besteht vorzugsweise aus einer Lage Tantal, gefolgt von einer dicken Goldschicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass vor dem Abscheiden der piezoelektrischen Schicht im dritten lateralen Bereich ein oxidierter Teilbereich der Silizium-Funktionsschicht gebildet wird, wobei das zweite Anschlusselement derart oberhalb des oxidierten Teilbereichs gebildet wird, dass das zweite Anschlusselement durch den oxidierten Teilbereich nach unten hin abgeschirmt wird. Der oxidierte Teilbereich bewirkt auf diese Weise eine vorteilhafte Reduzierung bzw. Unterdrückung der parasitären Kapazität.
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Vorzugsweise wird der oxidierte Teilbereich durch die folgenden Schritte gebildet: isotropes Ätzen der Silizium-Funktionsschicht, thermische Oxidation der Silizium-Funktionsschicht, nasschemisches Strukturieren der oxidierten Silizium-Funktionsschicht derart, dass eine Oberfläche des oxidierten Teilbereichs und eine Oberfläche eines nicht-oxidierten Teilbereichs bündig verlaufen. Nachdem das Oxid gebildet wurde, wird es nasschemisch so strukturiert, dass es ausschließlich in der gebildeten Vertiefung übrig bleibt. Das Zusammenspiel der Silizium-Ätztiefe und der Oxid-Dicke ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Mitte des nachfolgend gebildeten zweiten Anschlusselements eben zur Oberfläche der Siliziumschicht liegt. Das Zusammenspiel der Masken, des isotropen Silizium-Ätzen und der Oxid-Ätzung, sowie die Unterätzung der Oxid-Maske ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass nur eine minimale Topographie am Übergang zwischen Silizium und übrig bleibt. Durch diesen Aufwand zur Topographie-Minimierung wird vorteilhafterweise erreicht, dass eine möglichst ebene Oberfläche für die kritische Lithographie zur Resonator-Strukturierung erzeugt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Abscheiden und Strukturieren der ersten und zweiten Metallisierungsschicht im ersten lateralen Bereich derart, dass die erste Metallisierungsschicht eine Fläche der piezoelektrischen Schicht vollständig bedeckt und die zweite Metallisierungsschicht derart strukturiert wird, dass sie einen Teilbereich der ersten Metallisierungsschicht bedeckt und einen weiteren Teilbereich der ersten Metallisierungsschicht nicht bedeckt. Der von der zweiten Metallisierungsschicht bedeckte Teilbereich erhöht die Leitfähigkeit der durch die erste und zweite Metallisierungsschicht gebildeten Anordnung erheblich. Vorzugsweise ist die zweite Metallisierungsschicht auf der schwingungsfähigen Struktur nur in denjenigen Bereichen angeordnet, die für das Schwingungsverhalten relativ unbedeutend sind. Denkbar ist jedoch auch, durch diese Elemente eine zusätzliche Massenbelegung und/oder lokale Versteifung des Resonators zu erzeugen, mit dem sich beispielsweise unerwünschte Schwingungsmoden unterdrücken lassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Strukturierung der zweiten Metallisierungsschicht durch die folgenden Schritte: Abscheiden einer ersten Maskenschicht, chemisch-physikalisches Trockenätzen der ersten Maskenschicht, wobei die erste Maskenschicht in vertikaler Richtung nur teilweise abgetragen wird, Ätzen der ersten Maskenschicht, wobei die erste Maskenschicht in vertikaler Richtung vollständig abgetragen wird, wobei das Ätzen der ersten Maskenschicht durch Flusssäure-Gasphasenätzen, chemisch-physikalisches Trockenätzen oder durch Ätzen mit einer wässrige Flusssäure-Lösung erfolgt. Die erste Maskenschicht ist vorzugsweise eine Oxidschicht. Die Strukturierung dieser Maskenschicht erfolgt zweistufig, um die Ätzung selektiv an der ersten Metallisierungsschicht zu beenden. Daher wird die Maskenschicht in einem ersten Teilschritt teilweise abgetragen und im zweiten Teilschritt in selektiver Weise mittels Flusssäure-Gasphasenätzen, chemisch-physikalisches Trockenätzen oder Ätzen mit einer wässrigen Flusssäure-Lösung vollständig bis zur ersten Metallisierungsschicht abgetragen. Vorzugsweise wird die zweite Metalllage mit einer Schichtfolge aus Tantal und der dickeren Goldschicht abgeschieden und mit Stopp im Opferoxid strukturiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bildung der schwingungsfähigen Struktur durch Abscheiden und Strukturieren einer zweiten Maskenschicht erfolgt, wobei die erste Metallisierungsschicht, die piezoelektrische Schicht und die Silizium-Funktionsschicht beim Ätzen außerhalb der durch die zweite Maskenschicht definierten Ätzmaske in vertikaler Richtung vollständig abgetragen werden. Die zweite Maskenschicht ist vorzugsweise ebenfalls eine Oxidschicht. Die Schichtdicke der zweiten Maskenschicht richtet sich vorzugsweise nach dem Oxidabtrag während der Aluminiumnitrid- und Silizium-Ätzung. Dabei wird ein Lithographieschritt verwendet, mit dem der gesamte Schichtstapel im ersten Bereich strukturiert wird: Oxidhartmaske, dünne Goldelektrode, Aluminiumnitrid und Silizium-Funktionsschicht. Damit ergibt sich vorteilhafterweise eine maximale Überdeckung der piezoelektrischen Schicht mit beiden Elektroden und damit eine maximale elektromechanische Effizienz des Resonators. Ein weiterer Vorteil der sich durch die Oxidhartmaske ergibt, ist der steilere Ätzwinkel während der Aluminiumnitrid-Strukturierung und die sich damit ergebende bessere Elektrodenüberdeckung.
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Vorzugsweise wird die Silizidschicht durch Abscheiden von Platin und Nickel und eine anschließende thermische Silizidierung gebildet, wobei die thermische Silizidierung insbesondere bei einer Temperatur von 250 °C bis 450 °C stattfindet.
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Vorzugsweise erfolgt die Strukturierung der zweiten Metallisierungsschicht durch Ionenstrahlätzen. Besonders bevorzugt erfolgt das Ionenstrahlätzen unter einem schrägen Einfallswinkel, so dass sich eine Unterätzung der ersten und/oder zweiten Maskenschicht ergibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass laterale Schwankungen der Dicke der piezoelektrischen Schicht 3 nach der Abscheidung durch einen lonenstrahl-Trim-Prozess reduziert werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein piezoelektrischer Resonator, hergestellt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen, mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Resonator.
- 2 illustriert die Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 sind ein Querschnitt (links) und eine Aufsicht (rechts) auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators 1 dargestellt. Die Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene 10 der Anordnung werden im Folgenden auch als laterale Richtungen bezeichnet, während die Richtungen senkrecht dazu mit den Begriffen „oben“ und „unten“ beschrieben werden. Der Resonator 1 weist eine schwingungsfähige Struktur 9 auf, die aus einem Silizium-Körper 9 mit einer mittig angeordneten Ausnehmung 24 gebildet wird. Die schwingungsfähigen Struktur 9 ist über einem Substratwafer 15 angeordnet, in den eine Kavität 4 zum Freistellen des Resonators 1 geätzt wurde. Die schwingungsfähige Struktur kann dabei einen einzelnen beweglichen Körper 9 oder eine Mehrzahl an beweglichen Körpern 9 umfassen. Der Körper 9 ist durch Strukturierung einer hochdotierten Silizium-Funktionsschicht 2 gebildet, die außerhalb der schwingungsfähigen Struktur 9 über eine dielektrische Schicht 16 mit dem Substrat 15 mechanisch verbunden ist. Auf der schwingungsfähigen Struktur 9 ist eine piezoelektrische Aluminiumnitridschicht 3 angeordnet, mit der sich der Körper 9 zu Schwingungen anregen lässt. Die Verformungen der piezoelektrischen Schicht 3 werden dabei über ein, mittels zwei Elektroden erzeugtes, elektrisches Feld angetrieben. Die untere Elektrode wird dabei durch die Siliziumschicht 2 des Körpers 9 selbst gebildet, während die obere Elektrode aus einer dünnen Metallisierungschicht 7 besteht, die aus einer Schichtfolge aus Tantal/Platin/Gold/Platin/Tantal besteht und auf der piezoelektrischen Schicht 2 des Körpers 9 angeordnet ist. Um diese beiden Elektroden elektrisch zu kontaktieren, weist die Oberfläche des Bauteils zwei Bondpads 22 und 23 auf, von denen das erste über einen Metall-Silizium-Kontakt 6 mit dem darunterliegenden Teil 17 der Siliziumschicht 2 verbunden ist und die schwingungsfähige Struktur 9 über deren Verankerung kontaktiert. Die obere Elektrode, d.h. die Goldschicht 7 ist über eine Zuleitung 21 mit dem zweiten Bondpad 23 verbunden, wobei unter dem Bondpad 23 unterhalb der piezoelektrischen Schicht 3 ein dielektrischer Bereich 14 angeordnet ist, der die parasitäre Kapazität des Kontaktelements 23 erniedrigt. Die Bondpads 22, 23 und die Zuleitung 21 sind dabei jeweils aus der dünnen Metallisierungsschicht 7 und einer darüber angeordneten dickeren Goldschicht 8 gebildet. Zusätzlich weist die schwingungsfähige Struktur 9 in mechanisch unkritischen Bereichen eine strukturierte Lage 18 der dickeren Goldschicht 8 auf, um die elektrische Leitfähigkeit entsprechend zu verbessern.
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Wie in 2a dargestellt, ist der Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Verfahren eine über einem Wafersubstrat 15 angeordnete Siliziumschicht 2 mit einer vergrabenen Kavität 4 für den Resonator 1. Bezüglich der Haupterstreckungsebene 10 (vgl. 1) lassen sich drei laterale Bereiche 11, 12, 13 unterscheiden, wobei die Kavität 4 im Bereich 11 angeordnet ist und in den Bereichen 12 und 13 zwischen dem Substrat 15 und der Funktionsschicht 2 eine dielektrische Schicht 16 angeordnet ist, die die Siliziumschicht 2 gegenüber dem Substrat 15 elektrisch isoliert.
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Anschließend wird, wie in 2b gezeigt, für die Kontaktierung der oberen Elektrode die dielektrische Oxidschicht 14 zur Erniedrigung der parasitären Kapazität angelegt. Dazu wird zuerst eine isotrope Siliziumätzung durchgeführt. Danach wird der Wafer thermisch oxidiert und das Oxid nasschemisch so strukturiert, dass es nur noch in der Vertiefung übrigbleibt. Das Zusammenspiel der Silizium-Ätztiefe und der Oxid-Dicke ist dabei so gewählt, dass die Mitte des Pads 23 eben zur Fläche der Siliziumschicht 2 liegt. Das Zusammenspiel der Masken, des isotropen Si-Ätzen und der Oxid-Ätzung, sowie die Unterätzung der Oxid-Maske ist dabei so gewählt, dass nur eine minimale Topographie am Übergang Silizium 2 zu Oxid 14 übrig bleibt. Dieser Aufwand zur Topographie-Minimierung ist notwendig, um eine möglichst ebene Oberfläche für die kritische Lithographie zur Resonator-Strukturierung zu erreichen.
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Wie in 2c dargestellt, wird anschließend die piezoelektrische Schicht 3 aus Aluminiumnitrid abgeschieden. Da diese die aktive Schicht für den Resonator 1 bildet, müssen die Schichteigenschaften sehr genau kontrolliert werden, um einen hoch performanten und auch von Bauteil zu Bauteil identischen Resonator 1 zu erhalten. Eine wichtige Größe hierbei ist die Schichtdicke, wobei die Schichtdickenschwankung vorteilhafterweise auch nach der Abscheidung durch einen lonenstrahl-Trim-Prozess reduziert werden kann.
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Anschließend wird der Metall-Silizium-Kontakt 6 hergestellt (2d). Dazu wird zuerst eine Opferschicht aus Siliziumoxid abgeschieden. Ziel hierbei ist es, die entstehende und notwendige Überätzung der Metallisierungsschichten des Kontakts 6 in der Opferschicht aufzufangen und nicht in die bzgl. Schichtdickenvariation kritische Aluminiumnitrid-Schicht 3 zu übertragen. Danach wird die Opferschicht und das Aluminiumnitrid 3 bis ins Silizium 2 strukturiert. Nach der Kontaktloch-Strukturierung wird der Silizidbildner abgeschieden. Es hat sich herausgestellt, dass dafür eine Kombination aus Platin und Nickel besonders geeignet ist. Die thermische Silizidierung findet in einem Prozessfenster zwischen 250 °C und 450 °C statt. Zusätzlich ist es notwendig, die Diffusion von Gold in das Silizium 2 zu verhindern. Dafür werden im Anschluss Barriere-Schichten aus Tantal und Tantalnitrid abgeschieden. Die Silizidschicht- und Barrierestapel stellen steife, mechanisch verspannte Schichten dar, die nicht auf der Resonatorstruktur vorhanden sein dürfen, und daher um das Kontaktloch 5 herum entfernt werden. Das Oxid wird über eine Gasphasen-Flusssäure Ätzung, chemisch-physikalisches Trockenätzen oder Ätzen mit einer wässrigen Flusssäure-Lösung sehr selektiv zum Aluminiumnitrid entfernt. Die Anforderungen an die Silizid- und Barriereschichten sind dabei: Guter elektrischer Kontakt, Haftung auf dem Oxid, Verhindern einer Golddiffusion ins Silizium, geringe Schichtdicken sowie Stabilität gegenüber dem Oxid-Ätzen, thermische Stabilität des elektrischen Kontakts und der Barriere gegenüber thermischen Belastungen im Folgeprozess (wie z.B. Wafer-Bonden).
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2e illustriert die Abscheidung und Strukturierung der dünnen Metallisierungsschicht 7. Diese besteht vorzugsweise aus einer Schichtfolge Tantal/Platin/Gold/Platin/Tantal. Die beiden dünnen Tantal-Schichten sind dabei Haftschichten zum darunterliegenden Aluminiumnitrid 3 sowie zur nachfolgenden zweiten Opferoxidschicht 19 (vgl. 2f). Da der Resonator 1 und damit die aktive Aluminiumnitrid-Schicht 3 vollständig mit der dünnen Metallisierungsschicht 7 überdeckt ist, kann die Metallstrukturierung hier direkt im angrenzenden unkritischen Aluminiumnitrid 3 stoppen.
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Für die Strukturierung der zweiten Metalllage 8 ist abermals eine Oxid-Opferschicht 19 notwendig, da es sonst nicht möglich ist, die zweite Goldschicht 8 selektiv gegen die erste Goldschicht 7 zu strukturieren. Die Strukturierung der Oxid-Opferschicht 19 ist zweistufig (2f). Im ersten Strukturierungsschritt wird trocken chemisch-physikalisch geätzt, wobei jedoch nicht die gesamte Schicht 19 abgetragen wird. Der Materialabtrag wird dann im zweiten Strukturierungsschritt mittels Flusssäure-Gasphasenätzen sehr selektiv an der dünnen Goldschicht 7 gestoppt. Alternativ kann das Ätzen auch mittels chemisch-physikalischem Trockenätzen, insbesondere reaktivem lonenätzen (reactive ion etching, RIE) oder Ätzen mit einer wässrigen Flusssäure-Lösung erfolgen, wobei der Ätzprozess so erfolgen muss, dass eine ausreichende Selektivität gegenüber der dünnen Goldschicht 7 gegeben ist. Anschließend wird die zweite Metalllage 8 bestehend aus Tantal und der dickeren Goldschicht abgeschieden und mit Stopp im Opferoxid strukturiert. Zur Strukturierung kann zum Beispiel vorteilhafterweise Ionenstrahlätzen unter einem schrägen Einfallswinkel verwendet werden, wodurch sich eine Unterätzung der Lackmaske ergibt. Die Prozesse und Schichtdicken wurden so gewählt, dass die entstehende Topographie der zweiten Metallisierungsschicht 8 vorteilhafterweise für die kritische Lithographie zur Resonator-Strukturierung ausgeglichen werden. Dazu gehört: die zweite Metalllage 8 ist eingebettet in das Opferoxid 19. Dies wird erreicht durch die Wahl der Schichtdicke der Oxidschicht 19, welche an die Dicke der zweiten Metalllage 8 und den Ätzabtrag angepasst wird. Zusätzlich verrunden die Kanten der Oxidätzung stark. Das Zusammenspiel der Masken, des Oxid-Opferschicht-Ätzens und der Strukturierung der zweiten Metalllage 8, sowie die Unterätzung der Metallmaske 19 ist so gewählt, dass nur eine minimale Topographie am Übergang Opferoxid zur zweiten Metalllage 8 übrig bleibt.
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Wie in 2g illustriert, wird abermals eine Oxidschicht 25, dieses Mal in der Funktion einer Hartmaske für die Resonatorstrukturierung abgeschieden. Die Schichtdicke richtet sich hierbei nach dem Oxidabtrag während der Aluminiumnitrid- und Silizium-Ätzung. Es wird ein einziger Lithographieschritt verwendet, um die Strukturierung des gesamten Schichtstapels durchzuführen: Oxidhartmaske 25, dünne Goldelektrode 7, Aluminiumnitrid 3 und Silizium-Funktionsschicht 2. Damit ergibt sich die maximale Überdeckung der piezoelektrischen Schicht 3 mit beiden Elektroden für die maximale elektromechanische Effizienz des Resonators 1. Ein weiterer Vorteil, der sich durch die Oxidhartmaske 25 ergibt, ist der steilere Ätzwinkel während der Aluminiumnitrid-Strukturierung und damit abermals eine bessere Elektrodenüberdeckung.
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Schließlich wird das Opferoxid 19, 25 mittels Flusssäure-Gasphasen-Ätzen, chemisch-physikalischem Trockenätzen oder Ätzen mit einer wässrigen Flusssäure-Lösung entfernt und der in 2h abgebildete MEMS-Resonator 1 fertiggestellt.