Post-CMOS-Integration von Poly-SiGe-MEMS

Eine vielversprechende Technologie zur Integration von MEMS auf CMOS-Schaltungen

27.06.2008 | Autor / Redakteur: Mieke van Bavel, Lou Hermans und Ann Witvrouw* / Claudia Mallok

Bild: Bosch Sensortec
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Die Forscher bei IMEC haben eine allgemein anwendbare Methode entwickelt, mit der sich unterschiedliche MEMS-Bauteile auf einer CMOS-Schaltungsunterlage integrieren lassen. Dabei dient SiGe als Konstruktionsmaterial, das in einem „Post-CMOS“-Ansatz nachträglich mikrobearbeitet wird. In diesem Verfahren wurden ein monolithisches Gyroskop mit hoher Auflösung sowie ein hochzuverlässiger und extrem stabiler Mikro-Spiegel realisiert.

Die Entwicklung künftiger mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) erfordert einen allgemein anwendbaren Prozeßablauf, mit dem sich eine breite Vielfalt billiger MEMS-Bauteile mit guten Leistungsmerkmalen erzeugen lassen. Als vielversprechenden Ansatz erachten die Experten im belgischen Forschunsinstitut IMEC eine SiGe-basierte Technologie für die Integration von MEMS auf CMOS-Schaltungen.

Mit der universell einsetzbaren SiGe-basierten Technologie lassen sich unterschiedlichste Typen von MEMS-Bauteilen (z.B. Resonatoren oder Beschleunigungsmesser) auf standardmäßige CMOS-Wafer aufbringen. Mit dieser Technologie, die zur CMORE-Plattform von IMEC gehört, lassen sich künftige hochminiaturisierte Systeme mit ausgezeichneten Leistungsdaten erzeugen. Allgemein bietet CMORE Forschungs- und Entwicklungsprogramme, welche die Entwicklung und Kommerzialisierung neuartiger Prozeßtechnologien der Halbleitertechnik beschleunigen.

Die drei Zielrichtungen in der MEMS-Entwicklung

Drei Zielrichtungen prägen die aktuelle MEMS-Entwicklung: verbesserte Leistungsmerkmale, weitere Miniaturisierung und Kostensenkung. Diese Ziele können vor allem durch monolithische Integration von MEMS-Strukturen (Sensoren und Aktoren) erreicht werden, bei der sich die Treiber-, Steuer- und Signalverarbeitungselektronik auf dem gleichen Chip befinden.

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Wege zur monolithischen Integration näher untersucht: So der Ansatz „MEMS first“, bei dem die MEMS-Struktur vor der CMOS-Verarbeitung entsteht, der „Interleave“-Prozeß mit seinem Wechsel zwischen MEMS- und CMOS-Verarbeitungsschritten sowie die „Transfer and Join“-Technologie, in deren Rahmen auf einem separaten Wafer vorgefertigte MEMS-Strukturen auf einen CMOS-Wafer übertragen werden. Jedes dieser Konzepte hat seine Vor- und Nachteile. Einige dieser Prozesse wurden bereits in kommerziellen Produkten realisiert.

Post-CMOS-Integration von Poly-SiGe-MEMS: ein allgemeiner Ansatz

Ein alternativer und vielversprechender Weg ist der sogenannte „MEMS-last“- oder „Post-CMOS“-Ansatz. Bei diesem Konzept werden die MEMS-Strukturen auf einem CMOS-Wafer nach Fertigstellung der CMOS-Schaltung aufgebracht. Die MEMS-Fertigung kann dann allerdings nur bei Temperaturen unterhalb 450°C erfolgen - der Hauptnachteil dieses Verfahrens.

Grundsätzlich aber vereinfacht die Möglichkeit, MEMS-Bauteile auf darunter liegende Schaltungen zu fertigen und zu verbinden, den Prozess signifikant. Wichtigster Vorteil dieses Ansatzes ist die effiziente Ausnutzung der Silizium-Fläche. Darüber hinaus müssen keine Kompromisse zwischen CMOS- und MEMS-Leistungsmerkmalen eingegangen werden, was sich bei einigen der anderen monolithischen Ansätze nicht vermeiden lässt.

Seit Mitte der 90er Jahre untersucht IMEC Poly-Si1-xGex als Konstruktionsmaterial für die Integration mikrobearbeiteter Bauteile in CMOS durch einen „MEMS-last“-Ansatz. Vor allem wegen seiner sehr interessanten mechanischen, optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften fiel die Wahl auf SiGe. Vorteilhafte Eigenschaften dieses Stoffes sind: ein hohes Elastizitätsmodul, hohe Ausbeute, kein Kriechen, keine plastische Verformung bei typischen Betriebstemperaturen und robust gegenüber Ermüdungsausfällen.

SiGe lässt sich für vorteilhafte elektrische und thermische Kennwerte dotieren

Vor allem lässt sich das Material für eine Optimierung elektrischer oder thermischer Kennwerte in geeigneter Weise dotieren, was für einige thermoelektrische Anwendungen von großem Vorteil ist. Silizium und Germanium sind vollständig löslich und bilden die gleiche Kristallstruktur aus. Daher kann die relative Zusammensetzung dieser beiden Elemente in weiten Grenzen variieren, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad bedeutet.

Für eine spätere Mikrobearbeitung läßt sich Poly-SiGe auf einem Wafer durch plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) deponieren. Dieser Prozeß liefert eine Poly-SiGe-Schicht hoher Qualität bei Temperaturen, die von CMOS-Schaltungen noch gut vertragen werden. Ein weiterer Grund für die Auswahl von SiGe liegt darin, daß es keinerlei Kontaminationsprobleme für die CMOS-Prozeßumgebung gibt.

Die Forscher bei IMEC sind davon überzeugt, daß sich diese Technologie auf der Basis von Poly-SiGe zu einem allgemein anwendbaren Verfahren entwickeln wird, mit dem sich ein breites Spektrum hochintegrierter Miniatursysteme mit wesentlich besseren Leistungsmerkmalen als üblich fertigen läßt. Eine ganze Reihe erfolgreicher Anwendungen, wie Mikro-Bolometer, Thermosäulen-Arrays für Energiesammler und Beschleunigungsmesser demonstrieren bereits die Vielfalt dieses Ansatzes: Neben den erfüllten Leistungsvorgaben konnten auch ehrgeizige Kostenziele erreicht und hohe Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllt werden.

Poly-SiGe-Gyroskop für rauscharme Anwendungen hoher Auflösung als Demonstrator

Lichtmikroskopische Aufnahme eines freistehenden SiGe-Gyroskops, das über einer CMOS-Schaltung herausgearbeitet wurde
Lichtmikroskopische Aufnahme eines freistehenden SiGe-Gyroskops, das über einer CMOS-Schaltung herausgearbeitet wurde

IMEC hat zusammen mit seinen Partnern im EU-Projekt SiGeM des IST-Programms ein integriertes Gyroskop auf der Basis Poly-SiGe entwickelt, das besonders für rauscharme Anwendungen hoher Auflösung konzipiert ist. Es findet sich in einem Chip, das auf seiner standardmäßigen Si-Schicht noch eine Poly-SiGe-Lage trägt; aus dieser Strukturschicht ist das MEMS herausgearbeitet, das die Coriolis-Kraft zur Aufnahme der Drehrate ausnutzt. Die darunter liegende CMOS-Schaltung verstärkt das Sensorsignal und wandelt es in digitale Werte um.

Das Gyroskop wurde auf der Oberfläche eines kommerziellen Hochvolt (20 V)-Doppel-Poly-CMOS-Prozesses mit 0,35 µm Strukturen ausgebildet. Dazu erfolgte die Ablage der mindestens 10 µm starken Poly-SiGe-Schicht (für gesteigerte Empfindlichkeit) durch eine weiterentwickelte Multilayer-Technologie. Diese liefert bei niedrigen Temperaturen (unter 450°C) Schichten hoher Qualität: Niedriger spezifischer Widerstand, niedrige Zugfestigkeit, niedriger Spannungsgradient und hohe Güte.

Präzise Gyroskope für künftige Fahrzeugsysteme

Diese Gyroskop-Struktur wurde naßchemisch mit superkritischer CO2-Trocknung herausgearbeitet, was die Haftreibung verhindert. Für die Herstellung des frei beweglichen Gyroskops auf voll funktionierendem CMOS waren nur drei zusätzliche Maskenschritte notwendig. Messungen haben ergeben, daß eine Auflösung von 0,07°/s mit einer Bandbreite von 50 Hz erreichbar ist, was die ausgezeichnete Genauigkeit des Gyroskops bestätigt. Derart präzise Gyroskope werden unter anderem für die Entwicklung künftiger Fahrzeugsysteme entscheidend sein.

Normalerweise werden Systeme dieser Art aus zwei separaten Chips aufgebaut. Der beschriebene integrierte Ansatz bietet dagegen drei wesentliche Vorteile:

  • 1. bessere Sensoreigenschaften als derzeitige Zwei-Chip-Lösungen;
  • 2. verbesserte Zuverlässigkeit des Sensors durch eingesparte Drahtverbindungen zwischen Sensor und Folgeelektronik;
  • 3. verringerte Größe durch Nutzung einer kompakten Ein-Chip-Lösung.

Im Rahmen dieser Arbeiten entstand zunächst ein Gyroskop. Die Technologie läßt sich aber genauso gut auf eine ganze Reihe von Bauteilen anwenden, die mechanische Sensoren in Silizium-Schaltungen integrieren, wie Beschleunigungsmesser, Mikrospiegel und Resonatoren.

Verringerung der Nachbearbeitungs-Temperaturen

Während einige CMOS-Prozesse Nachbearbeitungs-Temperaturen von 450°C aushalten, liegt die realistische Grenze der zulässigen thermischen Belastung für modernere CMOS-Prozesse etwa mit Low-K-Dielektrika eher bei 400°C. Daher stehen Verfahren, die eine Ablagerung von SiGe bei einer niedrigeren Temperatur erlauben, derzeit im Mittelpunkt der Weiterentwicklungen. Dazu gehören metallinduzierte Kristallisierung von SiGe, Laser-Tempern mit Kristallisierung sowie hydriertes SiGe.

Die Vorteile des letzteren Verfahrens wurden schon durch die Fertigung von Mikro-Spiegeln aus hydriertem, mikrokristallinen SiGe (µc-SiGe:H) eindrucksvoll nachgewiesen. Derartige strukturelle Schichten lassen sich bei niedrigeren Temperaturen von 300 bis 400°C ablagern als das dicke Poly-SiGe (450°C) für den Aufbau des Gyroskops. Darüber hinaus stellt der maximale Durchmesser der SiGe-Körnung von 100 nm einheitliche und reproduzierbare mechanische Eigenschaften der Submikron-Spiegelaufhängungen sicher.

Mikrospiegel auf der Grundlage von Silizium statt Aluminium

SEM-Aufnahme eines 16 µm x 16 µm messenden Spiegels von oben, der durch 2 µm lange Torsionsaufhängungen gehalten wird
SEM-Aufnahme eines 16 µm x 16 µm messenden Spiegels von oben, der durch 2 µm lange Torsionsaufhängungen gehalten wird

IMEC hat mit µc-SiGe:H-Technologie Mikro-Spiegel mit den Abmessungen 7,5 µm x 7,5 µm und 16 µm x 16 µm sowie Submikron-Aufhängungen von 250 bis 400 nm gefertigt. Die sehr flachen Spiegel wiesen über 20 Tage keinerlei mechanische Verformungen (hinge creep) auf und zeigten auch nach 5 x 1010 Zyklen keinen Ermüdungsausfall. Damit bieten diese Komponenten eine sehr gute Alternative zu den gegenwärtig eingesetzten Mikro-Spiegeln auf Aluminium-Grundlage, bei denen oft Zuverlässigkeitsprobleme auftreten. Der Austausch von Al durch Si könnte dieses Problem lösen. Allerdings lässt sich der Si-Spiegel mit den CMOS-Ansteuerschaltungen bei getrennter Fertigung nur durch Wafer-Bonden integrieren.

In gleicher Weise wie beim Gyroskop ermöglicht die Post-CMOS-Lösung von IMEC mit SiGe einen Aufbau der MEMS-Bauteile auf der CMOS-Basisschaltung. Sie gilt demnach als aussichtsreiche Kandidatin, um alle Forderungen nach Flachheit, Gleichförmigkeit und Zuverlässigkeit für die künftigen anspruchsvollen Mikro-Spiegel-Anwendungen, wie Video-Projektion, adaptive Optik und Masken-Schreiber zu erfüllen.

Fazit: Eine vielversprechendes Verfahren hinsichtlich Kosten und Eigenschaften

Die hier vorgestellte Technologie verfügt über das Potential, als allgemein anwendbare Methode unterschiedlichste MEMS-Bauteile auf einer CMOS-Schaltungsunterlage integrieren zu können. Dabei dient SiGe als Konstruktionsmaterial, das in einem „Post-CMOS“-Ansatz nachträglich mikrobearbeitet wird. SiGe läßt sich bei Temperaturen ablagern, die von der CMOS-Schaltung noch vertragen werden und bietet die von MEMS-Anwendungen geforderten mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Die Realisierung eines monolithischen Gyroskops hoher Auflösung mit SiGe als Konstruktionsmaterial wie auch die Entwicklung eines hochzuverlässigen und extrem stabilen Mikro-Spiegels aus hydriertem µc-SiGe demonstrieren recht gut die Möglichkeiten dieses vielversprechenden und vielseitigen Konzepts.

Diese Ergebnisse tragen in starkem Maße zu den Bemühungen der MEMS-Designer bei, eine allgemein anwendbare, skalierbare Technologie zu entwickeln, um unterschiedlichste MEMS-Strukturen monolithisch zu integrieren.

*Mieke van Bavel ist Wissenschaftsredakteurin, Lou Hermans ist Direktor Strategisches Business und Ann Witvrouw ist Teamleiterin MEMS-Integration beim belgischen Forschungsinstitut IMEC in Leuven.

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