Poly-SiGe: Ein neuer Weg zur Integration von MEMS mit CMOS

Nur ein Schritt nötig Ann Witfrouw, Philip Pieters und Raffaela Borzi, IMEC, Leuven (Belgien)

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Poly-SiGe ist eine neue Technologie für die Integration von MEMS-Komponenten auf standardmäßige CMOS-Schaltungen in einem Nachbearbeitungsschritt. Sie erlaubt stärkere Systemminiaturisierung, bessere Leistungsmerkmale und größere Flexibilität der CMOS-Technologie.

Der Trend künftiger MEMS (microelectromechanical system) -Komponenten geht zu besseren Kenndaten und verringerter Baugröße der Sensoreinheiten. Ein Weg, beide Forderungen gleichermaßen zu erfüllen, besteht in der monolithischen Integration von MEMS mit der Treiber-, Steuer- und Signalverarbeitungselektronik auf dem gleichen CMOS-Substrat (Bild 1). Dies verbessert die Leistungsmerkmale der MEMS, passt in kleinere Bauformen und verringert die Kosten für Einbau und Gehäuse.

Besser integriert als hybrid
Die meisten der marktgängigen MEMS-Produkte sind allerdings hybrid aufgebaut (Bild 1). Dieser Ansatz ist modular, kommt mit kürzeren Entwicklungszeiten aus als ein monolithischer Aufbau und erlaubt eine unabhängige Optimierung von IC und MEMS. Auf der anderen Seite liegen die Assemblierungs- und Gehäusekosten über denen einer integrierten Version. Bei ausreichend hoher Stückzahl allerdings kommen die höheren Entwicklungskosten der monolithischen Form durch niedrigere Einbau- und Gehäusekosten wieder herein. Dies kann auch schon bei niedrigeren Stückzahlen interessant sein, wenn es auf höchste Systemleistung oder stärkste Miniaturisierung ankommt. Hier stößt der hybride Ansatz an seine Grenzen, da die Verbindungen zwischen MEMS und IC unerwünschte parasitäre Eigenschaften aufweisen, welche die Leistungsdaten begrenzen. Bei einer integrierten Lösung entfallen diese störenden Einflüsse von Bondflächen und den langen Bonddrähten zwischen CMOS-Elektronik und MEMS-Aufbau.
Drei Wege zur Integration
Zur Integration von MEMS in die moderne CMOS-Herstellung sind im Prinzip drei Möglichkeiten denkbar (Bild 2):
  • 1. MEMS zuerst fertigen
  • 2. Mix von MEMS- und CMOS-Fertigung
  • 3. MEMS zuletzt fertigen.
Bei der ersten Möglichkeit wird die MEMS-Komponente vollständig fertiggestellt, bevor der CMOS-Anteil dazukommt. Dabei besteht die Gefahr, dass die vielen CMOS-Verarbeitungsschritte Kenndaten und Ausbeute der zugrundeliegenden MEMS-Strukturen negativ beeinflussen können. Außerdem dürften nur sehr wenige CMOS-Fertigungsstätten vorbereitete MEMS-Substrate akzeptieren, die entweder von der Topografie her nicht passen oder eine Kontaminierung befürchten lassen.
Für eine Verzahnung der MEMS-Fertigung mit dem CMOS-Prozessablauf muß der standardmäßige CMOS-Fertigungprozess geändert werden. Dazu sind die Einflüsse der zusätzlichen MEMS-Fertigungsschritte auf CMOS-Entstehung und resultierende Bauteileigenschaften genau zu untersuchen: Zusätzliche thermische Belastung, additive Schichten und Metallisierungsebenen, die in der IC-Fertigung nicht üblich sind, können zur Kontaminierung führen. Darüber hinaus verursachen Änderungen an standardmäßigen CMOS-Fertigungsschritten erhebliche Kosten. Da MEMS- und CMOS-Fertigung bei diesem Ansatz eng gekoppelt sind, lassen sie sich schwer individuell ändern: Für jede neue CMOS-Generation muss auch ein neuer MEMS-Prozess entwickelt werden.
Die dritte Option, nämlich zuerst die CMOS-Schaltung fertigzustellen und nachträglich das MEMS aufzubringen, scheint aus Sicht von IMEC der vielversprechendste Ansatz zu sein: Damit lassen sich MEMS ohne jede Änderung am CMOS-Prozess nachträglich integrieren. Dies bedeutet aber auch ein hohes Maß an Modularität: CMOS-IC und MEMS lassen sich vorher unabhängig voneinander entwickeln und optimieren. Außerdem kann eine bestehende CMOS-Basis innoviert und ausgetauscht werden, ohne das darauf gesetzte MEMS zu beeinflussen. Darüber hinaus ermöglicht dieses Nachbearbeitungsverfahren sehr kompakte Kombinationen aus MEMS und CMOS, da der CMOS-Anteil vollständig unter der MEMS-Struktur verschwinden kann. Allerdings setzt dieses Vorgehen dem verwendeten MEMS-Prozess enge Grenzen: Dies gilt einmal für die eingesetzten Chemikalien, andererseits aber in viel stärkerem Maße für die maximale Fertigungstemperatur der MEMS-Prozesse, welche die bestehende Elektronik beschädigen oder ihre Eigenschaften in unzulässiger Weise verändern können.
Poly-SiGe ideal für MEMS auf CMOS
Für MEMS-Anwendungen, wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope, ist polykristallines Silizium (Poly-Si) schon lange im Gebrauch, benötigt aber hohe Prozesstemperaturen von über 800ºC. Als Alternative für den vorgesehenen Zweck bietet sich Poly-SiGe an, das über ähnliche Materialeigenschaften verfügt, aber in einem Temperaturbereich gefertigt werden kann, den die meisten CMOS-Basiskomponenten mit Al-Verbindungen auf dem Chip und W-Plugs vertragen: Als Richtwerte können hier 450ºC bis 520ºC gelten. Ein daraus resultierender, leichter Anstieg des Flächenwiderstands für die Chip-Verbindungen kann schon in der Entwurfsphase vorbeugend berücksichtigt werden.
Seit 10 Jahren nutzt IMEC Poly-SiGe für MEMS-Applikationen: wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit zunächst für Thermosäulen und Bolometer, die mit niedrigen Ablagerungsraten bei hohen Temperaturen entstehen. Ziel der konsequenten Weiterentwicklung war daher eine Steigerung der Ablagerungsrate bei gleichzeitiger Senkung der Prozesstemperaturen. Im Rahmen dieser Forschungen entstanden mehrere MEMS-Prozesse, von denen sich einer besonders für die Fertigung von MEMS-Strukturen auf standardmäßigen CMOS-Wafern eignet.
Mehrschicht-Kombination aus CVD und PECVD
Dieser Prozess nutzt eine Kombination aus plasmafreiem CVD (chemical vapor deposition), einer Ablagerung in der Dampfphase und einer plasmagestützten Ablagerung unter vermindertem Druck von 2 Torr PECVD (plasma enhanced deposition). Mit diesem Mehrlagen-Prozess lassen sich hochqualitative Schichten mit hohen Ablagerungsraten von 100 nm/min bei niedrigen Temperaturen ab 450ºC erzeugen. Damit gilt er als ideales Verfahren für eine Aufbringung von dicken SiGe-Lagen (z.B. für kapazitive Sensorfunktionen) auf standardmäßige CMOS-Schaltungen. Damit konnten Bauteile mit niedrigem Flächenwiderstand von 0,9 m Ωcm, einer Zugfestigkeit von 57 MPa und einem sehr niedrigen Dehnmodul von 1,2 x 10–5 µm-1 realisiert werden (Bild 3). Die Kontakte zwischen Al und SiGe (Bild 4) zeigen ohmsches Verhalten mit einem Kontaktflächenwiderstand von 5 x 10–7 Ωcm2 bis 2 x 10–6 Ωcm2. Im Rahmen des EU-geförderten IST-Projekts SiGeM (IST-2001–37681), in dem IMEC mit den Partnern Philips, Bosch, ASM und IMSE-CNM zusammen arbeitet, ist mit diesem Prozess z.B. ein 10 µm flaches Gyroskop in Poly-SiGe auf einen standardmäßigen CMOS-Prozess mit fünf Metallisierungsebenen gesetzt worden .
Breites Anwendungs- spektrum
Gleich drei Vorteile empfehlen diese Poly-SiGe-Technologie für kommerziell einsetzbare MEMS-Bauteile:
  • 1. Niedrige Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Poly-Si
  • 2. Möglichkeit stärkster Miniaturisierung
  • 3. Bessere Kenndaten wegen fehlender parasitärer Effekte.
In der Tabelle sind einige Beispiele zusammen gestellt, für die Poly-SiGe eindeutige Vorteile bietet: Kleiner, besser und flexibler.
Schlussfolgerungen
Polykristallines SiGe hat sich als vielversprechendes Material für die Verarbeitung von MEMS-Strukturen auf vorgefertigten CMOS-Komponenten erwiesen. Lagen mit einer Stärke von über 10 µm mit ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften sind im Rahmen der Nachbearbeitung erfolgreich für Sensoren, Komponenten und Level-0-Dünnfilmabdeckungen realisiert worden und geben einen kleinen Einblick in das große Potenzial der Integration von MEMS-Strukturen auf standardmäßige CMOS-Schaltungen.
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