DE60032772T2

DE60032772T2 - Integrierter chemischer Mikroreaktor mit thermisch isolierten Messelektroden und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE60032772T2
Application number: DE60032772T
Authority: DE
Inventors: Gabriele Barlocchi; Flavio Villa
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: US20040226908A1; EP1193214B1; US6929968B2; US6770471B2; DE60032772D1; US20020045244A1; US20040235149A1; EP1193214A1; US6974693B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen integrierten, chemischen Mikroreaktor, der thermisch von den Detektorelektroden isoliert ist, und auf ein Herstellungsverfahren dafür.
Bekanntlich werden einige Fluide bei Temperaturen verarbeitet, die in einer zunehmend genaueren Weise geregelt werden sollten, insbesondere, wenn chemische oder biochemische Reaktionen beteiligt sind. Zusätzlich zu diesem Erfordernis gibt es auch oft den Bedarf, aufgrund der Kosten des Fluids oder einer geringen Verfügbarkeit sehr kleine Mengen des Fluids zu verwenden.
Dies ist beispielsweise der Fall bei dem DNA-Amplifikationsprozess (PCR, das heißt Polymerase Chain Reaction process = Polymerase Kettenreaktionsprozess), bei dem eine genaue Temperatursteuerung in den verschiedenen Schritten (wiederholte, vorgegebene, thermische Zyklen werden ausgeführt), die Notwendigkeit, thermische Gradienten so weit wie möglich zu vermeiden, wo die Fluide reagieren (um hier eine gleichförmige Temperatur zu erhalten), und auch die Rückführung des verwendeten Fluids (das sehr kostspielig ist) von entscheidender Bedeutung ist, um einen guten Reaktionswirkungsgrad zu erhalten oder sogar, um die Reaktion erfolgreich zu machen.
Andere Beispiele der Fluidverarbeitung mit den oben beschriebenen Charakteristiken beziehen sich beispielsweise auf die Durchführung von chemischen und/oder pharmazeutischen Analysen und biologische Prüfverfahren usw.
Gegenwärtig gestatten verschiedene Techniken eine thermische Steuerung von chemischen oder biologischen Reagenzien. Insbesondere wurden seit dem Ende der 80er Jahre miniaturisierte Vorrichtungen entwickelt, und sie hatten somit eine verminderte thermische Masse, was die Zeit, die zum Fertigstellen eines DNA-Amplifikationsprozesses notwendig sind, reduzieren konnte. Neuerdings wurden monolithische, integrierte Einrichtungen aus Halbleitermaterial vorgeschlagen, die in der Lage sind, kleine Fluidmengen mit einer kontrollierten Reaktion und bei geringen Kosten zu verarbeiten (siehe beispielsweise die Europäischen Patentanmeldungen 00830098.0, eingereicht am 11. Februar 2000, und 00830400.8, eingereicht am 5. Juni 2000, im Namen der gleichen Anmelderin, und US 5,639,423 ).
Diese Vorrichtungen umfassen einen Körper aus Halbleitermaterial, der für vergrabene Kanäle Platz bietet, die über einen Zugangsgraben und einen Ausgangsgraben mit einem Zugangsreservoir beziehungsweise einem Ausgangsreservoir verbunden sind, an die das zu verarbeitende Fluid zugeführt wird und von denen das Fluid am Ende der Reaktion aufgesammelt wird. Oberhalb der vergrabenen Kanäle sind Heizelemente und thermische Sensoren vorgesehen, um die thermischen Bedingungen der Reaktion (die im Allgemeinen unterschiedliche Temperaturzyklen mit einer genauen Steuerung derselben erfordert) zu steuern, und in dem Ausgangsreservoir sind Detektorelektroden vorgesehen, um das reagierte Fluid zu überprüfen.
Im chemischen Mikroreaktor der beschriebenen Art gibt es das Problem, den Reaktionsbereich (wo die vergrabenen Kanäle und die Heizelemente vorhanden sind) von dem Detektorbereich (wo die Detektorelektroden vorhanden sind) thermisch zu isolieren. In der Tat findet die chemische Reaktion bei einer hohen Temperatur (jeder thermische Zyklus umfasst eine Temperatur von bis zu 94°C) statt, während die Detektorelektroden bei einer konstanten Umgebungstemperatur gehalten werden müssen.
Das Ziel der Erfindung ist es daher, einen integrierten Mikroreaktor bereitzustellen, der das oben beschriebene Problem lösen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein integrierter Mikroreaktor und ein Herstellungsverfahren dafür bereitgestellt, wie sie in den Ansprüchen 1 beziehungsweise 11 definiert sind.
Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu unterstützen, werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele nur als nicht einschränkende Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen Querschnitt eines Halbleitermaterialwafers in einem anfänglichen Herstellungsschritt eines Mikroreaktors gemäß der Erfindung zeigt;
2 eine Draufsicht auf den Wafer von 1 zeigt;
3 einen Querschnitt des Wafers von 1 in einem nachfolgenden Herstellungsschritt zeigt;
4 eine Draufsicht auf einen Teil einer Maske zeigt, die zur Herstellung der Struktur von 3 verwendet wird;
5-9 Querschnitte des Wafers von 3 in nachfolgenden Herstellungsschritten zeigen;
10 einen perspektivischen Querschnitt von einem Teil des Wafers von 8 zeigt;
11-16 Querschnitte des Wafers von 9 in einem verkleinerten Maßstab und in aufeinander folgenden Herstellungsschritten zeigen; und
17-20 Querschnitte eines Halbleitermaterialwafers in aufeinander folgenden Herstellungsschritten gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Wafer ein Substrat 2 aus einkristallinem Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, das eine obere Oberfläche 3 hat. Das Substrat 2 hat eine <110> kristallografische Orientierung statt <100>, wie in 2 zu sehen ist, die auch den flachen Abschnitt des Wafers 1 mit <111> Orientierung zeigt. 2 zeigt auch die Längsrichtung L eines Kanals 21, der bei diesem Schritt noch auszubilden ist.
Ein oberer Stapel von Schichten 5 ist auf der oberen Oberfläche 3 ausgebildet und umfasst eine Oxid-Grundschicht 7 (Padoxidschicht) mit zum Beispiel näherungsweise 60 nm, eine erste Nitridschicht 8 mit zum Beispiel 90 nm; eine Polysiliziumschicht 9 mit zum Beispiel 450-900 nm und eine zweite Nitridschicht 10 mit zum Beispiel 140 nm.
Der obere Stapel von Schichten 5 wird unter Verwendung einer Resistmaske 15 maskiert, die eine Vielzahl von Fenstern 16 hat, die nach einem geeigneten Muster angeordnet sind, wie in 4 gezeigt ist.
Im Einzelnen haben die Öffnungen 16 eine quadratische Form, wobei die Seiten unter 45° in Bezug auf die Längsrichtung der Resistmaske 15 parallel zu der z-Achse geneigt sind. Beispielsweise sind die Seiten der Öffnungen 16 etwa 2 μm lang und verlaufen unter einem Abstand von 1,4 μm von einer benachbarten Seite einer angrenzenden Öffnung 16.
Damit tiefe Kanäle in dem Substrat 2 ausgebildet werden können, wie in größerem Detail im folgenden erläutert wird, ist die Längsrichtung z der Resistmaske 15 parallel zu der Längsrichtung der vergrabenen Kanäle, die in dem Substrat ausgebildet werden sollen, parallel zu dem flachen Abschnitt des Wafers 1, der eine <111> Orientierung hat, wie in 2 gezeigt ist.
Unter Verwendung der Resistmaske 15 werden die zweite Nitridschicht 10 und die Polysiliziumschicht 9 und die erste Nitridschicht 8 nacheinander geätzt, wodurch eine Hartmaske 18 bereit gestellt wird, die durch die restlichen Abschnitte der Schichten 8-10 gebildet wird und das gleiche Muster wie die Resistmaske 15 hat, die in 4 gezeigt ist. Dadurch wird die Struktur von 3 erhalten.
Nach dem Entfernen der Resistmaske 15 (5) wird die Hartmaske 18 unter Verwendung von TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) geätzt, um einen Teil des unbedeckten polykristallinem Siliziums der Polysiliziumschicht 9 von den Seiten zu entfernen (Hinterschneidungsschritt); eine ähnliche Nitridschicht wird dann abgeschieden (beispielsweise mit einer Dicke von 90 nm), die sich mit den ersten und zweiten Nitridschichten 8, 10 vereinigt. Danach, 6, wird die Struktur trocken geätzt, um die Abschnitte der konformen Nitridschicht vollständig zu entfernen, die sich unmittelbar auf der Oberseite der Oxid-Grundschicht 7 erstrecken. Dadurch wird die Struktur von 6 erhalten, die eine Hartmaske 18 hat, die gitterförmig ist und sich auf der Oxid-Grundschicht 7 über dem Bereich, wo die Kanäle ausgebildet werden sollen, in einer Form erstreckt, die im Wesentlichen die Form der Resistmaske 15 reproduziert, und sie wird von der Polysiliziumschicht 9 gebildet, die von einer Deckschicht 19 umgeben ist, die ihrerseits aus den Nitridschichten 8, 10 und aus der konformen Nitridschicht gebildet wird.
Nach der Ausbildung der Hartmaske 18, 7, werden die zweite Nitridschicht 10 und die Polysiliziumschicht 9 unter Verwendung einer Resistmaske 17 von außen bis zu einem Bereich geätzt, wo die Kanäle ausgebildet werden sollen. Nach dem Entfernen der Resistmaske 17, 8, wird die Oxid-Grundschicht mit 1:10 Fluorwasserstoffsäure geätzt und entfernt, wo sie freiliegt; insbesondere wird das Padoxid 7 außerhalb des Bereichs, wo die Kanäle ausgebildet werden sollen, durch die erste Nitridschicht 8 geschützt.
Sodann, 9, wird das einkristalline Silizium des Substrats 2 unter Verwendung von TMAH auf eine Tiefe von 500-600 μm geätzt, wodurch ein Kanal oder mehrere Kanäle 21 gebildet werden.
Die Verwendung eines Substrats 2 mit <110> Orientierung und das Muster der Hartmaske 18 und ihre Orientierung in Bezug auf den Wafer 1 bewirken, dass die Siliziumätzung vorzugsweise in der y-Richtung (senkrecht) statt in der x-Richtung mit einem Geschwindigkeitsverhältnis von etwa 30:1 stattfindet. Dadurch erzeugt die TMAH Ätzung einen Kanal oder mehrere Kanäle 21, deren vertikale Wände parallel zu der kristallografischen Achse <111> sind, wie in dem perspektivischen Querschnitt von 10 gezeigt ist.
Die große Tiefe der Kanäle 21, die durch die beschriebenen Ätzbedingungen erhalten werden kann, vermindert die Anzahl der Kanäle 21, die zur Verarbeitung einer vorgegebenen Fluidmenge erforderlich sind und sie reduziert damit die Fläche, die von den Kanälen 21 eingenommen wird. Wenn beispielsweise eine Kapazität von 1 μl mit einer Länge der Kanäle 21 in der z-Richtung von 10 mm erwünscht ist, in welchem Fall früher vorgeschlagen wurde, zwanzig Kanäle mit einer Breite von 200 um (in x-Richtung) und einer Tiefe von 25 μm (in y-Richtung) mit einer gesamten Querabmessung von etwa 5 mm in x-Richtung (unter der Annahme, dass die Kanäle unter einem Abstand von 50 μm voneinander angeordnet sind) auszubilden, ist es nunmehr möglich, nur zwei Kanäle 21 mit einer Breite von 100 μm in x-Richtung und einer Tiefe von 500 μm, mit einer gesamten Querabmessung von 0,3 mm in x-Richtung auszubilden, wobei die Kanäle unter einem Abstand von 100 μm voneinander angeordnet sind, und es ist möglich, einen einzigen Kanal 21 mit einer Breite von 200 μm auszubilden.
Danach, 11, wird die Deckschicht 19 von der Vorderseite des Wafers 1 (Nitridschichten 8, 10, konforme Schicht und Oxid-Grundschicht 7) entfernt; in diesem Schritt werden die Nitrid- und Oxid-Grundschichten 8, 7 auch von außen her bis zu dem Bereich der Kanäle 21 außer auf dem Außenumfang der Kanäle 21 unterhalb der Polysiliziumschicht 9 entfernt, wo sie einen Rahmenbereich bilden, der bei 22 als Ganzes gezeigt ist.
Dann, 12, wird eine Epitaxialschicht 23 mit einer Dicke von beispielsweise 10μm bezogen. Bekanntlich findet das epitaxiale Wachstum sowohl vertikal als auch horizontal statt; somit wächst ein polykristalliner Epitaxialabschnitt 23a auf der polykristallinen Schicht 9, und ein einkristalliner Epitaxialabschnitt 23b wächst auf dem Substrat 2. Eine erste Isolierschicht 25 wird auf der Epitaxialschicht 23 ausgebildet; vorzugsweise wird die erste Isolierschicht 25 durch thermische Oxidation des Siliziums der Epitaxialschicht 23 bis zu einer Dicke von beispielsweise 500 nm erhalten.
Danach, 13, werden Heizelemente 26, Kontaktbereiche 27 (und zugehörige Metallleitungen) und Detektorelektroden 28 ausgebildet. Zu diesem Zweck wird die polykristalline Siliziumschicht anfänglich abgeschieden und so definiert, dass sie das Heizelement 26 bildet; eine zweite Isolierschicht 30 wird aus abgeschiedenem Siliziumoxid bereit gestellt; Öffnungen werden in der zweiten Isolierschicht 30 ausgebildet; eine Aluminium-Siliziumschicht wird abgeschieden und definiert, um die Kontaktbereiche 27, Verbindungsleitungen (nicht gezeigt) und einen Anschlussbereich 31 für die Detektorelektrode 28 zu bilden; eine dritte Isolierschicht, beispielsweise aus TEOS, wird abgeschieden und entfernt, wo die Detektorelektrode 28 vorgesehen werden soll; sodann werden Titan-Nickel- und Goldbereiche ausgebildet und bilden in an sich bekannter Weise die Detektorelektrode 28.
In der Praxis erstreckt sich, wie in 13 zu sehen ist, das Heizelement 26 auf der Oberseite des Bereichs, der durch die Kanäle 21 eingenommen wird, außer über den Längs-Enden der Kanäle 21, wo Zugangs- und Ausgangsöffnungen vorgesehen sein müssen (wie in folgendem beschrieben wird); die Kontaktbereiche sind in elektrischem Kontakt mit zwei gegenüberliegenden Enden der Heizelemente 26, um den Durchtritt eines elektrischen Stromes zu gestatten und den darunter liegenden Bereich zu beheizen, und die Detektorelektrode 28 ist seitlich in Bezug auf die Kanäle 21 versetzt und erstreckt sich über den einkristallinen Epitaxialabschnitt 23b.
Danach, 14, wird eine Schutzschicht 23 ausgebildet und auf der dritten Isolierschicht 32 definiert. Zu diesem Zweck kann eine standardmäßige, positive Resistschicht abgeschieden werden, beispielsweise von dem Typ, der drei Komponenten umfasst, die aus einem NOVOLACK- Harz, einem fotoempfindlichen Material oder PAC (Photo-Active Compound = Photoaktive Verbindung) und einem Lösungsmittel, beispielsweise Ethylmethylketon und Milchsäure gebildet werden, welches normalerweise in der Mikroelektronik zum Definieren von integrierten Strukturen verwendet wird. Als Alternative kann ein anderes kompatibles Material verwendet werden, das eine Formgebung gestattet und gegenüber einer Trockenätzung sowohl des Siliziums des Substrats 2 als auch des Materials widerstandsfähig ist, das noch auf der Schutzschicht 33 abgeschieden werden soll, beispielsweise ein TEOS-Oxid.
Unter Verwendung der Schutzschicht 33 als Maske werden die dritte, die zweite und die erste Isolierschicht 32, 30 und 25 geätzt. Dadurch wird eine Zugangsöffnung 34a und eine Ausgangsöffnung 34b erhalten, und sie erstrecken sich bis zur Epitaxialschicht 23 im Wesentlichen in Ausrichtung mit den Längs-Enden der Kanäle 21. Die Zugangsöffnung 34a und die Ausgangsöffnung 34b haben vorzugsweise die gleiche Länge wie die gesamte Querabmessung des Kanals 21 (in der x-Richtung senkrecht zu der Zeichenebene) und eine Breite von etwa 60μm in z-Richtung.
Dann, 15, wird eine negative Resistschicht 36 (beispielsweise THB hergestellt durch JSR mit einer Dicke von 10-20 μm) auf der Schutzschicht 33 abgeschieden, und eine rückseitige Resistschicht 37 wird auf der rückseitigen Oberfläche des Wafers 1 abgeschieden und thermisch behandelt. Die rückseitige Resistschicht 37 ist vorzugsweise SU8 (Shell Upon 8), das durch SOTEC MICROSYSTEMS, hergestellt wird, das heißt ein negatives Resist, das eine Leitfähigkeit von 0,1-1.4 W/m°K und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE ≤ 50 ppm/°K hat. Beispielsweise hat die rückseitige Resistschicht 37 eine Dicke, die zwischen 300 μm und 1 mm, vorzugsweise bei 500 μm liegt.
Sodann wird die rückseitige Resistschicht 37 definiert, um eine Öffnung 38 zu bilden, wo das einkristalline Silizium des Substrats 2 definiert werden muss, um eine aufgespannte Membran zu bilden.
Danach wird das Substrat 2 von der Rückseite her unter Verwendung von TMAH geätzt. Die TMAH-Ätzung wird automatisch auf der ersten Isolierschicht 25 unterbrochen, die somit als Stopschicht wirkt. Dadurch wird eine Ausnehmung 44 auf der Rückseite des Wafers 1 unterhalb der Detektorelektrode 28 gebildet, während die Vorderseite des Wafers durch die negative Resistschicht 36 geschützt ist, die noch nicht definiert worden ist. Die Isolierschichten 32, 30, 25 an der Ausnehmung 44 definieren somit eine aufgespannte Membran 45, die auf beiden Seiten den Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist und nur an ihrem Umfang gelagert ist.
Danach, 16, wird die negative Resistschicht 26 entfernt; sodann wird eine vordere Resistschicht 39 abgeschieden und thermisch behandelt. Vorzugsweise ist die vordere Resistschicht SU8 mit denselben Kennwerten wie die, die oben für die rückseitige Resistschicht 37 beschrieben wurden. Sodann wird die vordere Resistschicht 39 definiert und bildet ein Zugangsreservoir 40a und ein Ausgangsreservoir 40b. Insbesondere steht das Zugangsreservoir 40a mit der Zugangsöffnung 34a in Verbindung, während die Ausgangsöffnung 40b mit der Ausgangsöffnung 34b in Kommunikation steht und die Detektorelektrode 28 umgibt. Vorzugsweise haben die Reservoire 40a, 40b eine Länge (in x-Richtung senkrecht zu der Ebene von 16), die etwas länger als die gesamte Querabmessung des Kanals 21 ist; das Zugangsreservoir 40a hat eine Breite (in x-Richtung), die zwischen 300 μm und 1,5 mm liegt und vorzugsweise etwa 1 mm beträgt, sodass sich ein Volumen von wenigstens 1 mm³ ergibt, und das Ausgangsreservoir 40b hat eine Länge (in z-Richtung), die zwischen 1 und 4 mm, vorzugsweise bei etwa 2,5 mm liegt.
Sodann, 16, werden unter Verwendung der vorderen Resistschicht 39 und der Schutzschicht 33 als Markierungsschicht Gräben in das Substrat 2 geätzt, um das Silizium von unterhalb ihrer Zugangs- und Ausgangsöffnungen 34a, 34b (15) zu entfernen. Somit werden die Zugangsgräben 41a, 41b gebildet, umfassen die Zugangs- und Ausgangsöffnungen 34a, 34b und erstrecken sich bis zu den Kanälen 21 hin, um die Kanälen 21 parallel mit dem Zugangsreservoir 40a und dem Ausgangsreservoir 40b zu verbinden.
Schließlich wird der freiliegende Abschnitt der Schutzschicht 33 entfernt, um die Detektorelektrode 28 wieder freizulegen, und der Wafer 1 wird in Chips geschnitten, um eine Vielzahl von Mikroreaktoren zu ergeben, die in einem monolithischen Körper 50 ausgebildet sind.
Die Vorteile des beschriebenen Mikroreaktors sind wie folgt. Als erstes stellt die Ausbildung der Detektorelektroden 28 auf den aufgespannten Membranen 45, die auf beiden Seiten freiliegen, sicher, dass die Elektroden auf der Umgebungstemperatur gehalten werden unabhängig von der Temperatur, auf der die Kanäle 21 während der Reaktion gehalten werden.
Die thermische Isolation zwischen den Detektorelektroden 28 und den Kanälen 21 wird auch durch die Anwesenheit des Isoliermaterials (Isolierschichten 25, 30 und 32) zwischen den Detektorelektroden 28 und der Epitaxialschicht 23 erhöht.
Der Mikroreaktor hat in hohem Maße reduzierte Abmessungen aufgrund der großen Tiefe der Kanäle 21, was, wie oben erwähnt wurde, die Anzahl der pro Einheitsvolumen des verarbeiteten Fluids erforderlichen Kanäle vermindert. Zusätzlich erfordert die Herstellung Schritte, die in der Mikroelektronik üblich sind, was die Kosten pro Stück reduziert; das Verfahren hat eine geringe Anfälligkeit und eine hohe Produktivität, und es erfordert nicht die Verwendung kritischer Materialien.
Schließlich ist es wichtig, dass viele Modifikationen und Variationen an dem Mikroreaktor und dem Herstellungsverfahren, wie sie oben beschrieben und gezeigt wurden, gemacht werden können, die alle innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Beispielsweise kann sich das Material der Membran 45 von dem Beschriebenen unterscheiden; beispielsweise können die erste und zweite Isolierschicht 25, 30 aus Siliziumnitrid statt oder neben Oxid bestehen.
Der Resisttyp, der zur Ausbildung der Schichten 33, 36, 37 und 39 verwendet wird, kann sich von dem Beschriebenen unterscheiden; beispielsweise kann die Schutzschicht 33 aus einem negativen Resist statt aus einem positiven Resist oder aus einem anderen Schutzmaterial bestehen, das gegenüber einer Ätzung sowohl der vorderseitigen als auch der rückseitigen Resistschicht 39, 37 und gegenüber Silizium widerstandsfähig ist, und sie kann wahlweise in Bezug auf die zweite Isolierschicht 30 entfernt werden; und die vorderseitigen und rückseitigen Resistschichten 39, 37 können aus einem positiven Resist statt aus einem negativen Resist bestehen. Zusätzlich können gemäß einer Variante, die in der oben erwähnten Europäischen Patentanmeldung 00830400.8 beschrieben ist, die Zugangs- und Ausgangsreservoire in einer fotoempfindlichen Trockenresistschicht ausgebildet werden. In diesem Fall können die Zugangsgräben ausgebildet werden, bevor die fotoempfindliche Trockenresistschicht aufgebracht wird.
Gemäß einem unterschiedlichen Ausführungsbeispiel wird die negative Resistschicht 36 nicht verwendet, und die vorderseitige Resistschicht 39 wird direkt abgeschieden; sodann wird vor dem Definieren der rückseitigen Resistschicht 37 und dem Ätzen des Substrats 2 von der Rückseite her die vorderseitige Resistschicht 39 definiert, um die Reservoire 40a, 40b zu bilden, und dann werden die Zugangsgräben 41a, 41b definiert; in diesem Fall wird danach durch Schützen der Vorderseite des Wafers mit einer Tragestruktur, die Dichtungsringe hat, die Ausnehmung 44 ausgebildet, und die Membran 45 wird definiert.
Schließlich kann, wenn die Kanäle 21 eine reduzierte Dicke haben müssen (25 μm bis zu 100 μm), die Hartmaske 18 einfach aus der Oxid-Grundschicht und aus einer Nitridschicht ausgebildet werden. In diesem Fall, 17, werden die Oxid-Grundschicht und die Nitridschicht auf dem Substrat 2 eines Wafers 1' ausgebildet. Sodann werden die Oxid-Grundschicht und die Nitridschicht von außen von dem Bereich der Kanäle her entfernt, wodurch ein Padoxidbereich 7' und ein Nitridbereich 8' gebildet wird; danach wird eine zweite Oxid-Grundschicht 70 auf dem Substrat 2 gezogen. Sodann, 18, wird der Wafer 1' mit der Resistmaske 15 maskiert, die ähnlich wie in 3 Fenster 16 hat; danach, 19, wird eine TMAH-Ätzung unter Verwendung der Hartmaske 18 ausgeführt, um die Kanäle 21 zu bilden. In diesem Schritt wird das Substrat 2 außerhalb des Kanalbereichs durch die zweite Oxid-Grundschicht 70 geschützt. Sodann, 20, werden die zweite Oxid-Grundschicht 70 und teilweise auch die erste Oxid-Grundschicht 7, die geeignete Dimensionen haben müssen, mit HF außerhalb des Kanalbereichs entfernt, wodurch die restlichen Abschnitte 22' der Oxid-Grundschicht 7 und der Nitridschicht 8 intakt gelassen werden, und ein epitaxiales Wachstum wird unter Verwendung von Silan bei einer niedrigen Temperatur ausgeführt.
Unter diesen Bedingungen findet die Keimbildung des Siliziums auch auf dem Nitrid statt; insbesondere wird eine Epitaxialschicht 23, die einen polykristallinen Abschnitt 23a hat, auf der Hartmaske 18 und ein einkristalliner Abschnitt 23b auf dem Substrat 2 ähnlich wie in 12 gezogen. Die restlichen Arbeitsgänge folgen dann, bis ein monolithischer Körper 50 erhalten wird (16), wie vorher beschrieben wurde.
Als Alternative zu der in 17 gezeigten Anordnung werden die Oxid-Grundschicht 7 und die Nitridschicht 8 außerhalb des Kanalbereichs nicht entfernt; und, nachdem die Kanäle 21 ausgebildet worden sind (19), wird Oxid gezogen und bedeckt die Wände der Kanäle 21, eine TEOS-Schicht wird abgeschieden und schließt die Abschnitte 22' an der Oberseite; die dielektrischen Schichten werden außerhalb des Kanalbereichs unter Verwendung einer geeigneten Maske bis zu dem Substrat 2 entfernt; und schließlich wird die Epitaxialschicht 23 gezogen.
Das vorliegende Verfahren kann auch auf Standardsubstrate mit <100> Orientierung angewendet werden, wenn große Tiefen der Kanäle nicht notwendig sind.

Claims

Integrierter Mikroreaktor umfassend: einen monolithischen Körper (50), der wenigstens einen Halbleiterbereich (2, 23) aufweist; wenigstens einen vergrabenen Kanal (21), der sich innerhalb des Halbleiterbereichs (2, 23) erstreckt; eine erste und eine zweite Zugangsöffnung (40a, 40b, 41a, 41b), die sich in den monolithischen Körper (50) erstrecken und mit dem vergrabenen Kanal (21) in Verbindung stehen; eine aufgespannte Membran (45), die aus dem monolithischen Körper (50) seitlich zu dem vergrabenen Kanal (21) geformt ist, und wenigstens eine Detektorelektrode (28), die durch die aufgespannte Membran (45) getragen ist.
Mikroreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische Körper (50) einen Isolierbereich (25, 30) aufweist, der über dem Halbleiterbereich (2, 23) angeordnet ist und die aufgespannte Membran (45) bildet.
Mikroreaktor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch wenigstens ein Heizelement (26), das sich über den Halbleiterbereich (2, 23) oberhalb des vergrabenen Kanals (21) erstreckt.
Mikroreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (26) in dem Isolierbereich (25, 30) eingebettet ist.
Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Detektorelektrode (28) über dem Isolierbereich (25, 30) erstreckt.
Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterbereich (2, 23) ein einkristallines Substrat (2) und eine Epitaxialschicht (23) aufweist, die übereinander angeordnet sind.
Mikroreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterbereich (2, 23) eine Ausnehmung (44) hat, die sich unterhalb der Membran (45) bis zu dem Isolierbereich (25, 30) hin erstreckt.
Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische Körper (50) einen Reservoirabschnitt (38) aufweist, der sich über den Isolierbereich (25, 30) erstreckt und ein erstes und ein zweites Reservoir (40a, 40b), bildet, die jeweils mit einem ersten und einem zweiten Graben (41a, 41b) verbunden sind, wobei der erste und der zweite Graben sich durch den Isolierbereich (25, 30) und den Halbleiterbereich (2, 23) bis zu dem vergrabenen Bereich (21) hin erstrecken, wobei das zweite Reservoir (40b) die Detektorelektrode (28) aufnimmt.
Mikroreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterbereich (2, 23) ein einkristallines Substrat (2) mit kristallographischen Orientierung (110) aufweist, und dass der vergrabene Kanal (21) eine Längsrichtung hat, die im wesentlichen parallel zu einer kristallographischen Ebene mit einer (111)-Orientierung ist.
Mikroreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vergrabene Kanal (21) eine Tiefe bis zu 600-700 μm hat.
Verfahren zur Herstellung eines Mikroreaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: das Ausbilden eines monolithischen Körpers (50), wobei das Ausbilden eines monolithischen Körpers das Ausbilden von wenigstens einem Halbleiterbereich (2, 23) umfasst; das Ausbilden von wenigstens einem vergrabenen Kanal (21) in dem Halbleiterbereich (2, 23); das Ausbilden einer ersten und einer zweiten Zugangsöffnung (40a, 40b, 41a, 41b) wobei die erste und die zweite Zugangsöffnung sich in den monolithischen Körper bis zu dem vergrabenen Kanal (21) hin erstrecken; das Ausbilden einer aufgespannten Membran (45) seitlich zu dem vergrabenen Kanal (21); und das Ausbilden von wenigstens einer Detektorelektrode (28) auf der aufgespannten Membran (45).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden eines monolithischen Körpers (50) dases Ausbilden eines Isolierbereichs (25, 30) auf dem Halbleiterbereich (2, 23) vor dem Ausbilden der wenigstens einen Detektorelektrode (28) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch das Ausbilden von wenigstens einem Heizelement (26) in dem Isolierbereich (25, 30) über dem vergrabenen Kanal (21).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden eines Halbleiterbereichs (2, 23) das Ausbilden eines einkristallinen Substrates (2), das Ausgraben des vergrabenen Kanals (21) in dem einkristallinen Substrat und das Ziehen einer Epidaxialschicht (23) über dem einkristallinen Substrat und dem vergrabenen Kanal umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden der Membran (45) das selektive Entfernen von einem Teil des Halbleiterbereichs (2, 23) bis zu der Isolierschicht (25, 30) hin umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen das Ätzen des Halbleiterbereichs (2, 23) unter Verwendung von TMAH umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden des einkristallinen Substrates (2) das Abscheiden von Halbleitermaterial Orientierung (110) umfasst, und dass das Ausbilden eines vergrabenen Kanals (21) das Ätzen des einkristallinen Substrates (2) entlang einer Richtung parallel (111)-Orientierungsebene umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ätzens des einkristallinen Substrates (2) eine gitterförmige Maske (18) mit vieleckigen Öffnungen (20) verwendet wird, deren Seiten sich unter etwa 45° in Bezug auf die (111)-Orientierungsebene erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das einkristalline Substrat (2) unter Verwendung von TMAH geätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden eines vergrabenen Kanals (21) des Substrates (2) durch eine gitterförmige Hartmaske (18; 18) und das Ätzen des Substrates durch die Hartmaske umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmaske (18) einen polykristallinen Bereich (9) aufweist, der mit einer Deckschicht (19) aus dielektrischem Material umgeben ist, und dass nach dem Ätzen des Substrates die Deckschicht (19) entfernt wird, und dass die Epidaxialschicht auf dem polykristallinen Bereich (9) zur Ausbildung eines polykristallinen Bereich (23a) und auf dem Substrat (2) zur Ausbildung eines einkristallinen Bereich (23b) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmaske (18) ein Gitter (22') aus dielektrischem Material aufweist, und dass die Epidaxialschicht (23) auf dem Substrat (2) und auf dem Gitter (22') aus dielektrischem Material abgeschieden wird, wobei sie einen einkristallinen Bereich (23b) auf dem Substrat (2) und einen polykristallinen Bereich (23a) auf dem dielektrischen Gitter (22') bildet.