CN101528589A - 用于制造具有薄层覆盖件的微机械构件的方法 - Google Patents

用于制造具有薄层覆盖件的微机械构件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种覆盖技术，其中，尽管借助于穿过硅－覆盖层(7)的ClF3－蚀刻使被硅锗－填充层(4，3)包围的结构(2)露出，在此也防止了对硅－覆盖件(7，11)的蚀刻侵蚀，即或者通过蚀刻过程本身的特别选择性(大约10000∶1或更高)的调节来保护硅－覆盖件(7，11)或者通过使用下述知识来保护硅覆盖件(7，11)：即富锗层(5，10)的氧化物与氧化的多孔的硅(11)相反地是不稳定的、特别容易溶解的。

Description

用于制造具有薄层覆盖件的微机械构件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造具有由硅制成的盖层的微机械构件的方法。
背景技术
灵敏的微机械传感器元件的覆盖通常通过将覆盖晶片键合/粘接在全部过程化的传感器晶体上进行。为了包封确定的气氛或者确定的压力，这个过程步骤必须在相同的条件下进行。该覆盖晶片被预结构化，通常通过KOH蚀刻，以便保证传感器结构的可运动性。该费事的方法的问题之一在于，所述传感器结构在施加覆盖件时是自由运动的并且因此对碰撞和颗粒污物特别敏感。
一种较新的公知覆盖技术，薄层覆盖件，放弃覆盖晶片并且替代该覆盖晶片地在待露出的微机械结构与以通常的沉积过程产生的硅层(盖层)之间形成一个空腔。该方法的基础是，通过蚀刻去除一个位于已经存在的硅(Si)-盖层下方的填充层，以便由此提供一个空腔。为了将蚀刻气体引导到填充层上，通常产生盖层的穿孔，该穿孔随后——在填充层以及必要时另外的牺牲层的蚀刻掉后——通过沉积一个封闭层又被密封。如果蚀刻气体应当被引导通过硅-盖层，或多或少仍然需要费事的措施，以便使蚀刻气体不侵蚀硅-盖层。
在这种关系中由DE 100 06 035 A1公开了一种薄层覆盖件(多填充-技术)，其中，硅-盖层设置有一个由沟槽构成的穿孔，该硅-盖层通过一个通常的深蚀刻方法制造。为了能够相对于硅-盖层选择性地用蚀刻气体ClF3蚀刻上填充多硅层，提出了沟槽的侧壁钝化以及另外的保护层。
DE10 2004 036 803 A1公开了一种可用于薄层覆盖的蚀刻方法，其中以ClF3作为蚀刻介质与一个由硅锗(Si1-xGex)合金构成的、待去除的(填充)层相联系可实现相对于多晶硅的一个非常高的、希望的、大约4000∶1的选择性。与制造多晶硅-盖层的相关联地该选择性是足够的，以便将蚀刻气体(不侵蚀覆盖件地)引导通过通常借助掩膜技术在盖层中产生的沟槽。然而，如在所述的公开文献中所提及的，为了能够密封覆盖件中的相对大(微米范围)的沟槽或者开口，仍然需要一个厚度相对大的、大约1至20μm的封闭层。然而，在这种厚封闭层的情况下总是存在这样的危险，即在大的开口下面露出的微机械结构以不希望的方式被一起涂层。另一方面要考虑，在所公开的方法提供的选择性不是足够高，以便在细孔化的、其开口在纳米范围中的覆盖硅上防止蚀刻气体侵蚀所述以小的小粒形式存在的、多孔的硅材料。
DE 199 61 578 A1公开了一种方法，其中硅覆盖件设置有微孔。在此使用硅基的氧化物作为常规的填充层或者牺牲层，该氧化物借助HF蒸汽蚀刻被蚀刻掉，该HF蒸汽蚀刻是相对于覆盖硅具有足够的选择性但相对慢的过程。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种改进的薄层覆盖技术。根据本发明，该任务通过一个根据权利要求1的方法并且通过根据权利要求2的替代方法解决。另外的构型和优选措施由从属权利要求给出。
在根据本发明的第一种解决方案中，所述的目标通过在一个衬底上沉积一个硅锗-填充层；在该硅锗-填充层上沉积一个硅-盖层；在该硅-盖层中产生直径在纳米范围中的微孔，由此产生一个多孔的硅-盖层；以及通过用被引导穿过所述微孔的ClF3进行的气相蚀刻去除所述硅锗-填充层来实现，其中，ClF3-蚀刻参数和填充层的Si1-xGex组分被这样调节，使得相对于多孔的硅-盖层的选择性是足够的大，以便不侵蚀该硅-盖层。接着还通过在多孔的硅-盖层上沉积一个封闭层来密封所述微孔。
在根据本发明的第二种解决方案中，所述的目标通过在一个衬底上沉积一个硅锗-填充层并且构造一个富锗层，其中，该富锗层或者通过硅锗-填充层自身的一个向上增长的锗浓度梯度或者通过在硅锗-填充层上沉积一个附加的锗层形成；通过接着在富锗层上的沉积一个硅-盖层；接着在该硅-盖层中和富锗层中产生直径在纳米范围中的微孔，由此产生多孔层；另外通过所述多孔层的热氧化并且接着借助于氧化物溶解过程去除多孔的富锗层的氧化物；以及通过用被引导穿过所述微孔的ClF3进行的气相蚀刻去除所述硅锗-填充层和富锗层。最后还通过在多孔的硅-盖层上沉积一个封闭层进行所述微孔的密封。
基本构思是提供一个薄层覆盖技术，在该薄层覆盖技术中，虽然被硅锗(牺牲)填充层包围的传感器结构借助穿过硅覆盖件中的小孔进行的ClF3蚀刻露出并且与这个过程实施相联系的优点是以过程技术上不太费事的方式防止对硅覆盖件的侵蚀，即或者通过蚀刻过程本身的特别选择的调节(大约10000∶1或者更高)或者通过以说明的方式以根据本发明的内在联系提出这样的认识：锗-层的氧化物与氧化的、多孔的硅相反是不稳定的，而是容易溶解的。
通过本发明的方法可实现薄层技术的普遍优点。也就是说：不需要键合过程和覆盖晶片。覆盖件直接集成在传感器结构上。通过最大为几个10μm的小高度降低了传感器元件的体积。
根据本发明的第二种解决方案的实施例具有的优点是，富锗层的厚度仅仅为大约30到100nm。另外，所述热氧化有利地在大约200至400摄氏度的温度时进行，使得不发生对硅锗层或者富锗层的热影响。特别有利的是在根据本发明的第二解决方案的所有变型方案中有这样的可能性，即富锗层的氧化物简单地溶解在水或者水蒸汽中。
本发明的下述实施例被认为是特别有利的，在该实施例中，在沉积硅锗-填充层之前在待露出的微机械结构下面施加一个硅锗-牺牲层，并且在该实施例中，硅锗-牺牲层和填充层在一个步骤中被蚀刻掉并且露出所述结构。
对此替代地，在这两个根据本发明的解决方案的所有变型方案中存在下述可能性，即硅锗-填充层的沉积在微机械结构上进行，该结构已经借助于一个不是由硅锗构成的牺牲层露出。
在本发明的所有变型方案中存在一个特别有利的进一步构型，即所述微孔的直径在2至20nm的范围中。由此，封闭层可以具有非常小的、大约100nm厚度，使得露出的传感器结构在密封覆盖件时不再遭到损失。
此外，这种精细的微孔能够以简单的方式通过电化学蚀刻或者通过无电流的染色腐蚀过程产生。
附图说明
图1至5分别以剖视图示出在一个实施例中的根据本发明的制造方法，其中，图4示出图3的一个放大的细节图。
具体实施方式
在图1中示出一个制造阶段，在该制造阶段中，微机械的结构2、例如一个用于转速传感器或者加速度传感器的梳形结构已经结构化在一个硅衬底1上，但是还没有通过位于所述结构2下面的、优选硅锗牺牲层基的牺牲层3的蚀刻而露出。但也可设想用例如多晶硅牺牲层3进行变型，在这些变型中，所述结构2可在后面描述的方法步骤之前露出。
在任何情况下，接着用硅锗(SiGe)填充层4覆盖传感器结构2。因此，所述传感器结构直到硅锗-牺牲层3被蚀刻都是位置固定的并且因此对机械碰撞是不敏感的。该硅锗-填充层4随后通过ClF3蚀刻相对于硅传感器结构2高选择性地被去除并且就此而言也是一个牺牲层。在硅锗-填充层4上沉积可在图1中看出的(几个100nm到几个微米厚的)多晶硅层7。该多晶硅层紧接着如在根据图2至图5的另外的方法步骤中更详细地描述的那样细孔化并且随后用作薄层覆盖件7。然而，首先对填充层4的硅锗优选进行p掺杂。然后进行一个具有几个10～100nm厚度的薄锗层5的沉积，同样被p掺杂，参见图1。作为替代方案，代替附加的锗层5，可以仅仅沉积具有锗浓度梯度的硅锗填充层4，从而在其上面的、远离衬底的区域中得到一个富锗(部分)层5。
必要时，为了以后形成孔需要提供用于衬底1的电接触6，参见图1。该连接也可以通过硅锗层4或者多晶硅层7进行。在富锗层5上进行已经提及的厚的多晶硅层7的沉积，p掺杂。该多晶硅层是后来的覆盖件7。
多晶硅层7和富锗层5通过在氢氟酸(HF)中电化学蚀刻局部地细孔化，从而得到在图2中示出的具有多孔的层9和10的状态。为此，首先一个蚀刻掩模8被沉积并且被结构化，参见图1。在此优选使用由SiN、Si3N4或者n型掺杂物构成的层8。
代替电化学蚀刻，也可以使用一种本身公知的、无电流的蚀刻过程(所谓的染色腐蚀)。在此，在一种由HF和氧化剂(例如H2O2、HNO3)构成的混合物中进行微孔形成。在这种无电流的方法中可以取消用于衬底1的电接触6。
接着，在图2中可看出的多孔的层9和10被热氧化，从而得到根据图3的状态。该氧化优选在大约200～400℃的低温度时进行，从而不发生对硅锗填充层4或者富锗层5的热影响。富锗层5的氧化物与氧化的多孔硅11相反地是不稳定的并且能够例如溶解在H2O或者H2O蒸汽中。该氧化的多孔硅11现在表现为用于ClF3蚀刻过程的进入孔。所述进入向下通过多孔的富锗层10保证，其氧化物膜如所述地那样被去除。因为ClF3蚀刻过程中的氧化物是惰性的，所以所述多孔的硅区域11(后来的覆盖件7)不被侵蚀。相反，多孔的富锗层10在ClF3中被快速去除。紧接着，硅锗填充层4和硅锗牺牲层3在一个步骤中被用ClF3蚀刻。这些方法步骤在图4中以放大的局部图示出，其中，示出了蚀刻侵蚀的区14。
如在图5中可见，产生通过ClF3蚀刻而露出的传感器结构12。在使用硅锗牺牲层-MEMS过程时，填充层4和牺牲层3在一个步骤中被去除。但是，如已经提及的那样，还可以设想的是，没有硅锗牺牲层3的MEMS过程用该方法覆盖：在这种情况下，用一个硅锗-填充层4覆盖之前已经露出的传感器结构12。其他流程与上面描述的一致。
通过合适地选择ClF3蚀刻参数和硅锗组分、即相应的硅份额及锗份额，也能够无需使用富锗层5而在硅锗填充层与在ClF3中多孔化的硅的蚀刻之间调节相应高的选择性，从而甚至能够完全放弃氧化。这大大简化了该过程，因为也可以取消氧化物溶解过程。
最后，参见图5，多孔的覆盖件7或者11借助于一个薄封闭层13的沉积被密封。开口、即该覆盖件7的微孔在2～20、特别是小于5nm的直径范围中并且因此可以用一个对于可靠封闭足够的、厚度大约为100nm的封闭层13封闭，而位于其下的传感器结构12不被一起涂层。视沉积方法而定，在封闭时可以包封一个过程真空或者一个确定的过程气氛。
此外，在覆盖前可以通过多孔的硅7、11在露出的MEMS-结构12上沉积一个ASC层(抗粘着层)。本发明所述的方法可用于硅基的、需要覆盖的所有传感器。

Claims (10)

1、一种用于制造具有由硅制成的盖层的、微机械构件的方法，具有至少下面的步骤：
-在一个衬底(1)上沉积一硅锗-填充层(4)，
-在该硅锗-填充层(4)上沉积一硅-盖层(7)，
-在该硅-盖层(7)中产生直径在纳米范围中的一些微孔，由此产生一个多孔的硅-盖层(9)，
-通过用被引导穿过所述微孔的ClF3进行的气相蚀刻去除所述硅锗-填充层(4)，其中，这样调节ClF3-蚀刻参数和填充层(4)的Si1-xGex组分，使得相对于所述多孔的硅-盖层(9)的选择性足够大，以便不侵蚀该硅-盖层，
-通过在所述多孔的硅-盖层(9)上沉积一个封闭层(13)来密封所述微孔。
2、一种用于制造具有由硅制成的盖层的微机械的构件的方法，具有至少下面的步骤：
-在一个衬底(1)上沉积一个硅锗-填充层(4)并且构造一个富锗层(5)，其中，该富锗层或者通过硅锗-填充层(4)的向上增长的锗浓度梯度形成，或者通过在硅锗-填充层(4)上沉积一个附加的锗-层(5)形成，
-在富锗层(5)上沉积一个硅-盖层(7)，
-在该硅-盖层(7)中并且在富锗层(5)中产生直径在纳米范围内的一些微孔，由此产生多孔的层(9、10)，
-热氧化这些多孔的层(9、10)并且接着通过氧化物溶解-过程来去除所述多孔的富锗层(10)的氧化物，
-通过用被引导穿过所述微孔的ClF3进行的气相蚀刻去除所述硅锗-填充层(4)和富锗层(5、10)，
-通过在所述多孔的硅-盖层(11)上沉积一个封闭层(13)来密封所述微孔。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于，所述富锗层(5、10)的厚度为大约30至100nm。
4、根据权利要求2或3的方法，其特征在于，所述热氧化在大约200至400摄氏度的温度中进行。
5、根据权利要求2至4之一的方法，其特征在于，所述富锗层(10)的氧化物溶解在水或者水蒸汽中。
6、根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，在沉积硅锗-填充层(4)之前在待露出的微机械的结构(2)下面施加一个硅锗-牺牲层(3)；将该硅锗-牺牲层和硅锗填充层(3、4)在一个步骤中蚀刻掉并且使所述结构(2、12)露出。
7、根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，所述硅锗-填充层(4)的沉积在已经借助于一个不是由硅锗构成的牺牲层露出的微机械的结构(12)上进行。
8、根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，所述微孔的直径在2至20nm的范围中。
9、根据权利要求8的方法，其特征在于，所述封闭层(13)的厚度为大约100nm。
10、根据权利要求1至9之一的方法，其特征在于，所述微孔通过电化学蚀刻或者通过无电流的染色腐蚀过程产生。
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