CN102056839B - 用于制造具有来自衬底背侧的入口的微机械膜片结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于制造具有来自衬底背侧的入口的微机械膜片结构的方法。所述方法基于p掺杂的硅衬底(1)并且包括以下方法步骤：n掺杂衬底表面的至少一个连续的栅格状区域(2)，多孔蚀刻所述n掺杂的栅格结构(2)下方的衬底区域(5)，在所述n掺杂的栅格结构(2)下方的所述衬底区域(5)中产生一空腔(7)；在所述n掺杂的栅格结构(2)上生长第一单晶的硅外延层(8)。其特征在于，如此确定所述n掺杂的栅格结构(2)的至少一个开口(6)的尺寸，使得它不被生长的第一外延层(8)封闭，而是形成通到所述空腔(7)的进入开口(9)；在空腔壁上产生氧化层(10)；产生通到所述空腔(7)的背侧入口(13)，其中，所述空腔壁上的氧化层(10)充当蚀刻终止层；以及去除所述空腔(7)的区域中的氧化层(10)，使得形成通到被构造在所述空腔(7)上方的膜片结构(14)的背侧入口(13)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造具有来自衬底背侧的入口的微机械膜片结构的方法以及相应的半导体构件。
所述方法从p掺杂的硅衬底出发并且包括以下方法步骤：
n掺杂衬底表面的至少一个连续的栅格状区域，
多孔蚀刻n掺杂的栅格结构下方的衬底区域，
在n掺杂的栅格结构下方的所述衬底区域中产生一个空腔，并且
在n掺杂的栅格结构上生长单晶的硅外延层。
现有技术
在制造用于相对压力测量或差压测量的传感器元件时，通常产生通到膜片结构的背侧入口，所述背侧入口能够实现传感器膜片的双侧的压力加载。但是对于确定的应用，用于绝对压力测量的传感器元件也设有用于传感器膜片的压力加载的背侧入口。在绝对压力传感器用于所谓的“恶劣环境”中时可以由此避免芯片正面与测量介质进行接触。
在DE 10 2004 036 035 A1中描述了一种用于制造具有膜片结构和通到所述膜片结构的背侧入口的半导体构件的方法。这种公知方法从p掺杂的单晶的硅衬底出发。首先设置具有n掺杂的衬底表面的连续的栅格状区域。随后，多孔蚀刻如此产生的n掺杂的栅格结构下方的衬底区域，其中，n掺杂的栅格结构不被所述蚀刻过程腐蚀。在接下来的外延过程中，在n掺杂的栅格结构上产生封闭的单晶的硅外延层。
在这种公知方法的第一变型方案中，多孔硅在外延过程和另一退火步骤期间如此重排，使得在n掺杂的栅格结构和生长的外延层下方形成空腔。
在这种公知方法的第二变型方案中，在外延过程之前在n掺杂的栅格结构下方产生空腔。在此变型方案中，空腔壁——只要它在外延之前形成——由热氧化物保护以防止外延过程期间的硅材料的生长。通过相应的过程控制，外延层也横向地在栅格结构上生长，使得外延层封闭栅格开口并且由此也封闭空腔。外延层的这些区域补充空腔壁并且——相应于过程控制地——不涂敷氧化物。
这种公知方法的第三变型方案提出，氧化n掺杂的栅格结构下方的多孔硅，以便避免多孔硅在外延期间重排。在此，在施加外延层之后才通过溶解多孔的二氧化硅来产生空腔。这或者可以通过后来置于外延层中的进入开口实现，或者通过衬底背侧中的进入孔实现，所述进入孔随后也可以用作为通到膜片结构的背侧入口。
发明内容
本发明提出公知方法的进一步改进，借助本发明可以简单地、成本有利地并且在维持精确的制造公差的情况下制造具有膜片结构和通到所述膜片结构的背侧入口的微机械构件。
根据本发明的方法的特征在于：
如此确定n掺杂的栅格结构的至少一个开口的尺寸，使得所述至少一个开口不被生长的第一外延层封闭而是形成通到空腔的进入开口；
在空腔壁上产生氧化层；
产生通到空腔的背侧入口，其中，空腔壁上的氧化层充当蚀刻终止层；以及
去除空腔的区域中的氧化层，从而产生通到被构造在空腔上方的膜片结构的背侧入口。
根据本发明的方法基于经证明的表面微机械子过程与从衬底背侧出发的、用于体硅的标准蚀刻方法的巧妙结合。在此，空腔壁上通过表面微机械技术产生的氧化层在处理体硅时用作蚀刻终止层。尤其是，膜片结构由所述构造在底侧上的氧化层保护以可靠地防止背侧的蚀刻侵蚀。根据本发明的方法的每一个方法步骤可以通过公知的、可良好操作的、可良好控制的并且因此总体上成本有利的处理工序表示。此外，根据本发明的方法在膜片结构的形状和大小方面提供了高的设计自由度，其中，能够以定义的厚度和定义的尺寸制造所述膜片结构。这可以用于优化不同应用的构件结构。
借助根据本发明的方法，优选产生具有定义的材料参数的、通常单晶的硅膜片。这样的膜片的优点在于高的长期稳定性并且可以实现电路元件——例如用于信号检测的压敏电阻的单片集成。因为根据本发明的方法的方法步骤是CMOS兼容的，所以可以简单地通过用于单片集成分析处理电路的处理工序进行补充。
除制造方法外，还要求保护一种如此制成的半导体构件，其具有在空腔上方的微机械膜片结构，所述空腔被构造在p掺杂的硅衬底中并且具有背侧入口。由方法决定地，膜片结构包括n掺杂的栅格结构，在所述栅格结构上生长有至少一个第一外延层。此外，根据本发明的制造方法决定：膜片结构下方的空腔的横向伸展到处都大于背侧入口在空腔壁中的通入开口。所述结构特征由空腔壁上作为蚀刻终止层的氧化层的根据本发明的应用得出，与所述背侧入口是通过开设沟槽、KOH蚀刻还是借助另一蚀刻法产生无关。
如已经提及的那样，根据本发明的方法，空腔壁设有氧化层。根据本发明，在n掺杂的栅格结构上生长第一外延层之后才产生所述氧化层，它们一起限定空腔的边界并且形成最下面的膜片层。与此相应地，氧化层完全地覆盖膜片底侧。原则上，在根据本发明的方法的范畴内可以应用不同的氧化过程。可以例如通过在外延层上均一地沉积二氧化硅来产生空腔壁上的氧化层。在此，二氧化硅通过外延层和n掺杂的栅格结构中的进入开口也进入到空腔中并且对空腔进行加衬。在根据本发明的方法的一个特别有利的变型方案中，通过热氧化产生空腔壁上的氧化层，其中，为此所需的氧通过外延层和n掺杂的栅格结构中的进入开口到达空腔中。
如果应当产生封闭的膜片结构——如它对于很多应用而言是必需的那样，则必须封闭外延层中的进入开口。为此，可以简单地持续进行用于产生空腔壁上的氧化层的氧化过程，直到进入开口由氧化塞封闭为止。在热氧化的情况下，时间耗费和能量耗费相对较高。在根据本发明的方法的一个有利的变型方案中，通过在外延层上沉积一个或多个介电的、多晶的或者外延的(硅)层——例如附加的氧化层来封闭进入开口。
如已经提及的那样，通常单晶的硅膜片不仅在其机械特性方面而且在电路元件的可能集成方面具有优点。因此，按照根据本发明的方法的一个有利的变型方案，在第一外延层上产生至少一个另外的硅外延层，所述至少一个另外的硅外延层覆盖被封闭的进入开口。在此，可以如此选择工艺参数，使得在被封闭的进入开口上方产生一个多晶的区域，所述区域由单晶的硅附晶生长，或者如此选择工艺参数，使得被封闭的进入开口在横向上由单晶的硅附晶生长，从而所述另外的硅外延层始终是单晶的。
在根据本发明的方法的另一变型方案中，充分利用高的设计自由度，以便n掺杂的栅格结构中和所述栅格结构上生长的外延层中的进入开口不设置在空腔上方的膜片区域中，而设置在通到空腔中的通道上方。为此首先在n掺杂的栅格结构下方在多孔蚀刻的衬底区域中产生空腔和至少一个通到所述空腔中的通道，使得栅格结构中的至少一个进入开口设置在通道上方。因此，可以通过简单的方式完整地产生单晶的膜片，这随后结合实施例再次进行详细说明。
最后，在此还应指出，根据本发明的方法不仅很好地适用于制造微机械的相对压力传感器和绝对压力传感器，而且例如也适用于制造微机械的麦克风元件。
附图说明
如已经在前面讨论的那样，存在以有利的方式构型和进一步改进本发明理论的不同可行方案。为此，一方面参照位于独立权利要求1之后的权利要求并且另一方面参照以下借助附图对本发明的多个实施例进行的说明。
图1a-1i借助第一构件结构在制造期间的示意性剖面图表明根据本发明的方法的第一变型方案的各个方法步骤；
图2示出在图1f-g中示出的第二外延层的生长的变型方案；
图3表明在图1中示出的方法的变型方案，其中，不生长第二外延层；
图4a-4c通过硅衬底的相应俯视图表明n掺杂的栅格结构中的不同孔布置；
图5示出构件结构在产生具有分支通道的空腔之后和在生长第一外延层之后的示意性俯视图——所述俯视图包括三个剖面轴A、B和C；
图6a-6c分别示出在图5中示出的构件结构在生长第一外延层之后沿剖面轴A、B和C的剖面图；
图7a-7c分别示出在图5中示出的构件结构在氧化过程之后沿剖面轴A、B和C的剖面图；
图8a-8c分别示出在图5中示出的构件结构在表面去除氧化层之后沿剖面轴A、B和C的剖面图；
图9a-9c分别示出在图5中示出的构件结构在生长第二外延层之后沿剖面轴A、B和C的剖面图。
具体实施方式
根据本发明的用于制造具有来自衬底背侧的入口的微机械膜片结构的方法基于p掺杂的硅衬底1。在图1a至1i中示出的方法变型方案中，首先例如通过注入或者扩散在衬底表面中产生n掺杂的、连续的栅格状区域2。此外产生在衬底1中更深地延伸的n+掺杂的区域3，所述区域3包围更表面的栅格状区域2。如此制备的衬底表面随后设置SiN掩模4，所述SiN掩模4确定在n掺杂的栅格结构2下方的衬底区域5的横向尺寸。在接下来的方法步骤中——例如硅在浓缩的氢氟酸中的阳极氧化——多孔蚀刻衬底区域5中的硅。在此，SiN掩模保护尤其是待产生的膜片的周围区域中的衬底表面，所述周围区域例如可以用于分析处理电路的单片集成。深的、旁边的n+掺杂部分3形成所述蚀刻步骤的横向蚀刻终止。n掺杂的栅格结构2也不被侵蚀，其充当之后外延的初始层。图1a示出多孔蚀刻衬底区域5之后的经处理的硅衬底1。从图1a中也可以看到，n掺杂的栅格结构2的至少一个开口6被设计成大于确定栅格特性的网孔大小。如此选择所述网孔大小，使得这些网孔在随后的外延过程中被封闭，而如此确定开口6的大小，使得它不被生长的外延层封闭而是形成通到区域5的进入开口。
在所述外延过程之前，从衬底表面去除SiN掩模4。此外，在n掺杂的栅格结构2下方在经多孔蚀刻的衬底区域5中产生一个空腔7。为此，可以例如通过湿化学方法溶解掉多孔硅。但是，空腔7也可以在退火步骤中通过多孔硅的热重排产生。另一选择方案在于，在一开始通过电解抛光在衬底区域5中产生具有100％孔隙率的多孔硅。图1b表明，开口6设置在空腔7上方的区域中。
图1c表示第一单晶的硅外延层8在n掺杂的栅格结构2上的生长。外延层8的厚度与栅格结构2的网孔大小相匹配并且与开口6的大小相匹配，从而栅格结构2的网孔被附晶生长，而开口6不被封闭。在此，在外延层8中形成进入开口9。
根据本发明，现在在空腔壁上产生氧化层10。这优选通过热氧化来实现，但也可以通过在外延层8上均一地沉积二氧化硅来实现。在此情况下，二氧化硅通过进入开口9进入到空腔7中并且对其进行加衬。在这里示出的实施例中——尤其参见图1d——持续地进行氧化过程，直到填满进入开口9为止，使得空腔7通过氧化塞11闭合。
随后，从第一外延层8的表面去除氧化层10，如图1e中所示。这样露出的单晶的第一外延层8现在可以用作另一外延过程的初始层。
在图1f和图1g中示出在此产生的第二单晶的外延层12在第一外延层8上的生长。在此，如此设计过程控制，从而避免在氧化塞11上产生多晶硅。在此，横向地、单晶地附晶生长氧化塞11。图1f示出两个硅前部在氧化塞11上方即将相遇时的生长过程。图1g表明直到实现完整的膜片厚度的外延过程进展。
在所述纯粹的表面微机械的方法步骤之后对衬底背侧进行结构化，以便产生通到空腔7的背侧入口13。根据本发明，为此使用蚀刻方法，例如开设沟槽(Trenchen)或KOH蚀刻，其中，空腔壁上的氧化层10充当蚀刻终止层。在此实施例中，首先产生沟槽入口131，所述沟槽入口的横向延展相应地小于空腔7的横向延展。氧化层10也用于保护空腔上方的单晶膜片14以防蚀刻穿图1h示出在开设沟槽过程之后的构件结构。在此，氧化层10仍然存在。它在另一方法步骤中才被去除，以便最终打开背侧入口13。这从衬底背侧出发进行，例如通过HF气相蚀刻或湿化学方法进行。在图1i中示出由此得出的构件结构100。如以上所述，膜片结构14下方的空腔的横向延展取决于方法地到处都大于空腔壁中的背侧入口13的通入开口。
图2表明结合图1f和1g说明的用于在第一外延层8上生长第二外延层12的过程控制的变型方案，其中，不仅仅在横向上以单晶硅附晶生长氧化塞11。而是，在此首先不仅在第一外延层8上生长单晶硅12而且在氧化塞11上生长多晶硅22。但是，如此选择工艺参数，使得单晶硅的生长率高于多晶硅的生长率。由此，多晶的区域22随着外延厚度的增大越来越小，直到它最终完全被单晶体硅附晶生长为止，如图2中所示。替换地，也可以在作为外延初始层的热氧化物(图1d)上整面地沉积多晶的硅层(例如初始-聚乙烯(Start-Poly))并且随后在光刻平面上与氧化物一起结构化所述多晶的硅层。
为了实现膜片封闭不一定需要如图1和2中所示的第二外延层12。这通过图3表明。在此，外延层8中的进入开口9的封闭仅仅通过介电的或者多晶的层形成，即通过氧化层10或者氧化塞11形成。在此，所述封闭由硅-氮化物层31补充，以便提高塞11的长期密封性并且以便保护氧化物以防在另外的方法步骤中受到蚀刻侵蚀。在此变型方案中不生长另一外延层。
图4a至4c示出三个正方形的n掺杂的栅格结构41、42和43中的三种不同的孔布置。稍后的膜片区域或空腔区域分别由虚线44表示。分别如此选择栅格网孔45的大小，使得这些栅格网孔在随后的外延过程中单晶地附晶生长并且由此被封闭。与此不同地，更大的开口46也在所述外延过程之后形成通到空腔的进入开口，所述进入开口在空腔壁的氧化之后才被封闭。栅格网孔45不仅可以布置成正方形，如在此所示，而且例如也可以布置成六边形、对角线或中心对称。类似的自由度适用于开口46的布置，在此也可以根据膜片的大小和几何形状来选择开口46的数量。有利地，开口46布置在膜片的角区域中，因为这里具有更有利的应力比。类似的考虑适用于其它的膜片几何形状。
图5至9表明根据本发明的方法的一个变型方案，所述变型方案与在图1a至1i示出的变型方案的区别基本上在于膜片的形状或者进入开口的布置。这尤其通过图5表明，图5示出构件结构500在生长第一外延层之后的示意性俯视图。以501标示正方形的膜片区域。硅衬底中的空腔7位于膜片区域501下方。漏斗形的分支通道60通到空腔7中，所述分支通道60与空腔7一起通过n掺杂的栅格结构和构造在所述栅格结构下方的多孔的硅区域的相应设计产生并且在图6至9中示出。以502标示所述分支通道60上方的外延层的区域。在这里示出的实施例中，进入开口503设置在所述区域502的扩大的端部处。根据图6至9的剖面图A、B和C说明进入开口503在通道区域中的所述布置的结果和优点。
图6a至6c示出与图5相同的方法阶段中的构件结构500，即在n掺杂的栅格结构和衬底表面上生长第一外延层8之后。已经单晶地附晶生长单晶的栅格结构的栅格网孔。仅仅在通道60的漏斗状端部61处的开口的区域中在外延层8中形成进入开口503，如图6a中所示。在通道60逐渐变窄的区域62中，外延层8是封闭的，如同在其余的膜片区域中那样，这可以从图6b和图6c中看出。
图7a至7c给出氧化过程之后的情况。在此，氧化物10以均匀的层厚度生长，直到逐渐变窄的区域62中的通道60封闭为止，如在图7b中所示。由此阻止氧输送到空腔中，使得在这里不可以再生长其它的氧化物。但在通道60的漏斗形端部61处可以进一步生长氧化物10，使得通道60在大的区域上完全闭合，如在图7a和图7c中所示。
在图8a至8c中示出了在表面去除氧化层10之后的构件结构500。为此可以应用湿化学的蚀刻过程、气相蚀刻或者也可以应用各向异性的等离子蚀刻过程。待蚀刻的表面氧化层10的厚度比被填满的通道60的长度小得多。因此，在这里示出的实施例中，在蚀刻氧化层10时仅仅去除进入开口503的区域中的氧化物，而通道60继续保持封闭。
图9a至9c示出最后在生长第二单晶的外延层12之后的构件结构500，所述第二单晶的外延层不仅完全覆盖膜片区域——参见图9c，而且也覆盖具有进入开口503的通道区域61——参见图9a——和通道区域62，如图9c中所示。因为进入开口503的整个区域中的氧化物10已去除，所以外延层12可以在通道区域61的单晶的底部以及在进入开口503的侧壁上生长。
Claims (10)
1.用于制造具有来自衬底背侧的入口的微机械膜片结构的方法，其中，所述方法基于一p掺杂的硅衬底(1)并且包括以下方法步骤：
n掺杂衬底表面的至少一个连续的栅格状区域(2)，
多孔蚀刻所述n掺杂的栅格结构(2)下方的一衬底区域(5)，
在所述n掺杂的栅格结构(2)下方的所述衬底区域(5)中产生一空腔(7)；
在所述n掺杂的栅格结构(2)上生长一第一硅外延层(8)，该第一硅外延层是单晶的硅外延层；
其特征在于，
如此确定所述n掺杂的栅格结构(2)的至少一个开口(6)的尺寸，使得它不被生长的第一外延层(8)封闭，而是形成一通到所述空腔(7)的进入开口(9)；
在空腔壁上产生一氧化层(10)；
产生一通到所述空腔(7)的背侧入口(13)，其中，所述空腔壁上的氧化层(10)充当蚀刻终止层；以及
去除所述空腔(7)的区域中的氧化层(10)，使得形成一通到被构造在所述空腔(7)上方的膜片结构(14)的背侧入口(13)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过热氧化产生所述空腔壁上的氧化层(10)，其中，通过所述进入开口(9)实现为此所需的氧输送。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少如此长时间地持续进行所述热氧化，直到所述进入开口(9)被封闭。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述第一外延层(8)上沉积至少一个介电的、多晶的或者外延的层来封闭所述进入开口(9)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一外延层(8)上产生至少一个另外的硅外延层(12)，所述至少一个另外的硅外延层覆盖被封闭的进入开口(9)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在产生所述另外的硅外延层(12)时如此选择工艺参数，使得在所述被封闭的进入开口(9)上方形成一多晶的区域(22)，所述多晶的区域由单晶硅附晶生长。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在产生所述另外的硅外延层(12)时如此选择工艺参数，使得所述被封闭的进入开口(9)在横向上由单晶硅附晶生长，从而所述另外的硅外延层(12)始终是单晶的。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述n掺杂的栅格结构(2)下方在经多孔蚀刻的衬底区域(5)中产生一空腔(7)和至少一个通到所述空腔(7)中的通道(60)，并且所述栅格结构中的至少一个进入开口(503)设置在所述通道(60)上方。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述第一外延层(8)上沉积至少一个氧化层来封闭所述进入开口(9)。
10.半导体构件，具有在一p掺杂的硅衬底中的一空腔上方的微机械膜片结构并且具有一通到所述空腔的背侧入口，其中，所述膜片结构包括一n掺杂的栅格结构，在所述栅格结构上生长有至少一个第一外延层，
其中，在所述膜片结构下方的空腔的横向延展到处都大于所述背侧入口在空腔壁中的通入开口，
其特征在于，
所述n掺杂的栅格结构的一个开口大于确定栅格特性的网孔大小，其中，所述微机械膜片结构借助根据权利要求1至9中任一项所述的方法制造。
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