CN112888654B - 具有布置在微机电结构的腔中的功能元件的微机电结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电结构(1)，具有布置在所述微机电结构(1)的腔(2)中的功能元件(3)，其中，所述功能元件(3)具有氮化铝层(4)，其特征在于，所述腔(2)通过罩层(5)封闭，其中，所述罩层(5)具有外延硅。此外，提出一种用于制造微机械结构(1)的方法。

Description

具有布置在微机电结构的腔中的功能元件的微机电结构

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的方法。

背景技术

具有分层结构的微机电系统(microelectromechanical systems，MEMS)由现有技术以多种实施方式已知。这种系统例如作为传感器或致动器用于使机械运动和电信号彼此转化。在此，在技术上特别有希望的方案在于硅层与一个或多个压电或压阻式功能层的组合，通过它们的共同作用打开用于构件的机电特性的构型的新可能性。

微机械硅结构通常通过分别交替的材料沉积和剥除的相互作用产生。为此，在衬底上例如通过物理或化学的气相沉积实现的层产生限定的厚度，在随后的步骤中将沟槽蚀刻到所述厚度中。通过多个沉积和蚀刻步骤的次序形成期望的微结构。为了针对外部影响保护这样产生的微机电结构，由现有技术已知以下方法，在所述方法中通过外延沉积将硅罩施加到所述结构上，使得所述结构在腔中相对于外部空间密封。

在这种形式的罩形成的情况下，在使用附加的功能层、如氮化铝时存在以下技术问题：外延沉积的硅至少部分地在氮化铝层上生长并且由此例如建立通过氮化铝层分开的相邻层的不期望的导电连接。原则上，在用于硅构件的外延制造方法中使用铝时附加地存在以下危险，铝以不受控制的方式堆积到外延设施的面上并且导致污染和仪器损坏。

发明内容

在该背景下，对于本发明的任务提出一种微机电结构，在该微机械结构中含氮化铝的功能元件相对于外部空间受保护。

在根据主权利要求的微机电结构中，通过由硅外延形成的层封闭包含功能元件的腔。通过这种罩层(外延罩)明显提升微机械结构的质量和可靠性。通过根据本发明的微机电结构能够有利地提供用于微机械系统、如用于共振器、转速传感器、加速度传感器、指纹传感器、能量采集器、致动器等的保护。

外延硅层优选由多晶硅组成，其中，由单晶硅或由多晶硅和单晶硅的混合物组成的罩也是可能的。优选地，功能元件通过与微机电结构的剩余部分的连接悬挂在腔内部。

下面，氮化铝层的几何形状也通过概念“横向”或水平(即平行于层的主延伸平面)或垂直(即垂直于层的主延伸平面)描述。通常，层的主延伸平面也相应于微机电结构的衬底的主延伸平面，其中，也可以考虑另外的取向。

本发明的有利构型是从属权利要求的主题。

根据本发明的优选实施方式，氮化铝层具有至少一个露出的面，其中，露出的面在腔内部露出。

根据本发明的另外的优选实施方式，氮化铝层的所述至少一个露出的面具有最大2.5μm的宽度。根据本发明的另外的优选实施方式，宽度小于2.5μm。下面，宽度理解为面沿着最小延展尺度的方向的尺寸。在微机电层结构中，这些露出的面通常通过剥除围绕氮化铝层的材料和/或通过剥除氮化铝层本身的部分产生。在此，典型地得到露出的面的相对简单的几何形状，例如矩形，其中，更复杂的形状也是可能的。如果例如由硅围绕的氮化铝层垂直于其主延伸平面齐平地切割，得出具有宽度的条带作为露出的面，所述宽度通过氮化铝层的厚度给出。如果氮化铝层的多个面露出，那么每个单独面的宽度优选最大为2.5μm或者小于2.5μm。

令人意外地已经证明，在具有最大2.5μm或小于2.5μm的宽度的面上以如下方式抑制硅的生长：为了直接在露出的氮化铝面上生长，气相的硅原子必须沉积在面上或者由气相以反应的方式产生。在这里，从两个竞争性(konkurrierend)的过程出发。一方面是在氮化铝(“AlN”)上的不期望的硅形成。另一方面是在硅上的硅形成，所述硅形成的前提条件是用于形成的硅到表面上或气相的输送过程。但也可以考虑气态的初始产品从AlN表面至硅的输送。由此，硅是否沉积到氮化铝上取决于输送路径的长度并且由此取决于AlN面的宽度。在宽度为2.5μm时确保，硅或形成硅的气体输送至露出面的边缘或仅在那里生长，使得所述面按趋势从边缘开始生长并且露出面的过度生长明显慢于硅层在氮化铝面上的直接成核(Nukleation)。2.5μm或小于2.5μm的宽度已经证明对于制造过程相关的温度范围是优化的。如果扩散长度由于特别的情况是特别大或小的，替代地也可以考虑，露出面的宽度相应选择得更大或更小。优选地，露出面的宽度至少应小于扩散长度。也可以考虑，宽度最大选择为扩散长度的10％、25％或50％。以该方式，能够通过确定露出层的尺寸有利地防止氮化铝层的露出面的过度生长。在此足够的是，如此长时间地防止过度生长，直至开口通过外延过程封闭，新的硅可以通过所述开口流至氮化铝层。

根据本发明的另外的优选实施方式，氮化铝层的厚度朝着功能元件的边缘逐渐变小。在本发明的上下文中，功能元件的边缘理解为功能元件的一个或多个表面，所述表面在腔内部露出。在此，所述露出表面中的一个或多个切开氮化铝层并且因此具有氮化铝层的一个或多个露出面。根据本发明的优选实施方式，为了抑制硅在氮化铝层的露出面上的生长，设置为，露出面的宽度为2.5μm或更小。在最简单的情况下，这可以通过以下方式实现，氮化铝层本身具有2.5μm的最大厚度或更小的厚度。如果对于构件的功能有利的或必要的是，厚度选择得更大，那么露出面的宽度能够相对于厚度减小，其方式是，氮化铝层这样构型，使得所述氮化铝层的厚度朝着功能元件的边缘逐渐变小，使得在边缘处的变细部分具有宽度为2.5μm或更小的露出面。优选地，这样逐渐变细的氮化铝层在制造微机电结构时这样产生，使得首先沉积恒定厚度的氮化铝层并且该层在随后的步骤中以有针对性的方式剥除，使得在随后形成功能元件的边缘的区域中的厚度相应地减小。这种有针对性的剥除例如能够通过离子束修整(Ion Beam Trimming，IBT)实现。该措施例如在制造半导体构件时用于通过层表面的精确的局部加工实现高度均匀的层厚度。通过有针对性地控制的更强烈的或更小的局部剥除也能够制造表面形貌，在所述表面形貌中厚度以能高度精确地调节的方式在层的横向延展尺度上改变。

根据本发明的另外的优选实施方式，由氮化铝组成的层在功能元件的边缘处具有隔离层。为了防止氮化铝层的过度生长并且由此防止贴靠在氮化铝层上的层的短路，氮化铝层可以在功能元件的边缘处设有隔离层，硅在隔离层上仅差地生长或几乎不生长。在此，隔离层覆盖氮化铝层之前露出的面并且本身具有一个或多个面，所述面在腔中露出。如果硅在露出面上的生长被完全抑制或强烈地延缓，那么堆积在隔离层的露出面上的硅原子移动至邻近层，使得所述面最多从边缘开始生长并且相对于硅层在隔离层上的直接生长强烈地延缓露出面的过度生长。在此，隔离层可以覆盖氮化铝层在腔中露出的面和/或临近层的至少部分。氮化铝层的露出面可以呈闭合的条带的形式在功能元件的周边上延伸。在该情况下，隔离层优选构造为带或环，所述带或环完全地围绕功能元件的周边并且遮盖氮化铝层。

根据本发明的另外的优选实施方式，隔离层具有硅氧化物和/或氮化硅和/或富硅氮化物。在氮化硅(Si₃N₄)中氮和硅以1.33的化学计量比存在，而富硅氮化物(silicon-richnitride)是化合物，在所述化合物中氮相对于硅的比例小于1.2。已经证明，通过使用该材料能够有效地防止硅在隔离层上的生长。优选地，隔离层完全由硅氧化物或氮化硅或富硅氮化物组成，其中，也可以考虑，隔离层具有由这三种材料中的一种材料组成的区域和由这三种材料的另外的材料组成的其他区域。优选地，隔离层作为无定形的硅氧化物和/或无定形的氮化硅和/或无定形的富硅氮化物存在。

根据本发明的另外的优选实施方式，氮化铝层掺杂有钪。钪的添加导致氮化铝的压电特性的改善(尤其导致压电系数的增大)并且由此导致微机电结构的功率性能的提升。

根据本发明的另外的优选实施方式，功能元件具有第一硅层和第二硅层，其中，氮化铝层布置在第一和第二硅层之间。在这种硅-氮化铝-硅-夹层结构中，两个硅层例如可以作为电极使用，借助于所述电极可以将外部电压施加在氮化铝层上或者也量取压电产生的电压。在此，氮化铝层的横向边缘例如可以形成在腔中露出的面，所述面呈在两个硅层的露出面之间的矩形条带的形式，或者所述横向边缘可以通过隔离层覆盖，所述隔离层防止硅在外延沉积时的生长。

根据本发明的另外的优选实施方式，功能元件具有至少一个另外的层，其中，所述至少一个另外的层具有金属和/或金属化合物和/或由硅和金属组成的组合物和/或由硅和金属化合物组成的组合物。优选地，所述至少一个另外的层具有一个或多个高导电性材料，如金属、金属硅化物或金属氮化物。所述至少一个另外的层可以完全由这种高导电性材料组成，由多个高导电性材料的组合物组成，或者由一个或多个高导电性材料和硅的组合物组成。特别优选地，所述至少一个另外的层具有钼和/或钨和/或硅化钨。所述至少一个另外的层可以布置在氮化铝层上方或下方(关于垂直于氮化铝层的主延伸平面的方向)并且尤其直接邻接于氮化铝层。根据特别优选的实施方式，所述至少一个另外的层布置在氮化铝层下方并且尤其在制造过程中形成衬底，例如由钼或铂形成，以用于在所述衬底上生长的氮化铝层。根据另外的优选实施方式，所述至少一个另外的层完全嵌入到硅层中，使得高导电性材料完全由硅围绕。所述至少一个另外的层例如可以由硅化钨或另外的高导电性材料组成。根据特别优选的实施方式，功能元件具有前面提到类型的至少两个另外的层。在此，这两个层的第一层尤其可以布置在氮化铝层下方，而第二层布置在氮化铝层上方。硅-氮化铝-硅-夹层结构的一个或两个硅层例如可以包含由高导电性层组成的核，或者，一个或多个高导电性层可以布置在硅层和氮化铝层之间。以该方式，能够有利地提升硅层的导电性或者有针对性地改变功能元件的机电特性。

根据本发明的另外的优选实施方式，功能元件是机电共振器。优选地，共振器具有硅-氮化铝-硅-夹层结构，在该夹层结构中由氮化铝组成的压阻式功能层布置在两个水平布置的硅电极之间。通过外延生长的罩层相对于外部空间封闭所述腔并且由此使功能元件与周围环境气密地隔离。共振器优选通过悬挂件与微机电结构的剩余部分连接并且相对于该剩余部分能振动地支承。通过嵌入到封闭的腔中，可以明显提升微机电结构的稳固性和可靠性。用于这种共振器结构的可能应用是作为高度精确的节拍器使用在钟表中或者高度同步的电子通信器，如无线局域网、控制器局域网/本地互连网络、蓝牙或网络适配器(NLC)。功能元件除了氮化铝和硅之外可以包含另外的材料，尤其具有一个或多个另外的层，所述另外的层由上面所述的高导电性材料组成。也可以考虑，替代于由硅组成，电极由另外的材料、如钨、钛、氮化钛或铝组成。

本发明的另一主题是一种用于制造根据本发明的微机械结构的方法。在此，腔与具有氮化铝层的功能元件通过罩层的外延生长封闭。优选地，罩层的形成在两个步骤中进行，其中，在第一步骤中罩层的第一部分在覆盖功能元件的牺牲层上生长。在开口已经蚀刻到罩层的第一部分中之后，牺牲层通过另外的蚀刻过程至少部分地移除，并且剥除围绕功能元件的材料，使得产生包含功能元件的腔。在第二步骤中另外的硅在罩层的第一部分上生长，直至罩层的开口封闭。

此外，所述方法可以包含晶片的合适的预处理，如通过氢氟酸(HF)的清洁，并且必要时包含微机械结构的另外的优化构型。这样在封闭点处的进口例如可以特别长和狭窄地实施，以便使外延沉积的硅接近氮化铝层变困难。进入的硅的量基本上通过开口的横截面积确定。然而，因为在相同横截面中狭窄的长的开口更快地通过沉积的硅生长闭合，能够通过开口横截面的几何形状进一步减小硅的侵入。

附图说明

图1为了解释基于本发明的技术问题示出在外延罩层生长期间的根据本发明的微机电结构的实施方式。

图2示出在外延罩层期间的根据本发明的微机电结构的另外的实施方式。

具体实施方式

在图1中以示意性剖示图描绘微机电结构1，下面参照该微机电结构描述基于本发明的问题。微机电结构1的功能核心是功能元件3，在当前情况下是具有夹层结构的共振器3’，该夹层结构由第一(下面的)硅层10和第二(上面的)硅层9形成，在它们之间布置有氮化铝层4。在此，硅层10、9作为电极起作用，借助于所述电极可以施加或量取在功能氮化铝层4上的电压。共振器3’布置在腔2中，其中，所述共振器与微机电结构1的剩余部分通过(未示出的)悬挂件能振动地连接。腔由基本上竖直走向的沿横向方向围绕功能元件3的凹部12和两个基本上水平走向的、从上面和下面围绕功能元件3的凹部11形成。概念“竖直”和“水平”涉及在示意性剖示图中可看出的方向，其中，两个凹部11、12当然也具有垂直于绘画平面走向的延伸尺度。

在腔2中悬置的功能元件3的制造在多个步骤中借助于外延和蚀刻过程通过有针对性的材料涂覆和剥除实现。在此，水平走向的凹部11通常通过施加例如由氧化硅组成的牺牲层产生，所述牺牲层在随后的步骤中又至少部分地通过蚀刻移除，从而形成水平走向的凹部11。在附图中可看出两个牺牲层在蚀刻之后保留的剩余部分11’，在它们中下面的牺牲层直接施加在载体晶片上并且上面的牺牲层已经在第二硅层9之后沉积。将第一硅层10、10’、由氮化铝组成的功能层4、4’(具有1μm的厚度)和上面的硅层9、9’相继地施加到下面的牺牲层上。在下面的步骤中，例如通过深反应离子蚀刻将沟槽12蚀刻出，所述沟槽限定了功能元件3的横向形状并且将两个硅层10、9和功能元件3的氮化铝层4与位于功能元件3外部的层部分10’、9’和4’分开。然后，将沟槽填充以牺牲材料并且这样形成的多层系统设有外延生长的硅层5(具有18μm的厚度)。随后将开口16蚀刻到硅层5中，例如气态的氢氟酸可以通过所述开口进入并且通过蚀刻剥除围绕功能元件3的牺牲材料。通过移除牺牲材料形成腔2并且使功能元件3在腔中悬置。在此，尤其露出在腔内部的功能元件3的氮化铝层4的面6，所述面在示出的示例中作为闭合的条带6围绕功能元件3的横向周边。

为了形成闭合的盖，通过所述盖使共振器3’在闭合的腔2中针对外部影响受保护，必要的是，开口16在最后的步骤中通过另外的材料封闭。然而，如果通过外延沉积将硅施加到结构1的表面17上，存在以下问题：硅通过开口16推进至氮化铝层4(通过箭头13表明)，在那里积聚并且通过露出的氮化铝面的过度生长引起在上面和下面的电极9、10之间的短路。在本发明的示出的实施方式中，该问题由此解决：露出的面6的宽度7小于2.5μm。在本发明中，宽度7相应于氮化铝层4的1μm的厚度。通过该尺寸确保，强烈抑制硅在露出的面6上的直接生长。吸附在面6上的、气相中的硅由于选择的宽度扩散至硅层10、9的相邻面，而之前不在氮化铝面6上使硅层形成核化。由此，露出的面6从边缘开始明显更慢地生长。由此有足够长的时间防止完整的生长，从而使开口16最终通过沉积到表面17上的硅封闭并且防止硅朝着氮化铝层4的另外的进入。

在图2中示出根据本发明的微机电结构1的另外的实施方式。在这里，微机电结构也具有布置在腔2中的功能元件3(例如共振器3’)，该功能元件由两个硅层10、9组成，所述硅层通过氮化铝层4分开。如也在图1中示出，在形成封闭腔2的罩层时的技术问题在于，堆积在表面17上的硅如通过箭头13表明的那样通过开口16推进至功能元件并且可以在那里生长。为了防止分开上面的和下面的硅层9、10的区域18在功能元件3的边缘19处借助硅过度生长并且由此引起在层9、10之间的短路，在该实施方式中氮化铝层4在功能元件的边缘19处设有例如由硅氧化物组成的隔离层8。在隔离层8在腔2中露出的面18上充分强烈地抑制硅的直接生长，使得堆积在隔离层8上的硅扩散至相邻的硅层9、10并且区域18仅缓慢地从边缘开始生长，使得开口16在层9、10之间出现短路之前生长闭合。

Claims (10)

1.微机电结构(1)，具有布置在所述微机电结构(1)的腔(2)中的功能元件(3)，其中，所述功能元件(3)具有氮化铝层(4)，其特征在于，所述腔(2)通过罩层(5)封闭，其中，所述罩层(5)具有外延硅，其中，所述氮化铝层(4)在所述功能元件(3)的边缘(19)处具有隔离层(8)。

2.根据权利要求1所述的微机电结构(1)，其中，所述氮化铝层(4)具有至少一个露出的面(6)，其中，所述露出的面(6)布置在所述腔(2)内部。

3.根据权利要求2所述的微机电结构(1)，其中，所述氮化铝层(4)的所述至少一个露出的面(6)具有最大2.5μm的宽度(7)。

4.根据权利要求2或3所述的微机电结构(1)，其中，所述氮化铝层(4)的厚度朝着所述功能元件(3)的边缘(19)逐渐变小。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电结构(1)，其中，所述隔离层(8)具有硅氧化物和/或氮化硅和/或富硅氮化物。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电结构(1)，其中，所述氮化铝层(4)掺杂以钪。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电结构(1)，其中，所述功能元件(3)具有第一硅层(10)和第二硅层(9)，其中，所述氮化铝层(4)布置在所述第一硅层和第二硅层(10、9)之间。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电结构(1)，其中，所述功能元件(3)具有至少一个另外的层，其中，所述至少一个另外的层具有金属和/或金属化合物和/或由硅和金属组成的组合物和/或由硅和金属化合物组成的组合物。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电结构(1)，其中，所述功能元件(3)是机电共振器(3’)。

10.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的微机电结构(1)的方法。