IT201800006160A1 - Procedimento di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico avente una struttura sospesa sepolta e relativo dispositivo microelettromeccanico - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE DI UN DISPOSITIVO MICROELETTROMECCANICO AVENTE UNA STRUTTURA SOSPESA SEPOLTA E RELATIVO DISPOSITIVO MICROELETTROMECCANICO”
La presente soluzione è relativa ad un procedimento di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico, cosiddetto MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), avente una struttura sospesa sepolta e ad un relativo dispositivo microelettromeccanico.
Sono noti dispositivi MEMS, tra cui ad esempio accelerometri, giroscopi o risonatori, che comprendono strutture sospese, ancorate ad un substrato mediante elementi elastici di sospensione, in modo da essere libere di effettuare uno o più movimenti indicativi di una o più grandezze da rilevare.
Tali dispositivi MEMS sono tipicamente realizzati, con tecniche di lavorazione dei materiali semiconduttori, a partire da una o più fette (wafer) di materiale semiconduttore, che vengono successivamente incapsulate all’interno di un package, ovvero di un contenitore o incapsulamento che fornisce la protezione, e definisce l’interfaccia meccanica ed elettrica, nei confronti dell’ambiente esterno.
In particolare, sono note soluzioni in cui le strutture sospese (che comprendono ad esempio una o più masse sospese, elettrodi ed elementi elastici di sospensione) sono disposte in posizione sepolta all’interno della fetta, racchiuse in cavità sepolte o ermetiche (sotto vuoto o ad una pressione controllata), in modo da risultare intrinsecamente protette da contaminazioni dall’ambiente esterno. Tali soluzioni risultano vantaggiose, ad esempio in termini dell’incapsulamento, che può infatti essere realizzato con tecniche tradizionali di incapsulamento tipiche dei semiconduttori (con fasi di processo cosiddette di “backend”).
Una soluzione nota di processo, cosiddetto “MEMS First™ Process” sviluppato e proposto dall’azienda SiTime, prevede che il dispositivo MEMS venga realizzato a partire da una fetta composita SOI (Silicon-On-Insulator), costituita da uno strato attivo, un distinto strato intermedio dielettrico ed un distinto substrato. La relativa struttura sospesa viene definita nello strato attivo della fetta SOI e successivamente rilasciata mediante rimozione selettiva di parte del sottostante strato intermedio dielettrico della stessa fetta SOI, in modo da risultare sospesa in una cavità. Tale cavità viene successivamente chiusa in modo ermetico, mediante la formazione di uno strato superficiale di copertura.
Tale soluzione presenta tuttavia alcune limitazioni, legate all’utilizzo di una fetta composita SOI, tra cui: un costo elevato; la difficoltà o impossibilità di integrazione “3d”, ovvero di realizzazione di impilamenti (stack) verticali di più dispositivi MEMS; la sensibilità a stress termomeccanici, in particolare provenienti dal package del dispositivo MEMS; la conseguente possibilità di degrado delle prestazioni nel tempo.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire una soluzione che consenta di superare gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un procedimento di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico ed un relativo dispositivo microelettromeccanico, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la Figura 1 mostra una sezione schematica di una fetta di materiale semiconduttore, in una fase iniziale di un procedimento di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico;
- le Figure 2A-2E mostrano sezioni schematiche della fetta in fasi successive di formazione di una cavità sepolta all’interno della stessa fetta;
- le Figure 3-10 mostrano sezioni schematiche della fetta in fasi successive di fabbricazione di una struttura sospesa del dispositivo microelettromeccanico, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;
- le Figure 11A-11B mostrano viste in pianta schematiche di due possibili differenti strutture sospese del dispositivo microelettromeccanico; e
- le Figure 12 e 13 mostrano sezioni schematiche di ulteriori forme di realizzazione del dispositivo microelettromeccanico secondo la presente soluzione.
Con riferimento dapprima alla Figura 1, un aspetto della presente soluzione prevede la realizzazione di un dispositivo microelettromeccanico a partire da una fetta 1 di materiale semiconduttore, in particolare silicio monocristallino, in cui è realizzata una cavità sepolta 2.
La fetta 1 è costituita da un corpo monolitico, ovvero da una regione compatta ed uniforme di materiale, in particolare silicio monocristallino, avente una superficie superiore 1a ed una superficie posteriore 1b, entrambe con estensione planare in un piano orizzontale xy definito da un primo e da un secondo asse orizzontale x, y, e separate da uno spessore lungo un asse verticale z definente con il primo e secondo asse orizzontale x, y una terna di assi cartesiani.
La cavità sepolta 2 è completamente contenuta all’interno della fetta 1, ed uno strato strutturale 3, di materiale semiconduttore, in particolare silicio monocristallino, è disposto in corrispondenza della superficie superiore 1a, sospeso al di sopra della stessa cavità sepolta 2; lo strato strutturale 3 presenta ad esempio uno spessore compreso tra 2 µm e 80 µm.
In particolare, la cavità sepolta 2 è separata dalla superficie superiore 1a della fetta 1 dal suddetto strato strutturale 3, che è formato da una porzione superficiale della stessa fetta 1, e dalla superficie posteriore 1b della fetta 1 da un substrato 4 della stessa fetta 1, compatto, omogeneo ed uniforme.
La cavità sepolta 2 forma dunque un ambiente sepolto, interamente contenuto ed isolato all’interno della fetta 1, non accessibile dall’esterno della stessa fetta 1.
Il procedimento di fabbricazione della cavità sepolta 2 viene eseguito con tecniche descritte in dettaglio ad esempio in EP 1 324 382 B1, a nome della stessa Richiedente.
In una fase iniziale del procedimento di fabbricazione, come illustrato schematicamente in Figura 2A, viene predisposta la fetta 1 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino, comprendente il substrato 4, avente una superficie anteriore 4a ed una superficie posteriore 4b (coincidente con la superficie posteriore 1b della fetta 1).
Come mostrato anche in Figura 2B (non in scala), sulla superficie anteriore 4a del substrato 4 viene realizzata una maschera di attacco 5, di materiale fotosensibile, cosiddetto “fotoresist”.
La maschera di attacco 5 definisce una area di attacco che corrisponde all’area che sarà occupata dalla cavità sepolta 2, e ha un’estensione corrispondente all’estensione dello strato strutturale 3 che sarà formato al di sopra della stessa cavità sepolta 2.
Come mostrato nel particolare ingrandito della Figura 2C, la maschera di attacco 5 comprende una pluralità di porzioni di maschera 5', ad esempio esagonali, che definiscono un reticolo, ad esempio a nido d’ape.
Quindi (si faccia riferimento alla Figura 2D, che, come la Figura 2C, rappresenta soltanto una porzione ingrandita della fetta 1, per ragioni di chiarezza di illustrazione), utilizzando la maschera di attacco 5 viene eseguito un attacco chimico anisotropo del substrato 4, in seguito al quale vengono formate trincee 6, comunicanti tra loro e delimitanti una pluralità di colonne 7.
In pratica, le trincee 6 formano una regione aperta di forma complessa (corrispondente al reticolo della maschera di attacco 4) nella quale si estendono le colonne 7 (di forma corrispondente alle porzioni di maschera 5').
Successivamente, la maschera di attacco 4 viene rimossa e viene eseguita una crescita epitassiale in ambiente deossidante (tipicamente, in atmosfera con elevata concentrazione di idrogeno, preferibilmente con triclorosilano-SiHCl3). Di conseguenza, uno strato epitassiale cresce al di sopra della superficie anteriore 4a ed in particolare al di sopra delle colonne 7 e chiude superiormente la suddetta regione aperta formata dalle trincee 6.
Viene quindi eseguita una fase di annealing termico, ad esempio per 30 minuti a 1190°C, preferibilmente in atmosfera riducente, tipicamente di idrogeno. La fase di annealing provoca una migrazione degli atomi di silicio che tendono a portarsi in una posizione di minore energia. Di conseguenza, e anche grazie alla distanza ravvicinata fra le colonne 7, gli atomi di silicio migrano completamente dalle porzioni delle colonne 7 presenti all’interno della suddetta regione aperta formata dalle trincee 6, e si forma, a partire da tale regione, una regione sepolta, come mostrato in Figura 2E (che mostra una porzione della fetta 1 corrispondente a quanto mostrato in Figura 2D).
In particolare, tale regione sepolta definisce la cavità sepolta 2 al cui interno si crea, per effetto delle fasi di processo descritte, un ambiente ad atmosfera controllata, contenente gas residuo (nell’esempio idrogeno e silano) ad una pressione desiderata.
Al di sopra della regione sepolta rimane uno strato di silicio monocristallino, costituito in parte da atomi di silicio cresciuti epitassialmente ed in parte da atomi di silicio migrati, che forma il suddetto strato strutturale 3 e definisce la porzione superficiale del corpo monolitico della fetta 1.
Come mostrato in Figura 3, il procedimento di fabbricazione del dispositivo MEMS, in seguito alla formazione della cavità sepolta 2 mediante le fasi precedentemente descritte, prosegue con lo scavo di una pluralità di trincee 10, che si estendono verticalmente attraverso l’intero spessore dello strato strutturale 3, a partire dalla superficie superiore 1a della fetta 1 fino a raggiungere la cavità sepolta 2 (tali trincee 10 sono dunque in comunicazione fluidica con la stessa cavità sepolta 2).
In particolare, le trincee 10 comprendono trincee di definizione 10a, disposte internamente allo strato strutturale 3, in modo da definire, come risulterà evidente ad un esperto del settore, elementi di quella che risulterà essere la struttura sospesa del dispositivo MEMS, ad esempio una o più masse sospese, elettrodi di azionamento e/o di rilevamento, elementi elastici di sospensione; ed inoltre trincee di isolamento 10b, disposte esternamente rispetto allo strato strutturale 3, in corrispondenza del perimetro dello stesso strato strutturale 3.
Successivamente, come mostrato in Figura 4, viene eseguita una fase di ossidazione termica della fetta 1, che porta alla formazione di uno strato di ossido 12, comprendente una regione sepolta 12a che riempie interamente la cavità sepolta 2 e le trincee 10 ed inoltre una regione superficiale 12b che riveste superiormente la fetta 1, al di sopra della superficie superiore 1a.
Successivamente, come mostrato in Figura 5, viene cresciuto e planarizzato uno strato di polisilicio 14, che ricopre interamente la regione superficiale 12b dello strato di ossido 12.
In seguito, Figura 6, lo strato di polisilicio 14 viene sottoposto ad attacco, per la formazione, attraverso il suo intero spessore fino alla regione superficiale 12b dello strato di ossido 12, di una pluralità di aperture 16, opportunamente disposte e spaziate tra loro, ad esempio uniformemente a reticolo, al di sopra dello strato strutturale 3. Tali aperture 16, ad esempio di forma quadrata in pianta, possono ad esempio avere lato compreso tra 1 µm e 5 µm.
Viene quindi eseguita, ad esempio mediante la stessa mascheratura utilizzata in precedenza per l’attacco, una deposizione di polisilicio poroso per la formazione, in maniera conforme all’interno delle suddette aperture 16, di regioni di rivestimento 18, a contatto delle pareti laterali e di fondo nelle stesse aperture 16 (si noti che tali regioni di rivestimento 18 non riempiono completamente le aperture 16).
In seguito, Figura 7, è eseguita una fase di rimozione dello strato di ossido 12, in particolare mediante attacco chimico, ad esempio tramite acido idrofluoridrico (HF), che attraversa le regioni di rivestimento 18. Tali regioni di rivestimento 18 risultano infatti permeabili al gas di attacco, consentendone l’introduzione all’interno della fetta 1.
La rimozione dello strato di ossido 12, ed in particolare di almeno parte della regione sepolta 12a e della regione superficiale 12b, porta al rilascio della struttura sospesa del dispositivo MEMS, che era stata in precedenza definita nello strato strutturale 3, la quale risulta così sospesa all’interno di un ambiente sepolto 20, formato dalla cavità sepolta 2 e dalle trincee di definizione 10a (che risultano ora aperte per la rimozione della regione sepolta 12a dello strato di ossido 12) e da uno spazio vuoto definito al di sopra della superficie superiore 1a in corrispondenza dello strato strutturale 3 (che risulta ora vuoto in seguito alla rimozione della regione superficiale 12b dello stesso strato di ossido 12).
Si noti che l’attacco dello strato di ossido 12 lascia integre regioni di isolamento 22 appartenenti allo stesso strato di ossido 12 (comprendenti una parte periferica rimanente della regione sepolta 12a e della regione superficiale 12b), che rimangono all’interno delle trincee di isolamento 10b e in corrispondenza di regioni periferiche della cavità sepolta 2, esternamente rispetto allo strato strutturale 3.
In seguito, Figura 8, lo strato di polisilicio 14 viene sottoposto ad un nuovo attacco, per la formazione, attraverso il suo intero spessore fino alla regione superficiale 12b rimanente dello strato di ossido 12 in corrispondenza di una o più delle suddette regioni di isolamento 22, di rispettive aperture di isolamento 13'.
Viene quindi eseguita, Figura 9, una fase di deposizione di ossido, per la formazione di uno strato di ossido di copertura 24, che viene formato uniformemente al di sopra della fetta 1, ricoprendo lo strato di polisilicio 14 ed in particolare riempiendo completamente le aperture 16, entrando a contatto con le regioni di rivestimento 18, e le aperture di isolamento 13', formando, in corrispondenza delle porzioni periferiche dello strato strutturale 3, regioni di isolamento 13, costituite da regioni spesse di ossido.
L’ambiente sepolto 20 risulta a questo punto completamente isolato all’interno della fetta 1, in maniera ermetica, essendo sotto vuoto o posto ad una pressione di valore controllato.
Lo strato di polisilicio 14 risulta inoltre elettricamente isolato rispetto alla sottostante fetta 1, ed in particolare rispetto allo strato strutturale 3 ed al substrato 4.
Il procedimento prosegue, Figura 10, con la definizione mediante attacco di aperture di contatto 26, per consentire il contatto elettrico verso la struttura sospesa del dispositivo MEMS e/o verso lo strato di polisilicio 14.
Nell’esempio, vengono definite almeno una prima apertura di contatto 26a, attraverso lo strato di ossido di copertura 24 ed una rispettiva regione di isolamento 13, fino a raggiungere la superficie superiore 1a della fetta 1, internamente (nel piano orizzontale xy) rispetto alle regioni di isolamento 22; ed almeno una seconda apertura di contatto 26b attraverso lo stesso strato di ossido di copertura 24 fino a raggiungere il sottostante strato di polisilicio 14, esternamente (nello stesso piano orizzontale xy) rispetto alle regioni di isolamento laterale 22.
Viene quindi deposto uno strato conduttivo, che viene in seguito opportunamente sagomato, ad esempio per attacco fotolitografico, per la formazione di contatti elettrici 28 all’interno delle aperture di contatto 26 precedentemente formate. Nell’esempio, si formano dunque almeno un primo contatto elettrico 28a, all’interno della prima apertura di contatto 26a, per il contatto elettrico della struttura sospesa del dispositivo MEMS (ad esempio di un relativo elettrodo o di una relativa massa inerziale sospesa) ed un secondo contatto elettrico 28b all’interno della seconda apertura 26b, per il contatto elettrico dello strato di polisilicio 14 (ad esempio di una relativa piazzola o pista conduttiva che può essere formata nello stesso strato di polisilicio 14).
Si definisce in tal modo un dispositivo MEMS, indicato con 30 nella suddetta Figura 10, in cui una struttura sospesa, indicata con 32, risulta sepolta ed isolata ermeticamente all’interno della fetta 1; i contatti elettrici 28 consentono il collegamento elettrico verso la stessa struttura sospesa 32, ad esempio per l’acquisizione di un segnale elettrico di variazione capacitiva, che può essere indicativo del movimento di una massa sospesa, ad esempio una massa inerziale, della stessa struttura sospesa 32.
Come indicato in precedenza, il dispositivo MEMS 30 può essere un dispositivo sensore, ad esempio un accelerometro, un giroscopio, o un risonatore destinato ad applicazioni di orologio in tempo reale (RTC – Real Time Clock).
La figura 11A mostra una vista in pianta schematica di una possibile forma di realizzazione della struttura sospesa 32 del dispositivo MEMS 30, in questo caso definente un accelerometro uniassiale.
La struttura sospesa 32 comprende in questo caso una massa inerziale 33, sospesa elasticamente all’interno dell’ambiente sepolto 20, mediante elementi elastici di sospensione 34, che collegano la stessa massa inerziale 33 ad ancoraggi 35, costituiti da regioni superficiali della fetta 1 circondate da regioni di isolamento 22.
La struttura sospesa 32 comprende inoltre elettrodi mobili 36, portati solidalmente dalla massa inerziale 33, ed elettrodi fissi 37, accoppiati capacitivamente (nel piano orizzontale xy) ed interdigitati agli elettrodi mobili 36; gli elettrodi fissi 37 sono solidalmente accoppiati a rispettive regioni della porzione superficiale della fetta 1 circondate da rispettive regioni di isolamento 22.
Come mostrato nella stessa Figura 11A, il dispositivo MEMS 30 comprende in questo caso contatti elettrici 28, realizzati attraverso rispettive aperture di contatto 26, per il contatto elettrico degli elettrodi fissi 37 e della massa inerziale 33 (e, di conseguenza, degli elettrodi mobili 36), in modo da consentire il rilevamento del segnale di variazione capacitiva del condensatore di rilevamento formato tra gli stessi elettrodi mobili e fissi 36, 37, indicativo del movimento della massa inerziale 33 nel piano orizzontale xy (nell’esempio, lungo il primo asse orizzontale x).
La figura 11B mostra una vista in pianta schematica di una ulteriore possibile forma di realizzazione della struttura sospesa 32 del dispositivo MEMS 30, in questo caso definente un risonatore di tipo cosiddetto “tuning fork”. La struttura sospesa 32 comprende in questo caso un primo ed un secondo braccio (o trave “beam”) 42a, 42b, tra loro paralleli, con estensione principale longitudinale, nell’esempio lungo il primo asse orizzontale x del piano orizzontale xy. Il primo ed il secondo braccio 42a, 42b presentano una prima estremità libera e sono raccordati in corrispondenza di una loro seconda estremità da un elemento trasversale di raccordo 44, avente estensione lungo il secondo asse orizzontale y; tale elemento trasversale di raccordo 44 è ancorato al substrato 4 mediante un ancoraggio 46, a cui è accoppiato mediante un elemento di collegamento 47. L’ancoraggio 46 è costituito da una regione superficiale della fetta 1 circondata da una regione di isolamento 22.
La struttura sospesa 32 comprende inoltre un primo ed un secondo elettrodo di azionamento 48a, 48b, disposti affacciati e paralleli rispettivamente al primo ed al secondo braccio 42a, 42b, esternamente rispetto agli stessi primo e secondo braccio 42a, 42b; ed un elettrodo di rilevamento 49, a sua volta affacciato e parallelo al primo ed al secondo braccio 42a, 42b, internamente rispetto agli stessi primo e secondo braccio 42a, 42b (si noti che gli elettrodi di azionamento 48a, 48b, l’elettrodo di rilevamento 49 ed i bracci 42a, 42b sono formati tutti a partire dallo stesso strato strutturale 3).
Il primo ed il secondo elettrodo di azionamento 48a, 48b e l’elettrodo di rilevamento 49 sono ancorati al substrato 4 del dispositivo MEMS 30, mediante rispettivi ancoraggi 46, anch’essi costituiti da regioni superficiali della fetta 1 circondate da regioni di isolamento 22.
In uso, l’applicazione di una opportuna tensione di polarizzazione tra gli elettrodi di azionamento 48a, 48b ed il primo e il secondo braccio 42a, 42b della struttura sospesa 32 provoca un movimento di deformazione per flessione dei relativi primo e secondo braccio 42a, 42b, alla frequenza di risonanza (l’azionamento eccita il modo di vibrazione in anti-fase dei bracci 42a, 42b).
Il conseguente avvicinamento/allontanamento rispetto all’elettrodo di rilevamento 49 provoca una variazione dell’accoppiamento capacitivo e la generazione di un associato segnale elettrico, anch’esso alla frequenza di risonanza, che può quindi essere rilevato ed elaborato in maniera opportuna da un circuito elettronico associato al dispositivo MEMS 30.
A tal fine, come mostrato nella stessa Figura 11B, il dispositivo MEMS 30 comprende anche in questo caso contatti elettrici 28, realizzati attraverso rispettive aperture di contatto 26, per il contatto elettrico degli elettrodi di azionamento 48a, 48b, dell’elettrodo di rilevamento 49 e del primo e secondo braccio 42a, 42b, in modo da consentire il rilevamento del segnale di variazione capacitiva.
Con riferimento alla Figura 12, viene ora descritto un ulteriore aspetto della presente soluzione, che prevede la possibilità di realizzare in maniera impilata un’ulteriore struttura sospesa 32' del dispositivo MEMS 30 al di sopra della struttura sospesa 32 sepolta ed isolata all’interno della fetta 1, con tecniche cosiddette di “stacking 3d”.
L’ulteriore struttura sospesa 32' può essere realizzata con processi di microlavorazione superficiale, per esempio utilizzando il cosiddetto processo ThELMA (Thick Epipoly Layer for Microactuators and Accelerometers).
In particolare, il procedimento di fabbricazione prevede in tal caso, al temine delle fasi di processo descritte in precedenza per la formazione della struttura sospesa 32, sepolta ed isolata all’interno della fetta 1, la deposizione di un ulteriore strato di polisilicio 50 al di sopra dello strato di ossido di copertura 24; tale strato di polisilicio 50 viene quindi modellato (operazione cosiddetta di “patterning”) mediante processo fotolitografico per la definizione di interconnessioni elettriche orizzontali (destinate ad esempio alla realizzazione di piazzole di contatto e di associate piste elettriche).
Viene quindi deposto e modellato un ulteriore strato sacrificale 52, di ossido di silicio, al di sopra del suddetto strato di polisilicio 50; successivamente, viene eseguita una crescita epitassiale di un ulteriore strato strutturale 54, ad esempio costituito di polisilicio, destinato alla formazione dell’ulteriore struttura sospesa 32' e di relativi elementi di ancoraggio (che si estendono attraverso aperture precedentemente definite nello strato sacrificale 52 fino a contattare lo strato di polisilicio 50).
Vengono quindi formate opportune metallizzazioni di contatto 56, attraverso un ulteriore strato di ossido di copertura 57, che ricopre lo strato strutturale 54.
Lo strato strutturale 54 viene quindi definito mediante attacco di trincea (trench etching), per la formazione di opportune trincee 55, che definiscono quelli che saranno elementi sospesi della suddetta struttura sospesa (ad esempio una o più masse sospese, elettrodi di rilevamento accoppiati capacitivamente, ed elementi elastici di sospensione).
Quindi, viene eseguita la rimozione dell’ossido dello strato sacrificale 52 mediante attacco chimico eseguito attraverso le trincee 55, per il rilascio degli elementi sospesi.
Attraverso le suddette metallizzazioni di contatto 56 può così essere rilevato un ulteriore segnale di variazione capacitiva, indicativo del movimento della massa sospesa della struttura sospesa dell’ulteriore struttura sospesa 32'.
Ad esempio, tale ulteriore struttura sospesa 32' può definire un accelerometro, in particolare di tipo biassiale, destinato a formare con la struttura sospesa 32, in questo caso definente un accelerometro uniassiale, un sistema di rilevamento di accelerazione triassiale, estremamente compatto in direzione verticale.
Secondo ancora un ulteriore aspetto della presente soluzione, illustrato con riferimento alla Figura 13, il procedimento di fabbricazione può prevedere la realizzazione della struttura sospesa 32 del dispositivo MEMS 30 in una porzione della fetta 1, che risulta essere elasticamente isolata rispetto al substrato 4, in modo tale da isolare la stessa struttura sospesa 32 dalle sollecitazioni termomeccaniche provenienti dallo stesso substrato 4 (ad esempio provenienti da un relativo package, qui non illustrato).
In questa forma di realizzazione, il procedimento di fabbricazione prevede in primo luogo la realizzazione di una cavità sepolta profonda 60, ad una profondità rispetto alla superficie superiore 1a della fetta 1 maggiore della profondità della cavità sepolta 2; tale cavità sepolta profonda 60 presenta inoltre una estensione nel piano orizzontale xy maggiore della corrispondente estensione della cavità sepolta 2.
La cavità sepolta profonda 60 può essere realizzata con fasi iniziali di processo del tutto analoghe a quanto descritto in precedenza per la formazione della cavità sepolta 2; la stessa cavità sepolta 2 può essere in seguito formata, con le fasi precedentemente descritte, nello strato epitassiale cresciuto a chiusura della cavità sepolta profonda 60.
Il procedimento di fabbricazione del dispositivo MEMS 30 prosegue quindi in maniera del tutto analoga a quanto illustrato in precedenza, in particolare per la formazione della struttura sospesa 32, sepolta nella fetta 1 all’interno dell’ambiente sepolto 20.
Al termine delle fasi di processo descritte, vengono in questo caso aperte trincee di isolamento profondo 62, esternamente rispetto allo strato strutturale 3 della struttura sospesa 32 e delle regioni di isolamento 22 dello strato di ossido 12, tali da raggiungere in profondità la cavità sepolta profonda 60; tali trincee di isolamento profondo 62 definiscono, tra loro, elementi elastici di isolamento 64, aventi elevata rigidità (avendo dimensione principale compresa tra 5 µm e 80 µm), che collegano elasticamente la porzione della fetta 1 in cui è realizzato il dispositivo MEMS 30 al substrato 4, in tal modo realizzandone l’isolamento elastico.
Come mostrato nella stessa Figura 13, in questo caso, ulteriori contatti elettrici 28' possono essere formati esternamente rispetto alla porzione della fetta 1 isolata elasticamente, ed opportuni percorsi conduttivi 66 possono essere formati al di sopra degli elementi elastici di isolamento 64 (in particolare, al di sopra dello strato di ossido di copertura 24), ad esempio per collegare elettricamente i contatti elettrici 28 del dispositivo MEMS 30 ai suddetti ulteriori contatti elettrici 28'. Vantaggiosamente, tali ulteriori contatti elettrici 28' possono essere impiegati per operazioni di bonding elettrico, che possono essere realizzate esternamente alla porzione di fetta 1 in cui è realizzata la struttura sospesa 32, non influenzandone in tal modo l’operatività.
I vantaggi della presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In ogni caso, si evidenzia nuovamente che tale soluzione consente la realizzazione, a partire da una fetta 1 di materiale semiconduttore, di un dispositivo MEMS 30 dotato di una struttura sospesa 32 completamente sepolta all’interno della stessa fetta 1, mediante un processo che presenta costi e complessità ridotti rispetto alle soluzioni note.
Inoltre, la soluzione descritta consente la realizzazione di impilamenti verticali (stack) tra la struttura sospesa 32 del dispositivo MEMS 30 ed una o più ulteriori strutture sospese 32', disposte al di sopra della stessa struttura sospesa 32 e formate con fasi di lavorazione superficiali, ad esempio con la tecnica THELMA. Tali fasi di lavorazione vengono vantaggiosamente eseguite al di sopra di uno strato di ossido di copertura 24 che ricopre e protegge la sottostante struttura sospesa 32 del dispositivo MEMS 30, che non risulta dunque influenzata negativamente dalle stesse fasi di lavorazione.
La soluzione descritta consente inoltre di realizzare un disaccoppiamento meccanico del dispositivo MEMS 30 e della relativa struttura sospesa 32, mediante la formazione di una cavità sepolta profonda 60, ad una maggiore profondità rispetto alla cavità sepolta 2 della stessa struttura sospesa 32, e di relativi elementi di disaccoppiamento meccanico 64 che disaccoppiano elasticamente la struttura sospesa 32 dal substrato 4 della fetta 1.
Risulta infine chiaro che a quanto descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, è evidente che la struttura sospesa 32 del dispositivo MEMS 30 può differire rispetto a quanto descritto a titolo di esempio, comprendendo ad esempio ulteriori o differenti elementi sospesi, masse inerziali, elettrodi o elementi elastici, disposti in maniera opportuna in funzione della particolare applicazione, lo stesso dispositivo MEMS 30 potendo definire un differente sensore inerziale, ad esempio un giroscopio o accelerometro mono, bi- o tri-assiale, in maniera che risulterà peraltro evidente per un tecnico del settore.
Analogamente, possono inoltre essere realizzati impilamenti di ulteriori strutture sospese 32, 32', anche differenti da quanto illustrato in precedenza a titolo di esempio.

Claims (20)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo microelettromeccanico (30), comprendente le fasi di: predisporre una fetta (1) di materiale semiconduttore; formare una cavità sepolta (2), completamente contenuta all’interno della fetta (1), una porzione superficiale della fetta (1) definendo uno strato strutturale (3) sospeso al di sopra della cavità sepolta (2); formare prime trincee (10a) attraverso detto strato strutturale (3) fino a detta cavità sepolta (2), atte a definire una struttura sospesa (32) in detto strato strutturale (32); riempire dette prime trincee (10a) e detta cavità sepolta (2) con materiale sacrificale; formare una struttura di chiusura (14, 24) al di sopra di detto strato strutturale (3); rimuovere detto materiale sacrificale da detta cavità sepolta (2) e da dette prime trincee (10a) per rilasciare detta struttura sospesa (32), detta struttura sospesa (32) essendo isolata e sepolta all’interno di detta fetta (1) in un ambiente sepolto (20) formato da detta cavità sepolta (2) e dette prime trincee (10a).
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui formare la cavità sepolta (2) comprende: scavare trincee (6) delimitanti fra loro colonne (7) di materiale semiconduttore; crescere epitassialmente, a partire da dette colonne (7), uno strato epitassiale di materiale semiconduttore, detto strato chiudendo superiormente dette trincee (6); ed eseguire un trattamento termico tale da causare la migrazione del materiale semiconduttore di dette colonne (7) verso detto strato epitassiale, formando detta cavità sepolta (2) ed inoltre, contestualmente, detto strato strutturale (3) sospeso al di sopra di detta cavità sepolta (2).
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui formare detta struttura di chiusura (14, 24) comprende formare uno strato di chiusura (14) al di sopra di detto strato strutturale (3), in seguito alla fase di riempire; comprendente inoltre formare aperture (16) attraverso un intero spessore di detto strato di chiusura (14) e rivestire dette aperture con regioni di materiale poroso (18); in cui rimuovere detto materiale sacrificale comprende eseguire un attacco chimico di detto materiale sacrificale attraverso dette regioni di materiale poroso (18).
  4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui detto strato di chiusura (14) è costituito di polisilicio e dette regioni di materiale poroso (18) sono costituite di polisilicio poroso.
  5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui formare detta struttura di chiusura (14, 24) comprende inoltre, dopo detta fase di rimuovere detto materiale sacrificale, formare uno strato di copertura (24), di materiale isolante, al di sopra di detto strato di chiusura (14), che copre completamente dette aperture (16).
  6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre formare, insieme a dette prime trincee (10a), seconde trincee (10b) attraverso detto strato strutturale (3) fino a detta cavità sepolta (2), esternamente rispetto a detto strato strutturale (3); in cui riempire comprende riempire dette seconde trincee (10b) con detto materiale sacrificale ed in cui, in seguito a detta fase di rimuovere detto materiale sacrificale, regioni di isolamento (22) rimangono all’interno di dette trincee di isolamento (10b) e in corrispondenza di regioni periferiche della cavità sepolta (2), esternamente rispetto allo strato strutturale (3).
  7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, comprendente inoltre formare contatti (28) attraverso detta struttura di copertura (14, 24), atti a contattare elettricamente detta struttura sospesa (32), internamente rispetto a dette regioni di isolamento (22).
  8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre formare in maniera impilata un’ulteriore struttura sospesa (32'), al di sopra della struttura sospesa (32) sepolta ed isolata all’interno della fetta (1).
  9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui formare detta ulteriore struttura sospesa (32') comprende: depositare e definire uno strato conduttivo (50) al di sopra della struttura di copertura (14, 24); depositare e definire uno strato sacrificale (52) al di sopra dello strato conduttivo (50); crescere epitassialmente un ulteriore strato strutturale (54) al di sopra dello strato sacrificale (52); attaccare detto ulteriore strato strutturale (54) per la formazione di trincee (55) attraverso detto ulteriore strato strutturale (54) e la definizione dell’ulteriore struttura sospesa (32'); e rimuovere detto strato sacrificale (52) attraverso dette trincee (55), per il rilascio di detta ulteriore struttura sospesa (32').
  10. 10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre formare detta cavità sepolta (2) e detto strato strutturale (3) in una porzione della fetta (1) isolata elasticamente da un substrato (4) di detta fetta (1).
  11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, comprendente inoltre: prima di formare detta cavità sepolta (2) e detto strato strutturale (3), formare una cavità sepolta profonda (60), ad una profondità nella fetta (1) maggiore della profondità di detta cavità sepolta (2) ed avente una estensione in un piano orizzontale (xy), trasversale rispetto ad una direzione di detta profondità, maggiore della corrispondente estensione della cavità sepolta (2); e, in seguito al rilascio di detta struttura sospesa (32), formare trincee di isolamento profondo (62), esternamente rispetto allo strato strutturale (3), tali da raggiungere in profondità la cavità sepolta profonda (60) e da definire, tra loro, elementi elastici di isolamento (64), configurati in modo da accoppiare elasticamente detta porzione isolata al substrato (4) di detta fetta (1), in tal modo realizzandone l’isolamento elastico.
  12. 12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo MEMS (30) definisce uno o più tra: un accelerometro; un giroscopio; un risonatore.
  13. 13. Dispositivo microelettromeccanico (30) comprendente: un corpo monolitico (1) di materiale semiconduttore; una cavità sepolta (2), completamente contenuta all’interno del corpo monolitico (1), ed uno strato strutturale (3) formato da una porzione superficiale del corpo monolitico (1), sospeso al di sopra della cavità sepolta (2); prime trincee (10a), attraversanti detto strato strutturale (3) fino a detta cavità sepolta (2) e definenti una struttura sospesa (32) in detto strato strutturale (3); ed una struttura di chiusura (14, 24), disposta al di sopra di detto strato strutturale (3), in modo tale che detta struttura sospesa (32) è isolata e sepolta all’interno di detto corpo monolitico (1), in un ambiente sepolto (20) formato da detta cavità sepolta (2) e dette prime trincee (10a).
  14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detto corpo monolitico (1) è costituito da una regione compatta ed uniforme di silicio monocristallino, e detta cavità sepolta (2) è separata da una superficie superiore (1a) di detto corpo monolitico (1) dallo strato strutturale (3), e da una superficie posteriore di detto corpo monolitico (1) da un substrato (4), compatto, omogeneo ed uniforme, formando, insieme a dette prime trincee (10a) detto ambiente sepolto (20), interamente contenuto ed isolato all’interno del corpo monolitico (1).
  15. 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 13 o 14, comprendente inoltre regioni di isolamento (22), disposte all’interno di trincee di isolamento (10b) ed in corrispondenza di regioni periferiche della cavità sepolta (2), dette trincee di isolamento (10b) essendo disposte esternamente a detto strato strutturale (3), a partire da una superficie superiore (1a) di detto corpo monolitico (1) fino a detta cavità sepolta (2).
  16. 16. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-15, comprendente inoltre contatti (28), attraversanti detta struttura di copertura (14, 24), atti a contattare elettricamente detta struttura sospesa (32) e disposti internamente rispetto a dette regioni di isolamento (22).
  17. 17. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-16, comprendente inoltre un’ulteriore struttura sospesa (32'), disposta in maniera impilata al di sopra della struttura sospesa (32) sepolta ed isolata all’interno del corpo monolitico (1).
  18. 18. Dispositivo secondo la rivendicazione 17, in cui detta ulteriore struttura sospesa (32') comprende: uno strato conduttivo (50) al di sopra della struttura di copertura (14, 24); uno strato sacrificale (52) al di sopra dello strato conduttivo (50); ed uno strato strutturale (54) al di sopra dello strato sacrificale (52), in cui trincee (55), attraversanti detto ulteriore strato strutturale (54), definiscono detta ulteriore struttura sospesa (32').
  19. 19. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-18, in cui detta cavità sepolta (2) e detto strato strutturale (3) sono disposti in una porzione di detto corpo monolitico (1), isolata elasticamente da un relativo substrato (4).
  20. 20. Dispositivo secondo la rivendicazione 19, comprendente inoltre: una cavità sepolta profonda (60), disposta ad una profondità rispetto ad una superficie superiore (1a) del corpo monolitico (1) maggiore della profondità di detta cavità sepolta (2) ed avente una estensione in un piano orizzontale (xy), trasversale rispetto ad una direzione di detta profondità, maggiore della corrispondente estensione della cavità sepolta (2); e trincee di isolamento profondo (62), disposte esternamente rispetto allo strato strutturale (3), che raggiungono in profondità la cavità sepolta profonda (60) e definiscono, tra loro, elementi elastici di isolamento (64), configurati in modo da accoppiare elasticamente la porzione isolata al substrato (4) di detto corpo monolitico (1), in tal modo realizzandone l’isolamento elastico.
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