IT202000011755A1 - Procedimento di fabbricazione di un dispositivo micro-elettro-meccanico, in particolare sensore di movimento con comando/rilevazione di tipo capacitivo, e relativo dispositivo mems - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE DI UN DISPOSITIVO MICRO-ELETTRO-MECCANICO, IN PARTICOLARE SENSORE DI MOVIMENTO CON COMANDO/RILEVAZIONE DI TIPO CAPACITIVO, E RELATIVO DISPOSITIVO MEMS?

La presente invenzione ? relativa ad un procedimento di fabbricazione di un dispositivo micro-elettro-meccanico (MEMS), in particolare un sensore di movimento con comando/rilevazione di tipo capacitivo e al relativo dispositivo MEMS.

Specificamente, il dispositivo MEMS considerato comprende due strati strutturali sovrapposti formanti almeno una struttura mobile nel piano di uno degli strati strutturali o fuori dal piano (cosiddette strutture mobili ?in-plane? o ?out-of-plane?); la struttura mobile pu? ad esempio costituire un sensore di rilevamento in Z ed essere dotata di una prima massa o di primi elettrodi mobili formati in uno degli strati strutturali, oscillabili attorno ad un asse orizzontale e accoppiati capacitivamente ad una seconda massa o a secondi elettrodi fissi formati nell'altro strato strutturale.

Nella descrizione che segue, in particolare, si far? riferimento ad un sensore di movimento MEMS e alle problematiche per la sua fabbricazione; tuttavia la presente invenzione ? applicabile in generale ad altri tipi di dispositivi MEMS.

Ad esempio, il dispositivo MEMS pu? comprendere una o pi? delle seguenti strutture, singole o accoppiate fra loro (combo): accelerometro, giroscopio, geofono, inclinometro e risonatore. Inoltre, il dispositivo MEMS pu? costituire un attuatore MEMS.

Dispositivi micromeccanici di questo tipo trovano ampia utilizzazione in applicazioni consumer, automobilistici e industriali.

Come noto, nella progettazione di questo tipo di dispositivi, esistono diversi aspetti da prendere in considerazione, fra i quali i pi? rilevanti sono:

1) Riduzione delle dimensioni del dispositivo, allo scopo di ridurre i costi di fabbricazione e migliorare l'integrazione del dispositivo stesso in apparecchi portabili, in modo che il dispositivo abbia basso impatto sia dal punto di vista del costo che dello spazio occupato (basso ?footprint?):

2) Miglioramento della sensibilit?, ovvero elevato rapporto fra la variazione del segnale rilevato e l'andamento della grandezza fisica monitorata (accelerazione/rotazione) ovvero fra il movimento eseguito e il segnale di comando, nel caso di attuatori;

3) Stabilit? delle prestazioni in presenza di stress meccanici derivanti dall'incapsulamento, dai processi di saldatura (?soldering?) o dalla temperatura;

4) Robustezza meccanica in caso cadute e urti.

Attualmente, dispositivi di questo tipo vengono realizzati utilizzando tecnologie di tipo diverso. Ad esempio, la Richiedente ha sviluppato una tecnologia che prevede la crescita di uno strato epitassiale spesso (che costituisce lo strato strutturale in cui vengono definite le strutture di rilevamento o di attuazione) al di sopra di uno strato sacrificale che viene rimosso alla fine della fabbricazione mediante vapori di acido fluoridrico.

Le figure 1 e 2 mostrano ad esempio un generico sensore MEMS 1 realizzabile con tale processo, e che prevede formare, su un substrato 2, ad esempio di silicio monocristallino, un strato dielettrico (che forma in parte uno strato isolante 3); formare, sullo strato dielettrico, regioni conduttive 4 (costituenti elettrodi e interconnessioni); crescere, al di sopra dello strato dielettrico e delle regioni conduttive 4, uno strato sacrificale (una cui parte ? visibile in figura 1 e costituisce, insieme allo strato dielettrico, lo strato isolante 3); attaccare chimicamente (?etching?) lo strato sacrificale in corrispondenza delle zone in cui si desidera formare elementi di ancoraggio al substrato 2; effettuare una crescita epitassiale di silicio policristallino, formando ancoraggi 5 e uno strato strutturale 6; effettuare un attacco chimico secco del silicio (?dry silicon etch?) per la definizione di una struttura MEMS 7 nello strato strutturale; e rimuovere selettivamente lo strato sacrificale mediante attacco chimico, per il rilascio di elementi mobili della struttura MEMS 7. Ad esempio, la figura 2 mostra la struttura di primi e secondi elettrodi fissi 8A, 8B (indicati genericamente con 8 in figura 1) ed elettrodi mobili 9 di tipo interdigitato, che formano la struttura MEMS 7, qui una struttura di rilevamento di tipo capacitivo.

Il processo tipicamente comprende inoltre fasi finali includenti la realizzazione di regioni metalliche di connessione 10, e il fissaggio di un cappuccio 11 attraverso uno strato di adesivo 12 (?bonding layer?, ad esempio di glassfrit).

In particolare, il cappuccio 11 pu? essere realizzato anch'esso di materiale semiconduttore, a partire da una fetta di silicio lavorata, in modo da presentare strutture ausiliarie. Ad esempio, in figura 1, il cappuccio 11 ? scavato in corrispondenza degli elettrodi 8A, 8B e 9 e presenta porzioni sporgenti 14 dirette verso la struttura MEMS 7 e costituenti degli arresti al movimento verticale della struttura MEMS 7 (cosiddetti Z stopper).

Il cappuccio 11 ha una funzione di sigillatura, anche ermetica, ed ha lo scopo di proteggere la struttura MEMS 7 nei confronti dell'ambiente esterno (umidit?, polvere, ecc.), nonch? da urti. La sua realizzazione a partire da una fetta di materiale semiconduttore consente di utilizzare tecnologie di processo di back-end quali test, taglio, incapsulamento e di ottenere prestazioni uniformi e durata nel tempo del dispositivo incapsulato.

Il processo sopra descritto processo ha consentito di realizzare dispositivi inerziali e in particolare sensori di movimento (quali accelerometri, giroscopi) con elevate caratteristiche elettriche, meccaniche e affidabilistiche, a costi ridotti, che ne hanno determinato un rilevante successo commerciale, ma ? suscettibile di miglioramento.

Ad esempio, l'efficacia e la operativit? degli arresti verticali (porzioni sporgenti 14) ? legata allo spessore dello strato di adesivo 12 (tipicamente, 5-7 ?m), ottimizzato rispetto alla propria funzione adesiva, e quindi non sempre rispetto alla limitazione del movimento verticale desiderata.

Inoltre, tale soluzione non consente di impilare due strutture di rilevamento nello stesso dispositivo incapsulato. Di conseguenza, quando l'apparecchio che utilizza il dispositivo incapsulato prevede l'uso di pi? dispositivi, di tipo differente o destinati al rilevamento su differenti assi, i vari dispositivi vengono disposti adiacenti su un supporto (ad esempio una piastra ?board?) o impilati fra loro, con conseguente occupazione di spazio.

Inoltre, la possibilit? di limitare il movimento verticale (fuori dal piano) della struttura MEMS 7 ? limitata dallo spessore dello strato di adesivo 12, legato a considerazioni implementative non legate alla funzione di arresto e quindi non sempre ottimizzato rispetto a valori desiderati del movimento permesso.

La domanda di brevetto US 2013/0043548 descrive un procedimento di fabbricazione che prevede realizzare, al di sopra di un primo strato isolante estendentesi su substrato, un primo strato funzionale micromeccanico, di polisilicio, che viene quindi sagomato in modo da formare trincee di delimitazione di dimensioni tali da poter essere riempite successivamente di un secondo strato isolante e formare, fra l'altro, strutture a pilastro. Quindi, parte del primo strato funzionale micromeccanico compreso fra le strutture a pilastro viene selettivamente rimosso, in modo da formare cavit?; al di sopra delle porzioni rimanenti del primo strato funzionale micromeccanico (includente regioni di contatto) e delle strutture a pilastro viene formato un terzo strato isolante che viene selettivamente rimosso in modo da esporre localmente le regioni di contatto. Quindi viene formato un secondo strato funzionale micromeccanico che, nelle zone dove ? stato rimosso il secondo strato isolante, ? in contatto elettrico diretto con le regioni di contatto. Il secondo strato funzionale micromeccanico viene poi definito per formare aperture di accesso agli strati inferiori; infine il terzo strato isolante, il secondo strato isolante, le strutture a pilastro e il primo strato isolante vengono selettivamente rimossi.

Anche questo processo soffre per? di limitazioni, dovute al fatto che il primo strato funzionale micromeccanico presenta altezza limitata dalla capacit? delle strutture a pilastro di supportare il secondo strato funzionale micromeccanico al di sopra delle cavit? e della criticit? delle strutture a pilastro stesse, che hanno larghezza ridotta (dovuta alla larghezza delle trincee in essi sono fabbricati). Infatti, come enfatizzato in tale documento, le trincee in cui sono realizzate le strutture a pilastro devono essere molto sottili, il che pu? dare origine a difficolt? di riempimento, con formazione di strutture a pilastro difettose, che possono causare la rimozione di alcune porzioni di silicio policristallino in aree dove queste dovrebbero essere presenti, durante il processo di rimozione selettivo del primo polisilicio stesso e la deposizione di polisilicio nelle trincee difettose in aree dove questo ? indesiderato. Inoltre, la sottigliezza delle strutture a pilastro ne limita l'altezza.

Scopo della presente invenzione ? quindi mettere a disposizione una soluzione che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un procedimento di fabbricazione di un dispositivo MEMS e un relativo dispositivo MEMS, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 ? una sezione trasversale di un sensore capacitivo MEMS noto;

- la figura 2 ? una vista prospettica, con parti asportate, del sensore di figura 1;

- la figura 3 ? una sezione trasversale di una forma di realizzazione del presente dispositivo MEMS;

- le figure 4-12 sono viste in sezione trasversale di una fetta di materiale semiconduttore in successive fasi di fabbricazione del dispositivo MEMS di figura 3, secondo una forma di realizzazione;

- le figure 13A e 13B mostrano varianti di una porzione del dispositivo MEMS di figura 3; e

- le figure 14-16 mostrano varianti delle fasi delle figure 10-12, secondo una diversa forma di realizzazione del presente procedimento.

La figura 3 mostra un dispositivo MEMS 30 comprendente un substrato 31; uno strato isolante 32 al di sopra del substrato 31; regioni conduttive 33 al di sopra e parzialmente all'interno dello strato isolante 32; una prima struttura micromeccanica 35, qui un sensore di tipo differenziale per movimento fuori dal piano (ad esempio un accelerometro in Z o un giroscopio con movimento di beccheggio (pitch) e di rollio (roll), avente una coppia di elettrodi superiori 36A, 36B ed una coppia di elettrodi inferiori 37A, 37B; una struttura di arresto in Z (?Z-stopper?) 38; una seconda struttura micromeccanica 40, ad esempio un giroscopio o un accelerometro di spessore ridotto, ed un cappuccio 44, fissato ad una porzione fissa 45 del dispositivo MEMS 30 attraverso uno strato di adesivo 46.

La prima e la seconda struttura micromeccanica 35, 40, la struttura di arresto in Z 38 e la porzione fissa 45 sono formate da due strati strutturali cresciuti epitassialmente uno sull'altro (primo e secondo strato epitassiale 41, 42), come descritto in dettaglio qui di seguito con riferimento alle figure 4-15.

La figura 4 mostra una fetta 50 comprendente il substrato 31 di materiale semiconduttore, quale silicio monocristallino; un primo strato dielettrico 51, ad esempio di ossido di silicio, estendentesi al di sopra del substrato 31; le regioni conduttive 33, ad esempio di silicio policristallino deposto, estendentisi al di sopra del primo strato dielettrico 51; un primo strato sacrificale 53, ad esempio di ossido di silicio cresciuto termicamente o deposto, che si estende al di sopra delle regioni conduttive 33 e del primo strato dielettrico 51; e il primo strato epitassiale 41, di silicio, al di sopra del primo strato sacrificale 53.

Al di sopra delle regioni conduttive 33, il primo strato sacrificale 53 presenta prime aperture di ancoraggio 55 ottenute tramite una fase di mascheratura e attacco chimico e nelle quali sono presenti porzioni di ancoraggio 56 formate dal primo strato epitassiale 41. Le porzioni di ancoraggio 56 formano inoltre strutture di contatto elettrico e di polarizzazione delle strutture micromeccaniche 35, 40 nonch? di eventuali altre regioni e strutture del dispositivo MEMS 30.

Il primo strato epitassiale 41 ha uno spessore legato alle strutture micro-elettro-meccaniche desiderate, che pu? essere compreso ad esempio fra 2 e 80 ?m. Dopo la crescita epitassiale, il primo strato epitassiale 41 viene planarizzato e portato allo spessore finale desiderato, ad esempio tramite CMP (Chemical Mechanical Polishing).

In figura 5, il primo strato epitassiale 41 viene attaccato per definire porzioni inferiori delle strutture desiderate e di altre regioni previste. A tale scopo, la fetta 50 viene coperta da una maschera di resist non mostrata (prima maschera trincee) e sottoposta ad un attacco secco ("dry"), formando prime trincee 58, che attraversano completamente il primo strato epitassiale 41. Le prime trincee 58 sono di tipo sottile, a minima larghezza (ad esempio di 2 ?m). L'attacco si ferma automaticamente sul primo strato sacrificale 53 e porta alla definizione qui degli elettrodi inferiori 37A, 37B e di elettrodi della seconda struttura micromeccanica 40 nonch? di altre strutture. In particolare, in questa fase, viene realizzata una trincea (indicata con 58') per la delimitazione della prima struttura di arresto in Z 38, cos? come di eventuali altre regioni la cui definizione non pu? essere effettuata (almeno completamente) attraverso il secondo strato epitassiale 42.

Quindi, figura 6, viene deposto un secondo strato sacrificale 60, ad esempio di TEOS (TetraEtilOrtoSilicato) per uno spessore compreso, ad esempio, fra 1 e 2 ?m. Il secondo strato sacrificale 60 riempie parzialmente le prime trincee 58, ad esempio per un terzo della loro profondit? (ad esempio per 5-10 ?m), sebbene tale riempimento, nonch? l'entit? e la profondit? di riempimento non siano importanti. Il secondo strato sacrificale 60 viene quindi planarizzato.

In figura 7, il secondo strato sacrificale 60 viene assottigliato in zone in cui si desidera avere porzioni del secondo strato epitassiale 42 sporgenti verso il basso o a distanza ridotta dal primo strato epitassiale 41, come sotto descritto. A tale scopo, usando uno strato di mascheratura non mostrato (maschera di bump) viene eseguito un attacco mascherato, ad esempio a tempo in modo di per s? noto, per formare incavi 61. Qui, gli incavi 61 si estendono ad esempio al di sopra degli elettrodi inferiori 37A, 37B, in zone dove si desidera che la distanza fra gli elettrodi inferiori 37A, 37B e gli elettrodi superiori 36A, 36B sia ridotta (figura 3), per delimitare le aree di contatto che limitano gli spostamenti fuori piano (bump) e per aumentare la capacit? fuori piano nelle aree di rilevamento in Z. Analogamente, e in modo non mostrato, gli incavi 61 possono essere realizzati in altre zone del dispositivo dove desiderato, come discusso in dettaglio in seguito.

In figura 8, il secondo strato sacrificale 60 viene ulteriormente attaccato e rimosso selettivamente per il suo intero spessore, usando uno strato di mascheratura non mostrato (seconda maschera di ancoraggio), formando aperture di ancoraggio 62. L'attacco del secondo strato sacrificale 60 porta alla formazione di regioni di mascheratura hard 60' e termina automaticamente sul primo strato epitassiale 41. In generale, le seconde aperture di ancoraggio 62 vengono realizzate nelle zone dove si desira formare regioni di connessione fra il primo e il secondo strato epitassiale 41, 42. In particolare, qui, le seconde aperture di ancoraggio 62 sono formate nelle zone in cui il secondo epitassiale 42 viene ancorato al primo strato epitassiale 41, nelle zone in cui ? desiderato formare trincee larghe nel primo e nel secondo strato epitassiale 41, 42 nonch? in zone in cui si desidera formare strutture di allineamento. Inoltre, le regioni di mascheratura hard 60' hanno lo scopo di consentire la definizione di strutture formate solo nel primo strato epitassiale 41 e delimitate da trincee larghe, come discusso sotto.

In particolare, per effetto degli incavi 61, le regioni di mascheratura hard 60' presentano due spessori diversi: uno spessore maggiore pari a quello del secondo strato sacrificale 60, e uno spessore minore in corrispondenza degli incavi 61.

Successivamente, figura 9, viene cresciuto il secondo strato epitassiale 42, per uno spessore anche qui legato alle strutture micro-elettro-meccaniche desiderate, e che pu? essere compreso anche qui fra 2 e 80 ?m. In generale, il secondo strato epitassiale 42 pu? essere pi? sottile del primo strato epitassiale 41, anche se pu? avvenire l'inverso e l'invenzione non ? limitata ad alcun rapporto particolare fra gli spessori degli strati epitassiali 41, 42.

Dopo la crescita epitassiale, il secondo strato epitassiale 42 viene planarizzato e portato allo spessore finale desiderato, ad esempio tramite CMP (Chemical Mechanical Polishing). In questo modo, lo strato strutturale formato dal primo e dal secondo strato epitassiale 41, 42, indicato anche come strato epitassiale complessivo 64, raggiunge uno spessore finale, tipicamente variabile fra 20 e 80 ?m.

In figura 10, regioni di connessione elettrica 65 (una in figura) vengono realizzate sulla superficie superiore dello strato epitassiale complessivo 64, mediante deposizione e definizione ("patterning") di uno strato metallico, ad esempio di alluminio oppure oro, per definire le piazzole di contatto.

In figura 11, la fetta 50 viene attaccata. A tale scopo, la fetta 50 viene coperta da una maschera di resist (seconda maschera trincee 66) e sottoposta ad un attacco secco ("dry"). In questa fase, le porzioni degli strati epitassiali 41 e 42 non coperte dalla seconda maschera trincee 66 e non coperte dalle regioni di mascheratura hard 60' vengono rimosse per l'intero spessore dello strato epitassiale complessivo 64; in queste zone, l'attacco si ferma sul primo strato sacrificale 53. Viceversa, le zone non coperte dalla seconda maschera trincee 66 ma coperte dalle regioni di mascheratura hard 60' vengono rimosse per il solo spessore del secondo strato epitassiale 42.

In particolare, in questa fase vengono formate seconde trincee 67, che si estendono fra e definiscono gli elettrodi superiori 36A, 36B ed hanno profondit? pari allo spessore del secondo strato epitassiale 42; terze trincee 68, che si estendono per l'intero spessore dello strato epitassiale complessivo 64, definiscono e delimitano strutture alte (qui, ad esempio, una regione colonnare portante 70 che porta la regione di connessione elettrica 65 nonch? le porzioni fisse 45); e cavit? 69, che si estendono attraverso il secondo strato epitassiale 42 e sono delimitate inferiormente dalle regioni di mascheratura hard 60', per la realizzazione di strutture di altezza pari allo spessore del primo strato epitassiale 41 (qui, ad esempio, ad una regione bassa 71 della seconda struttura micromeccanica 40).

In alcune aree, le seconde e le terze trincee 67, 68 nonch? le cavit? 69 possono essere pi? larghe delle prime trincee 58.

In seguito, figura 12, viene rimossa la seconda maschera trincee 66; quindi vengono rimosse le regioni di mascheratura hard 60', le porzioni del secondo strato sacrificale 60 all'interno delle prime trincee 58, le porzioni esposte del primo strato sacrificale 53, liberando le strutture micromeccaniche 35, 40 e la struttura di arresto in Z 38 e formando prime zone di gap 77 fra gli elettrodi superiori 36A, 36B e gli elettrodi inferiori 37A, 37B e seconde zone di gap 78 al di sotto degli elettrodi inferiori 37A, 37B, nonch? le altre strutture sospese (includenti anche elettrodi della seconda struttura micromeccanica 40).

Lo strato dielettrico 51 e le porzioni rimanenti del primo strato sacrificale 53 formano quindi lo strato isolante 32.

Infine, una fetta cappuccio viene incollata alla fetta 50 mediante lo strato di adesivo 46 e la fetta complessiva viene tagliata per formare il dispositivo MEMS 30 di figura 3. In alternativa, la fetta 50 viene tagliata ("diced") e sulla piastrina ("die") cos? ottenuta, il cappuccio 44 viene incollato, ottenendo la struttura di figura 3, in modo di per s? noto.

In questo modo, e facendo nuovamente riferimento alla figura 3, la prima struttura micromeccanica 35 ha elettrodi inferiori 37A, 37B di un primo spessore, pari allo spessore del primo strato epitassiale 41; elettrodi superiori 36A, 36B di un secondo spessore, qui minore del primo spessore e pari, in prima approssimazione, allo spessore del secondo strato epitassiale 42; ed una porzione centrale o di ancoraggio 72, fissa, di un terzo spessore, pari, in prima approssimazione, alla somma del primo e del secondo strato epitassiale 41, 42 (trascurando lo spessore delle regioni di mascheratura hard 60', del resto trascurabile rispetto allo spessore del primo e del secondo strato epitassiale 41, 42, e la non uniformit? di spessore del secondo strato epitassiale 42). Inoltre, gli elettrodi superiori 36A, 36B hanno porzioni pi? sottili 73 (dove le regioni di mascheratura hard 60' avevano spessore maggiore, pari allo spessore del secondo strato sacrificale 60) e porzioni pi? spesse 74, dove le regioni di mascheratura hard 60' erano assottigliate.

Inoltre, la porzione fissa 45 (formante qui una parete perimetrale che circonda le strutture micromeccaniche 35, 40 e quindi in seguito indicata anche come parete 45) nonch? la regione colonnare portante 70 hanno spessore pari alla somma del primo e del secondo strato epitassiale 41, 42.

Nel dispositivo MEMS 30 di figura 3, la parete 45 forma inoltre un braccio sporgente 75, estendentesi in orizzontale all'interno del dispositivo MEMS 30 e sovrastante a distanza una colonna di riscontro 76, ancorata al substrato 31.

Il braccio sporgente 75 e la colonna di riscontro 76 formano la prima struttura di arresto in Z 38 e sono formati, rispettivamente, dal secondo epitassiale 42 e dal primo strato epitassiale 41, distanziati reciprocamente di uno spazio pari allo spessore del secondo strato sacrificale 60 (figura 7) che in questa zona aveva spessore completo, ad esempio 1,6 ?m. In alternativa, realizzando una cavit? 61 anche in questa area, la distanza fa il braccio sporgente 75 e la colonna di riscontro 76 pu? essere uguale a quella fra gli elettrodi superiori e inferiori 36, 37 e pari allo spessore delle regioni di mascheratura hard 60'.

Inoltre, bench? nelle figure 3-12, la colonna di riscontro 76 sia circondata completamente da trincee (parte della prima trincea 58 e parte dalla terza trincea 68), ci? non ? essenziale, e la colonna di riscontro 76 pu? essere sostituita da una regione di riscontro inferiore 76' circondata solo parzialmente, ad esempio dalla prima trincea 58, come mostrato in figura 13A.

Secondo un'altra alternativa, mostrata in figura 13B, la colonna di riscontro 76 pu? essere costituita da una porzione non ancorata 76?, portata dalla prima struttura micromeccanica 35.

Il braccio sporgente 75 costituisce una regione di riscontro superiore realizzabile mediante una trave sospesa ma potrebbe essere costituito da una parete di riscontro di forma qualsiasi.

In questo modo, l'entit? del movimento in Z consentito alle strutture micromeccaniche 35, 40 vincolate al substrato 31 pu? essere fissato a valori inferiori a 2 ?m e pu? essere controllato in modo preciso attraverso lo spessore delle regioni di mascheratura 60' (con precisione del 10%), permettendo di ottenere prestazioni migliorate in caso di urto verticale o caduta del dispositivo MEMS 30.

Inoltre, la possibilit? di realizzare gli elettrodi (sia superiori 36A, 36B che inferiori 37A, 37B) in due strati epitassiali 41, 42 cresciuti uno sull'altro, consente di avere prestazioni migliorate. Infatti, a dispositivo MEMS 30 finito, gli strati epitassiali 41, 42 sono monolitici fra loro e hanno le stesse caratteristiche meccaniche ed elettriche. Di conseguenza, essi si comportano nello stesso modo sia nei confronti delle sollecitazioni esterne (ad esempio nel caso che il substrato 31 subisca un piegamento "bending"), dato che in questo caso essi si deformerebbero nello stesso modo, sia relativamente al degrado nel tempo. La realizzazione degli elettrodi superiori 36A, 36B e degli elettrodi inferiori 37A, 37B con ancoraggio centrale fa s? che essi siano insensibili a stress provenienti dalla deformazione del substrato e causati da trattamenti termici o sforzi meccanici indotti sul substrato, ad esempio durante la saldatura in fase di fabbricazione o durante il funzionamento.

Le figure 14-16 mostrano fasi di fabbricazione secondo un procedimento alternativo.

In dettaglio la figura 14 mostra la fetta 50 dopo la fase di figura 9, e quindi comprendente gi? il primo e il secondo strato epitassiale 41, 42, anneganti fra loro le regioni di mascheratura hard (qui indicate come prime regioni di mascheratura hard 60'); inoltre sono presenti le prime trincee 58, riempite parzialmente con porzioni del secondo strato sacrificale 60.

In figura 14, sul secondo strato epitassiale 42 vengono formate le regioni di connessione elettrica 65 (una in figura) e la fetta 50 viene attaccata per definire gli elettrodi superiori 36A, 36B. A tale scopo, la fetta 50 viene coperta da una diversa seconda maschera trincee, qui indicata con 81, e sottoposta ad un attacco secco ("dry") per la rimozione delle porzioni scoperte del solo secondo strato epitassiale 42. L'attacco si ferma qui completamente sulle prime regioni di mascheratura hard 60' e porta alla formazione delle seconde trincee 67 estendentisi fra gli elettrodi superiori 36A, 36B.

Quindi, figura 15, la seconda maschera trincee 81 viene rimossa, le regioni di connessione elettrica 65 (una in figura) vengono realizzate sulla superficie superiore dello strato epitassiale complessivo 64 e seconde regioni di mascheratura hard 82 vengono formate sulla superficie della fetta 50 per proteggere le seconde trincee 67. Ad esempio, le seconde regioni di mascheratura hard 82 vengono realizzate mediante deposito e definizione di un ulteriore stato sacrificale quale TEOS (che pu? riempire qui parte delle seconde trincee 67). In questo modo, si evita che nelle seconde trincee 67 entri resist che ? pi? difficile da rimuovere successivamente.

Successivamente, viene formata una terza maschera trincee 85, ad esempio di resist, che copre tutta la superficie della fetta 50, comprese le seconde regioni di mascheratura hard 82 e le regioni di connessione elettrica 65, e lascia scoperta la superficie dello strato epitassiale complessivo 64 dove si desira formare le terze trincee 68, estendentisi attraverso l'intero strato epitassiale complessivo 64, o dove si desira formare le cavit? 69, estendentisi solo attraverso il secondo strato epitassiale 42, al di sopra delle strutture inferiori protette dalle prime regioni di mascheratura hard 60'.

Quindi, figura 16, il secondo e il primo strato epitassiale 42, 41 vengono rimossi selettivamente, formando le terze trincee 68 e le cavit? 69.

Vengono quindi rimosse la terza maschera trincee 85, le seconde regioni di mascheratura hard 82 (comprese le porzioni all'interno delle seconde trincee 67), le prime regioni di mascheratura hard 60' (comprese le porzioni all'interno delle prime trincee 58) nonch? le porzioni esposte del primo strato sacrificale 53, liberando le strutture micromeccaniche 35, 40 e formando le prime e le seconde zone di gap 77, 78.

Seguono quindi le fasi finali gi? descritte con riferimento alla figura 12 e portanti al dispositivo MEMS 30 di figura 3.

Con la soluzione delle figure 14-16, ? possibile ottenere un'elevata precisione dimensionale, dato che le dimensioni delle aperture nella seconda maschera trincee 81 (destinata alla definizione delle seconde trincee 67, pi? strette) e nella terza maschera trincee 85 (destinata alla definizione delle terze trincee 68, pi? larghe, e delle cavit? 69) possono essere controllate in modo migliore con riferimento alle specifiche larghezze delle trincee e delle zone da rimuovere.

Il dispositivo MES e il procedimento di fabbricazione qui descritti presentano numerosi vantaggi.

In particolare, essi consentono di disporre pi? strutture micromeccaniche di una variet? di tipologie in una singola piastrina, permettendo di ridurre le dimensioni totali, riducendo i costi di fabbricazione, migliorando l'integrazione su dispositivi portatili, dove l'impatto dei dispositivi ("device footprint") ? importante, sia dal punto di vista dello spazio sia dei costi.

Le dimensioni e specificamente lo spessore delle varie regioni possono essere selezionate con grande libert?, sulla base delle strutture desiderate, e con elevato controllo dimensionale. Ad esempio, possono essere realizzate strutture che richiedono elevata massa, quali giroscopi, nello strato epitassiale inferiore, e strutture pi? sottili, quali accelerometri, nello strato epitassiale superiore, oppure utilizzare lo spessore completo dello strato epitassiale complessivo 64 per la realizzazione di una singola struttura che richiede spessore molto elevato. In generale, ? possibile ottenere elevate sensibilit?, legata alla massa della regione sensibile, grazie agli elevati spessori ottenibili.

Inoltre, come spiegato, ? possibile realizzare strutture con almeno tre differenti altezze di base, modulabili eventualmente come sopra spiegato per gli elettrodi superiori 36A, 36B.

Il processo ? particolarmente affidabile, dato che si basa su singole fasi di processo ben note e non vi sono fasi o strutture intermedie critiche. Il dispositivo MEMS presenta quindi elevata affidabilit?.

E' possibile impilare due o pi? strutture differenti, che sono monolitiche fra loro e quindi presentano grande uniformit? e stabilit? di comportamento con riguardo a imperfezioni e spread di fabbricazione, disturbi e azioni esterne, stress e variazioni nel tempo.

Il procedimento consente di realizzare strutture di arresto ottimizzate e meno sensibili a influenze esterne rispetto a soluzioni note, come ad esempio la struttura di arresto in Z 38 in cui entrambe le porzioni di riscontro sono ancorate al substrato e quindi subiscono stress e deformazioni uguali, rendendo cos? pi? resistente e affidabile il dispositivo MEMS.

Risulta infine chiaro che al processo di fabbricazione e al dispositivo MEMS qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, qualora desiderato, ? possibile realizzare un terzo livello, crescendo un terzo strato epitassiale e aumentando cos? i livelli di altezza disponibili e/o il numero di strutture integrabili.

Inoltre, sebbene le strutture mostrate costituiscano sensori di tipo capacitivo, il processo pu? essere utilizzato per realizzare anche strutture di azionamento, anche sfruttanti principi fisici diversi, ad esempio sistemi basati su attuazione elettrostatica.

Come sopra discusso, la struttura di arresto in Z 38 pu? essere realizzata una regione di riscontro inferiore 76 nel primo strato epitassiale 41 e da una regione di riscontro superiore 75 nel secondo strato epitassiale 42 di forma diversa.

Claims (15)

RIVENDICAZIONI

1. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo MEMS (30) comprendente:

formare un primo strato strutturale (41) di materiale semiconduttore su un substrato (31), il primo strato strutturale avendo un primo spessore;

formare una pluralit? di prime trincee (58) attraversanti il primo strato strutturale (41) e definenti primi elementi funzionali (37A, 37B);

formare regioni di mascheratura (60') sul primo strato strutturale, le regioni di mascheratura essendo separate reciprocamente da prime aperture (62);

formare un secondo strato strutturale (42) del materiale semiconduttore sul primo strato strutturale (41) e sulle regioni di mascheratura (60'), il secondo strato strutturale avendo un secondo spessore, essendo in contatto diretto con il primo strato strutturale (41) in corrispondenza delle prime aperture (62) e formando qui, insieme al primo strato strutturale, regioni strutturali spesse (64) del materiale semiconduttore aventi un terzo spessore pari alla somma del primo e del secondo spessore;

formare una pluralit? di seconde trincee (67) attraversanti il secondo strato strutturale (42), al di sopra delle regioni di mascheratura (60'); e

formare una pluralit? di terze trincee (68) attraversanti il primo e il secondo strato strutturale (41, 42) mediante rimozione di porzioni selettive delle regioni strutturali spesse (64).

2. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui le seconde trincee (67) delimitano prime regioni funzionali (36A, 36B) aventi il secondo spessore; le terze trincee (68) delimitano seconde regioni funzionali (45, 70) aventi il terzo spessore; il procedimento comprendendo inoltre rimuovere porzioni selettive del secondo strato strutturale (42) per formare cavit? (69) al di sopra delle regioni di mascheratura (60') contemporaneamente a formare terze trincee (68), formando terze regioni (71) aventi il primo spessore.

3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui formare seconde trincee (67) e formare terze trincee (68) comprendono utilizzare una singola maschera di attacco (66).

4. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui formare seconde trincee (67) e formare terze trincee (68) comprendono utilizzare due distinte maschere di attacco (81, 85).

5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le terze trincee (68) hanno larghezza maggiore delle seconde trincee (67).

6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui formare regioni di mascheratura (60') comprende formare uno strato sacrificale di mascheratura (60) e definire lo strato sacrificale di mascheratura.

7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre rimuovere le regioni di mascheratura (60') e formare prime zone di gap (77) fra il primo e il secondo strato strutturale (41, 42).

8. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, comprendente, prima di formare un primo strato strutturale (41), formare uno strato sacrificale di ancoraggio (53) al di sopra del substrato (31), lo strato sacrificale di ancoraggio avendo aperture di ancoraggio (55), e rimuovere le regioni di mascheratura (60') comprende rimuovere lo strato sacrificale di ancoraggio (53) e formare seconde zone di gap (78) fra il primo strato strutturale (41) e il substrato (31).

9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente formare una struttura di arresto verticale (38) includente formare una regione di riscontro inferiore (76) nel primo strato strutturale (41) e formare una regione di riscontro superiore (75) nel secondo strato strutturale (42), la regione di riscontro inferiore (76) avendo il primo spessore ed essendo delimitata almeno in parte da una prima trincea (58) appartenente alla pluralit? di prime trincee e/o da una porzione inferiore di una trincea di riscontro (68) appartenente alla pluralit? di terze trincee (68) e la regione di riscontro superiore (75) essendo sovrapposta alla regione di riscontro inferiore (76), essendo separata dalla regione di riscontro inferiore da una prima zona di gap (77) della pluralit? di prime zone di gap.

10. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui la regione di riscontro superiore (75) ? delimitata da una seconda trincea (68) appartenente alla pluralit? di seconde trincee e/o da una parte superiore della trincea di riscontro (68).

11. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui formare una pluralit? di prime trincee (58) comprende definire primi elementi funzionali (37A, 37B) e formare una pluralit? di seconde trincee (67) comprende definire secondi elementi funzionali (36A, 36B).

12. Dispositivo MEMS (30) comprendente:

un substrato (31);

primo strato strutturale (41) avente un primo spessore ed estendentesi sul substrato;

un secondo strato strutturale (42) avente un secondo spessore ed estendentesi sul primo strato strutturale;

una pluralit? di prime trincee (58) attraversanti il primo strato strutturale (41) e definenti primi elementi funzionali (37A, 37B);

una pluralit? di seconde trincee (67) attraversanti il secondo strato strutturale (42) e definenti secondi elementi funzionali (36A, 36B) sovrapposti ai primi elementi funzionali; e

una pluralit? di terze trincee (68) attraversanti il primo e il secondo strato strutturale (41, 42),

in cui il primo e il secondo strato strutturale formano una struttura portante (72), avente un terzo spessore pari alla somma del primo e del secondo spessore, ancorata al substrato (31) e portante i primi e i secondi elementi funzionali (37A, 37B, 36A, 36B), e

in cui una prima zona di gap (77) si estende fra i primi e i secondi elementi funzionali e circonda la struttura portante (72).

13. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre:

una struttura di arresto verticale (38) includente una regione di riscontro inferiore (76) e una regione di riscontro superiore (75) sovrapposte reciprocamente,

la regione di riscontro inferiore (76) estendendosi nel primo strato strutturale (41), avendo il primo spessore ed essendo delimitata almeno in parte da una prima trincea (58) appartenente alla pluralit? di prime trincee e/o da una porzione inferiore di una trincea di riscontro (68) appartenente alla pluralit? di terze trincee, e la regione di riscontro superiore (75) estendendosi nel secondo strato strutturale (42), avendo il secondo spessore, essendo separata dalla regione di riscontro inferiore (75) da una zona di gap di riscontro (77).

14. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione precedente, in cui la regione di riscontro superiore (75) ? delimitata da una seconda trincea (68) appartenente alla pluralit? di seconde trincee e/o da una parte superiore della trincea di riscontro (68).

15. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-14, comprendente inoltre:

prime regioni funzionali (75) aventi il secondo spessore e delimitate dalle seconde o dalle terze trincee (67, 68);

seconde regioni funzionali (70) aventi il terzo spessore e delimitate dalle terze trincee (68); e

terze regioni funzionali (71) aventi il primo spessore e delimitate dalle prime trincee (58) e/o da porzioni inferiori delle terze trincee (68).