ITTO20090616A1 - Procedimento di fabbricazione di dispositivi mems dotati di cavita' sepolte e dispositivo mems cosi' ottenuto - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE DI DISPOSITIVI MEMS DOTATI DI CAVITA' SEPOLTE E DISPOSITIVO MEMS COSI' OTTENUTO”

La presente invenzione è relativa ad un procedimento di fabbricazione di dispositivi MEMS. In particolare, l'invenzione è relativa alla fabbricazione di dispositivi dotati di una membrana sospesa al di sopra di cavità o canali sepolti.

In seguito, si farà riferimento alla realizzazione di un sensore di pressione capacitivo dotato di una regione sospesa, chiamata anche membrana, in grado di muoversi rispetto al resto della struttura. L'invenzione non è tuttavia limitata a tale sensore, ma si applica anche ad altri sensori MEMS, attuatori e dispositivi aventi canali sepolti, ad esempio per l'impiego in dispositivi microfluidici.

In particolare, nel caso di sensori di pressione di tipo capacitivo, la membrana rappresenta un elettrodo variabile, affacciato ad una porzione fissa costituente un elettrodo fisso e separato da questo mediante una cavità sepolta.

Sono note diverse tecniche per la realizzazione della membrana, basate sull'incollaggio di due substrati o sulla rimozione di uno strato sacrificale. Ad esempio, US 7,273,764 descrive un processo di fabbricazione, eseguito a partire da una fetta composta da un substrato di silicio, uno strato di isolamento ed uno strato di polisilicio depositato, in cui inizialmente trincee vengono formate nello strato di polisilicio, parte dello strato di isolamento viene rimosso attraverso le trincee in modo da formare una cavità; la cavità e le trincee vengono riempite di ossido poroso; sulla superficie planarizzata della fetta viene formata una regione di copertura di silicio poroso; l'ossido poroso viene rimosso attraverso la regione di copertura; e una regione di sigillatura viene formata sopra la regione di copertura. Questo processo è quindi piuttosto complesso, a causa delle operazioni di riempimento e svuotamento della cavità e delle trincee; inoltre la membrana risultante (strato di polisilicio al di sopra della cavità) è bucata e quindi fragile.

In altre soluzioni, dopo la realizzazione di fori di attacco (″etching holes″) nello strato della membrana e la rimozione del materiale sacrificale, i fori vengono riempiti. Per esempio US 6,521,965 prevede la realizzazione dell'elettrodo inferiore; la realizzazione di una regione sacrificale sopra l'elettrodo inferiore; la crescita epitassiale dello strato della membrana; la realizzazione di fori di attacco nello strato della membrana; la rimozione della regione sacrificale attraverso i fori di attacco; e la chiusura dei fori tramite ossido di riempimento. Un analogo processo è descritto anche da US 6,527,961 per la realizzazione di sensori di pressione. US 6,012,336 utilizza nitruro di silicio o metallo per il riempimento dei fori di attacco.

Nei processi indicati, il riempimento dei fori di attacco è una fase critica. Infatti, non è possibile utilizzare un materiale conforme, altrimenti questo penetrerebbe nella cavità appena realizzata e ne determinerebbe un riempimento almeno parziale, con conseguente falso accoppiamento capacitivo. D'altra parte, l'uso di un materiale non conforme, date anche le caratteristiche geometriche dei fori, stretti e profondi per le applicazioni in cui è richiesta una membrana di elevato spessore, non ne consente la chiusura completa. Infatti, normalmente i fori di attacco si chiudono in prossimità dell'apertura superiore prima che il materiale di riempimento abbia riempito completamente i fori stessi nella parte inferiore.

Anche l'uso di due materiali differenti, un primo materiale non conforme che restringe l'apertura superiore ed impedisce ad un secondo materiale conforme di penetrare all'interno della cavità, non risolve il problema. A ciò si aggiunge il fatto che, spesso, si desidera avere una bassa pressione all'interno della cavità, e quindi per il riempimento dei fori di attacco non è possibile utilizzare materiali, quali gli ossidi, deposti a pressione atmosferica. L'uso di differenti materiali non è inoltre ottimale, dato che possono nascere stress termici o meccanici che peggiorano le caratteristiche elettriche e di durata del dispositivo finito; la realizzazione di membrane sottili è inoltre svantaggiosa nel caso di sensori di pressione, dato che lo spessore della membrana è importante per avere un comportamento più lineare e una migliore accuratezza.

Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un processo ed un dispositivo che superino gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un procedimento di fabbricazione di dispositivi MEMS ed un dispositivo MEMS così ottenuto, come definiti nelle rivendicazioni 1 e 8.

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:

- le figure 1-5 mostrano sezioni trasversali di una fetta di materiale semiconduttore, in successive fasi del presente procedimento;

- la figura 6 mostra una vista dall'alto ingrandita di un dettaglio della fetta di figura 5;

- la figura 7 mostra una sezione trasversale della fetta di figura 5, in una successiva fase del presente procedimento;

- la figura 8 mostra una immagine SEM di un dettaglio della fetta di figura 7, in prospettiva;

- le figure 9 e 10 mostrano sezioni trasversali della fetta di figura 7, in successive fasi del presente procedimento;

- la figura 11 mostra una immagine SEM di una sezione trasversale di un dettaglio della fetta di figura 10;

- la figura 12 mostra una sezione trasversale della fetta di figura 10, in una successiva fase del presente procedimento;

- la figura 13 mostra una sezione trasversale di un dispositivo MEMS ottenuto dopo il taglio; e

- la figura 14 mostra una sezione trasversale di una variante del dispositivo MEMS di figura 13.

La figura 1 mostra una fetta 1 comprendente un substrato 2 di materiale semiconduttore, tipicamente silicio, sovrastato da uno strato isolante 3, ad esempio ossido di silicio avente un spessore compreso fra 2,2 e 3 µm, tipicamente 2,6 µm. Sullo strato isolante 3 sono presenti regioni inferiori 4a, 4b, ad esempio di polisilicio, ottenute per deposito e sagomatura di uno strato di silicio policristallino avente spessore, ad esempio, di 0,5-1,3 µm, tipicamente 0,9 µm.

In seguito, figura 2, viene depositato uno strato sacrificale 6 di materiale isolante, ad esempio TEOS (tetraetilortosilicato), che, insieme allo strato isolante 3, forma uno strato dielettrico 5 di spessore totale di ad esempio 3,6-5,2 µm, tipicamente 4,4 µm. Lo strato dielettrico 5 viene quindi selettivamente rimosso per tutto il suo spessore in alcune aree, ad esempio sull'area 7 laterale, a sinistra in figura 2.

Quindi, figura 3, viene realizzata una maschera ancoraggi 8, ad esempio di resist, avente aperture 8a sull'area laterale 7, dove si vogliono realizzare segni di allineamento, e aperture 8b al di sopra di una porzione dello strato dielettrico 5, in posizione sovrastante le regioni inferiori 4a, 4b, dove si vogliono realizzare ancoraggi per la crescita epitassiale. Utilizzando la maschera ancoraggi 8, viene eseguito un attacco silicio, per realizzare segni di allineamento 10 nel substrato 2, e un attacco ossido, per rimuovere porzioni selettive dello strato sacrificale 6 e scoprire selettivamente le regioni inferiori 4a, 4b. L'attacco non coinvolge una porzione 5a dello strato dielettrico 5 al di sopra della regione inferiore 4b, costituente una porzione sacrificale, come spiegato più in dettaglio in seguito.

Dopo la rimozione della maschera ancoraggi 8, figura 4, viene eseguita un processo di crescita epitassiale a partire dalle porzioni scoperte del substrato 2 e delle regioni inferiori 4a, 4b e di planarizzazione della fetta 1 così ottenuta. In tal modo cresce uno strato pseudo-epitassiale 9, comprendente una regione monocristallina 9a, al di sopra dell'area laterale 7 e in generale al di sopra delle aree scoperte del substrato 2, e una regione policristallina 9b, al di sopra dello strato dielettrico 5. In particolare, la regione policristallina 9b è in contatto elettrico con la regione inferiore 4b in corrispondenza di una regione di ancoraggio 9c, in modo da consentirne la connessione elettrica, come spiegato più in seguito. La crescita epitassiale viene eseguita in funzione dello spessore desiderato al di sopra dello strato dielettrico 5; tipicamente, per la realizzazione di un sensore di pressione, la regione policristallina 9b può avere, nella zona considerata, uno spessore di 5-20 µm, ad esempio 6 µm.

Quindi, figura 5, utilizzando una maschera trench di resist non mostrata, viene effettuato un attacco anisotropo della regione policristallina 9b, al di sopra della porzione sacrificale 5a, in modo da scavare trincee 15. L'attacco si interrompe automaticamente sullo strato dielettrico 5, in modo tale che le trincee 15 sono passanti e attraversano l'intero spessore della regione policristallina 9b nella zona considerata. Le trincee 15 possono avere sezione circolare, quadrata, quadrata con spigoli arrotondati o poligonale qualsiasi. Le trincee 15 vengono realizzate in modo da avere area trasversale molto minore della loro profondità e sono disposte secondo una griglia che determina la forma della membrana e/o della cavità desiderata. In figura 6 è ad esempio mostrata parte di una griglia quadrata, con lato compreso fra 100 e 1000 µm, in cui le trincee 15 sono disposte a distanza uniforme lungo entrambi gli assi cartesiani. Qui le trincee 15 hanno di forma quadrata con spigoli arrotondati, con lato D di 0,8-1,2 µm, tipicamente 1 µm, e sono poste a distanza reciproca d = 1,8-2,2 µm, tipicamente 2 µm. Nel caso sopra indicato in cui la regione policristallina 9b ha spessore di 6 µm nella zona delle trincee 15, queste hanno quindi un rapporto diametro/profondità di circa 1:6. In generale, le trincee 15 possono presentare rapporto larghezza/profondità compreso fra 1:5 e 1:20.

Successivamente, figura 7, utilizzando una tecnica di deposizione LCVD standard, viene deposto uno strato di rivestimento 16, di silicio poroso, ad esempio avente uno spessore di 50-150 nm, tipicamente 100 nm. Dato che lo strato di rivestimento 16 può essere deposto in modo conforme (″conformal″) e grazie alla presenza della porzione sacrificale 5a che ne delimita inferiormente l'estensione, esso riveste completamente, oltre alla superficie della fetta 1, le pareti verticali e il fondo delle trincee 15, come visibile in parte nella immagine ingrandita di una trincea 15 presa con microscopio elettronico a scansione SEM (Scanning Electron Microscope) di figura 8.

Utilizzando la permeabilità dello strato di rivestimento 16 nei confronti sia degli agenti di attacco sia dei prodotti di reazione, la parte della porzione sacrificale 5a dello strato dielettrico 5 sottostante la griglia di trincee 15 viene rimossa tramite attacco dry o wet, ad es. con acido fluoridrico anidro o acquoso. Si crea così una cavità 18 al di sotto della griglia di trincee 15, come mostrato in figura 9.

Successivamente, figura 10, viene deposto uno strato di silicio policristallino che penetra nelle trincee 15 e le riempie, formando qui regioni di riempimento 20a e, sulla superficie della fetta 1, uno strato policristallino 20b. Ad esempio, può essere deposto uno strato di spessore pari a 0.5-1,5 µm, tipicamente 1.0 µm. In questo modo, al di sopra della cavità 18 si forma una membrana 21 comprendente solo silicio policristallino includente la regione policristallina 9b, lo strato di rivestimento 16 e le regioni di riempimento 20a. La struttura della membrana 21 è anche visibile dall'immagine SEM di figura 11.

In seguito, sulla superficie della fetta 1 vengono realizzati un primo ed un secondo contatto 22a, 22b, ad esempio di oro, figura 12, e viene realizzata una trincea di isolamento 23, figura 13, tramite attacco e rimozione selettiva della regione policristallina 9b. In questo modo, la membrana 21 è elettricamente disaccoppiata dal resto della regione policristallina 9b ed è polarizzabile elettricamente attraverso un proprio contatto 22a; il contatto 22b consente inoltre la connessione elettrica della regione inferiore 4b attraverso la porzione di ancoraggio 9c.

Infine, la fetta 1 viene sottoposta alle usuali fasi finali di fabbricazione e taglio (″dicing″) per la realizzazione di dispositivi singoli 24, come mostrato in figura 13. Qui, la membrana 21 forma un elettrodo variabile di un sensore di pressione 25, di tipo capacitivo, il cui elettrodo fisso è costituito dalla regione inferiore 4b.

Il sensore di pressione 25 è in grado di rilevare una forza P agente sulla membrana 21. Infatti, in presenza di una forza P, la membrana 21 si flette, modificando la capacità del sensore 25. Tale modifica di capacità viene quindi rilevata, in modo noto, attraverso i contatti 22a, 22b ed elaborata tramite circuiteria nota, non mostrata.

In alternativa, la membrana 21 può essere utilizzata per realizzare dispositivi MEMS di differente tipo, quali accelerometri, giroscopi, risonatori, valvole, testine per stampa a getto di inchiostro e simili, nel qual caso le strutture al di sotto e/o al di sopra della membrana 21 vengono adattate a seconda dell'applicazione prevista. Analogamente, qualora il dispositivo MEMS costituisca un dispositivo microfluidico, dotato di più cavità/canali sepolti 18, le dimensioni, la forma e il numero di canali 18 vengono ottimizzati in funzione dell'applicazione e il dispositivo MEMS viene completato con le strutture e gli elementi necessari per la sua operatività.

Nel caso che sia desiderato integrare componenti elettronici nella stessa fetta 1, questo può essere effettuato utilizzando la regione monocristallina 9a. In questo caso, prima della realizzazione dei contatti 22a, 22b, la fetta viene sottoposta ad etch back, in modo da rimuovere lo strato policristallino 20b dalla superficie della fetta 1; quindi vengono integrati i componenti desiderati, indicati genericamente con 28 in figura 14.

Il processo e il dispositivo sopra descritti presentano numerosi vantaggi. Innanzitutto il processo è semplice e richiede un ridotto numero di fasi di mascheratura. Il dispositivo può essere quindi fabbricato a costi ridotti.

Grazie alla struttura monolitica della membrana, sostanzialmente priva di zone vuote, la membrana è robusta e quindi particolarmente adatta alla realizzazione di strutture MEMS di differente tipo, riducendo rischi di rottura, deformazione o danni che ne pregiudichino la funzionalità. Qualora venga utilizzato uno solo materiale (silicio) per la regione policristallina 9a, lo strato di rivestimento 16 e le regioni di riempimento 20a, si ottiene una robustezza ancora migliore della membrana, dato che essa presenta minore sensibilità a stress termici.

Il processo è di semplice realizzazione, dato che esso non presenta particolari criticità o difficoltà di esecuzione, garantendo quindi elevate rese e costi finali ridotti. Inoltre, esso è particolarmente flessibile, in quanto consente di realizzare cavità sepolte 18 e/o membrane 21 della forma e delle dimensioni desiderate, sia per quanto riguarda l'area che lo spessore, in modo semplice. In particolare, per l'applicazione come sensore di pressione, è possibile ottenere un elevato spessore della membrana, in modo da aumentare l’accuratezza del sensore stesso.

L'uso del silicio poroso consente il riempimento delle trincee 15 senza rischio che il materiale di riempimento 20a penetri nella cavità 18 o addirittura si depositi sul fondo della stessa, garantendo l'ottenimento di una membrana di forma regolare ed evitando formazioni indesiderate che comprometterebbero o comunque ridurrebbero le caratteristiche elettriche/meccaniche del dispositivo MEMS finito.

La cavità sepolta 18 è chiusa ermeticamente verso l'esterno, come richiesto in alcune applicazioni.

Risulta infine chiaro che al procedimento e al dispositivo 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, la crescita epitassiale potrebbe essere ottenuta depositando uno strato di germe almeno sulla porzione sacrificale 5a dello strato dielettrico 5. In questo caso, la regione inferiore 4b potrebbe essere costituita direttamente dal substrato 2, eliminando le fasi necessarie per la sua realizzazione apposita e semplificando le fasi per la realizzazione della regione isolante 5, soprattutto nel caso che la regione inferiore 4b non necessiti di essere isolata dal resto dello strato pseudo-epitassiale 9 e/o dal substrato 2. Inoltre, la porzione sacrificale 5a dello strato dielettrico 5 potrebbe avere forma e dimensioni sostanzialmente corrispondenti a quelle della cavità 18 e quindi della membrana 21 desiderata.

Nel caso che il dispositivo 24 non costituisca un sensore di pressione capacitivo, il materiale della regione inferiore 4b può essere qualsiasi purché differente dal materiale dello strato sacrificale 6, ad esempio esso può essere un materiale dielettrico diverso dall'ossido, quale nitruro di silicio.

Lo strato di silicio poroso potrebbe essere realizzato in modo differente, ad esempio venga reso poroso solo dopo il deposito, in modo di per sé noto.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la fabbricazione di un dispositivo MEMS, comprendente le fasi di: formare una regione inferiore (4b) di un primo materiale; formare una regione sacrificale (5a), al di sopra della regione inferiore, di un secondo materiale, differente dal primo materiale; crescere epitassialmente una regione di membrana (21), di materiale semiconduttore, al di sopra della regione sacrificale; scavare la regione di membrana fino alla regione sacrificale in modo da formare trincee (15) aventi ciascuna una parete laterale delimitata dalla regione di membrana e un fondo delimitato dalla regione sacrificale; rivestire completamente in modo conforme la parete laterale e il fondo delle trincee con uno strato di materiale poroso (16); rimuovere selettivamente almeno una porzione della regione sacrificale attraverso lo strato di materiale poroso per formare una cavità (18); riempire le trincee con materiale di riempimento (20a).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale di riempimento (20a), la regione di membrana (21) e lo strato di materiale poroso (16) sono di silicio.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui le trincee (15) hanno un rapporto larghezza/profondità compreso fra 1:5 e 1:20.
4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di scavare comprende effettuare un attacco dry o wet.
5. 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui prima di formare una regione inferiore (4b), viene eseguita la fase di formare uno strato isolante (3) al di sopra di un substrato (2) di materiale semiconduttore; e la fase di formare una regione sacrificale (5a) comprende rimuovere selettivamente lo strato isolante e lo strato sacrificale (6) in almeno un'area di contatto (8b) in modo che la fase di crescere epitassialmente comprende formare una regione di contatto (9c) al di sopra della regione inferiore (4b) e una porzione di contatto (9b) al di sopra della regione di contatto (9c) e lateralmente alla regione di membrana (21).
6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui prima di formare una regione inferiore (4b), viene eseguita la fase di formare uno strato isolante (3) al di sopra di un substrato (2) di materiale semiconduttore; la fase di formare una regione sacrificale (5a) comprende rimuovere selettivamente lo strato isolante (3) e lo strato sacrificale (6) in almeno un'area laterale (7) e la fase di crescere epitassialmente comprende formare una regione monocristallina (9a) al di sopra dell'area laterale e una regione policristallina (9b) al di sopra del secondo strato isolante (6), la regione policristallina essendo adiacente alla regione monocristallina e formando la regione di membrana (21) e la porzione di contatto.
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, comprendente inoltre la fase di formare componenti elettronici integrati nella regione monocristallina (9a).
8. 8. Dispositivo MEMS comprendente: una regione inferiore (4); una membrana (21), di materiale semiconduttore, sovrastante la regione inferiore; una cavità sepolta (18) interposta fra la regione inferiore e la regione di membrana; la regione di membrana (21) avendo struttura policristallina dotata di una pluralità di trincee (15) estendentesi per l'intero spessore della regione di membrana e rivestite con uno strato di materiale poroso (16) estendentesi in modo conforme lungo una parete laterale e un fondo di ciascuna trincea; le trincee essendo riempite con materiale di riempimento (20a).
9. 9. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 8, in cui la regione di membrana, il materiale di riempimento e lo strato di materiale poroso sono di silicio.
10. 10. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui la regione inferiore (4b) è di silicio policristallino.
11. 11. Dispositivo MEMS secondo una delle rivendicazioni 8-10, in cui le trincee (15) hanno un rapporto larghezza/profondità compreso fra 1:5 e 1:20.
12. 12. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-11, comprendente inoltre un substrato (2) di materiale semiconduttore; un primo strato isolante (3) al di sopra del substrato e al di sotto della regione inferiore (4b); un secondo strato isolante (6) estendentesi lateralmente alla cavità (18) e al di sopra della regione inferiore.
13. 13. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8-12, comprendente inoltre una regione monocristallina (9a) estendentesi lateralmente alla regione inferiore (4b), alla cavità (18) e alla membrana (21).
14. 14. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre componenti elettronici (28) integrati nella regione monocristallina (9a).
15. 15. Dispositivo MEMS secondo una delle rivendicazioni 8-14, formante un dispositivo scelto fra sensore di pressione; accelerometro; giroscopio, risonatore; trasduttore; valvola; testina per stampa a getto di inchiostro; dispositivo microfluidico.