JP2002301695A - 精密機械的な構造要素、及びその製造方法 - Google Patents
精密機械的な構造要素、及びその製造方法Info
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Abstract
ッ化水素ガスエッチング法による犠牲層除去を行う。 【解決手段】 僅かな層及びホトリソグラフィー工程し
か必要としない自由可動な構造下に埋設された導体路と
同様に犠牲層も同じ層からなる精密機械的な構成素子及
び製造方法を提供する。
Description
に懸垂された機能構成要素を有する精密機械的な構造要
素、特に加速度センサ又は回転速度センサ並びに相応の
製造方法に関する。
特にセンサ及びアクチュエータに応用できるにもかかわ
らず、本発明並びにその基礎をなす、ケイ素表面精密機
械的な技術で製造可能な精密機械的な加速度センサに関
する問題点を説明する。
る加速度センサ、特に精密機械的な加速度センサはます
ます自動車装備の分野の大きな市場部分を獲得し、従来
慣用の圧電加速度センサと交代されてきている。
なくとも一方向への外部の加速度によって偏位可能なバ
ネ弾性の様相の振動質量装置(seismisch Masseneinric
htung)がそこに接続された差動コンデンサ装置の加速
度の尺度である容量変化に偏位する際に惹起するように
機能する。
面精密機械センサの製造が記載されている。
なる第1の絶縁層(約2.5μm厚)を堆積させる。そ
の絶縁層上に薄いのポリシリコン層(約0.5μm厚)
を堆積させる。これを引き続き気相(POCl3)を用
いてドーピングし、ホトリソグラフィー法で構造化す
る。この埋設すべき導電性ポリシリコン層をこうして幾
つかの互いに絶縁された領域に分割し、これらは導体路
又は垂直な状態にある表面電極として用いられる。
積させる。これは気相から生じる酸化物からなる。ホト
リソグラフィー法で上方の絶縁層の構造化を実施する。
これによって、上方の絶縁層中にコンタクトホールをも
たらし、それによって、その下にある導電性ポリシリコ
ン層に接触可能である。
として用いられる薄いポリシリコン層を適用する。更な
るプロセス工程において、次いで厚い多結晶シリコン層
の堆積、平坦化及びドーピングを実施する。この堆積は
エピタキシャル成長反応器中で実施する。この厚いシリ
コン層上に、次いで構造化された金属層を施与する。
ン層の構造化を実施する。そのために、該層の上側にホ
トマスクを施すが、これはまた後続のエッチングにおい
て金属層の保護をもたらす。ホトレジストマスクの開口
部を通して、引き続き厚いシリコン層のプラズマエッチ
ングをDE4241045号に開示される方法に従って
実施し、その際、厚いシリコン層に高いアスペクト比の
トレンチがもたらされる。これらのトレンチは厚いシリ
コン層の上側から第2の絶縁層にまで延びている。該層
はこうして、埋設された導電層を介して互いに接続され
ていない場合に互いに絶縁されているいくつかの領域に
分割される。
を、自由可動なセンサの構造の領域で実施する。酸化物
層の除去は、フッ化水素酸含有媒体でのガスエッチング
法によってDE4317274号もしくはDE1970
445号に開示された方法に従って実施する。
素ガスエッチング法による犠牲層除去は、重大な結果を
招く幾つかの欠点を有する。このエッチング法によっ
て、規定のアンダーエッチングは困難を伴ってのみ可能
である、すなわち酸化物は機能的なセンサ構造もしくは
自由可動なセンサ構造下で除去されるだけでなく、埋設
されたポリシリコン導体路を介して及びその下では除去
できない。それによって非常に広い導体路が必要であ
る。それというのも側方のアンダーエッチングが保持さ
れねばならないからである。そのアンダーエッチングに
基づいて、導体路を機能的構造の下方に導くことはでき
ない。更なる欠点は蒸気状のフッ化水素酸による金属層
の腐蝕である。
の問題が生じる、すなわち自由可動なセンサ素子が基板
に固着する。制限された絶縁層の酸化物厚(堆積法によ
って依存して)は機能的構造と基板との間の間隔を制限
する。
と相容性であるので、センサ素子と評価回路の集積を行
えない。
本発明による精密機械的な構成素子及び請求項7記載の
相応の製造方法は、自由可動な構造下に埋設された導体
路と同様に犠牲層も同じ層からなるという利点を有す
る。従って僅かな層及びホトリソグラフィー工程しか必
要としない。
有する層構造及び精密機械的な構成素子、例えば加速度
センサを、犠牲層領域はそれ自体の材料、例えば埋設さ
れた導体路領域と同じ材料、例えばポリシリコンから構
成することによって提供することにある。該方法では、
ポリシリコン−犠牲層領域の定義されたエッチングを達
成し、それによって埋設された導体路領域のアンダーエ
ッチングを回避する。
製造を可能にし、その際、半導体技術からよく知られて
いるプロセス工程のみが使用される。更に本発明による
方法では層及びホトリソグラフィー工程を殆ど必要とし
ない。
れの対象の有利な実施形態及び改善が見られる。
的な機能層及び第2の精密機械的な機能層はポリシリコ
ン層である。
し第4の絶縁層は酸化物層である。
な機能層がポリシリコンからなり、絶縁層が酸化物層で
ある場合にはフッ素化合物をベースとするエッチング媒
体(例えばXeF2、ClF3、BrF3、…)を使用
してよい。エッチング媒体は二酸化ケイ素、アルミニウ
ム及びホトレジストに対して非常に高い選択性を有す
る。この高い選択性に基づいて、ポリシリコン−犠牲層
とは異なってエッチングされるべきでないポリシリコン
−導体路領域は二酸化ケイ素で覆われてよい。これによ
ってポリシリコン−導体路領域のエッチングもしくはア
ンダーエッチングが回避される。
くことを可能にする。埋設されたポリシリコン−導体路
領域はもはやアンダーエッチングされないので、これら
は狭くしてよい。前記のポリシリコン−犠牲層技術によ
って、側方及び垂直に定義された再現可能なポリシリコ
ン−犠牲層領域の除去を達成することができる。エッチ
ング媒体の二酸化ケイ素に対する高い選択性に基づい
て、ポリシリコン導体路及び絶縁層からなる多層系を実
現でき、その際、線路が交差してもよい。犠牲層エッチ
ングにおいて大きな側方のアンダーエッチング幅が達成
されるので、エッチング孔の数を振動の程度において減
らすか、又は省くことができる。これによって振動の程
度の増加が達成される。
チングプロセスを気相中で実施するので、腐蝕及び付着
に関する問題は生じない。シリコン犠牲層技術はCMO
S技術の材料に相容性であり、それによって、センサ素
子及び評価回路の集積が可能である。層順序及び層厚の
選択によって、絶縁層をドライエッチング法を介して構
造化することができ、それによって、ウェットエッチン
グ法を省き、改善されたプロセス許容性が達成される。
自由可動な構造及びシリコン基板層の間の間隔は選択的
にポリシリコン層の厚さによって調節できる。
び犠牲層領域は局所的な注入及び引き続いてのホトリソ
グラフィーによる構造化を行う。
3の絶縁層中に第2の精密機械的な機能層を導体路領域
と接続させるためのコンタクトホールが設けられてい
る。
及び第3の絶縁層においてコンタクトホールを、第2の
精密機械的な機能層と基板とを接続させるために設けら
れている。
いて詳細に説明する。
センサのための製造プロセスの断面概略図を示してい
る。
は機能が同じ構成要素を示している。
センサのための製造プロセスの断面概略図を示してい
る。
おり、そこには第1の絶縁層2及びその上にポリシリコ
ン層3が施されている。第1の絶縁層2の堆積のため
に、誘電性層の堆積のための半導体技術から公知の堆積
プロセスを用いてよい。二酸化ケイ素の他に、従ってま
た窒化ケイ素、二酸化ケイ素より低い誘電率を有する誘
電性層、種々のガラス又は別の層を堆積させることがで
きる。更なる記載のために、第1の誘電性層2は二酸化
ケイ素からなり、これはシリコン基板1の熱的酸化によ
って形成し、かつ10nmから2.5μmの厚さを有す
ることから出発する。
厚さを有する。ポリシリコン層3から後の構造化の後
に、埋設されたポリシリコン導体路領域4と同様にポリ
シリコン−犠牲層領域5も生じる。
ために大きな導電性が必要なので、ポリシリコン層3を
気相(POCl3)によって全面にドーピングする。ま
た十分に強力にドーピングされたポリシリコン層の発生
のために全ての別のプロセスを使用可能である。ポリシ
リコン層3のドーピングはポリシリコン−導体路領域4
にのみ望ましいので、高い導電性をその領域において局
所的な注入によって生じさせるが、その際、更なるホト
リソグラフィープロセスが必要である。
でドーピングされたもしくは部分的にドーピングされた
ポリシリコン層3の構造化を、例えば図2に示されるよ
うに実施する。このポリシリコン層3の構造化は、ドラ
イエッチング(プラズマエッチング)によって実施す
る。ポリシリコン層3は幾つかの互いに絶縁された領域
4,5に分割され、これらの領域は埋設されたポリシリ
コン−導体路領域もしくはポリシリコン−犠牲層領域5
として使用される。
上に次いで第2の絶縁層6を堆積させ、かつ構造化させ
る。この第2の絶縁層6はこの例においては同様に気相
によって、例えばシランの分解によって生じる二酸化ケ
イ素からなる。第2の絶縁層6の厚さは第1の絶縁層2
より大きくすべきである。
2の絶縁層6の構造化を実施する。更に第2の絶縁層6
の酸化物をポリシリコン−犠牲層領域5の上方の領域7
において、かつ基板接触の領域8において除去する。第
2の絶縁層6の構造化は、同様にドライエッチング(プ
ラズマエッチング)によって実施する。
第3の絶縁層9を堆積させる。絶縁層9は、のちに自由
可動にすべき構造25(図11参照)を犠牲層エッチン
グで使用されるエッチング媒体に対して保護もしくは不
動態化すべき機能を有する。第3の絶縁層9は有利には
同様に気相により、例えばシランの分解によって生じる
二酸化ケイ素からなる。絶縁層9は、ポリシリコン−犠
牲層領域5の上の第2の絶縁層6が除去されている領域
7にのみ必要である。
化によって単に領域7にのみ作成してもよい。第3の絶
縁層9の層厚は、目的に応じて5nm〜500nmにあ
る。
リコン出発層10を図5に示されるように堆積させる。
ポリシリコン出発層10は第3の絶縁層9を覆ってお
り、かつ後続のポリシリコン−堆積のための核として使
用される。ポリシリコン出発層10の堆積のために、誘
電性層の上に薄いポリシリコン層を堆積させるための半
導体技術で使用される全ての方法が適当である。
シリコン出発層10及びその下に存在する絶縁層2,
6,9もしくは6,9のホトリソグラフィーによる構造
化をドライエッチング(プラズマエッチング)によって
実施する。
上の領域において、コンタクトホール11をポリシリコ
ン層10及び第2及び第3の絶縁層6,9中にもたら
し、これによってその下に存在するポリシリコン−導体
路領域4に接触することができる。
域において、ポリシリコン出発層10及び第1、第2及
び第3の絶縁層2,6,9の構造化を実施する。
程において、厚いシリコン層13の堆積を実施する。堆
積は公知のエピタキシャル成長反応器中で実施する。か
かるエピタキシャル成長反応器は、半導体技術で単結晶
シリコン基板上に単結晶シリコン層を作成するために使
用されるシリコン層の堆積のための装置である。本願の
プロセスにおいてエピタキシャル成長反応器中での堆積
を単結晶シリコン基板上でなく、多結晶シリコン層10
上に実施するので、単結晶シリコン層が形成しないが、
厚い多結晶シリコン層13が形成する。ポリシリコン出
発層10はこのプロセス工程においては厚い多結晶シリ
コン層13の一部になる。
面を有するので、これを引き続き平坦化する。厚い多結
晶シリコン層13上に、埋設されたポリシリコン−導体
路領域4への電気的接続を製造するので、厚い多結晶シ
リコン層13のドーピングを実施する。
構造化された金属層14を設ける。金属層14はこのた
めに、例えば全面に施し、引き続き構造化してよい。
素層15の堆積を気相により、例えばシランの分解によ
って図7に示されるように実施する。二酸化ケイ素層1
5はこの場合、0.5μm〜5.0μmの厚さを有す
る。二酸化ケイ素層15の層厚は、絶縁層9の層厚より
大きいほうがよい。二酸化ケイ素層15は引き続いての
ホトリソグラフィー法によって構造化される。この二酸
化ケイ素層15の構造化は、同様にドライエッチング法
(プラズマエッチング)によって実施する。二酸化ケイ
素層15は、厚い多結晶シリコン層13の構造化のため
に引き続いてのエッチング法のためのマスクとして用い
られる。これは後続のエッチングの間の金属層14の保
護としても役立つ。マスクとして使用される二酸化ケイ
素層15の開口部16を通じて、例えば厚い多結晶シリ
コン層13のドライエッチング(プラズマエッチング)
を実施し、その際、トレンチ17、18がもたらされ
る。
に達したときにほぼ完全に停止する。それというのもこ
れは二酸化ケイ素に対してケイ素に非常に高い選択性を
有するからである。それによって、トレンチ17、18
の底に露出する領域19、20が得られる。異方性エッ
チング法によって、トレンチ17、18を高いアスペク
ト比で、すなわち大きい深さ及び僅かな側方の寸法を作
成することができる。トレンチ17、18は厚い多結晶
シリコン層13から第3の絶縁層9にまで延びている。
多結晶シリコン層13はこのように、埋設されたポリシ
リコン−導体路領域4を介さずに互いに接続されている
場合に互いに絶縁されている幾つかの領域に分割され
る。
するトレンチ17によって、機能的な構造もしくはその
下に存在するポリシリコン−犠牲層5の除去の後に自由
可動な構造25(図11参照)が作成される。トレンチ
18によって接続領域が定義され、もしくは絶縁され
る。
壁を犠牲層エッチングの際に使用されるエッチング媒体
に対して保護もしくは不動態化する第4の絶縁層21を
堆積させる。側壁不動態化として使用される第4の絶縁
層21は、有利には気相により、例えばシランの分解に
よって生じる二酸化ケイ素から構成される。絶縁層21
はトレンチ17、18の側壁22にのみ必要なので、こ
れは局所的な熱的酸化又は酸素プラズマ中で形成される
酸化物によっても作成できる。絶縁層21の層厚は、有
利には5nm〜500nmである。
のエッチング媒体をトレンチ17を通してポリシリコン
−犠牲層5に到達させられるように、トレンチ19、2
0の底の第3及び第4の絶縁層9,21が除去される。
それによって、ポリシリコン−犠牲層領域5の露出した
領域23を有するトレンチ17が得られる。
第4の絶縁層9、21の除去後の結果を示している。絶
縁層9、21の除去は、例えば垂直に向けられたプラズ
マエッチングプロセスによって実施できる。このエッチ
ング工程においては、第4の絶縁層21はトレンチ1
7、18の底でのみ除去されるが、図8のような構造の
表面24でも除去される。第4の絶縁層21は従ってト
レンチ17、18の側壁22にのみ残留する。
において同様に部分的に除去することができる。この理
由から、この二酸化ケイ素層15は第3の絶縁層9より
も大きな層厚を有さねばならない。トレンチ18と埋設
されたポリシリコン−導体路領域4との間に第2の絶縁
層6が存在するので、トレンチ18の底の第3及び第4
の絶縁層9、21の除去後に、埋設されたポリシリコン
−導体路領域4に露出した領域は得られない。それによ
って埋設されたポリシリコン−導体路領域4は絶縁層9
によって完全に包囲されたままである。
絶縁層9、21の開口の後に、図10のようにポリシリ
コン−犠牲層領域5の除去のための異方性エッチングを
実施する。トレンチ17を通して、エッチング媒体、例
えば二フッ化キセノン、三フッ化塩素又は三フッ化臭素
をポリシリコン犠牲層領域5に到達させる。これらのエ
ッチング媒体は非ケイ素、例えば二酸化ケイ素に対して
非常に高い選択性を有する。
て、予め定義された側方及び垂直の寸法を有する中空室
26が作成され、その上にこうして製造された自由可動
なセンサの構造25が存在する。自由可動な構造25、
埋設されたポリシリコン−導体路領域4並びに厚いポリ
シリコン層13の別の領域はエッチング媒体によってエ
ッチングしない。それというのもこれらは酸化物によっ
て周りが保護されていないからである。
ッチングによるトレンチ17、18の側壁の第4の絶縁
層21の除去、自由可動な構造25の下側の第2の絶縁
層9の除去並びに二酸化ケイ素層15の除去の後の層の
構成を示している。自由可動な構造25の下側の第1の
絶縁層2は望ましくは場合により完全に除去されていて
よい。
ている。厚いポリシリコン層13から、種々の機能領域
を構造化させる。金属層14の下に、トレンチ18によ
って完全に囲まれている接続領域27、28を構造化す
る。この接続領域27、28は従ってトレンチ18によ
って完全に厚いポリシリコン層13の残分に対して絶縁
されている。接続領域27は、厚いポリシリコン層13
の別の領域への接触を製造できる埋設されたポリシリコ
ン−導体路領域4への直接接触しており、すなわちこの
図では右側の隣の隣の隣接領域に接触している。接続領
域28はシリコン基板1に対して直接接触しており、そ
れによって基板接触が実現されている。中空室26上
に、自由可動な構造25、例えばインターデジタルコン
デンサの部分が存在する。
したが、本発明はそれに制限されるものではなく、多様
の様式に変更することができる。
ただけであり、任意に変更可能である。また本発明は加
速度センサ及び回転速度センサに限定されない。
ン層3が施されているシリコン基板1を示している。
結果を示している。
層6堆積させ、構造化した結果を示している。
させた結果を示している。
シリコン出発層10を堆積させた結果を示している。
3を堆積した結果を示している。
5を堆積させた結果を示している。
壁を犠牲層エッチングの際に使用されるエッチング媒体
に対して保護もしくは不動態化する第4の絶縁層21を
堆積させた結果を示している。
の絶縁層9、21の除去後の結果を示している。
第4の絶縁層9、21の開口の後に、図10のようにポ
リシリコン−犠牲層領域5の除去のための異方性エッチ
ングを実施した後の結果を示している。
している。
的な機能層、 4 導体路領域、 5 犠牲層領域、
6 第2の絶縁層、 7 ポリシリコン犠牲層領域の上
方の領域、 8 基板接触の領域、 9 第3の絶縁
層、 10 ポリシリコン出発層、 11 コンタクト
ホール、 12 コンタクトホール、 13 第2の精
密機械的な機能層、 14 金属層、 15 二酸化ケ
イ素層、16 開口部、 17 第1のトレンチ、 1
8 第2のトレンチ、 19 トレンチ、 20 トレ
ンチ、 21 第4の絶縁層、 22 トレンチ、 2
3露出した領域、 24 構造の表面、 25 可動に
懸垂された機能構成部分、 26 中空室、 27 接
続領域、 28 接続領域
Claims (12)
- 【請求項1】 基板(1)の上方で可動に懸垂された機
能構成部分を有し、基板(1);基板(1)の上に設け
られた第1の絶縁層(2);第1の絶縁層(2)の上に
設けられた、導体路領域(4)を有する第1の精密機械
的な機能層(3);導体路領域(4)及び第1の絶縁層
(2)の上に設けられた第2の絶縁層(6);第2の絶
縁層(6)の上に設けられた第3の絶縁層(9);第3
の絶縁層(9)の上に設けられた、第1及び第2のトレ
ンチ(17,18)を有する第2の精密機械的な機能層
(13)を有し、その際、第1のトレンチ(17)は第
2の精密機械的な機能層(13)中の機能構成部分(2
5)及び可動に懸垂された機能構成部分(25)に隣接
して少なくとも第3の絶縁層(9)にまで達し、第2の
トレンチ(18)は導体路領域(4)の上の第3の絶縁
層(9)にまで達する、精密機械的な構成素子。 - 【請求項2】 第1の精密機械的な機能層(3)及び第
2の精密機械的な機能層(13)がポリシリコン層であ
る、請求項1記載の精密機械的な構成素子。 - 【請求項3】 第1ないし第3の絶縁層(2,6,9)
が酸化物層である、請求項1又は2記載の精密機械的な
構成素子。 - 【請求項4】 第2の精密機械的な機能層(13)の内
部で可動でない接続領域(27,28)が設けられてお
り、これらは可動に懸垂された機能構成部分(25)と
電気的に接続されている、請求項1から3までのいずれ
か1項記載の精密機械的な構成素子。 - 【請求項5】 第2及び第3の絶縁層(6,9)中にコ
ンタクトホール(11)が第2の精密機械的な機能層
(13)と導体路領域(4)との接続のために設けられ
ている、請求項1から4までのいずれか1項記載の精密
機械的な構成素子。 - 【請求項6】 第1、第2及び第3の絶縁層(2,6,
9)中にコンタクトホール(12)が第2の精密機械的
な機能層(13)と基板(1)との接続のために設けら
れている、請求項1から5までのいずれか1項記載の精
密機械的な構成素子。 - 【請求項7】 基板(1)の上方で可動に懸垂された機
能構成部分(25)を有する精密機械的な構成素子を、
工程:基板(1)を準備する工程;基板(1)の上に第
1の絶縁層(2)を設ける工程;第1の絶縁層(2)の
上に第1の精密機械的な機能層(3)を設ける工程;第
1の精密機械的な機能層(3)を導体路領域(4)及び
犠牲層領域(5)に構造化させる工程;得られた構造の
上に第2の絶縁層(6)を設ける工程;犠牲層領域の表
面の部分的な露出のために第2の絶縁層(6)を構造化
する工程;得られた構造の上に第3の絶縁層(9)を設
ける工程;得られた構造の上に第2の精密機械的な機能
層(13)を設ける工程;第1及び第2のトレンチ(1
7,18)の形成のために第2の精密機械的な機能層
(13)を構造化し、その際、第1のトレンチ(17)
が少なくとも犠牲層領域(5)の上の第3の絶縁層
(9)にまで達し、かつ第2のトレンチ(18)が少な
くとも導体路領域(4)の上の第3の絶縁層(9)にま
で達する工程;得られた構造の上に第4の絶縁層(2
1)を設ける工程;少なくとも第1のトレンチ(17)
の底から第3及び第4の絶縁層(9,21)を除去する
工程;第2の精密機械的な機能層(13)において可動
に懸垂された機能構成部分(25)の形成のために第1
のトレンチ(17)を通して犠牲層領域(5)を選択的
にエッチングする工程によって製造するための方法。 - 【請求項8】 第1の精密機械的な機能層(3)及び第
2の精密機械的な機能層(13)がポリシリコン層であ
る、請求項7記載の方法。 - 【請求項9】 第1ないし第4の絶縁層(2,6,9,
21)が酸化物層である、請求項7又は8記載の方法。 - 【請求項10】 導体路領域(4)及び犠牲層領域
(5)を局所的な注入及び引き続いてのホトリソグラフ
ィーによる構造化によって設ける、請求項7から9まで
のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項11】 第2及び第3の絶縁層(6,9)中に
コンタクトホール(11)を、第2の精密機械的な機能
層(13)と導体路領域(4)との接続のために設け
る、請求項7から10までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項12】 第1、第2及び第3の絶縁層(2,
6,9)中にコンタクトホール(12)を第2の精密機
械的な機能層(13)と基板(1)との接続のために設
ける、請求項7から11までのいずれか1項記載の方
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