JP2005528994A - 構成エレメントならびに該構成エレメントを製造する方法 - Google Patents

Abstract

不動の構造体エレメントを固定するためのコンセプトが、特に、構成エレメント構造体が、支持体として働く基板４の上のシリコン層２に形成されている構成エレメントの電極固定のためのコンセプトが提案されている。このコンセプトは特にＳＯＩウエハから製造された構成エレメントに適している。本発明によれば、不動のエレメント６が、シリコン層２を貫通して延びている、固定材料から成る少なくとも１つの固定エレメント７を介して機械的に基板に結合されている。ＳＯＩウエハの場合には、固定エレメントは、ＳＯＩウエハシのリコン層と犠牲層３とを貫通して延びている。このために不動のエレメントの表面の領域には、シリコン層全体と犠牲層とを貫通して基板にまで延びる少なくとも１つの切欠がシリコン層に形成されている。次いで切欠を固定材料によって充填し、不動のエレメントが、ここに形成された固定エレメントを介して機械的に基板に結合される。

Description

背景技術
本発明は、構成エレメント、特に支持体として働く基板とシリコン層とを備えたセンサエレメントであって、前記シリコン層には構成エレメント構造体が形成されている形式のものに関する。構成エレメント構造体は少なくとも１つの不動のエレメント、特に電極を有している。本発明はさらに、このような構成エレメントを製造する方法に関する。

実際には、可動の構造体エレメントを備えた多くの構成エレメント、特にセンサエレメントはいわゆるＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）ウエハから製造される。ＳＯＩウエハの構成は通常、単結晶のシリコン層を有しており、このシリコン層はシリコン酸化層を介してシリコン基板に結合されている。構成エレメント構造体は単結晶シリコン層に形成される。可動の構造エレメントを露出させるために、このような構造エレメントの下方のシリコン酸化層は取り除かれる。従ってシリコン酸化層は犠牲層とも言われている。犠牲層の取り除きは通常、エッチング法によって行われる。エッチング法では通常、構成エレメント構造体の別の部分もサイドエッチングされる。このようなことは実際、特に構成エレメント構造体の、例えば電極のような不動のエレメントに関しては問題となっている。即ち、電極の下方に位置するシリコン酸化物も犠牲層エッチングの際に腐食されてしまう。電極が所定の最小寸法を有していて、犠牲層エッチングの際に電極が完全にはサイドエッチングされないならば、シリコン基板への電極の機械的な固定を保証することができる。

発明の効果
本発明によれば、不動の構造体エレメントを固定するためのコンセプトが、特に、構成エレメント構造体が、支持体として働く基板の上のシリコン層に形成されている構成エレメントのための電極固定のためのコンセプトが提案されている。このようなコンセプトは特に、ＳＯＩウエハから製造された構成エレメントに適している。

本発明によれば、構成エレメント構造体の不動のエレメントが、シリコン層を貫通して延びる、固定材料から成る少なくとも１つの固定エレメントを介して機械的に基板に結合される。ＳＯＩウエハの場合には、この固定エレメントは、ＳＯＩウエハのシリコン層と犠牲層とを貫通して延びている。このために、不動のエレメントの表面の領域では少なくとも１つの切欠がシリコン層に形成される。この切欠は、シリコン層全体および犠牲層を貫通して基板にまで延びている。次いで切欠は固定材料によって埋められる。これにより不動のエレメントは、ここに生じる固定エレメントを介して機械的に基板に接続される。

本発明によれば、構成エレメント構造体の不動のエレメントは固定エレメントによって機械的に基板に結合できることが記載されている。確実の固定の前提条件はこの場合、単に、固定材料が機械的に十分に安定的であって、固定エレメントの製造の際に行われるプロセス、例えば犠牲層エッチングによって、実質的は腐食されないことである。本発明による固定コンセプトは、基板に堅固に結合される極めて小さな構成エレメント構造体の実現を可能にし、従って、構成エレメントの縮小化にも貢献する。

基本的に、本発明による構成エレメントの実現と、本発明によるこのような構成エレメントを製造するための方法の形態および別の形態のためには種々様々な可能性がある。

構成エレメントをできるだけ大幅に縮小化することと、確実な固定とに関しては、固定エレメントが、不動のエレメントの表面のほぼ中央に配置されていると有利である。このために、シリコン層とＳＯＩウエハの場合には犠牲層とを、相応に構造化しなければならない。

シリコン層を構造化するためには、例えば、トレンチのような異方性エッチング法が行われる。何故ならば、異方性エッチング法によって簡単に比較的深く、しかも細い切欠が形成されるからである。このようにして、構成エレメント構造体のための所要スペースは最小にされる。犠牲層は、シリコン層の構造化のための異方性エッチング過程の延長により、これに相応に構造化される。しかしながら選択的には、犠牲層は、等方性エッチングによっても構造化できる。このことは特に、固定エレメントの構成に関して有利である。即ち犠牲層の等方性エッチング法では、シリコン層における切欠の縁部領域もサイドエッチングされる。次いで行われる、シリコン層と犠牲層とに延びる切欠の充填で固定エレメントが形成され、この固定エレメントは、逆鉤構造と、基板への拡大された結合面とに基づき、不動のエレメントの特に安定的な固定が保証される。

本発明の方法の有利な実施例では、シリコン層と犠牲層とが構造化された後、固定材料がシリコン層上に析出される。この場合、固定材料は基板上の切欠の領域で成長する。これにより切欠は埋められ、固定エレメントが形成される。さらにシリコン層は固定材料によって被覆される。このような被覆は通常は少なくとも部分的に再び取り除かれる。この場合、それぞれ該当する構成エレメントの構造体エレメントの機能が考慮される。

電極固定のために働く固定エレメントのためには、構成エレメントの基板を介したショートを防止するために、有利には非導電性の固定材料が選択される。このような関係で、炭化ケイ素ＳｉＣ、特にシリコンを含むシリコンニトリドＳｉＮが固定材料として有利である。固定材料から成る前述の被覆層は、電極表面の領域の上方で固定エレメントの周りでのみ延びているか、またはほぼ電極表面全体にわたって延びていても良い。しかしながらこの場合、この被覆層には少なくとも１つのコンタクト孔が電極のために形成されていなければならない。有利にはコンタクト孔は、固定エレメントの領域の外側に配置されていて、これにより電極の機械的な固定と電気的な接続とは空間的に分離される。

本発明による構成エレメントの特に有利な構成では、構成エレメント構造体上にキャップメンブレンが形成されている。このキャップメンブレンを介して、構成エレメント構造体の電極は電気的にコンタクトされる。キャップメンブレンもこの場合、固定エレメントを介して機械的に基板に結合することができる。

図面
既に詳しく説明したように、本発明の教示を有利に具現化し、応用する種々様々な可能性がある。このために一方では、独立的な請求項に従属する請求項が、また他方では、以下に図面につき詳しく説明する実施例が参照される。

実施例の説明
本発明の構成エレメントのための図示した実施例は、加速度を検出するためのセンサエレメント１である。

センサエレメント１は、単結晶のシリコン層２を有しているＳＯＩウエハから製造されている。このシリコン層２は犠牲層３を介して基板４に、この場合シリコン基板に結合されている。この場合、犠牲層３としては酸化シリコン層が使用される。センサ構造体は、単結晶のシリコン層２に形成されていて、可動のエレメント５を有している。この可動のエレメント５には加速度が作用する。可動のエレメント５の、休止位置からの変位が、電極６によって検出される。電極はセンサ構造体の不動のエレメントである。

本発明によれば電極６はそれぞれ固定エレメント７を介して機械的に基板４に接続されている。このために固定エレメント７はそれぞれ電極表面に対してほぼ真ん中に配置されていて、シリコン層２全体と犠牲層３とを貫通して基板４にまで延びている。固定エレメント７は、非導電性の固定材料から形成されている。この実施例では、シリコンを多く含んだ窒化ケイ素ＳｉＮが固定材料として使用される。何故ならば、ＳｉＮは犠牲層３のＨＦ蒸気エッチングに対して耐性があり、ＳｉＮから成る固定エレメントは機械的に十分安定しているからである。

図１に示したセンサ構造体を形成するために、まず最初に、電極６の固定エレメント７のための切欠をシリコン層２に形成する。そのためにここでは、例えばトレンチのような異方性エッチング法が行われる。次いで、この切欠の領域のシリコン酸化物も取り除かれる。ここに示した実施例では、このためにも異方性エッチング法が行われた。何故ならば、シリコン層２における切欠の端部領域はサイドエッチングされないからである。この個所では、切欠の領域における犠牲層３は、等方性エッチング法においても取り除くことができるので、シリコン層２における切欠の端部領域がサイドエッチングされることを述べておく。本発明の方法のこのような変化実施例により、犠牲層３の領域においてシリコン層２の下方にまで延びていて、即ち、逆鈎構造体を有している固定エレメント７を形成することができる。

シリコン層２全体と犠牲層３とを通って基板４にまで延びる切欠には、固定材料が充填される。このために、ＳｉＮは析出ステップでシリコン層２に析出され、これにより基板４上で切欠の領域に成長する。切欠が次いで閉鎖される程度にＳｉＮが析出されなければならない。同時に、シリコン層２は固定材料によって被覆される。このＳｉＮ被覆層８はこの実施例では、電極表面上に残るように構造化された。電極表面上の電気絶縁性のＳｉＮは、電極と、続いて形成されるメンブレン層との電気絶縁性の機械的な結合を可能にする。このような結合は実際は、センサエレメント１の電極６の電気的な接続のために役立つ。電極６とメンブレン層における接続部との間の電気的なコンタクトを可能にするために各電極６には、ＳｉＮ被覆層８においてコンタクト孔９が形成されている。このコンタクト孔９は、電極６の電気的なコンタクトと機械的な固定とを分離するために、固定エレメント７の領域には配置されていない。

固定エレメント７が、上述の通り形成されたら、機能的なセンサ構造体も異方性エッチング法で、例えばトレンチによってシリコン層２に設けられる。この場合、可動エレメント５と、電極６のようなセンサ構造体の不動エレメントとが規定される。続く方法ステップ、即ち犠牲層エッチングでは、可動エレメント５が露出される。この場合、犠牲層３は可動エレメント５の下側でのみ取り除かれるのではなく、電極６のサイドエッチングも行われる。しかしながら固定材料は、シリコン酸化物層３を取り除くＨＦ蒸気エッチングに対して耐性があるので、電極６は固定エレメント７を介して基板４に機械的に堅固に結合されたままとなる。

図１に示したようなセンサエレメント１の電極６の電気的な接続は、薄層メンブレンを介して行われ、これはセンサ構造体をさらにシールする。しかしながらこのような形式の薄層パッケージに対して選択的に、電気的な接続は、いわゆるキャップメンブレンを介しても実現できる。これについては次に図２〜図４につき詳しく説明する。

キャップメンブレンを形成するためには、図１に示したセンサ構造体に第２の犠牲層１１を取り付ける。この第２の犠牲層１１はこの場合、同様にシリコン酸化物から形成されている。第２の犠牲層１１は、個々のエレメント５，６の間の中間室を閉じ、これにより閉じられた表面が形成される。これは図２に示されている。

次いで、第２の犠牲層１１が構造化され、これにより第２の犠牲層１１のいたるところに開口１２，１３が形成される。そこはメンブレン層がシリコン層２に直接に（開口１２）、またはＳｉＮ被覆層８に直接に（開口１３）接触するところである。従って図３には、コンタクト孔９の領域に開口１２が示されていて、被覆された電極表面の領域に開口１３が示されている。

構造化された第２の犠牲層１１の上に、例えばポリシリコンまたはＳｉＧｅから成るメンブレン層１４が形成される。ポリシリコンは、スタート層の形成後、簡単にエピタキシャル成長される。次いでメンブレン層１４が構造化される。このことは、ポリシリコン層の場合、トレンチエッチングによっても得られる。このような構造化の際に、一方では、犠牲層エッチングのための開口１５が形成され、この開口では少なくとも第２の犠牲層１１と場合によっては第１の犠牲層３とが取り除かれる。他方では、メンブレン層１４の構造化の際に開口１６が形成され、この開口１６によって、機能的なシリコン層２とメンブレン層１４との間のコンタクト貫通孔が、コンタクト孔９の領域において、メンブレン層１４のその他の領域から電気的に絶縁される。このような開口１６は、以下では絶縁トレンチと記載する。構造化されたメンブレン層を備えたセンサエレメント１は図４に示されている。

第２の犠牲層１１と、まだ取り除かれていない場合には第１の犠牲層３とが再び取り除かれ、センサ構造体の可動エレメント５が露出されるようにする。このためには通常、ＨＦ蒸気エッチングが行われる。既に説明したように、固定材料ＳｉＮはこれにより腐食されないので、電極６は固定エレメント７を介して基板４とメンブレン層１４とに機械的に堅固に結合されたまま残る。図５には、このように形成されたキャップメンブレン１４を備えたセンサエレメント１が示されている。一方ではキャップメンブレン１４はコンタクト孔９を介して直接電極６に接続されていて、電気的な接続部を形成している。他方ではキャップメンブレン１４は、電極表面のＳｉＮ層８と固定エレメント７とを介して機械的に基板４に結合されていて、これによりキャップメンブレン１４も固定されている。

キャップメンブレン１４を介して電気的に接続された電極６は、絶縁トレンチ１６によって、電極６を電気的に分離させるために、キャップメンブレン１４のその他の領域から分離されなければならない。固定エレメント７は、電極６が絶縁トレンチ１６とその他のパーフォレーション孔とを介して完全にサイドエッチングされ、これにより基板４から離れるのを阻止する。コンタクト孔９と固定エレメント７とを電極６の異なる領域に配置することにより、機械的な固定と電気的な接続とが空間的に分離され、これにより絶縁トレンチによって弊害が生じない。

ＳＯＩウエハから成る構成エレメントのための本発明によるコンセプトは、例えば電極のような不動の構造エレメントが基板に機械的に固定できるようにする。このことは、不動の構造エレメント内に取り付けられ、犠牲層エッチングに対して耐性のある材料から成る固定エレメントによって得られる。電極固定の場合には、固定材料はさらに、固定と電気的なコンタクトとを空間的に分離するために、電気的に絶縁されていなければならない。固定材料としては、ケイ素含有窒化物またはＳｉＣが挙げられる。

可動のエレメントと不動のエレメントとを備えた本発明によるセンサ構造体の斜視図である キャップメンブレンを形成するための第２の犠牲層を取り付けた後の図１のセンサ構造体を示した断面図である 第２の犠牲層を構造化した後の図２のセンサ構造体を示した図である メンブレン層を取り付けた後、および構造化した後の図３のセンサ構造体を示した図である 第２の犠牲層を取り除いた後の図４のセンサ構造体を示した図である

Claims (19)

1. 構成エレメント、特にセンサエレメント（１）であって、支持体として働く基板（４）と、シリコン層（２）とを有しており、該シリコン層には、構成エレメント構造体が形成されており、構成エレメント構造体は少なくとも１つの不動のエレメント、特に電極（６）を有している形式のものにおいて、
   不動のエレメント（６）が、シリコン層（２）を貫通して延びている、固定材料から成る少なくとも１つの固定エレメント（７）を介して機械的に基板（４）に結合されていることを特徴とする構成エレメント。
2. 請求項１記載の構成エレメントであって、シリコン層（２）が犠牲層（３）を介して基板（４）に結合されている形式のものにおいて、
   不動のエレメント（６）が、シリコン層（２）と犠牲層（３）とを貫通して延びる、固定材料から成る少なくとも１つの固定エレメント（７）を介して機械的に基板（４）に結合されている、請求項１記載の構成エレメント。
3. 固定エレメント（７）が、不動のエレメント（６）の表面に対してほぼ中央に配置されている、請求項１または２記載の構成エレメント。
4. 固定エレメントが、犠牲層の領域でシリコン層の下方まで延びている逆鉤構造体を有している、請求項２または３記載の構成エレメント。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の構成エレメントであって、固定エレメント（７）が、電極（６）の固定のために働く形式のものにおいて、
   固定材料が非導電性であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の構成エレメント。
6. 電極表面が、少なくとも固定エレメント（７）の周りの領域で、固定材料から成る被覆層（８）を有している、請求項５記載の構成エレメント。
7. 請求項６記載の構成エレメントであって、前記被覆層（８）が電極表面のほぼ全体にわたって延びている形式のものにおいて、
   前記被覆層（８）に、電極（６）のための少なくとも１つのコンタクト孔（９）が形成されていて、コンタクト孔（９）が、固定エレメント（７）の領域の外側に配置されていることを特徴とする、請求項６記載の構成エレメント。
8. 構成エレメント構造体の上にキャップメンブレン（１４）が形成されていて、少なくとも１つの電極（６）がキャップメンブレン（１４）を介して電気的に接触されていて、キャップメンブレン（１４）が固定エレメント（７）を介して機械的に基板（４）に結合されている、請求項５から７までのいずれか１項記載の構成エレメント。
9. 窒化ケイ素ＳｉＮまたは炭化ケイ素ＳｉＣが固定材料として使用される、請求項１から８までのいずれか１項記載の構成エレメント。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の構成エレメント、特にセンサエレメント（１）を製造するための方法であって、少なくとも１つの不動のエレメント、特に電極（６）を有している構成エレメント構造体をシリコン層（２）に形成し、シリコン層（２）を犠牲層（３）を介して基板（４）に結合している形式のものにおいて、
    不動のエレメント（６）の表面の領域で、シリコン層（２）の領域全体および第１の犠牲層（３）を貫通して基板（４）まで延びている少なくとも１つの切欠をシリコン層（２）に形成し、
    前記切欠に固定材料を充填し、これにより不動のエレメント（６）を、ここに形成された固定材料（７）を介して機械的に基板（４）に結合させることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の構成エレメントを製造するための方法。
11. シリコン層（２）に、異方性エッチング法、特にトレンチによって前記切欠を形成する、請求項１０記載の方法。
12. 前記切欠の領域における第１の犠牲層（３）を、異方性エッチング法、特にトレンチによって取り除く、請求項１０または１１記載の方法。
13. 前記切欠の領域における第１の犠牲層（３）を、等方性エッチング法によって取り除き、シリコン層における切欠の縁部領域を下方侵食する、請求項１０または１１記載の方法。
14. 固定材料をシリコン層（２）に析出し、これにより切欠の領域で基板（４）上に固定材料を成長させて切欠を充填し、この場合に生じる固定材料を有したシリコン層（２）の被覆層（８）を少なくとも部分的に再び取り除く、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の構成エレメント。
15. 請求項１０から１４までのいずれか１項記載の、キャップメンブレン（１４）を備えた構成エレメントを製造する方法において、
    既に、少なくとも１つの固定エレメント（７）を備えた少なくとも１つの電極（６）が形成されている、シリコン層（２）に形成された構成エレメント構造体の上に、閉じられた表面を有する第２の犠牲層（１１）を形成し、
    該第２の犠牲層（１１）を構造化し、即ち、第２の犠牲層（１１）を、固定エレメント（７）の領域および、電極表面における少なくとも１つのコンタクト個所（９）の領域で取り除き、
    構造化された第２の犠牲層（１１）の上にメンブレン層（１４）を形成し、
    メンブレン層（１４）を構造化し、即ち、第２の犠牲層（１１）および、場合によっては第１の犠牲層（３）も取り除くための開口（１５）を形成し、かつメンブレン層（１４）への電極（６）の電気的接続を、メンブレン層（１４）のその他の領域から電気的に絶縁するための開口（１６）を形成し、
    少なくとも第２の犠牲層（１１）を取り除くことを特徴とする、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の、キャップメンブレン（１４）を備えた構成エレメントを製造する方法。
16. メンブレン層（１４）を、ポリシリコンまたはＳｉＧｅから製造する、請求項１５記載の方法。
17. メンブレン層をポリシリコンからエピタキシャル成長させる、請求項１５記載の方法。
18. メンブレン層（１４）をトレンチエッチングによって構造化する、請求項１７記載の方法。
19. 第２の犠牲層（１１）をシリコン酸化物ＳｉＯから形成し、第２の犠牲層（１１）をＨＦ蒸気エッチングによって取り除く、請求項１５から１８までのいずれか１項記載の方法。

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