JP2010506740A - 薄膜キャップを有するマイクロメカニカル素子の製造法 - Google Patents

Abstract

本発明は、シリコンゲルマニウム充填膜（４、３）で包囲された構造体（２）が、シリコンキャップ（７）中のマイクロ孔を通じたＣｌＦ_３エッチングにより露出されるにもかかわらず、シリコンキャップ（７、１１）に対するエッチング腐食を、エッチングプロセス自体を特に選択的に（例えば１００００：１又はそれ以上）調整することによって、又は、ゲルマニウムに富む膜（５、１０）の酸化物が酸化された多孔質シリコン（１１）とは対照的に安定でなく、むしろシリコンキャップ（７、１１）を保護するために容易に溶解し得るという知見を利用することによって防止するキャップ技術を提供する。

Description

背景技術
本発明は、シリコンからなるキャップ膜を有するマイクロメカニカル素子の製造法に関する。

感度の高いマイクロメカニカルセンサ素子のキャップは、通常、完全に処理されたセンサウェハにキャップウェハを接合／接着することにより行われる。所定の雰囲気ないし所定の圧力を封入するために、前記処理工程は同じ条件下に行われねばならない。キャップウェハは、通常、センサ構造体の可動性を保証するために、ＫＯＨエッチングによって予備構造化される。前記の煩雑な方法における問題の一つに、センサ構造体がキャップを施与した際に自由に可動であるため、衝撃及び粒子不純物に対して極度に感度が高いという問題がある。

より最近になって公知となったキャップ技術である薄膜キャップは、キャップウェハを省略し、その代わりに、露出すべきマイクロメカニカル構造体と、通常の積層法を用いて作製されたシリコン膜（キャップ膜）との間に、中空部を形成する。前記方法は、既存のシリコン（Ｓｉ）キャップ膜の下方に存在する充填膜をエッチングにより除去し、そのようにして中空部を設けることに基づく。エッチングガスを充填膜に導くために、通常はキャップ膜の貫通孔が設けられ、該貫通孔は、後になって −充填膜及び場合により他の犠牲膜をエッチングにより除去した後に− 封止膜の積層によって、元通りに封止される。しかしながら、エッチングガスをＳｉキャップ膜に導通させるべき場合には、エッチングガスがＳｉキャップ膜をも腐食することのないように多少なりとも煩雑な措置が必要である。

これに関連して、ＤＥ１０００６０３５Ａ１から、薄膜キャップ（充填ポリ技術）が公知であり、その際、Ｓｉキャップ膜はトレンチからなる貫通孔を備えており、該貫通孔は慣用の深掘りエッチング法により製造されたものである。充填エピポリＳｉ膜をエッチングガスＣｌＦ_３を用いてＳｉキャップ膜に関して選択的にエッチングすることができるように、トレンチの側壁パッシベーション並びに他の保護膜が提案される。

ＤＥ１０２００４０３６８０３Ａ１には、薄膜キャップに使用可能なエッチング法が開示されており、その際、エッチング剤としてのＣｌＦ_３を、シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_1-ｘＧｅ_ｘ）合金からなる除去すべき（充填）膜と組み合わせて用いて、ポリシリコンに対する、例えば４０００：１の極めて高い望ましい選択性を達成することができる。ポリＳｉキャップ膜の製造に関連して、前記選択性は、エッチングガスを −キャップの腐食なしに− 通常通りキャップ膜においてマスク技術を用いて作製されたトレンチに導くのに十分である。しかしながら、前記のキャップ中の比較的大きな（マイクロメートル範囲の）トレンチないし開口を封止し得るためには、上記の公開公報に記載されているように、約１〜２０μｍの比較的大きな厚さを有する封止膜が必要である。しかしながらこのような厚い封止膜の場合には、常に、大きな開口部の下方で露出するマイクロメカニカル構造体が望ましくない様式で一緒に被覆されてしまう危険性がある。他方では、前記方法において提供される選択性は、開口部がナノメートル範囲である多孔化されたキャップシリコンにおいて、小粒子の形で存在する多孔質Ｓｉ材料に対するエッチングガスの腐食を回避するのに十分なほど高くはないことを考慮しなければならない。

ＤＥ１９９６１５７８Ａ１から、Ｓｉキャップがマイクロ孔を備えている方法が公知である。この場合、慣用の充填膜ないし犠牲膜として、シリコンベースの酸化物が使用され、該酸化物は、ＨＦガスエッチング −キャップシリコンに対して十分に選択的であるが、しかしながら比較的ゆっくりとしたプロセス− を用いて除去される。

発明の概要
従って、本発明の課題は、改善された薄膜キャップ技術を提供することであった。前記課題は、本発明によれば、請求項１に記載の方法により、及び請求項２に記載の別法により解決される。実施態様及び有利な措置は、従属請求項に記載されている。

本発明による第一の解決手段において、前記目的は、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）充填膜を基板上に積層し、シリコンキャップ膜をＳｉＧｅ充填膜上に積層し、Ｓｉキャップ膜中に、直径がナノメートル範囲内であるマイクロ孔を作製し、それにより、多孔質Ｓｉキャップ膜を作製することによって、並びに、ＳｉＧｅ充填膜を、マイクロ孔により導かれたＣｌＦ_３を用いた気相エッチングにより除去することによって達成され、その際、ＣｌＦ_３エッチングパラメータ及び充填膜のＳｉ_1-ｘＧｅ_ｘ組成を、多孔質Ｓｉキャップ膜に対する選択性が十分に高いために前記多孔質Ｓｉキャップ膜を腐食しないように調節する。引き続き、更に、封止膜を多孔質Ｓｉキャップ膜上に積層することによりマイクロ孔の封止を行う。

本発明による第二の解決手段において、前記目的は、ＳｉＧｅ充填膜を基板上に積層し、かつ、ゲルマニウム（Ｇｅ）に富む膜を形成し、その際、Ｇｅに富む膜を、ＳｉＧｅ充填膜自体の上方に向かって増加するＧｅ濃度勾配によって、又は、付加的なゲルマニウム（Ｇｅ）膜をＳｉＧｅ充填膜上に積層することによって形成し、引き続き、Ｓｉキャップ膜をＧｅに富む膜上に積層し、引き続き、直径がナノメートル範囲内であるマイクロ孔をＳｉキャップ膜中及びＧｅに富む膜中に作製し、それにより、多孔質膜を作製し、更に、多孔質膜を熱的に酸化し、引き続き、多孔質のＧｅに富む膜の酸化物を酸化物溶解プロセスにより除去し、かつ、ＳｉＧｅ充填膜及びＧｅに富む膜を、マイクロ孔により導かれたＣｌＦ_３を用いた気相エッチングにより除去することにより達成される。最後に、更に、封止膜を多孔質Ｓｉキャップ膜上に積層することによりマイクロ孔の封止を行う。

基本的な着想は、ＳｉＧｅ（犠牲）充填膜で包囲されたセンサ構造体の、ＣｌＦ_３を用いたＳｉキャップ中の小孔を通じたエッチング、及び、前記プロセス操作と関連する利点にもかかわらず、Ｓｉキャップに対するエッチング腐食を、プロセス技術的にそれほど煩雑でない様式で、即ち、エッチングプロセス自体を特に選択的に（例えば１００００：１又はそれ以上）調整することによって、又は、Ｇｅ膜の酸化物が酸化された多孔質Ｓｉとは対照的に安定でなく、容易に溶解するという認識を、本発明に関連して記載された様式で示すことによって防止する薄膜キャップ技術を提供することである。

本発明による方法により、薄膜技術の全般的な利点を実現することができる。即ち、ボンディング法及びキャップウェハは不要である。キャップはセンサ構造体の直上に組み込まれている。最大数十μｍの低い高さにより、センサ要素の体積は低減される。

第二の本発明による解決手段の実施態様によれば、Ｇｅに富む膜がたった約３０〜１００ｎｍの厚さしか有しないことは有利である。更に、熱的な酸化は有利に約２００〜４００℃の温度で行われるため、ＳｉＧｅ膜ないしＧｅに富む膜の熱的な損傷は生じない。第二の本発明による解決手段の全ての変法において、Ｇｅに富む膜の酸化物を単純に水又は水蒸気中に溶解させるという可能性は特に有利である。

ＳｉＧｅ充填膜を積層する前に、露出すべきマイクロメカニカル構造体の下方にＳｉＧｅ犠牲膜を施与し、かつ、ＳｉＧｅ犠牲膜及び充填膜を一工程でエッチングにより除去し、かつ構造体を露出させるという本発明の実施態様は特に有利であると見なされる。

それとは別に、本発明による２つの解決手段の全ての変法において、ＳｉＧｅ充填膜の積層を、ＳｉＧｅから成っていない犠牲膜を用いて既に露出されたマイクロメカニカル構造体上で行うという可能性が存在する。

本発明の全ての変法において、マイクロ孔の直径が２〜２０ｎｍの範囲内であることは特に有利な実施態様である。それにより、封止膜は約１００ｎｍの極めてわずかな厚さを有することができ、従って、露出されたセンサ構造体は、キャップの封止の際にもはや巻き添えとならない。

なお、このような微細なマイクロ孔は、容易に、電気化学的エッチングにより、又は無電解ステインエッチング法により作製され得る。

図面の簡単な説明
図１〜５は、それぞれ断面図で、本発明による製造法を実施例で示し、その際、図４は図３からの拡大された細部を表す。

本発明による製造法を断面図により示す図。 本発明による製造法を断面図により示す図。 本発明による製造法を断面図により示す図。 図３からの拡大された細部を表す図。 本発明による製造法を断面図により示す図。

本発明の実施形態
図１に、既にシリコン基板１上に、マイクロメカニカル構造体２、例えば回転速度センサ又は加速度センサ用の櫛状構造体が構造化されているが、前記構造体２が、まだ、構造体２の下方に存在する、有利にＳｉＧｅ犠牲膜をベースとする犠牲膜３のエッチングによって露出されていない製造段階を示す。しかしながら、例えば構造体２が下記の方法工程の前に露出されている、ポリＳｉ犠牲膜３を用いた変形も考えられる。

いかなる場合においても、センサ構造体２は引き続きシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）充填膜４で被覆される。前記センサ構造体２はＳｉＧｅ犠牲膜３のエッチングまで位置固定されているため、機械的衝撃に対して安定である。ＳｉＧｅ充填膜４は、後になって、ＣｌＦ_３エッチングによりシリコンセンサ構造体２に対して高選択的に除去され、この点で犠牲膜でもある。ＳｉＧｅ充填膜４上に、図１に示されている（厚さ数百ｎｍ〜数μｍの）ポリＳｉ膜７が積層される。前記膜は、引き続き、図２〜５に記載の他の方法工程において更に詳細に記載されているように、多孔化され、かつ後になって、薄膜キャップ７として機能する。しかしながらまず、充填膜４のＳｉＧｅは有利にｐ型ドーピングされる。この上に、同様にｐ型ドーピングされた、厚さ数十〜数百ｎｍの薄いゲルマニウム膜５の積層が行われる。図１を参照のこと。それとは異なって、付加的なＧｅ膜５の代わりに、Ｇｅ濃度勾配を有するＳｉＧｅ充填膜４のみを積層することができ、その結果、その上方の基板から遠い範囲において、Ｇｅに富む（部分）膜５が生じる。

場合により、基板１に対する電気接点６の設置が、後の孔形成のために必要である。図１を参照のこと。前記接続は、ＳｉＧｅ膜４又はポリＳｉ膜７を介しても生じうる。Ｇｅに富む膜５上に、ｐ型ドーピングされた既に述べた厚さのポリＳｉ膜７の積層が行われる。これは、後のキャップ７である。

ポリＳｉ膜７及びＧｅに富む膜５は、フッ酸（ＨＦ）中での電気化学的エッチングを用いて所定の領域で多孔化されるため、多孔質膜９及び１０を有する図２に示される状態が生じる。このために、予めエッチングマスク８（図１を参照のこと）が積層され、かつ構造化される。ここで有利に、ＳｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる膜８又はｎ型ドーピングが用いられる。

電気化学的エッチングではなく、自体公知の無電解エッチング法（いわゆるステインエッチング）を使用することもできる。ここで、マイクロ孔形成は、ＨＦと酸化剤（例えばＨ_２Ｏ_２、ＨＮＯ_３）とからなる混合物中で行われる。前記の無電解の方法の場合、基板１に対する電気接点６を省くことができる。

引き続き、図２に示される多孔質膜９及び１０が熱的に酸化され、その結果図３に示す状態が生じる。前記酸化は、有利に約２００〜４００℃の低温で行われるため、ＳｉＧｅ充填膜４ないしＧｅに富む膜５に対して熱的な影響はない。Ｇｅに富む膜５の酸化物は、酸化された多孔質シリコン１１とは対照的に、安定ではなく、例えばＨ_２Ｏ又はＨ_２Ｏ蒸気中に可溶である。今や、酸化された多孔質シリコン１１は、ＣｌＦ_３エッチングプロセスのためのアクセスホールを意味する。下方に向かって、前記のアクセスは多孔質のＧｅに富む膜１０によって保証され、その際、多孔質のＧｅに富む膜１０の酸化物膜は記載の通りに除去されている。酸化物はＣｌＦ_３エッチングプロセスにおいて不活性であるため、多孔質のシリコン範囲１１（後のキャップ７）は腐食しない。それに対して、多孔質のＧｅに富む膜１０はＣｌＦ_３で迅速に除去される。引き続き、ＳｉＧｅ充填膜４及びＳｉＧｅ犠牲膜３は、一工程でＣｌＦ_３でエッチングされる。前記の方法工程は図４において拡大された部分において明確に説明され、その際、エッチング腐食の領域１４が示されている。

図５に示されているように、ＣｌＦ_３エッチングによって、露出されたセンサ構造体１２が作製される。ＳｉＧｅ犠牲膜ＭＥＭＳプロセスを用いた場合、充填膜４及び犠牲膜３は一工程で除去される。しかしながら、既に述べたように、ＭＥＭＳプロセスでＳｉＧｅ犠牲膜３なしで前記方法を用いてキャップすることも考えられる。この場合、すでに予め露出されたセンサ構造体１２はＳｉＧｅ充填膜４で被覆される。他の過程は上記と同様である。

ＣｌＦ_３エッチングパラメータ及びＳｉＧｅ組成、即ちそれぞれＳｉないしＧｅの割合を適切に選択することによって、Ｇｅに富む膜５を使用しなくとも、ＳｉＧｅ充填膜と、ＣｌＦ_３における多孔化されたＳｉのエッチングとの相応して高い選択性を調節することができ、その結果、酸化を完全に省略することすら可能である。これによってプロセスが著しく単純化され、それというのも、酸化物溶解プロセスも省かれるためである。

最後に（図５を参照のこと）多孔質キャップ７ないし１１が、薄い封止膜１３の積層により封止される。開口部、即ち前記キャップ７のマイクロ孔は、直径２〜２０ｎｍ、特に５ｎｍ未満の範囲内にあるため、前記マイクロ孔を、確実な封止に十分な厚さ約１００ｎｍの封止膜１３を用いて、この封止膜１３の下方にあるセンサ構造体１２を一緒に被覆することなく封止することができる。封止の際、積層法に応じて、プロセス真空又は所定のプロセス雰囲気が封入され得る。

更に、キャップの前に、多孔質シリコン７、１１によるＡＳＣ（静止摩擦防止コーティング）膜を、露出されたＭＥＭＳ構造体１２上に積層することができる。本発明による方法は、キャップを必要とするシリコンベースの全てのセンサに適用可能である。

Claims (10)

1. 少なくとも以下の工程：
   − シリコンゲルマニウム充填膜（４）を基板（１）上に積層する工程、
   − シリコンキャップ膜（７）をシリコンゲルマニウム充填膜（４）上に積層する工程、
   − シリコンキャップ膜（７）中に、直径がナノメートル範囲内であるマイクロ孔を作製し、それにより、多孔質のシリコンキャップ膜（９）を作製する工程、
   − シリコンゲルマニウム充填膜（４）を、マイクロ孔により導かれたＣｌＦ_３を用いた気相エッチングにより除去し、その際、ＣｌＦ_３エッチングパラメータ及び充填膜（４）のＳｉ_1-ｘＧｅ_ｘ組成を、多孔質シリコンキャップ膜（９）に対する選択性が十分に高いために前記多孔質シリコンキャップ膜（９）を腐食しないように調節する工程、
   − 封止膜（１３）を多孔質シリコンキャップ膜（９）上に積層することにより、マイクロ孔を封止する工程
   を有する、シリコンからなるキャップ膜を有するマイクロメカニカル素子の製造法。
2. 少なくとも以下の工程：
   − シリコンゲルマニウム充填膜（４）を基板（１）上に積層し、かつ、ゲルマニウムに富む膜（５）を形成し、その際、ゲルマニウムに富む膜（５）を、シリコンゲルマニウム充填膜（４）の上方に向かって増加するゲルマニウム濃度勾配によって、又は、付加的なゲルマニウム膜（５）をシリコンゲルマニウム充填膜（４）上に積層することによって形成する工程、
   − シリコンキャップ膜（７）をゲルマニウムに富む膜（５）上に積層する工程、
   − 直径がナノメートル範囲内であるマイクロ孔をシリコンキャップ膜（７）中及びゲルマニウムに富む膜（５）中に作製し、それにより、多孔質膜（９、１０）を作製する工程、
   − 多孔質膜（９、１０）を熱的に酸化し、引き続き、多孔質のゲルマニウムに富む膜（１０）の酸化物を酸化物溶解プロセスにより除去する工程、
   − シリコンゲルマニウム充填膜（４）及びゲルマニウムに富む膜（５、１０）を、マイクロ孔により導かれたＣｌＦ_３を用いた気相エッチングにより除去する工程、
   − 封止膜（１３）を多孔質シリコンキャップ膜（１１）上に積層することにより、マイクロ孔を封止する工程
   を有する、シリコンからなるキャップ膜を有するマイクロメカニカル素子の製造法。
3. ゲルマニウムに富む膜（５、１０）が約３０〜１００ｎｍの厚さを有する、請求項２記載の方法。
4. 熱的な酸化を約２００〜４００℃の温度で行う、請求項２又は３記載の方法。
5. ゲルマニウムに富む膜（１０）の酸化物を水又は水蒸気中に溶解させる、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
6. シリコンゲルマニウム充填膜（４）を積層する前に、露出すべきマイクロメカニカル構造体（２）の下方にシリコンゲルマニウム犠牲膜（３）を施与し、かつ、シリコンゲルマニウム犠牲膜及び充填膜（３、４）を一工程でエッチングにより除去し、かつ構造体（２、１２）を露出させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. シリコンゲルマニウム充填膜（４）の積層を、シリコンゲルマニウムから成っていない犠牲膜を用いて既に露出されたマイクロメカニカル構造体（１２）上で行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
8. マイクロ孔の直径が２〜２０ｎｍの範囲内である、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 封止膜（１３）が約１００ｎｍの厚さを有する、請求項８記載の方法。
10. マイクロ孔を、電気化学的エッチングにより、又は、無電解ステインエッチング法により作製する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。

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