JP2013198979A - 単結晶シリコン電極を備えた容量性微小電気機械式センサー - Google Patents

Abstract

【課題】全ての重要な応力作用点に単結晶シリコンを備えた容量性センサーを提供する。
【解決手段】絶縁トレンチが、駆動、検知及び防護のために電媒質的に絶縁された導電性シリコン電極を形成する補充物及びトレンチによって形成される。この発明による圧力検知装置において、圧力ポートは、パッケージングの容易性のため、ワイヤーボンド・パッドの反対側とされる。面内加速度と面外加速度を計測する二重軸加速度計も記述される。加速度計を複製してその面外軸の周りで９０゜回転させることによって面内第３軸を容易に得ることができる。共振構造、角速度センサー、ボロメーター及び他の多くの構造の創成が、このプロセス技術によって可能である。重要な利点は、密閉性、縦方向バイア、垂直及び水平ギャップ能力、単結晶材料、ウエハ・レベルのパッケージング、小寸法、高性能及び低コストである。
【選択図】図１

Description

この発明は、概略的には、センサーに関する。より詳細には、この発明は、単結晶シリコン電極を備えた容量性微小電気機械式センサーに関する。

幾つかの製造様式は、容量性センサーの精度及び耐久性の低下を引き起こす。また、容量性ギャップの上面及び底面での異なる材料の使用は、容量性ギャップの上面と底面の間での温度の不一致を生ずる。金属電極の使用は、２つのウエハ間で高温溶融接合を形成する能力を制限することとなり、これが、デバイスを密閉状に封入する能力を制限する。圧力ポートをワイヤーボンド・パッドと同じ側の面とする構造は、適応される粗い質の媒体にワイヤーボンド・パッドをさらすという困難な問題を生ずる。

現今の製造方法は、これらの課題の幾つかを目指しているが、他の課題を目指してはいない。例えば、多くの方法では、センサーの反対側に能動センサー素子からの電気接続を設けるのに導電性金属バイアを使用する。しかしながら、これらの製造方法は、いくつかの不都合な点を有している。例えば、センサー内に導電性金属バイアをパターン形成するには、特殊な製造工程を使用しなければならない。付け加えるに、金属の使用は、上述した障害を引き起こす。したがって、密閉封入を可能とし、且つ、温度不一致を削減又は除去し、且つ、ワイヤーボンド・パッドの露出を制限する容量性センサーを製造する方法の開発への必要が当業界に存在している。

この発明は、単結晶シリコン電極を有する容量性微小電気機械式センサーを提供する。このセンサーは、好ましくは、圧力、加速度、角速度、又は共振の少なくとも１つを検知する。このセンサーは、２つの層を含む。第１の層は、単結晶シリコンから製作され、上面と底面を有する。第１の層は、少なくとも１つの電極を形成する。第２の層も、また、単結晶シリコンから製作され、上面と底面を有する。第２の層には、この層の上面から底面へと延びる誘電体材質の絶縁トレンチによって１つの電極が画定される。好ましくは、この絶縁トレンチが前記電極の周りの外囲を形成する。同様に好ましくは、第２の層は、さらに、少なくとも１つの電気防護部分（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｇｕａｒｄ）となる電極を含み、前記少なくとも１つの電気防護部分は、前記第２の層の上面から底面へと延びる誘電体材質の第２の絶縁トレンチによって画定される。第１の層の前記少なくとも１つの電極と第２の層の前記１つの電極は、協働してコンデンサーを構成する。好ましくは、第２の層の上面は食刻されて、容量性ギャップを構成する空所を形成する。センサーは、さらに、第２の層の底面に位置付けられた少なくとも１つの電気接点を含む。この電気接点は、第２の層内の前記１つの電極と電気接続関係にある。

好実施例では、第１の層はダイヤフラムを形成する。第１の層は、また、共振構造、バネ、又は検定質量を形成するように食刻されることも可能である。

別の好実施例では、センサーは、さらに、最上層の上面から誘電体層によって分離された第３の単結晶シリコン層を含む。一実施例では、この第３の層は、圧力ポートを形成するように食刻される。この実施例では、センサーは、圧力ポートが電気接点からは反対側のデバイス上にある利点を用いて圧力を検知する。

この発明は、添付図面に関連した以下の説明を読むことによって、その目的及び利点とともに、理解されるであろう。

この発明によるセンサーの断面図（Ａ）とパッド側から見た平面図（Ｂ）を示す。 この発明によるセンサーの実施例を示す。 この発明による圧力センサーの断面図（Ａ）とパッド側から見た平面図（Ｂ）を示す。 この発明による加速度計の断面図（Ａ）とパッド側から見た平面図（Ｂ）を示す。 この発明による加速度計シャトルの平面図（Ａ）と等測投影図（Ｂ）を示す。 この発明によるセンサー製造の工程の模式図を示す。 この発明によるセンサー製造の工程の模式図を示す。 この発明によるセンサー製造の工程の模式図を示す。 この発明によるセンサー製造の工程の模式図を示す。 この発明によるセンサー製造の工程の模式図を示す。

以下の説明においては、異なる図面に現れる構造に同一に符号が付される。図１Ａは、この発明による容量性微小電気機械式センサーの断面図を示す。センサーは、上面１１２と底面１１４を備えた第１の層１１０を含む。第１の層１１０は、単結晶シリコンで製作され、少なくとも１つの電極１３０を含有する。このセンサーは、さらに、上面１２２と底面１２４を備えた第２の層１２０を含む。第２の層１２０は、上面１２２から底面１２４へと延びる誘電体材質よりなる絶縁トレンチ１５０を含有する。絶縁トレンチ１５０は、電極１４０を画定する。電極１４０は、ワイヤーボンド・パッドのような電気接点１６０に電気的に接続される。好ましくは、第１の層１１０は、電気接点１６０の側とは反対の側のセンサー上にあるセンサーの検知素子の全てを含有する。電極１３０と電極１４０は、協働して、容量性ギャップ１７０を備えたコンデンサーを形成する。容量性ギャップ１７０は、好ましくは、第２の層１２０内に形成され、ギャップ１７０の精確な空間的構造配置を可能とする。

図１Ｂは、第２の層１２０の底面１２４の平面図を示す。図１Ｂは、絶縁トレンチ１５０が、電極１４０を画定するように電極１４０周囲の外囲を形成することを示す。図では、矩形トレンチが示されているが、トレンチ１５０は、任意の幾何学的図形構造とすることが可能である。

図２は、この発明によるセンサーの幾つかの実施例を示す。図２Ａは、第３の単結晶シリコン層２１０であって、誘電体層２２０によって第１の層１１０の上面１１２から分離された該第３の単結晶シリコン層２１０を有するセンサーを示す。このセンサーでは、第１の層１１０は、厚さを薄くされてダイヤフラム１３０を形成する。好実施例では、第３の層が食刻されて圧力ポート２３０を形成する（図２Ｂ）。代替的には又は追加的には、第１の層１１０は、例えば、検定質量２６０、バネ２５０、又は共振構造（図示しない）を形成するように食刻することも可能である。第１の層１１０は、デバイス作動のために、誘電体層２２０の食刻除去によって、離すことも可能である（図２Ｃ）。

図３Ａは、この発明による好適な圧力センサーの断面図を示す。この圧力センサーは、ダイヤフラム１３０を形成するようにフライス削りされた又は食刻された第１の単結晶シリコン層１１０を有する。ダイヤフラム１３０は、コンデンサーの第１の電極として機能する。この圧力センサーは、また、空所１７０を形成するように食刻された第２の単結晶シリコン層１２０を有する。第２の単結晶シリコン層１２０は、２つの絶縁トレンチ１５０を含む。絶縁トレンチ１５０は、固定電極３４０を画定し、該固定電極３４０は、コンデンサーの第２の電極と電気防護部分３６０と被駆動共通ポート３７０を形成する。固定電極３４０、電気防護部分３６０及び被駆動共通ポート３７０は、各々、金属ボンド・パッド３２０、３３０、及び３４０に電気的に接続される。圧力センサーは、また、誘電体層２２０によってダイヤフラム１３０から分離された第３の単結晶シリコン層２１０を有する。層２２０は、例えば、埋め込み酸化物層とすることが可能である。層２１０は、圧力ポート２３０を形成するように食刻される。このセンサーでは、全ての重要な圧力作用点に単結晶シリコンが使用されており、センサー内には金属を必要とせず、且つ、圧力ポートは反応過敏な金属ボンド・パッドとは反対の側に位置付けられていることに、留意されたい。

図３Ｂは、センサーの底面から見た圧力センサーの平坦図を示す。絶縁トレンチ１５０は、固定電極３４０と電気防護部分３６０と共通駆動ポート３７０を画定して見ることができる。これらの電子部品は、各々、金属ボンド・パッド３２０、３３０及び３４０と電気接続関係にある。

図４Ａ及び図４Ｂは、この発明による好適な加速度計の断面図と平面図を示す。一実施例において、加速度計は、図３に記述された圧力センサーと同一のダイ内に組立てられる。加速度計は、トレンチ４３０と加速度計シャトル４２０を形成するように食刻された第１の単結晶シリコン層１１０を有する。このセンサーは、また、空所１７０を形成するように食刻された第２のシリコン層１２０を有する。第２の単結晶シリコン層１２０は、共通駆動ポート４６０と４つの電極４４０、４４２、４４４、４５０を画定する絶縁トレンチ１５０を含む。共通駆動ポート４６０と４つの電極４４０、４４２、４４４、４５０は、各々、金属ボンド・パッド４９０、４７０、４８０、４９２、及び４９４に電気的に接続される。加速度計は、また、誘電体層２２０によって第１の層から分離された第３の単結晶シリコン層２１０を有する。層２２０は、例えば、埋め込み酸化物層とすることが可能である。層２２０は、加速度計シャトル４２０のためのギャップ４１０を設けるために食刻される。図示された加速度計は、面内（ｉｎ ｐｌａｎｅ）加速度と面外（ｏｕｔ ｏｆ ｐｌａｎｅ）加速度を計測する二軸加速度計（ｄｕａｌ ａｘｉｓ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ）であるが、面内第３軸は、加速度計を複製してその面外軸の周りで９０゜回転することによって達成容易である。

図５Ａ及び図５Ｂは、加速度計シャトル４２０の平面図と等測投影図である。フィンガ電極５１０と絶縁支持体５１５と側部バネ５２０と側部バネ端部５２５と回転バネ５３０と検定質量５４０とジンバル枠５５０と絶縁トレンチ５６０が図示される。フィンガ電極５１０は、電極４４２又は４４４のいずれかに接続する絶縁支持体５１５に取り付けられる。これらの全ての構造は、以下に説明する第１の層のエッチング処理を介して創成される。

図６−１０に示す工程１−１７は、この発明によるセンサー製造のための製造処理工程の例の模式的図解である。

工程１−３は、ＳＯＩウエハ処理のために使用され、工程４−１０は、絶縁トレンチ処理のために使用され、工程１１−１７は、二重ウエハ処理工程である。この例では、工程は、この発明により加速度計とともに圧力センサーを同時に製造する方法を示す。代替的には、工程２と工程３を省略して、圧力のみを検知するセンサーを組立てることが可能である。この発明による他の種類のセンサーの創成を目的として、以下の工程の変更が可能である。例えば、ポリシリコン層を付加し、表面微小加工同様のパターン形成が可能である。これらの層を層６１２に付加することが、これらの層が空所７３０の内部にあってボンディング面９１０を妨害しないことを可能とする。

工程１は、酸化によってＳＯＩウエハ６１０上に酸化物６２０を形成する。ＳＯＩウエハ６１０の比較的薄い能動層６１２は、最終的には、図２Ｂのダイヤフラム１３０のような、ダイヤフラムを形成する。層６１２は、導電性電極面として利用されるために、約０．１乃至０．０１Ω／ｃｍの間で比較的高度にドープされる。比較的厚いハンドル層６１４は、図２に図解の第３の層２１０を形成する。工程２は、写真平版術及びウエット酸化物エッチングによって酸化物６２０にパターン形成と食刻を行い、酸化物６２０に開口６３０を設け、それで、工程３での下層のシリコン６１２の食刻を可能とする。工程３は、ダイヤフラム層６１２内に、バネ６５０、エッチング穴６４０、フィンガ５１０、絶縁トレンチ５６０、検定質量５５０、回転バネ５３０、及びその他の構造を食刻して形成する深層反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）である（図５参照）。表面微小加工処理で作成可能な他の幾何学的図形型と組合せるマスク用の版型（ｍａｓｋｉｎｇ ａｒｔｗｏｒｋ）の変更によって、この層に、角速度センサー、共振器、又は、せん断センサーのような他の種類のセンサーを作成することができる。さらに、多種類のセンサーを同時に作成することができ、そのため、１チップ上での比較的高い集積度が可能となる。共振構造は、当業者に知られているように、検定質量、バネ、及び、くし形駆動装置／くし形検知装置の組合せを画定することによって平易に作成することができる。工程４は、比較的高度にドープされたシリコンの能動層７１２を含有する新しいＳＯＩウエハ７１０上に、酸化により再度、酸化物７２０を形成し、これは、図３に示す３４０、３５０、３７０のような単結晶シリコン電極とハンドル・ウエハ７１４を画定する絶縁トレンチを形成し、これは、連続して後に、エッチングにより除去されるか、又は、研削／研磨により除去される。工程５は、ＲＩＥ酸化物食刻装置内での酸化物７２０のエッチングであり、酸化物７２０に開口７３０を形成する。これは、工程６のＤＲＩＥエッチングのための能動層７１２を準備する。工程６では、能動層７１２は、開口７３０からＤＲＩＥで食刻され、これはボックス層７１６上で停止し、トレンチ７４０を形成する。このエッチングでは、隙間なく充填するのが困難な再入トレンチを回避するように注意が払われる。工程７では、誘電体材質７５０を提供するように、熱酸化物成長によってトレンチ７４０が酸化され、これは単結晶シリコン電極を画定し且つ絶縁する。工程８において、トレンチ７４０はポリシリコン８１０で充填される。これは、絶縁トレンチを形成するのに必要な誘電体材質の量を削減する。トレンチ全体が誘電体材質で充填されることが可能であるが、熱酸化物が使用された場合には、該酸化物の必要厚の故に、高価で困難であることが分かる。工程９は、ＤＲＩＥ、ＲＩＥ、又は、円筒型食刻装置さえも含む任意の種類の食刻装置を使用したウエハ７１０のポリシリコン・ブランケット・エッチングであり、ウエハ７１０の表面からポリシリコン８１０を除去し、酸化物７２０上で停止し、残りのトレンチ７４０の内側にのみポリシリコン８１０を残す。概ね０．５乃至２μの深さの工程１０のシリコン層７１２のＤＲＩＥエッチングが、図２の空所１７０のような空所７３０を形成する。酸化物６２０と７２０は、工程１１において、ＢＯＥのようなウェット・エッチングを利用して表面９１０から除去される。これが、高温ウエハ・ボンディング技法を利用する工程１２での表面９１０の整合と接合を可能とする。工程１１は、また、ボックス層６１６の基部の切除と、図４のギャップ４１０のようなギャップ９２０の形成によって、検定質量が離れることを可能とする。工程１３では、最上位の酸化物６２０に、ＢＯＥを利用して、開口９２０が食刻され、底の酸化物７２０が除去される。これが、工程１４における、ＤＲＩＥエッチングによるシリコン層６１４のエッチングを可能とし、図２Ｂのポート２３０のようなポート１０１０を創成する。また、工程１４において、背面研削／研磨によって又はＤＲＩＥエッチング又はＲＩＥエッチング又は円筒型食刻装置によって、ハンドル・ウエハ７１４が除去される。工程１５は、ＲＩＥ酸化物エッチングを利用することによってボックス６１６とボックス７１６を食刻して、ダイヤフラム６１２と相互接続１０２０をそれぞれ露出する。ポート１０１０の反対側には、工程１６において、スパッター装置を使用して、金属１０３０が堆積される。工程１７では、写真平版術及びウェット・エッチングを利用して金属１０３０が食刻され、相互接続１０２０及び、図２のボンド・パッド１６０のような金属ボンド・パッド１０４０を形成する。

当業者に理解されるように、この発明の原理から逸脱せずに各種の変更、代替、及び改変が作成可能であり又は別様式にて実施可能である。したがって、この発明の範囲は、請求項及びその均等技術により定められる。

この発明は、単結晶シリコン電極を有する容量性微小電気機械式センサーを提供する。このセンサーは、好ましくは、圧力、加速度、角速度、又は共振の少なくとも１つを検知する。このセンサーは、２つの層を含む。第１の層は、単結晶シリコンから製作され、上面と底面を有する。第１の層は、少なくとも１つの電極を形成する。第２の層も、また、単結晶シリコンから製作され、上面と底面を有する。第２の層には、この層の上面から底面へと延びる誘電体材質の絶縁トレンチによって１つの電極が画定される。好ましくは、この絶縁トレンチが前記電極の周りの外囲を形成する。そしてこの前記第２の層の前記１つの電極部分が単結晶シリコンの単一体よりなる。同様に好ましくは、第２の層は、さらに、少なくとも１つの電気防護部分（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｇｕａｒｄ）となる電極を含み、前記少なくとも１つの電気防護部分は、前記第２の層の上面から底面へと延びる誘電体材質の第２の絶縁トレンチによって画定される。第１の層の前記少なくとも１つの電極と第２の層の前記１つの電極は、協働してコンデンサーを構成する。好ましくは、第２の層の上面は食刻されて、容量性ギャップを構成する空所を形成する。センサーは、さらに、第２の層の底面に位置付けられた少なくとも１つの電気接点を含む。この電気接点は、第２の層内の前記少なくとも１つの電極と電気接続関係にある。

Claims (10)

1. 容量性微小電気機械式センサーであって、
   ａ）上面と底面を有し、単結晶シリコンより成り、少なくとも１つの電極を形成する第１の層と、
   ｂ）上面と底面を有し、単結晶シリコンより成る第２の層であって、該第２の層には、該第２の層の前記上面から前記底面へと延びる誘電体材質の絶縁トレンチによって１つの電極が画定されている該第２の層と、
   ｃ）前記第２の層の前記底面に位置付けられ且つ前記第２の層の前記１つの電極と電気接続関係にある少なくとも１つの電気接点とを有しており、
   前記第１の層の前記少なくとも１つの電極と前記第２の層の前記１つの電極とが、コンデンサーを形成することを特徴とする容量性微小電気機械式センサー。
2. 前記絶縁トレンチが前記電極周囲の外囲を形成することを特徴とする請求項１に記載の容量性微小電気機械式センサー。
3. 前記第２の層の前記上面は食刻されて前記第２の層に空所を形成し、該空所が容量性ギャップを画定することを特徴とする請求項１または２に記載の容量性微小電気機械式センサー。
4. さらに第３の層を有しており、該第３の層は、単結晶シリコンより成り、且つ、該第３の層は、誘電体層によって前記第１の層の前記上面から分離されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の容量性微小電気機械式センサー。
5. 前記第３の層は食刻されて圧力ポートを画定することを特徴とする請求項４に記載の容量性微小電気機械式センサー。
6. 前記第１の層がダイヤフラムを形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の容量性微小電気機械式センサー。
7. 前記第１の層は食刻されて、共振構造、バネ、又は検定質量の少なくとも１つを画定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の容量性微小電気機械式センサー。
8. 前記センサーは、圧力、加速度、角速度又は共振の少なくとも１つを検知することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の容量性微小電気機械式センサー。
9. 全ての検知素子が前記第１の層内に位置付けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の容量性微小電気機械式センサー。
10. さらに、前記第２の層内に少なくとも１つの電気防護部分となる電極を有し、前記少なくとも１つの電気防護部分は、前記第２の層の前記上面から前記底面へと延びる誘電体材質の第２の絶縁トレンチによって画定されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の容量性微小電気機械式センサー。