JP4603740B2 - 精密機械的な構造要素、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の上方で可動に懸垂された機能構成要素を有する精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
任意の精密機械的な構造要素及び構造、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。
【０００３】
面積精密機械もしくは体積精密機械における加速度センサ、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。
【０００４】
公知の精密機械的加速度センサは通常、少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 Masseneinrichtung）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。
【０００５】
ＤＥ１９５３７８１４Ａ１号において、表面精密機械センサの製造が記載されている。
【０００６】
そこでは先ずケイ素基板上に熱酸化物からなる第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。
【０００７】
今まで適用された層上に第２の絶縁層を堆積させる。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。
【０００８】
引き続き、後続のシリコン堆積のための核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。
【０００９】
更なるホトリソグラフィー法で厚いシリコ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。
【００１０】
トレンチを通じて、両者の犠牲層の除去を、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ＤＥ１９７０４４５号に開示された方法に従って実施する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらフッ化水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。
【００１２】
気相中の水の割合が高すぎる場合には付着の問題が生じる、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。
【００１３】
フッ化水素酸蒸気法はＣＭＯＳ技術の材料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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の特徴を有する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。
【００１５】
本発明の基礎をなす概念は、側方の感度を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。
【００１６】
本発明による方法は、センサ素子の容易な製造を可能にし、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。
【００１７】
従属形式請求項において、本発明のそれぞれの対象の有利な実施形態及び改善が見られる。
【００１８】
有利な実施形態によれば、第１の精密機械的な機能層及び第２の精密機械的な機能層はポリシリコン層である。
【００１９】
更なる有利な実施形態によれば、第１ないし第４の絶縁層は酸化物層である。
【００２０】
犠牲層の除去において、第１の精密機械的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。
【００２１】
これは自由可動な構造の下方に導体路を導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。
【００２２】
ポリシリコン犠牲層を除去するためのエッ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ＣＭＯＳ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。
【００２３】
他の有利な実施形態によれば、伝導領域及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。
【００２４】
更に有利な実施形態によれば、第２及び第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。
【００２５】
更に有利な実施形態によれば、第１、第２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。
【００２６】
図面
本発明の実施例を図面において説明し、以下の記載において詳細に説明する。
【００２７】
図１〜１１は本発明の実施形による加速度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。
【００２８】
【実施例】
これらの図において、同じ関連記号は同じ又は機能が同じ構成要素を示している。
【００２９】
図１〜１１は本発明の実施形による加速度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。
【００３０】
図１においてはシリコン基板１が示されており、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。
【００３１】
ポリシリコン層３は０．５μｍ〜５μｍの厚さを有する。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。
【００３２】
埋設されたポリシリコン−導体路領域４の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。
【００３３】
ホトリソグラフィープロセスによって次い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。
【００３４】
図３に示されるように、図２による構造の上に次いで第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。
【００３５】
更なるホトリソグラフィー法において、第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。
【００３６】
図４に示されるように、図３の構造の上に第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。
【００３７】
従って、第３の絶縁層９は局所的な熱的酸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。
【００３８】
図４による構造の表面上に、次いでポリシリコン出発層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。
【００３９】
引き続いてのプロセス工程において、ポリシリコン出発層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。
【００４０】
埋設されたポリシリコン−導体路領域４の上の領域において、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。
【００４１】
基板コンタクトホール１２を作成すべき領域において、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。
【００４２】
図６に示されるように、更なるプロセス工程において、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。
【００４３】
多結晶シリコン層１３は堆積の後に粗い表面を有するので、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。
【００４４】
厚い多結晶シリコン層１３の上側に次いで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。
【００４５】
後続のプロセス工程において、二酸化ケイ素層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１５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。
【００４６】
このエッチングプロセスは第３の絶縁層９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。
【００４７】
ポリシリコン犠牲層領域５にわたって存在するトレンチ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。
【００４８】
図８に示されるように、トレンチ２２の側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。
【００４９】
ポリシリコン−犠牲層領域５の除去のため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、２０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。
【００５０】
図９はトレンチ１９、２０の底の第３及び第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１７、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。
【００５１】
二酸化ケイ素層１５をエッチングプロセス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。
【００５２】
トレンチ１７、１８の底の第３及び第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。
【００５３】
ポリシリコン−犠牲層領域５の除去によって、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。
【００５４】
図１１はフッ化水素酸含有媒体でのガスエ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。
【００５５】
従って図１１はセンサ素子の断面を例示している。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。
【００５６】
本発明を前記に有利な実施例をもとに記載したが、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。
【００５７】
特に、層材料の前記の選択は例として示しただけであり、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１の絶縁層２及びその上にポリシリコン層３が施されているシリコン基板１を示している。
【図２】図２は図１のポリシリコン層３が構造化された結果を示している。
【図３】図３は図２による構造の上に次いで第２の絶縁層６堆積させ、構造化した結果を示している。
【図４】図４は図３の構造の上に第３の絶縁層９を堆積させた結果を示している。
【図５】図５は図４による構造の表面上に、次いでポリシリコン出発層１０を堆積させた結果を示している。
【図６】図６は図５による構造の上に厚いシリコン層１３を堆積した結果を示している。
【図７】図７は図６による構造の上に二酸化ケイ素層１５を堆積させた結果を示している。
【図８】図８は図７による構造の上にトレンチ２２の側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。
【図９】図９はトレンチ１９、２０の底の第３及び第４の絶縁層９、２１の除去後の結果を示している。
【図１０】図１０はトレンチ１７、１８の底の第３及び第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。
【図１１】図１１は本願による自由可動な構造２５を示している。
【符号の説明】
１ 基板、 ２ 第１の絶縁層、 ３ 第１の精密機械的な機能層、 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、 １８ 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、 ２３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
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の上方で可動に懸垂された機能構成要素を有する精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
任意の精密機械的な構造要素及び構造、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。
【０００３】
面積精密機械もしくは体積精密機械における加速度センサ、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。
【０００４】
公知の精密機械的加速度センサは通常、少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 Masseneinrichtung）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。
【０００５】
ＤＥ１９５３７８１４Ａ１号において、表面精密機械センサの製造が記載されている。
【０００６】
そこでは先ずケイ素基板上に熱酸化物からなる第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。
【０００７】
今まで適用された層上に第２の絶縁層を堆積させる。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。
【０００８】
引き続き、後続のシリコン堆積のための核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。
【０００９】
更なるホトリソグラフィー法で厚いシリコ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。
【００１０】
トレンチを通じて、両者の犠牲層の除去を、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ＤＥ１９７０４４５号に開示された方法に従って実施する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらフッ化水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。
【００１２】
気相中の水の割合が高すぎる場合には付着の問題が生じる、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。
【００１３】
フッ化水素酸蒸気法はＣＭＯＳ技術の材料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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の特徴を有する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。
【００１５】
本発明の基礎をなす概念は、側方の感度を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。
【００１６】
本発明による方法は、センサ素子の容易な製造を可能にし、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。
【００１７】
従属形式請求項において、本発明のそれぞれの対象の有利な実施形態及び改善が見られる。
【００１８】
有利な実施形態によれば、第１の精密機械的な機能層及び第２の精密機械的な機能層はポリシリコン層である。
【００１９】
更なる有利な実施形態によれば、第１ないし第４の絶縁層は酸化物層である。
【００２０】
犠牲層の除去において、第１の精密機械的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。
【００２１】
これは自由可動な構造の下方に導体路を導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。
【００２２】
ポリシリコン犠牲層を除去するためのエッ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ＣＭＯＳ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。
【００２３】
他の有利な実施形態によれば、伝導領域及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。
【００２４】
更に有利な実施形態によれば、第２及び第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。
【００２５】
更に有利な実施形態によれば、第１、第２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。
【００２６】
図面
本発明の実施例を図面において説明し、以下の記載において詳細に説明する。
【００２７】
図１〜１１は本発明の実施形による加速度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。
【００２８】
【実施例】
これらの図において、同じ関連記号は同じ又は機能が同じ構成要素を示している。
【００２９】
図１〜１１は本発明の実施形による加速度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。
【００３０】
図１においてはシリコン基板１が示されており、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。
【００３１】
ポリシリコン層３は０．５μｍ〜５μｍの厚さを有する。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。
【００３２】
埋設されたポリシリコン−導体路領域４の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。
【００３３】
ホトリソグラフィープロセスによって次い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。
【００３４】
図３に示されるように、図２による構造の上に次いで第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。
【００３５】
更なるホトリソグラフィー法において、第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。
【００３６】
図４に示されるように、図３の構造の上に第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。
【００３７】
従って、第３の絶縁層９は局所的な熱的酸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。
【００３８】
図４による構造の表面上に、次いでポリシリコン出発層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。
【００３９】
引き続いてのプロセス工程において、ポリシリコン出発層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。
【００４０】
埋設されたポリシリコン−導体路領域４の上の領域において、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。
【００４１】
基板コンタクトホール１２を作成すべき領域において、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。
【００４２】
図６に示されるように、更なるプロセス工程において、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。
【００４３】
多結晶シリコン層１３は堆積の後に粗い表面を有するので、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。
【００４４】
厚い多結晶シリコン層１３の上側に次いで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。
【００４５】
後続のプロセス工程において、二酸化ケイ素層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１５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。
【００４６】
このエッチングプロセスは第３の絶縁層９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。
【００４７】
ポリシリコン犠牲層領域５にわたって存在するトレンチ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。
【００４８】
図８に示されるように、トレンチ２２の側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。
【００４９】
ポリシリコン−犠牲層領域５の除去のため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、２０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。
【００５０】
図９はトレンチ１９、２０の底の第３及び第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１７、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。
【００５１】
二酸化ケイ素層１５をエッチングプロセス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。
【００５２】
トレンチ１７、１８の底の第３及び第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。
【００５３】
ポリシリコン−犠牲層領域５の除去によって、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。
【００５４】
図１１はフッ化水素酸含有媒体でのガスエ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。
【００５５】
従って図１１はセンサ素子の断面を例示している。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。
【００５６】
本発明を前記に有利な実施例をもとに記載したが、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。
【００５７】
特に、層材料の前記の選択は例として示しただけであり、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１の絶縁層２及びその上にポリシリコン層３が施されているシリコン基板１を示している。
【図２】図２は図１のポリシリコン層３が構造化された結果を示している。
【図３】図３は図２による構造の上に次いで第２の絶縁層６堆積させ、構造化した結果を示している。
【図４】図４は図３の構造の上に第３の絶縁層９を堆積させた結果を示している。
【図５】図５は図４による構造の表面上に、次いでポリシリコン出発層１０を堆積させた結果を示している。
【図６】図６は図５による構造の上に厚いシリコン層１３を堆積した結果を示している。
【図７】図７は図６による構造の上に二酸化ケイ素層１５を堆積させた結果を示している。
【図８】図８は図７による構造の上にトレンチ２２の側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。
【図９】図９はトレンチ１９、２０の底の第３及び第４の絶縁層９、２１の除去後の結果を示している。
【図１０】図１０はトレンチ１７、１８の底の第３及び第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。
【図１１】図１１は本願による自由可動な構造２５を示している。
【符号の説明】
１ 基板、 ２ 第１の絶縁層、 ３ 第１の精密機械的な機能層、 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、 １８ 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、 ２３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 (7)
- 基板の上方で可動に懸吊された機能構成部分を有する精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサにおいて、
基板と；
この基板の上に設けられた第１の絶縁層と；
第１の絶縁層の上に設けられた、少なくとも１つの導体路領域及び少なくとも１つの犠牲層領域を有する第１の精密機械的な機能層と；
導体路領域及び第１の絶縁層の上に設けられた第２の絶縁層と、但し、この場合第２の絶縁層は、犠牲層領域の上方の領域において除去されており；
少なくとも犠牲層領域の上の第２の絶縁層が除去されている領域に設けられた第３の絶縁層と；
第３の絶縁層の上に設けられた第２の精密機械的な機能層と、
但し、この場合第２の精密機械的な機能層は、懸吊された機能構成部分、少なくとも１つの第１のトレンチ及び少なくとも１つの第２のトレンチを有し、
第１のトレンチは、犠牲層領域の上の第３の絶縁層にまで達し、及び
第２のトレンチは、少なくとも導体路領域の上の第３の絶縁層にまで達するものとし；
第２の精密機械的な機能層の上に配置された第４の絶縁層とを有し、
但し、この場合第４の絶縁層は、少なくとも１つの第１のトレンチ及び少なくとも１つの第２のトレンチの保護及び不動態化された側壁の１つに対して第２の精密機械的な機能層の上に配置されており、第１のトレンチ及び第２のトレンチの底の第３の絶縁層及び第４の絶縁層の開口後に、犠牲層領域は除去され、ならびに第１のトレンチ及び第２のトレンチの側壁の第４の絶縁層は除去されるものとすることを特徴とする、基板の上方で可動に懸吊された機能構成部分を含む精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサ。 - 第１の精密機械的な機能層及び第２の精密機械的な機能層がポリシリコン層を有する、請求項１記載の精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサ。
- 第１、第２、第３及び第４の絶縁層が酸化物層を有する、請求項１記載の精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサ。
- 第２の精密機械的な機能層が可動に懸吊された機能構成部分に電気的に接続された可動でない接続領域を有する、請求項１記載の精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサ。
- 第２及び第３の絶縁層が第２の精密機械的な機能層を導体路領域に接続するために構成されたコンタクトホールを有する、請求項１記載の精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサ。
- 第１、第２及び第３の絶縁層が第２の精密機械的な機能層を基板に接続するために構成されたコンタクトホールを有する、請求項１記載の精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサ。
- 少なくとも１つの導体路領域及び少なくとも１つの犠牲層領域がエッチング媒体の局所的な注入及び引き続くホトリソグラフィーによる構造化によって設けられている、請求項１記載の精密機械的な加速度センサ又は精密機械的な回転速度センサ。
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