JP5026653B2 - マイクロメカニカル構成素子及び相応する製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
公知技術水準
本発明は、基板、該基板上に設置されたマイクロメカニカル作用平面、該マイクロメカニカル作用平面上に設置された被覆平面及び該被覆平面上に設置された導電帯平面を有するマイクロメカニカル構成素子に関するものである。本発明は、また、相応する製造法に関するものでもある。
【０００２】
マイクロメカニカル作用とは、任意の能動作用、殊にセンサ、又は受動作用、例えば導電帯作用のことと解すべきである。
【０００３】
任意のマイクロメカニカル構成素子及び構造体、殊にセンサ及びアクチュエータに使用可能であるにもかかわらず、本発明並びに本発明を基礎づける問題は、シリコン表面マイクロメカニズムの技術において製造可能な、例えば加速度センサに関連して説明する。
【０００４】
一般には、感応性の可動構造体が保護されずにチップ上に載置されている、表面マイクロメカニズム（ＯＭＭ）における一体型集積慣性センサ（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｓｃｈ ｉｎｔｅｇｒｉｅｒｔｅ ｉｎｅｒｔｉａｌｅ Ｓｅｎｓｏｒ）が公知である（アナログデバイス）。これによって、取り扱い及び実装の際により高額の費用が発生する。
【０００５】
別個のチップの上に分析回路を有するセンサによって前記の問題を解決することができるとすれば、例えばその際、ＯＭＭ構造体は、第二のフードウェーハを用いて被覆される。包装の前記の種類は、ＯＭＭ加速度センサのコストの割合を高くしてしまう。これらのコストは、フードウェーハとセンサウェーハの間の大面積の封止面積を必要とすること及びフードウェーハの高価なパターン付与（２〜３のフード、バルクマイクロメカニズム）に基づいて発生する。
【０００６】
分析回路は、第二のチップ上で実現されるものであり、ワイヤボードでセンサ素子と接続されている。リード線とボンディングワイヤとの中での寄生によって発生する寄生効果を放置でき、センサ作用に対して優勢な影響をもはや有していない程度の大きさにセンサ素子を選択する必要が生じる。更に、寄生効果のため、フリップチップ技術が不可能である。
【０００７】
かかるセンサは、分析回路が、同じＳｉチップ上に存在し、僅かな寄生を有するにすぎない高い感度の電極を接続しうる場合には、マイクロメカニズムにとって本質的により小さな面積ですませることもできた。
【０００８】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５３７８１４Ａ１号には、作用層システムの構造及び表面マイクロメカニズムにおけるセンサの気密のフード施与のための方法が記載されている。この場合、公知の技術的方法を用いるセンサ構造体の製造が説明されている。前記の気密のフード施与は、高価なパターン付与処理、例えばＫＨＯエッチングでパターン付与されるシリコンからなる独立したフードウェーハを用いて行われる。フードウェーハは、ガラス封じ（封止ガラス）を用いてセンサ（センサウェーハ）を有する基板上に載置される。このためには、各センサチップの周囲に、フードの十分な付着及び気密性を保証するために幅広のボンドフレームが必要である。これは、センサウェーハ１個当たりのセンサチップの個数を著しく制限する。フードウェーハが大きな場所を必要とし、製造も高価であるので、センサ・フード施与に対して莫大な費用が割り当てられている。
【０００９】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３４１２７１Ａ１号は、構成要素が、一部は単結晶性材料からなり、一部は多結晶性材料からなるマイクロメカニカル加速度センサを開示している。この公知のマイクロメカニカル加速度センサの製造には、エピタキシャル反応器が用いられる。ＬＰＣＶＤポリシリコンからなる開始層は、エピタキシャル処理の際に多結晶シリコンが成長することになる領域の決定に用いられる。
【００１０】
本発明の利点
請求項１の特徴部を有する本発明によるマイクロメカニカル構成素子もしくは請求項９による製造法には、以下の利点がある。１つのチップ上での分析回路及びセンサ素子の一体型の集積は可能である。センサ素子と分析回路との間の欠陥を内包する高価なボンディングワイヤを不要にすることもできる。接触において生じる寄生効果が少ないので、センサ素子の大きさを小さくすることが可能である。１つのチップのみを実装しさえすればよい。この処理は、Ｐ４３１８４６６．９から公知のＯＭＭ処理に基づくものであり、少なくとも１０μｍの厚さを有するエピタキシャルポリシリコンを生じる。構造体に上から接触することができるので、ＯＭＭ処理の簡素化となる。埋設されたポリシリコンを不要にすることも可能である。
【００１１】
構成素子の集積は、分析回路の処理とは十分に独立しており、これによって、新規のＩＣ処理への適合が簡素化される。構成素子は、センサ原理に応じて、接続のために、ＩＣ上でのこれまでに必要とされたボンドパッドの大きさにまで小さくすることができ、これによって、余分な面積に基づくＩＣのコストが上昇しない。
【００１２】
本発明によれば、寄生の影響が２チップ分離に比して著しく低減されるので、センサチップを、いわゆるフリップチップ法で、即ち、頭から先に、共融的又はゴールドバンプの代わりにボンディングワイヤを用いて接続することも可能である。この技術を用いれば、ＣＳＰ（チップ・スケール・パッケージ）を有するセンサを製造することもできるが、その際、このパッケージは、チップよりも大きいが２０％を上回ることはない。ＣＳＰ−パッケージチップは、実装の前に予め測定及び調整することができる。
【００１３】
本発明の中核は、エピ反応器中での被覆層の析出の間の単結晶性の成長と多結晶性の成長との組合せである。この場合、単結晶シリコンは、単結晶性の表面を出発層として必要とし、多結晶シリコンは、有利にＬＰＣＶＤによって析出させられる多結晶性開始層を必要とする。
【００１４】
従属請求項には、本発明のそれぞれの対象の有利な他の態様及び変法が記載されている。
【００１５】
１つの有利な別の態様によれば、マイクロメカニカル作用平面を有する第一層は、その下に存在する単結晶領域の上でエピタキシャル成長している単結晶性領域並びにその下に存在する多結晶性開始層の上で同時にエピタキシャル成長している多結晶領域を有している。
【００１６】
もう１つの有利な態様によれば、マイクロメカニカル作用平面を有する第一層は、絶縁体層上にＳＯＩの形で基板と一緒に形成される単結晶性領域を有している。これには、埋設されたポリシリコン層を省略でき、エピタキシャル工程を不要にするという利点がある。シリコンとしては、有利に単結晶性、高ドープ及び機械的ひずみのない基材を使用することができる。
【００１７】
もう１つの有利な態様によれば、単結晶性領域は、第一層の上に析出させられた、分析回路の１つ又はそれ以上の集積回路素子又は配線素子を有する第二層を有している。従って、いわゆる一体型集積ワンチップ分離を達成することができる。
【００１８】
もう１つの有利な態様によれば、マイクロメカニカル作用平面の多結晶領域は、可動センサ構造体を有している。
【００１９】
もう１つの有利な態様によれば、マイクロメカニカル作用平面は、可動センサ構造体の下に埋設されたポリシリコン層を有している。
【００２０】
もう１つの有利な態様によれば、導電帯平面中に、１つ又はそれ以上のフリップチップ接続素子、有利にゴールドバンプが設けられている。これは、本質的に平坦な表面によって可能になる接触の１つの頑強な種類である。
【００２１】
もう１つの有利な態様によれば、シリコン表面マイクロメカニズムにおける構成素子が製造可能である。
【００２２】
図面
本発明の実施例は、図面に記載されており、以下の説明において詳細に説明される。
【００２３】
実施例の説明
図中、同じ符号は同じか又は機能的に同じ構成要素を示している。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施態様によるマイクロメカニカル構成素子の略示的横断面図である。
【００２５】
図１中で、１は、シリコン基板ウェーハ、２は、下方酸化物、３は、埋設されたポリシリコン、４は、犠牲酸化物５の中のコンタクトホール、６は、第一の開始ポリシリコン、７は、エピタクシーからの第一の単結晶シリコン、８は、第一のエピタクシーポリシリコン、９は、絶縁トレンチ、１０は、可動センサ構造体、１１は、第一の補充酸化物、１２は、補充酸化物１１中のコンタクトホール、１３は、第二の開始ポリシリコン、１４は、エピタクシーからの第二の単結晶シリコン、１５は、第二のエピタクシーポリシリコン、１６は、第一のエピタクシポリシリコンと第二のエピタクシーポリシリコンとの間の電気的及び／又は機械的結合素子、１７は、溝切り、１８は、第二の補充酸化物、１９は、導電帯の絶縁用酸化物、２０は、交差結合部、２１は、導電帯、２２は、導電帯２１及び補充酸化物１８中のコンタクトホール及び２３は、分析回路の電子素子を示している。
【００２６】
１００は、可動センサ構造体１０、この場合には、加速度センサを有するマイクロメカニカル作用平面を示し、２００は、可動センサ素子１０の気密封止のための被覆平面を示し、３００は、導電帯平面を示す。
【００２７】
自体公知のシリコン表面マイクロメカニズムにおいて製造可能なこの第一の実施態様の場合、一方では、被覆平面２００が単結晶性領域１４を有しており、該単結晶性領域は、その下に存在する単結晶性領域７の上でエピタキシャル成長している。他方では、被覆平面２００は、多結晶性領域１５を有しており、該多結晶性領域は、同時に、その下に存在する多結晶性開始層１３の上でエピタキシャル成長している。換言すれば、１つの処理工程において、単結晶シリコンと多結晶シリコンを同時に成長させているのである。
【００２８】
被覆表面２００の単結晶性領域１４は、分析回路の集積回路素子を含んでいる。例として、ＣＭＯＳトランジスタ２３を説明してある。
【００２９】
同様に、マイクロメカニカル作用平面１００は、単結晶性領域７を有しており、該単結晶性領域は、その下に存在する単結晶性基板領域１の上でエピタキシャル成長しており、並びに多結晶性領域８を有しており、該多結晶性領域は、同時にその下に存在する多結晶性開始層６の上でエピタキシャル成長している。同時に単結晶成長及び多結晶成長するＳｉのこの処理工程は、センサ構造体１０並びに被覆平面２００のために実施されている。
【００３０】
マイクロメカニカル作用平面１００は、配線平面として、可動センサ構造体１０の下に埋設されたポリシリコン層３を有している。
【００３１】
図２ａ、ｂは、図１に記載のマイクロメカニカル構成素子の製造工程の略示的横断面図を示している。
【００３２】
ＩＣ処理は、一般に、処理のための出発材料としての単結晶Ｓｉ基板１を必要とする。これは、エピタキシャル析出する単結晶Ｓｉ層を必要とする同様の構成素子を用いる処理並びにエピタクシーを必要としないＣＭＯＳ処理にも該当する。従って、この実施例の場合、基板１としての単結晶Ｓｉウェーハで開始する。
【００３３】
第一工程において、下方酸化物２の形成のために、基板１の酸化を行う。引き続き、下方導電帯領域としての埋設されたポリシリコン３の析出及びパターン付与を行う。次の工程において、犠牲酸化物５を析出させ、かつパターン付与する。この後、第一の開始ポリシリコン６の析出及びパターン付与、殊に、後のエピタクシー工程において単結晶シリコン（図２ａの領域７）が基板１の上で成長することになる場所での開始ポリシリコン及び下方酸化物２の除去が行われる。
【００３４】
この後、単結晶シリコン領域７を、マイクロメカニカル作用平面１００の多結晶シリコン領域８と一緒に成長させるエピタクシー工程を行う。もう１つの工程は、結果として生じた構造体の、基板１と多結晶シリコン領域８との間に存在する下部構造に基づく不十分な落差の均等化のための場合による平坦化である。
【００３５】
図２ｂ中で記載してあるように、この後、補充酸化物１１を用いる補充及びコンタクトホール１２の形成のための補充酸化物１１のパターン付与を行う。次に、第二の開始ポリシリコン層１３を析出させ、第一の補充酸化物１１と一緒にパターン付与し、該補充酸化物１１を、単結晶シリコン（図２ｂの領域１４）が領域７の上で成長することになる場所から除去する。引き続く処理工程において、領域１４に単結晶シリコンと同時に領域１５に多結晶シリコンを析出させる第二のエピタクシー処理を行う。他方で、ポリシリコン領域８とポリシリコン領域１５との間の下部構造の均等化のために、結果として生じた被覆層の平坦化を場合により行う。
【００３６】
次に、溝切り１７を、第二のエピタクシーポリシリコン１５中に形成させ、これを、絶縁及び第一の補充酸化物１１の除去のためのエッチングホールとして用いる。溝切り１７のエッチング特性を、図２ｂ中で示したように下に向かっても拡大するように選択することができる。上方の開口径は、第二の補充酸化物１８の析出を一層迅速に実施でき、ひいては、第二の補充酸化物１８の主要量が、可動センサ構造体１０の中へ達することのないようにするために、最小限に選択せねばならない。
【００３７】
次の処理工程において、エッチングトレンチ１７を介する下方酸化物２、犠牲酸化物５及び第一の補充酸化物１１の除去による可動センサ構造体１０のクリアランスを行う。クリアランスを、より良好に制御するために、２つの工程に分割してもよいが、その際、第一の補充酸化物１１の析出の前に、下方酸化物２及び５を除去し、その後ではじめて第一の補充酸化物１１を析出させる。この処理の１つの主たる利点は、現在ではＨＦ−蒸気を用いて行われている犠牲層のエッチングの際に、バック・エンド・プロセスでは極めて困難かつ費用をかけてのみ保護することができるにすぎない電子回路及びアルミニウムは存在していないことにある。
【００３８】
次の工程では、第二の補充酸化物１８の析出及びパターン付与、第二の補充酸化物１８による空隙の最終的な閉鎖の際の予め定めた圧力及び予め定めたガス雰囲気の調節を行うが、これは、封じ込められたガスの性質、従って、就中機械的センサ構造体１０の減衰を定めるものである。
【００３９】
マイクロメカニカル構成素子を完成した後には、ＩＣ0処理、例えばＣＭＯＳ処理又はＢｉＣＭＯＳ処理を分析回路の製造のために単結晶シリコン領域１４において行うことができる。この後、導電帯平面３００、殊に酸化物１９及び導電帯アルミニウム２１の析出及びパターン付与が行われる。構成素子の仕上げのために、通常、標準ＩＣ構成素子の場合のようにチップのカット及び取り付けが行われる。
【００４０】
図３は、本発明の第二の実施態様によるマイクロメカニカル構成素子の略示的横断面図である。
【００４１】
図３中では、既に記入された符号２４が、ＳＯＩ（絶縁体上のシリコン）層を示し、２５は、絶縁体（インシュレータ）層を示している。従って、この２つの実施態様の場合には、基板１、絶縁体層２５及び単結晶シリコン層２４が、自体公知のＳＯＩ構造を形成している。
【００４２】
こうして構成された構成素子の場合、下方酸化物２、埋設されたポリシリコン３、犠牲酸化物５中のコンタクトホール４、犠牲酸化物５、第一の開始ポリシリコン６、エピタクシーからの第一の単結晶シリコン７及び第一のエピタクシーポリシリコン８が省略されている。
【００４３】
従って、出発材料としてこの種のＳＯＩウェーハを使用する場合には、機械的活性構造体が、ＳＯＩ材料２４から形成されるので、多数の処理工程が不要である。全体の配線は、この第二の実施態様の場合には、導電帯平面３０中に敷設されている。
【００４４】
本発明を、上記の有利な実施例に基づいて説明したけれども、本発明は、それによって制限されるものではなく、種々の方法で変性される。
【００４５】
殊に、例示したシリコン基板のみではなく、任意のマイクロメカニカル基礎材料、例えばゲルマニウムを使用することができる。
【００４６】
また、記載した加速度センサばかりでなく、任意のセンサ構造体を形成させることもできる。
【００４７】
領域１５は、どうしても多結晶性でなければならないというものではなく、再晶出等をさせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の第１の実施態様によるマイクロメカニカル構成素子の略示的横断面図である。
【図２】 図２ａ、ｂは、図１によるマイクロメカニカル構成素子の製造工程の略示的横断面図である。
【図３】 図３は、本発明の第２の実施態様によるマイクロメカニカル構成素子の略示的横断面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板ウェーハ、 ２ 下方酸化物、 ３ 埋設されたポリシリコン、 ４ コンタクトホール、 ５ 犠牲酸化物、 ６ 第一の出発ポリシリコン、 ７ 第一の単結晶シリコン、 ８ 第一のエピタクシーポリシリコン、 ９ 絶縁トレンチ、 １０ 可動センサ構造体、 １１ 第一の補充酸化物、 １２ コンタクトホール、 １３ 第二の開始ポリシリコン、 １４ 第二の単結晶シリコン、 １５ 第二のエピタクシーポリシリコン、 １６ 結合素子、 １７ 溝切り、 １８ 第二の補充酸化物、 １９ 導電帯の絶縁用酸化物、 ２０ 交差結合部、 ２１ 導電帯、 ２２ コンタクトホール、 ２３ 電子素子、 １００ マイクロメカニカル作用平面、 ２００ 被覆平面、 ３００ 導電帯平面

Claims (9)

1. 基板（１）；
   該基板上に設けられたマイクロメカニカル作用平面（１００）；
   マイクロメカニカル作用平面（１００）上に設けられた被覆平面（２００）；及び
   該被覆表面（２００）上に設けられた導電帯平面（３００）
   を有するマイクロメカニカル構成素子であって、
   被覆平面（２００）が、単結晶性領域（１４）を有し、該単結晶性領域がその下に存在する単結晶性領域（７：２４）の上でエピタキシャル成長しており；及び
   被覆平面（２００）が多結晶性領域（１５）を有し、該多結晶性領域が同時に、その下に存在する多結晶性開始層（１３）の上でエピタキシャル成長している、マイクロメカニカル構成素子。
2. マイクロメカニカル作用平面（１００）が、単結晶性領域（７）を有し、該単結晶性領域が、その下に存在する基板（１）の上でエピタキシャル成長しており、並びに多結晶性領域（８）を有し、該多結晶性領域が同時に、その下に存在する多結晶性開始層（６）の上でエピタキシャル成長している、請求項１に記載のマイクロメカニカル構成素子。
3. マイクロメカニカル作用平面（１００）が、単結晶性領域（２４）を有し、該単結晶領域が、絶縁層（２５）の上にＳＯＩの形で基板（１）とともに形成されている、請求項１に記載のマイクロメカニカル構成素子。
4. 被覆平面（２００）の単結晶性領域（１４）が、分析回路の１つ又はそれ以上の集積回路素子（２３）又は配線素子を有する、請求項１から３までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカル構成素子。
5. マイクロメカニカル作用平面（１００）の多結晶性領域（８）が、可動センサ構造体（１０）を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカル構成素子。
6. マイクロメカニカル作用平面（１００）が、埋設されたポリシリコン層（３）を、可動センサ構造体（１０）の下に有している、請求項５に記載のマイクロメカニカル構成素子。
7. 導電帯平面（３００）中に、１つ又はそれ以上のフリップチップ接続素子が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカル構成素子。
8. シリコン表面マイクロメカニズムにおいて製造可能である、請求項１から７までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカル構成素子。
9. 基板（１）の準備；
   該基板（１）上でのマイクロメカニカル作用平面（１００）の設置；
   該マイクロメカニカル作用平面（１００）の上での被覆平面（２００）の設置；
   該マイクロメカニカル作用平面（１００）の上でのポリシリコン出発層（１３）の領域に応じた設置及びマイクロメカニカル作用平面（１００）の単結晶性領域（７、２４）の領域に応じた露出；
   露出された単結晶性領域（７、２４）の上での単結晶性領域（１４）のエピタキシャル析出及び同時に多結晶性出発層（１３）の上での多結晶性領域（１５）のエピタキシャル析出；
   被覆平面（２００）の上での導電帯平面（３００）の設置
   の工程を有するマイクロメカニカル構成素子の製造法。

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