JP5032030B2 - マイクロマシニング型の構成素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロマシニング型の構成素子に関する。本発明は同じく、相応する製造方法に関する。

本発明は原理的には多種のマイクロマシニング型の構成素子に対して使用可能であるが、以下においては容量型の圧力センサにつき本発明ならびに本発明の根底を成す問題点を説明する。

本発明の根底を成す問題点を説明するための出発点は容量型の圧力センサ、たとえば相対圧センサである。このような圧力センサでは、電極対を成す、基板またはその他の手段により形成された対向プレート、たとえば下側のポリシリコン電極の形の対向プレートに対する上側のダイヤフラムの静電容量が評価される。全ての側で締付け固定されたダイヤフラムのダイヤフラムセンタの変位は、周知のように広い範囲にわたって、印加された圧力もしくは圧力差に対して線形に比例する関係にある。ダイヤフラムと対向電極とから形成されたキャパシタもしくはコンデンサの静電容量はプレート間隔に関して逆数（reziprok）の関係にあるので、第１には、印加された圧力または圧力差と測定容量との間には逆比例的な関係が生じる。測定量として静電容量の逆数が評価されると、印加された圧力に対して比例する信号が得られる。

このような圧力センサではダイヤフラムセンタにおけるダイヤフラム変位が圧力に対して比例した関係に従うので、このような手段では、第１近似で、静電容量の逆数の評価時にほぼ線形の特性が生ぜしめられる。このような評価は、たとえば容量−周波数変換（Ｃ／ｆコンバータ）において得られる。このような容量−周波数変換では、帰還結合ループの周波数測定構成部分としての測定素子を備えた、適当な電子振動回路の出力周波数が、自体公知の形式で静電容量の逆数に対して比例した挙動を示す。同じく自体公知の別の回路原理、たとえば「スイッチド・キャパシタ（Switched Capacitor）」原理または時間離散的な原理は、固定の電荷量を測定セルへ伝送する際に生じる電圧を評価し、こうして所望の比例性を達成することができる。別の時間連続的な手段は、一定の交流電流を測定容量に持ち込み、これにより生ぜしめられる交流電圧を求めることにある。実際には、自体公知の多数の回路原理は、ほぼ圧力比例的な出力電圧を公知のセンサ素子から発生させることができる。

しかし、これらの装置では、測定容量もしくは測定容量の変化は直接的なダイヤフラムセンタからのみ形成されるのではなく、ダイヤフラムが常に下側の対向プレートに対峙しているダイヤフラム全延在長さを越えて形成される。十分な測定容量を提供するためには、この対向プレートが、ダイヤフラムセンタを取り囲む狭い周辺部にのみ制限されるのではなく、ある一定の面が設けられ、この面を介して測定信号が形成される。この面が大きく設定されればされるほど、測定装置の基本容量および容量バリエーションはますます大きくなるが、ただし測定信号形成のために寄与するダイヤフラムの範囲の延在長さもますます大きくなる。

圧力負荷時にダイヤフラム全体の横断面が、湾曲させられた曲げラインに沿って変化するので、これによってダイヤフラムのセンタまたはセンタ範囲よりも外に位置するダイヤフラムの多かれ少なかれ湾曲させられた範囲が測定信号形成のために寄与し、このことが非線形もしくは非直線性、つまりもはや圧力に対して比例的に延びていない静電容量の逆数の特性を招く結果となる。このような非線形性は、ダイヤフラムセンタ外のダイヤフラム面が測定信号形成のために一緒に利用される規模が大きくなればなるほど増大し、測定信号形成のために寄与するダイヤフラムセンタ外のダイヤフラム面が少なくなればなるほど相応して減少する。すなわち、線形のセンサ特性を可能にするという見地からすれば、面積を狭く制限された対向電極によって評価をダイヤフラムセンタ自体の範囲に狭く制限する評価が目標とされなければならない。しかしこのような要求は、大きなコンデンサ面を必要とする電子的な信号処理のためには十分な測定容量が必要となるという要求と矛盾する。したがって、これまで考え出された実現可能な解決手段は常に、十分な測定容量、つまりダイヤフラムセンタ周囲の十分に大きなダイヤフラム面の評価と、必然的にこれに伴って生じる、なお許容可能となる非直線性または少なくともまだ補償可能となる非直線性との間での妥協を成している。非直線性の補正は手間のかかる方法である。なぜならば、このような方法の場合、各センサ素子に対する補正データセットが格納されなければならず、この補正データセットを介して、センサにより提供されたデータの数値的な直線化（Linearisierung）があとから可能となりかつ実施可能となるからである。したがって、非線形特性はこれまで容量型の相対圧センサの主欠点とみなされてきた。

本発明の課題は、このような非直線性の問題を回避して、改善された線形特性を有するマイクロマシニング型の構成素子を提供することである。

さらに本発明の課題は、このようなマイクロマシニング型の構成素子を製造するために適した、相応する製造方法を提供することである。

この課題を解決するために本発明のマイクロマシニング型の構成素子の構成では、少なくとも所定の範囲で導電性である基板、つまり少なくとも部分的に導電性である基板と、弾性的に変位可能な、少なくとも所定の範囲で導電性であるダイヤフラムとが設けられており、該ダイヤフラムが、湾曲させられてかつ基板から電気的に絶縁されて基板の表面の上方に設けられており、ダイヤフラムが内側範囲と縁範囲とを有しており、基板とダイヤフラムとの間に空隙が設けられており、ダイヤフラムの内側範囲が、縁範囲に対して変えられた横断面を有しており、これにより内側範囲の撓みが、同一横断面の場合に比べて減じられているようにした。

さらに上記課題を解決するために本発明の製造方法では、以下のステップ：
少なくとも所定の範囲で導電性である基板を準備し；
弾性的に変位可能な、少なくとも所定の範囲で導電性であるダイヤフラムを製造し、該ダイヤフラムを、湾曲させてかつ基板から電気的に絶縁させて基板の表面の上方に設け、ただし該ダイヤフラムは内側範囲と縁範囲とを有しており；
基板とダイヤフラムとの間に空隙を設け；
ダイヤフラムの内側範囲が、縁範囲に対して変えられた横断面を有し、これにより内側範囲の撓みが、同一横断面の場合に比べて減じられるようにダイヤフラムを形成する；
を実施するようにした。

本発明によるマイクロマシニング型の構成素子ならびに本発明による製造方法には、マイクロマシニング型の構成素子、特に容量型の圧力センサを製造するための簡単でかつ確実な、そして特に廉価に組み替えられ得るプロセスを提供するという利点がある。本発明は特に容量型の相対圧センサを可能にする。この相対圧センサは本発明による製造方法により、著しく改善された直線性特性を有している。

本発明の根底を成す思想は、ダイヤフラムの横断面もしくは層厚さを所定の範囲で変えるか、もしくは撓みにほとんど関与しない部分もしくは撓みに全く関与しない部分を有する、より複雑なダイヤフラム構造を設けることにある。

臨界的なプロセスステップならびにエキゾチックなプロセスステップ、たとえば支持ウェーハへのウェーハの貼付け等は十分に回避される。プロセスの核部分はウェーハ裏面からのトレンチエッチングならびにこれに続く、あとでダイヤフラムとなる部分の下での犠牲層エッチングである。この犠牲層エッチングは極めて高い選択性を有している。この極めて高い選択性に基づき、周囲のシリコンの別の保護手段なしに、存在するシリコン構造体を攻撃することなく犠牲層エッチング技術が実施され得ることが達成される。このことは全プロセスを再度著しく簡単にする。

本発明によるプロセス経過は無制限にＩＣプロセス相容性（IC-prozesskompatibel）であるので、信号変換および信号処理のための電気的な評価回路もウェーハ表面側に集積され得る。ウェーハ表面側では、このことは設定されたアプリケーションに基づき好都合であると思われる。

つまり、ＨＦ蒸気エッチングは例外として、使用される全てのマイクロ構造化法は、同じくウェーハ上に存在する集積回路に対して基本的に完全に相容性である。オプショナルなＨＦ蒸気エッチングはウェーハ裏面側から行われるので、ウェーハ裏面側／ウェーハ表面側の媒体分離のために、たとえばウェーハ表面および／またはウェーハ裏面に対するＯリングパッキンを備えたＨＦ蒸気エッチング時の適当なウェーハ収容部によってプロセス技術的な配慮が成されていると、ＨＦ蒸気エッチングはウェーハ表面に設けられた敏感な構造体には到達しない。このような媒体分離を保証することのできる技術的な解決手段は、基本的に公知であるか、もしくはＨＦ蒸気エッチング技術および相応するエッチング機器に習熟している当業者にはよく知られている。表面側からのＨＦ蒸気エッチングが行われる場合、とりわけウェーハ表面側からのみの処理を行う絶対圧センサの場合には、ダイヤフラム範囲における薄い酸化物の除去の際のＨＦ蒸気を用いた所要のプロセス時間が極めて短くなるので、その他の機能性の酸化物がＨＦ蒸気作用によって損傷されることがないか、または極めて僅かにしか損傷されない。

請求項２〜請求項５もしくは請求項７〜請求項１６には、それぞれ本発明の対象の有利な改良形および改善形が記載されている。

本発明の有利な改良形では、ダイヤフラムの内側範囲が縁範囲に比べて厚肉化されている。

本発明の別の有利な改良形では、ダイヤフラムの内側範囲が縁範囲に比べて付加的な層を有している。

本発明のさらに別の有利な改良形では、ダイヤフラムの内側範囲が、縁範囲に比べてスタンプ形に空隙内へ懸吊された範囲を有している。

本発明のさらに別の有利な改良形では、空隙が媒体で充填されており、この場合、ダイヤフラムの下で基板を貫いて延びる１つまたは複数のパーフォレーション開口が設けられており、該パーフォレーション開口が、基板の裏面から空隙内へ通じた進入路を提供しているので、空隙内に存在する媒体の容量がダイヤフラムの変位時に可変である。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図面中、同一の構成要素または同一機能を有する構成要素には同じ符号が付与されている。

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄ、図１Ｅ、図１Ｆ、図１Ｇ、図１Ｈ、図１Ｉ、図１Ｊ、図１Ｋおよび図１Ｌには、本発明の第１実施例による容量型の圧力センサの形のマイクロマシニング型の構成素子の主要製造ステップを示す概略的な横断面図が図示されている。

第１実施例の根底を成す思想は、測定容量形成が行われる範囲、つまり下側の対向電極と相まって測定信号が生じる範囲におけるダイヤフラム電極の湾曲を減少させるか、または完全に抑制することにより、湾曲させられたダイヤフラム部分の、測定容量に与える影響を克服し、ひいてはセンサ素子の非直線性を克服することにある。

第１実施例では、ダイヤフラムの内側の部分が厚肉化部によって補剛されるので、測定信号形成のために寄与する面の大部分に関して湾曲が減じられる。それに対して、ダイヤフラムの外側の部分（縁範囲）は厚肉化されていないままなので、湾曲は狭い縁範囲に限定されたままとなり、この縁範囲は全容量に対して極僅かな程度でしか寄与しない。

図１Ａには、シリコンウェーハ基板１が示されている。このシリコンウェーハ基板１はウェーハ表面Ｖに設けられたシリコン酸化物層１ａと、このシリコン酸化物層１ａの上に位置するＳｉＧｅ、有利にはＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ただし、ｘ＝０．１〜０．８、特に有利にはｘ＝０．２〜０．５である）から成る犠牲層５とを備えている。図１Ｂに示したように、犠牲層５は次のプロセスステップで、その上に位置するＳｉＧｅ酸化物層５ａを形成するために酸化される。このＳｉＧｅ酸化物層５ａはあとでエッチングストップとして働くと共に、Ｇｅのための拡散バリヤとしても働き、これにより後続の高温プロセスステップにおいてＧｅ原子が隣接のポリシリコン材料中へ拡散進出してしまうことが阻止される。Ｇｅのこのような相互拡散（Interdiffusion）は隣接した機能性のシリコンを、同じくＳｉＧｅに変換してしまい、たとえばＣｌＦ_３による後続の犠牲層エッチングの選択性を損なう恐れがある。これに関連して、ＳｉＧｅ犠牲層５のＧｅ含量は、熱により成長した酸化物中に異種原子であるＧｅが混入されないか、または極めて僅かにしか混入されないように、そして多かれ少なかれ純粋なシリコン酸化物がＳｉＧｅ犠牲層上に形成されるように少なく設定されると特に有利である。このことは、Ｇｅ含量がたとえば５０ａｔ％よりも小さく設定されることにより達成され得る。極少量のＧｅ含量しか有しないシリコン酸化物がＧｅのための特に有効な拡散バリヤを成す。

次いで、図１Ｃに示したようにＳｉＧｅ酸化物層５ａの上に、ポリシリコン層２０が析出される。その後に、図１Ｄに示したように、フォトリソグラフィ技術によってポリシリコン層２０が島状に構造化される。

次いで、別のフォトリソグラフィ的なプロセスステップによって犠牲層５およびその上に位置するＳｉＧｅ酸化物層５ａも同じく島状に構造化される。この場合、これらの島（アイランド）の横方向の延在長さは構造化されたポリシリコン層２０の横方向の延在長さよりも大きく形成されている。犠牲層５およびＳｉＧｅ酸化物層５ａの構造化のためには、同一のフォトマスクが使用されるが、しかし２種類のエッチングステップが必要となる。この場合、第１のエッチングステップはＳｉＧｅ酸化物層５ａの貫徹エッチングのために働き、そしてＳｉＧｅから成る犠牲層５でストップし、第２のエッチングプロセスはＳｉＧｅから成る犠牲層５の貫徹エッチングのために働き、そしてその下に位置する酸化物層１ａでストップする。両エッチングステップはプラズマエッチングステップであると有利である。このことは図１Ｅに示したプロセス状態を生ぜしめる。

その後に、図１Ｆに示したように前記構造体が熱処理され（tempern）、このときに短時間、たとえば１０分間〜１時間、９００〜１０００℃で酸化され、これにより犠牲層５とポリシリコン層２０との上に酸化物層２５が形成される。熱処理は機械的な層特性を得るためにも、つまり応力および応力勾配を減少させるためにも役立つ。酸化物層２５は犠牲層５のＳｉＧｅ上では、ポリシリコン層２０の、ゲルマニウム不含のポリシリコン上におけるよりも迅速に成長する。その原因は、ＳｉＧｅ中のゲルマニウム含量がゲルマニウム不含のシリコンに比べて酸化物成長速度を著しく加速させ、しかも１．５〜５倍も加速させることにある。この個所では、熱処理および酸化の高い温度の間、ＳｉＧｅからポリシリコン内へのＧｅ原子の相互拡散を阻止するために、たとえば前で説明した、ＳｉＧｅ犠牲層５とその上に位置するダイヤフラムポリシリコンとの間での拡散バリヤの機能が必要とされる。さらに、あとからのＧｅ相互拡散を阻止するためには、この第２の酸化プロセスにおいてもＳｉＧｅ犠牲層材料上に十分にＧｅ不含のシリコン酸化物が成長すると有利である。このことは、ＳｉＧｅ層中の、たとえば＜５０％のＧｅ含量において達成され得る。

次いで、図１Ｇに示したように、酸化物層２５がエッチバック（zurueckaetzen）される。この場合、このエッチングは有利には酸化物のためのプラズマエッチングプロセスで行なわれ、このプラズマエッチングプロセスはポリシリコン層２０のシリコン上でストップするか、またはほぼストップする。このようなプラズマエッチングプロセスの利点は、酸化物エッチング速度が酸化物のディテールの影響をほとんど受けないことである。すなわち、酸化物中に少しだけゲルマニウムが溶解しているのかどうか、または溶解していないのかどうかは特に重要とならない。前で述べたように、酸化物はＧｅを含有していないか、または極めて少量のＧｅしか含有していないことが有利である。こうして、犠牲層５のＳｉＧｅから出発する、軽度に薄化された酸化物層２５によって取り囲まれた、ポリシリコン層２０の酸化物不含の表面が得られる。

次いで、図１Ｈに示したように、前記構造体は別のポリシリコン層３０で被覆される。このポリシリコン層３０は図１Ｉに示したように構造化され、その後に、酸化物層１ａに、シリコンウェーハ基板１のウェーハ表面を露出させるための窓６が形成される。

次いで、図１Ｊに示したように、表側に金属から成る導電性の層９´ａ，９´ｂが析出される。この導電性の層は、この層がダイヤフラム範囲にはもはや存在しなくなり、範囲９´ａでのみ導電性のポリシリコン層３０にダイヤフラム範囲外でコンタクトしかつ範囲９´ｂでシリコンウェーハ基板１に窓６を通じてコンタクトするように構造化される。さらに、ウェーハ裏面Ｒには後続のトレンチプロセスのために、厚いフォトレジスト、たとえば５〜１０μｍの厚さのフォトレジストまたは厚い酸化物層から成るマスク層１２´が形成される。

次いで、図１Ｋに示したように、トレンチのための単段の深いエッチングプロセスが行われる。この場合、ウェーハ裏面Ｒからウェーハ表面Ｖへ向かって１つまたは複数のパーフォレーション孔１５´´´が形成される。深いエッチングプロセスは、たとえばドイツ連邦共和国特許第４２４１０４５号明細書に開示されているようなプラズマエッチング法であってよい。トレンチプロセスは酸化物層１ａでストップする。この酸化物１ａはその後に別の酸化物エッチングステップで貫徹エッチングされ、この酸化物エッチングステップは犠牲層５でストップする。

最後に、図１Ｌに示したように、ＣｌＦ_３犠牲層エッチング技術によってＳｉＧｅ犠牲層５がダイヤフラムＭを露出させるために選択的にエッチング除去される。なおも残った酸化物層１ａ，２５は要求に応じてＨＦ蒸気エッチングによってダイヤフラムＭの下で除去され得る。

これによって、ダイヤフラムＭとシリコンウェーハ基板１との間の容量型の評価手段を備えた相対圧センサが提供されている。この場合、ダイヤフラムＭの内側範囲ＩはダイヤフラムＭの縁範囲ＲＢに比べてポリシリコン層２０によって厚さ増大されて、つまり厚肉化されて補剛されており、したがって公知の手段の場合よりも著しく僅かにしか湾曲させられていない。相応して、原理に起因した非直線性も、変位可能なコンデンサプレートＫＰのダイヤフラム湾曲の低減に基づき減少する。

本実施例の変化形では、対向電極として基板の代わりに下側のポリシリコン電極を設けることが可能である。この下側のポリシリコン層は埋設されてダイヤフラムの下で導出されかつコンタクトされ得る。このことは、より大きなプロセス技術的手間を意味するが、しかしたとえば、対向電極の面がジオメトリ的にダイヤフラムの内側範囲に、つまりダイヤフラムの厚さが補剛されている範囲に制限され得るという利点を有している。さらに、これによって寄生容量（parasitaer.Kapazitaet）も減少する。本実施例の別の変化形では、裏面トレンチ構造化の代わりに、ウェーハ表面からのダイヤフラムの構造化を実施することが可能である。これにより、ダイヤフラムにはエッチング開口が形成され、これらのエッチング開口を通じてエッチングガスＣｌＦ_３によってＳｉＧｅから成る犠牲層５の選択的な犠牲層エッチングが実施され得る。犠牲層エッチングの終了後に、これらのエッチング開口は析出プロセス、たとえばＰＥＣＶＤプロセスにより再び閉鎖され得る。これによりダイヤフラムの下に形成された空洞内に規定の基準圧が封入される。こうして、同様の形式で、表側圧力負荷のための絶対圧センサが形成される。ＳｉＧｅ犠牲層技術の利点はやはり、機能性のシリコンのための不働態化のためにかかるプロセス側の手間を高める必要なしに、Ｓｉに対するＳｉＧｅの選択的なＣｌＦ_３エッチングが可能になる点にある。さらに、ＨＦ蒸気エッチング技術とは異なり、機能性の酸化物、たとえば絶縁酸化物が含まれたままとなる。この個所で念のため付言しておくと、本発明においてダイヤフラムの下の薄い酸化物を除去するための、場合によっては使用されるＨＦ蒸気エッチングステップは極めて短い時間しか必要とせず、したがって別の個所での層構築を損なわないか、または僅かにしか損なわない。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅ、図２Ｆ、図２Ｇ、図２Ｈ、図２Ｉ、図２Ｊ、図２Ｋおよび図２Ｌには、本発明の第２実施例による容量型の圧力センサの形のマイクロマシニング型の構成素子の主要製造ステップを示す概略的な横断面図が図示されている。

本発明の第２実施例の根底を成す思想は、ダイヤフラムの、信号発生のために寄与する部分を別個の電極面として機械的に多かれ少なかれダイヤフラムから完全に分離して、これにより測定容量の範囲にもはや湾曲が全く生じなくなるようにすることにある。

図２Ａに示したように、シリコンウェーハ基板１に酸化物層１ａが析出されるか、もしくは熱により形成され、酸化物層１ａの上には、０．１〜０．８、有利には０．２〜０．５のＧｅ含量を有するＳｉＧｅから成る犠牲層５が設けられる。さらに図２Ｂに示したように、ＳｉＧｅから成る犠牲層５が熱により酸化され、これによりその上にＳｉＧｅ酸化物層５ａが形成される。このＳｉＧｅ酸化物層５ａはやはりエッチングストップを成すと同時にＧｅのための拡散バリヤをも成している。このＳｉＧｅ酸化物層５ａは特に有利には、ＳｉＧｅ中のＧｅ含量が相応して低く、たとえば＜５０ａｔ％に設定されると、Ｇｅ異種原子の封入なしに、つまり十分に純粋なシリコン酸化物として成長する。Ｇｅ不含またはほぼＧｅ不含のシリコン酸化物層がＧｅのための特に良好な拡散バリヤを成す。図２Ｃに示したように、ＳｉＧｅ酸化物層５ａの上にはポリシリコン層２０が全面にわたって析出され、その後にたとえば９００〜１０００℃で、たとえば１０分間〜１時間の時間にわたって熱処理され、そして図２Ｃに示したように、その上に薄い酸化物層２５´が析出されるか、もしくは熱的に成長させられる。この成長は熱処理ステップの間、行なわれ得る。熱処理は、ポリシリコンの機械的な特性を改善するという目的にも適っている。この場合、高温処理の間、ポリシリコン内へのＧｅ相互拡散が行われ得ないことが重要である。このことは酸化物拡散バリヤによって達成される。

その後に、図２Ｄに示したように、唯一つのマスクによって、まず薄い上側の酸化物層２５´が選択的にポリシリコン層２０にまでエッチングされる。この酸化物エッチングはポリシリコン層２０で自動的にストップする。引き続き、エッチングプロセスはポリシリコンのための選択的なエッチングプロセスへ切り換えられる。これによって、ポリシリコン層２０は、その下に位置するＳｉＧｅ酸化物層５ａでストップするまで貫徹エッチングされる。ＳｉＧｅ酸化物層５ａでのストップの後に、エッチングプロセスは再び、選択的に酸化物をエッチングしかつその下に位置するＳｉＧｅから成る犠牲層５でストップする化学的なエッチングに戻される。このためには、プラズマエッチングプロセスが使用されると有利である。なぜならば、プラズマエッチングプロセスは相応するガスの選択により、ＳｉまたはＳｉＧｅに対する選択的な酸化物エッチングのためにも、酸化物に対して選択的なＳｉエッチングまたはＳｉＧｅエッチングのためにも容易に調整され得るからである。選択的な酸化物エッチングの場合には、ＣＨＦ_３，ＣＦ_４およびＣＨＦ_３，Ｃ_４Ｆ_８+ＣＦ_４等のようなプロセスガスが使用される。選択的なＳｉエッチングまたはＳｉＧｅエッチングのためには、ドイツ連邦共和国特許第４２４１０４５号明細書に開示されているプロセスが使用され得ると有利である。この場合、これらのステップを順次に、または同一のプラズマエッチング設備で実施することが可能となる。酸化物エッチングからポリシリコンエッチングへのチェンジ時またはポリシリコンエッチングから酸化物エッチングへの戻しチェンジ時には、プロセスガスだけが切り換えられる。原理的にはそれどころか、各ステップの合間に設備からウェーハをアンローディングする必要なしに、これらのステップを順次に実施することも可能である。エッチングストップはそれぞれ、たとえばプラズマにおける光学的な発光分光分析法（Emissionsspektroskopie）またはレーザ終点検出等の終点検出（Endpunkterkennung）のための自体公知の方法によって検出され得る。有利には唯一つのマスクを用いて順次に実施されるこれら３つのエッチングステップの結果は図２Ｄに示されている。

その後に、図２Ｅに示したように、前記層構造が別のＳｉＧｅ犠牲層４０で被覆される。次いで、図２Ｆに示したように、ダイヤフラム範囲を位置固定するために最下位の酸化物層１ａにまで層スタックの貫徹エッチングが行われ、ダイヤフラム範囲に窓７が設けられる。この窓７は酸化物層２５´にまで延びている。このためにも、ドイツ連邦共和国特許第４２４１０４５号明細書に開示されているプラズマエッチングプロセスが使用されると有利である。なぜならば、このプラズマエッチングプロセスは酸化物に対して極めて高い選択性を有しているので、プロセスをストップさせるために酸化物層２５´の形の極めて薄い酸化物で十分となり、かつダイヤフラム範囲外で酸化物層１ａにまでエッチングが進行するまでの間、この極めて薄い酸化物上での十分に長い過剰エッチングを可能にするからである。薄い酸化物層２５´がこの過剰エッチング時に突破されてしまうと、埋設されたポリシリコン構造体は極めて迅速に破壊される、つまりエッチング除去されてしまう。このことはいかなる場合にも回避されなければならない。

こうして得られた構造体は図２Ｇに示したように、別の熱酸化に施され、これによりダイヤフラム範囲の上に酸化物層４５が形成される。この場合に留意すべきことは、ＳｉＧｅがゲルマニウム不含のシリコンよりも著しく迅速に、つまり１．５〜５倍だけ迅速に酸化することである。すなわち、酸化時に成長した酸化物層４５はポリシリコン層２０上では極めて薄くしか形成されず、それに対して犠牲層層４０もしくは犠牲層５の開いたＳｉＧｅ面上では著しく厚く形成される。これに関連して、ＳｉＧｅ層上に成長した酸化物がＧｅ異種原子を取り込んでいないか、または極めて少量のＧｅ異種原子しか取り込んでいないとやはり有利である。このことは、たとえば＜５０％のＳｉＧｅ層の十分に低いＧｅ含量により達成され得る。Ｇｅ含量は他方では、ＳｉＧｅ材料上での酸化物形成の成長加速を達成するために十分な高さであることが望ましい。このことは実際には、ＳｉＧｅ材料中のＧｅ含量に関して０．２〜０．５もしくは０．３〜０．４の値範囲に相当する。

このことは窓７内の酸化物の、マスキングされていない全面エッチバックを可能にする。このエッチバックは有利には酸化物のための自体公知のプラズマエッチングプロセスを用いて行われ、このプラズマエッチングプロセスは選択的にポリシリコン層２０でストップする。これにより、窓７内のポリシリコン表面が露出される。ＳｉＧｅ表面上の酸化物層はポリシリコン表面上よりも著しく厚く形成されているので、ＳｉＧｅ範囲のこの酸化物層はエッチバックの後でも、後続のプロセスでなおゲルマニウムのための拡散バリヤとして必要とされるような十分な厚さを維持する。このプロセス状態は図２Ｈに示されている。

図２Ｉには、新たにポリシリコン層５０が全面被着されかつ構造化された後の状態が示されている。さらに図面で見て右側には、シリコンウェーハ基板１を露出させかつコンタクトするための窓６が示されている。さらに、裏面には、後続のトレンチプロセスのための厚いフォトレジストまたは酸化物から成るマスク層１２´が被着されている。

次いで、図２Ｊに示したように、導電性の層、有利にはたとえばアルミニウムまたはＡｌＣｕまたはＡｌＳｉＣｕのようなコンタクト金属の析出および構造化が行われ、この場合、図２Ｊの左側ではポリシリコン層５０のコンタクトのために範囲９´ａが形成され、図２Ｊの右側では窓６内でのシリコンウェーハ基板１のコンタクトのために範囲９´ｂが形成される。

次いで、図２Ｋに示したように、ウェーハ裏面Ｒからのトレンチエッチングプロセスが行われる。このトレンチエッチングプロセスはまず酸化物層１ａでストップし、そして別のエッチングプロセスで酸化物層１ａを貫通した後に犠牲層５にまで進行される。このためにも、ＣＨＦ_３、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＦ_４、Ｃ_３Ｆ_８等またはこれらの混合物のようなプロセスガスを主体としたプラズマエッチングプロセスが使用される。なぜならば、これによってＳｉＧｅでのストップを有する酸化物の選択的な貫徹エッチングが可能となるからである。さらに、このプラズマエッチングステップは原理的にはトレンチエッチングステップと同じ設備で実施され得る。適当な終点検出が存在している場合には、両構造化ステップを直接に順次にかつウェーハの積み替えなしに同一の設備内でまたは同一の設備の別個のチャンバ内で実施することもできる。このことは時間的にもコスト的にも節約となる。

最後に図２Ｌに示したように、犠牲層５と犠牲層４０とがＣｌＦ_３犠牲層エッチングで選択的に除去され、これによりダイヤフラムＭとその下に位置する空隙Ｈとが露出される。同じくこの場合にも、ダイヤフラム範囲に残った酸化物層１ａ，５ａ，２５´，４５の除去はＨＦ蒸気エッチングによって可能となる。このＨＦ蒸気エッチングは極めて短い時間しか必要とせず、そして短い作用時間に基づきその他の酸化物層を僅かにしか攻撃しない。

ダイヤフラムＭの内側範囲Ｉ´に位置する下側のポリシリコン構造体は、機械的にはダイヤフラムＭに生じ得る撓みから分離されているが電気的にはダイヤフラムＭに結合されているコンデンサプレートＫＰ´として作用する。このコンデンサプレートＫＰ´と下側の対向電極とにより形成されたコンデンサは、非直線性が存在することなしに、かつ従来必要とされていたこのような非直線性の補正の必要性なしに、静電容量の逆数の厳格に圧力比例的な特性を有している。ダイヤフラムＭの縁範囲ＲＢ´はこの場合、容量にはほとんど寄与しない。すなわち、結果として線形の相対圧センサが得られる。

前記実施例の変化形では、絶対圧センサを製作することも可能である。このためには、裏面トレンチプロセスの代わりに表面側からダイヤフラムＭのパーフォレーションをエッチング加工することができる。複数のエッチング孔、有利には極めて少数のエッチング孔の設置により、後続の犠牲層エッチング時のプロセスガスＣｌＦ_３のために犠牲層へ到達するための進入路が開通される。このためには、大きな到達距離、エッチング速度およびＳｉＧｅに対するＣｌＦ_３の選択性に基づき、有利には僅か少数のエッチング孔で十分となり、これらのエッチング孔は、たとえばダイヤフラムの、エッチング孔が妨害因子にならない範囲、つまりエッチング孔が機械的にダイヤフラム特性にできるだけ僅かな影響しか与えないような範囲に設けられる。エッチング開口のためのこのような有利な個所は、たとえば圧力によるダイヤフラム負荷下に特に小さな機械的応力しか有しない個所、たとえばダイヤフラムセンタの近傍に位置する個所または特に有利には変位されたダイヤフラムの撓み線の反転点に位置する個所（ダイヤフラムの縁部からダイヤフラム直径の約１／４だけ遠ざけられた応力逆転点）である。

これらのエッチング開口は犠牲層エッチングの終了後に、たとえばＣＶＤ法により再び気密に閉鎖される。この場合、ＣＶＤ析出時における相応するプロセス条件を選択することにより、ダイヤフラムＭの下の空洞内には規定の基準圧が封入され得る。こうして、ＳｉＧｅ犠牲層技術は、圧力敏感なダイヤフラムＭに自由に懸吊されたコンデンサプレートを備えた、比較的複雑な構造体の製造を可能にする。このコンデンサプレートはダイヤフラムＭ自体の撓み時に一緒に湾曲しない。したがって、このことは高い直線性を有する容量型の絶対圧センサをも可能にする。

また、上で説明した方法の変化形では、付加的にダイヤフラムの下に、もしくはダイヤフラムに設けられたポリシリコンプレートの下に、下側のポリシリコン電極を設けることが可能となる。このポリシリコン電極はダイヤフラム範囲から埋設された状態で導出され、表側で金属被覆されかつコンタクトされ得る。その場合、下側の対向電極としての基板の代わりに、この下側のポリシリコン電極を容量評価のための下側の対向電極として利用することができるので有利である。プロセス側の手間はこのような手段によってたしかに高められるが、しかしその代わりに、下側の対向電極をダイヤフラムに設けられた上側のポリシリコンプレートの面に限定することが可能になるので有利である。下側の対向電極の面と上側のポリシリコンプレートの面とが互いに調和されかつ適合されていると、ダイヤフラムの縁範囲の、測定容量への容量寄与分を一層減少させるか、もしくは完全に消滅させることができる。このことは、測定セルの逆容量特性の、これらの縁範囲から生ぜしめられる非直線性を一層減少させるか、もしくは取り除く。

以上、本発明を有利な実施例につき説明したが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではなく、種々様々に改良可能である。

特に、本発明の対象から逸脱することなしに、個々のプロセスステップの順序を互いに入れ替えることもできる。すなわち、たとえばウェーハ裏面処理をウェーハ表面処理の前に行うか、またはウェーハ表面処理の前に完結させておくか、あるいはウェーハ表面処理を最初に行うか、または最初に完結させておき、その後にウェーハ裏面処理を行うことができる。しかし、ウェーハ表面およびウェーハ裏面における個々の方法ステップを全プロセス経過中に順次に互いに交互に実施することもできる。すなわち、まず最初にウェーハ表面が処理され、次いで再びウェーハ裏面が処理され、引き続きウェーハ表面とウェーハ裏面とが、それぞれ１つまたは複数のステップにわたって交互に処理されてゆく。上で説明したプロセスの流れは多くの点で有利であるとみなされ得るが、しかし本発明の枠内での唯一の可能なプロセス経過であるわけではない。

本発明の第１実施例による容量型の圧力センサの形のマイクロマシニング型の構成素子の主要製造ステップのうちの第１の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第２の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第３の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第４の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第５の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第６の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第７の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第８の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第９の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第１０の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第１１の製造ステップを示す横断面図である。 図１に示した第１実施例における第１２の製造ステップを示す横断面図である。 本発明の第２実施例による容量型の圧力センサの形のマイクロマシニング型の構成素子の主要製造ステップのうちの第１の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第２の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第３の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第４の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第５の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第６の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第７の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第８の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第９の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第１０の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第１１の製造ステップを示す横断面図である。 図２に示した第２実施例における第１２の製造ステップを示す横断面図である。

符号の説明

１ シリコンウェーハ基板
１ａ シリコン酸化物層
５ 犠牲層
５ａ ＳｉＧｅ酸化物層
６ 窓
７ 窓
９´ａ，９´ｂ 導電性の層
１２´ マスク層
１５´´´ パーフォレーション孔
２０ ポリシリコン層
２５，２５´ 酸化物層
３０ ポリシリコン層
４０ 犠牲層
４５ 酸化物層
５０ ポリシリコン層
Ｉ，Ｉ´ 内側範囲
ＲＢ，ＲＢ´ 縁範囲
ＫＰ，ＫＰ´ コンデンサプレート
Ｍ ダイヤフラム
Ｖ ウェーハ表面
Ｒ ウェーハ裏面
Ｈ 空隙

Claims (7)

1. マイクロマシニング型の構成素子のための製造方法において、以下のステップ：
   少なくとも所定の範囲で導電性である基板（１）を準備し；
   弾性的に変位可能な、少なくとも所定の範囲で導電性であるダイヤフラム（Ｍ）を製造し、該ダイヤフラム（Ｍ）を、基板（１）から電気的に絶縁させて基板（１）の表面（Ｖ）の上方に設け、ただし該ダイヤフラム（Ｍ）は内側範囲（Ｉ´）と縁範囲（ＲＢ´）とを有しており；
   基板（１）とダイヤフラム（Ｍ）との間に空隙（Ｈ）を設け；
   ダイヤフラム（Ｍ）の内側範囲（Ｉ´）が、縁範囲（ＲＢ´）に対して変えられた横断面を有し、これにより内側範囲（Ｉ´）の撓みが、同一横断面の場合に比べて減じられるようにダイヤフラム（Ｍ）を形成し、
   しかもダイヤフラム（Ｍ）の内側範囲（Ｉ´）に、縁範囲（ＲＢ´）に比べて空隙（Ｈ）内へ懸吊された範囲（ＫＰ´）を設ける；
   を実施し、
   ただし、ダイヤフラム（Ｍ）を、基板（１）上に設けられた犠牲層範囲（５；５，４０）の上方で、構造化された多数の層（２０，２５，３０；５ａ，２０，２５´，４５，５０）を設けることによって前成形し、
   この場合、犠牲層（５；５，４０）として、Ｓｉ _１−ｘ Ｇｅ _ｘ （ただし、ｘ＝０．１〜０．８である）を使用し、
   犠牲層（５；５，４０）であるＳｉＧｅ層と、基板（１）であるＳｉ層との間にエッチングストップおよび拡散バリヤとして酸化物層（１ａ）を被着させるか、または熱酸化により成長させ、
   引き続きダイヤフラム（Ｍ）に対して選択的なエッチングプロセスにより犠牲層範囲（５；５，４０）を除去する、
   ことを特徴とする、マイクロマシニング型の構成素子のための製造方法。
2. 犠牲層エッチングのためのエッチングガスとして、ＣｌＦ_３、ＣｌＦ_５、ＸｅＦ_２、ＢｒＦ_３、ＩＦ_３またはＩＦ_５を使用する、請求項１記載の製造方法。
3. 犠牲層範囲（５；５，４０）内のＧｅ含量を、ＳｉＧｅから成る犠牲層の熱による酸化により該犠牲層の上に形成された、熱により成長されたＳｉＧｅ酸化物層がＧｅを含有しないか、またはＧｅをほとんど含有しないように低く設定する、請求項１記載の製造方法。
4. 犠牲層範囲（５；５，４０）内のＧｅ含量を、熱による酸化物層の成長速度がシリコン上での成長に比べて１．５〜１０倍だけ加速されて行われるように高く設定する、請求項１記載の製造方法。
5. 犠牲層範囲（５；５，４０）内のＧｅ含量が０．３〜０．４ａｔ％である、請求項１記載の製造方法。
6. ダイヤフラム（Ｍ）の内側範囲（Ｉ）に、縁範囲（ＲＢ´）に比べて付加的な層（５ａ）を設ける、請求項１記載の製造方法。
7. 空隙（Ｈ）を媒体で充填し、ダイヤフラム（Ｍ）の下で基板（１）を貫いて延びる１つまたは複数のパーフォレーション開口（１５´´´）を設け、この場合、該パーフォレーション開口（１５´´´）が、基板（１）の裏面（Ｒ）から空隙（Ｈ）内へ通じた進入路を提供して、空隙（Ｈ）内に存在する媒体の容量がダイヤフラム（Ｍ）の変位時に可変となる、請求項６記載の製造方法。

Images