JP5090603B2 - マイクロメカニック構造素子および相当する製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
技術の水準
本発明は基板および犠牲層上の第１マイクロメカニック機能層内の可動性センサー構造を有するマイクロメカニック構造素子に関する。本発明は同様に相当する製造方法に関する。
【０００２】
任意のマイクロメカニック構造素子および構造体、特にセンサーおよびアクチュエーターに使用できるにもかかわらず、本発明およびその基礎となる問題点をシリコン表面マイクロメカニック技術で製造できるマイクロメカニック構造素子、例えば加速センサーに関して説明する。
【０００３】
表面マイクロメカニック（ＯＭＭ）でのモノリス型の集積された不活性センサーは一般に知られており、この場合に敏感に可動する構造体が保護されずにチップ上に被覆されている（アナログ装置）。これにより取り扱いおよび包装の際に費用が多くかかる。この問題をＯＭＭ構造体が第２キャップウェハーにより被覆されているセンサーにより回避することができる。この種類の包装はＯＭＭ加速センサーの費用の大きな部分（約７５％）の原因となる。この費用はキャップウェハーおよびセンサーウェハーの間の緻密な平面の高い面積需要によりおよびキャップウェハーの費用のかかる構造化（２〜３個のマスク、バルクマイクロメカニック）により生じる。
【０００４】
ドイツ特許公開第１９５３７８１４号明細書には機能層系の構成および表面マイクロメカニック法でのセンサーの気密封止法が記載される。この場合にセンサー構造の製造は公知の技術的方法を使用して説明する。前記気密封止法は費用のかかる構造化工程、例えばＫＯＨエッチングを使用して構造化されるシリコンからなる別のキャップウェハーを使用して行われる。キャップウェハーはガラスはんだ（シールガラス）を用いて基板上にセンサー（センサーウェハー）とともに被覆する。このためにキャップの十分な付着および密度を保証するために、それぞれのセンサーチップの周りに幅広いボンド枠が必要である。これはセンサーウェハー当たりのセンサーチップの数をかなり制限する。大きな場所の必要およびキャップウェハーの費用のかかる製造の理由からセンサーの封止にかなりの費用がかかる。
【０００５】
発明の利点
請求項１の特徴部分を有する本発明のマイクロメカニック構造素子の製造方法および請求項１２記載のマイクロメカニック構造素子は以下の利点を有する。
【０００６】
マイクロメカニック構造素子は、マイクロメカニック機能層を形成するために少なくとも１０μｍの厚さを有するエピタキシャルポリシリコンを形成する、公知のＯＭＭ法に基づく。新たな浸透性層は必要でなく、公知の方法を使用する。被覆機能および平坦化機能を有する閉鎖層を形成するための工程のみが新しい。
【０００７】
少なくとも被覆機能を担う第２マイクロメカニック機能層によりキャップウェハーが省略され、上部の構造体と接触できるので、ＯＭＭ法の簡略化が達成される。
【０００８】
更にこの方法は機能性を有し、すなわち設計者に構造素子を実現する他の機械的および／または電気的構造素子を提供する。特に以下の機能素子を設置することができる。
【０００９】
第２マイクロメカニック機能層内の圧力センサー膜、
第２閉鎖層の上側に備えられた他の導体路構造と交差することができる第２マイクロメカニック機能層内の導体路構造、
第２閉鎖層の上側に備えられた他の導体路構造内のアルミニウムからなる低い抵抗の供給手段、
垂直な差動式コンデンサー、
第２マイクロメカニック機能層内の第１マイクロメカニック機能層の構造体の他の固定手段。
【００１０】
ハイブリッド、プラスチック、フリップチップ等のような通常のＩＣ実装部品を使用することができる。
【００１１】
従属請求項には本発明のそれぞれの対象の有利な構成および改良が見い出される。
【００１２】
有利な構成により、基板上に犠牲層を備え、センサー構造体を可動するために犠牲層をエッチングする。簡単な形式では基板に犠牲層およびＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造体として第１マイクロメカニック機能層を備えることができる。
【００１３】
他の有利な構成により、第１マイクロメカニック機能層の構造化を、該機能層が犠牲層まで達する第１通路を有するように行う。更に第２マイクロメカニック機能層の構造化を、該機能層が第１閉鎖層まで達する第２通路を有し、該通路が第１閉鎖層の接続領域により第１通路と接続しているように行う。その後接続領域を除去するためにエッチング溝として第２通路を使用して第１閉鎖層のエッチングを行う。最後に接続領域を除去することにより互いに接続した第１および第２通路をエッチング溝として使用して犠牲層のエッチングを行う。これは、犠牲層および第１閉鎖層を１つの工程でエッチングできるので、エッチング工程の費用を最小にする。
【００１４】
選択的に備えられた犠牲層を除去するために、第１および第２マイクロメカニック機能層およびこの間に存在する第１閉鎖層を通過するエッチング溝を形成する。これにより第２マイクロメカニック機能層の厚さを増加することができ、その強度および剛性を改良することができる。従って大きな面積を覆うことができ、構造素子を高いストレスにさらすことができる。犠牲層を除去する際にアルミニウム導体路等は考慮しなくてよく、それというのもこれは後の時点ではじめて被覆するからである。
【００１５】
他の有利な構成により、埋め込みポリシリコン層を第１または第２マイクロメカニック機能層の下側に備える。埋め込みポリシリコンおよびこの下に存在する絶縁層の省略も同様に可能であり、それというのも他のワイヤで包囲した平面をセンサー構造体の上側に使用できるからである。
【００１６】
他の有利な構成により、第１および第２閉鎖層を第１および第２マイクロメカニック機能層よりかなり薄く形成する。
【００１７】
他の有利な構成により、第１および／または第２閉鎖層を、合致しない付着により、第１もしくは第２通路が上側の領域のみ閉塞されているように備える。これは通路の一部のみが閉塞されているので、犠牲層除去の際のエッチング時間を減少する。
【００１８】
他の有利な構成により、第１および／または第２通路を上に向かって狭くなる溝または孔として形成する。
【００１９】
他の有利な構成により、第１および／または第２マイクロメカニック機能層を導電性材料、有利にはポリシリコンから製造する。
【００２０】
他の有利な構成により、第１および／または第２閉鎖層を誘電性材料、有利には二酸化珪素から製造する。
【００２１】
他の有利な構成により、第２閉鎖層上に、有利にはアルミニウムからなる１個以上の導体路層を備える。
【００２２】
他の有利な構成により、第２マイクロメカニック機能層内に導体路構造を組み込む。
【００２３】
本発明の実施例は図面に示され、以下の説明により詳細に説明する。
【００２４】
実施例の説明
図面において同じ参照符号は同じ部品または同じ機能の部品を示す。
【００２５】
図１は本発明の第１実施例による第１工程の状態のマイクロメカニック構造素子の横断面図を示す。
【００２６】
図１において１はシリコン基板ウェハー、２は下側の酸化物、３は埋め込みポリシリコン層、４は犠牲層、２０は下側酸化物２内のコンタクトホールおよび２１は犠牲層４内のコンタクトホールを表す。
【００２７】
図１に示される構造体を製造するために、まずシリコン基板ウェハー１上に下側酸化物２の全面付着を行う。引き続く工程で埋め込みポリシリコン層３内に導体路を形成するために、ポリシリコンを付着し、構造化する。
【００２８】
これに続いて犠牲層４を全部の構造体上に、例えばＬＴＯ（低温酸化物）法またはＴＥＯＳ（テトラエチルオルトシリケート）法により被覆する。引き続きコンタクトホール２０および２１をこのために決められた位置に通常のフォト技術およびエッチング技術を用いて製造する。
【００２９】
図２は本発明の第１実施例による第２工程の状態のマイクロメカニック構造素子の横断面図を示す。
【００３０】
図２においてすでに導入された参照符号のほかに、５はエピタキシャルポリシリコン層の形の第１マイクロメカニック機能層、６は後で可動するセンサー構造体（くし形構造体）、７は第１マイクロメカニック機能層５内の溝、８は第１閉鎖酸化物（ＬＴＯ、ＴＥＯＳ等）、９は閉鎖酸化物層８からなる溝７内の栓、１６は後の犠牲酸化物エッチングのための酸化物接続領域および２２は閉鎖酸化物８内のコンタクトホールを表す。
【００３１】
図２に示される構造体を製造するために、まず公知方法でエピタキシャルポリシリコンの付着を行い、第１マイクロメカニック機能層５を形成し、マイクロメカニック機能層５を構造化し、可動するセンサー構造体および溝７を形成する。
【００３２】
この後に再充填工程を行い、溝７を閉鎖酸化物８で閉鎖し、引き続き選択的に平坦化する。以下に明確に記載しないが、この平坦化は原則的にそれぞれの全面層付着の後に行うことができる。
【００３３】
示された実施例では再充填は完全でないが、この下に存在する構造体を上に向かって１００％まで覆い、同様に密閉を配慮する。これは図５に詳細に示される。
【００３４】
コンタクトホール２２を形成する工程は通常のフォト技術およびエッチング技術により行う。このコンタクトホール２２は後で被覆すべき第２マイクロメカニック機能層１０を固定するために（図３参照）、および後の犠牲層のエッチングのために酸化物接続領域１６を限定するために用いられる。
【００３５】
図３は本発明の第１実施例による第３工程の状態のマイクロメカニック構造素子の横断面図を示す。
【００３６】
図３においてすでに導入した参照符号のほかに、１０はエピタキシャルポリシリコン層の形の第２マイクロメカニック機能層および１１は第２マイクロメカニック機能層１０内の溝を表す。
【００３７】
図３に示される構造体を形成するために、第２マイクロメカニック機能層１０を、第１マイクロメカニック機能層５と同様にこの下に存在するセンサー構造体６のための安定な閉鎖層として付着する。第２マイクロメカニック機能層１０はこの閉鎖機能のほかにもちろん接触するために、供給手段として、上側電極等として構造素子のために用いられる。溝１１を製造するためにこの層１０の構造化を行い、この溝は溝９と一緒に後で犠牲層酸化物エッチングに必要である。
【００３８】
図４は本発明の第１実施例による第４工程の状態のマイクロメカニック構造素子の横断面図を示す。
【００３９】
図４においてすでに導入された参照符号のほかに、１３は第２閉鎖酸化物（ＬＴＯ、ＴＥＯＳ等）、１４は閉鎖酸化物１３内のコンタクトホール、１５はアルミニウムからなる導体路平面を表し、該平面はコンタクトホール１４を介して第２マイクロメカニック機能素子１０と接続している。
【００４０】
図３に示された工程状態から出発して図４による工程状態に達するために以下の工程を実施する。まず酸化物接続領域１６を除去するために、エッチング溝として第２の溝１１を使用して閉鎖酸化物８のエッチングを行う。その後接続領域１６を除去することにより互いに接続した第１および第２の溝７、１１をエッチング溝として使用して犠牲層４のエッチングを行う。アルミニウムが表面に存在しないので、長い犠牲酸化物エッチングが可能である。
【００４１】
これに続く処理工程で第２閉鎖酸化物１３を形成するための第２再充填工程を行い、その際この付着は同様に合致しない付着であり、溝１１はその表面のみが閉塞されている。これは図５に詳細に示される。センサー構造体６内に導入される内部圧力もしくは内部雰囲気は再充填工程の処理条件に依存する。このパラメーターは、例えばセンサー構造体の減衰を決定する。
【００４２】
引き続きコンタクトホール１４を形成するための第２閉鎖酸化物１３の構造化およびアルミニウムからなる導体路層１５の付着および構造化を行う。
【００４３】
本発明は有利な実施例によりすでに説明したが、これに限定されず、多くの方法で変形が可能である。
【００４４】
特に任意のマイクロメカニック基礎材料、例えばゲルマニウムを使用することができ、例として示されたシリコン基板だけでない。
【００４５】
任意のセンサー構造体を形成することができ、示された加速センサーだけでない。
【００４６】
図面に示されていないが、第１もしくは第２閉鎖層８、１３の合致しない付着を促進するために、溝７、１１は上に向かって狭く形成されていてもよい。
【００４７】
第１および第２マイクロメカニック機能層５、１０の層厚の変動はエピタキシャル法および平坦化法により簡単なやり方で行うことができ、それというのも犠牲層エッチングは第２マイクロメカニック機能層の浸透性に依存しないからである。
【００４８】
もちろんマイクロメカニック機能層／閉鎖層の連続は何回も行うことができ、埋め込み導体路はそれぞれのマイクロメカニック機能層の下に、この下に存在するマイクロメカニック機能層の上にそれぞれ備えることができる。
【００４９】
最後にアルミニウムまたはその他の適当な金属とこの間に存在する誘電体を有するワイヤで包囲した平面を被覆することができる。
【００５０】
例えば化学的機械的研磨を用いる個々の平面の選択的平坦化は１つの研磨工程で、有利には第２閉鎖層のためにのみ行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例による第１工程の状態のマイクロメカニック構造素子の横断面図である。
【図２】 本発明の第１実施例による第２工程の状態のマイクロメカニック構造素子の横断面図である。
【図３】 本発明の第１実施例による第３工程の状態のマイクロメカニック構造素子の横断面図である。
【図４】 本発明の第１実施例による第４工程の状態のマイクロメカニック構造素子の横断面図である。
【図５】 本発明の第１実施例によるマイクロメカニック構造素子の図４による横断面図の拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、 ４ 犠牲層、 ５ 第１機能層、 ６ センサー構造体、 ７ 第１通路、 ８ 第１閉鎖層、 １０ 第２機能層、 １１ 第２通路、 １３ 第２閉鎖層、 １５ 導体路層、 １６ 接続領域

Claims (18)

1. 以下の工程：
   基板（１）を準備する工程、
   犠牲層（４）上に第１マイクロメカニック機能層（５）を備える工程、
   第１マイクロメカニック機能層（５）を、該機能層が可動すべきセンサー構造体（６）を有するように構造化する工程、
   構造化された第１マイクロメカニック機能層（５）上に第１閉鎖層（８）を備え、かつ第１マイクロメカニック機能層（５）を、該機能層が犠牲層（４）まで達する第１通路（７）を有するように構造化する工程、
   少なくとも被覆機能を有し、少なくとも部分的に第１マイクロメカニック機能層（５）内に固定されている第１閉鎖層（８）上に第２マイクロメカニック機能層（１０）を備え、かつ第２マイクロメカニック機能層（１０）を、該機能層が第１閉鎖層（８）まで達する第２通路（１１）を有し、該通路が第１閉鎖層（８）の接続領域（１６）により第１通路（７）と接続しているように構造化する工程、
   センサー構造体（６）を可動する工程、
   第２マイクロメカニック機能層（１０）上に第２閉鎖層（１３）を備え、その際第１および第２閉鎖層（８、１３）を第１および第２マイクロメカニック機能層（５、１０）より薄く形成する工程、および
   第１および／または第２閉鎖層（８、１３）を、合致しない付着により、第１もしくは第２通路（７、１１）が上側の領域のみが閉塞されているように備える工程、
   を有するマイクロメカニック構造素子の製造方法。
2. 基板（１）上に犠牲層（４）を備え、かつ
   センサー構造体（６）を可動するために犠牲層（４）をエッチングする工程
   を有する請求項１記載の方法。
3. 以下の工程：
   接続領域（１６）を除去するためにエッチング溝として第２通路（１１）を使用して第１閉鎖層（８）をエッチングする工程、および
   接続領域（１６）を除去することにより互いに接続した第１および第２通路（７、１１）をエッチング溝として使用して犠牲層（４）をエッチングする工程
   を有する請求項１または２記載の方法。
4. 埋め込みポリシリコン層（３）を、第１および第２マイクロメカニック機能層（５、１０）の下側に備える請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 第１および／または第２通路（７、１１）を、上に向かって狭くなる溝または孔として形成する請求項３または４記載の方法。
6. 第１および／または第２マイクロメカニック機能層（５、１０）を、導電性材料、有利にはポリシリコンから製造する請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 第１および／または第２閉鎖層（８、１３）を、誘電性材料、有利には二酸化珪素から製造する請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 第２閉鎖層（１３）上に、有利にはアルミニウムからなる１個以上の導体路層（１５）を備える請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 第２マイクロメカニック機能層（１０）内に導体路構造を組み込む請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 基板（１）、
    基板上に存在する第１マイクロメカニック機能層（５）内の可動性センサー構造体（６）、
    少なくとも部分的に構造化されている第１マイクロメカニック機能層（５）上の第１閉鎖層（８）、
    少なくとも被覆機能を有し、少なくとも部分的に第１マイクロメカニック機能層（５）内に固定されている第１閉鎖層（８）上の第２マイクロメカニック機能層（１０）、および
    第２マイクロメカニック機能層（１０）上の第２閉鎖層（１３）、
    ここで、第１マイクロメカニック機能層（５）が犠牲層（４）の深さまで達する第１通路（７）を有し、第２マイクロメカニック機能層（１０）が第１閉鎖層（８）の深さまで達する第２通路（１１）を有し、第１および第２通路（７、１１）が第１閉鎖層（８）の除去された接続領域（１６）により互いに接続している、
    を有するマイクロメカニック構造素子において、第１および第２閉鎖層（８、１３）が第１および第２マイクロメカニック機能層（５、１０）より薄く、かつ第１および／または第２閉鎖層（８、１３）が、相当する第１もしくは第２通路（７、１１）を閉鎖するための栓（９、９´）を有する
    ことを特徴とするマイクロメカニック構造素子。
11. 可動性センサー構造体（６）が基板（１）上に存在する犠牲層（４）上に存在し、かつ犠牲層（４）を少なくとも部分的に除去することにより可動性になる請求項１０記載のマイクロメカニック構造素子。
12. 埋め込みポリシリコン層（３）が可動性センサー構造体（６）の下側に犠牲層（４）と基板（１）の間に備えられている請求項１０または１１記載のマイクロメカニック構造素子。
13. 第１および／または第２通路（７、１１）が上に向かって狭くなっている溝または孔である請求項１２記載のマイクロメカニック構造素子。
14. 第１および／または第２マイクロメカニック機能層（５、１０）が導電性材料、有利にはポリシリコンから製造されている請求項１０から１３までのいずれか１項記載のマイクロメカニック構造素子。
15. 第１および／または第２閉鎖層（８、１３）が誘電性材料、有利には二酸化珪素から製造されている請求項１０から１４までのいずれか１項記載のマイクロメカニック構造素子。
16. 第２閉鎖層（１３）上に有利にはアルミニウムからなる１個以上の導体路層（１５）が備えられている請求項１０から１５までのいずれか１項記載のマイクロメカニック構造素子。
17. 第２マイクロメカニック機能層（１０）が導体路構造を有する請求項１０から１６までのいずれか１項記載のマイクロメカニック構造素子。
18. 第２マイクロメカニック機能層（１０）が膜構造を有する請求項１０から１７までのいずれか１項記載のマイクロメカニック構造素子。

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