TWI458671B - 微機械構件及相關製造方法 - Google Patents
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Description
本發明關於一種微機械構件，本發明也關於一種相關的製造方法。
雖然原理上可用於許多種微機械構件，但本發明及相關之目利用電容性壓力感測器說明。
用於說明本發明根據的標的之起始點係一種電容性壓力感測器，其中將第一電極及一第剛性二電極(它們呈一電極對方式)的電容作分析，第一電極可施壓力而呈彈簧轉出。第二電極與第一電極間隔一段距離。
一般習知者為電容性表面微機械壓力感測器，它們建構成使得在膜下方的犠牲層(防蝕消耗層)(Opferschicht，英：sacrificing layer)經由膜中的孔而拿出，或經由膜下方之側通道而拿出，其中該膜形成第一可彈性轉出的電極。孔以後須再封閉，此外孔對於膜的穩定性及密封性有不利的影響。此外，人們知道，當使用一種矽膜時，它係由多結晶矽構成，這點係適當者，因為藉著將二電極作電絕緣該膜電極可只由多晶矽(Polysilizium)或由一種多結晶之磊晶(Epitaxie)矽層構成，它利用聚矽當作起始層。然而多結晶系比起單晶矽來，其電氣及機械性質明顯較差。
在德專利DE 10 2004 036 032 A1及DE 10 2004 036 035 A1或DE 100 32 579 A1發表了一種製造微機械構件(特別是膜感測器)的方法，其中在一p摻雜的半導體基質上設一自由承載的單晶式n摻雜的矽格，在該矽格下方藉著將基質材料選擇性地溶出來或藉著用高溫步驟將多孔隙化的基質材料沈積而形成一空腔，在此微構械式n摻雜的矽格下方有一個由單矽構成的膜，它利用外延生長方法而形成。
圖6顯示一種電容性的壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明一種電容性壓力感測器形式的微機械構件的構造，以說明本發明的目的。
圖6中圖號(1)表示一種p摻雜的矽半導體基質，依DE 10 2004 036 032 A1或DE 10 2004 036 035 A1的啟示，在該基質上方已形成一自由承載的單晶n摻雜之矽格(3)，其下方有一空腔(2)。在該n摻雜的矽格(3)有一單晶之外延生長方式析出的矽層(4)，它具有一膜區域(4a)，該膜區域用於當作該微機械式之電容性壓力感測器之第一可彈性轉出的電極區域(E1)。其側面設有該微機械式外延生長方式析出的矽層(4)的一周圍區域(4b)，該周圍區域用於作該微機械式或電容性壓力感測器的第一端子區域(A1)。
有一絕緣之犧牲層(5)用習知方式施到該單晶矽層(4)上並作構造化，舉例而言，它由矽構成。該單晶矽層(4)－－特別是其周圍區域(4b)以及位於其下方之矽基質(1)可經由犧牲層(5)中形成的一個或數個開口(O)而接觸成導電方式。這點係用以下方式達成：在形成一個或數個開口(O)後，
在該犠牲層(5)上析出一多晶式外延生長矽層(6)。在該開口O的區域中，該外延生長矽層可做成多結晶式或單晶式，各依使用之起始層而定。
利用一光刻版技術，跟著作一道壕溝(Trench)蝕刻步驟以形成貫行的壕溝(6a)(Grben)，此時將該多結晶矽層(6)構造化成使第二電極區域E2與第二端子區域A2可造成電隔離。該多結晶式外延生長矽層(6)的一個或數個自由的元件(6b)〔它們形成第二端子區域A2］因此與該單結晶矽層(4)的第一端子區域(A1)連接成導電方式，且用於由外與該端子區域接觸。此外該壕溝(6a)用於在第二電極區域E2中產生一種穿孔，經由該穿孔藉著將犧牲層蝕刻(例如氣相蝕刻)可將第一單晶矽層(4)與第二多結晶矽層(6)之間的犧牲層(6)除去。用此方式可得到一單晶第一電極區域E1，其相對於第二電極區域E2的外轉作用可用電容方式分析。
然後將一「金屬鍍層平面」(7)析出並作構造化，在該金屬鍍層平面(7)上形成接觸面(7a)(7b)，該第二個電極區域(E2)或第二個端子區域(A2)可經由該接觸面(7a)(7b)利用電線結合與一殼體(圖未示)的相關端子連接。但這種構造的缺點為該基質(1)和單晶矽層(4)相對於殼體(圖未示)的雜散電容(Streukapazitt，英：stray capacitance)較高。
具有申請專利範圍第1項的特點的本發明的微機械構
件和申請專利範圍第12項的製造方法的優點為：它們提供了一種簡單安全的程序以製造微機械構件，特別是電容性壓力感測器，該構件可廉價地改裝。本發明特別可使一種電容性壓力感測器受分散電容的影響較少。其他的優點在於：該機械式主動元件(膜)係由單晶矽(破壞/裂痕穩定性、習知之材料特性數......)構成，且可將空腔長期可靠地密封(與多晶、LPCVD-SiN......等不同)。
本發明的基本構想在於：要減少分散電容，並不將膜層以及同時將其下方的基質當作一整體接觸，而係以在膜平面上電絕緣的方式產生另一導電路平面或配線平面。該附加的配線平面或導電路平面宜同樣經由該層(它也形成上方第二剛性電極)中的一絕緣區域(舉例而言它係利用「壕溝」產生)作電接觸。當第二剛性電極的平面利用磊晶(Epitaxie)產生時，則宜設以由多晶矽(它也可選擇性地摻雜)構成之附加的配線平面或導電路平面，因為在外延生長時產生較高的溫度。
在申請專利範附屬項中係為本發明標的之有利的進一步特點及改良。
依一有利的進一步特點在該第一導電層(用磊晶方式生表長的單晶矽層)中整合了一種電路裝置，且該第一端子區域及第二電極區域與該電路裝置連接成導電方式。依另一較佳的進一步特色，該第二導電層(第二個用外延生長方式生長的矽層)係具有用多晶式及單晶式生長的區域，其中在單晶區域中整合一電路裝置。
依另一有利的進一步特點，該基質在其和膜區域對立的那一側(基質後側)上有「穿孔開口」，它們使得該空腔可由後方探手可及。用此方式，可由一絕緣壓力感測器做一相對壓力感測器。
依另一較佳的進一步特點，該第二電極區域及/或第二端子區域有「貫穿接點區域」，它們呈電絕緣方式穿過基質到基質之與膜區域對立的那一側，並與電接觸面連接。
本發明的實施例在圖式中顯示並在以下說明中敘述。
在圖式中，相同的圖號表示相同的或功能相同的元件。
圖1係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第一實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造。
在圖1中，圖號(1)表示一導電之矽基質，它具有一第一導電層(4)，由單晶矽構成，該第一導電層(4)設在基質(1)上，且在一個設在基質(1)的空腔(2)上方形成一個可彈性轉開的膜區域(4a)以及一個周圍區域(4b)(它鄰接到該膜區域)。受製造條件影響(見圖6上方)在空腔(2)上在基質(1)與第一導電層(4)之間設一單晶矽格(3)，它也可使得在膜區域(4a)中有一單晶方式生長的導電層(4)。
在該由單晶矽構成之第一導電層(4)上設一第一絕緣層(11)，由氧化矽構成，絕緣層(11)上再設一導電路平面(12)，
由多結晶矽構成，它與第一導電層(4)絕緣，其中該導電路平面(12)在膜區域(4a)上方有一大面的第一電極區域(EB1)，而在周圍區域(4b)上有一條帶形第一端子區域(AB1)，與第一電極區域連接成導電方式。
在導電路平面(12)設有一由氮化矽構成之第二絕緣層(13)，其上方有一個由氧化矽構成的犧牲層(5)。在此，這些層(13)與(5)各可個別地或共同地作構造化。在犧牲層(5)上方設有一由多結晶矽構成之第二導電層(6)，它在膜區域(4a)上方有一第二電極區域EB2，該第二電極區域與第一電極極區域EB1呈電絕緣且在周圍區域(4b)上方有一第二端子區域(AB2)，該第二接頭區域與第二電極區域EB2呈電絕緣，且與第一端子區域(AB1)經由第二絕緣層(13)及犧牲層(5)的一個相關開口(O)連接成導電方式。
要製造圖1中所示之實施例，在該單晶矽層(4)析出後(至此可參考圖6上方)，將氧化矽構成的第一絕緣層(11)析出在該單晶矽層(4)上。
然後將多結晶矽構成的導電路平面(12)在第一絕緣層(11)上析出並作構造化。此導電路平面(12)在膜區域(4a)中特別當作第一電極區域EB1，且在該處設計成大面積方式。在該膜區域(4a)外要形成一供應管路區域(12)，其直徑較狹小，在導電路平面(12)作構造化後，將氮化矽構成之第二絕緣層(13)在整個構造上方的整個面積中析出。然後將氧化矽構成的犧牲層(5)在該由氮化矽構成的絕緣層(13)上方析出。
然後在第二絕緣層(13)及犧牲層(5)中形成一開口(O)，供導電路平面(12)的第一端子區域(AB1)作導電結合。然後將該多結晶矽層(6)以外延生長方式在犧牲層(5)上或在開口(O)中生長。然後將一金屬鍍層(7)平面析出並作構造化，利用它形成接觸面(7a’)(7b’)，第二電極區域(EB2)或第二端子區域(AB2)可經由該接觸面利用電線結合與一殼體(圖未示)的相關端子連接。
利用光刻版技術，接著作壕溝蝕刻步驟以形成貫行的壕溝(6a)，此時該多結晶矽層構造化的方式，使第二電極區域(EB2)與第二端子區域(AB2)之間可造成電隔絕。該多結晶外延生長式矽層(6)的一個或數個自由元件(6b’)〔它們形成第二端子區域(AB2)］因而經由開口(O)與該多結晶導電路平面(12)的第一端子區域連接成導電方式，並用於使導電路平面能由外接觸。此外該壕溝(6a)用於在第二電極區域(EB2)中產生格子狀的穿孔，經過該穿孔利用氣相蝕刻可將絕緣層(13)和第二多結晶矽層(6)之間的犧牲層(5)除去。用此方式得到一個具有單結晶矽膜的第一電極區域(EB1)，其相對於第二電極區域(EB2)的外轉作用可用電容方式分析。
如圖1所示，該導電路平面(12)利用端子區域(AB2)中的多結晶式聚矽層(6)的自由區域(6b’)接觸，該導電路(12)再利用第一及第二絕緣層(11)(13)將其下方、上下及側面作電絕緣。因此，在此實施例，可避免該單晶矽層(4)以及其質(1)直接作導電式接觸，這點有助於消除雜散電容的效
應。
圖2係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第二實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造。
在第二實施例中，該第一導電層(4)中整合了一個電路裝置(15)，且該第一端子區域(AB1’)經由貫穿接點(10)與電路裝置(15)連接成導電方式。此外，第二電極區域(EB2)經過第二絕緣層(13)及犧牲層(5)中一開口(O’)及經第一端子區域(AB1’)與電路裝置(15)連接成導電方式。此第二實施例的優點為，該二個電極區域(EB1)(EB2)的信號的整個分析作業可在電路裝置(15)中達成，且在第二端子區域(AB2)中，該呈電方式傳播的感測器信號可由外界檢出。
要製造圖2中所示的實施例，在單晶矽層(4)中將單晶矽層(4)施加後，製造該整合的電路裝置(15)。特別是該整合的電路裝置(15)經由貫穿接點(10)與該位在第一絕緣層(11a)上的導電路平面(12a)連接，該導電路係藉著相關之貫通孔形成以了藉著配線層(導電路平面)(12a)析出及構造化而形成。然後，在該導電路平面(12a)作構造化後(在此實例它也由聚矽構成)將第二絕緣層(13)在整個構造上析出，然後一如上述第一實施例進行以後之程序步驟。在此第二實施例之一些不同點為：該多結晶矽層(6)經開口(O’)和導電路平面(12a)接觸，且在電極區域(EB2)上不設接觸面，因為利用該整合之電路裝置可直接在該感測器元件上將電容信號分析。
圖3係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第三實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造。
在第三實施例中，其構造相當於圖1的第一實施例的構造，但不同處為，在第二矽層(6)中有一整合的電路裝置(15a)。在此要注意，在一相關的區域中，第二矽層(6)以外延生長方式呈單晶方式生長到單晶的矽層(4)上或呈單晶方式生長到基質(1)上，俾能做成積體電路，這點可藉著在第一絕緣層(11)、第二絕緣層(13)、及犧牲層(5)中〔還可在單晶矽層(4)中］中形成相關的開口(O”)而達成。
在第二實施例及在第三實施例中，該整合之電路裝置(15)或(15a)的個別部分也可做成多層的形式。在此第三實施例，該整合之電路裝置(15a)的個別電路部分可利用附加之金屬導電路而連接，該金屬導電路同樣地可再設計成多層式。此外在該第三實施例，該絕緣壕溝(6a)可在多結晶矽層(6)的平面中用一種絕緣材料而充滿，這點使接到積體電路(15a)的端子大大簡化。
圖4係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第四實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造。
在第四實施例中，與圖2所示之第二實施例唯一不同處為後側設有穿孔(1a)，它使得空腔(2)可由感測器側探手可及，如此就有可能製造相對壓力感測器，在基質(1)前側處理完成後，宜將基質(1)後側處理，以製造穿孔。
圖5係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第五實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造。
雖然上述第一到第四實施例，係利用前側上傳統的電線結合使各壓力感測器和外界作電接觸，而第五實施例可提供一種變更方式，其中可使用一晶圓貫穿接點。此點可建構由感測器晶片及分依晶片構成之倒裝晶片堆疊(Flip-Chip-Stapel)。這種設計方式的優點為：可在感測器晶片或分析晶片中作改變，而不須忍受功能性受反向之影響。
在此第五實施例中，在第二絕緣層(13)析出後，從基質(1)上側在所要之貫穿接點的位置作蝕刻將壕溝(8)做到基質(1)中。然後將犠牲層(5)一致地析出，該犧牲層也蓋住壕溝(8)的側壁和底，且用於使貫穿接點對基質(1)及單晶矽層(4)絕緣。
然後，如上述，將該多結晶矽層(6)及一前側之金屬層(7)析出及構造化，以形成端子面(7d)或(7e)，以供第二電極區域(EB2’)或第二端子區域(AB2’)中作貫穿接點(6e)，以及將犧牲層作蝕刻。在此將壕溝(8)用多結晶矽層(6)填滿，且因此形成以後的貫穿接點區域。
然後將基質(1)從後側磨掉，直到貫穿接點(6e)從多結晶矽層(6)露出為止，因此犧牲層(5)從壕溝底除去，然後將一後側絕緣層(20)及一後側金屬層(17)析出及作構造化，以形成後側的端子面(17a)(17b)以供第二端子區域(AB2’)或第二電極區域(EB2’)中的貫穿接點(6e)之用。
雖然在上文用較佳實施例說明本發明，但其範圍不限於此，而係可作各種方式的變更。
特別是個別的程序步驟的序列順序也可調換，而不偏離本發明的標的。因此，舉例而言，晶圓後側的處理可在晶圓前側處理之前達成，或者結束，或者可先將晶圓前側處理進行或結束，然後作晶圓後側處理。然而也可將個別的程序步驟在整個程序過程在晶圓前側及晶圓後側連續地輪流作，或者一次處理晶圓前側再處理晶圓後側，等等。而且可經一步驟或數步驟作。上述程序流程在許多觀點上看係為有利者，但就本發明而言，並非唯一可能的程序流程。
對該附加之配線平面或導電路平面的兩側的絕緣手段並不限於二片個別的絕緣層，而係也可為數種不同之絕緣物(例如氧化矽、氮化矽、碳化矽等)的組合構成者。
雖然上述實施例全關於電容性壓力感測器，但它不限於此，舉例而言，也可用於電容性麥克風，且所有上述實施例也可與一壓電式電阻的分析變更例組合。如此可得到可自我測試的電容性或壓電式電阻性的壓力感測器。
為了進一步減少寄生性電容，所有上述實施例也可在基質和單晶矽層(4)之間設一附加之電絕緣物。
也可將所有單晶或多結晶方式析出的矽層作任意之摻雜方式及用任意之摻雜物濃度。
(1)‧‧‧導電矽基質
(1a)‧‧‧穿孔
(2)‧‧‧空腔
(3)‧‧‧單晶矽格
(4)‧‧‧第一導電層(矽層)
(4a)‧‧‧膜區域
(4b)‧‧‧周圍區域
(5)‧‧‧犧牲層
(6)‧‧‧第二導電層(多結晶矽層)
(6a)‧‧‧壕溝
(6b’)‧‧‧自由元件
(6e)‧‧‧貫穿接點
(7)‧‧‧金屬鍍層
(7a’)(7b’)‧‧‧接觸面
(7d)(7e)‧‧‧端子面
(8)‧‧‧壕溝
(10)‧‧‧貫穿接點
(11)‧‧‧絕緣層
(12)(12a)‧‧‧導電路平面
(13)‧‧‧第二絕緣層
(15)‧‧‧電路裝置
(20)‧‧‧後側絕緣層
(AB1)‧‧‧第一端子區域
(AB2)(AB2’)‧‧‧第二端子區域
(EB1)‧‧‧第一電極區域
(EB2)(EB2’)‧‧‧第二電極區域
(O)(O’)(O”)‧‧‧開口
圖1係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第一實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造，圖2係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第二實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造，圖3係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第三實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造，圖4係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第四實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造，圖5係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明第五實施例的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造，圖6係一種電容性壓力感測器的示意橫截面圖，用於說明依本發明標的的一種電容性壓力感測器方式的微機械構件的構造。
(1)‧‧‧導電矽基質
(2)‧‧‧空腔
(3)‧‧‧單晶矽格
(4)‧‧‧第一導電層(矽層)
(4a)‧‧‧膜區域
(4b)‧‧‧周圍區域
(5)‧‧‧犧牲層
(6a)‧‧‧壕溝
(6b’)‧‧‧自由元件
(7a’)(7b’)‧‧‧接觸面
(11)‧‧‧絕緣層
(12)‧‧‧導電路平面
(13)‧‧‧第二絕緣層
Claims (12)
- 一種微機械構件，具有：一導電之基質(1)；一第一導電層(4)，設在該基質上，且在一個設在該基質(1)中的空腔(2)上方形成一個可呈彈性轉開的膜區域(4a)及一鄰接到該膜區域的周圍區域，該膜區域由微結晶系構成；一導電路平面(12)(12a)，該導電路平面設在第一導電層(4)上，與第一導電層(4)呈電絕緣，其中該導電路平面(12)(12a)在膜區域(4a)上有一第一電極區域(EB1)，在該周圍區域(4b)上有一第一端子區域(AB1)(AB1’)，該第一端子區域與第一電極區域連接成導電方式；一第二導電層(6)，該第二導電層設在該導電路平面(12)上，其中該第二導電層(6)在該膜區域(4a)上有一第二電極區域(EB2)(EB2’)，該第二電極區域與該第一電極區域呈電絕緣，且第二導電層在該周圍區域(4b)上有一第二端子區域(AB2)(AB2’)，該第二端子區域與該第二電極區域(EB2)(EB2’)呈電絕緣，且該第二端子區域與該第一端子區域(AB1)(AB1’)連接成導電方式。
- 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中：在該第一導電層(4)中將一電路裝置(15)整合在其中，且該第一端子區域(AB1’)與該電路裝置(15)連接成導電。
- 如申請專利範圍第2項之微機械構件，其中：該第二電極區域(EB2；EB2’)與該電路裝置(15)連接成導電方式。
- 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中：該第二導電層(6)有一區域(6d)，一電路裝置(15a)整合到該區域中。
- 如申請專利範圍第4項之微機械構件，其中：該第一導電層(4)為單晶式，且該區域(6d)呈單晶方式生長在該第一導電層(4)上。
- 如申請專利範圍第4項之微機械構件，其中：該基質(1)為單晶式，且該區域(6d)以單晶方式生長在該基質(1)上。
- 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中：該基質(1)之和該膜區域(4a)對立的那一有穿孔開口(1a)，該穿孔開口(1a)使得空腔(2)能從基質後側探手而及。
- 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中：該第二電極區域(EB2’)及/或該第二端子區域(AB2’)有貫穿接觸區域(6e)，該貫穿接觸區域呈電絕緣方式穿過基質(1)到該基質(1)之與膜區域(4a)對立的那一側，且與電接點面(17a)(17b)連接。
- 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中：該第一導電層(4)由單晶矽製造，第二導電層(6)由多結晶矽製造。
- 如申請專利範圍第9項之微機械構件，其中： 在空腔(2)上方在基質(1)與第一導電層(4)之間設有由晶矽構成之格構造(3)。
- 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中：該導電路平面(12)(12a)由多結晶矽製造。
- 一種製造微機械構件的方法，包含以下步驟：製備一個具一空腔(2)的導電基質(1)；在該基質(1)上形成一導電層(4)，該導電層在空腔(2)上方形成一可彈性轉出的膜區域(4a)及一鄰接到該膜區域的周圍區域，該膜區域(4a)由單晶矽構成；在該第一導電層(4)上方形成一第一絕緣層(11)(11a)；在該第一絕緣層(11)(11a)上方形成一導電路平面(12)(12a)其中該導電路平面(12)(12a)在該膜區域(4a)上方有一第一電極區域(EB1)，而在該周圍區域(4b)上方一個與該電極區域連接的端子區域(AB1)(AB1’)；在該導電路平面(12)(12a)上方形成一第二絕緣層；在該絕緣層(13)上方形成一犧牲層平面(5)；在該犧牲層平面(5)上方形成一第二導電層，其中該第二導電層(6)在該膜區域(4a)上方有一第二電極區域(EB2)(EB2’)，該第二電極區域與該第一電極區域(EB1)呈電絕緣，且在該周圍區域(4)上方有一第二端子區域(AB2)(AB2’)；該第二端子區域與該第二電極區域(EB2)(EB2’)呈電絕緣且該第二端子區域與該第一端子區域(AB1)(AB1’)連接成導電的方式。
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