JP2008100347A - モノリシック集積回路を有するマイクロメカニカルエレメント、ならびにエレメントの製造方法 - Google Patents

モノリシック集積回路を有するマイクロメカニカルエレメント、ならびにエレメントの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】モノリシック集積回路とりわけ評価回路を有するマイクロメカニカル構造体を比較的コンパクトかつ低コストで製造することを可能とする方法を提供する。
【解決手段】基板とマイクロメカニカル構造体と集積回路とを有するマイクロメカニカルエレメントであって、集積回路は基板20の回路領域21内に設けられ、マイクロメカニカル構造体はセンサ領域22に設けられている。従来は犠牲層を除去するときにエッチングをストップさせる停止層を設ける必要があったが、基板20は犠牲層の領域48と機能層の領域49とを分離する層を有していない単一の材料とする。
【選択図】図14

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載された形式のマイクロメカニカルエレメントに関する。すなわち、基板とマイクロメカニカル構造体と集積回路とを有するマイクロメカニカルエレメントであって、該マイクロメカニカル構造体には該集積回路はモノリシック集積されており、該集積回路は該基板の回路領域内に設けられており、該マイクロメカニカル構造体は該基板のセンサ領域内に設けられている形式のマイクロメカニカルエレメントに関する。
DE10348908A1から、集積回路とマイクロメカニカル素子とを有する微細システムが公知である。ここでは、モノリシック集積回路を有する次のような微細システムが開示されている。すなわち、犠牲層領域として基板ウェハのウェハ材料が設けられているが、除去すべき犠牲層領域は分離酸化物領域ないしは分離酸化物層によって、除去されない基板材料から必ず分離しなければならない微細システムが開示されている。このことにより、この種の公知の微細システムの製造が比較的高コストになってしまう。さらに、このような製造法は比較的長い時間を要するので、付加的な製造ステップによるコスト上の欠点が生じる。また、たとえばエピタキシャル成長によって形成された多結晶シリコン材料等の機能層の材料と異なる別の材料から、たとえば酸化シリコンから犠牲層を形成し、該犠牲層をたとえば気相によるフッ酸によって除去することも公知である。しかしこの手法では、モノリシック回路集積は非常に困難であるか、または実施不可能になってしまうことさえある。
DE10348908A1 GB2341348A US6303512 DE4241045 US5501893 EP0625285
本発明の課題は、従来技術の欠点を回避するかまたは少なくとも低減することができ、モノリシック集積回路とりわけ評価回路を有するマイクロメカニカル構造体を比較的コンパクトかつ低コストで製造することを可能にすることである。
前記課題は、基板の材料が、犠牲層の領域と機能層の領域と双方に接合部無しで設けられていることを特徴とするマイクロメカニカルエレメントによって解決される。
このことによって本発明では、本発明によるエレメントを加速度センサとして低コストで使用することができ、その際には、線形加速度に対するセンサにも、回転加速度ないしは回転速度に対するセンサにも使用することができる。基板の材料を接合部なしで犠牲層の領域にも機能層の領域にも設けることにより、たとえば分離酸化物等である分離構造体を基板材料に設け、構造化する必要はない。犠牲層を除去するためのエッチングプロセスは本発明では、たとえば少なくとも部分的に時間制御によって終了することにより、基板材料にエッチングストップ構造体が決して存在しないようにすることができる。
本発明では有利には、回路領域とセンサ領域との間に絶縁構造部が設けられ、とりわけ絶縁層が充填されたトレンチ構造部が設けられる。このことにより、本発明において有利には、基板の深くまで基板ウェハの事前構造化を行うことなく、センサ領域を回路領域から良好に電気的に絶縁することができる。
さらに、本発明において有利には、基板の主延在面を100結晶面に対して平行に配置する。このことにより、犠牲層を除去するエッチングステップによって、基板の主延在面に対して垂直な方向に過度に大きくエッチングすることなく、良好な横方向エッチング、すなわち露出すべき構造部のアンダーエッチングが実現される。
本発明ではさらに、機能層は少なくとも部分的に、自己支持式のマイクロメカニカル構造体として形成するのが有利である。このことにより、本発明において有利には、回路がモノリシック集積された任意のマイクロメカニカル構造を形成することができ、とりわけ加速度センサ等のセンサ構造を形成することができる。
本発明の別の対象は、本発明によるエレメントの製造方法である。この製造方法では、第1のステップにおいて回路領域に集積回路を少なくとも部分的に処理して形成し、第2のステップにおいてマスク層を、回路領域とセンサ領域との双方に被着し、第3のステップにおいて、センサ領域を構造化で形成するための異方性ディープエッチングを実施し、第4のステップにおいて、犠牲層を除去するために乾式のプラズマレス方式の第2のエッチングを実施する。こうすることにより本発明では、比較的簡単な処理フローかつ最小の手間で、とりわけセンサ領域内に分離酸化物を設けることなく、集積回路を有する高性能のセンサエレメントを実現することができる。特に有利には、センサ領域内のセンサ構造体を単結晶のいわゆるバルクシリコンから、すなわち基板材料自体から、表面マイクロメカニカル技術によって製造する。機能層との間に接合部無しで設けられた犠牲層を除去するために乾式のプラズマレス方式の第2のエッチングを使用することは、次の利点を有する。すなわち、センサ領域内のセンサ構造体をバルクシリコンから直接、アンダーエッチングによって剥離することができるので、(相応の層接合部を有し)犠牲層と機能層とから成る層構成は必要ないさらに第2のエッチングは、センサを製造するための製造プロセスを回路形成のための製造プロセスに組み込むために理想的に組み込むことができる。ここでは本発明によれば、回路プロセスがCMOSプロセス(Complementary metal oxide semiconductor)であるか、またはエピタキシャル成長層によるBCDプロセス(Bipolar-CMOS-DMOS-Process)であるかは重要でない。したがって、本発明において有利には、異方性ディープエッチングを、とりわけドーピングされただけの未構造化の基板材料を実質的に完全に貫通して行い、たとえば分離酸化物または同様の構造化部が存在しないようにする。
その際、特に有利には、第2のエッチングとしてCIF3エッチングを使用する。その際にはとりわけ、このエッチングを約−10℃以下の基板温度で行い、有利には約−30℃〜−10℃の基板温度で行う。こうすることにより、このエッチングプロセスで異方性が生じ、この異方性は本発明において有利には、深さ方向より横方向に大きくエッチングするのに使用される。このことは、第2のエッチングによって露出すべき構造体下面を、ほぼ平坦な面として非常に良好に定義し、犠牲層を除去するための等方性エッチングに特有の凹凸のアンダーエッチングプロフィールを回避することができるという特別な利点を有する。
特に有利なのは、時間的に第1のステップ前または第1のステップと第2のステップとの間に、センサ領域と回路領域との間に絶縁構造部を基板に挿入し、とりわけ絶縁層が充填されたトレンチ構造部を基板に挿入するか、ないしは、時間的に第1のステップ前にセンサ領域において基板にドーピングすることである。こうすることにより、たとえばセンサ構造体を回路領域から電気的に絶縁して配置し、センサ構造体の個々の領域を導電性に形成することができる。
図面に本発明の実施例が示されており、これらの実施例について以下で詳しく説明する。
図1〜13はそれぞれ、本発明によるエレメント10の前段階の構造の概略的な断面図であり、エレメント10は図14において概略的に断面図で示されている。
図1では、第1の前段階構造が示されている。とりわけシリコン基板20として形成される基板20は、たとえば単結晶のシリコン材料であり、回路領域21とセンサ領域22とを有する。基板20の主延在面は、参照記号20′によって示されている。
回路領域21内には、たとえばドーピング領域、または回路構造体(たとえばトランジスタ等)として形成された堆積物等の種々の構造体が示されている。これらの構造体はまとめて参照記号23によって示されており、破線によって囲まれて図示されている(しかし他の図では、簡略化のために図示されない)。本発明の枠内では基本的に、回路を形成するための製造法がCMOSプロセス(complementary metal oxide semiconductor)であるか、またはDMOSプロセス(double diffused metal oxide semiconductor)であるか、またはバイポーラプロセスであるか、またはいわゆるBCDプロセス(bipolar-CMOS-DMOS)であるかは重要でない。ここで重要なのは、回路プロセスの本来のステップの製造後にセンサ領域22の構造体を製造するために使用できる温度量(Temperaturbudget)が比較的小さいことであり、このことはセンサ領域における構造化の手段を制限してしまう。以下で本発明を、CMOS回路構造ないしはいわゆるHCMOS回路構造(high voltage CMOS)の例で図解する。
センサ領域22の構造化は、回路領域21の処理終了ごろに行われる(いわゆるセンサ構造化のバックエンド組み込み)。センサ領域22の構造化時(図13および14を参照)には、基板20が犠牲層48と機能層49とに分割される。しかし本発明では、回路領域21の製造ステップを実施する前に、回路領域21に対して横方向にずれたセンサ領域22に十分に高濃度でドーピングすることにより、センサ領域22においてセンサ構造体の通常所望される伝導度を保証することが必要である。センサ領域22のこのようなドーピングは、本発明において有利には、(回路領域21を構造化するための)回路プロセスないしはASICプロセスの前に行われる。CIFを(犠牲層48の除去用の)エッチングガスとして使用する場合、エッチング特性は半導体材料のドーピングにあまり依存しないので、電子ドナー(nドーピング)または電子アクセプタ(pドーピング)を有するセンサ領域22のドーピングには、本発明では基本的に、ほぼ任意のドーピングを行うことができる。特に有利には、機能層49の材料として、pドーピングされた材料またはp++ドーピングされた材料が使用される。というのもこのようなドーピングは、エッチングガスであるCIFによるエッチング攻撃を幾らか、約2倍に減少するまで緩慢にすることができるからである。
本発明では、犠牲層48と機能層49との区別を実現するために埋め込まれる構造体はいかなるものも設けられないかないしは必要なく、(図1に示されているように)基板20の材料が接合部無しで、犠牲層48の領域にも機能層49の領域にも設けられている。図1では回路領域21の製造プロセスは、いわゆる第1の金属面の前まで行われるHCMOS回路プロセスを例に示されている。ここで重要なのは、回路プロセスのコンタミネーションおよび製造に関してクリティカルな処理ステップを排除することである。第1のパッシベーション層31はたとえばいわゆるBPSG層(ホウ素‐リン‐珪酸ガラス層)として形成されているが、択一的に別の材料から成るパッシベーション層とすることもできる。
図2に、第2の前段階構造が断面図で概略的に示されている。第1のパッシベーション層31上に第2のパッシベーション層32がいわゆるバッファ層として堆積されており、この第2のパッシベーション層32はとりわけPECVD窒化物材料から成る。次に第1のパッシベーション層31および第2のパッシベーション層32にレジストマスクによって開口し、絶縁トレンチ33′ないしは絶縁構造部33′を形成するためのトレンチエッチング段(Trench-Aetz-Schritt)が形成される。この絶縁トレンチ33′には、第3のパッシベーション層33が充填される。
図3に、第3の前段階構造が断面図で概略的に示されている。ここでは、第3のパッシベーション層33が有利には平坦化エッチングステップによって第2のパッシベーション層32まで除去され、その後、第2のパッシベーション層32も除去される。こうすることにより、第3の前段階構造の回路領域21は再び、第1の前段階構造による初期状態をなし、絶縁トレンチのみが形成されている状態となる。絶縁構造部33′は、個々のセンサ電極を相互に絶縁して懸架するために使用される。こうするために本発明では、絶縁トレンチ33′を時間的に回路プロセス前に設けなければならないか(図示されていない)、または基板20において回路プロセスの適切な位置に設けなければならない。
図4に、第4の前段階構造が断面図で概略的に示されている。ここでは、回路プロセスで設けられた第1の金属層34が相応の構造化によって、回路領域21とセンサ領域22との間のコンタクトを形成するために使用されることにより、センサ領域22のコンタクトが回路プロセスに組み込まれる。センサ構造体が露出後(図13参照)に絶縁トレンチ33′に機械的に固定され、(とりわけセンサ領域22を完全に包囲する回路領域21の形態である)いわゆる「陸地(Festland)」で安定的に懸架されると同時に、絶縁トレンチ33′を越えてセンサ構造体ないしはセンサ電極のコンタクトを保証しなければならないので、絶縁トレンチ33′には可能な限り小さいトポグラフィーで(すなわち、水平方向に可能な限り小さい変動で)充填しなければならない。こうするためには、絶縁トレンチ33′にたとえば、プラズマレス方式で堆積されたTEOSオゾン酸化物(すなわち酸化シリコン材料)を第3のパッシベーション層33として充填することができる。このようなトポグラフィーを縮小するためには、酸化物層(すなわち第3のパッシベーション層33)に塗膜および平坦化エッチングによって平準化しなければならない。こうするためにはとりわけバッファ層32が使用される。このバッファ層32はエッチングストップとして作用し、その後は、該バッファ層32の下の層(第1のパッシベーション層31)まで選択的に除去することができる。
図5に第5の前段階構造が断面図で概略的に示されている。ここではまず、第4のパッシベーション層35、その後に第5のパッシベーション層35′が(とりわけ酸化シリコンとして、特に有利にはいわゆるTEOS酸化物として)、誘電体として(回路プロセスの一部として)回路領域21上に堆積される。センサ領域22では、第4のパッシベーション層35ないしは第5のパッシベーション層35′が構造化部41(凹入部)によって、いわゆるハードマスク(hardmask)42を成す。これは、センサ領域22内のどの位置に、機能層49をアンダーエッチングするための入口を形成すべきかを定義する。
図6に第6の前段階構造が断面図で概略的に示されている。ここでは、(場合によっては、第1の金属層34までのいわゆるビア構造部(通路ないしはコンタクト接続部)36′を有する)第2の金属層36が堆積され、これは回路プロセスの一部である。センサ領域22では、この第2の金属層36は後続のエッチングステップで(図8を参照)ハードマスク(hardmask)42に対する保護部として使用される。
図7に第7の前段階構造が断面図で概略的に示されている。ここでは、第6のパッシベーション層37、その後に第7のパッシベーション層37′が誘電体として(回路プロセスの一部として)回路領域21内に堆積される。さらに、(場合によっては、第2の金属層36までの未図示のビア構造部を有する)第3の金属層38および第8のパッシベーション層39も堆積される。その後、第7の前段階構造(図7)で堆積された層は第8の前段階構造(図8)で、センサ領域22においてバックエッチングされ、第2の金属層36はエッチングストップ層として使用される。第9の前段階構造(図9)では、第2の金属層36もセンサ領域22内でエッチング除去され、ハードマスク(hardmask)42は露出されるか、ないしはハードマスクによって露出された場所(構造化部41)がエッチング攻撃にさらされる。本発明ではハードマスク42に対し、回路形成プロセスで得られた誘電体層は、HCMOSプロセスにおいて、たとえば第1の金属層34と第2の金属層36との間の図中のTEOS酸化物層となる。ハードマスク(hardmask)42にエッチングストップ層(たとえば第2の金属層36)が設けられる場合、このハードマスク42を回路の製造後に選択的に露出することができる。
図10に、第10の前段階構造が断面図で概略的に示されている。この第10の前段階構造では、異方性ディープエッチング43によってセンサ領域22の基板20にトレンチ構造が形成される。このような異方性ディープエッチングにおいて有利には、いわゆるDRIEプロセス(Deep reactive ion etching)が使用される。このDRIEプロセスで、本発明において有利には、いわゆるRIEラグ(この用語は、エッチング剤の不足によって、(高いアスペクト比を有する)狭幅のトレンチをエッチングする方が広幅のトレンチをエッチングするより緩慢になってしまう作用を指す)が阻止される。このようないわゆるトレンチエッチングプロセスの実施に関する詳細な条件に関しては、GB2341348AおよびUS6303512を参考文献として引用する。DE4241045ないしはUS5501893ないしはEP0625285で開示されたいわゆる「ボッシュ法」(独立して制御されるエッチングステップおよびパッシベーションステップを使用する)を垂直方向のシリコンディープエッチングで使用することにより、エッチングステップの遅延作用およびパッシベーションステップの遅延作用の双方を、個別かつ相互に独立して選択される個別ステップのプロセス圧力およびウェハ温度によって、両遅延作用がちょうど相殺されるように調整することによって、ほぼ完全なRIEラグ補償を達成することができる。
トレンチプロセスすなわちディープエッチング43の後に、センサ領域においてトレンチ処理された(すなわちトレンチが設けられた)構造部全体にわたって一致する別のパッシベーション層44を堆積すると、埋め込まれた構造体ないしは埋め込まれた層なしで(すなわち、犠牲層48と機能層49との間に接合部なしで設けられた基板材料20によって)センサ領域22にセンサ構造体を形成することができる。このことは図11に、第11の前段階の断面図によって概略的に示されている。図12において、第12の前段階構造の断面図により、概略的に次のことが示されている。すなわち、前記別のパッシベーション層44を別の異方性エッチング45によって、トレンチ構造部の底部45′でバックエッチングすることにより、この場所に、第2のエッチングを行うために犠牲層48までの入口を空けることができることが示されている。トレンチエッチングプロセス(ディープエッチング43)中に完全に除去されなかった十分な厚さのハードマスク42(hardmask)を使用する場合、この構造部は後続の異方性エッチングステップ後に、(残ったハードマスクによって)上方でも、(別のパッシベーション層44によって、有利にはとりわけ、たとえば酸化シリコン等の酸化物材料またはテフロン材料ないしはテフロン状の材料によって)側壁でも、後続の第2のエッチングステップ47ないしは第2のエッチング47中に保護ないしはパッシベーションされ、トレンチ構造部の底部45′のみが開放される。したがって、この別のパッシベーション層44を以下では、側壁パッシベーション部44とも称する。ここで第2のエッチング47が垂直方向および横方向に開始され、犠牲層48を除去してセンサ構造体を露出する。このことは図13に示されている。
図13には、第13の前段階構造が断面図で概略的に示されている。ここでは第2のエッチング47が行われ、トレンチ構造部の底部45′であった部分から、横方向47′および垂直方向47″にエッチングを行うことによって犠牲層48を除去する。第2のエッチング(いわゆるリリースエッチング)としてCIFをエッチングガスとして使用する場合、側壁パッシベーション部44には、十分に一致して堆積された任意の酸化シリコンを使用することができる。CIFは、酸化シリコンおよびテフロン状の層および別の誘電体に対して高い選択性ですべての方向にシリコンをエッチングし、適切に選択されたプロセス条件(たとえば約−10℃以下のウェハ温度)で、顕著な結晶方向異方性が得られる。すなわち、エッチング速度とりわけアンダーエッチング速度とシリコン単結晶の各方向との依存関係が得られる。それゆえこのようなプロセス条件は、本発明では特に、構造体下側がたとえば100結晶面に対して平行である場合(すなわち、基板20の主延在面がこのような100結晶面に対して平行である場合)に、制御によって高い再現性でセンサ領域22における構造部を露出すると同時に、ほぼ平坦な構造体下側を得るために適している。このことによって本発明では、機械的な観点で不利になる本当の異方性アンダーエッチングの典型的なアンダーエッチングプロフィールを十分に回避し、それによって、形成されたセンサエレメントの機械的特性が向上される。CIFはエッチングガスとして、100結晶面に対して平行な面を、110結晶面に対して平行な面より格段に緩慢にエッチングする。本発明では基板20の主延在面20′を、100結晶面に対して平行に配置されるように選択する。このケースでは構造体下側は、有利には110結晶面に沿って特に迅速に行われる横方向のエッチングと比較して(すなわちアンダーエッチングと比較して)エッチング速度が緩慢である面として、平坦または比較的平坦に形成される。
センサ領域22においてマイクロメカニカル構造体が露出された後は、完成されたセンサエレメントないしは完成されたマイクロメカニカルエレメント10を得るために、ハードマスク(hardmask)42のパッシベーション部および側壁パッシベーション部44も除去しなければならない。このことは図14において、概略的に断面図で示されている。側壁パッシベーション部のこのような除去を行うためには、構造体が相互に固定的に接着されるのを阻止するために、気体状のフッ酸でエッチングステップを行わなければならない。しかし攻撃的なHF蒸気環境でのエッチングは、回路領域21における回路が損傷されないように、十分に短時間にしなければならない。たとえば数百nmの側壁パッシベーション部の場合、このことを一層保証しなければならない。
本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明によるエレメントの前段階の構造の概略的な断面図である。 本発明による製造方法によって製造された本発明によるエレメントの断面を概略的に示す図である。
符号の説明
20 シリコン基板
20′ 基板20の主延在面
21 回路領域
22 センサ領域
31 第1のパッシベーション層
32 第2のパッシベーション層
33 第3のパッシベーション層
34 第1の金属層
35 第4のパッシベーション層
35′ 第5のパッシベーション層
36 第2の金属層
36′ ビア構造部
37 第6のパッシベーション層
38 第3の金属層
39 第8のパッシベーション層
41 構造化部
42 マスク層
47 第2のエッチングステップ
48 犠牲層
49 機能層

Claims (9)

  1. 基板(20)とマイクロメカニカル構造体と集積回路とを有するマイクロメカニカルエレメント(10)であって、
    該マイクロメカニカル構造体には、該集積回路はモノリシック集積されており、
    該集積回路は該基板(20)の回路領域(21)内に設けられており、該マイクロメカニカル構造体は該基板(20)のセンサ領域(22)内に設けられている形式のものにおいて、
    該基板(20)の材料が、犠牲層(48)の領域と機能層(49)の領域と双方に接合部無しで設けられていることを特徴とするマイクロメカニカルエレメント。
  2. 前記回路領域(21)とセンサ領域(22)との間に絶縁構造部(33′)が設けられており、とりわけ、絶縁層(33)が充填されたトレンチ構造部が設けられている、請求項1記載のマイクロメカニカルエレメント。
  3. 前記基板の主延在面は、100結晶面に対して平行に配置されている、請求項1または2記載のマイクロメカニカルエレメント。
  4. 前記機能層(48)は少なくとも部分的に、自己支持式のマイクロメカニカル構造体として形成されている、請求項1から3までのいずれか1項記載のマイクロメカニカルエレメント。
  5. 請求項1から4までのいずれか1項記載のマイクロメカニカルエレメントの製造方法において、
    第1のステップにおいて、回路領域(21)に集積回路を少なくとも部分処理によって形成し、
    第2のステップにおいて、マスク層(42)を、該回路領域(21)と該センサ領域(22)との双方に被着し、
    第3のステップにおいて、該センサ領域(22)を構造化で形成するための異方性ディープエッチング(43)を実施し、
    第4のステップにおいて、犠牲層(48)を除去するために乾式のプラズマレス方式の第2のエッチング(47)を実施することを特徴とする製造方法。
  6. 前記基板(20)のとりわけドーピングされただけの未構造化の材料を実質的に完全に貫通して、前記異方性ディープエッチング(43)を行う、請求項5記載の製造方法。
  7. 前記第2のエッチング(47)はCIF3エッチングであり、
    該第2のエッチング(47)はとりわけ、約−10℃以下の基板温度で行い、有利には約−30℃〜−10℃の基板温度で行う、請求項5または6記載の製造方法。
  8. 時間的に前記第1のステップの前に、または該第1のステップと第2のステップとの間に、前記センサ領域(22)と回路領域(21)との間において絶縁構造部を前記基板(20)に設け、とりわけ、絶縁層(33)が充填されたトレンチ構造部を該基板(20)に設ける、請求項5から7までのいずれか1項記載の製造方法。
  9. 時間的に前記第1のステップの前に、前記センサ領域(22)において前記基板(20)にドーピングする、請求項5から8までのいずれか1項記載の製造方法。
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