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CN110282595A - 微机械结构 - Google Patents

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CN110282595A CN201910584827.4A CN201910584827A CN110282595A CN 110282595 A CN110282595 A CN 110282595A CN 201910584827 A CN201910584827 A CN 201910584827A CN 110282595 A CN110282595 A CN 110282595A
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Abstract

本发明涉及一种微机械结构。所述微机械结构包括一具有上侧面的衬底；一在所述衬底中在所述上侧面上构造的微机械的功能结构（M、F、S1、S2）；以及一在所述衬底（1；1'）的上侧面（OS；OS'）上方构造的印制导线系统（L、V；LB）；其中，所述印制导线系统（L、V；LB）具有至少两个非传导性材料（10）的绝缘层（10）和一在所述绝缘层之间的传导性材料的印制导线层（L）。

Description

微机械结构
技术领域
本发明涉及一种微机械结构。
背景技术
从US 2010/0295138A1和US 2005/0095813A1中公开了微机械的（MEMS）结构，其采用CMOS层用于实现微机械功能。
US 2011/0265574 A1公开了一种用于将MEMS功能后端集成到CMOS电路上的过程。
发明内容
本发明提出了一种微机械结构，具有：衬底，所述衬底具有一上侧面；在所述衬底中在所述上侧面上通过蚀刻所述衬底而结构化出的可动的微机械的功能结构；以及在所述衬底的上侧面上方构造的印制导线系统；其中，所述印制导线系统具有至少两个非传导性材料的绝缘层和一在所述绝缘层之间的传导性材料的印制导线层。
本发明基于的思想在于，提出一种在采用从一衬底中结构化出（herausstrukturierten）的层以及采用CMOS层的前提下的CMOS-MEMS结构。
根据本发明的微机械结构和相应的制造方法允许采用稳固的衬底材料，用于制造微机械的功能结构，从而能够舍弃厚的微机械的功能层的昂贵的沉积或者说昂贵的转移键合（Transferbonden）。为此，利用已有的CMOS过程的灵活性来用于印制导线系统和可能的CMOS电路。
根据一种优选的实施方式，在最上面的钝化层和所述衬底的上侧面之间具有一空腔。这样，可以调节出一种针对所述微机械的功能结构的定义的大气和压力。
根据另一种优选的实施方式，所述空腔横向地通过由印制导线层以及位于这些印制导线层之间的镀通孔构成的堆叠顺序部进行限定。这能够实现气相蚀刻过程沿着横向方向的有目的性的停止。
根据另一种优选的实施方式，所述微机械的功能结构被具有至少一个印制导线的印制导线系统撑开，所述印制导线系统在所述堆叠顺序部处横向地紧固。这样能够实现稳固的印制导线系统。
根据另一种优选的实施方式，所述空腔通过一封闭层进行封闭。这样，能够调节出所述空腔中的任意的压力。
根据另一种优选的实施方式，所述微机械的功能结构具有一可偏转的质量装置。这能够实现一种牢固的惯性传感器、例如加速度传感器或旋转速率传感器（Drehratensensors）。
根据另一种优选的实施方式，在所述质量装置上布置一个或多个以传导性的材料包裹的、绝缘层的块。这样能够提高质量表面密度。
根据另一种优选的实施方式，在所述微机械的功能结构下方在所述衬底中设置另一个空腔。这样能够构造出电绝缘的和/或可偏转的或者说可动的功能结构。
根据另一种优选的实施方式，所述衬底是单晶的硅衬底或者单晶的SOI衬底。单晶硅具有相对于所述印制导线系统LB的CMOS层的特别好定义的机械特性。此外，通过相比于多晶硅的很小的表面粗糙度，单晶硅具有提高的断裂强度且因此具有更大的可靠性。此外，在单晶材料的情况下相比于多晶材料/CMOS层的材料，层应力或者说应力梯度以及不同的热膨胀系数不起作用。
附图说明
下面参照在附图的示意图中给出的实施例详细阐释本发明。其中:
图1a）-c） 示出了根据本发明的第一实施方式的微机械结构的示意图，确切地说，图1a是水平的横截面图，图1b是沿图1a中的直线A-A'的竖直的横截面图以及图1c是沿图1a中的直线B-B'的竖直的横截面图；
图2a）-d） 在沿图1a中的直线B-B'的竖直的横截面图中示出了用于阐释根据本发明的第一实施方式的微机械结构的制造方法的示意图；以及
图3 在沿图1a中的直线B-B'的竖直的横截面图中示出了用于阐释根据本发明的第二实施方式的微机械结构的示意图。
在附图中相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件。
具体实施方式
图1a）-c）示出了根据本发明的第一实施方式的微机械结构的示意图，确切地说，图1a是水平的横截面图，图1b是沿图1a中的直线A-A'的竖直的横截面图以及图1c是沿图1a中的直线B-B'的竖直的横截面图；
尽管不起限制作用，但本发明的实施方式参照加速度传感器形式的微机械结构来阐释。
在图1a）中，附图标记1表示一由单晶硅制成的衬底，所述衬底具有上侧面OS。可替换的是，也可以例如采用SOI衬底（参见图3）。
通过后面参照图2a）-d）详细阐释的两级的蚀刻过程，在所述上侧面OS上在所述衬底1中结构化一可动的或者说可偏转的质量装置（Masseneinrichtung）M，其可移动地经由弹簧元件F悬挂在周围的衬底1上。所述质量装置M在对置的侧面上具有第一梳齿结构KM1和第二梳齿结构KM2。此外，在所述上侧面OS上在所述衬底1中结构化一具有第三梳齿结构KS1的第一定子结构S1和一具有第四梳齿结构KS2的第二定子结构S2。
所述第一梳齿结构KM1叉指式地（interdigital）嵌入到所述第三梳齿结构KS1中，并且所述第二梳齿结构KM2叉指式地嵌入到所述第四梳齿结构KS2中。
通过此类公知的电容器结构能够通过在所述可动的质量装置M偏转的情况下的容量改变来电地探测加速度。
如在图1b）中所示，在所述衬底1的上侧面OS上，不仅在可动的质量装置M上也在所述梳齿结构KM1、KM2、KS1、KS2上而且也局部地在周围的衬底1中具有掺杂区域D，用以截取传感器信号，其中，所述衬底形成印制导线并且是可电接触的。
在所述衬底以及所述掺杂区域D的上侧面OS形成四个平面或者说四个由传导性材料制成的印制导线层，其中，各相邻的平面经由镀通孔（Durchkontaktierung）V进行电连接。因此，在由所述质量装置M、所述弹簧元件F和所述定子电极S1、S2构成的微机械的功能结构上方构造一多层的印制导线系统LB。
设置在所述微机械的功能结构M、F、S1、S2下方和侧部的第一空腔H1与第二空腔H2连接成一总空腔，所述总空腔在所述微机械的功能结构M、F、S1、S2上方设置在所述印制导线系统LB和所述堆叠顺序部VB内部，用以如此地形式一整体的空腔H1、H2。
附图标记10表示绝缘层（在图1a）-c）中虚线表示），在所述绝缘层中形成所述印制导线系统LB和所述镀通孔V。
所述镀通孔V在所述空腔H2的横向边界处以如下方式与位于所述镀通孔之间的印制导线层L相叠地形成，使得所述空腔H2由此被周边地限定。换句话说，所述空腔H2横向地（lateral）通过由印制导线层L和位于所述印制导线层之间的镀通孔V构成的堆叠顺序部VB进行限定。将所述微机械的功能结构进行过度张紧的（überspannende）印制导线系统LB横向地悬挂在所述堆叠顺序部VB上。
在所述绝缘层10上方，在所述堆叠顺序部VB的外围形成一盖层DS，例如碳化物层或氮化物层。第二空腔H2可选地在其上侧面上通过一封闭层VS进行封闭，所述封闭层例如同样由氧化物、氮化物、碳化物或者一种金属化物（Metallisierung）制成。因此，能够调节出在所述整体的空腔H1、H2中的可预设的大气。
一个或多个以传导性材料包裹的、绝缘层10的块B1、B2布置在所述质量装置M上。在惯性传感器的情况下，所述质量装置M的更高的惯性质量对于信号高度（Signalhöhe）是有利的。因此，为了提高惯性的质量表面密度（Massenflächendichte），在所述惯性的质量装置M上设置由介电的CMOS层构成的金属包裹的块B1、B2。
因此，以这种方式形成的、加速度传感器形式的微机械结构具有在微机械的功能区域M，F，S1，S2中的机械地好定义的、坚固的单晶硅。因此，在所述印制导线系统LB的CMOS层中不会出现或仅出现与（热）机械应力的很小的相关性。此外，可以舍弃厚的微机械的功能层、例如由具有厚度为10至20μm的多晶硅制成的微机械的功能层的昂贵的沉积或者说昂贵的转移键合。
此外，由硅制成的单晶的衬底1能够实现具有更高的质量表面层的更厚的功能层，即能够获得更好的传感器信号。所述质量表面密度可以通过提高竖直的蚀刻深度来近乎任意地表面中性地（flächenneutral）得以提高，从而在相同的面积需求的情况下提高所述信号或者在相同的信号高度的情况下减小面积，且因此能够成本低廉地制造相应的芯片。
单晶硅具有相对于所述印制导线系统LB的CMOS层的特别好定义的机械特性。此外，通过相比于多晶硅的很小的表面粗糙度，单晶硅具有提高的断裂强度且因此具有更大的可靠性。此外，在单晶材料的情况下相比于多晶材料/CMOS层的材料，层应力或者说应力梯度是不存在的。
所述微机械的功能区域M、F、S1、S2在所述衬底1中的实现还具有如下优选，即所述上侧面OS保持为平面的，由此能够单片地进行以（未示出的）CMOS电路系统的集成。
为了形成具有镀通孔V和印制导线层L的堆叠顺序部VB，所述镀通孔V能够实现横向地限定所述空腔H2（参见图2a）-d））。因此更少的气相蚀刻持续时间引起了所述金属化物在气相蚀刻的情况下，例如借助于HF，起到蚀刻停止的作用。
通过以金属包裹的氧化物块和印制导线来部分地填充所述空腔，不仅缩短了气相蚀刻持续时间，而且同时也可以敷设一稳固的封闭层VS。
图2a）-d）在沿图1a中的直线B-B'的竖直的横截面图中示出了用于阐释根据本发明的第一实施方式的微机械结构的制造方法的示意图。
如在图2a）中所示，首先在一两级的蚀刻过程中，在各向异性的第一蚀刻步骤中在采用一具有进入孔ML的蚀刻掩模层10a的前提下，进行一种用于定义所述微机械的功能结构M、F、S1、S2的厚度的竖直蚀刻，其中，事先例如已经通过植入来形成所述掺杂区域D。然后，在第二蚀刻步骤中进行所述微机械的功能结构M、F、S1、S2的各向同性的掏蚀（Unterätzen），用以构造所述空腔H1并且用以使所述质量装置M可移动或者说可偏转。
通过在各向异性的第一蚀刻步骤中的包围轮廓的蚀刻以及在各向同性的第二蚀刻步骤中的掏蚀，可以如此地从所述衬底1中产生电绝缘的结构，例如所述定子电极S1、S2。该机械的接合经由多晶硅层和/或金属层来进行。
在构造所述微机械的功能区域M、F、S1、S2结束之后，封闭所述进入孔ML，例如通过沉积另一个薄的氧化层，由此沉积并且结构化出所述CMOS层，用以构造出具有镀通孔V和位于所述镀通孔之间的氧化层10的印制导线系统LB。
在制造完成所述印制导线系统LB之后，如在图2b）中所示，沉积一盖层DS并且如此结构化，即其在所述镀通孔边界VB处终止。
之后，如在图2c）中所示，进行一HF气相蚀刻，用以将所述结构暴露在所述空腔H2内部。
最后，参照图2d），将所述封闭层VS利用一溅射过程或一PECVD过程在低温条件下进行沉积并且随后进行结构化。当所述封闭层VS是一金属层时，溅射过程是优选的，相反，当所述封闭层VS是介电层时，PECVD过程是优选的。在此情况下产生的过程压力被关闭在整个空腔H1、H2中。
有利地，用于定义所述微机械的功能特性的过程可以在一常见的CMOS过程中在敷设所述前端CMOS层（掺杂物，氧化物，栅极层堆垛部（Gateschichtsstapel））之后加入，其中，可以结构化一绝缘层、例如一BPSG层，和/或一金属层，结合所述绝缘层作为用于所述蚀刻过程的蚀刻掩模，用于结构化出所述微机械的功能区域M、F、S1、S2。
图3在沿图1a中的直线B-B'的竖直的横截面图中示出了用于阐释根据本发明的第二实施方式的微机械结构的示意图。
在类似于图1c）的示图的图3中，代替单晶的硅衬底1设置一SOI衬底1'，其上侧面以附图标记OS'表示。所述SOI衬底1'具有一下部的单晶硅层1a、一中部的氧化层1b和一上部的单晶硅层1c。
这种SOI衬底1'的采用提供了如下优点，即通过第二单晶硅层1c形成的微机械的功能结构M、F、S1、S2的高度可通过可埋入的氧化层1b来特别好地定义。
尽管前面参照优选的实施例完整地描述了本发明，但其不限于此，而是可以以多种多样的方式和方法进行修改。
尽管本发明参照加速度传感器形式的微机械结构进行了阐释，但其不限于此，而是原则上可以应用到任意的微机械结构上。
根据本发明的微机械结构的应用的另一个优选的例子例如在绝对压力传感器中。

Claims (9)

1.微机械结构，具有：
衬底（1；1'），所述衬底具有一上侧面（OS；OS'）；
在所述衬底（1；1'）中在所述上侧面（OS；OS'）上通过蚀刻所述衬底（1；1'）而结构化出的可动的微机械的功能结构（M、F、S1、S2）；以及
在所述衬底（1；1'）的上侧面（OS；OS'）上方构造的印制导线系统（L、V；LB）；
其中，所述印制导线系统（L、V；LB）具有至少两个非传导性材料（10）的绝缘层（10）和一在所述绝缘层之间的传导性材料的印制导线层（L）。
2.按照权利要求1所述的微机械结构，其中，在最上部的印制导线层（L）和所述衬底（1；1'）的上侧面（OS；OS'）之间具有一空腔（H2）。
3.按照权利要求1所述的微机械结构，其中，所述空腔（H2）横向地通过由所述印制导线层（L）和位于所述印制导线层之间的镀通孔（V）构成的堆叠顺序部（VB）进行限定。
4.按照权利要求3所述的微机械结构，其中，所述微机械的功能结构（M、F、S1、S2）被一具有至少一个印制导线的印制导线系统（LB）过度张紧，所述印制导线系统横向地紧固在所述堆叠顺序部（VB）上。
5.按照权利要求3或4中任一项所述的微机械结构，其中，所述空腔（H2）通过一封闭层（VS）封闭。
6.按照前述权利要求中任一项所述的微机械结构，其中，所述微机械的功能结构（M、F、S1、S2）具有一能够偏转的质量装置（M）。
7.按照权利要求6所述的微机械结构，其中，一个或多个以传导性材料包裹的、绝缘层（10）的块（B1、B2）布置在所述质量装置（M）上。
8.按照前述权利要求中任一项所述的微机械结构，其中，在所述微机械的功能结构（M、F、S1、S2）下方在所述衬底（S；S'）中设置另一空腔（H1）。
9.按照前述权利要求中任一项所述的微机械结构，其中，所述衬底（1；1'）是单晶的硅衬底（1）或者单晶的SOI衬底（1'）。
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