JP2006084469A

JP2006084469A - マイクロマシニング型の構成素子及びその製造法

Info

Publication number: JP2006084469A
Application number: JP2005267223A
Authority: JP
Inventors: Heribert Weber; ヘリベルト　ヴェーバー
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2006-03-30
Also published as: US20060057755A1; ITMI20051681A1; DE102004044222A1; US7435691B2

Abstract

【課題】シリコン基板１にエッチング媒体を導入するための、最小直径の入口開口を有する、マイクロマシニング型の構成素子を提供する。
【解決手段】シリコン基板１と、該シリコン基板１に設けられた中空室８と、シリコン基板１の表面に設けられた、中空室８を閉鎖するダイヤフラムとを有しており、前記ダイヤフラムが、互いに向き合う、酸化シリコンのくさび状先端５ａ，５ｂによって形成された開口７′を備えた酸化シリコン層５を有しており、前記ダイヤフラムが、前記開口７′を閉鎖する少なくとも１つの閉鎖層９を有している。
【選択図】図１ｄ

Description

本発明はマイクロマシニング型の構成素子に関する。また本発明はマイクロマシニング型の構成素子の製造法に関する。

表面マイクロマシニング・ダイヤフラムセンサを製造する場合、熱的に絶縁されたダイヤフラムをダイヤフラムの下側に設ける際に、シリコンを取り除く必要がある。これは一般的に、ダイヤフラム層に入口開口を設けることによって実施される。この入口開口を通じて例えばＣｌＦ_３エッチングを用いて、この入口開口の下にあるシリコンが取り除かれるようになっている。汚れ、湿気又は異物がダイヤフラムとシリコン基板との間に堆積するのを避けるために、又はダイヤフラムの前側と後ろ側との間の圧力差を調節するために、エッチングプロセス後に入口開口を再び閉鎖する必要がある。しかしながら入口開口を閉鎖するためには、一般的な方法において得られる大きい開口直径に基づいて厚い閉鎖層を必要とする。

原則として、このような問題には、例えばステッパー露光によってフォトレジストにおいて実現されるような、直径＜５００ｎｍを有する小さい孔の入口開口によって対処することができる。しかしながらこのために必要なステッパーは、非常に高価な投資をかけることになる。しかもフォトレジスト構造を例えば酸化層に転移させる場合、構造の拡大及びひいては孔直径の増大を招くことになる。最小の孔直径は、フォトレジスト層に形成された構造と同じであれば最も好都合である。

そこで本発明の課題は、上記のような問題に対処できるような最小の入口開口を有する、マイクロマシニング型の構成素子及びその製造法を提供することである。

この課題を解決した本発明のマイクロマシニングで製造された構成素子によれば、シリコン基板と、該シリコン基板に設けられた中空室と、シリコン基板の表面に設けられた、中空室を閉鎖するダイヤフラムとを有しており、前記ダイヤフラムが、互いに向き合う酸化シリコンのくさび状先端によって形成された開口を備えた酸化シリコン層を有しており、前記ダイヤフラムが、前記開口を閉鎖する少なくとも１つの閉鎖層を有している。

またこの課題を解決した本発明の製造法によれば、
シリコン基板を設け、
該シリコン基板の上側に酸化マスクを形成し、
該酸化マスクを用いてシリコン基板の上側を熱的に酸化させ、この際に、シリコン基板の上側に、前記酸化マスクの下側に達する酸化シリコン層を形成し、該酸化シリコン層が酸化マスクの下側で、互いに向き合う酸化シリコンのくさび状先端によって制限された、酸化されていないシリコン領域を有するようにし、
シリコン基板の酸化されていないシリコン領域を露出するために酸化マスクを取り除き、
シリコン基板に設けられた中空室をエッチングプロセスによって形成し、この場合、開口をシリコン基板へのエッチング媒体導入のための入口として用い、
前記開口及び中空室を少なくとも１つの閉鎖層によって閉鎖する、
ステップを有しているようにした。

また前記課題を解決した本発明の別の製造法によれば、
シリコン基板を設け、
該シリコン基板の上側に酸化停止層を設け、
該酸化停止層上にシリコン層を設け、
該シリコン層の上側に酸化マスクを形成し、
該酸化マスクを用いてシリコン層を熱的に酸化させ、この際に、酸化層が酸化マスクの下側に達する酸化シリコン層に変換され、該酸化シリコン層が酸化マスクの下側で酸化されていないシリコン領域を有していて、該シリコン領域が、互いに向き合う酸化シリコンのくさび状先端部によって制限されており、
開口を露出させるために、酸化マスク及び、シリコン層の酸化されていないシリコン領域を取り除き、
シリコン基板を露出させるために、前記開口の領域に酸化停止層を設け、
シリコン基板に設けられた中空室をエッチングプロセスによって形成し、この場合、前記開口をシリコン基板へのエッチング媒体のための入口として用い、
前記開口及び中空室を少なくとも１つの閉鎖層によって閉鎖する、
ステップを有しているようにした。

請求項１の特徴部を有する、若しくは請求項５及び請求項６に記載した製造法による、本発明によるマイクロマシニング型の構成素子は、最小の入口開口を簡単に製造することができるという利点を有している。

本発明の基本となる考え方は、シリコン基板にエッチングプロセス用の入口開口を次のようにして実現するという点にある。つまり、酸化マスクを用いて、酸化シリコン層に、熱的な酸化時間によって直径を調節することができる、酸化されていないシリコン領域を設けることによって実現する、という点にある。このようにして非常に簡単な形式で、サブミクロン範囲のエッチング開口を製作することができる。

本発明の対象は、例えばシリコン基板に対する良好な熱的な絶縁を必要とするすべてのセンサに用いることができる。このセンサは、例えばエアマスセンサ、サーモパイル（熱電対列）、ガスセンサその他である。

従属請求項には本発明のそれぞれの対象の有利な実施態様及び改良が記載されている。

有利な実施態様によれば、閉鎖層は酸化シリコンより成っている。閉鎖層は有利な形式で、析出された多結晶シリコンより形成されており、この多結晶シリコンは付加的に、熱的な酸化によって酸化シリコンに変化する。

有利な実施態様によれば、酸化シリコン層の下側に酸化停止層が設けられており、この酸化停止層は開口の領域に設けられている。

別の有利な実施態様によれば、酸化停止層は窒化シリコン及び／又は炭化シリコンを含有している。

図面では同一の構成素子又は機能的に同じ構成素子が同じ符号で示されている。

図１ａ〜図１ｄには、本発明の第１実施例によるマイクロマシニングの構成素子、つまりマイクロマシニング技術を用いて製作される構成素子の概略的な横断面図が示されている。

図１ａには符号１でシリコン基板が示されている。シリコン基板１上に、薄い熱的な酸化シリコン層（図示せず）を付加的に被着することができる。図１ａには符号３で酸化マスクが示されており、この酸化マスクは、ＬＰＣＶＤ窒化シリコン層を析出及びパターン形成（構造化）することによって製作される。

図１ｂによれば、酸化マスク３の形成後に酸化マスク３を使用してシリコン基板の上側が熱的に酸化される。この場合、シリコン基板の上側に、酸化マスク３の下側に達する酸化シリコン層５が形成される。この酸化シリコン層５は、酸化マスク３の下側において酸化されていないシリコン領域７を有しており、このシリコン領域７は、互いに向き合う酸化シリコンのくさび状先端５ａ，５ｂによって制限されている。このプロセス段階において、酸化マスク３はその縁部が、酸化シリコンのくさび状先端５ａ，５ｂの形状に相応して上方に湾曲する。このような酸化シリコンのくさび状先端５ａ，５ｂは、「バードビーク:bird's beak」とも称呼されている。酸化時間に関しては、酸化シリコンのくさび状先端５ａ，５ｂが酸化マスク３の下側でどの程度成長できるか、及びそれに応じて酸化しないシリコン領域７のどの程度の大きさを有しているかに応じて、調節することができる。

図１ｃには、図１ｂに続くプロセス段階において、例えば選択的な湿式プロセス有利な形式で熱い亜リン酸によって、窒化シリコンから酸化マスク３が取り除かれる状態が示されている。酸化マスク３を取り除いた後で、酸化時間を相応に調節することによって、サブミクロン（ミクロン以下）範囲の直径を有する、酸化されないシリコン領域７が得られる。

酸化されないシリコン領域７は、同様に図１ｃに示されている別のプロセス段階において、エッチング剤をシリコン基板に導入するための入口として用いられる。このエッチングによって、図１ｃ及び図１ｄに示されているように、シリコン基板１に中空室８が形成される。この場合、シリコン基板１のエッチングは、有利な形式でＣ１Ｆ_３によって行われる。

シリコン基板１のエッチング後に、酸化シリコン層５の開口７′は、例えばＰＥＣＶＤ酸化シリコン層を析出することによって簡単な形式で閉じることができる。

このような形式の閉鎖層を製作するために選択的に、シリコン層を析出し次いで付加的に酸化させるようにしてもよい。この代替案によれば、さらなる高温段階において応力が変化しないダイヤフラム層構造を有している、という付加的な利点が得られる。

開口７′を形成する際に得られる酸化層の厚さは窒化シリコンより成る酸化マスク３の寸法、及び酸化マスク３の下側の酸化されていないシリコン領域７′の所望の大きさに基づいている。酸化されていないシリコン領域の大きさは、この技術においてサブミクロン範囲に調節される。

図２ａ〜図２ｇは、本発明の第２実施例によるマイクロマシニング型の構成素子の主要な製造段階の概略的な横断面図を示している。

この第２実施例に関する以下の説明においては、酸化層５の厚さは前もって決められていて、第１実施例との関連において挙げられたファクターとは無関係である。

図２ａに関して、まずシリコン基板１上に、薄い熱的なシリコン酸化層（図示せず）が付加的に形成される。次いでＬＰＣＶＤ窒化シリコン層３０がシリコン基板１の上側に析出され、このＬＰＣＶＤ窒化シリコン層３０は後で酸化停止層として働く。次いで図２ｂに示されているように、この窒化シリコン層３０上に多結晶シリコン層４０が析出される。酸化マスク３′を形成する前に、付加的に、多結晶層４０上に同様に薄い熱的な酸化シリコン層が形成される。

次いで図２ｃに関連して前記第１実施例と同様に、シリコン層４０上に酸化マスク３′が形成される。

図２ｄに示されているように、次いで酸化マスク３′を用いてすべてのシリコン層４０の熱的な酸化が行われる。この場合、シリコン層４０は、酸化マスク３′の下側に達する酸化シリコン層５に変化する。この酸化シリコン層５は、酸化マスク３′の下側で、互いに向き合う、酸化シリコンのくさび状先端５ａ，５ｂによって制限されている、酸化されないシリコン領域７を有している。酸化停止層として働く窒化シリコン層３０は、シリコン基板１から多結晶シリコン層４０を分離し、酸化時間が長くになるにつれて酸化シリコン層５の厚さが次第に大きくなるのを阻止する。窒化シリコン層３０上に得られる酸化シリコン層５は、多結晶シリコン層４０の厚さにのみ基づいている。

図２ｄに示したプロセス状態において、酸化されないシリコン領域７は、酸化マスク３′の下側のシリコン層４０を成している。

開口７′を露出させるために、図２ｃによれば、酸化マスク３′と、シリコン層４０の酸化されていないシリコン領域７と、窒化シリコンより成る酸化停止層３０とが、相次いで取り除かれて、シリコン基板の上側に達するようになっている。

次いで第１実施例と同様に、エッチングプロセスによってシリコン基板１に中空室８が形成され、この場合、図２ｆ及び図２ｇに示されているように、開口７がシリコン基板１にエッチング媒体を導入するための入口として用いられる。

次いで、図２ｇに示されているように、開口７′及びひいては中空室８を閉鎖するためにＰＥＣＶＤ酸化層９の析出が行われる。

第２実施例においては、開口７′によって、互いに向き合う左右対称の酸化シリコンのくさび状先端５ａ，５ｂの尖端部によって最小横断面が規定されているエッチング入口が得られる。前述のように、窒化シリコン層５の得られた最大厚さは、多結晶シリコン層４０の厚さだけに基づいており、熱的な酸化の時間ファクターには基づいていない。さらに、酸化停止層としてしようされる窒化シリコン層３０は、最終状態におけるダイヤフラムの応力調節のために有利に用いることができる。

本発明は有利な実施例を用いて説明されているが、この実施例だけに限定されるものではなく、多様な形式の変化実施例が可能である。

上記実施例において、ＰＥＣＶＤ酸化シリコン層若しくは酸化された多結晶シリコン層が閉鎖層として使用されているが、このためにその他の材料を使用することができるのは自明である。勿論、それぞれの使用時において最大可能な応力が考慮される。

本発明の第１実施例による、マイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第１実施例による、マイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第１実施例による、マイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第１実施例による、マイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第２実施例によるマイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第２実施例によるマイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第２実施例によるマイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第２実施例によるマイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第２実施例によるマイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第２実施例によるマイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。本発明の第２実施例によるマイクロマシニングで製造される構成素子の主な製造段階の概略的な横断面図である。

符号の説明

１シリコン半導体基板、３窒化シリコン層、５酸化シリコン層、５ａ，５ｂ酸化シリコンのくさび状先端、７酸化されていないシリコン領域、７′ 開口、８中空室、９閉鎖層、３０酸化停止層、４０多結晶シリコン層

Claims

マイクロマシニング型の構成素子において、
シリコン基板（１）と、該シリコン基板（１）に設けられた中空室（８）と、シリコン基板（１）の表面に設けられた、中空室（８）を閉鎖するダイヤフラムとを有しており、前記ダイヤフラムが、互いに向き合う酸化シリコンのくさび状先端（５ａ，５ｂ）によって形成された開口（７′）を備えた酸化シリコン層（５）を有しており、前記ダイヤフラム（Ｍ）が、前記開口（７′）を閉鎖する少なくとも１つの閉鎖層（９）を有していることを特徴とする、マイクロマシニング型の構成素子。
閉鎖層（９）が酸化シリコンより成っている、請求項１記載のマイクロマシニング型の構成素子。
酸化シリコン層（５）の下側に酸化停止層（３０）が設けられており、この酸化停止層（３０）が開口（７′）の領域内に設けられている、請求項１又は２記載のマイクロマシニング型の構成素子。
酸化停止層（３０）が窒化シリコン及び／又は炭化ケイ素を含有している、請求項３記載のマイクロマシニング型の構成素子。
マイクロマシニング型の構成素子の製造法において、次のステップつまり、
シリコン基板（１）を設け、
該シリコン基板（１）の上側に酸化マスク（３）を形成し、
該酸化マスク（３）を用いてシリコン基板（１）の上側を熱的に酸化させ、この際に、シリコン基板（１）の上側に、前記酸化マスク（３）の下側に達する酸化シリコン層（５）を形成し、該酸化シリコン層（５）が酸化マスク（３）の下側で、互いに向き合う酸化シリコンのくさび状先端（５ａ，５ｂ）によって制限された、酸化されていないシリコン領域（７）を有するようにし、
シリコン基板（７）の酸化されていないシリコン領域（７）を露出するために酸化マスク（３）を取り除き、
シリコン基板（１）に設けられた中空室（８）をエッチングプロセスによって形成し、この場合、開口（７′）をシリコン基板（１）へのエッチング媒体導入のための入口として用い、
前記開口（７′）及び中空室（８）を少なくとも１つの閉鎖層（９）によって閉鎖する、
ステップを有してい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製造法。
マイクロマシニング型の構成素子のための製造法において、次のステップつまり、
シリコン基板（１）を設け、
該シリコン基板（１）の上側に酸化停止層（３０）を設け、
該酸化停止層（３０）上にシリコン層（４０）を設け、
該シリコン層（４０）の上側に酸化マスク（３′）を形成し、
該酸化マスク（３′）を用いてシリコン層（４０）を熱的に酸化させ、この際に、酸化層（４０）が酸化マスク（３′）の下側に達する酸化シリコン層（５）に変換され、該酸化シリコン層（５）が酸化マスク（３′）の下側で酸化されていないシリコン領域（７）を有していて、該シリコン領域（７）が、互いに向き合う酸化シリコンのくさび状先端部（５ａ，５ｂ）によって制限されており、
開口（７′）を露出させるために、酸化マスク（３′）及び、シリコン層（４０）の酸化されていないシリコン領域を取り除き、
シリコン基板（１）を露出させるために、前記開口（７′）の領域に酸化停止層（３０）を設け、
シリコン基板（１）に設けられた中空室（８）をエッチングプロセスによって形成し、この場合、前記開口（７′）をシリコン基板（１）へのエッチング媒体導入のための入口として用い、
前記開口（７′）及び中空室（８）を少なくとも１つの閉鎖層（９）によって閉鎖する、
ステップを有してい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製造法。
閉鎖層（９）として酸化シリコン層を析出させる、請求項５又は６記載の製造法。
閉鎖層（９）としてシリコン層を析出させる、請求項５又は６記載の製造法。
閉鎖層（９）として析出されたシリコン層を、全部又は少なくとも部分的に酸化させる、請求項５又は６記載の製造法。
酸化マスク（３）を形成する前に、シリコン基板（１）の上側に熱的な酸化シリコン層を形成する、請求項５又は６記載の製造法。
酸化マスク（３′）を形成する前に、シリコン層（４０）の上側に熱的な酸化シリコン層を形成する、請求項６記載の製造法。