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JP3616659B2 - マイクロメカニックセンサおよびその製造方法 - Google Patents

マイクロメカニックセンサおよびその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シリコン基板からなる支持体と、このシリコン基板に被覆されたシリコンからなるエピタクシー層とからなり、このエピタクシー層の一部がエッチング工程により少なくとも１つのマイクロメカニック変位部分として開放されており、この部分が支持領域の少なくとも一方でシリコン基板と連結されており、かつセンサに力が作用するとほかのセンサ構造に対して変位可能であり、この変位を評価する手段を有する、特に振動、傾き、加速度または圧力を測定するためのマイクロメカニックセンサから出発する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ特許出願番号第４０００９０３．３．０９号からシリコンマイクロ工学をベースとして製造される加速度センサとしてのマイクロメカニックセンサが公知である。このセンサはシリコン基板からなる支持体と、このシリコン基板に被覆されたシリコンからなるエピタクシー層とからなり、エッチング工程によりエピタクシー層の一部がマイクロメカニック変位部分として舌状片の形で開放されている。そのために１つ以上の舌状片が１つ以上のウェブに掛けられており、かつセンサに力が作用するとその他のセンサ構造に対して変位する。更にこの変位を評価する手段が備えられている。ドイツ特許出願番号第４００３４７３．９．０９号から、形式および配置において、およびエッチング工程のために単結晶のシリコンウェーハの結晶学的角度を配慮することが更に公知である。
【０００３】
舌状片の変位を評価する手段としてそれぞれ舌状片から電気的に絶縁された電極が配置されており、従って舌状片と電極との容量の変動が測定可能である。
【０００４】
エピタクシー層の構成部分としての舌状片の開放は裏面エッチングにより実施する。これは通常のバイポーラ工程に比べて付加的な工程である。
【０００５】
国際公開ＷＯ９２／０３７４０号明細書から、シリコン基板からなる支持体に低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ，Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｉｓｐｏｓｅｄ）で接触窓を有する酸化珪素層上の多結晶のシリコンからなる層を被覆することは公知である。酸化珪素層はエッチング工程により除去し、それにより多結晶のシリコン層がシリコン基板から間隔をおいて舌状片としてまたは電極として接触窓に形成された支持体上に存在する。機械的応力の乏しいＬＰＣＶＤ−ポリの析出速度は約６０Å／分であり、従って約１μ／分のエピタクシーポリシリコンの析出速度に比べてきわめて低い。そのため製造費用の理由から比較的薄いＬＰＣＶＤ層のみが製造可能であり、それにより特に横型加速度センサの作動能力は舌状片の相当する低い層密度により制限される。この場合に従来のバイポーラ工程に比べて更に付加的なシリコン析出が必要である。
【０００６】
【発明の構成】
これに対して、開放された変位部分が多結晶のシリコンからなり、このシリコンが支持領域のシリコン基板への連結部分で単結晶のシリコンに移行していることを特徴とする本発明によるセンサは、多結晶のシリコンからなる開放された変位部分の製造または機械的に活性の層の製造が付加的な費用をかけずにバイポーラ工程またはＭＯＳ工程の範囲内で可能であり、付加的なシリコン析出を必要としないという利点を有する。エピタクシーはシリコンからなる単結晶の層を製造するための公知の特別な工程であり、これに対して本発明においては多結晶の（酸化珪素上の）またはほかの非結晶質の層を析出するエピタクシー層を使用し、この層は従来のバイポーラ工程に従って被覆する。
【０００７】
エピタクシー析出速度はＬＰＣＶＤ工程に比べてきわめて高く、従って本発明により１０〜３０μｍの比較的厚い層を実現することができ、これは横型センサの作動能力を増加する。
【０００８】
請求項２以下に記載の手段により請求項１記載のセンサの有利な構成が可能である。本発明によるセンサの特別の利点は、本発明による方法が種々の構成に普遍的に使用可能であり、特に片持舌状片および縁部領域を支持されたプレートを多数の層で重なって配置することが可能であることである。もう１つの大きな利点は、同じ工程を使用して著しい付加的費用をかけずに同一の支持体にマイクロメカニックセンサの他に集積電子回路、特に変位の評価回路が製造可能であることである。同様に、その他の製造工程といっしょに同一の支持体上のその他の電子部材からのマイクロメカニックセンサ部材の電気的絶縁が可能である。
【０００９】
【実施例】
本発明を図面により詳細に説明する。
【００１０】
図１にはシリコン基板からなる支持体１が示されており、この基板に酸化珪素層２が被覆され、この酸化珪素層２の周囲にシリコン基板１に対する接触窓開口３，４が製造されている。
【００１１】
酸化珪素層２はドープされていないかまたは燐、硼素または砒素がドープされていてもよい。ドーピングは有利にはこの酸化珪素層２を比較的後で除去する際により短いエッチング工程を生じるかまたは機械的に運動するＳｉ構造のドーピングに使用することもできる。
【００１２】
酸化物層に選択的になおほかの層、たとえば窒化珪素またはポリシリコンを被覆することができる。
【００１３】
図１ｂによりほかの工程で支持体１または酸化珪素層２および接触窓開口３，４にシリコンからなるエピタクシー層５を析出する。エピタクシーはシリコンからなる単結晶の層を製造するためのそれ自体公知の特別の工程である。本発明による工程においては、エピタクシー層５は支持領域６，７でのみシリコン基板１上に単結晶で成長する。これに対して、酸化珪素層２上に、領域８に矢印９の幅にほぼ相当してエピタクシー層が多結晶で成長する（ハッチングにより示される）。
【００１４】
前記支持体はシリコンウェーハとして有利には結晶方向に配向されている。（１００）方向の配向はＭＯＳ工程およびＢＩＣＭＯＳ工程のために技術的に重要であり、配向（１１１）はバイポーラ工程のために重要である。配向（１１０）は技術的にあまり重要でない。
【００１５】
多結晶のエピタクシー層（領域８）の特性を改良するために、酸化珪素層２にエピタクシーの前にポリスタート層１０を被覆し、これは図１ａで破線で示されている。
【００１６】
センサの特別な構成においては、基板上の開放してエッチングしたセンサ物質の下側にｐｎ接合により立体的に制限される導線または対抗電極が必要である。電気的に不動態化するために、犠牲酸化物を析出する前に耐ＨＦ性の誘電層を基板に析出することができる（たとえば窒化物）。この層は犠牲酸化物エッチングにより開放されるｐｎ接合を介した多くのもれ電流を回避する。
【００１７】
領域８内の多結晶のエピタクシー層からマイクロメカニック変位部分を開放する。そのために、１ｃに示されるように、トレンチング工程で多結晶のエピタクシー層８を貫通して深く狭いエッチング溝、いわゆるトレンチを掘る。そのために、たとえばレジストとして相当するマスクが必要である。トレンチの製造は、高い異方性を有する乾燥エッチング工程として異方性のプラズマエッチング技術を使用して行う。図示された５個のトレンチ１１により、４個の舌状の変位部分１２，１３，１４，１５の横方向の構造限界部をエッチングにより除去する。
【００１８】
ほかの工程で犠牲層としての酸化珪素層２を除去する。この除去はフッ化水素酸（ＨＦ）を使用したシリコンに比べて高い選択性をもって実施される。
【００１９】
従って、図１ｄから明らかなように、マイクロメカニックセンサ１６が多結晶のシリコンからなる変位部分１２，１３，１４，１５とともに製造可能であり、これらの部分は支持領域でシリコン基板１への連結部分で単結晶のシリコンに移行している。センサに力が作用するとこれらの変位部分１２，１３，１４，１５はほかのセンサ構造、特にシリコン基板１に対して変位する。この変位を測定目的のために容量式にまたはピエゾ抵抗により評価することができる。
【００２０】
明らかなように、上記の方法は酸化珪素層２、ほかの層１０およびエピタクシー層５を交互に被覆することにより幾重にも重ね合わせて使用することができ、従って相当するエッチング工程により変位部分１２，１３，１４，１５の多くの層が重ね合わせて製造可能である。そのような構成は特に容量式の加速度センサに適している。
【００２１】
エピタクシー層の析出速度はかなり速く、従ってエピタクシー層厚さおよびそれとともに変位部分１２，１３，１４，１５の厚さが１０〜３０μｍの厚さで実現可能である。
【００２２】
図１ａ〜図１ｄの図面の後で、具体的なマイクロメカニックセンサ１６の製造および構成を図２ａ〜図２ｅによりこれと並んだトランジスタ１７のバイポーラ工程の集積可能性と関連して説明する。このトランジスタは典型的にはＩＣ回路のために、特にセンサ１６の変位部分の機械的変位のための評価回路として存在する。
【００２３】
図２ａには出発部材としてｐ−ドープしたシリコン基板からなる支持体１が示されている。
【００２４】
図２にはｎ＋拡散（埋め込み層拡散、Ｂｕｒｉｅｄ Ｌａｙｅｒ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）およびｐ拡散（以下の絶縁拡散）によるバイポーラ技術の通常の製造工程が示されている。図２ｂの左側の領域に示された層２および１０は図１の層２および１０に相当する。右側の部分に示された酸化珪素層１８（右側の領域ではトランジスタが生じるべきである）はほかの工程のために除去されるが、これに対して酸化珪素層２は存在する接触窓とともに残される。その後、図２ｃで示されるように、この構造の上にｎ−エピタクシー層５を被覆し、この層は残された酸化珪素層２の上に領域８に矢印９の長さに相当して多結晶で成長する。
【００２５】
引き続き図２ｄに相当してｐ−ベース拡散部分２０と同様にｐ−絶縁拡散部分１９により電気的絶縁を実施する。更にｎ＋コレクタ接続拡散部分２１およびｎ＋エミッタ拡散部分を公知の方法でバイポーラ工程に相当して取り付ける。更に上方の酸化珪素層２３を被覆する。
【００２６】
図２ｅによるほかの工程では舌状の変位部分１２の横方向の構造境界部にトレンチ１１を掘り、かつ下側表面を開放するために酸化珪素層２を犠牲層としてフッ化水素酸を使用して腐食させて除去する。更に接触開口およびセンサ１６の接続部分の金属被覆およびトランジスタ１７のトランジスタ接続部分Ｅ、Ｂ、Ｃを製造する。
【００２７】
従って、図２ｅにより舌状の変位部分１２を有するマイクロメカニックセンサ１６を製造し、この部分は空気間隙２４の内部で力が作用すると変位可能である。接続部分２５および２６を介して容量の変化を測定し、評価することができる。
【００２８】
図３ａおよび３ｂでは図２ａ〜２ｅ左側による製造工程に相当してセンサ１６が詳細に示されている。そのために図３ｂは平面図３ａの線２７に沿った相当する断面図を示す。
【００２９】
図３ａから、トレンチング工程を使用してトレンチ溝１１を製造し、この溝が変位部分１２としてのプレート状の構造を限定し、この部材が２つのウェブ２８、２９を介してほかの構造と連結されていることが明らかである。従ってセンサは有利には支持体平面に対して垂直に作動する加速度センサとして使用可能である。
【００３０】
図４によるほかの構成においてはプレート状の、ほぼ正方形の変位部分３０が角部で４つのウェブ３１、３２、３３、３４を介して保持されている。そのような構成は特に容量式の加速度センサとして適している。
【００３１】
図５による第３の構成の平面図から、前記技術を使用してセンサ内の、場合により導電性の条片３５を介して接続された多数の電極３６を有する構成も実現可能であることが認められる。この固定した電極３６に対して前記方法により製造された、開放されたシリコン材料３７が作動する。この材料には電極が備えられており、この電極は固定された電極３６の間に突出している。従って、横方向の加速度による材料３７の変位は容量式に感知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａ〜ｄは種々の製造工程におけるセンサの断面図である。
【図２】ａ〜ｅは種々の製造工程におけるバイポーラ工程によるトランジスタと連結したセンサの断面図である。
【図３】ａは本発明によるセンサの平面図である。ｂはこのセンサの断面図である。
【図４】本発明によるセンサの第２の実施例の平面図である。
【図５】本発明によるセンサの第３の実施例の平面図である。

Claims (14)

  1. シリコン基板（１）からなる支持体と、このシリコン基板（１）に被覆されたシリコンからなるエピタクシー層（５）とからなり、このエピタクシー層（５）の一部がエッチング工程により少なくとも１つのマイクロメカニック変位部分（１２〜１５、３０、３６）として開放されており、この部分が支持領域の少なくとも一方でシリコン基板（１）と連結されており、かつセンサ（１６）に力が作用するとほかのセンサ構造に対して変位可能であり、この変位を評価する手段を有するマイクロメカニックセンサ（１６）において、開放された変位部分（１２〜１５、３０、３７）が多結晶のシリコンからなり、このシリコンが支持領域のシリコン基板（１）への連結部分で単結晶のシリコンに移行していることを特徴とするマイクロメカニックセンサ。
  2. 変位の評価を容量式にまたはピエゾ抵抗により実施する請求項１記載のマイクロメカニックセンサ。
  3. 変位部分が１つ以上の片持舌状片（１２〜１５、３６）からなる請求項１または２記載のマイクロメカニックセンサ。
  4. 変位部分が縁部領域で支持されたプレート（３０）からなる請求項１または２記載のマイクロメカニックセンサ。
  5. 互いに重なったエピタクシー層からなる変位部分の多数の層が開放されている請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロメカニックセンサ。
  6. 支持体（１）がシリコンウェーハとして結晶学的方向（１１１）または（１００）に配向されている請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロメカニックセンサ。
  7. 同一の支持体（１）上にマイクロメカニックセンサ（１６）の他に集積電子回路（１７）が配置されている請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロメカニックセンサ。
  8. 同一の支持体(１)上のほかの構成部材(１７)からマイクロメカニックセンサ部分（１６）が絶縁拡散部分（１９）によりまたはトレンチングにより電気的に絶縁されている請求項７記載のマイクロメカニックセンサ。
  9. 請求項１から８までのいずれか１項記載のマイクロメカニックセンサを製造する方法において、マイクロメカニック変位部分（１２〜１５、３０、３６）を開放すべきであるシリコン基板（１）に酸化珪素層（２）を被覆し、その際この酸化珪素層（２）の周囲にシリコン基板（１）に対する接触窓開口（３、４）を製造し、酸化珪素層（２）および接触窓開口（３、４）にシリコンからなるエピタクシー層（５）を析出させ、このエピタクシー層を酸化珪素層（２）上では多結晶で（領域８）および接触窓開口（３、４）の領域ではシリコン基板（１）への直接連結部分として単結晶で（領域６、７）成長させ、犠牲層としての、多結晶のエピタクシー層領域（８）の下側の酸化珪素層（２）をエッチング工程により除去することを特徴とするマイクロメカニックセンサの製造方法。
  10. 酸化珪素層（２）を除去する前にトレンチング工程で、トレンチ（１１）としての狭いエッチング溝の形の変位部分（１２〜１５、３０、３６、３７）の横方向の構造境界部を異方性のプラズマエッチング技術を使用して多結晶のエピタクシー層（８）を貫通させてエッチングにより除去する請求項９記載の方法。
  11. 犠牲酸化物を析出させる前に電気的不動態化のために耐ＨＦ性の誘電層を基板に析出させる請求項９または１０記載の方法。
  12. 酸化珪素層（２）をドープする請求項９から１１までのいずれか１項記載の方法。
  13. 酸化珪素層（２）の除去をフッ化水素酸を使用して実施する請求項９から１２までのいずれか１項記載の方法。
  14. マイクロメカニックセンサ（１６）の製造工程を利用して同一の支持体（１）上に集積電子回路（１７）を製造する請求項９から１３までのいずれか１項記載の方法。
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