用于制造微机电结构的方法和微机电结构与流程

1.本发明涉及一种用于制造微机电结构的方法和一种微机电结构。


背景技术：

2.用于制造微机械传感器、例如加速度传感器和转速传感器的方法从现有技术中以多种形式和变型已知。如此，例如在de19537814 a1、de4241045 c1和de4317274 a1中描述如下方法：借助所述方法能够生产可运动的硅结构，所述可运动的硅结构的运动通过确定电容变化来测量。这类方法的特征在于，可运动的硅结构在第一步骤中通过蚀刻方法由厚的功能层制成，其中，功能层通过具有高的纵横比的沟槽来结构化。在第二步骤中，去除在功能层下方的牺牲层，从而产生相对于衬垫可自由运动的结构。此外，在可运动的结构下方能够布置薄的、由多晶硅制成的埋置功能层，所述埋置功能层例如用作用于可运动的或固定的硅结构的悬挂件或者能够用作电极或印制导线(leiterbahn)。可运动的结构通常以罩密封保护。罩晶片能够借助不同的键合方法来施加到传感器晶片上，其中，在该罩中通常设置有腔。
3.对于这种制造方法来说重要的是，将牺牲层的厚度选择成显著大于埋置功能层的厚度，因为否则可运动的结构在水平偏移的情况下将冲击第一埋置多晶硅层的边缘。然而，在这些方法中不利的是，即使在埋置多晶硅层的厚度小的情况下也总是描绘可运动的层的下侧上的形貌(topographie)，这就是说，多晶硅层的形貌结构对可运动的结构的下侧上的、在蚀刻时形成的结构施加影响，从而以这种方式能够在下侧上产生高度差、不平整、凸起以及其他缺陷(参见图1)。这种效应尤其是对于转速传感器来说是重要的。在转速传感器的情况下，通常激发可运动的质量以进行水平振荡运动，并且通过电容变化探测由科里奥利力引起的竖直偏移。每当可运动的结构扫过埋置电极面的边缘时，在可运动的结构与电极之间的电容由于可运动的结构的下侧上的形貌而发生变化。这导致具有振荡的双倍频率的干扰信号。这种干扰信号使转速信号的正确分析处理变得相当困难并且应不惜一切代价避免。
4.还从de102011 080978 a1中已知一种方法，借助所述方法能够如此制造埋置多晶硅层，使得在蚀刻时在位于其上方的层中不出现形貌缺陷并且因此避免可运动的结构冲击埋置多晶硅层的边缘。此外，在该方法中有利的是，除了避免这种冲击以外也能够避免上述干扰信号。然而，在该方法中不利的是，其更加复杂并且制造成本相应地更高。另一缺点在于，在该方法中，在设置有埋置多晶硅面的位置处，在牺牲层中产生对牺牲层蚀刻具有直接影响的空腔，因为蚀刻在空腔的区域中极大加速地进行。这虽然一方面能够用于局部地实现强的掏蚀然而由此同时限制如下可能性：控制在未设置有埋置多晶层的区域中的掏蚀。
5.现代转速传感器通常在可运动的功能层下方使用两个埋置多晶层，其中，第一埋置层通常仅用作印制导线。第二埋置多晶硅层在此用作用于可运动的结构的对应电极面或用作用于可运动的结构的悬挂件或者说电势供应件。第二多晶硅层也能够用作印制导线
和/或用作屏蔽结构(护罩)，借助所述屏蔽结构能够屏蔽在可运动的结构与在第一埋置多晶硅层中的印制导线之间的静电电势，从而避免可运动的结构上的不期望的力。在这种布置中，通常将所有埋置多晶硅面置于限定的电势上，以便在理想情况下产生微不足道的电势差，在所述电势差的情况下没有不期望的力作用到可运动的结构上，或者以便通过限定的电势差以限定的、可运动的结构上的力创建附加的控制可能性。相反，不使用没有限定电势的、即具有浮动电势(英：floating potential)的电绝缘面，因为由此能够产生可运动的质量上的不受控的且变化的力。此外有针对性地使用如下：如果布置在第二埋置多晶硅层与衬底之间的第一埋置多晶硅层在确定的区域中具有槽口，则第二埋置多晶硅层至衬底的距离是非常大的。因此，在第二多晶硅层中能够产生朝向可运动的结构的大的对应电极面，所述对应电极面具有相应高的电容，所述对应电极面尽管面积大，但是由于大的距离而相对于衬底具有小的电容。通过减小相对于有效电容的寄生电容，能够构建非常灵敏的传感器。
6.de102011 080978 a1中的制造方法原则上也能够单独地用于两个埋置多晶硅层，然而，这种制造由此是非常昂贵和复杂的。此外出现另一缺点：不可能针对任意埋置多晶硅结构实现该方法的双重使用。为了在第二埋置多晶硅平面中产生具有低寄生电容的电极面，在边缘区域中还必须始终设置第一埋置多晶硅层，以便在牺牲层蚀刻中并非整个电极面受到掏蚀(参见图4)。现在，在第一埋置多晶层中的边缘结构由于其距离较小而提高电极面的寄生电容。因此，在制造时，必须将边缘区域选择为尽可能窄的，然而，由此产生如下风险：在牺牲层蚀刻中存在波动的情况下整个电极面都受到掏蚀。


技术实现要素：

7.在此背景下，本发明的任务是提供一种制造方法，借助所述制造方法能够在具有两个或更多埋置功能层的衬底上制造可运动的结构。在此，制造过程应尽可能简单并且在可运动的结构的下侧上应产生尽可能少的形貌。其他目的在于，使寄生电容保持为尽可能小并且实现相对于在牺牲层蚀刻中的波动稳定的布置。
8.本发明的核心在于，通过两种不同措施的相互作用来避免可运动的结构的下侧上的形貌缺陷。一方面，在第一功能层中仅设置足够窄的沟槽，所述沟槽在蚀刻时在可运动的结构的下侧上不产生缺陷。为了使这种特殊构型也能够用于可运动的结构下方的大面积，而不会由于第一功能层的相应大面积而增加其对寄生电容的贡献，还设置绝缘部段(虚拟面)，所述绝缘部段浮动地附接在微机电结构的剩余部分上。
9.为了描述几何关系，假设衬底的主延伸平面和垂直于此的方向作为参考系。平行于主延伸平面的方向在下文中也称为横向方向，并且“垂直或竖直方向”始终应理解为垂直于衬底的方向。第一、第二和第三绝缘层以及第一、第二和第三功能层尤其分别平行于衬底并且竖直地彼此上下地布置，其中，在第二绝缘层与第二功能层之间或在第三绝缘层与第三功能层之间能够可选地布置一个或多个附加的辅助层。在下文中，第三功能层的、通过结构化从中形成可运动的结构的横向区域称为结构化的横向区域，并且相应于通过结构化和暴露(即，蚀刻位于其下的第三绝缘层)形成的可运动的结构的横向延伸。根据本发明的方法的目的在于，最小化第一功能层的形貌对可运动的结构的位于第一功能层竖直上方的下侧的影响。位于可运动的结构(或者说第三功能层的结构化的横向区域)竖直下方的、(绝缘
或功能)层的区域称为相应层的横向区域，并且相应于结构化的横向区域在相应层上的垂直投影。具有窄的沟槽和至少一个虚拟部段的第一功能层的根据本发明的构型总是仅涉及第一功能层的横向区域，因为仅该横向区域能够对可运动的结构的位于第一功能层垂直上方的下侧施加影响。功能层能够例如由多晶硅制成，而作为用于绝缘层的材料能够使用例如硅氧化物。
10.本发明的一个主题是用于制造微机电结构的方法，其具有以下步骤：在衬底上方形成至少一个第一绝缘层；在第一绝缘层上形成第一功能层，其中，第一功能层设有在第一功能层的整个厚度上延伸的槽口；在第一功能层上形成第二绝缘层；在第二绝缘层上方形成第二功能层，其中，第二功能层设有在第二功能层的整个厚度上延伸的槽口；在第二功能层上方形成第三绝缘层；在第三绝缘层上形成第三功能层，其中，第三功能层的横向区域如此结构化成具有槽口，使得结构化的横向区域限定可运动的结构，其中，第一、第二和第三绝缘层以及第一和第二功能层分别具有横向区域，所述横向区域布置在第三功能层的结构化的横向区域下方并且相应于结构化的横向区域的垂直投影；蚀刻第一、第二和第三绝缘层，其中，完全去除在第三绝缘层的横向区域中的第三绝缘层并且由此使可运动的结构暴露，其中，至少部分地去除在横向区域中的第二绝缘层并且从横向区域中至少部分地去除第三绝缘层；其中，第一功能层的布置在第一功能层的横向区域中的所有槽口通过窄的沟槽形成，所述沟槽的宽度小于第一与第三功能层之间的垂直距离的两倍，其中，第一功能层如此形成，使得第一功能层在横向区域中具有至少一个电绝缘部段，所述电绝缘部段通过沟槽与第一功能层的剩余部分分开。根据本发明的方法与现有技术相比具有如下优点：抑制第一功能层的形貌对可运动的结构的通过蚀刻产生的下侧的影响。此外，通过根据本发明的构型，降低在牺牲层蚀刻过程中对制造波动的敏感性并且制造过程在总体上变得更加稳健。以下描述始终涉及单个可运动的结构，然而，借助所述方法也能够制造具有多个可运动的质量的微机电结构，其方式是，将第一功能层的横向区域的根据本发明的构型相应地套用到分别位于可运动的结构之一下方的两个或多个区域上。
11.通过蚀刻，完全去除在第三功能层的结构化的横向区域下方的第三绝缘层(牺牲层)，从而可运动的结构以这种方式暴露并且尤其是关于至少一个横向方向以可振荡的方式受支承。在这个蚀刻过程中，也剥除第二和第三绝缘层的以及可能存在的辅助层的部分。由于在此第一功能层的形貌影响露出的可运动的结构的下侧上的局部蚀刻，因此本发明构思设置，如此构型所述形貌，使得这种影响是尽可能小的。由于该效应尤其强烈地取决于在第一功能层中的槽口的大小并且在较大槽口的情况下更加显著，因此根据本发明设置，在第一功能层的横向区域中的槽口仅以窄的沟槽的形式形成。在此，宽度选择为小于在第一与第三功能层之间的垂直距离的两倍，即小于布置在第一与第三功能层之间的层(第二和第三绝缘层、第二功能层和可选的辅助层)的所有层厚度的总和的两倍。通过选择横向宽度与垂直距离之间的这种比率有利地实现，在蚀刻时在可运动的结构的下侧上不形成形貌缺陷。也可以设想，将沟槽设计为更窄的，例如具有如下宽度：该宽度相应于在第一与第三功能层之间的距离或者甚至仅相应于第一功能层的厚度。由于通过这种构型原则在第一功能层中的槽口的大小受到极大限制，因此必须附加地避免第一功能层的不具有直接功能的较大部分(例如以与该结构其他部件的受控静电耦合的形式)对增加寄生电容做出贡献。代替去除第一功能层的这些部分地，根据本发明设置，通过窄的沟槽将这些部分与第一功能层
的剩余部分电绝缘，从而“虚拟部段”在运行传感器时具有浮动电势并且以这种方式减少寄生效应。
12.根据本发明的方法还允许多个有利的扩展方案，这些扩展方案在下文中进行描述。
13.根据一个优选的实施方式，在第一功能层的横向区域中的沟槽的宽度大于第一功能层的厚度的一半。以这种方式，在沉积第二绝缘层时能够有利地避免空腔的形成。也可以设想，在第一功能层的横向区域中的至少一个沟槽具有大于第一功能层的厚度的一半的宽度，从而例如能够有针对性地避免在特别关键的区域中形成空腔。同样可以设想，在第一功能层的横向区域中的至少一个另外的沟槽具有小于第一功能层的厚度的一半的宽度。
14.根据另一优选的实施方式，第二功能层如此形成，使得该第二功能层具有至少一个第一和第二部段并且这两个部段彼此电绝缘，其中，第一功能层如此形成，使得该第一功能层具有第一和第二电绝缘部段，所述第一和第二电绝缘部段通过沟槽彼此分开并且与第一功能层的剩余部分分开，其中，第一功能层的第一部段布置在第二功能层的第一部段下方并且第一功能层的第二部段布置在第二功能层的第二部段下方。特别地，第二功能层的第一和第二部段能够彼此相邻地布置并且例如通过槽口彼此分开。在这个实施方式中，第一功能层的虚拟区域根据位于其上方的结构的电势进行分段。以这种方式，能够有利地避免，第二功能层的第一和第二部段通过第一功能层的虚拟部段彼此耦合并且在此之间产生寄生电容。
15.根据另一优选的实施方式，第一功能层如此形成，使得该第一功能层在横向区域中具有屏蔽部段，所述屏蔽部段通过沟槽与第一功能层的剩余部分分开，其中，屏蔽部段布置在第二功能层的槽口下方并且与第二功能层的至少一个部段导电连接。在这个实施方式中，在第二功能层的两个部段之间的特别关键的边缘区域上，将至少一个护罩结构设置在第一功能层中，所述护罩结构位于限定的电势上，以便屏蔽可运动的结构上的、由第一埋置功能层的虚拟面的杂散场引起的力。特别地，(从衬底观察)在第一功能层中的护罩结构覆盖第二功能层的槽口，从而因此尤其是在宽槽口的情况下确保朝向衬底的屏蔽。
16.根据另一优选的实施方式，第一功能层如此形成，使得该第一功能层在横向区域中具有第一和第二屏蔽部段，所述第一和第二屏蔽部段布置在第二功能层的槽口下方的周围环境中，其中，第一屏蔽部段与第二功能层的第一部段导电连接，并且第二屏蔽部段与第二功能层的第二部段导电连接。特别地，如此形成的护罩结构布置在第二功能层的槽口的边缘下方，从而因此有利地实现具有小寄生电容的、朝向衬底的、特别窄的护罩结构。尤其涉及第二功能层的沟槽状的槽口，并且两个屏蔽部段彼此对称地布置在沟槽状的槽口的两个边缘下方。该解决方案尤其对于在第二多晶硅层中的窄的开口来说是有利的。
17.根据一个特别优选的实施方式，在第二功能层中的槽口通过以下子步骤形成：
18.在第二功能层中形成沟槽，所述沟槽在第二功能层的整个厚度上延伸，其中，随后通过形成第一辅助层来填充所述沟槽；在第一辅助层中形成蚀刻通道，所述蚀刻通道使第二功能层部分暴露，其中，通过后续蚀刻去除第二功能层的子区域并且所述蚀刻通道在形成第三功能层之前由第三绝缘层封闭；其中，在蚀刻第三绝缘层时至少部分地去除第一辅助层。特别地，第三绝缘层的蚀刻通过蚀刻通道实现，其中，填充的沟槽和第三绝缘层作为蚀刻停止部起作用。在这个实施方式中，尤其使用从de102011 080978 a1中已知的方法，以
便在第二功能层中形成槽口，而如此产生的槽口在蚀刻时不在可运动的结构的下侧上产生缺陷。关于用于实施所述方法的其他细节，在此参阅de102011 080978 a1。
19.根据一个优选的实施方式，在蚀刻时如此去除第一绝缘层和第二绝缘层的子区域，使得第一绝缘层的保留的子区域形成用于第一功能层的第一绝缘部段的基座结构并且第二绝缘层的保留的子区域形成用于第二功能层的部段的基座结构。以类似的方式，也能够如此去除第一和第二绝缘层的子区域，使得分别产生用于第一或第二功能层的第一部段的基座结构并且类似地形成用于两个功能层的第二部段的基座结构。
20.根据另一优选的实施方式，通过第一功能层形成至少一个印制导线，和/或，通过第三功能层形成至少一个电极、尤其是探测电极。
21.本发明的另一主题是一种微机电结构，所述微机电结构具有衬底以及第一、第二和第三功能层，其中，第三功能层具有结构化的横向区域，所述结构化的横向区域形成可运动的结构，其中，第一和第二功能层分别具有横向区域，所述横向区域布置在第三功能层的结构化的横向区域下方并且相应于结构化的横向区域的垂直投影；其中，第一功能层的布置在第一功能层的横向区域中的所有槽口通过窄的沟槽形成，所述沟槽的宽度小于第一与第三功能层之间的垂直距离的两倍，其中，第一功能层在横向区域中具有至少一个电绝缘部段，所述电绝缘部段通过沟槽与第一功能层的剩余部分分开。根据本发明的结构尤其能够借助根据本发明的方法的实施方式来制造，并且，关于所述方法示出的优点和实施方式直接转移到根据本发明的微机电结构上。特别地，第二功能层能够具有至少一个第一和第二部段，其中，这两个部段彼此电绝缘，其中，第一功能层具有第一和第二电绝缘部段，所述第一和第二电绝缘部段通过沟槽彼此分开并且与第一功能层的剩余部分分开，其中，第一功能层的第一部段布置在第二功能层的第一部段下方并且第一功能层的第二部段布置在第二功能层的第二部段下方。
22.其他有利的实施方式从附图和相关描述中得出。
附图说明
23.图1示意性示出从现有技术中已知的微机电结构。
24.图2示意性示出从现有技术中已知的具有罩的微机电结构。
25.图3示出微机电结构，该微机电结构的第一功能层已经借助从现有技术中已知的方法进行结构化。
26.图4a和4b示出在结构化第一功能层的情况下在从现有技术中已知的方法中出现的问题。
27.图5示意性示出根据本发明的微机电结构的一个实施方式。
28.图6示意性示出根据本发明的微机电结构的另一实施方式。
29.图7示意性示出根据本发明的、具有屏蔽结构的微机电结构的一个实施方式。
30.图8示意性示出根据本发明的、具有屏蔽结构的微机电结构的另一实施方式。
具体实施方式
31.图1示出现有技术中的微机电结构4
‘
。该结构通过衬底30上的层序列形成，其中，最上层通过由硅制成的厚的功能层形成，所述功能层通过产生具有高纵横比的沟槽2(参见
de 4241 045 c1)而构造成可运动的硅结构1。紧邻其下方的层通过蚀刻被去除，从而可运动的结构1通过如此产生的自由空间3被暴露(参见de4317274 a1)并且相对于衬垫可自由运动。在可运动的结构1下方，在衬底30上布置薄的埋置的多晶硅层5，所述多晶硅层通过绝缘层35
‘
与衬底30分开。该功能层5在此能够用作用于可运动的或者固定的硅结构的悬挂件6，或者用作在可运动的结构1下方的电极7。
32.借以结构化功能层5的槽口现在导致不利的影响，即在该位置上在蚀刻时在可运动的结构1的下侧上产生局部的形貌缺陷11(在此，基于在产生缺陷11的部件6与7之间的槽口示出)。当可运动的结构1扫过电极面7的边缘时，在可运动的结构1与固定的对应电极7之间的电容由于在可运动的结构11的下侧上的形貌11而发生变化。与此相关的干扰信号使真正的测量信号失真并且因此应当不惜一切代价避免。
33.在图2中，所描绘的微机电结构4
‘
借助罩9以密封的方式受到保护。罩晶片9能够借助不同的键合方法来施加到传感器晶片上，其中，在罩9中通常设置有腔10。在衬底30上方的第一功能层5在该实施方式中构造为印制导线8。
34.图3示出结构化布置在可运动的结构1下方的层的另一可能性。第一埋置层在此仅用作印制导线13。第二埋置多晶硅层14的子区域能够用作朝向可运动的结构1的对应电极面29、用作用于可运动的结构1的悬挂件和电势供应件、用作印制导线并且也用作屏蔽件，以便屏蔽在可运动的结构1与第一埋置多晶硅层中的印制导线13之间的电势。在第一埋置层中的、布置在对应电极29下方的槽口28在此已经借助de102011 080978 a1中的方法形成。在该位置上，在电极29与衬底30之间潜在地可能出现相对较高的寄生电容，然而在此有针对性地利用如下事实：在子区域28中，第二埋置多晶硅层14至衬底30的距离15非常大，从而寄生电容仅为很小。
35.在图4a和4b中示出de102011 080978 a1中的方法的缺点：所述方法的双重应用(即，单独地用于两个功能层)不可能是不受限的。在这种方法中产生在图4a中示出的空腔12，所述空腔极大地加速在这些区域中的蚀刻。为了在第二埋置多晶硅平面中产生具有低寄生电容的电极面17，在边缘区域16中必须总是设置第一埋置多晶硅层，从而在牺牲层蚀刻中并非整个电极面17都受到掏蚀。在第一埋置多晶层中的边缘结构16现在由于其较小的距离而提高电极面17的寄生电容。这虽然能够通过将边缘区域16选择为尽可能窄的来避免，然而，由此产生如下风险：在牺牲层蚀刻中存在波动的情况下整个电极面17都受到掏蚀，如其示例性地在图4b中示出的那样。
36.在图5中描绘根据本发明的微机电结构4的一个实施方式。在衬底30上的层序列由第一绝缘层31、第一功能层41、第二绝缘层32、第二功能层42、(在此已经去除的)绝缘层33和第三功能层43组成。第三功能层43的横向区域25构造成可运动的结构1。为了在蚀刻时避免在可运动的结构1的下侧上的形貌缺陷11，在位于其下方的层中应用确定的构型原则以减少这种影响。在此，只有如下那些层区域能够影响可运动的结构1的下侧的结构：这些层区域垂直布置在可运动的结构1下方，并且这些层区域在几何形状上相应于结构化的横向区域25在相应层上的垂直投影。相应的区域称为相关层的横向区域。根据本发明设置，在第一功能层41的横向区域中的槽口18由窄的沟槽18形成，所述沟槽的宽度22小于第一与第三功能层41、43之间的距离15的两倍。此外，在第一功能层41的横向区域15中设置电绝缘部段19，所述电绝缘部段通过沟槽18与第一功能层41的剩余部分分开并且以这种方式形成具有
浮动电势的“虚拟面”。在所示出的实施方式中，还在蚀刻时如此去除第一和第二绝缘层31、32的子区域，使得第一绝缘层31的保留的子区域23形成用于第一功能层41的第一绝缘部段19的基座结构23并且第二绝缘层32的保留的子区域23
‘
形成用于第二功能层42的部段20的基座结构23
‘
。
37.在图6中，电极具有两个分开的、位于不同电势上的部段20、20
‘
。第一功能层41根据这些电势进行分段并且相应地分成两个部段19、19
‘
。
38.在图7中，功能层41在横向区域中具有屏蔽部段21，所述屏蔽部段通过沟槽18与第一功能层41的剩余部分分开。屏蔽部段21在此布置在第二功能层42的槽口26下方并且与第二功能层42的至少一个部段20导电连接。屏蔽部段21在此形成护罩结构，所述护罩结构覆盖开口26并且位于限定的电势上，从而确保朝向衬底30的屏蔽。
39.对于在第二功能层42中的窄的开口来说，如在图8中示出的那样，如下屏蔽部段21、21
‘
是有利的：所述屏蔽部段对称地布置在两侧上并且因此实现朝向衬底30的、具有低寄生电容的、特别窄的护罩结构。在此，第一屏蔽部段21与第二功能层42的第一部段20导电连接，并且第二屏蔽部段20
‘
与第二功能层42的第二部段20
‘
导电连接。