专利名称：带有mems结构和具有确定截面的被填充的隔离沟槽的soi圆片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种隔离沟槽结构(权利要求1)以及被填充的隔离沟槽结构的制造(权利要求11)，该隔离沟槽结构用于与具有MEMS结构和电路单元的、由SOI圆片(在绝缘圆片上的硅)构成的有源硅层的区域介电地绝缘，其中被填充的隔离沟槽结构至少也部分地构造在具有有源传感器结构(Sensorstruktur)的凹槽或空穴(Gruben)上和/或内部。
被填充的隔离沟槽的一种广泛的使用领域是基于SOI圆片的CMOS电路的介电绝缘。在专利US-A6,229,194中描述了一种这样的应用。因为这里不应实现具有带有源传感器结构的空穴的MEMS元件，所以被填充的隔离沟槽可以被构造为封闭的多边形用于介电绝缘，这样被填充的隔离沟槽不在没有硅的区域中、即在凹槽中终止。
此外，在现有技术中，被填充的隔离沟槽为了在单晶硅中的集成电路而被实现(见2003 001 5764 A1)并且它们可以被用于节省位置地将扩散区分离。在此，不一定需要实现封闭的多边形面貌，因为不能实现绝对的介电绝缘。
在专利US-A5,448,102中描述了一种用于在与被填充的隔离沟槽的连接中降低应力(Stressreduzierung)的方法，该方法不但被应用于单晶Si-片，而且也应用于SOI圆片。在这种应用中，仅仅使用具有封闭的多边形形状的隔离沟槽。在凹槽或空穴中终止的隔离沟槽、如在承载MEMS结构的SOI半导体结构中经常遇见的那样，在该文献中也未被示出，如在前面的文献中那样。
在不同的基于SOI圆片的MEMS工艺中，具有有源传感器结构的凹槽或空穴与隔离沟槽一同在单个的刻蚀步骤中被制造，如在US-A6,117,701中所描述的那样。在这种情况中，沟槽的填充是不可能的，因为否则传感器结构也将被填充。
由此本发明的任务在于，说明一种技术，在该技术中可以实现用于隔离半导体区域的被填充的隔离结构，当这些隔离结构在凹槽中终止或穿过这些凹槽延伸时，这些隔离结构也具有足够高的绝缘强度，传感器结构可被设置在这些凹槽中。
根据本发明，该任务在本发明的一个方面通过SOI-半导体结构解决，其中该结构具有一个第一区域和一个第二区域以及一个隔离结构，该隔离结构在第一和第二区域之间被构造为用于将第一区域与第二区域介电隔离的隔离沟槽。此外，该隔离结构被这样构造，即该隔离结构至少侧向按段地向下被加宽。
由此，本发明涉及被填充的隔离沟槽的构型，其中根据本发明的SOI半导体结构可以作为出发基础，以便由此针对这种情况、即隔离结构存在于有源传感器结构构造在其中的空穴或凹槽中或在那里终止或者穿过该凹槽的情况，将特别是在没有硅的区域中(空穴或者凹槽)的过渡区域在实现结合以在SOI圆片上的电路单元的MEMS结构时进行足够地隔离。该隔离结构具有的任务是，将这种MEMS结构的相邻的硅区域彼此介电地隔离。在此，在待形成的凹槽中终止的被填充的隔离结构是一个特色。在用于容纳有源传感器结构的凹槽或空穴的区域中，隔离结构在一个相应短的段上从周围的硅中被刻蚀露出(frei geitzt)。为了实现高程度的绝缘，在此重要的是，将周围的硅尽可能完全地去除，以防止未被完全去除的、导电的硅区域形式的、特别是薄条形式的可能导电的连接。
该目的通过本发明的隔离结构的造型解决。由此，可以在与电路结构结合的、在SOI圆片上的MEMS结构的实现时，通过该隔离结构的相应的构型或者其与没有硅的区域相邻地设置的端部区域的构型来实现在横向上与相邻的硅区域的(几乎)完全的绝缘。
由此，本发明的SOI半导体结构能够实现，在隔离结构到凹槽或空穴中的过渡时，与迄今公知的隔离沟槽工艺的使用不同，该隔离结构被完全地露出。在公知的隔离沟槽工艺中有这样的缺点，即在被露出的沟槽填充物或隔离结构的底座区域(Fussbereich)中，在其壁上留有或多或少的宽的导电的硅条，这样在相邻的并且待绝缘的硅区域之间几乎不能防止导电连接。
本发明的SOI半导体结构具有的优点是，该结构可以用于制造MEMS结构，而不必在元件制造时插入附加的方法步骤。该隔离结构的、通过在硅刻蚀时的相应的方法实现的特别的几何结构改善了在随后的、在其间可制造硅层中的凹槽的硅刻蚀时的刻蚀特性，其中该刻蚀过程涉及隔离结构的至少一部分，并且由于向下变宽的几何结构，在隔离结构的底座区域也提供了改善的刻蚀特性，这样硅基本上可以被完全地去除。即由于向下变宽的、可以被称为A形的形状，可以由此基本上防止出现不期望的导电的硅条，因为当在构造空穴或凹槽的情况下硅被相对于隔离结构选择性地刻蚀时，隔离结构的侧壁的倾斜改善了在侧壁上的刻蚀作用。
在另一种实施形式中，隔离结构在凹槽中终止、伸入到该凹槽中或穿过凹槽。由于本发明的隔离沟槽几何结构，可以在所形成的凹槽内实现隔离结构的任意所期望的布置，而不会由于硅残余而在绝缘强度(Isolationsfestigkeit)方面出现损害。
在另一种构造中，隔离结构以持续的方式向下变宽。隔离结构宽度的该持续的增大可以通过合适的刻蚀方法在制造相应的沟槽时在有源硅层中实现。
在另一种有利的实施形式中，隔离结构这样地以介电材料填充，使得至少在隔离结构的区域中，在隔离结构的内部形成空腔。该可以用于在沟槽结构内部减小机械应力的空腔构型特别是在MEMS应用时具有很大的意义，这样总体上可以实现更好的部件特性。由于本发明的隔离结构几何结构，在隔离结构内部产生空腔可以以特别有效的方式在良好建立的沉积技术的基础上、例如在等离子体支持的CVD(化学气相沉积)的基础上实现，因为向下开口的槽宽在沉积时引起沟槽开口的提前封闭并且由此促使形成相应的空腔。
在另外的有利的实施形式中，隔离结构的具有确定长度的部分伸入到凹槽中，其中隔离结构的该部分可以直线地或弯角地或曲折形地在凹槽中延伸。由此，在为了容纳有源传感器元件而计划的凹槽或空穴内，几乎可以实现隔离结构的任意的几何构型，而不损害绝缘特性。
在另一种有利的实施形式中，除了空腔外隔离结构基本上仅仅由二氧化硅形成，其中该空腔可以被构造在该隔离结构中。由于二氧化硅与硅相联系的极其有利的特性，即例如这两种材料在良好建立的各向异性的刻蚀方法方面的突出的刻蚀选择性、在硅和二氧化硅之间的界面的高度的热稳定性以及类似特性能够实现在SOI-MEMS结构中制造非常可靠的隔离结构。
在另一种有利的实施形式中，隔离结构仅仅在从硅中刻蚀露出的凹槽中设计向下变宽的几何结构。通过这种方式，在有源硅层的、不位于凹槽附近的区域中，可以使用传统的隔离沟槽工艺，而不会由此损害在凹槽中的绝缘强度。
根据本发明的另一个方面，上述任务通过一种用于在SOI衬底的有源硅层中刻蚀凹槽的方法来解决。该方法包括在有源硅层中设置隔离沟槽的步骤，该隔离沟槽延伸直到被掩埋的绝缘层，并且至少在待形成的凹槽的区域中向下被加宽。此外，该方法还包括将硅选择性地各向异性地刻蚀直到被掩埋的绝缘层的步骤，以形成凹槽。
如前面已经示出的那样，由于根据本发明的沟槽几何结构，在刻蚀正面遇到被掩埋的绝缘层时，得到改善的刻蚀特性，使得在隔离结构的底座上也可靠地刻蚀硅，这样相应的、如在传统的技术中经常出现的硅残余被基本上完全地被避免了。
在另一种有利的扩展方案中，设置隔离沟槽包括在有源硅层中刻蚀一个具有多个侧壁的沟槽，这些侧壁至少在待形成的凹槽的区域中至少逐段地倾斜地延伸，并且此外设置隔离沟槽还包括以介电材料填充沟槽。由于沟槽几何结构，由于在借助等离子体支持的沉积方法的介电材料沉积时减少了充电效应(Aufladungseffekten)，所以也得到改善的填充特性。
此外，与隔离结构的可靠地一直构造到底部的侧壁相结合，这些侧壁的倾斜的构造在用于产生具有有源传感器结构的空穴的整个刻蚀过程期间，得到可靠的硅去除，这样由此特别是在隔离结构的底座上，以高的可靠性除去了硅。
优选的是，在沉积时，在具有向下增加的宽度的位置产生空腔。
在另外的有利的实施形式中，本发明针对具有MEMS结构、电路单元和被填充的隔离沟槽的SOI圆片，用于具有不同电位的电路部分的绝缘，其中这些隔离沟槽在没有硅的区域或空穴中终止、伸入它们中或穿过它们，其中传感器结构位于这些区域或空穴的范围中。在此，所述SOI圆片的特点在于，被填充的隔离沟槽的侧壁以这种方式被倾斜地构造，即隔离沟槽向下持续地变宽，即具有A形。
在另一种实施形式中，被填充的隔离沟槽的一个确定长的段在待刻蚀的空穴中钝地(stumpf)终止，其中该待刻蚀的空穴具有有源的传感器结构，由此，沟槽填充物的露出刻蚀(Freitzen)从沟槽填充物的两个纵向侧面以及从端面开始进行。
在另一种实施形式中，被填充的隔离沟槽在一个短的段中直线地延伸穿过具有有源传感器结构的待刻蚀的空穴，由此，沟槽填充物的自由刻蚀从两个侧面出发地进行，并且被填充的隔离沟槽在未被去除的硅区域中终止。
在另一种实施形式中，被填充的隔离沟槽在一个确定的段中弯角地或曲折地延伸穿过具有有源传感器结构的待刻蚀的空穴或凹槽，由此，沟槽填充物的自由刻蚀从两个侧面以及在一个或多个角上进行。
在另一种实施形式中，隔离沟槽仅仅以二氧化硅填充，由此，沟槽填充物可以在确定的区域中被完全地并且没有短路危险地去除。
在又另一种实施形式中，隔离沟槽仅仅在这些对于由硅中刻蚀露出的凹槽或空穴的区域有意义的区域中具有A形的截面，为了对要求保护的发明进行阐述和补充，另外的有利的实施形式从参照附图对例子的描述中可以看出。
图1是被填充的传统的隔离沟槽的端部的示意图，其中在被填充的隔离沟槽的一个短的段上，周围的硅被完全去除。
图2是被填充的本发明的隔离沟槽的端部的示意图，其中在被填充的隔离沟槽的一个短的段上，周围的硅被完全去除。
图3是沿着根据图2的被填充的隔离沟槽在至在硅中的凹槽的边界上的深度的示意性截面图。
图4是在与图3相同的示意性截面的方向上穿过被填充的绝缘沟槽的端部在伸入具有有源传感器结构的凹槽中的区域中得到的视图。
图5是该布局的一个区段的示意图，其中被填充的绝缘沟槽在具有有源传感器的凹槽或空穴中终止。
图6是该布局的一个区段的示意图，其中绝缘沟槽的填充物在具有有源传感器结构的被自由刻蚀出的空穴或凹槽中延续，并且在直的路径上穿过这些空穴或凹槽并且在一个硅区域中终止。
图7是该布局的一个区段的示意图，其中隔离沟槽的填充物作为由硅中被露出的沟槽填充物在一个弯曲(这里为直角地弯曲)的路径上穿过具有有源传感器结构的凹槽或空穴并且在一个硅区域中终止。
参照图1，这里首先再次示出SOI MEMS-结构，该结构按照传统的技术被制造。
图1示出了一种传统的方法，以便对通过本发明克服的缺点加以说明。在图1中示出了传统的隔离沟槽3a的填充物的露出的端部3，这样在被填充的隔离沟槽3a的延续部分中的一个短的段伸入具有有源的传感器结构(未被示出)的、没有硅的空穴或凹槽17中。该隔离沟槽3a或者说隔离结构的该短的段或端部3具有侧壁5、6和7，它们基本上垂直地构造，如这通过参考标号4表明的那样。侧壁5、6和7几乎完全地没有硅，然而在端部3的底座区域中，导电的硅残留物或条8留在填充物的侧壁的底部附近上，附着在被掩埋的氧化物上，并且通过这种方式可产生在待隔离的相邻的硅区域1和2之间的导电连接。
典型的是，在图1中所示的结构通过这种方式制造，其中首先在区域1和2之间刻蚀一个沟槽，并且接着以合适的介电材料、譬如二氧化硅填充。在此，特别是在沟槽的填充时，这典型地可以通过等离子体加强的化学气相沉积来进行，特别是在底部附近通过充电效应产生缺陷。此外在接下来的用于制造凹槽17的刻蚀中，由于壁4几乎是垂直的，在底部附近的硅的完全去除由于在等离子体刻蚀过程期间的充电效应而变得困难，使得导电的硅条8残留。
图2示出了一种相应的根据本发明的SOI半导体结构，其中第一区域1与第二区域2借助构造为隔离沟槽的隔离结构3a电绝缘。此外隔离结构3a还具有独立式(freistehenden)的延续3，该延续由此以确定的长度从周围的硅中被刻蚀露出。隔离结构3a的伸入到凹槽17中的延续或部分3具有侧壁5、6和7，其中特别是侧面的壁5和7这样地具有倾斜的、通过参考标号4a标识的走向，使得至少部分3向下变宽。此外，在图2中示出了，相应的内边缘或者说角10基本上完全没有硅并且由此不具有不期望的导电的硅条。在图2中由此清楚表明了，通过创造性的几何结构、即通过沟槽横截面的A形状，至少在部分3上周围的硅被完全地从侧壁5、6和7上除去。在该实施形式中，被填充的隔离沟槽3a和端部3的壁不是垂直的(4a)。通过这种方式，在边缘10的区域中实现了完全的露出刻蚀，这样保证了相邻的硅区域1和2的介电绝缘。
在图2中示出的SOI半导体结构可以通过这种方式制造，即实施一种合适的选择性刻蚀方法用于在区域1和2之间产生沟槽，其中例如使用相应地小的确定尺寸的刻蚀掩模并且其中在刻蚀过程中，各向异性的程度(Grad)例如通过控制在等离子体和衬底之间的偏压(Vorspannung)而相应的调整，使得出现在“各向同性”上递增的程度，该递增的程度导致相应的、沟槽的向下加宽的几何结构。接着，出现的沟槽可以通过良好建立的沉积技术、譬如等离子体支持的化学气相沉积来以二氧化硅填充，其中可出现相应的空腔，如在下面要描述的那样，以由此形成隔离结构3a。随后凹槽17通过相应的各向异性的选择性的刻蚀而形成，其中由于隔离沟槽3a的、或至少是部分3的根据本发明的几何结构，实现了在边缘10上的硅的相应的完全去除。
图3是根据在图2中的剖割线A-A的、在至空穴或凹槽17的边界上穿过隔离结构3a的截面。相邻的硅区域1和2彼此介电隔离。隔离结构3a具有留下的空腔11，该空腔向上密封地紧密封闭。由于隔离结构3a和部分3的倾斜延伸的、以4a表示的侧壁，所以在内边缘/角10的区域中不遗留有不期望的导电的硅条。此外，空腔11用于吸收相应的机械应力，使得在凹槽17中形成的有源传感器结构可以具有更有利的部件特性。
图4是穿过隔离结构3a的在刻蚀之后保留下来的端部3的截面，该端部伸入具有有源传感器结构的凹槽或空穴17中，其中剖割相应于在图2中的线A-A进行。箭头18代表一个各向异性的刻蚀过程，该刻蚀过程用于从周围的硅中刻蚀露出沟槽3a被填充的短隔离段3。相邻的硅区域1和2彼此电绝缘。隔离结构3a具有一个保留的空腔11，该空腔向上密封地紧密封闭。由于隔离结构3的端部3的倾斜的侧壁4a，所以在刻蚀之后没有硅残留物，并且产生没有不期望的导电的硅条的内边缘/角10的区域。
在通过箭头18示出的刻蚀过程期间，SOI衬底的一个相应的部分借助一个刻蚀掩模16被露出或被去除覆盖，使得在设定的区域上可以制造凹槽17。在硅表面15上开始的各向异性的刻蚀过程18将硅在箭头方向上向下去除，其中不会被刻蚀的区域通过刻蚀掩模16而被保护。由于侧壁4a的倾斜，在刻蚀过程18的进程中对隔离结构3a的侧壁进行连续的刻蚀作用，使得可能完全去除覆盖隔离结构3a的侧壁的硅。由此，周围的硅被可靠地去除，并且在该位置上基本上没有留有不期望的导电的硅条，如没有倾斜的侧壁通过主要是在刻蚀过程结束时在即将到达被掩埋的氧化物12的紧前面通过停止(Ausbleiben)或强烈延迟去除时的情况那样。在自由刻蚀中形成的、具有在硅中的有源传感器结构的凹槽或空穴17在垂直方向上在被掩埋的氧化物12上终止。其下是衬底13。
图5示意性地示出了具有相应的端部3的隔离结构3a的几何布置的俯视图，该端部直线地通入凹槽17中，其中隔离结构3a将相应的硅区域1和2彼此电绝缘。
图6示出了一种相应的布局，在该布局中，隔离结构3a几乎直线地穿过相应的凹槽17并且又通入也带有区域1和2的有源硅层中。
图7示出了一种相应的布置，其中隔离结构3直角地设置在凹槽17中，并且总是在有源硅层的相应的隔离结构3a中终止或者说相应的区域1和2彼此电绝缘。
在没有硅的区域(例如空穴和凹槽)中的被填充的绝缘装置、尤其是过渡区域的构型在实现MEMS结构时在SOI圆片上被实现，由此，保证了相邻的硅区域的可靠的介电绝缘。这种绝缘通过被填充的隔离沟槽来实现。在此重要的是，在具有有源的传感器结构的空穴中，沟槽填充物的由周围的硅中被刻蚀露出的底座区域没有导电的、未被完全去除的硅条。这通过隔离沟槽的侧凹(hinterschnittene)也就是说倾斜的壁实现，这样隔离沟槽向其底座区域变宽。附加地，在过渡区域中实现的沟槽填充物可以被容易地又去除。该工艺上的转换无需特别的附加的工序。
权利要求
1.SOI半导体结构，具有-一个第一区域(1)和一个第二区域(2)，-一个隔离结构(3a)，该隔离结构在该第一和第二区域(1，2)之间构造为隔离沟槽，用于将该第一区域(1)与该第二区域(2)电绝缘，-其中该隔离结构(3a)的至少一部分(3)向下变宽。
2.根据权利要求1的SOI半导体结构，该SOI半导体结构还包括一个具有传感器结构的凹槽(17)。
3.根据权利要求2的SOI半导体结构，其中，该隔离结构(3a，3)在该凹槽(17)上终止、伸入该凹槽(17)中或者穿过它。
4.根据权利要求1至3至少之一的SOI半导体结构，其中，该隔离结构(3a，3)向下持续地变宽。
5.根据权利要求1至4之一的SOI半导体结构，其中，该隔离结构(3a，3)这样地以介电材料填充，使得在该隔离结构(3a，3)内部至少按段地形成空腔(11)。
6.根据权利要求3的SOI半导体结构，其中，该隔离结构(3a)的一个具有确定的长度的部分(3)伸入该凹槽(17)中。
7.根据权利要求3的SOI半导体结构，其中，该隔离结构(3a)的一部分(3)直线地延伸穿过该凹槽(17)。
8.根据权利要求3的SOI半导体结构，其中，该隔离结构(3a)的一部分(3)弯角地或曲折形地穿过该凹槽(17)。
9.根据权利要求1至8至少之一的SOI半导体结构，其中，该隔离结构(3a，3)除了空腔(11)外都由二氧化硅构成。
10.根据权利要求2的SOI半导体结构，其中，该隔离结构(3a，3)基本上仅仅在该凹槽(11)中以及在该凹槽(11)上向下变宽。
11.用于在SOI衬底的有源硅层中刻蚀至少一个凹槽(17)的方法，该方法具有以下步骤-在该有源硅层中设置至少一个隔离沟槽(3a)，该隔离沟槽延伸直到一个被掩埋的绝缘层(12)，并且该隔离沟槽至少在该待形成的凹槽(17)的一个区域中向下被加宽，-将硅选择性地各向异性地刻蚀直到该被掩埋的绝缘层(12)，以便形成所述至少一个凹槽(17)。
12.根据权利要求11的方法，其中，该隔离沟槽的设置包括-在该有源硅层中刻蚀一个具有多个侧壁的沟槽，这些侧壁至少在该待形成的凹槽的区域中至少部分地倾斜地延伸，以及-以介电材料填充该沟槽。
13.根据权利要求12的方法，其中，所述填充这样进行，使得至少在具有向下增加的宽度的位置上形成一个空腔。
全文摘要
本发明涉及在SOI圆片上实现MEMS结构时构造被填充的绝缘装置，特别是在没有硅的空穴和凹槽中的过渡区域。应该保证相邻的硅区域的可靠的介电隔离。该隔离通过被填充的隔离沟槽(17)来实现。在具有有源传感器结构的空穴中，沟槽填充物的由周围的硅中被刻蚀露出的端部没有导电的、未完全去除的硅条。这通过隔离沟槽(17)的底切的壁实现。附加地，应该能够容易地再去除在过渡区域中的沟槽填充物。该工艺上的转换无需特别的附加的工序。
文档编号H01L21/762GK1981373SQ200580014710
公开日2007年6月13日 申请日期2005年5月6日 优先权日2004年5月8日
发明者卡尔海因茨·弗赖瓦尔德, 吉斯贝特·赫尔策 申请人:X-Fab半导体制造股份公司