专利名称：微机械半导体装置及制造微机械半导体装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有在一个空腔内形成一个膜片的微机械半导体装置，以及一种制造这样的微机械半导体装置的方法。
一种这样的微机械半导体装置例如是以一个半导体加速度传感器的形式被用于加速度测量。其中膜片与对应电极一起形成电容器，此时电容的变化被利用作为测量值。到目前为止已知的在传感器中的膜片通常是用弹簧拉紧的。然而在制造膜片过程中却导致了膜片中的应力，特别是膜片中的机械应力。在一个由于弹簧没有完全松弛的情况下膜片因此始终是弯曲的。此外，弹簧承受的力可能导致膜片在运行时的一个错误状态。为了保护这种传感器和它的机械稳定性，一般用一种多晶硅层构成的上部的密封片是借助于例如氮化物支柱支撑着的。密封片同样也可以由一种金属化层构成和用金属化支柱支撑的。在这种情况下为了构成传感器需要附加层。
本发明的任务是，提供一种在一开始叙述过的形式的微机械半导体装置，它是可以容易并且因而低成本地被制造的，并且同时在机械和物理特性方面得以获益。此外，还应建立一种制造这样的微机械半导体装置的方法。
此任务的解决，在装置方面是由权利要求1的特征，在方法方面是由权利要求8的特征完成的。
按照本发明的一个重要的思路是，膜片是由半导体装置的基片内的或在一个基片上安排的一个外延层序列内的一个结晶层形成的。为了制造微机械半导体装置并不需要使用半导体制造时常用的层以外的其它层；更多的是在一般的半导体元件中使用的标准工艺也可以被接受过来用于在微机械半导体装置中的一个空腔内制造一个膜片，在其中只必需加入或补充很少的工艺步骤。其优点是，整个微机械半导体装置只由一个组合在一起的结晶的半导体-基体材料制成，它或者是原始的基片或是在一个基片上安排的一个外延层序列。按照本发明原理膜片特别是由一个单晶硅层构成的。重要的优点除了容易制造以外，特别是使用一个几乎无应力的单晶层作为膜片，并且因而在机械和其它物理的特性方面得以获益。
在一个优异的实施形式中，膜片在边缘区支撑在一个支架上，并且用支撑在一个支座上的一个盖层覆盖上。支座和盖层在这里也被用作为侧边和上边的运动限制，它们以这种方法被安置在膜片的边缘，使膜片由机械应力的平衡运动成为可能。
在本发明的一个特别优异的实施形式中，支柱，膜片，支座，和盖层以这样的序列各自由基片内的一个结晶层或在基片上安排的一个外延层序列内制造的，此时在基片或外延层序列中的掺杂分布使结构得到调整，至少支柱和支座为一方面和膜片为另一方面被掺杂得非常不同，使得为了制造一个空腔借助于一个适当选择的腐蚀液可以将围绕膜片的层分区域地用湿化学腐蚀法腐蚀掉。调整掺杂分布可以或者随后由一次或多次高能量注入的工艺步骤，或者已经在淀积成不同的掺杂外延层时被达到。在一个优异的实施形式中基片的或外延层序列的先后连续的层被交替地或高或低地掺杂。与使用的腐蚀液相关地按照或者被掺杂的高的区域例如借助于一种HF-HNO3-CH3COOH-腐蚀液或者被掺杂的低的区域例如借助于一种KOH-腐蚀液按照一种湿化学裸露腐蚀法(Freiaetzverfahren)被去除掉。在这里被掺杂高和被掺杂低的区域之间的相应的湿腐蚀法的可选择性被充分利用，其中可选择性可以达到大约大于50∶1。
此外，在基片内或在外延层序列内的先后连续的区域是可以依次地在掺杂中是在一个p掺杂和一个n掺杂之间交替进行的，因而提供了先后连续层之间电隔离的优点。
在首先覆盖支柱层的膜片上最好安排腐蚀孔，它可以使腐蚀液进入位于下面的层。为了同样的目的盖层也可以安排相应的腐蚀孔，其中后者是为了形成一个完全封闭的空腔在以后的一个方法步骤中被重新封闭，最好借助于一种有流动性的玻璃层如BPSG或类似的材料。
微机械半导体装置在所有需要在空腔中具有膜片的微机械结构的领域中可以达到成功的应用。特别是按照本发明的微机械半导体装置可以被用作为半导体-加速度传感器或被用作为半导体-微型泵。
以下本发明借助图中表示的一个实施例被进一步地说明。示意图分别表示附
图1 通过在一个基片上安排的外延层序列的一个横截面示意图和相应的掺杂分布；附图2 一个微机械半导体装置接近制造方法结束时的一个示意截面视图；附图3 微机械半导体装置的一个示意顶视图；和附图4 通过在一个基片上安排的外延层序列的一个横截面示意图和按照本发明的一个另外的实施例的相应的掺杂分布。
用附图1至3示意的视图，在下面叙述按照本发明的一个优异的实施例的一个微机械半导体装置的制造。此时首先在最好是硅的一个单晶半导体基片1上，通过进行一个相应次数的高能注入步骤产生一个掺杂分布2。从半导体基片1的层表面3出发n+掺杂了以后形成为盖层的一个区域4，p掺杂了以后形成为一个支柱层以及支座层的区域5和6，n+掺杂了一个总厚度为d的膜片层7，和同样地半导体基片1的一个余留下来的区域8。在这里最好从一个n+掺杂的半导体基体8上只进行两次注入步骤区域5和区域6就被p掺杂。一个掺杂步骤在这里包括了被掺杂区的一个随后的再结晶高温处理和掺杂材料的激活。在附图1中表示的层序列的一种另外的制造方法中，可以由一个n+掺杂的单晶半导体衬底8出发按所希望的掺杂外延淀积其它各层6，7，5和4。在两种情况下均得到具有在附图1上表示的掺杂分布的一个单晶的层序列，从而在一个以后的方法步骤中通过湿化学腐蚀法被制造成在一个空腔9中安排的薄的膜片7。
按照附图2，随后在以后应产生膜片7电连接的接触引线上，用原本已知的光刻工艺-和腐蚀步骤制造一个接触孔11。随后在整个面上被淀积上一层最好是由氧化硅构成的绝缘层12和为了除掉位于接触孔11底面上的材料进行反腐蚀。在下一个步骤中借助于另外一次的光刻工艺使绝缘层12结构化，也就是说安排开口13，它们在一个随后的各向异性的干法刻蚀步骤中被构成在层4，5和7上。在随后的湿-化学腐蚀步骤中这些刻蚀开口允许腐蚀的进入和因而通过层5和6的各向同性的腐蚀形成空腔9。在对低掺杂区5和6腐蚀时为此目的，例如适合于使用一种KOH腐蚀液，它相对于高掺杂区4，7，和1有足够的选择性，它们不应或者在任何情况下均不应被明显地腐蚀。
在制造完空腔9内的膜片7以后，在绝缘层12构成的盖层区域内的不再需要的孔13，用一种氧化物或硼磷硅玻璃(BPSG)覆盖和密封。在一个适当的地方腐蚀一个另外的接触孔14和通过这个孔一个金属接触15被引入到位于下面的导电层4上。现在传感器可以通过膜片7和n+掺杂层4之间按照规定变化的电容工作。
在附图3上表示了传感器的一个顶视图，其中虚线表示由支柱层6决定的外部尺寸。支座层5一方面覆盖着膜片7的边缘区和另一方面覆盖着右下边表示的膜片7的凸肩16，在其中也安排了接触孔11。在膜片7的中央部分安排了腐蚀孔13，它被用作为，为了制造围绕膜片7周围区域的空腔时腐蚀液的导入。
附图4表示了按照本发明的具有在一个空腔内构成一个膜片7的微机械半导体装置的一个另外的实施形式，其中从一个低的p掺杂的硅基体8出发构成具有高的n+被掺杂层5和6的一个可选择的掺杂分布。对于高掺杂区5和6的湿化学腐蚀适合于使用一种相对于低的p掺杂的膜片层7选择性的例如由HF-HNO3-CH3COOH组成的腐蚀液。
权利要求
1.具有一个在一个空腔(9)内构成的膜片(7)的微机械半导体装置，其特征为，膜片(7)是由半导体装置的基片(1)内的或在一个基片(1)上安排的一个外延层序列内的一个结晶层构成的。
2.按照权利要求1的半导体装置，其特征为，膜片(7)是由一个单晶硅层构成的。
3.按照权利要求1或2的半导体装置，其特征为，膜片(7)在边缘区是支撑在一个支柱(6)上的，和由一个在一个支座(5)上支撑的盖层(4)覆盖着的。
4.按照权利要求3的半导体装置，其特征为，支柱(6)和支座(5)为一方面和膜片(7)为另一方面是用对一种预先规定的温化学腐蚀剂有不同的腐蚀速率的材料制造的。
5.按照权利要求3或4的半导体装置，其特征为，支柱(6)和支座(5)为一方面和膜片(7)为另一方面是由不同掺杂的材料构成的。
6.按照上述权利要求之一的半导体装置，其特征为，膜片(7)被安排有腐蚀孔(13)。
7.按照上述权利要求之一的半导体装置，其特征为，支柱(6)以及支座(5)被安排在膜片(7)的整个周围区域。
8.制造一个微机械半导体装置，特别是一个微电子集成的传感器装置的方法，在其中在一个空腔(9)内被构成一个膜片(7)，其特征为，膜片(7)是由在半导体装置的一个基片(1)内的或在一个基片(1)上安排的一个外延层序列内的一个结晶层构成的。
9.按照权利要求8的方法，其特征为，膜片(7)是由一个单晶硅层构成的。
10.按照权利要求8或9的方法，其特征为，膜片(7)在边缘区是支撑在一个支柱(6)上的，并且是由一个支撑在支座(5)上的一个盖层(4)覆盖着的。
11.按照权利要求10的方法，其特征为，支柱(6)和支座(5)为一方面和膜片(7)为另一方面是由对一个预先规定的湿化学腐蚀剂有不同的腐蚀速率的材料制造的。
12.按照权利要求10或11的方法，其特征为，对于支柱(6)和支座(5)为一方面和膜片(7)为另一方面的材料是被不同地掺杂的。
13.按照上述权利要求之一的方法，其特征为，膜片(7)被安排有腐蚀孔(13)。
14.按照上述权利要求之一的方法，其特征为，支柱或支座(5)被安排在膜片(7)的整个周围区域。
15.按照上述权利要求之一的方法，其特征为，在一个具有一个支柱层(6)，膜片层(7)和支座层(5)的由各个单晶层组成的层序列中，制成支柱层(6)，膜片层(7)和支座层(5)的交替的或变化的掺杂的掺杂分布，并且支柱层(6)和支座层(5)借助于一种相对于膜片(7)具有选择性的腐蚀剂，至少是分区域地用湿化学法腐蚀。
全文摘要
本发明涉及具有在一个空腔(9)内构成一个膜片(7)的一种微机械半导体装置。膜片(7)是由在半导体装置上的一个基片(1)内的或在一个基片(1)上安排的外延层序列内的一个结晶层构成的。膜片(7)的边缘区域是支撑在一个支柱(6)上的,和由支撑在一个支座(5)上的一个盖层(4)覆盖着的。支柱(6)和支座(5)为一方面和膜片(7)为另一方面,是用对一种预先规定的湿法化学腐蚀剂有不同的腐蚀速率的材料制造的,并且最好是用不同的掺杂材料构成的。
文档编号H01L21/306GK1243576SQ98801650
公开日2000年2月2日 申请日期1998年1月5日 优先权日1997年1月3日
发明者K·米勒, S·科尔布 申请人:西门子公司