JP2010098518A - Ｍｅｍｓセンサの製造方法およびｍｅｍｓセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】非金属材料からなる保護膜の不所望なエッチングを防止することができる、ＭＥＭＳセンサの製造方法およびＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】シリコンウエハＷの一方面上に、第１犠牲層２４、ダイヤフラム６、第２犠牲層２５、バックプレート８および保護膜１０が形成される。保護膜１０の材料にポリイミドが用いられ、第２犠牲層２５の材料にＡｌが用いられる。そして、保護膜１０に、バックプレート８の孔９と連通する孔１３が形成される。また、保護膜１０におけるバックプレート８の周囲に、孔１４が形成される。そして、保護膜１０の内側に孔９，１３，１４を通して塩素系ガスが供給されることにより、第２犠牲層２５が除去される。
【選択図】図２Ｈ

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造される各種センサ（ＭＥＭＳセンサ）およびその製造方法に関する。

最近、ＭＥＭＳセンサが携帯電話機などに搭載され始めたことから、ＭＥＭＳセンサの注目度が急激に高まっている。ＭＥＭＳセンサの代表的なものとして、たとえば、シリコンマイク（Ｓｉマイク）がある。
シリコンマイクは、シリコン基板を備えている。シリコン基板の中央部には、それを厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。シリコン基板上には、貫通孔と対向する位置に、ポリシリコンからなるダイヤフラムが配置されている。ダイヤフラムは、シリコン基板から浮いた状態（シリコン基板の表面に対して微小な間隔を空けた状態）に設けられることにより、シリコン基板の表面と対向する方向に振動可能とされている。ダイヤフラムに対してシリコン基板と反対側には、ポリシリコンからなるバックプレートが配置されている。バックプレートは、ダイヤフラムに対して微小な間隔を空けて対向している。バックプレートの表面は、ＳｉＮ（窒化シリコン）からなる保護膜により被覆されている。

ダイヤフラムおよびバックプレートは、それらを対向電極とするコンデンサを形成する。そして、そのコンデンサに所定の電圧が印加された状態で、音圧（音波）によりダイヤフラムが振動すると、コンデンサの静電容量が変化し、その静電容量の変化によるダイヤフラムおよびバックプレート間の電圧変動が音声信号として出力される。
このようなシリコンマイクの製造工程では、シリコン基板上に下犠牲層が形成され、その下犠牲層上にダイヤフラムが形成される。その後、上犠牲層がダイヤフラムの表面全域を被覆するように形成され、その上犠牲層上にバックプレートが形成される。バックプレートの形成後、保護膜が上犠牲層およびバックプレートの表面の全域を被覆するように形成される。そして、保護膜に貫通孔が形成された後、その貫通孔から保護膜の内側にエッチャントが供給され、下犠牲層および上犠牲層が除去される。これにより、ダイヤフラムがシリコン基板の表面から浮いた状態になるとともに、ダイヤフラムとバックプレートとの間に微小な間隔の空間が形成される。
特表２００１−５１８２４６号公報

下犠牲層および上犠牲層と保護膜などとのエッチング選択比を考慮して、一般的には、下犠牲層および上犠牲層の材料にＳｉＯ₂（酸化シリコン）が用いられ、エッチャントにＨＦ（フッ酸）が用いられる。しかしながら、下犠牲層および上犠牲層が除去されるまで比較的長い時間（たとえば、２０〜３０分間）を要し、その長い時間にわたって保護膜もフッ酸に曝されるため、保護膜がエッチングされてしまうという問題があった。

そこで、本発明の目的は、非金属材料からなる保護膜の不所望なエッチングを防止することができる、ＭＥＭＳセンサの製造方法およびＭＥＭＳセンサを提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、基板の一方面上に第１犠牲層を形成する工程と、前記第１犠牲層上に下電極を形成する工程と、前記第１犠牲層上に前記下電極を覆うように金属材料からなる第２犠牲層を形成する工程と、前記第２犠牲層上に金属材料からなる上電極を形成する工程と、前記基板上に前記第１犠牲層、第２犠牲層および前記上電極を一括して覆うように非金属材料からなる保護膜を形成する工程と、前記保護膜に貫通孔を形成し、前記貫通孔を通して前記保護膜の内側にエッチャントを供給することにより、少なくとも前記第２犠牲層を除去する工程とを含む、ＭＥＭＳセンサの製造方法である。

この製造方法では、基板の一方面上に、第１犠牲層、下電極、第２犠牲層、上電極および非金属材料からなる保護膜がこの順に形成される。これにより、下電極が第２犠牲層により覆われ、第１犠牲層、第２犠牲層および上電極が保護膜により一括して覆われた状態となる。その後、保護膜に貫通孔が形成される。そして、保護膜の内側に貫通孔を通してエッチャントが供給され、少なくとも第２犠牲層が除去される。第１犠牲層は、第２犠牲層と同時または第２犠牲層の除去と前後して除去される。第１犠牲層の除去により、下電極は、基板から浮いた状態（基板との間に間隔を空けて対向した状態）となる。また、第２犠牲層の除去により、下電極と上電極との間に空間が形成され、下電極と上電極とが間隔を空けて対向した状態となる。その結果、基板の一方面上に下電極と上電極とが間隔を空けて対向配置され、上電極における下電極側と反対側の面が保護膜により被覆された構成のＭＥＭＳセンサが得られる。

保護膜の材料に非金属材料が用いられ、第２犠牲層の材料に金属材料が用いられる。そのため、第２犠牲層に対する保護膜のエッチング選択比を大きくすることが容易である。たとえば、請求項２に記載のように、第２犠牲層がＡｌ（アルミニウム）を含む金属材料からなり、請求項３に記載のように、保護膜が有機材料からなる場合、第２犠牲層のエッチングに用いられるエッチャントとして塩素系ガスを採用することにより、第２犠牲層に対する保護膜のエッチング選択比を大きくすることができる。その結果、第２犠牲層のエッチング時に、保護膜が塩素系ガスに長時間にわたって曝されても、保護膜がエッチングされることを防止できる。

なお、第１犠牲層が第２犠牲層と同じ材料からなる場合、同じエッチャントを用いて、第１犠牲層および第２犠牲層を同時に除去することができる。第１犠牲層が第２犠牲層の材料と異なる材料からなる場合、第２犠牲層の除去と前後して、第１犠牲層を除去可能なエッチャントが保護膜の内側に供給されることにより、第１犠牲層が除去される。
請求項４に記載のように、第２犠牲層は、スパッタ法により形成され、上電極は、第２犠牲層の形成に引き続いて、スパッタ法により形成されることが好ましい。第２犠牲層および上電極の両方が金属材料からなるので、スパッタ法により、それらを連続して形成することができる。これにより、ＭＥＭＳセンサの製造工程を簡素化することができる。

また、請求項５に記載のように、第２犠牲層は、Ｓｉ（シリコン）が混入された金属材料からなることが好ましい。この場合、第２犠牲層のエッチング時に、金属材料中の金属成分のみが除去され、Ｓｉが粒となって下電極上に残留する。下電極上に残留するＳｉの粒は、上電極と下電極との接触を防止するストッパとして機能する。したがって、上電極と下電極との接触防止のためのストッパを形成するための工程を別途必要としない。よって、ＭＥＭＳセンサの製造工程をさらに簡素化することができる。

請求項６に記載の発明は、基板と、前記基板の一方面に対して間隔を空けて対向配置された下電極と、前記下電極に対して前記基板と反対側に間隔を空けて対向配置された上電極と、前記上電極における前記下電極側と反対側の面を被覆する保護膜とを含み、前記上電極は、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＷ（チタンタングステン）、Ｃｒ（クロム）またはＷ（タングステン）からなる、ＭＥＭＳセンサである。

このＭＥＭＳセンサは、前記製造方法により製造することができる。そして、上電極がＴｉＮ、ＴｉＷ、ＣｒまたはＷからなるので、ＭＥＭＳセンサの製造時に形成される第２犠牲層の材料としてＡｌを含む金属材料を用いることができる。また、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ＣｒおよびＷは、比較的硬質な金属材料である。そのため、それらの金属材料が上電極の材料に用いられることにより、上電極に大きな強度が確保される。

請求項７に記載のように、保護膜の材料に有機材料が用いられてもよい。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るシリコンマイクの構造を示す模式的な断面図である。
シリコンマイク１は、ＭＥＭＳ技術により製造されるセンサ（ＭＥＭＳセンサ）である。シリコンマイク１は、シリコンからなる基板２を備えている。基板２の中央部には、表面（上面）側ほど窄まる（裏面側ほど広がる）断面台形状の貫通孔３が形成されている。

基板２上には、絶縁膜４および金属膜５が基板２側からこの順に積層されている。絶縁膜４は、たとえば、ＳｉＯ₂からなる。金属膜５は、たとえば、Ａｌからなる。絶縁膜４および金属膜５は、平面視で貫通孔３を含む領域上から除去されており、その領域では、基板２の表面が露出している。
そして、基板２の表面の露出している部分上には、円形薄膜状のダイヤフラム６が基板２の表面に対して微小な間隔を空けて設けられている。すなわち、ダイヤフラム６は、貫通孔３と対向し、基板２の表面における貫通孔３の周囲の部分から浮いた状態で配置されている。ダイヤフラム６の下面（基板２との対向面）には、ダイヤフラム６と基板２との密着を防止するための複数の下ストッパ７が形成されている。また、ダイヤフラム６には、図示しない支持部が一体的に形成されている。そして、支持部が絶縁膜４および金属膜５との間に挟持され、ダイヤフラム６は、その支持部により、基板２との対向方向に振動可能に支持されている。ダイヤフラム６および支持部は、たとえば、不純物のドープにより導電性が付与されたポリシリコン（ドープトポリシリコン）からなる。

ダイヤフラム６の上方には、バックプレート８が設けられている。バックプレート８は、ダイヤフラム６よりも小径な平面視円形状の外形を有し、ダイヤフラム６に対して間隔を空けて対向している。バックプレート８には、複数の孔９が形成されている。バックプレート８は、たとえば、ＴｉＮからなる。
シリコンマイク１の最表面は、保護膜１０により被覆されている。具体的には、保護膜１０は、絶縁膜４、金属膜５および基板２の表面を連続して被覆し、基板２の表面からダイヤフラム６の周囲をダイヤフラム６と間隔を有して取り囲むように立ち上がり、バックプレート８の上面（ダイヤフラム６側と反対側の面）を被覆している。これにより、基板２上には、保護膜１０により区画される空間１１が形成されており、この空間１１内に、ダイヤフラム６が基板２、バックプレート８および保護膜１０と非接触な状態で配置されている。

保護膜１０は、バックプレート８の一部の孔９に入り込んでいる。保護膜１０の孔９に入り込んだ部分１２は、孔９からバックプレート８の下面（ダイヤフラム６との対向面）よりも下方に突出し、ダイヤフラム６とバックプレート８との接触を防止するための上ストッパとして機能する。
保護膜１０には、保護膜１０が入り込んでいない孔９と対向する各位置に、孔１３が孔９と連通して形成されている。また、保護膜１０には、バックプレート８の周囲に、複数の孔１４が形成されている。これにより、保護膜１０の内側の空間１１は、貫通孔３を介して基板２の裏面側の外部と連通するとともに、孔９，１３，１４を介して基板２の表面側の外部と連通している。

保護膜１０は、たとえば、ポリイミドからなる。
ダイヤフラム６およびバックプレート８は、それらを対向電極とするコンデンサを形成している。このコンデンサ（ダイヤフラム６およびバックプレート８間）には、所定の電圧が印加される。その状態で、音圧（音波）によりダイヤフラム６が振動すると、コンデンサの静電容量が変化し、この静電容量の変化によるダイヤフラム６およびバックプレート８間の電圧変動が音声信号として取り出される（出力される）。

図２Ａ〜２Ｈは、図１に示すシリコンマイクの製造方法を説明するための模式的な断面図である。
まず、図２Ａに示すように、熱酸化法により、基板２の母体であるシリコンウエハＷの全面に、ＳｉＯ₂からなる酸化膜２１が形成される。以下では、シリコンウエハＷの表面に形成される酸化膜２１を表面酸化膜２１Ａとし、シリコンウエハＷの裏面に形成される酸化膜２１を裏面酸化膜２１Ｂとして区別する。

次に、図２Ｂに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、表面酸化膜２１Ａに、複数の凹部２２が形成される。具体的には、表面酸化膜２１Ａ上に、凹部２２が形成されるべき部分を選択的に露出させる開口を有するレジストパターンが形成される。そして、表面酸化膜２１Ａのレジストパターンから露出する部分（開口に臨む部分）が表面酸化膜２１Ａを貫通しない深さに掘り下げられることにより、複数の凹部２２が表面酸化膜２１Ａに形成される。レジストパターンは、凹部２２の形成後に除去される。

その後、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition：減圧化学気相成長）法により、表面酸化膜２１Ａ上に、ドープトポリシリコンが堆積される。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、表面酸化膜２１Ａ上のドープトポリシリコンの堆積層が選択的に除去される。これにより、図２Ｃに示すように、表面酸化膜２１Ａ上に、ダイヤフラム６が形成される。

次いで、図２Ｄに示すように、スパッタ法により、表面酸化膜２１Ａ上の全域に、Ａｌ膜２３が形成される。
Ａｌ膜２３の形成に引き続いて、図２Ｅに示すように、スパッタ法により、Ａｌ膜２３上に、ＴｉＮ膜が形成される。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ＴｉＮ膜がバックプレート８にパターニングされる。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、表面酸化膜２１ＡおよびＡｌ膜２３が選択的に除去される。これにより、表面酸化膜２１Ａが絶縁膜４と第１犠牲層２４とに分断され、Ａｌ膜２３が金属膜５および第２犠牲層２５に分断される。ダイヤフラム６は、第２犠牲層２５により覆われている。

その後、図２Ｆに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第２犠牲層２５に、複数の凹部２６が形成される。
次に、図２Ｇに示すように、絶縁膜４、金属膜５、第１犠牲層２４および第２犠牲層２５を一括して覆うようにポリイミド溶液が塗布され、これが硬化されることにより、保護膜１０が形成される。

次いで、図２Ｈに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、保護膜１０に孔１３，１４が形成されるとともに、バックプレート８の孔９から保護膜１０が除去される。また、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、裏面酸化膜２１Ｂに開口２７が形成され、この開口２７を介してシリコンウエハＷがエッチングされることにより、シリコンウエハＷに貫通孔３が形成される。

この後、エッチングにより、第１犠牲層２４および第２犠牲層２５が除去される。具体的には、ウエットエッチングのエッチャントとしてＨＦ（フッ酸）が用いられ、このＨＦが貫通孔３を通して保護膜１０の内側に供給されることにより、第１犠牲層２４が除去される。また、第１犠牲層２４の除去と前後して、ドライエッチングのエッチャントとして塩素系ガス（たとえば、ＢＣｌ₃（三塩化ホウ素））が用いられ、この塩素系ガスが孔９，１３，１４を通して保護膜１０の内側に供給されることにより、第２犠牲層２５が除去される。第１犠牲層２４および第２犠牲層２５の除去により、ダイヤフラム６がシリコンウエハＷから浮いた状態となる。また、ダイヤフラム６とバックプレート８との間に空間が形成される。そして、裏面酸化膜２１Ｂが除去され、シリコンウエハＷが基板２に切り分けられることにより、図１に示すシリコンマイク１が得られる。

以上のように、保護膜１０の材料にポリイミドが用いられ、第２犠牲層２５の材料にＡｌが用いられる。そのため、第２犠牲層２５を除去するためのエッチャントとして、塩素系ガスが用いられることにより、第２犠牲層２５に対する保護膜１０のエッチング選択比を大きく確保することができる。したがって、第２犠牲層２５のエッチング時に、保護膜１０が塩素系ガスに長時間にわたって曝されても、保護膜１０がエッチングされることを防止できる。

また、バックプレート８は、スパッタ法により、第２犠牲層２５の母体であるＡｌ膜２３の形成に引き続いて形成される。バックプレート８および第２犠牲層２５がともに金属材料からんるので、スパッタ法により、それらを連続して形成することができる。これにより、シリコンマイク１の製造工程を簡素化することができる。
なお、この実施形態では、第２犠牲層２５の材料にＡｌが採用された場合を例にとったが、たとえば、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）およびＣｏ（コバルト）など、Ａｌ以外の金属材料が第２犠牲層２５の材料に採用されてもよい。また、第２犠牲層２５の材料として、ＡｌおよびＣｕの合金材料などが採用されてもよい。

また、第２犠牲層２５の材料として、金属材料中にＳｉが混入された材料（たとえば、ＳｉがＡｌに対する混合比１％で混合された材料）が用いられてもよい。この場合、第２犠牲層２５のエッチング時に、金属材料中の金属成分のみが除去され、図１に破線で示すように、Ｓｉが粒３１となってダイヤフラム６上に残留する。ダイヤフラム６上に残留するＳｉの粒３１は、ダイヤフラム６とバックプレート８との接触を防止するストッパとして機能する。そのため、上ストッパ１２を省略することが可能となり、上ストッパ１２を形成するための凹部２６を形成する工程（図２Ｆに示す工程）を省略することができる。その結果、シリコンマイク１の製造工程を簡素化することができる。

さらにまた、第１犠牲層２４の母体である表面酸化膜２１Ａに代えて、たとえば、スパッタ法により、シリコンウエハＷの表面にＡｌなどの金属材料からなる薄膜が形成されてもよい。
また、バックプレート８の材料は、ＴｉＮに限らず、第１犠牲層２４および第２犠牲層２５に対するエッチング選択性および導電性を有する材料であればよい。このような材料として、たとえば、ＴｉＷ、ＣｒおよびＷを例示することができる。

また、保護膜１０の材料は、非金属材料であればよく、ポリイミド以外のポリアミドおよびポリパラキシレンなどの有機材料であってもよいし、ＳｉＮなどの無機材料であってもよい。
さらに、ＭＥＭＳセンサの一例として、シリコンマイク１を例にとったが、これに限らず、静電容量の変化量を検知して動作する圧力センサや加速度センサなどに本発明を適用することも可能である。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係るシリコンマイクの構造を示す模式的な断面図である。 図２Ａは、図１に示すシリコンマイクの製造方法を説明するための模式的な断面図である。 図２Ｂは、図２Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｃは、図２Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｄは、図２Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｅは、図２Ｄの次の工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｆは、図２Ｅの次の工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｇは、図２Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。 図２Ｈは、図２Ｇの次の工程を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１ シリコンマイク
２ 基板
６ ダイヤフラム（下電極）
８ バックプレート（上電極）
９ 孔（貫通孔）
１０ 保護膜
１３ 孔（貫通孔）
１４ 孔（貫通孔）
２４ 第１犠牲層
２５ 第２犠牲層
Ｗ シリコンウエハ

Claims (7)

1. 基板の一方面上に第１犠牲層を形成する工程と、
   前記第１犠牲層上に下電極を形成する工程と、
   前記第１犠牲層上に前記下電極を覆うように金属材料からなる第２犠牲層を形成する工程と、
   前記第２犠牲層上に金属材料からなる上電極を形成する工程と、
   前記基板上に前記第１犠牲層、第２犠牲層および前記上電極を一括して覆うように非金属材料からなる保護膜を形成する工程と、
   前記保護膜に貫通孔を形成し、前記貫通孔を通して前記保護膜の内側にエッチャントを供給することにより、少なくとも前記第２犠牲層を除去する工程とを含む、ＭＥＭＳセンサの製造方法。
2. 前記第２犠牲層は、Ａｌを含む金属材料からなる、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
3. 前記保護膜は、有機材料からなる、請求項１または２に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
4. 前記第２犠牲層は、スパッタ法により形成され、
   前記上電極は、前記第２犠牲層の形成に引き続いて、スパッタ法により形成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
5. 前記第２犠牲層は、Ｓｉが混入された金属材料からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
6. 基板と、
   前記基板の一方面に対して間隔を空けて対向配置された下電極と、
   前記下電極に対して前記基板と反対側に間隔を空けて対向配置された上電極と、
   前記上電極における前記下電極側と反対側の面を被覆する保護膜とを含み、
   前記上電極は、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ＣｒまたはＷからなる、ＭＥＭＳセンサ。
7. 前記保護膜は、有機材料からなる、請求項６に記載のＭＥＭＳセンサ。

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