CN101108720A - 微机电装置以及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于：通过相同的工序，将微机电装置包括的微结构和电路制造在相同的绝缘表面上。本发明的微机电装置集成有在具有绝缘表面的衬底上包括晶体管的电路和微结构。微结构包括具有与晶体管的栅绝缘层以及在栅绝缘层上设计的半导体层的叠层体相同的叠层结构的结构层。就是说，结构层包括由与栅绝缘层相同的绝缘膜形成的层，并且还包括与晶体管的半导体层相同的半导体膜形成的层。进而，微结构通过将用于晶体管的栅电极、源电极、漏电极的导电层用作牺牲层来制造。

Description

微机电装置以及其制造方法
技术领域
本发明涉及形成在绝缘衬底上的微机电装置(微机电系统)。特别涉及微机电装置的微机械结构以及其制造方法。
背景技术
近年来，对称为MEMS的微机械系统的研究已取得了进展。MEMS是Micro Electro Mechanical System的缩写，被翻译成微机电装置、微机电系统等。此外，在日本有时被称为微机械，而在欧洲等有时被称为MST(Micro System Technology；微系统技术)。在本说明书中，MEMS写为微机械或微机电装置。MEMS是指组合由“具有立体结构的可移动微结构”构成的微细的机械部、和控制机械部的“具有半导体元件的电路”而成的电子器件。此外，MEMS有时简单地被称为微机械。
由于MEMS可以通过电路来控制自身的微结构，所以期待能够构造不是如利用计算机的常规装置那样的中央处理控制类型，而是自主分散型的系统。例如，使用MEMS来实现如下工作，即通过电路处理由传感器获得了的信息，然后按照处理信息驱动致动器等。
对于微机械正在进行很多研究。例如，在专利文献1中，制造过程以不能使晶圆制造及塑料装配(plastic assembly)设备兼容这样的情况为课题提出改良式MEMS晶圆级封装。在专利文献2中有如下记载，即通过控制激光照射，构成微结构的层产生优选的机械特性。
然而，如在专利文献1中所述那样，构成微机械的微结构采用使用硅片的制造半导体元件的过程来制造。尤其是，为了获得具有为制造微结构而需要的充分的厚度和强度的材料，在实际被使用的微机械中主要是使用硅片制造的微机械。此外，在专利文献2中只记载有作为微结构的悬臂，对于集成化微结构和电路都没有任何记载。
[专利文献1]特开2001-144117号公报
[专利文献2]特开2004-1201号公报
发明内容
本发明的课题是提供将微结构和控制微结构的电路集成在相同的衬底上的微机电装置、及其制造方法。
本发明涉及一种微机电装置在绝缘表面上包括微结构和用于控制微结构的电路。电路电连接到微结构并具有晶体管。微结构至少包括不固定到衬底上的结构层、以及其一部分固定到衬底上的结构层。结构层的一部分固定到衬底上的情况是指一部分还包括不固定到衬底上的部分的情况。换言之，通过结构层的一部分固定到衬底上，衬底和结构层的其他一部分之间形成有空间。构成微结构的结构层的至少一个从衬底完全离开，并且通过被固定到衬底上的其他结构层来限制可移动范围。例如，将从衬底完全分离了的结构层作为转子，并且通过将成为该转子的旋转轴的结构层固定到衬底上而形成，从而成为转子的结构层被成为旋转轴的结构层等限制可移动范围。
在本发明的微机电装置中，微结构包括具有与晶体管的栅绝缘层和半导体层的叠层结构相同的叠层结构的层作为第一及第二结构层。换言之，微结构包括一种结构层，该结构层包括由与栅绝缘层相同的绝缘膜形成的层以及由与晶体管的半导体层相同的半导体膜形成的层。
此外，本发明的微机电装置之一将包含在微结构的半导体层成为多层结构，并且使层的结晶结构不同。由此因为各个层互相补充其缺点，所以可以抑制微结构的破坏。
此外，本发明的微机电装置之一将如硅化物的半导体和金属化合物包含在微结构的结构层中。因此可以使结构层的强度比多晶硅的高，而且还可以提高导电性。
此外，本发明的微机电装置的制造方法之一为了在微结构中提供可移动的部分，将由与栅电极相同的膜形成的层用于成为牺牲层的层。
因为本发明的微机电装置在相同绝缘表面上一体形成有微结构、以及控制微结构的电路，所以电路和微结构的连接部分的机械强度高，从而不容易发生连接缺陷。此外，可以通过采用本发明的微机电装置的制造方法来提供一种微机电装置，该微机电装置在相同绝缘层上通过相同的工序一体形成微结构和控制微结构的电路。换言之，没有如在制造电路之后制造微结构、或者在制造微结构之后制造电路这样的工序的分离。因此使制造方法简单，其结果实现微机电装置的低成本化。
附图说明
图1A和1B是用于说明本发明的微机电装置的结构例子的图，其中1A是微机电装置的截面图，而1B是微结构的俯视图(实施方式1)。
图2A至2E是用于说明本发明的微机电装置的制造方法的截面图(实施方式1)。
图3A和3B是用于说明本发明的微机电装置的制造方法的截面图(实施方式1)。
图4是制造过程中的微结构的俯视图，并且是第一导电层(第一牺牲层)的俯视图(实施方式1)。
图5是制造过程中的微结构的俯视图，并且是图2C所图示的微结构的俯视图(实施方式1)。
图6A和6B是用于说明本发明的微机电装置的结构例子的图，其中6A是微机电装置的截面图，而6B是微结构的俯视图(实施方式2)。
图7A至7E是用于说明本发明的微机电装置的制造方法的截面图(实施方式2)。
图8A至8C是用于说明本发明的微机电装置的制造方法的截面图(实施方式2)。
图9是制造过程中的微结构的俯视图，并且是第一导电层(第一牺牲层)的俯视图(实施方式2)。
图10A和10B是用于说明本发明的微机电装置的结构例子的图，其中10A是微机电装置的截面图，而10B是微结构的俯视图(实施方式3)。
图11A至11E是用于说明本发明的微机电装置的制造方法的截面图(实施方式3)。
图12A至12C是用于说明本发明的微机电装置的制造方法的截面图(实施方式3)。
图13是制造过程中的微结构的俯视图，并且是第一导电层(第一牺牲层)的俯视图(实施方式3)。
图14是本发明的微结构的外观透视图(实施方式4)。
图15是将其形状加工为角部带有圆度的本发明的微结构的俯视图(实施方式5)。
图16是表示本发明的微机电装置的结构例子的方框图(实施方式6)。
具体实施方式
下面，将参照附图说明本发明的实施方式。但是，本发明不局限于下面的说明。其方式和详细内容可以在不脱离本发明的宗旨及其范围下被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式及实施例所记载的内容中。
注意，在不同的实施方式中使用相同的附图标记来表示相同的部分，并省略其重复说明。
实施方式1
在本实施方式中，将说明在相同的衬底上同时制造微结构以及控制微结构的电路的方法。图1A和1B是示出本实施方式的MEMS的结构的图。图1A是MEMS的截面图，而图1B是微结构的俯视图。沿着图1B的虚线O-P切开的截面图对应于图1A的微结构11的截面图。注意，在图1A中，左边是形成有微结构的第一区域的截面图，而右边是形成有电路的第二区域的截面图。这一点在图2A至图3B所示的截面图也是一样的。此外，在图1A中，第二区域的电路10的截面结构示出晶体管作为典型，这一点与其他实施方式相同。
电路10和微结构11形成在具有绝缘表面的相同的衬底100上。电路10的晶体管是薄膜晶体管，并且其结构是底栅型。晶体管包括第一导电层101、第一导电层101上的第一绝缘层102、第一绝缘层102上的半导体层103、以及半导体层103上的第二导电层104。
第一导电层101构成晶体管的栅电极或栅布线。第一绝缘层102构成栅绝缘层。在半导体层103中，至少形成沟道形成区域、以及用作源区域或漏区域的高浓度杂质区域。第二导电层104连接到半导体层103的高浓度杂质区域，并且用作源电极或漏电极。
覆盖晶体管地形成第二绝缘层105。在第二绝缘层105上形成有第三导电层106。第三导电层106通过形成在第二绝缘层105中的接触孔连接到第二导电层104。
电路10的电极、布线、端子使用第一导电层101、第二导电层104以及第三导电层106来形成。利用这些由第一导电层101、第二导电层104以及第三导电层106来形成的电极、布线使微结构11和电路10电连接。此外，在电路10中，晶体管以外的元件也被形成。例如，可以通过使用半导体层103来形成MIS型电容元件、二极管。
如图1A所示那样，微结构11在形成在第二绝缘层105中的开口部107中形成。微结构11包括可移动电极121(第一结构层)、固定到衬底100上的十二个固定电极122(第二结构层)、连接到固定电极122的布线123。可移动电极121是所谓的转子(rotor)，而固定电极122是所谓的定子(stator)。布线123连接到电路10。布线123与固定电极122一体地形成。换言之，布线123的一部分构成固定电极122。因此，也可以将包括固定电极122和布线123看作第二结构层。
可移动电极121的形状是圆盘状，形成有四个开口部121a，并且从衬底100分离。
围绕可移动电极121圆弧形地配置有十二个固定电极122。固定电极122固定到衬底100上，但是其先端(与可移动电极121接近的端部)从衬底100分离，并且可以在从衬底分离了的地方静电作用于可移动电极121。
可移动电极121、固定电极122以及布线123具有多层结构，其下层由绝缘层构成，而其上层由导电层构成。下层的绝缘层位于与晶体管的第一绝缘层102相同的层并由与第一绝缘层102相同的绝缘膜形成。上层的导电层位于与晶体管的半导体层103相同的层并由与半导体层103相同的半导体膜形成。
通过由布线123将十二个固定电极122的每三个并联，可以使微结构11用作三相四极的发动机。通过对三相的固定电极122按顺序施加电压，在可移动电极121和固定电极122之间将产生静电(静电引力)。因该静电，可移动电极121旋转。可以由施加到固定电极122的电压控制可移动电极121的旋转方向。
下面，将使用图2A至图5来说明图1A和1B所示的MEMS的制造方法。在此，在第一区域中形成微结构11，而在第二区域中形成电路10。首先，准备具有绝缘表面的衬底作为衬底100。在衬底100上形成导电膜，通过光刻工序和蚀刻工序来将该导电膜加工为规定的形状，以如图2A所示那样形成第1导电层101、131。就是说，对所述导电膜进行构图来形成第一导电层101、131(通过光刻工序和蚀刻工序来将膜加工为规定的形状的步骤被也称为构图)。在第一导电层101、131上形成第一绝缘层132。
作为具有绝缘表面的衬底，可以使用如玻璃衬底、石英衬底、塑料衬底等绝缘衬底；以及在表面上形成有绝缘膜的绝缘衬底。此外，也可以使用在表面上形成有绝缘膜的硅片、金属、不锈钢等导电衬底。
形成在衬底表面的绝缘膜可以使用选自氧化硅、氮化硅、氧氮化硅(SiOxNy、x＞y)、氮氧化硅(SiOxNy、x＜y)等中的材料的单层膜、多层膜来形成。可以通过CVD法、溅射法形成这种膜。此外，在采用硅片、金属衬底的情况下，也可以对其表面进行氮化处理、氧化处理来形成氮化物、氧化物。
作为第一导电层101、131的材料，可以选择如下材料：钼(Mo)、钨(W)、铬(Cr)、钽(Ta)、钛(Ti)、铝(Al)等金属；以上述金属元素为主要成分的金属化合物(例如，钛氮化物、钨氮化物)；以上述金属元素为主要成分的合金(例如，铝和钛的合金、铬和钼的合金)等。可以通过沉积法、溅射法来形成上述材料，并且使用上述材料的单层膜或多层膜来形成第一导电层101、131。
第一导电层131是成为牺牲层的层，按照第一导电层131的形状规定微结构11的结构层(可移动电极121、固定电极122、布线123)的形状。如图4所示那样，第一导电层131形成为圆盘状。在电路10中，除了栅电极(栅布线)以外，还可以形成由第一导电层101构成电路10的电极、布线、端子等。
第一绝缘层132为了构成晶体管的栅绝缘膜而选择适合于栅绝缘膜的材料。例如，可以使用选自氧化硅、氮化硅、氧氮化硅(SiOxNy、x＞y)、氮氧化硅(SiOxNy、x＜y)等中的材料的单层膜、多层膜来形成。
接着，第一绝缘层132上形成半导体层133。可以使用硅、锗、硅和锗的化合物(硅锗)来形成半导体层133。此外，在本实施方式中，使用结晶半导体来形成半导体层133。可以通过采用CVD法、溅射法形成非晶半导体膜并对非晶半导体膜给予光能、热能来使该非晶半导体膜结晶，从而形成结晶半导体膜。此外，也可以通过CVD法、溅射法来形成微晶或多晶的半导体膜。在采用后者的方式的情况下，在形成半导体膜之后，也可以通过给予光能、热能来结晶(或者提高结晶度)。
例如，为了形成非晶硅膜，可使用以氢对硅烷(SiH4)气体进行稀释的原料气体采用CVD法来形成。此外，也可以使用由硅构成的靶子采用溅射法来形成。为了形成非晶锗膜，既可以使用以氢对锗烷(GeH4)气体进行稀释的原料气体采用CVD法来形成，又可以使用由锗构成的靶子采用溅射法来形成。为了形成非晶硅锗膜，既可以使用将硅烷(SiH4)气体和锗烷(GeH4)气体以预定的比率混合并以氢进行稀释的原料气体采用CVD法来形成，又可以使用硅和锗的两种靶子采用溅射法来形成。
作为通过CVD法的形成膜的方法，对原料气体，除了氢气气体以外还可以添加如氦气气体、氟气气体、Ar、Kr、Ne等稀有气体。此外，可以使用Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等代替单硅烷气体作为原料气体。此外，可以通过使用上述原料气体采用等离子CVD法，将微晶或多晶半导体直接形成在绝缘层132上。另外，可以通过使用上述靶子，利用控制衬底温度等来形成微晶或多晶半导体。
作为使非晶半导体膜结晶的方法，可以举出如下方法：照射激光的方法；照射红外线等的方法；使用电炉加热的方法；以及对半导体膜引入促进半导体的结晶的金属元素来使它结晶的方法等。
作为用于结晶的激光器，连续振荡型激光器(CW激光器)、脉冲振荡型激光器(脉冲激光器)两者都可以使用。作为对结晶优选的气体激光器，举出Ar激光器、Kr激光器、受激准分子激光器等。此外，作为固体激光器，可以举出如下激光器：包含掺杂物(例如，Nd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Ta)的YAG；将YVO4、YAlO3、GdVO4、镁橄榄石(Mg2SiO4)等结晶用于介质的激光器；玻璃激光器；红宝石激光器；变石激光器；以及Ti：蓝宝石激光器等。
为了使半导体结晶，不但照射从上述激光器振荡的激光束的基波，而且可以照射基波的第二高次谐波至第四高次谐波的激光束。例如，可以使用Nd：YVO4激光(基波为1064nm)的第二次高次谐波(532nm)、第三高次谐波(355nm)。激光的能密度需要在0.01MW/cm2以上至100MW/cm2以下的范围内，优选为0.1MW/cm2以上至10MW/cm2以下的范围内。令扫描速度为10cm/sec以上至200cm/sec以下的范围内即可。
将YAG等的上述结晶用作介质的固体激光器、Ar离子激光器以及Ti：红宝石激光器可以进行连续振荡。也可以通过进行Q开关动作、模式同步等，以10MHz以上的振荡频率来进行脉冲振荡。当以10MHz以上的振荡频率来振荡激光束时，可以在利用激光束半导体膜从溶融到固化的期间内向半导体膜照射下一个脉冲。因此，因为可以通过扫描激光束来将因照射激光束而产生的固液界面连续地移动，所以可以朝着扫描方向使半导体膜的晶粒生长变长。
也可以通过照射以灯为光源的红外光、可见光、紫外光而代替激光束来使半导体膜结晶。作为灯，典型地使用卤素灯、金卤灯、氙弧灯、碳弧灯、高压钠灯或高压汞灯。将利用灯发出光的照射反复一次以上十次以下，优选反复两次以上六次以下。在一次照射中，将灯的点灯时间设为1秒以上60秒以内，优选为30秒以上60秒以内的范围内，并且以600℃以上1000℃以下的温度来瞬间加热半导体膜。
在使用电炉来进行加热处理的情况下，当半导体是使用硅烷作为原料气体的非晶硅时，优选首先进行400℃左右的加热工序来使硅中的氢释放，然后将温度升高到非晶硅结晶的温度。通过上述加热处理，可以减少在结晶时的膜的粗糙。
此外，作为结晶半导体的形成方法，也举出使用促进结晶的金属元素来结晶的方法。该方法特别优选用于非晶硅膜的结晶。可以通过将促进非晶硅膜的结晶的金属元素引入到半导体中并进行激光束的照射或由电炉在500℃至600℃的加热处理，获得在晶界上的晶粒的连续性高的结晶半导体。作为促进硅的结晶的金属元素，可以使用选自如下金属元素中的一种或多种，即铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、铜(Cu)、以及金(Au)。此外，使用金属元素的结晶不但适用于非晶硅的结晶，而且可以适用于具有0.01atomic％至4.5atomic％左右的锗的非晶硅锗的结晶。
将上述金属元素引入到半导体中的方法只要是使金属元素存在于半导体的表面或其内部的方法，就并没有特别限制。例如可以使用溅射法、CVD法、等离子体处理法(包括等离子体CVD法)、吸附法、涂敷金属盐的溶液的方法。其中，使用溶液的方法简单方便，并且容易进行引入到半导体中的金属元素的浓度调整。当涂敷溶液时，优选改善半导体表面的可湿性，以便将溶液散布在半导体的整个表面上。为了改善可湿性，优选在非晶半导体的表面上形成极薄的10nm以下的氧化膜。可以通过在氧气环境大气中的UV光的照射、热氧化法、采用过氧化氢的处理、采用包含羟基的臭氧水的处理等来形成这种极薄的氧化膜。
使用金属元素结晶了的结晶硅具有如下特征，即与单晶硅同样，在晶界上的硅元素的键不切断地连续。因为该结晶硅具有这样的结晶结构的特征，该结晶硅的韧性比采用不使用金属元素的结晶来制造的多晶硅的韧性高。这是因为如下缘故：不发生因晶界缺陷而发生的应力集中，其结果，结晶硅具有比不使用金属元素而形成的多晶硅高的破坏应力。进而，因为在晶界上原子键连续，所以电子的迁移率高，从而，适合作为由静电力(静电引力)而控制的微结构的结构层的材料。当然，也可以将这种结晶硅应用于由电磁力而控制的微结构。
此外，用于结晶的镍等的金属元素与硅结合来形成硅化物。普遍知道，金属化合物如镍硅化物具有比硅高的强度。因此，可以像硅化物形成在结构层中那样，引入金属元素。
另一方面，由于用于结晶的金属元素使电路10的元件特性降低，因此在结晶之后，优选至少在形成电路10的区域(第二区域)中将引入了的金属元素从半导体层133除去。下面将说明其方法。
首先，通过使用含有臭氧的水溶液(典型的是臭氧水)来处理结晶硅的表面，在结晶半导体膜的表面上以1nm以上至10nm以下的厚度来形成由氧化膜(被称为化学氧化物)构成的阻挡层。在后面的工序中只选择性地除去吸杂层时，该阻挡层起到蚀刻停止层的作用。
接着，在阻挡层上形成含有稀有气体元素的吸杂层作为吸杂位置。在此，通过CVD法或溅射法，形成含有稀有气体元素的半导体膜作为吸杂层。当形成吸杂层时适当地调节溅射条件，以便将稀有气体元素添加到吸杂层中。作为稀有气体元素，可以使用选自氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)中的一种或多种。须指出的是在进行吸杂时，由于金属元素具有易向氧浓度高的区域移动的倾向，因此包含在吸杂层的氧浓度优选例如为5×1018cm-3以上。
接着，通过对结晶硅膜、阻挡层以及吸杂层进行加热处理(例如，使用电炉的加热处理、激光束的照射处理)，从结晶硅中除去金属元素，从而可以降低在结晶硅膜中的金属元素的浓度。
接着，如图2C所示那样，对半导体层133以及第一绝缘层132进行光刻工序和蚀刻工序，分别加工为规定的形状。从半导体层133形成晶体管的半导体层103、成为第一结构层的一部分的半导体层134、成为第二结构层的一部分的半导体层135。此外，将第一绝缘层132加工为与半导体层103、134、135相同的形状，在第二区域中形成成为晶体管的栅绝缘膜的第一绝缘层102，而在第一区域中形成成为第一结构层的一部分的绝缘层126以及成为第二结构层的一部分的绝缘层127。图5是图2C的微结构11的俯视图。在图2C中图示沿着图5的虚线O-P的截面。
通过上述工序，微结构11的第一、第二结构层的形状确定。形成为圆形的绝缘层126和半导体层134的叠层体构成可移动电极121，而绝缘层127和半导体层135的叠层体构成固定电极122及布线123。须指出的是可移动电极121是不固定到衬底100上的第一结构层，该第一结构层最后从衬底100分离。因此，由绝缘层126和半导体层134构成的叠层体的整体配置在成为牺牲层的第一导电层131的上面。此外，形成为圆形的第一结构层也可以如图5所示那样具有开口部134a。固定电极122是其前端具有从衬底100分离了的部分且具有固定到衬底100上的部分的第二结构层。为了形成这种固定电极122，由绝缘层127和半导体层135构成的叠层体的前端覆盖第一导电层131的上面和侧面地形成，而其他部分与衬底100的表面(绝缘表面)相接触地形成。
接着，如图2D所示那样，为了形成n型或p型的高浓度杂质形成区域，通过掺杂法或离子注入法，对半导体层103选择性地添加赋予导电性的杂质。使用磷(P)或砷(As)作为赋予n型的杂质元素，而使用硼(B)作为赋予p型的杂质元素。为了对除了成为栅电极的第一导电层101上以外的部分中添加杂质，可以采用光刻法并使用抗蚀剂掩模来覆盖不添加杂质的区域，以进行杂质的添加。通过上述工序，在半导体层103中形成高浓度杂质区域103b，并且第一导电层101上的没有添加杂质的区域被确定为沟道形成区域103a。
此外，在第一区域中，通过同样地对构成第一结构层的半导体层134、构成第二结构层的半导体层135添加杂质，从而赋予导电性并形成导电层128、129。通过上述工序，可以使第一结构层起到可移动电极121的作用，而使第二结构层起到固定电极122及布线123的作用。
接着，通过溅射法等形成导电膜。通过光刻工序和蚀刻工序加工该导电膜的形状，然后，图2E所示那样，在第二区域中形成第二导电层104，并且在微结构11中形成第二导电层137。在第二区域中，除了连接到高浓度杂质区域103b的电极(布线)之外，由第二导电层104形成构成电路10的电极、布线、端子等。
第二导电层137在下述的将开口部107形成在第二绝缘层105中时，为了不因蚀刻而被除去，并且为了保护第一、第二结构层而被形成在第一区域中。此外，由于最后第二导电层137将被除去，因此它也是牺牲层(第二牺牲层)。第二导电层137具有至少覆盖结构层(126至129)中的形成开口部107的部分的形状。当然，也可以具有覆盖结构层(126至129)之中的在残留第二绝缘层105的区域中存在的部分的部分。在此情况下，微结构11的布线123部分地具有绝缘层127、导电层129、第二导电层137的叠层结构。
此外，可以使用选自与第一导电层101、131相同的材料作为第二导电层104、137的材料，并且可以使用这些材料的单层膜、多层膜来形成第二导电层104、137。须指出的是由于覆盖由半导体构成的导电层128、129地形成第二导电层137，因此优选使用包含能够与硅、锗反应来形成金属化合物的金属元素的材料作为第二导电层137。作为这样金属元素，可以举出如钨、钛、钼、钽等的高熔点金属、钴、以及镍等。
在此情况下，通过在形成第二导电层137之后进行加热处理来使第二导电层137与金属元素反应，从而可以使导电层128、129成为由金属化合物构成的层。当导电层128、129是硅的情况下，可以使导电层128、129成为硅化物层。通过使导电层128、129成为金属化合物如硅化物，可以使导电性和强度的两者都提高。此外，也可以使导电层128、129的一部分成为金属化合物。作为用于形成金属化合物的加热处理，可以使用采用电炉的加热处理、以及激光束、灯光的照射处理。
在通过使导电层128、129成为金属化合物如硅化物来可以获得需要的导电率的情况下，在图2D的工序中也可以不将n型或p型的杂质添加到半导体层134、135中。
接着，如图3A所示那样形成第二绝缘层105。在第二区域中，当在第二绝缘层105中形成接触孔之后，在第二导电层104上形成导电膜，通过光刻工序及蚀刻工序来将该导电膜加工为规定的形状，以在电路10中形成第三导电层106。在电路10中，由第三导电层106还形成有除了连接到晶体管的布线之外的布线等。
第二绝缘层105是在层间将第三导电层106和第二导电层104分离的层间绝缘膜，此外，也可以起到密封电路10的密封层的作用。作为第二绝缘层105，可以使用氧化硅、氮化硅、氧氮化硅(SiOxNy、x＞y)、氮氧化硅(SiOxNy、x＜y)等无机绝缘膜。此外，还可以使用有机树脂膜如聚酰亚胺、丙烯等、包含硅氧烷的膜。有机树脂既可以是感光性，又可以是非感光性。第二绝缘层105可以采用由这些绝缘材料构成的单层结构或叠层结构。例如，第一层可以为由氮化硅构成的无机绝缘膜，而第二层可以为聚酰亚胺等有机树脂膜。须指出的是硅氧烷是由硅(Si)和氧(O)的结合构成骨架结构的材料。使用有机基(例如，烷基、芳基)作为取代基。此外，在取代基中可以包括氟基。
可以与第一导电层101、131或第二导电层104、137相同地形成第三导电层106。但是，由于采用蚀刻来除去第一导电层131及第二导电层137，所以需要选择不能被除去第一导电层131及第二导电层137的蚀刻剂除去的材料来形成第三导电层106。
在形成第三导电层106之后，如图3B所示那样，在通过蚀刻来将开口部107形成在第二绝缘层105的形成有微结构11的区域中，并且使第二导电层137露出。此时，因为由第二导电层137保护微结构11，所以在微结构11中也可以具有使用与第二绝缘层105相比蚀刻选择比率低的材料来形成的层。例如，也可以将与第二绝缘层105相同的材料使用于第一绝缘层126、127。此外，当进行牺牲层蚀刻时，作为可移动电极121的第一结构层处于不固定到衬底10上的任何地方的状态。当在处于这种状态下进行牺牲层蚀刻时，有可能第一结构层消失。为了防止这种情况，不在整个第一区域中设计开口部107，而优选在第一区域的一部分中设计开口部107。例如，在与设计在图5所示的成为第一结构层的半导体层134中的开口部134a相同的地方中形成开口部107，或者比开口部134a稍微大地形成开口部107。
接着，进行通过蚀刻来除去第二导电层137(第二牺牲层)、第一导电层131(第一牺牲层)的所谓牺牲层蚀刻。通过牺牲层蚀刻结束，图1A和1B所示的微结构11完成。在可移动电极121中形成的开口部121a是为了在牺牲层蚀刻时将蚀刻剂散布在第一牺牲层131中而设计的。作为第二导电层137、第一导电层131的蚀刻方法，可以采用湿蚀刻法和干蚀刻法中的任意一种，并且根据构成层的材料选择适当的蚀刻剂。
例如，在第一导电层131、第二导电层137(牺牲层)是钨(W)的情况下，可以使用将28％的氨和31％的过氧化氢溶液以1∶2的比率混合的溶液作为蚀刻剂。在这些牺牲层是铝的情况下，可以使用硝酸和磷酸的混酸作为蚀刻剂。
此外，根据用于牺牲层的材料，也可以在大气压等高压的条件下采用使用F2、XeF2的气体的干蚀刻，来进行牺牲层的蚀刻。
须指出的是当湿蚀刻之后的干燥时，优选使用粘度低的有机溶剂(例如为环己烷)来进行冲洗、或在低温和低压下进行干燥、或者进行组合该双方的处理，以便防止毛细现象所引起的微结构的屈曲。
像这样，本发明可以在具有绝缘表面的衬底上一体形成具有转子的微结构和电路。因此，电路和微结构的连接部分的机械强度高，不容易发生连接缺陷。另外，没有后面要使微结构和电路集成化的工序，从而可以降低制造成本。
实施方式2
在本实施方式中，将说明在相同的衬底上同时制作微结构和控制微结构的电路的方法。图6A和6B是示出本实施方式的MEMS的结构的图。图6A是MEMS的截面图，而图6B是微结构的俯视图。须指出的是在图6A中，左边是形成有微结构的第一区域的截面图，而右边是形成有电路的第二区域的截面图。这一点与图7A至7E以及图8A至8C所示的截面图相同。
在本实施方式的MEMS中也在相同的衬底100上设计有电路20和微结构21虽然电路20的晶体管是底栅型薄膜晶体管的这一点与实施方式1相同，但是半导体层203的结构不同。此外，虽然微结构21具有转子(rotor)和定子(stator)的这一点与实施方式1相同，但是具有旋转轴(第三结构层)的这一点不同。将参照图6A和6B具体地说明本实施方式的MEMS的结构。
电路20和微结构21被设计在相同的衬底100上(相同的绝缘表面上)。电路20的薄膜晶体管包括构成晶体管的栅电极或栅布线的第一导电层101、位于第一导电层101上且构成栅绝缘层的第一绝缘层102、第一绝缘层102上的半导体层203、以及半导体层203上的第二导电层104。
半导体层203具有双层结构，包括：形成有沟道形成区域的半导体层；以及层叠在该半导体层上并起到源区域或漏区域(高浓度杂质区域)的作用的显示n型或p型的导电性的半导体层(导电层)。下面，假定前者为第一半导体层而后者为第二半导体层来说明。在半导体层203的第二半导体层上形成有第二导电层104，其被连接到第二半导体层，并且起到源电极或漏电极的作用。
在电路20中，进一步覆盖第二导电层104、半导体层203、第一绝缘层102以及第一导电层101，形成有第二绝缘层105。在第二绝缘层105上形成有第三导电层106。第三导电层106通过形成在第二绝缘层105中的接触孔连接到第二导电层104。
使用第一导电层101、第二导电层104以及第三导电层106来形成电路20的电极、布线、端子。此外，在电路20中，也形成晶体管以外的元件。例如，可以使用半导体层203的n型半导体层、第一绝缘层102、第一导电层101来构成电容元件。
如图6B所示那样，微结构21包括可移动电极221(第一结构层)、固定到衬底100上的十二个固定电极222(第二结构层)、连接到固定电极222的布线223、嵌合在可移动电极221中心的旋转轴225(第三结构层)。可移动电极221是所谓的转子，而固定电极222是所谓的定子。通过对三相的固定电极222按顺序施加电压，因在可移动电极221和固定电极222之间发生了的静电引力而可移动电极221在旋转轴225的周围旋转。可以利用对固定电极222施加的电压来控制可移动电极221的旋转方向。
除了构成电极、布线的结构层的叠层结构不同之外，固定电极222、布线223的结构与实施方式1的固定电极122、布线123相同，固定电极222和布线223一体地形成。也可以把包括固定电极222和布线223看作是第二结构层。
可移动电极221的形状是在圆盘的周围对称地设计有四个T字型(其先端的宽度较宽的形状)的层的形状。此外，当俯视可移动电极221的形状时，可移动电极221显示十字型的外观，并且可移动电极221的外周成为圆弧形。
可移动电极221、固定电极222以及布线223具有多层结构，其中下层由绝缘层构成，而上层由半导体层构成。下层的绝缘层位于与晶体管的第一绝缘层102相同的层上，并且由与第一绝缘层102相同的绝缘膜形成。上层的半导体层位于与晶体管的半导体层203相同的层上，具有与半导体层203相同的第一半导体层和第二半导体层(导电层)的双层结构，并且由与半导体层203相同的半导体膜形成。
旋转轴225经由形成在可移动电极221的中心部的开口部来固定到衬底100上。此外，旋转轴225的前端比可移动电极221的开口部大，因此可移动电极221不脱落。须指出的是设计旋转轴225的位置不需要在可移动电极221的中心。在需要使用微结构21作为转子情况下，也可以将设计旋转轴225的位置从中心错开。
下面，将参照图7A至图9来说明图6A和6B所示的MEMS的制造方法。须指出的是省略与实施方式1重复的说明并援引实施方式1的说明。
首先，与实施方式1同样地准备具有绝缘表面的衬底作为衬底100。在衬底100上形成导电膜，通过光刻工序和蚀刻工序来将该导电膜加工为规定的形状，并且如图7A所示那样形成第一导电层101、131。在第一导电层101、131上形成第一绝缘层132。
在电路20中，除了晶体管的栅布线之外，由第一导电层101还形成其他电极、布线、端子。形成在微结构21的第一导电层131用作牺牲层，与实施方式1同样加工为如图4所示的圆盘状。
接着，在第一区域中形成构成可移动电极221、固定电极222以及布线223的半导体层，并且在第二区域中形成构成晶体管的半导体层203的半导体层。首先，如图7B所示那样形成构成第一半导体层的半导体膜233A。为了构成晶体管的沟道形成区域，半导体膜233A有意图地不添加赋予导电性的杂质地被形成，以使得成为本征半导体(i型半导体)。半导体膜233A可以是非晶半导体或结晶半导体如微晶半导体、多晶半导体。可以采用实施方式1所说明的方法作为形成半导体膜233A的方法。
接着，如图7C所示那样形成构成第二半导体层的半导体膜233B。为了构成晶体管的源区域及漏区域，半导体膜233B是包含赋予n型或p型的导电性的杂质的半导体层，并且也用作导电层。此外，半导体膜233B也可以是非晶半导体或结晶半导体如微晶半导体、多晶半导体。可以采用实施方式1所说明的方法作为形成半导体膜233B的方法。
因为在本实施方式中使用具有由半导体膜233A和半导体膜233B构成的双层结构的半导体层作为结构层，所以可以使用结晶结构不同的双层的半导体层来形成结构层。由于结晶结构具有不同的性质如强度等，因此通过使用结晶结构不同的半导体的多层膜来形成结构层，可以互相补充每一层中的结晶结构的缺点。
例如，半导体膜233A可以为非晶半导体，而半导体膜233B可以为多晶半导体。此外，半导体膜233A可以为微晶半导体，而半导体膜233B可以为多晶半导体。
当然，半导体膜233A和半导体膜233B可以具有相同的结晶结构。通过半导体层采用多层，容易形成厚的结构层。例如，通过反复非晶半导体膜的形成和利用由热能及光能进行的加热处理所进行的结晶，可以形成层叠结晶半导体膜的叠层膜。可以像这样形成结晶半导体的叠层膜，并且利用上层的结晶工序的加热处理来缓和下层的内部应力，因此可以防止膜的剥离以及衬底的变形。
此外，在将结晶半导体使用于半导体膜233A及半导体膜233B的情况下，可以其结晶生长方向不同地层叠半导体膜233A和半导体膜233B。例如，在使用金属元素来使半导体膜结晶的情况下，当对要结晶的整个区域中添加金属元素时半导体的结晶向相对于衬底垂直的方向生长。另一方面，选择性地添加金属元素并进行激光照射、加热处理的情况下，结晶向相对于衬底平行的方向生长。
通过层叠结晶生长方向不同的层，可以形成韧性优良的结构层。由于层叠有结晶生长方向不同的膜，因此可以互相补充每一层的缺点。就是说，如果在一个层的晶界中产生裂缝，裂缝不容易传导到结晶生长方向不同的层中，从而可以抑制结构层的破坏。
此外，可以选择结晶的区域来使半导体膜233A、233B结晶。就是说，可以仅仅选择形成电路20的区域(第二区域)或形成微结构21的区域(第一区域)来进行结晶。例如，使用非晶半导体来形成半导体膜233A，仅仅使成为微结构21的区域结晶。以半导体膜233B作为微晶半导体，不进行部分结晶。在此情况下，即使微结构21的第一半导体层和晶体管的第一半导体层位于相同的层中，其结晶结构互不相同。微结构21的第二半导体层和晶体管的第二半导体层具有相同的结晶结构。
须指出的是通过对半导体有选择地照射激光束来实现有选择性的结晶。此外，在使用金属元素来结晶的情况下，将金属元素添加到一部分的区域中。
在形成半导体膜233A、233B之后，通过光刻工序和蚀刻工序，如图7D所示那样将半导体膜233A、233B、第一绝缘层132加工为规定的形状。
第一半导体层234A、228A、229A是由半导体膜233A形成的。半导体层234B、228B、229B是由半导体膜233B形成的。此外，在第一绝缘层132中，通过蚀刻工序除去与半导体层234A、234B、228A、228B、229A、229B重叠的部分之外的部分，在第二区域中形成第一绝缘层102，并且在第一区域中形成第一绝缘层226、227。
通过上述工序，微结构21的可移动电极221、固定电极222以及布线223的形状确定。图9是图7D的微结构21的俯视图。在图7D中示出了沿着图9的虚线O-P的截面。
由第一绝缘层226、第一半导体层228A、第二半导体层228B构成的叠层体是构成可移动电极221的结构层(第一结构层)，在其中心形成用于设计旋转轴225的开口部230。由第一绝缘层227、第一半导体层229A、第二半导体层229B构成的叠层体是构成固定电极222以及布线223的结构层(第二结构层)。
在第二区域中，形成成为栅绝缘膜的第一绝缘层102、构成半导体层203的半导体层234。由第一半导体层234A和第二半导体层234B的叠层膜构成半导体层234。
接着，采用溅射法等来形成导电膜，采用光刻工序和蚀刻工序来加工该导电膜的形状，如图7E所示那样，在第二区域中形成第二导电层104，并且在微结构21中形成第二导电层237。在第二区域中，除了晶体管的电极(布线)之外，由第二导电层104还形成构成电路20的电极、布线、端子等。此外，能够与实施方式1同样地制造构成第二导电层104、237的导电膜。
为了保护而形成第二导电层237，以便当在下述第二绝缘层105中形成开口部107时结构层不因蚀刻被除去。此外，因为最后第二导电层237被除去，所以也是牺牲层(第二牺牲层)。第二导电层237具有至少覆盖位于形成有开口部107的区域中的结构层(第一半导体层228A、229A、第二半导体层228B、229B、以及绝缘层226、227)的表面的形状。当然，还可以具有覆盖位于残留第二绝缘层105的部分中的结构层(第一半导体层229A、第二半导体层229B以及绝缘层227)的部分。在此情况下，微结构21的布线223的一部分部分地具有绝缘层227、第一半导体层229A、第二半导体层229B以及第二导电层237的叠层结构。
在第二区域中，将第二导电层104用作掩模来通过蚀刻除去半导体层234的一部分，以形成半导体层203。通过该蚀刻，第二半导体层234B被分开而形成一对第二半导体层203B。一对第二半导体层203B用作源区域、漏区域。第一半导体层234A的表面层的一部分被除去，并且形成有沟道形成区域的第一半导体层203A被形成。
另一方面，在第一区域中，通过使用与硅、锗反应可形成金属化合物的金属来形成第二导电层237，与实施方式1同样，也可以通过进行加热处理来使第一半导体层228A、229A、第二半导体层228B、229B与第二半导体层237反应，形成金属化合物(典型的是金属和硅的化合物的硅化物)。在此情况下，在半导体层234的蚀刻之后进行通过加热处理等形成金属化合物。
在此情况下，可以令第二半导体层228B、229B的整体为金属化合物。此外，也可以使其表面层的一部分为金属化合物。第二半导体层228B、229B是显示n型或p型的导电性的导电层，通过使第二半导体层228B、229B成为金属化合物，可以提高其导电率且还提高其强度。
此外，根据第二半导体层228B、229B的厚度，第一半导体层228A、229A的整体也可以为金属化合物。至少可以使与第二导电层237接触的侧面的某个厚度为金属化合物。就是说，可以使可移动电极221和固定电极222的侧面、以及其后设计旋转轴225的开口部230的内部成为金属化合物。使容易受到冲击的这种部分成为金属化合物，对在提高微结构的强度上是非常有效的。
此外，在形成晶体管的沟道形成区域的情况下，由于对第一半导体层228A、229A并没有特别地赋予导电性，因此可以通过形成金属化合物来降低可移动电极221、固定电极222、布线223的电阻。尤其是，因为在固定电极222和可移动电极221相对的表面上形成金属化合物，所以可以使能够产生静电力的部分的面积扩大。
须指出的是可以提高第一半导体层228A、229A的导电率，并当作导电层。例如，在形成第二半导体膜233B之前(参照图7B)，可以对第一半导体膜233A的存在于第一区域中的部分有选择性地添加赋予n型或p型的导电性的杂质，来形成n型或p型的杂质区域。此外，通过使上述这样区域有选择性地成为金属化合物(硅化物、锗和金属的化合物)，使其成为导电层。此外，可以进行杂质的添加和金属化合物的形成这双方。
接着，如图8A所示那样形成第二绝缘层105。当在第二绝缘层105中形成接触孔之后，在第二导电层104上形成导电膜，通过光刻工序及蚀刻工序将导电膜加工为规定的形状，并且在电路20中形成第三导电层106。当形成第三导电层106之后，如图8B所示那样，通过蚀刻在形成有第二绝缘层105的微结构21的区域中形成开口部107来使第二导电层237露出。
接着，如图8B所示那样，在形成旋转轴225的部分中形成穿过第二导电层237和第一导电层131的开口部238。开口部238的形成可以采用干蚀刻，并且可以对第二导电层237、第一导电层131进行各向异性蚀刻。
开口部238形成在可移动电极221的开口部230的内部。为了分离旋转轴225和可移动电极221，开口部238形成为小于设计在如图7D所示的可移动电极221中的开口部230，并且使开口部230中第二导电层237残留。
在第二导电层237上形成多晶半导体、金属、金属化合物、合金等膜，通过光刻工序及蚀刻工序将上述膜加工为规定的形状，然后如图8C所示那样形成旋转轴225。采用如下材料作为旋转轴225的材料：即使使用用于除去第一导电层131、第二导电层237的牺牲层蚀刻的蚀刻剂，也不能除去的材料。
将旋转轴225的先端(位于第二导电层237上的部分)加工为比开口部230宽，而旋转轴的底部与衬底100贴紧地形成。
接着，进行通过蚀刻除去第二导电层237(第二牺牲层)、第一导电层131(第一牺牲层)的所谓的牺牲层蚀刻。通过牺牲层蚀刻结束，图6A和6B所示的微结构21完成。
这样，本发明可以在具有绝缘表面的衬底上一体形成具有转子的微结构和电路。因此，电路和微结构的连接部分的机械强度高，坏容易发生连接缺陷。此外，没有后面使微结构和电路集成化的工序，可以降低制造成本。
实施方式3
在本实施方式中，将说明在实施方式1的MEMS中改变微结构形状的例子。在本实施方式中，微结构包括具有梳齿形并细长的可移动层(滑动器)(slider)、以及其两侧上的固定层，并且在与衬底水平的方向上运动。这种微结构将某种机械运动改变为其他运动，例如将旋转运动改变为直线运动。具体而言，如图14所示那样，可移动层422(滑动器)的梳齿和齿轮421的齿啮合，旋转的齿轮421使可移动层422运动。可移动层422在其长轴方向上进行直线运动。此外，固定层425位于可移动层422的两端，并且限制可移动层在长轴方向上以外的运动。图10A和10B是示出本实施方式的MEMS结构的图。图10A是MEMS的截面图，而图10B是微结构的俯视图。须指出的是在图10A中，左边是形成有微结构的第一区域的截面图，而右边是形成有电路的第二区域的截面图。这一点与图11A至图12C所示的截面图相同。另外，沿着图10B的虚线O-P切开的截面图对应于图10A所示的微结构31的截面图。须指出的是因为微结构31在长轴方向上细长，因而省略上下而只示出其一部分。
在本实施方式中，也在相同的衬底100上(相同的绝缘表面上)形成有电路10以及微结构31。如图10B所示那样，微结构31包括：梳齿形的可移动层321(第一结构层)；矩形的一对第一固定层322(第二结构层)；连接到第一固定层322的布线323以及第二固定层325。布线323与第一固定层322一体地形成，并且电连接到电路10。此外，为了不使可移动层321(第一结构层)在与衬底垂直的方向上运动，可以具有第二固定层325。
可移动层321是梳齿形的电极，从衬底100分离地形成。一对第一固定层322是矩形的电极，夹着可移动层321地被配置。虽然第一固定层322被固定到衬底100地被形成，但是与可移动层321相对的前端从衬底100分离。第二固定层325贴紧到第一固定层322地被形成。此外，第二固定层325的前端从第一固定层322分离，而重叠于可移动层321上。
在微结构31中，一对第一固定层322限制可移动层321的运动，来避免可移动层321在与要移动的方向(在此为可移动层的长轴方向)不同的方向上移动。
在本实施方式中，由于电路10的结构与实施方式1相同，因此可移动层321、第一固定层322以及布线323的叠层结构与实施方式1的第一结构层(可移动电极121)和第二结构层(固定电极122、布线123)相同。
下面，使用图11A至图13来说明本实施方式的MEMS的制造方法。须指出的是省略与实施方式1重复的说明并援引实施方式1的说明。
与实施方式1同样地准备具有绝缘表面的衬底作为衬底100。在衬底100上形成导电膜，通过光刻工序和蚀刻工序来将该导电膜加工为规定的形状，并且如图11A所示那样，在第二区域中形成第一导电层101，而在第一区域中形成第一导电层331。在第一导电层101、331上形成第一绝缘层132。第一导电层331用作牺牲层(第一牺牲层)，并且如图13所示加工为矩形。须指出的是图13是图11C的微结构31的俯视图。在图11C示出沿着图13的虚线O-P来切开的截面。
接着，如图11B所示，在第一区域中形成构成可移动层321及第一固定层322的层，并且在第二区域中形成构成晶体管的半导体层103的半导体层333。
接着，如图11C所示，通过对半导体层333及第一绝缘层132进行光刻工序和蚀刻工序来将它们加工为规定的形状。在第二区域中由半导体层333形成晶体管的半导体层103。此外，在第一区域中形成成为第一结构层中的一部分的半导体层334、以及成为第二结构层中的一部分的半导体层335。另外，将第一绝缘层132加工为与半导体层103、334、335相同的形状。在第二区域中形成成为晶体管的栅绝缘膜的第一绝缘层102，而在第一区域中形成绝缘层326、327。
通过上述工序，微结构31的第一、第二结构层的形状确定。绝缘层326和半导体层334的叠层体构成可移动层321(第一结构层)，而绝缘层327和半导体层335的叠层体构成第一固定层322、布线323(第二结构层)。如图13所示，将半导体层334形成为具有梳齿状部分的矩形，并且在半导体层335的各个中，成为第一固定层322的矩形部分和成为布线323的线形部分一体地被形成且配置为夹着半导体层334。
须指出的是由于可移动层321最后从衬底100分离，因此由绝缘层326和半导体层334构成的叠层体整体配置在第一导电层331的上面。此外，因为在第一固定层322的前端形成从衬底100分离了的部分，并且为了将第一固定层322固定在衬底100上，由绝缘层327和半导体层335构成的叠层体的前端以覆盖第一导电层331的上面和侧面地方式被形成，而其他部分与衬底100的表面(绝缘表面)相接触地被形成。
通过掺杂法或离子注入法，对半导体层103、334、335选择性地添加赋予导电性的n型或p型的杂质。为了将杂质选择性地添加到除了成为栅电极的第一导电层101上之外的部分中，采用光刻法来将抗蚀剂掩模形成在不添加杂质的部分上，并使用该掩模添加杂质。通过上述工序，如图11D所示那样，在半导体层103中形成高浓度杂质区域103b，在半导体层103中的没有添加杂质的区域确定为沟道形成区域103a。高浓度杂质区域103b用作源区域或漏区域。此外，当在结构层上没有形成抗蚀剂掩模的情况下，对构成结构层的半导体层334、335通过杂质的添加赋予导电性，以形成导电层328、329。在本实施方式中，由于结构层不必须具有导电性，因此在结构层上形成抗蚀剂掩模来可以防止杂质添加到结构层中。
接着，通过溅射法等形成导电膜，通过光刻工序和蚀刻工序来加工该导电膜的形状，如图11E所示那样在第二区域中形成第二导电层104，并且在第一区域中形成第二导电层337(第二牺牲层)。第二导电层104用作源电极或漏电极。
为了保护形成第二导电层337，以使得当在第二绝缘层105中形成开口部107时结构层不因蚀刻被除去。因此第二导电层337不需要覆盖结构层(328、329)的整体，而采用至少覆盖在形成有开口部107的区域中存在的部分的形状即可。此外，第二导电层337也用作牺牲层，该牺牲层用于制造在第一固定层322和第二固定层325之间的空隙。
另外，在结构层需要具有导电性的情况下，可以通过如实施方式1所述那样使用包含与硅、锗反应来能够形成金属化合物的金属元素的材料来形成第二导电层337，使导电层328、329成为金属化合物(典型地为硅化物)。
接着，如图12A所示那样形成第二绝缘层105。在第二绝缘层105中形成接触孔之后，在第二导电层104上形成导电膜，通过光刻工序及蚀刻工序来将导电膜加工为规定的形状，在第二区域中形成第三导电层106。在形成第三导电层106之后，如图12B所示那样在第一区域中通过蚀刻将开口部107形成在第二绝缘层105中。然后，进行通过蚀刻来除去第二导电层337(第二牺牲层)、第一导电层331(第一牺牲层)的所谓的牺牲层蚀刻。与在实施方式1中的微结构的可移动电极相同，当牺牲层(337、331)被除去时可移动层321将不固定到衬底100。因此，与实施方式1相同，也可以以第二绝缘层105残留在可移动层321上部的方式来形成开口部107。此外，也可以在可移动层321上形成第二固定层。在此示出形成第二固定层的例子。
接着，为了连接第一固定层322和第二固定层325，通过光刻工序以及蚀刻工序部分地除去第二导电层337(参照图12B)。
在第二导电层237上形成导电层，通过光刻工序以及蚀刻工序将该导电层加工为规定的形状，并且如图12C所示那样形成第二固定层325(第三结构层)。第二固定层325的一部分与第一固定层322贴紧地形成并被连接到第一固定层322。此外，第二固定层325的前端覆盖在第二导电层337的上面以及侧面地形成。该结果，第二固定层325的前端从第一固定层322分离并与可移动层321重叠地被设计。
作为第二固定层325的材料，可以使用选自钼(Mo)、钨(W)、铬(Cr)、钽(Ta)、钛(Ti)、铝(Al)等中的金属；以上述金属元素为主要成分的金属化合物(例如，钛的氮化物、钨的氮化物)；或以上述金属元素为主要成分的合金(例如，铝和钛的合金、铬和钼的合金)等。此外，也可以使用钨、钛、钼、钽等难熔金属；钴、镍等的硅化物；具有n型或p型的导电性的结晶硅等。第二固定层325由上述导电材料中选出的导电膜的单层膜或多层膜构成。另外，在第二固定层325不需要导电性的情况下，第二固定层325使用具有绝缘性的材料并采用单层膜或多层膜来形成。须指出的是，采用如下材料作为第二固定层325的材料：即使使用用于除去第一导电层331、第二导电层337的牺牲层蚀刻的蚀刻剂也不被除去的材料。
进行通过蚀刻除去第二导电层337(第二牺牲层)、第一导电层331(第一牺牲层)的所谓的牺牲层蚀刻。通过牺牲层蚀刻结束，图10A和10B所示的微结构31完成。
这样，本发明可以在具有绝缘表面的衬底上一体形成具有转子的微结构和电路。因此，电路和微结构的连接部分的机械强度高，以不容易发生连接缺陷。另外，因为没有后面使微结构和电路集成化的工序，所以MEMS的结构简化，可以降低制造成本。
在本实施方式中，令可移动层321(第一结构层)为梳齿形，也可以加工为用作转子、齿轮的形状、或者用作滑动器的形状。可以将第一结构层的形状加工为能够移动即可，而不局限于本实施方式的形状。
此外，虽然在本实施方式中电路采用实施方式1的电路10的结构，但是还可以采用实施方式2的电路20的结构。在此情况下，可移动层321、第一固定层322(第一、第二结构层)的叠层结构成为与实施方式2的第一、第二结构层(可移动电极221、固定电极222)相同的结构。
实施方式4
在本实施方式中说明微结构的结构例子。图14是本实施方式的微结构的外观透视图。虽然在图14中仅仅图示微结构，但是具有绝缘表面的衬底上集成有电路和微结构。
微结构包括具有齿轮形状的第一可移动层421(第一结构层)、具有与第一可移动层421啮合的齿的第二可移动层422(第二结构层)、以及用于使静电力等对第二可移动层422起作用的固定层425(第三结构层)。固定层425与未图示的电路电连接。
第一可移动层421是齿轮，与其他实施方式的第一结构层相同，从衬底(绝缘表面)以及其他结构层分离。第二可移动层422是滑动器，具有与第一可移动层421啮合的齿。与第一结构层相同，第二可移动层422也从衬底及其他结构层分离。这样，可以通过使第一结构层421和第二结构层422啮合，将第一结构层421的直线运动转换为第二结构层422的旋转运动。与此相反，也可以将第二结构层422的旋转运动转换为第一结构层421的直线运动。
例如，可以通过利用固定层425来使第二结构层422进行直线运动。当通过对固定层425和第二结构层422之间施加电压来对第二可动层422起静电力作用时，如静电线性电动机那样第二可移动层422进行水平运动，而第一可移动层421旋转。须指出的是，也可以不由静电力，而由电磁力使第二可移动层422运动。这种微结构可以用作处理小单元的操纵器(manipulator)。另外，也可以形成如下微结构，即如上述实施方式1或实施方式2所示那样使第一可移动层421旋转，并且将第一可移动层421的旋转运动转换为第二可移动层422的水平运动的微结构。
如图14所示的微结构示出援引实施方式3所示的MEMS的制造方法来形成的例子。在与形成电路10的同时，在衬底100上形成微结构的第一至第三结构层(421、422、425)。在实施方式3中，可以通过改变第一至第三结构层(可移动层321、第一固定层322、第二固定层325)的形状、以及第一、第二牺牲层(第一导电层331、第二导电层337)的形状来制造本实施方式的微结构。因此，微结构的各个结构层的叠层结构与微结构31相同，是绝缘层和半导体层的叠层。
此外，电路可以采用与实施方式2的电路20相同的结构。在此情况下，第一至第三结构层(421、422、425)的叠层结构分别与实施方式2的第一至第三结构层(221、222、225)相同。
实施方式5
在本实施方式中，将说明为微结构的可移动部能够平滑地运动的技术。
以实施方式1的微结构11为例子来进行说明。为了容易了解微结构的结构，在图1A中示出将可移动电极121(第一结构层)和衬底100分开的图，但是可移动电极121在牺牲层蚀刻之后并不是从衬底100浮着，而处于因重力与衬底100接触的状态。因此，当可移动电极121旋转时，发生与衬底100的绝缘表面之间产生摩擦的问题。在本发明的MEMS的微结构中，构成可移动部的结构层的最下层由绝缘层(126等)形成。通过使用氮化硅、氧氮化硅、氮氧化硅来形成与由该绝缘层构成的衬底表面接触的层，从而能够与不设计绝缘层的结构层相比减少摩擦。
可以通过在衬底100的表面上设计减少与可移动电极121的摩擦的低摩擦层，进一步提高抑制摩擦的效应。作为低摩擦层，也可以采用通过CVD法或溅射法等形成的如下物质：含硅的材料如氮化硅、氮氧化硅、氧氮化硅、碳化硅等；或者类金刚石碳(DLC)。由于DLC很致密，因此其保护性能高。
此外，即使在衬底100的整个表面上，形成有微结构11的区域中可以有选择地形成低摩擦层。当低摩擦层具有充分的绝缘性时，它可以形成作为衬底100的绝缘表面。
此外，优选不但将低摩擦层设计在衬底的表面上，而且还设计在利用静电力、范德瓦耳斯力结构层彼此接近的部分中。例如，当对于在实施方式2的微结构21中设计低摩擦层的部分进行说明，在可移动电极221中，相应于开口部230的内部、旋转轴225和可移动电极221的接触部分等。此外，在实施方式1的微结构11中，也相应于可移动电极121和固定电极122接触的部分。
在构成微结构的层中，如果该层是在俯视时具有角部的形状，优选通过光刻工序和蚀刻工序将其形状加工为角部带有圆度的形状。牺牲层也同样地被加工。可以通过在去掉角而带有圆度的状态下对形状进行加工，抑制碎片的产生，以可以提高成品率。此外，因为缓和角部的应力集中，所以不容易产生成为破坏原因的裂缝。
图15是对应于图1B的俯视图，并且示出将实施方式1的微结构11的形状加工为其结构层的角部带有圆度的例子。当然，也可以将实施方式2至4的微结构的形状加工为其结构层的角部带有圆度。
实施方式6
包括微结构的本发明的微机电装置属于微机械领域，且具有从微米到毫米单位的大小。此外，当为了作为某个机械装置的部件被合并而被制造时，还包括具有以米为单位的大小，以在安装时易于使用的情况。
参照图16来说明包括本发明的微结构的微机电装置的结构例子。图16是示出本发明的微机电装置(半导体装置)的结构例子的方框图。本发明的微机电装置仅不局限于图16的结构例子。
本发明的微机电装置(MEMS)501是组合包括半导体元件的电路部502以及由微结构构成的结构部503的装置。电路部502包括控制微结构的控制电路504、与外部控制装置500进行通信的接口506等。此外，根据微结构，结构部503包括传感器505、致动器507、开关等。致动器是指将信号(主要是电信号)转换为物理量的结构元件。在结构部503中也可以设计如实施方式1及2所说明的静电电动机。
另外，电路部502还可以包括中央计算处理单元等，该中央计算处理单元用于处理结构部503所获得的信息。
外部控制装置500执行如下操作，如传送控制微机电装置501的信号，接收由微机电装置501获得的数据，或供应驱动电源至微机电装置501等。
而且，本发明可以将构成这种电路的半导体元件和微结构一体形成在相同的绝缘衬底上。可以通过一体形成来减少电路等和微结构的连接缺陷，由此可以提高成品率。
须指出的是以往在处理尺寸为毫米为单位以下的微小目标的情况下，需要这样的过程：使微小对象物的结构放大，人或计算机获得该信息并确定信息处理和操作，然后使该操作缩小并将其传送给微小的对象物。然而，包括本发明的微结构的半导体装置可以仅通过人或计算机传送上位的指令就处理微小目标。也就是，当人或计算机确定目的并传送指令时，包括微结构的半导体装置使用传感器等获得对象物的信息来进行信息处理，以可以执行操作。
在上述实施方式1至5中，假定对象物是微小的目标。这例如意味着对象物本身具有以米为单位的尺寸，但包括从该对象物所产生的微小信号(例如，光或压力的微小改变)等。
如上所述的实施方式1至6可以适当地组合。例如，可以将实施方式1所示的可移动电极121的形状如实施方式2所示的可移动电极221那样加工形状。此外，相反地，可以将可移动电极221的形状加工为如可移动电极121那样。
实施例1
在本实施例中，如上述实施方式2等所说明那样示出使用结晶结构不同的半导体层来形成结构层的例子。
如实施方式2等所说明那样，例如，诸如多晶硅层和非晶硅层那样结晶结构不同的硅层具有不同的机械特性。因此，可以通过层叠上述层来制造应用于各种用途的结构。
<关于复合弹性模量及压痕硬度的测量>
为了检查具有不同结晶结构的硅层的机械特性的差异，而测量使用CVD法而成膜的非晶硅层和使非晶硅结晶的结晶硅层的复合弹性模量及压痕硬度。这里，结晶硅层是使用金属元素使非晶硅层激光结晶而形成的层。
用作样品的非晶硅层通过如下工序来形成。首先，在石英衬底上采用CVD法形成50nm厚的氮化硅层及100nm厚的氧化硅层作为基底层，然后在该基底层上采用等离子体CVD法形成66nm厚的非晶硅层。
此外，用于样品的结晶硅层通过如下工序来准备。采用等离子体CVD法形成66nm厚的非晶硅层。将镍添加到该非晶硅层中并使用连续振荡激光器来使它结晶。通过激光照射结晶了的结晶硅层的厚度为大约60nm。用于结晶的激光束是Nd:YVO4激光束的第二高次谐波，能量密度在9W/cm2以上至9.5W/cm2以下的范围内被调整，并且扫描速度设为35cm/sec。
通过将三角锥形的压头按压在样品上的纳米压痕测量来进行测量。测量条件是压头的单一压入，所使用的压头是由金刚石构成的Berkovich压头。因此，压头的弹性模量为1000GPa左右，泊松比(Poisson’s ratio)大约为0.1。
测量了的复合弹性模量是以下述式(1)表示，是复合了样品及压头的弹性模量的弹性模量。在式(1)中，Er、E、以及v分别表示复合弹性模量、杨氏模量(Young’s modulus)、以及泊松比。另外，式中的第一项(以sample表示的项)是样品的弹性模量所贡献的项，而第二项(以indenter表示的项)是压头的弹性模量所贡献的项。
1 Er = ( 1 - v 2 E ) sample + ( 1 - v 2 E ) indenter - - - ( 1 )
如式(1)所示，可以以样品的弹性模量所贡献的第一项与压头的弹性模量所贡献的第二项之和算出复合弹性模量。但是，与样品的弹性模量相比压头的弹性模量非常大，因此可以不用考虑第二项，复合弹性模量近似地表示样品的弹性模量。
另外，压痕硬度指的是通过压痕法而测量的硬度，这是通过压头的最大按压加重除以最大按压时的投影面积而求得的。这里，以压头的几何学形状和在将压头按压在样品上时的接触深度获得按压时的投影面积。可以通过所述压痕硬度乘以76，这等价于一般用作硬度指标的维氏硬度(Vickers hardness)。
表1示出结晶硅层和非晶硅层的复合弹性模量及压痕硬度的测量结果。表1所示的数值表示测量了三次的结果的平均值。
根据表1所示的结果，结晶硅的弹性模量比非晶硅大。换言之，当被施加使结构弯曲的力量时，与非晶硅相比结晶硅进一步抗弯曲破坏强。此外，还示出了结晶硅比非晶硅硬的情况。
表1
  样品 复合弹性模量(GPa) 压痕硬度(GPa)
  非晶硅 141 15.5
  结晶硅 153 20.3
像这样，可以通过层叠具有不同弹性模量、硬度的半导体层，制造兼有抗弯曲力强的柔性和硬度的结构层。例如，通过层叠在实施例中用作样品的非晶硅层和结晶硅层，即使因结晶硅的结晶缺陷而发生破坏，由于破坏不容易传播到非晶硅，因此可以使破坏停止。像这样，可以根据被层叠的层的厚度比率决定结构层的柔性和硬度的平衡关系。

Claims (23)

1.一种微机电装置，包括：
形成在具有绝缘表面的衬底上的微结构，所述微结构包括相对于所述衬底可移动的第一结构层以及部分地固定到所述衬底的第二结构层；以及
被电连接到所述微结构并形成在所述衬底上的电路，该电路包括晶体管，所述晶体管包括形成有沟道形成区域的第一半导体层，
其中，所述第一结构层以及所述第二结构层分别包括绝缘层和与所述绝缘层接触的第二半导体层，
通过对在所述衬底上形成的相同的绝缘膜进行构图来形成所述晶体管的栅绝缘层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述绝缘层，
通过对在所述衬底上形成的相同的半导体膜进行构图来形成所述第一半导体层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的第二半导体层。
2.根据权利要求1所述的微机电装置，其中，所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述半导体层是结晶半导体层。
3.根据权利要求1所述的微机电装置，其中，所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述半导体层是使用金属元素来结晶的结晶半导体层。
4.一种微机电装置，包括：
形成在具有绝缘表面的衬底上的微结构，所述微结构包括相对于所述衬底可移动的第一结构层以及部分地固定到所述衬底的第二结构层；以及
被电连接到所述微结构并形成在所述衬底上的电路，该电路包括晶体管，所述晶体管包括形成有沟道形成区域的半导体层，
其中，所述第一结构层以及所述第二结构层分别包括绝缘层和与所述绝缘层接触的导电层，
通过对在所述衬底上形成的相同的绝缘膜进行构图来形成所述晶体管的栅绝缘层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述绝缘层，
通过对在所述衬底上形成的相同的半导体膜进行构图来形成所述半导体层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述导电层，
所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述导电层包括半导体和金属元素的化合物。
5.一种微机电装置，包括：
形成在具有绝缘表面的衬底上的微结构，所述微结构包括相对于所述衬底可移动的第一结构层以及部分地固定到所述衬底的第二结构层；以及
被电连接到所述微结构并形成在所述衬底上的电路，该电路包括晶体管，
其中，所述晶体管包括栅绝缘膜、形成有沟道形成区域的第一半导体层、以及形成有杂质区域的第二半导体层，
所述第一结构层和所述第二结构层分别包括绝缘层、与所述绝缘层接触的第三半导体层、以及与所述第三半导体层接触的第四半导体层，
通过对在所述衬底上形成的相同的绝缘膜进行构图来形成所述栅绝缘层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述绝缘层，
通过对在所述衬底上形成的相同的半导体膜进行构图来形成所述第一半导体层以及所述第三半导体层，
通过对在所述衬底上形成的相同的半导体膜进行构图来形成所述第二半导体层以及所述第四半导体层。
6.根据权利要求5所述的微机电装置，其中，所述第一半导体层和所述第三半导体层具有不同的结晶结构。
7.根据权利要求5所述的微机电装置，其中，所述第二半导体层和所述第四半导体层具有不同的结晶结构。
8.根据权利要求5所述的微机电装置，其中，所述第三半导体层和所述第四半导体层具有不同的结晶结构。
9.根据权利要求5所述的微机电装置，其中，所述第三半导体层是非晶半导体层或微晶半导体层且所述第四半导体层是多晶半导体层。
10.根据权利要求5所述的微机电装置，其中，所述第三半导体层是非晶半导体层或微晶半导体层且所述第四半导体层是使用金属元素来结晶的结晶半导体层。
11.根据权利要求5所述的微机电装置，其中，所述第三半导体层和所述第四半导体层分别是结晶半导体层且具有不同的结晶生长方向。
12.根据权利要求5所述的微机电装置，其中，所述第三半导体层和所述第四半导体层分别是使用金属元素来结晶的结晶半导体层且具有不同的结晶生长方向。
13.一种微机电装置，包括：
形成在具有绝缘表面的衬底上的微结构，所述微结构包括相对于所述衬底可移动的第一结构层以及部分地固定到所述衬底的第二结构层；以及
被电连接到所述微结构并形成在所述衬底上的电路，该电路包括晶体管，
其中，所述晶体管包括栅绝缘层、形成有沟道形成区域的第一半导体层、以及形成有杂质区域的第二半导体层，
所述第一结构层和所述第二结构层分别包括绝缘层、与所述绝缘层接触的第三半导体层、以及与所述第三半导体层接触的导电层，
通过对在所述衬底上形成的相同的绝缘膜进行构图来形成所述栅绝缘层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述绝缘层，
通过对相同的半导体膜进行构图来形成所述第一半导体层以及所述第三半导体层，
通过对相同的半导体膜进行构图来形成所述第二半导体层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述导电层，
所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述导电层包括半导体和金属元素的化合物。
14.根据权利要求13所述的微机电装置，其中，所述第三半导体层包括半导体和金属元素的化合物。
15.一种微机电装置，包括：
形成在具有绝缘表面的衬底上的微结构，所述微结构包括相对于所述衬底可移动的第一结构层以及部分地固定到所述衬底的第二结构层；以及
被电连接到所述微结构，并形成在所述衬底上的电路，该电路包括晶体管，
其中，所述晶体管包括栅绝缘层、形成有沟道形成区域的第一半导体层、以及形成有杂质区域的第二半导体层，
所述第一结构层以及所述第二结构层分别包括绝缘层、与所述绝缘层接触的第三半导体层、以及与所述第三半导体层接触的导电层，
通过对在所述衬底上形成的相同的绝缘膜进行构图来形成所述栅绝缘层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述绝缘层，
通过对相同的半导体膜进行构图来形成所述第一半导体层和所述第三半导体层，
通过对相同的半导体膜进行构图来形成所述第二半导体层以及所述第一结构层和所述第二结构层的各自的所述导电层，
所述第三半导体层包括半导体和金属元素的化合物。
16.一种包括形成在具有绝缘表面的衬底上的微结构以及电路的微机电装置的制造方法，包括如下步骤：
在所述衬底上形成导电层；
加工所述导电层，以形成在所述第一区域中成为第一牺牲层且在所述第二区域中成为所述晶体管的栅电极的第一导电层；
在所述衬底和所述第一导电层上形成绝缘膜以及半导体膜；
加工所述绝缘膜以及所述半导体膜，以形成第一绝缘层以及半导体层，所述第一绝缘层以及半导体层在所述第一区域中成为层叠所述绝缘层以及所述半导体层的所述第一结构层以及所述第二结构层且在所述第二区域中成为包括所述晶体管的栅绝缘膜以及沟道形成区域的半导体膜；
将赋予n型或p型的导电性的杂质选择性地至少添加到所述第二区域的所述半导体层中；
在所述衬底、所述第一绝缘层、以及所述半导体层上形成另一个导电层；
加工另一个导电层，以形成在所述第一区域中成为第二牺牲层且在所述第二区域中成为电连接到所述微结构和所述电路的电极的第二导电层；
在所述第一区域和所述第二区域上形成另一个绝缘层；
部分地除去至少在所述第一区域中的另一个绝缘层的部分，以形成第二绝缘层；以及
除去所述第一牺牲层以及所述第二牺牲层，以形成包括相对于所述衬底可移动的第一结构层以及部分地固定到所述衬底的第二结构层的所述微结构。
17.根据权利要求16所述的微机电装置的制造方法，其中，所述第二导电层包括金属元素且通过使所述第二导电层和所述第一区域中的半导体层反应来形成半导体和金属元素的化合物。
18.根据权利要求1所述的微机电装置，其中，所述微结构包括使用所述第一结构层来形成的转子。
19.根据权利要求4所述的微机电装置，其中，所述微结构包括使用所述第一结构层来形成的转子。
20.根据权利要求5所述的微机电装置，其中，所述微结构包括使用所述第一结构层来形成的转子。
21.根据权利要求13所述的微机电装置，其中，所述微结构包括使用所述第一结构层来形成的转子。
22.根据权利要求15所述的微机电装置，其中，所述微结构包括使用所述第一结构层来形成的转子。
23.根据权利要求16所述的微机电装置的制造方法，其中，所述微结构包括使用所述第一结构层来形成的转子。
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